數(shù)控曲軸內(nèi)銑機床熱補償技術的研究與應用

盧成斌

(沈陽機床成套設備有限責任公司，遼寧 沈陽 110142)

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數(shù)控曲軸內(nèi)銑機床熱補償技術的研究與應用

盧成斌

(沈陽機床成套設備有限責任公司，遼寧 沈陽 110142)

分析了數(shù)控曲軸內(nèi)銑機床的熱源，通過熱變形實驗分析出機床熱變形的過程，把熱補償技術應用于機床中，有效地減小了發(fā)熱對機床精度的影響。

機床；內(nèi)銑；數(shù)控；熱補償

曲軸內(nèi)銑技術是一種高效率的曲軸加工工藝，數(shù)控曲軸內(nèi)銑機床(簡稱“內(nèi)銑機床”)加工效率高、柔性強。以加工六缸曲軸連桿頸為例，傳統(tǒng)的加工方法采用車削，需用3臺機床進行3個相位6個連桿頸的加工，而內(nèi)銑只需要1臺機床，可以一次裝卡完成曲軸的主軸頸，連桿頸和幅板面的加工，節(jié)省了裝卡時間，縮短了機加時間，減小磨削余量。既降低成本，又提高生產(chǎn)效率。本機能貯存多種曲軸的加工程序，在更換工件時，一般只需更換刀盤和卡爪，調(diào)入新程序，即可加工新工件。內(nèi)銑機床工作原理：通過CNC控制內(nèi)銑刀盤根據(jù)主軸頸和連桿頸的直徑，在主軸頸和連桿頸處走圓，刀盤在走圓的過程中包絡銑出主軸頸和連桿頸，以完成主軸頸和連桿頸的加工。刀盤所走的這個圓的精度包括位置精度和形狀精度，是內(nèi)銑機床的關鍵。

1　熱源分析

由于內(nèi)銑機床的熱源分布情況直接影響著整體溫度場的分布和變化，進而導致內(nèi)銑機床的熱誤差，所以對內(nèi)銑機床的內(nèi)、外熱源進行細致的分析具有重要的意義，為后續(xù)溫度傳感器測點的布置提供可靠依據(jù)。

對于內(nèi)銑機床而言，外部熱源主要包括：車間的環(huán)境溫度、光照輻射以及空氣流動等。內(nèi)部熱源主要包括：機床主軸前后軸承，X、Y、Z三軸的進給電動機和進給箱，X、Y、Z三軸導軌，絲杠螺母，安裝在內(nèi)銑機床后面的電氣部件等。

內(nèi)銑機床熱動態(tài)過程指的是內(nèi)銑機床系統(tǒng)受到內(nèi)外熱源共同作用產(chǎn)生的一種動態(tài)熱交換過程。這種動態(tài)過程導致各部件的溫升不均衡，這是內(nèi)銑機床熱變形的根本原因。結合該內(nèi)銑機床的熱動態(tài)過程，總結其工作中以下熱特點：

(1)內(nèi)銑機床對車間的環(huán)境有嚴格的要求，所以外部熱源基本可以忽略不計。

(2)該內(nèi)銑機床具有良好的潤滑系統(tǒng)，使用的是開放式的防護間，通風良好。當內(nèi)銑機床開動后，潤滑單元間歇地將潤滑油輸送到三向導軌、絲杠。X、Y、Z三軸導軌，絲杠螺母發(fā)熱量較小，不會影響內(nèi)銑機床的溫度場。

(3)對于內(nèi)銑機床來說，電器柜、液壓站、油冷機、潤滑站擺放在機床后側，離床身有一定距離，所以熱量大部分都散發(fā)在空氣中，對機床本身影響較小。

(4)內(nèi)銑機床3個坐標方向的進給電動機和進給箱都探出在床體以外，位于頂部和側面，并具有較好的散熱結構，大部分熱量都散失在空氣中，對機床本身影響較小。

(5)該內(nèi)銑機床的主軸軸承在主軸旋轉時會產(chǎn)生大量的摩擦熱，主軸箱的溫升非常顯著，在主軸轉速為100 r/min，環(huán)境溫度為15 ℃時溫升可達30 ℃。主軸箱的熱伸長直接改變刀盤中心的位置，將直接影響內(nèi)銑機床的加工精度。具體熱變形過程如圖1所示。

2　主軸箱熱變形實驗、分析及應用

2.1主軸箱熱變形實驗

(1)在機床主軸箱端面法蘭盤上拆下1個螺釘，安裝1個溫度計測量主軸溫度。

(2)X、Y、Z軸方向分別壓1塊千分表：右銑頭箱前端面壓1塊千分表(表架吸在框架體上)測X向位移，主軸箱下端面壓1塊千分表(表架吸在滑臺體上)測Y向位移，刀盤端面壓1塊千分表(表架吸在左側中心架上，主軸旋轉時表移開)測Z向位移，如圖2。

(3)設置的初始條件為：初始室溫為15 ℃，機床主軸轉速為n=50 r/min，使主軸箱連續(xù)運轉，一直達到溫度穩(wěn)定為止，測量機床主軸箱測量點的溫升變化以及機床主軸的熱誤差偏移量。

(4)等主軸箱溫度降到室溫，將機床主軸轉速調(diào)為n=100 r/min，其余條件不變，使主軸箱連續(xù)運轉，一直達到溫度穩(wěn)定為止，再次測量機床主軸箱測量點的溫升變化以及機床主軸的熱誤差偏移量。

(5)再等主軸箱溫度降到室溫，將機床主軸轉速調(diào)n=150 r/min，其余條件不變，使主軸箱連續(xù)運轉，一直達到溫度穩(wěn)定為止，再次測量機床主軸箱測點的溫升以及機床主軸的熱誤差偏移量。然后根據(jù)運行情況以及測得的數(shù)據(jù)進行對比分析。

(6)在測量機床溫度變化的同時，用千分表測量在各坐標方向的熱變形位移誤差，本實驗主要針對主軸的熱變形誤差進行測量。在機床運轉之前調(diào)整好千分表的讀數(shù)，對主軸箱初始位置進行測量，作為基準參考值。然后讓機床以一定的轉速運轉，每間隔5 min對千分表進行讀數(shù)，并記錄數(shù)據(jù)，新狀態(tài)下的測量值相對于參考值的變化反映了機床的熱漂移值的大小，從所測熱漂移量可以計算得到各方向上的熱誤差值。

2.2主軸箱熱變形分析

機床床身由于溫度的動態(tài)變化，引起機床各部件的熱膨脹，產(chǎn)生熱誤差。機床由于熱變形引起的加工誤差，最終體現(xiàn)在刀尖的位移上，而刀具的位移誤差也是隨溫度變化而變化的，而且在三軸方向上都會出現(xiàn)不同程度的動態(tài)熱誤差，因此，熱變形位移誤差的測量也應是連續(xù)的。

連續(xù)多天對內(nèi)銑機床運行數(shù)據(jù)進行測量發(fā)現(xiàn)，Z軸方向上的變形量很小，滿足使用要求，沒有必要做進一步的補償工作。選擇X軸和Y軸其中有代表意義的數(shù)據(jù)記錄，并繪制內(nèi)銑機床熱變形圖形。對內(nèi)銑機床X軸、Y軸測得的數(shù)據(jù)進行分析可以得出：

(1)X軸和Y軸的數(shù)據(jù)證明了該內(nèi)銑機床的誤差與發(fā)熱量之間存在密切聯(lián)系，在主軸轉速不同時，X、Y軸方向上的變形量在n=150 r/min時明顯大于n=50 r/min時，說明轉速越高，發(fā)熱量越大，變形量也越大。

(2)曲線開始時上升速度較快，最終達到平穩(wěn)，說明數(shù)控機床主軸變形隨著溫升逐漸趨于平穩(wěn)，最終會達到一個穩(wěn)態(tài)。

(3) 無論主軸轉速怎么變化，X、Y軸方向上的變形量和主軸溫度變化成一定比例。主軸溫度每升高1 ℃主軸熱伸長量為0.01 mm，轉換到刀盤中心熱漂移量為0.005 mm。

2.3內(nèi)銑機床熱誤差補償技術的應用

FANUC數(shù)控系統(tǒng)提供的擴展的外部機械原點位移功能，可將熱誤差通過外部機床坐標系的偏置加到位置伺服環(huán)的控制信號中而實現(xiàn)熱誤差的實時補償，該方法不需要修改數(shù)控指令，只需要使用兩個溫度傳感器以及FANUC提供的溫度轉換模塊和相應的PLC處理即可，對原有系統(tǒng)及程序不產(chǎn)生任何影響，在數(shù)控曲軸銑床上實施了熱誤差實時補償?shù)膶嶋H試驗應用中，獲得了非常滿意的補償效果。

溫度補償功能是利用熱敏電阻或熱偶器件對環(huán)境溫度檢測，由IO Unit-MOUDLE A的基本模塊(ABU05A)，模擬量接口單元(AIF01A)和溫度輸入模塊(ATI04A)讀取溫度數(shù)據(jù)至PMC的輸入信號X地址，再利用外部數(shù)據(jù)輸入中的外部機床坐標系偏移功能對相關PMC信號處理，完成隨溫度變化對相應軸的不同補償，提高機床位置精度。硬件連接(見圖3)。

(1)IO Unit-MOUDLE A基本模塊 ABU05A。

(2)IO Unit-MOUDLE A接口單元 AIF01A。

(3)IO Unit-MOUDLE A溫度輸入模塊ATI04A。

(4)IO Unit-MOUDLE A溫度輸入模塊 端子單元ATB01A。

(5)鉑電阻溫度傳感器Pt100。

數(shù)控曲軸銑床熱誤差實時補償結構方框圖如圖4。

2.4溫度補償后結果分析

熱誤差補償前和熱誤差補償后的主軸中心偏移量與溫度曲線見圖5～8。

根據(jù)結果曲線得知在進行熱誤差補償后，X向主軸中心的熱偏移量為-0.01～0.04 mm，在進行熱補償前主軸中心的熱偏移量為0～0.27 mm；在進行熱誤差補償后Y向主軸中心的熱偏移量為-0.01～0.03 mm，在進行熱補償前主軸中心的熱偏移量為0～0.19 mm。熱誤差補償使得機床的精度提高了近5倍，大大提高了機床的加工精度，有效地減小了機床發(fā)熱對精度的影響。

3　結語

高速高精度是數(shù)控機床的重要發(fā)展趨勢之一，隨著數(shù)控機床的精度不斷提高，機床熱變形引起的加工誤差所占的比例越來越高。因此對數(shù)控機床熱變形機理及特性進行研究，對提高機床精度具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

(1)基于擴展的外部機械原點位移功能，結構簡單，使用方便。

(2)數(shù)控曲軸銑床通過熱誤差實時補償，大幅提高了機床的加工精度，從而保證并提高了被加工高精度工件的精度。

(3)數(shù)控機床熱誤差實時補償具有普遍的參考意義，為大批量數(shù)控機床熱誤差實時補償?shù)膶嵤﹦?chuàng)造了條件，使之成為可能。

(編輯李靜)

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·名詞解釋·

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硬質合金焊接式車刀硬質合金焊接式車刀是把一定形狀的硬質合金刀片釬焊在刀桿的刀槽內(nèi)制成的。其結構簡單、制造刃磨方便，刀具材料利用充分，在一般的中小批量生產(chǎn)和修配生產(chǎn)中應用較多。但其切削性能受工人的刃磨技術水平影響和焊接質量的影響，不適應現(xiàn)代制造技術發(fā)展的要求，且刀桿不能重復使用，材料浪費。

Research and application of CNC crankshaft inner milling machine tool thermal compensation technology

LU Chengbin

(Shenyang Machine Tools Automotive Equipment Co.,Ltd., Shenyang 110142, CHN)

Analyze the heat source of CNC crankshaft inner milling machine, through the thermal deformation experiments to analyze the process of thermal deformation of machine tools, the application of thermal compensation technology in machine tool, effectively reduce the effect of heat on the precision of the machine tool.

machine tool; inner milling; CNC; thermal compensation

TH122

B

盧成斌，男，1982年生，工程師，主要從事數(shù)控機床設計工作。

2015-04-27)

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