A/C數(shù)控銑頭熱變形研究

羅和平，汲 軍，張 童，祁勝飛

(1.沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110142；2.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110870)

A/C數(shù)控銑頭熱變形研究

羅和平1，汲 軍1，張 童1，祁勝飛2

(1.沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110142；2.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110870)

熱變形式是直接影響直驅(qū)式A/C軸數(shù)控銑頭加工精度的主要因素。本文分析AC數(shù)控銑頭的發(fā)熱來(lái)源，并進(jìn)行有限元分析。利用熱紅外成像儀連續(xù)測(cè)量數(shù)控銑頭溫度變化情況，同時(shí)用API測(cè)量?jī)x測(cè)量與銑頭連接的檢棒的變形。根據(jù)測(cè)得數(shù)據(jù)，建立模型對(duì)熱變形進(jìn)行了補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知C軸的發(fā)熱和散熱情況對(duì)數(shù)控銑頭加工精度有很大影響，通過(guò)補(bǔ)償系統(tǒng)的建立使誤差降到0.001 56 mm，使數(shù)控銑頭的精度有很大的提高。

數(shù)控銑頭；熱變形；熱紅外成像；誤差補(bǔ)償

0 前言

五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心用于葉輪、螺旋槳等復(fù)雜曲面的加工，反映了高端裝備制造的水平。除了三個(gè)移動(dòng)軸，回轉(zhuǎn)軸有工作臺(tái)回轉(zhuǎn)與主軸頭回轉(zhuǎn)兩種方式。前者的主軸結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，剛性非常好，但一般承重較小。后者的主軸前端是一個(gè)回轉(zhuǎn)頭，還帶有可繞X軸旋轉(zhuǎn)的A軸。這種方式主軸靈活，工作臺(tái)承重大。根據(jù)傳動(dòng)方式不同，雙擺角銑頭分為同步帶傳動(dòng)、齒輪式傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)和力矩電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。

直驅(qū)式雙擺角銑頭結(jié)構(gòu)緊湊，擺角范圍廣，但力矩電機(jī)工作時(shí)繞組產(chǎn)生的熱量是影響數(shù)控銑頭加工精度的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，對(duì)銑頭的工作性能和精密運(yùn)動(dòng)有很大的影響。由于C軸帶動(dòng)A軸部分做360°轉(zhuǎn)動(dòng)，并且C軸結(jié)構(gòu)復(fù)雜，作為A軸傳動(dòng)的上一級(jí)，C軸誤差對(duì)A軸影響較大。本文研究數(shù)控銑頭熱變形，分析數(shù)控銑頭的熱源及散熱情況，并進(jìn)行有限元分析。利用熱紅外成像儀連續(xù)測(cè)量數(shù)控銑頭溫度變化情況，同時(shí)用API測(cè)量?jī)x測(cè)量與銑頭連接的檢棒的變形。根據(jù)測(cè)得數(shù)據(jù)，建立模型對(duì)熱變形進(jìn)行補(bǔ)償。

1 A/C軸銑頭熱誤差來(lái)源

如圖1所示，雙擺角銑頭主要由C軸和A軸兩個(gè)部分構(gòu)成。C軸的齒盤(pán)，與A軸的齒盤(pán)嚙合，使其繞C軸±360°旋轉(zhuǎn)。同時(shí)電主軸繞A軸擺動(dòng)。

圖1 數(shù)控銑頭剖面圖

受不同熱源的影響， A/C 軸數(shù)控銑頭產(chǎn)生的主要誤差如表1所示。

表1 A/C軸數(shù)控銑頭熱誤差

采用如圖2所示的檢棒與5個(gè)位移傳感器的組合來(lái)檢測(cè)。

圖2 熱變形測(cè)量傳感器

2 基于A(yíng)NSYS的熱誤差分析

冷卻水與空氣溫度分別為26℃與20℃。通過(guò)穩(wěn)態(tài)熱分析，計(jì)算求得：C軸力矩電機(jī)生熱功率 2 591 W；冷卻水換熱系數(shù)6 920 W/m2·℃；殼與空氣對(duì)流換熱系數(shù)12.5 W/m2·℃。

C軸殼體材料為45號(hào)鋼，物理特性參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 物理特性表

在熱-結(jié)構(gòu)耦合分析中把C軸物理參數(shù)代入ANSYS命令流中，設(shè)定 Steady-State 選項(xiàng)、輸出控制、載荷步控制等，進(jìn)行求解計(jì)算。ANSYS的 C 軸溫度場(chǎng)分析結(jié)果如圖 3所示。

圖3 銑頭C軸溫度場(chǎng)分布圖(剖面圖)

由上圖可知，力矩電機(jī)的定子處溫度較高，在65℃左右時(shí)，C軸達(dá)到了穩(wěn)態(tài)熱平衡。

3 熱誤差補(bǔ)償

3.1 補(bǔ)償系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立

根據(jù)機(jī)床運(yùn)動(dòng)副誤差運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，由小誤差假設(shè)得綜合熱誤差運(yùn)動(dòng)矩陣[8]：

式中，Δθx為銑頭在X方向的轉(zhuǎn)角誤差；Δθy為銑頭在Y方向的轉(zhuǎn)角誤差；Δθz為銑頭在Z方向的轉(zhuǎn)角誤差；Δλx為銑頭在X方向的位置誤差；Δλy為銑頭在Y方向的位置誤差；Δλz為銑頭在Z方向的位置誤差。

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)所需的設(shè)備有：直驅(qū)式A/C軸數(shù)控銑頭、ThermoVision A40紅外成像儀、API測(cè)量?jī)x、連接API測(cè)量?jī)x帶有傳感器的測(cè)量支座，安裝在數(shù)控銑頭上的檢棒。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，控制銑頭電機(jī)使其帶動(dòng)C軸轉(zhuǎn)動(dòng)，并使其轉(zhuǎn)速維持在5 000 r/min，不間斷測(cè)試3 h以上，每間隔5 min采集圖像信息并分析主軸旋轉(zhuǎn)過(guò)程中熱的分布情況和銑頭隨時(shí)間的溫度變化情況，同時(shí)根據(jù)API測(cè)量?jī)x測(cè)量每次檢棒的變形，分析溫度變化產(chǎn)生的誤差(圖4)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，首先需要測(cè)量在常溫狀態(tài)下未加入補(bǔ)償系統(tǒng)的C軸的溫度和傳感器檢測(cè)的位移值。主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，帶動(dòng)A、C軸同時(shí)運(yùn)動(dòng)，分別測(cè)量加入補(bǔ)償系統(tǒng)和不加入補(bǔ)償系統(tǒng)的溫度分布情況和位移傳感器的值。

圖4 熱變形測(cè)量

補(bǔ)償前，Z向最大值為0.369 54 mm、最小值為0.355 60 mm，差值為0.013 94 mm。 圖5所示為補(bǔ)償后位移傳感器數(shù)值，20 min后基本趨于平穩(wěn)，在0.355 mm附近微小波動(dòng)，變化范圍為0.001 41 mm。

圖5 補(bǔ)償后位移傳感器數(shù)值

4 結(jié)論

熱變形式是直接影響直驅(qū)式A/C軸數(shù)控銑頭加工精度的主要因素。本文分析數(shù)控銑頭的熱源及散熱情況，建立模型對(duì)熱變形進(jìn)行了補(bǔ)償。

(1)通過(guò)有限元熱分析方法，分析了直驅(qū)式A/C軸數(shù)控銑頭的發(fā)熱來(lái)源，結(jié)果顯示C軸力矩電機(jī)定子處的溫度較高，產(chǎn)生熱變形較大，對(duì)加工精度有影響。

(2)通過(guò)ThermoVision A40紅外成像儀和API位移傳感器連續(xù)測(cè)量銑頭溫度分布情況和檢棒位移隨溫度變化情況。

(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示C軸的發(fā)熱和散熱情況對(duì)數(shù)控銑頭加工精度有很大影響，通過(guò)補(bǔ)償系統(tǒng)的建立使熱變形誤差從0.013 94 mm 降到 0.001 56 mm。

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Study on thermal deformation of A/C CNC milling head

LUO He-ping1,JI Jun1,ZHANG Tong1，QI Sheng-fei2

( 1. Shenyang Machine Tool Co.,Ltd.,Shenyang 110142,China;2.Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China)

The thermal deformation is a main factor which affects the machining accuracy of direct drive A/C axis CNC milling head. In this paper, the heat source and heat dissipation of CNC milling head were analyzed, and the finite element analysis was carried out. The temperature change of CNC milling head was continuously measured by the thermal infrared imager, and the deformation of rod connected with the milling head was measured by the API measuring instrument. According to the measured data, the model was used to compensate the thermal deformation. The experimental results showed that the heating and cooling of the C axis had a great influence on the machining accuracy of the CNC milling head, and the error was reduced to 0.001 56 mm by building the compensation system.

CNC milling head;thermal deformation;thermal infrared imaging;error compensation

TP391

A

1001-196X(2017)05-0035-03

2017-04-28；

2017-06-27

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)(2013ZX 04001-031)

羅和平(1979-)，男，高級(jí)工程師，主要研究方向：加工單元集成技術(shù)。