立式五軸加工中心的主軸熱誤差測試及分析

吳玉亮 朱鐵軍

摘要：利用lion主軸誤差分析儀和高精度數(shù)字式溫度傳感器對立式五軸加工中心進行主軸熱伸長誤差測試，獲得主軸熱伸長誤差數(shù)據(jù)和主軸發(fā)熱點的溫升數(shù)據(jù)。通過對所測得的數(shù)據(jù)結(jié)果進行分析，為主軸熱誤差補償提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，并提出減小熱伸長誤差的建議。

引言

機床的熱誤差是影響機床精度的重要因素，研究表明機床熱誤差約占機床總誤差的40-70%[1-2]。在機床加工時主軸系統(tǒng)連續(xù)運轉(zhuǎn)是機床主要的熱誤差源，對其進行熱誤差測試研究是防止熱誤差和減小熱誤差的基礎(chǔ)。因此，本文對具有高精度的立式五軸加工中心進行主軸熱誤差測試分析，為主軸熱誤差補償提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，并提出減小熱伸長誤差的建議。

1立式五軸加工中心熱誤差測試實驗

首先在某立式五軸加工中心上對主軸熱伸長誤差進行測試。該機床的主軸為電主軸且有冷卻系統(tǒng)，最高轉(zhuǎn)速為12000rpm，數(shù)控系統(tǒng)為沈機I5系統(tǒng)。對其進行主軸熱誤差測試包括兩個方面測試，一是主軸熱伸長誤差測試，一是主軸溫升測試，主軸誤差測試采用lion主軸誤差分析儀是為了測試主軸由于溫升引起的熱伸長誤差變化量，主軸溫升測試采用高精度溫度傳感器是為了測試主軸旋轉(zhuǎn)發(fā)熱的關(guān)鍵點溫升。

實驗分別在主軸上軸承和Y軸橫梁上布置2個溫度傳感器T1和T2。其中，T1表示主軸發(fā)熱點溫度變化，T2表示環(huán)境溫度變化。lion誤差分析儀的測試精度為12nm，溫度傳感器的測試精度為0.1℃。誤差和溫度采集時間為10s采集一次。圖1位測試現(xiàn)場，圖2是溫度傳感器布局圖。為了得到真實的測試數(shù)據(jù)，機床在實驗前需要不少于12小時的關(guān)機狀態(tài)，以保證機床處于冷態(tài)開始進行測試。

2 相同轉(zhuǎn)速熱誤差測試及分析

為了研究立式五軸加工中心主軸熱誤差的重復(fù)性，采取在其主軸8000 r/min的轉(zhuǎn)速下，進行2次主軸熱伸長誤差及溫度測試，了解其變化情況。測試過程采用相應(yīng)轉(zhuǎn)速熱機4h主軸停轉(zhuǎn)3h的模式進行實驗。可以使主軸能經(jīng)過充分熱機達到熱平衡，同時還可以了解主軸停轉(zhuǎn)降溫時主軸的熱誤差的變化情況，更接近于對實際加工狀態(tài)的模擬。測試結(jié)果如圖3所示。

通過測試結(jié)果可以看出，在相同轉(zhuǎn)速下，2次測試的主軸熱伸長誤差都在70μm左右，主軸熱伸長誤差的變化規(guī)律總體上是一致的，具有可重復(fù)性；主軸發(fā)熱點的溫升和熱伸長誤差同步變化，同時也應(yīng)注意到在主軸溫升達到24℃，主軸冷卻系統(tǒng)開始啟動時，即使主軸轉(zhuǎn)速不變，但由于潤滑狀態(tài)和冷卻系統(tǒng)的影響，主軸的熱伸長誤差和溫升也會不同。

3 不同轉(zhuǎn)速下熱誤差測試及分析

為了研究立式五軸加工中心在不同轉(zhuǎn)速下的主軸熱伸長誤差的變化規(guī)律，分別在5000r/min、8000 r/min、12000 r/min的轉(zhuǎn)速下，測試主軸熱誤差變化情況。同樣采取相應(yīng)轉(zhuǎn)速熱機4h主軸停轉(zhuǎn)3h的模式進行實驗。測試結(jié)果如圖4所示。

從測試結(jié)果分析，隨著主軸轉(zhuǎn)速的升高，主軸最大熱伸長誤差和發(fā)熱點的溫升都變大，主軸在12000rpm/8000rpm/5000rpm時，熱伸長誤差分別是100μm/ 70μm/60μm；轉(zhuǎn)速越高，熱伸長誤差的變化速率越快；同時熱伸長誤差與發(fā)熱點的溫升對應(yīng)較好，后續(xù)可以根據(jù)誤差和溫度的變化建立主軸熱誤差模型，通過監(jiān)測發(fā)熱點的溫度來補償主軸的熱伸長誤差。

根據(jù)測試數(shù)據(jù)還可知，在主軸前半段時間內(nèi)熱誤差變化較快較大；冷卻系統(tǒng)的作用并不明顯。在加工時，可使主軸先行熱機，以減小熱誤差影響。對于配有冷卻系統(tǒng)的主軸，應(yīng)根據(jù)實際情況調(diào)整冷卻啟動溫度設(shè)置或選用冷卻功率與熱誤差變化相匹配的冷卻系統(tǒng)。

4 結(jié)語

本文對立式五軸加工中心進行主軸熱伸長誤差測試，獲得主軸熱伸長誤差和溫升數(shù)據(jù)。通過對所測得的數(shù)據(jù)結(jié)果進行分析，誤差和溫度規(guī)律一致可以為后續(xù)研究主軸熱誤差補償提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，并提出提前熱機或加大冷卻功率的減小該機床熱伸長誤差的建議措施。

參考文獻

[1] 劉征文.銑車復(fù)合加工中心整機熱變形及誤差補償?shù)难芯縖D].碩士學(xué)位論文.蘭州理工大學(xué)，2013.

[2] Ramesh R，Mannan M A，Poo A N. Error compensation in machine tools—a review Part II：thermal errors[J]. Journal of Machine Tools and Manufacture，2000，40（9）：1257–1284.

（作者單位：沈陽機床（集團）有限責任公司 設(shè)計研究院實驗室）