紅外熱成像技術(shù)在機(jī)床主軸系統(tǒng)溫升實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

韓 超

（沈陽(yáng)機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，沈陽(yáng) 110142）

主軸在持續(xù)旋轉(zhuǎn)中會(huì)產(chǎn)生熱量。根據(jù)主軸類型和主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不同，產(chǎn)生的熱量大小和熱傳導(dǎo)方式也不同。熱量是如何傳導(dǎo)的，主軸系統(tǒng)什么時(shí)候可以達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)等，可以利用紅外熱成像技術(shù)對(duì)這些問題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

1 紅外熱成像技術(shù)的應(yīng)用及優(yōu)勢(shì)

自然界中，由于物體內(nèi)部分子熱運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，所有高于絕對(duì)零度-273 ℃的物體都會(huì)有紅外輻射，稱之為熱輻射。不同的溫度，物體發(fā)出的熱輻射波長(zhǎng)不同。

紅外熱成像技術(shù)是指利用紅外探測(cè)器和光學(xué)成像物鏡接收被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測(cè)器的光敏元件上獲得紅外熱像圖的技術(shù)。這種熱像圖與物體表面的熱分布場(chǎng)相對(duì)應(yīng)。通俗地講，紅外熱成像就是將物體發(fā)出的不可見紅外熱輻射能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姷囊曨l圖像。

現(xiàn)階段，紅外熱成像技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，涉及民航、電力、石油化工、消防預(yù)防、醫(yī)療、安防及工業(yè)制造等多個(gè)領(lǐng)域。紅外熱成像技術(shù)應(yīng)用時(shí)具有諸多優(yōu)點(diǎn)。第一，它是被動(dòng)非接觸式成像，成像距離遠(yuǎn)，大大提高了使用的安全系數(shù)。第二，它的持續(xù)工作能力強(qiáng)，可以忽略天氣、環(huán)境以及光線的干擾。其他夜視設(shè)備常常受到可見光或強(qiáng)光的干擾，導(dǎo)致攝像機(jī)在沒有光線的環(huán)境不能成像。第三，它的能耗低，使用壽命長(zhǎng)，且基于紅外熱成像技術(shù)制造的大部分設(shè)備便于攜帶，操作簡(jiǎn)單，提高了使用效率。第四，它的成像直觀。例如，在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用，通過紅外熱成像技術(shù)能在人群中及時(shí)監(jiān)控到發(fā)熱人員，以便及時(shí)采取有效措施，預(yù)防感染。

2 機(jī)床主軸系統(tǒng)溫升實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

機(jī)床主軸系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)必定會(huì)產(chǎn)生熱量，并以熱傳導(dǎo)的方式將熱量發(fā)散至其他與之連接的部件上形成主軸系統(tǒng)的溫度場(chǎng)?；跓崦浝淇s原理，機(jī)床一些部件（也包括機(jī)床主軸系統(tǒng)自身）會(huì)因此產(chǎn)生形變，影響機(jī)床的加工精度。利用紅外熱像儀測(cè)試主軸系統(tǒng)的溫升情況和溫度分布情況，以及機(jī)床在恒定轉(zhuǎn)速下的熱穩(wěn)定時(shí)間等信息加以分析，可以直接獲得機(jī)床主軸系統(tǒng)的溫升情況、熱傳導(dǎo)情況及機(jī)床熱穩(wěn)定情況，同時(shí)能掌握機(jī)床主軸系統(tǒng)的熱特性，以便及時(shí)采取措施，降低或消除因熱傳導(dǎo)造成的變形量，提高機(jī)床的加工精度。

3 紅外熱成像技術(shù)在機(jī)床主軸系統(tǒng)溫升實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

3.1 實(shí)驗(yàn)依據(jù)

溫升實(shí)驗(yàn)依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《金屬切削機(jī)床通用技術(shù)條件》（GB/T 9061—2006）中的4.6.2溫升試驗(yàn)[1]。主軸軸承達(dá)到穩(wěn)定溫度時(shí)，檢測(cè)其溫度和溫升。要求滾動(dòng)軸承的溫度值不應(yīng)超過70 ℃，溫升值不應(yīng)超過40 ℃。功能部件經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行后，測(cè)量的溫度值的上升幅度不超過每小時(shí)5 ℃時(shí)，一般認(rèn)為已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定溫度。

3.2 實(shí)驗(yàn)方法及過程

機(jī)床及主軸系統(tǒng)必須是冷態(tài)啟動(dòng)。通常來講，經(jīng)過12 h的停機(jī)視為冷態(tài)，否則會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果[2]。面向待測(cè)主軸架設(shè)紅外熱像儀，將數(shù)據(jù)通信線與專用便攜式筆記本計(jì)算機(jī)相連接。打開軟件，啟動(dòng)紅外成像功能，可在軟件中查看當(dāng)前成像情況。根據(jù)需要，調(diào)整紅外熱像儀鏡頭朝向及焦距，以達(dá)到理想的成像效果，見圖1。

圖1 儀器設(shè)備連接圖

在軟件中設(shè)定測(cè)試參數(shù)、主軸轉(zhuǎn)速、測(cè)試距離、發(fā)射率以及當(dāng)前發(fā)射溫度等?；跈C(jī)床主軸系統(tǒng)的相關(guān)測(cè)試，設(shè)定測(cè)試距離為1.5 m時(shí)效果最佳，發(fā)射率設(shè)定為0.94。因?qū)嶒?yàn)處于標(biāo)準(zhǔn)裝配車間內(nèi)，內(nèi)置恒溫空調(diào)，所以當(dāng)前的發(fā)射溫度可設(shè)定為當(dāng)前的環(huán)境溫度。

測(cè)溫點(diǎn)的選擇非常重要，需根據(jù)需求設(shè)定測(cè)試關(guān)鍵點(diǎn)。為了測(cè)得主軸系統(tǒng)的實(shí)際溫度，機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該在結(jié)構(gòu)上考慮便于測(cè)試的位置。測(cè)試方式大體分為兩類：一類是直接接觸式測(cè)溫方式，如應(yīng)用溫度傳感器對(duì)測(cè)溫點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)的溫度監(jiān)控；另一類是非接觸式測(cè)溫方式，如應(yīng)用紅外熱成像儀對(duì)測(cè)試物進(jìn)行熱成像。無論使用哪種方式，在機(jī)床設(shè)計(jì)初始都要考慮測(cè)量位置的因素，不能干擾實(shí)驗(yàn)檢測(cè)。

測(cè)試點(diǎn)的選擇也是實(shí)驗(yàn)的側(cè)重點(diǎn)。從主軸系統(tǒng)的類型出發(fā)，全面考慮所要測(cè)試的方向來設(shè)定測(cè)試關(guān)鍵點(diǎn)，見圖2。因?yàn)橐玫街鬏S以恒定轉(zhuǎn)速達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)下的熱傳導(dǎo)數(shù)據(jù)，所以設(shè)定了5個(gè)測(cè)試關(guān)鍵點(diǎn)，分別是卡盤、過渡盤、主軸端面、主軸與主軸箱連接區(qū)域以及主軸箱體。設(shè)定完畢后，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集，見圖3。

圖2 測(cè)試關(guān)鍵點(diǎn)的設(shè)定

圖3 數(shù)據(jù)采集

給定一個(gè)恒定的主軸轉(zhuǎn)速，一般設(shè)定為主軸最高轉(zhuǎn)速的75%。在主軸系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)期間，使用紅外熱成像儀對(duì)主軸系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，每隔1 min記錄一次溫度數(shù)據(jù)。當(dāng)處于熱穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，停止采集[3]。圖4中顯示了主軸系統(tǒng)的溫升終態(tài)。

圖4 主軸系統(tǒng)溫升終態(tài)

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，經(jīng)一定時(shí)間的運(yùn)行后，軸承溫度上升幅度不超過5 ℃時(shí)，可認(rèn)為已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定溫度。理論上，主軸系統(tǒng)的溫度和室溫呈一個(gè)曲線關(guān)系，每小時(shí)溫度上升5 ℃的斜率線與主軸系統(tǒng)溫度變化曲線相切，該點(diǎn)就是主軸系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定溫度時(shí)的溫度值。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的溫度是恒溫，所以分析時(shí)可以認(rèn)為環(huán)境室溫線為直線[4]。通過以上實(shí)驗(yàn)得到主軸溫升的相關(guān)數(shù)據(jù)，如圖5所示。

由圖5可知，每小時(shí)溫度上升5 ℃的斜率線與主軸系統(tǒng)溫度變化曲線相切，可以得到主軸系統(tǒng)運(yùn)行60 min時(shí)趨于熱穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)主軸系統(tǒng)的溫度基本保持恒定，最高溫度達(dá)到30 ℃，每小時(shí)最大溫升未超過5 ℃。

圖5 溫度場(chǎng)狀態(tài)及溫度-時(shí)間波線圖

根據(jù)最終熱成像分析，熱傳導(dǎo)主要朝向主軸箱體方向，向卡盤的熱傳導(dǎo)較少。影響機(jī)床加工精度的主要因素之一是卡盤的熱變形。此外，卡盤的精密度也是減少熱變形的重要因素。精密卡盤配合間隙都很小，并且選用的材質(zhì)抵抗熱變形的能力較高，但卡盤價(jià)格很高。如果熱傳導(dǎo)方向是卡盤位置，則在設(shè)計(jì)時(shí)選用卡盤會(huì)向更加精密的型號(hào)定位會(huì)增加生產(chǎn)成本。通過實(shí)驗(yàn)可以得到主軸系統(tǒng)的熱傳導(dǎo)方向來確定機(jī)床設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性，同時(shí)根據(jù)實(shí)時(shí)的溫升數(shù)據(jù)，結(jié)合加工工件精度變化的對(duì)比，確定卡盤熱變形對(duì)加工精度的影響程度，并以此為依據(jù)，合理選擇卡盤的型號(hào)，達(dá)到降低生產(chǎn)成本的目的。

通過本次實(shí)驗(yàn)可知，主軸系統(tǒng)通過溫升實(shí)驗(yàn)測(cè)試，主軸系統(tǒng)的溫度場(chǎng)狀態(tài)利于保證加工精度。

4 結(jié)語

測(cè)試后的熱成像圖可以直觀反饋主軸系統(tǒng)的熱分布狀況。溫度-時(shí)間波線圖可以反饋熱傳導(dǎo)的過程和熱穩(wěn)定時(shí)間。起始點(diǎn)至熱穩(wěn)定的波線上升區(qū)間，如果是短時(shí)間內(nèi)大幅度上升，即短時(shí)間內(nèi)有較大的溫度變化，說明主軸系統(tǒng)存在異常。此時(shí)，設(shè)計(jì)部門及工藝部門需要從主軸系統(tǒng)的冷卻、裝配特性等方面進(jìn)行自查或整改。通過掌握主軸系統(tǒng)的熱分布，設(shè)計(jì)部門可以調(diào)整主軸系統(tǒng)的連接件材質(zhì)，控制主軸系統(tǒng)的熱分布狀態(tài)，使熱分布或熱傳導(dǎo)不影響機(jī)床加工精度。紅外熱成像技術(shù)可以拓展到機(jī)床整體或其他功能部件的溫升實(shí)驗(yàn)上，對(duì)運(yùn)行中的導(dǎo)軌絲杠、電機(jī)等發(fā)熱源也能進(jìn)行溫升實(shí)驗(yàn)?？梢?，應(yīng)用紅外熱成像技術(shù)對(duì)機(jī)床性能的提升具有重要意義。