龍門加工中心主軸熱伸長解決方案

劉 暢

(中捷機床有限公司，遼寧沈陽 110043)

主軸在運轉過程中，伺服電動機、皮帶及其他與主軸相關運動部件會因摩擦、損耗等產生熱量。如果熱量不能及時散發和排出，則很可能導致主軸軸承燒傷。因此，眾多機床生產廠家都是對主軸軸承座外套通過恒溫油的方式進行循環冷卻，使主軸運轉過程中絕大部分的熱量隨循環油帶出機體，阻隔與滑枕之間的熱傳遞路線，以減小熱變形。但是，再完善的冷卻也仍然會有部分位置熱量因傳導速度快或者無法冷卻到位，導致熱量不能及時排出，使滑枕及滑枕內部的主軸部分產生熱變形，滑枕的熱變形和主軸的熱變形最終體現在主軸端面的位置變化，因此將此種熱伸長我們統稱為主軸熱伸長。現在很多用戶來咨詢這個問題，希望我們廠家能夠解決主軸發熱伸長造成的誤差。

為了進一步解決主軸熱伸長對加工精度的影響，對主軸的熱伸長通過控制系統補償的辦法進行補償，來解決補償精度問題。我們規劃用下面的方法來解決這個問題，即:補償溫度是通過熱敏電阻測溫實驗獲得;熱伸長的數據通過測量每一個單位溫升的伸長來獲得;然后通過自己編輯的補償控制程序，將每一個溫度點需補償的變形伸長量傳達到Z向伺服電動機，從而實現主軸熱伸長補償。

根據龍門機床實際的主軸和滑枕的聯接系統來看，主要發熱源在主軸電動機皮帶輪連接部分。通過主軸電動機皮帶輪的底座傳導給滑枕，再通過滑枕傳導給滑枕內部的主軸，從發熱部分的位置來看主要變形的部分在皮帶輪熱輻射區，Z軸絲母座到主軸前端這部分稱之為有效熱伸長部分。為了能有效地測量溫度的變化，因此將溫度傳感器安裝在皮帶輪底座上，這樣可以更直接有效地測量到發熱點的溫度變化。然后通過PLC軟件將每個溫度產生的熱變形補償到Z軸(滑枕的運動方向)，通過Z軸的運動將伸長的部分調整到正常的位置，這樣就可以保證機床的切削精度。

將溫度傳感器安裝在主軸的集中發熱點，安裝位置如圖1所示。

表1 數據表

通過對很多廠家的了解，配FANUC系統的加工中心溫度補償系統都有不同的做法，有些日本廠家是通過自己開發的硬件結合軟件來實現此項功能(如okk);有些廠家直接通過距離傳感器的NC宏程序來改變(如日立精機)。很多廠家都是自己開發的這套溫度補償系統。因此筆者決定通過自己的努力來解決這個問題。

表2 2010年2月12日現場試驗數據

表3 2010年2月14日現場試驗數據

筆者經過對FANUC系統資料的詳細了解，認為可以通過FANUC系統的外部數據輸入輸出功能來實現此項補償功能。此功能需要自己來編寫一套程序，通過程序的賦值來實現數據的輸入，將所需的數據通過此功能直接寫入系統，由系統控制Z軸的坐標變化來實現補償。

通過自己編制一套軟件和一個參數表格，使用戶可以方便地通過觀察及修改參數表格里面的數據來實現主軸熱伸長的補償功能。這需要硬件和軟件(編制相應的PLC程序建立相應參數表格)相結合來實現。

首先要選擇正確的硬件系統。該硬件系統包含了FANUC的I/O的基本單元、模擬輸入模塊組及I/O通訊電纜(其價格大約為1.2萬元)。

表4 2010年2月18日現場試驗數據

軟件方面:通過對機床運轉和主軸熱伸長的實際情況分析，確定了對主軸熱伸長補償不使用線性補償的方式。這種方式雖然需要測量的數據較少，但如果溫度變化比較頻繁的時候，反而會使加工出現問題，比如刀具破損、工件表面切深不一致、表面粗糙度不好、切削位置有偏差等。因此，考慮到這些問題，為了保證切削的連續性及精確度，最后選用的是點位補償形式，它的優點是由于主軸連續工作的特性會很快地使主軸溫升穩定在一個固定的溫度范圍，這樣的話就會使在一個穩定的溫度范圍之內有一個穩定的補償。因此將穩定的基礎溫度范圍定為1 K(溫度在1℃之內的變化)，在此區間補償一次，這樣就保證了主軸在1 K范圍內的穩定，確保了切削的連續性(可以通過調整測量的溫度來改變溫升范圍，具體做法見后)，同時也保證了切削精度(每1℃變化量最大為0.01 mm)。把基礎溫度定在28℃(可以根據實際情況來修改)，最大主軸溫升是根據主軸溫升的穩定溫度值來決定的。即:通過主軸的溫升實驗來確定主軸穩定在一個穩定的溫度值后就不會再有溫升的時候，這個溫度就是最大的溫度值。一般的溫升在15 K以內，如果溫升太大的話基本上就是主軸裝配有問題了。

在PLC中，建立PLC參數，通過PLC的計算及賦值，實現主軸熱伸長的補償功能。

首先是將溫度傳感器里面的溫度讀到PLC參數D650～D678中，以D650～D678中的溫度為基準，改變D650～D678中的值就可以改變補償的溫度溫升值。例如:D650=28，D652=30，那么溫度的每個溫度點補償范圍就是2 K，最大溫度值就是56。D700～D728就是對應于D650～D678的補償值。建立數據表如下:

經過大量的實驗，結果是可以將主軸熱伸長的精度保證在0.01 mm之內。部分的實驗數據如表2～4。

通過表格中的數據可以看到，主軸熱伸長的補償作用還是非常明顯的。如今在用戶沈陽金杯模具已經采用了此項功能，效果非常好。