臥式數控加工中心主軸熱誤差問題分析

摘 要：作為數控機床的關鍵部件之一，主軸的熱誤差控制對于保證機床的加工精度具有重要作用。本文首先介紹了臥式數控加工中心主軸熱誤差的測量及數據分析，然后具體探討了主軸熱誤差的控制措施，以期為相關技術與研究人員提供參考。

關鍵詞：數控加工；中心主軸；熱誤差

熱性能是精密臥式數控加工中心工作穩定性和可靠性的重要影響因素，而主軸是臥式數控機床加工精度控制的主要部位。這是因為內部軸承在高速運轉時會形成大量熱而造成主軸容易出現變形，進而降低加工精度。當前，隨著精密制造技術及自動化技術的大量應用，數控機床也逐漸朝向精密化、高速度、智能化、高精度方向發展。而機床熱變形引發的誤差已成為精密機床的主要誤差源之一。因此，加強有關臥式數控加工中心主軸熱誤差問題的研究，對于改善數控機床加工精度具有重要的現實意義。

1 臥式數控加工中心主軸熱誤差測量與數據分析

1.1 主軸熱誤差測量方法

依據主軸熱誤差綜合特征描述矩陣，可構建由多通道數據采集模塊、溫度傳感器、位移傳感器、熱成像儀和測量數據同步顯示模塊組成的熱誤差測量系統。實際檢測中，可選用接觸與非接觸組合方法對加工中心主軸溫度場進行測量。先使用紅外熱成像儀采用非接觸方法測量主軸，同時使用PT100鉑溫度傳感器采用接觸式方法測量主軸溫度場。試驗選用五點法對主軸熱誤差進行檢測，五點法就是在X和Y方向分開布設兩個位移傳感器對各自方向上的熱傾斜和熱漂移進行測量，另外在Z方向上布設一個位移傳感器對軸向伸長進行測量。

測試過程中，主軸應依照設定速度進行旋轉，利用數據采集軟件的監控模塊對熱變形及溫度場狀況進行實時監測[1]。

1.2 主軸有效測溫點設定

數控機床溫度場不同部位的溫升會對機床熱變形產生不同程度的影響，而通常會存在一些其溫升變化會明顯影響機床熱誤差的點，此類點稱為熱誤差敏感點。測溫點設定時，可采用相關系數法，整體考慮Z熱伸長及Y向熱漂移，由各測溫點類別中挑選出對熱位移影響最明顯的主要測溫點作為此類別的代表點，并將其用于隨后的熱誤差補償建模。

1.3 主軸熱誤差數據分析

在高低轉速切換與階梯轉速切換兩類試驗工作條件下，即使溫度測點數據綜合走向存在差異，但其隨主軸轉速的變化趨勢確實類似的：在主軸旋轉時間增加、轉速增加的時候，溫度會同時升高；而在主軸旋轉時間減少、轉速降低時，溫度會同時下降；且在某一轉速條件下，溫升會達到某一極限值，在該值狀態下，其隨主軸旋轉保持均衡溫度場狀態。

試驗過程中同時測試了速度切換所引發的主軸熱變形。在主軸溫度場保持恒定后的一段時間內，主軸變形將進入高限值，切換至下一轉速，以采集特定轉速下的最大熱變形和最高溫升。根據階梯轉速切換試驗數據，同類試驗工作條件下，熱誤差具有一致的變化趨勢，數據可重復，表明加工中心主軸具有穩定的熱特性規律。

2 臥式數控加工中心主軸熱誤差控制措施

2.1 控制溫升

熱源是引發機床熱變形的關鍵因素，調整熱源以降低主軸溫升，或采用平衡溫度場的方法減少變形，是確保機床熱態精度良好的重要舉措。具體操作時，可使用恒溫冷卻機對將流經主軸箱或主軸軸承的潤滑油進行冷卻處理，以降低主軸軸承的溫升；或采用水內冷卻或空氣循環冷卻的方法，在主軸軸承外環或主軸箱內設置換熱冷卻環套，使冷卻介質循環進入冷卻套內，以實現冷卻主軸部件的功能[2]。

2.2 機床改造

對機床進行設計改造，以盡可能降低機床對溫度的敏感性，優化設計熱態結構，是改善數控機床加工精密型的重要措施。熱態結構優化設計是指在某熱源條件下，以參數優化和形狀優化為著力點，找尋科學有效的剛度分布和溫度分布，對機床機構的熱位移進行控制，確保運轉精度。在設計主軸時，應綜合考慮潤滑油路布設、尺寸參數、結構類型、熱源設置等因素，對大件實施優化設計以降低熱變形。此外，應對機床關鍵發熱體的導熱率進行改進，選用比金屬導體具有更高導熱率的材料以將熱源處的熱量傳遞到其他部位，實現溫度場均衡。

2.3 誤差補償

作為改善機床加工精度的一種重要手段，熱誤差補償相比溫度控制和結構優化具有更高的經濟性和穩定性。誤差補償的關鍵是構建一個能對誤差預測的數學模型，在數控加工時通過該模型預測誤差，以完成實時補償。熱誤差補償通常包含預先標定誤差補償和主動誤差補償兩部分。依據企業實際狀況，采用溫控技術對主軸熱特性進行改善，可在不改變動靜態性能的基礎上更好的提升機床熱態精度。可采用的方法有：

（1）當主軸單元溫度場分布與溫度梯度不一致時會導致主軸系統熱不對稱，由此可造成軸承發生偏斜。主軸設計應做好對稱性設計，也就是熱對稱和結構對稱。

（2）因制造或結構設計等導致主軸單元內部熱源難以進行快速冷卻時，可選用冷源法對機床內部重要熱源熱量進行吸收，如利用強制油冷，將螺旋冷卻油槽附設在主軸外周，使用前后軸承改造形成專用冷卻回路等方法來改善主軸散熱條件。同時可配合使用熱源法對殘余熱誤差進行校正，以實現綜合監控溫度的目的[3]。

（3）降低主軸發熱量，可將接觸式密封替換為非接觸式迷宮密封氣封，以控制系統內部熱源數量，將鋼珠軸承替換為陶瓷球軸承、使用同步電機代替異步電機、將脂潤滑替換為油-氣潤滑、調整軸承預緊力等來減小軸承發熱強度。

（4）對熱位移實施熱補償，可對軸承熱溫升狀況進行檢測，對部分溫度不高部件實施強制升溫，以產生熱對稱，改善主軸熱特性。

3 結語

主軸熱誤差的控制水平將直接影響臥式數控加工中心的運行質量和安全性，因此，相關技術與研究人員應加強有關臥式數控加工中心主軸熱誤差問題的研究，總結臥式數控加工中心主軸熱誤差來源及關鍵控制技術措施，以逐步提升加工中心主軸工作精度。

參考文獻：

[1]仇健，劉啟偉，劉春時，馬曉波，林劍峰.臥式加工中心主軸溫度場預測與熱誤差分布[J].制造技術與機床，2012，05（35）：57-58.

[2]陳松，王永青.數控機床熱誤差測點優化模型預測與實時補償的研究[J].組合機床與自動化加工技術，2013，06（10）：61-62.

[3]李繼堂.加工中心主軸溫升實驗裝置的設計[J].制造技術與機床，2012，13（14）：74-75.

作者簡介：石鑫江，男，浙江紹興人，本科，研究方向：數控臥式加工中心和數控鏜床的研發。