用于主軸熱控制的水冷機設(shè)計

李毅， 陳國華，2，夏銘，劉敦奇,2，左乾君,2

(1.湖北文理學院機械工程學院，湖北襄陽 441053;2.襄陽華中科技大學先進制造工程研究院，湖北襄陽 441000)

0 前言

隨著制造業(yè)的不斷發(fā)展，對于機床加工精度的要求也在不斷提升[1]。大量研究表明，熱誤差對機床的加工精度有很大影響，它造成的加工誤差占機床總誤差的40%以上[2]。機床熱誤差已經(jīng)被公認為是精密加工最重要的問題之一，而主軸熱是機床熱誤差的主要誤差源[3]。主軸有著發(fā)熱量大、溫升快和溫度場分布不均勻的特點，長時間高速運轉(zhuǎn)累積的大量的熱量會對主軸軸向形變產(chǎn)生較大影響，從而影響主軸精度[4]。因此高效快速對主軸進行冷卻，有效地控制主軸熱成為一個亟待解決問題。

為了對主軸熱誤差進行有效控制，國內(nèi)外學者對主軸冷卻系統(tǒng)進行了不少研究，提出了一些理論和方法。李偉光等[5]針對SCM-Ⅲ型電主軸設(shè)計了一種新型的高速電主軸冷卻系統(tǒng)，很好地解決高速電主軸的內(nèi)部散熱問題。SHI等[6]建立了一套主軸溫度測量系統(tǒng)，用以測量不同轉(zhuǎn)速條件下的主軸溫度。LI等[7]提出了五點測量法，精準確定了機床敏感溫度點，并通過GEP-WLSSVM方法構(gòu)建了機床熱誤差模型。趙亮等人[8]構(gòu)建了主軸系統(tǒng)的熱-流-固有限元模型，有效預測主軸系統(tǒng)熱特性的變化規(guī)律。吳軍強等[9]設(shè)計一套采用循環(huán)液冷卻的智能溫控系統(tǒng)，解決了電磁熱引起的機床精度下降的問題。劉騰[10]搭建起電主軸單元熱態(tài)特性監(jiān)測-控制平臺，實現(xiàn)機床電主軸主動抑制及多種控溫策略的實現(xiàn)及效果監(jiān)測。吳金文等[11]采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，構(gòu)造機床主軸熱誤差預測模型。房芳等人[12]提出了基于熱圖像的主軸徑向熱誤差建模方法。羅勇等人[13]利用紅外熱像儀、位移傳感器和溫度傳感器記錄熱誤差數(shù)據(jù)，建立熱誤差模型和熱誤差補償系統(tǒng)。苗恩銘等[14]提出了一種數(shù)控機床工作臺平面度誤差與主軸熱誤差的綜合補償方法。劉璞凌等[15]基于Cpk分析，提出了一種新的關(guān)鍵溫度點的選擇方法，基于關(guān)鍵溫度點的溫度數(shù)據(jù)和直接源自生產(chǎn)線的工件尺寸數(shù)據(jù)，構(gòu)建了數(shù)控機床主軸徑向熱誤差模型。

通過對現(xiàn)有的研究方法和技術(shù)路線進行分析可以發(fā)現(xiàn)，多數(shù)機床主軸熱冷卻設(shè)備缺乏集成性和多平臺適裝能力。本文作者提出一種用于機床主軸熱控制的水冷機設(shè)計方案，以水冷機作為研究對象，根據(jù)制冷原理對水冷機進行總體設(shè)計，根據(jù)機床主軸的發(fā)熱特點，對水冷機進行功能分析并提出控制原理與方法，最后通過實驗驗證水冷設(shè)計方案的可行性并評估溫控效果。

1 水冷機系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 總體設(shè)計方案

主軸熱源包括內(nèi)部熱源和外部熱源，在標準的廠房作業(yè)環(huán)境下，外部熱源對機床主軸熱影響不大，故文中不考慮外部熱源。內(nèi)部熱源主要包括軸承發(fā)熱和電機發(fā)熱，軸承發(fā)熱的主要原因是摩擦生熱，電機發(fā)熱的主要原因是電機內(nèi)部構(gòu)件之間的機械損耗、電損耗和功率損耗。從傳熱方式考慮，電機內(nèi)部產(chǎn)生的熱量主要以導熱的方式向外擴散，水冷機對主軸進行降溫主要是以對流的形式將機床主軸產(chǎn)生的熱量帶走。基于以上發(fā)熱原理，為實現(xiàn)主軸溫度自動控制的技術(shù)目標，機床水冷機應當具備以下5個功能，即主軸溫度監(jiān)測、自調(diào)節(jié)溫度控制程序、冷卻水溫度自動調(diào)節(jié)、冷卻水壓力自動調(diào)節(jié)和水冷機健康狀態(tài)評估。為了實現(xiàn)這5項功能，水冷機系統(tǒng)應當包含以下4個結(jié)構(gòu)模塊(如圖1所示)，即制冷模塊、液壓循環(huán)模塊、熱交換模塊和控制模塊。以4個結(jié)構(gòu)組成的執(zhí)行單元，通過5項功能組成的控制單元實現(xiàn)機床主軸溫度自動控制。

圖1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.1 Overall structure design

系統(tǒng)基本控制原理是，機床啟動后，主軸開始高速運轉(zhuǎn)，主軸內(nèi)部熱量增加，引起表面溫度上升，溫度傳感器檢測溫度變化并將數(shù)據(jù)傳遞給上位機。上位機通過算法對數(shù)據(jù)進行擬合，模擬主軸溫度變化規(guī)律，最后生成溫度控制程序。溫度控制程序設(shè)定目標冷卻液參數(shù)，并調(diào)整水冷機功率使它泵出一定溫度和流速的冷卻水。液壓循環(huán)模塊在溫度控制程序的控制下，對冷卻水進行勾兌，使冷卻水達到目標冷卻液設(shè)定值，目標冷卻液進入熱交換模塊對冷卻位點進行降溫。

1.2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.2.1 制冷模塊設(shè)計

根據(jù)數(shù)控加工中心主要參數(shù)，對水冷機進行選型，選定的水冷機主要參數(shù)如表1所示。

表1 水冷機基本技術(shù)參數(shù)Tab.1 Basic technical parameters of water cooler

制冷模塊主要的工作目標是為液壓循環(huán)模塊提供一定溫度和流量的冷卻水。制冷模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由水冷機、水冷機控制器、流量計、溫度傳感器、節(jié)流閥和警示燈組成。

圖2 制冷模塊結(jié)構(gòu) Fig.2 Refrigeration module structure

制冷模塊基本控制原理是：水冷機根據(jù)溫度控制程序設(shè)定的參數(shù)泵出一定溫度和流速的冷卻水，同時水冷機控制器與上位機建立通信，并根據(jù)冷卻效果，自動調(diào)整自身工作參數(shù)，使冷卻水參數(shù)不斷逼近目標冷卻液。水冷機出水口和進水口安裝的水流量傳感器和溫度傳感器監(jiān)測進出水溫度和流量，節(jié)流閥控制進出水流量。根據(jù)制冷模塊控制主要結(jié)構(gòu)和元器件布置位置。

1.2.2 液壓循環(huán)模塊設(shè)計

液壓循環(huán)模塊的主要目的是對從水冷機流入的冷卻水的溫度和流量進行適度調(diào)節(jié)。主要的設(shè)計思想是：通過液壓循環(huán)控制模塊對冷卻水溫度進行比兌調(diào)溫，精確控制出水流速，實現(xiàn)多條冷卻支路異溫差速動態(tài)循環(huán)冷卻。液壓循環(huán)模塊主要的組件包括電磁閥、增壓泵、流量傳感器、溫度傳感器及其他一些連接管。

液壓循環(huán)控制模塊的基本控制原理(如圖3所示)是：液壓循環(huán)模塊通過將低溫干路的冷卻水進行分流，形成若干條低溫支路；同時將高溫干路的配溫水也進行分流，形成若干條高溫支路，此時支路的冷卻水和配溫水的流量有所降低。之后通過流量控制閥精準控制支路水流量，通過增壓泵對冷卻水進行調(diào)溫調(diào)壓，使冷卻水最大程度接近目標冷卻液溫度與流速，最后進入熱交換模塊對冷卻位點進行冷卻。完成冷卻后一部分回流進高溫干路成為配溫水，一部分流回水冷機。

圖3 液壓循環(huán)模塊控制原理 Fig.3 Control principle of hydraulic circulation module

1.2.3 熱交換模塊設(shè)計

熱交換模塊主要目的是通過熱交換機構(gòu)將主軸產(chǎn)生的熱量帶走。主要設(shè)計依據(jù)是：由于主軸溫升時溫度場的分布不均勻，傳統(tǒng)U形冷凝管冷卻效率比較低。文中的主要設(shè)計思想是：通過多條循環(huán)回路和模塊化的冷卻貼片對主軸冷卻位點進行差異化冷卻，通過評估冷卻效果，調(diào)整冷卻貼片的位置與數(shù)量。文中設(shè)計了一種新型的小型冷卻貼片，尺寸小、易安裝、傳熱能力強。熱交換模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要組件包括冷卻貼片、冷凝管、溫度傳感器、固定條和連接管。

圖4 熱交換模塊結(jié)構(gòu) Fig.4 Heat exchange module structure

熱交換模塊基本的控制原理是：目標冷卻液進入冷卻貼片后對主軸進行冷卻，主軸上布設(shè)的溫度傳感器實時監(jiān)測溫變數(shù)據(jù)，上位機溫度控制程序根據(jù)溫變數(shù)據(jù)評估冷卻效果，一方面可以調(diào)整冷卻貼片的數(shù)量與位置，另一方面可以適時調(diào)整溫度控制程序中制冷參數(shù)。根據(jù)熱交換模塊主要功能和原理設(shè)計冷卻貼片。

1.2.4 控制模塊

控制模塊設(shè)計目的有兩點：(1)對各模塊進行主動控制協(xié)調(diào)，主要是讀取各個執(zhí)行機構(gòu)的數(shù)據(jù)參數(shù)，分析參數(shù)變化規(guī)律，并適時對各機構(gòu)各關(guān)鍵參數(shù)進行設(shè)置，實現(xiàn)系統(tǒng)的正常有效運行。(2)故障分析與健康狀況評估，讀取各機構(gòu)的工作數(shù)據(jù)，對正常數(shù)據(jù)進行收集保存，建立系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)庫；對異常數(shù)據(jù)分析，進行故障診斷，根據(jù)異常數(shù)據(jù)變化規(guī)律分析系統(tǒng)故障原因，對系統(tǒng)健康狀態(tài)評估。控制模塊控制原理如圖5所示。

圖5 控制模塊控制原理 Fig.5 Control principle of control module

2 功能分析

2.1 溫度監(jiān)測功能

溫度控制功能主要目的是：(1)監(jiān)測各個機構(gòu)溫變情況；(2)調(diào)節(jié)各機構(gòu)工作參數(shù)。監(jiān)測方法是：溫度傳感器監(jiān)測各干路、各支路中冷卻水的溫度，監(jiān)測主軸冷卻位點溫變情況。調(diào)節(jié)方法是：溫度傳感器采集冷卻位點溫變數(shù)據(jù)，由溫度控制程序?qū)?shù)據(jù)進行分析、評估和預測，并對系統(tǒng)各機構(gòu)進行參數(shù)調(diào)節(jié)使冷卻水達到目標冷卻液設(shè)定參數(shù)。

2.2 流量調(diào)節(jié)功能

流量調(diào)節(jié)功能的主要目的是：調(diào)節(jié)循環(huán)回路冷卻水參數(shù)，使它達到溫度控制程序設(shè)定的目標冷卻液溫度和流量。測溫調(diào)壓原理如圖6所示。調(diào)節(jié)方法是：流量計監(jiān)測水冷機進出水流量，循環(huán)干路、循環(huán)支路冷卻水的流量。上位機對溫度和流速等監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析、評估和預測，實時調(diào)整電磁閥和增壓泵的輸入信號，使流入熱交換模塊的冷卻水滿足程序設(shè)定的溫度和流量。

圖6 測溫調(diào)壓原理 Fig.6 Principle of temperature and voltage regulation

3 實驗驗證

3.1 實驗原理

為了對文中所提出的水冷機裝置有效性進行驗證，通過搭建相關(guān)實驗平臺，檢測主軸溫升數(shù)據(jù)，對水冷機的溫度控制能力進行驗證評估。選取XHK-715數(shù)控加工中心為實驗對象，測量主軸冷卻前后溫度數(shù)據(jù)，評估制冷效果，檢驗水冷機有效性。

實驗原則：

(1)實驗選取2個測溫點，分別為主軸電機墊板和主軸。檢測主軸電機墊板溫度可以反映主軸外殼溫度變化情況，通過數(shù)據(jù)分析可以判斷水冷機裝置的有效性。檢測主軸溫度可以直接體現(xiàn)主軸溫升情況，是評價水冷機主軸熱控制效果最直接指標。

(2)實驗設(shè)置4組對比實驗，分別為主軸轉(zhuǎn)速1 000、5 000、8 000、13 000 r/min。溫度傳感器每隔5 min采集一次溫度數(shù)據(jù)，每個測溫點采集36組溫度數(shù)據(jù)，單次實驗時長180 min。

(3)在同一轉(zhuǎn)速條件下，通過對比測溫點冷卻前后溫度變化情況對熱控制效果進行評估。

(4)在不同轉(zhuǎn)速條件下，對比同一測溫點溫度變化情況評估水冷機制冷能力。

3.2 實驗平臺

具體實驗步驟是：

(1)根據(jù)文中提出的水冷機設(shè)計方案定制專用的機床主軸熱控制水冷機，水冷機設(shè)備如圖7所示。

(2)搭建液壓循環(huán)模塊相關(guān)管道和熱交換模塊相關(guān)冷卻貼片，并檢驗管路連接密封性，測試控制線路連接正確。

(3)按照對比實驗原則開展實驗。

圖7 水冷機設(shè)備

3.3 實驗結(jié)果

實驗場條件下，主軸電機墊板起始溫度為18.331 ℃，軸起始溫度為20.321 ℃。實驗完成后，對實驗數(shù)據(jù)進行處理，主軸轉(zhuǎn)速1 000、5 000、8 000、13 000 r/min條件下的溫度變化如圖8—圖11所示。

圖8 主軸轉(zhuǎn)速1 000 r/min時溫度變化

主軸轉(zhuǎn)速1 000 r/min時，非冷卻條件下，主軸電機墊板最高溫度為24.126 ℃，140 min主軸電機墊板進入熱平衡狀態(tài)；主軸最高溫度為33.512 ℃，80 min主軸進入熱平衡狀態(tài)。冷卻條件下，主軸電機墊板進入熱平衡狀態(tài)時，溫度在19.831 ℃左右波動；主軸溫度進入熱平衡狀態(tài)時，溫度在21.782～22.154 ℃之間波動。

圖9 主軸轉(zhuǎn)速5 000 r/min時溫度變化

主軸轉(zhuǎn)速5 000 r/min時，非冷卻條件下，主軸電機墊板最高溫度為27.686 ℃，140 min進入熱平衡狀態(tài)；主軸最高溫度為37.263 ℃，80 min進入熱平衡狀態(tài)。冷卻條件下，主軸電機墊板進入熱平衡狀態(tài)時，溫度在19.532 ℃附近波動。主軸進入熱平衡狀態(tài)時，溫度在21.794～22.381 ℃之間波動。

圖10 主軸轉(zhuǎn)速8 000 r/min時溫度變化

主軸轉(zhuǎn)速8 000 r/min時，非冷卻條件下，主軸電機墊板最高溫度為33.206 ℃，140 min主軸電機墊板進入熱平衡狀態(tài)。主軸最高溫度為43.508 ℃，60 min進入熱平衡狀態(tài)。冷卻條件下，主軸電機墊板進入熱平衡狀態(tài)時，溫度在20.18 ℃左右波動；主軸進入熱平衡狀態(tài)時，溫度在22.383～23.037 ℃之間波動。

圖11 主軸轉(zhuǎn)速13 000 r/min時溫度變化

主軸轉(zhuǎn)速13 000 r/min時，非冷卻條件下，主軸電機墊板最高溫度為38.887 ℃，160 min進入熱平衡狀態(tài)；主軸最高溫度為50.448 ℃，60 min進入熱平衡狀態(tài)。冷卻條件下，主軸電機墊板進入熱平衡狀態(tài)時，溫度在20.20 ℃附近波動；主軸進入熱平衡狀態(tài)時，溫度在23.299～24.117 ℃之間波動。

根據(jù)4組對比實驗可以得出結(jié)論：(1)同一轉(zhuǎn)速條件下，利用水冷機對主軸進行冷卻，可以使主軸溫度降低30%，熱平衡時間縮短45%；(2)在不同的主軸電機轉(zhuǎn)速條件下，水冷機對機床主軸發(fā)熱均有良好的抑制作用，可以將主軸溫度控制在一定溫度范圍內(nèi)，達到主軸溫度波動平衡，實現(xiàn)水冷機對機床主軸熱控制。

4 結(jié)束語

文中針對機床主軸熱誤差問題，提出了一種用于機床主軸熱控制的水冷機裝置。在機床主軸熱源分析的基礎(chǔ)上，闡述了水冷機的設(shè)計思想，介紹了水冷機總體設(shè)計方案，提出了水冷機的5個功能目標和4個結(jié)構(gòu)模塊，并對結(jié)構(gòu)模塊的控制原理進行了詳細設(shè)計，對功能目標進行功能分析。最后通過實驗對水冷機冷卻效果進行評估，通過數(shù)據(jù)分析可以證明，文中提出的機床水冷機可以實現(xiàn)對機床主軸的熱控制。