精密機(jī)床主軸主動(dòng)冷卻方法研究
2025-1-9 來(lái)源： 陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 作者：郭 力
【摘要】: 針對(duì)精密機(jī)床主軸的熱誤差控制問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于螺旋盤(pán)管的主軸主動(dòng)冷卻的熱誤差控制方案。通過(guò)搭建主軸熱特性測(cè)試系統(tǒng)，完成了基于 PT-400H 精密機(jī)床的主軸主動(dòng)冷卻系統(tǒng)。通過(guò)在不同冷卻液溫度下的主軸主動(dòng)冷卻的熱特性實(shí)驗(yàn)，表明了冷卻液溫度對(duì)熱平衡時(shí)間沒(méi)有顯著影響，但冷卻液溫度對(duì)于穩(wěn)態(tài)熱誤差有較為明顯的影響。其次，熱流固耦合仿真模型可以準(zhǔn)確反映主軸內(nèi)部的生熱和變形情況，預(yù)估一定實(shí)驗(yàn)條件下的熱平衡時(shí)間和穩(wěn)態(tài)熱誤差值，可以為工程應(yīng)用提供參考。
【關(guān)鍵詞】: 精密機(jī)床 ; 主軸 ; 熱特性 ; 穩(wěn)態(tài)誤差
前言
大量研究表明，機(jī)床熱變形所引起的加工制造誤差占機(jī)床總誤差的 40%~70%，主軸作為機(jī)床精密部件，它所產(chǎn)生熱誤差更是影響機(jī)床加工精度的關(guān)鍵。機(jī)床熱誤差問(wèn)題已經(jīng)成為影響我國(guó)精密機(jī)床發(fā)展的關(guān)鍵因素。
目前解決熱誤差主要有熱誤差防止、熱誤差補(bǔ)償和熱誤差控制 3 種方法。熱誤差控制法是要控制熱量的傳導(dǎo)，減少或避免機(jī)床內(nèi)部不均勻的溫度分布。對(duì)于 PT-400H 精密數(shù)控機(jī)床，機(jī)床主軸內(nèi)部結(jié)構(gòu)，尤其是生熱部件如軸承等的生熱及熱耗散過(guò)程造成的不均勻的溫度場(chǎng)和變形場(chǎng)分布是導(dǎo)致主軸熱誤差產(chǎn)生的主要原因。基于螺旋管的精密機(jī)床主軸主動(dòng)冷卻方案可以通過(guò)冷卻液循環(huán)系統(tǒng)液帶走機(jī)床主軸系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量，改善機(jī)床主軸系統(tǒng)的溫度分布不均勻?qū)е碌臒嶙冃螁?wèn)題，可以彌補(bǔ)機(jī)床主軸系統(tǒng)冷卻不足的缺陷。該方案還可以針對(duì)不同的機(jī)床結(jié)構(gòu)進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足工程實(shí)際應(yīng)用的需要。
圖 1 單回路的主動(dòng)冷卻循環(huán)系統(tǒng)示意圖
1. 精密機(jī)床主動(dòng)外冷卻系統(tǒng)
在硬件系統(tǒng)搭建上，單個(gè)回路主動(dòng)冷卻系統(tǒng)由冷卻循環(huán)回路、工控機(jī)、PLC 控制模塊、冷卻器和冷卻油箱組成，如圖 1 所示。
冷卻循環(huán)回路的冷卻液從冷卻油箱出發(fā)，通過(guò)循環(huán)油泵增壓，依次經(jīng)過(guò)壓力表、流量計(jì)、比例調(diào)節(jié)閥、進(jìn)口溫度計(jì)、壓力計(jì)，進(jìn)入到冷卻器，在冷卻器中與熱源進(jìn)行換熱后，依次通過(guò)出口溫度計(jì)、壓力計(jì)回到冷卻油箱 ;PLC 控制模塊負(fù)責(zé)采集循環(huán)回路上的傳感器數(shù)據(jù)和輸出指令控制比例調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，同時(shí)與冷卻油箱、工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互 ; 冷卻油箱作為油箱調(diào)節(jié)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，根據(jù)輸入的油溫指令通過(guò)內(nèi)部的 pid 控制器控制內(nèi)部的電熱棒和壓縮機(jī)動(dòng)作來(lái)調(diào)溫，油溫調(diào)節(jié)精度±0.1℃，冷卻油箱具有實(shí)時(shí)溫度屏幕顯示、串口通信、PID 參數(shù)設(shè)置和自整定等功能 ; 工控機(jī)作為上位機(jī)，是控制和顯示終端，進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的讀取、存儲(chǔ)、寫(xiě)入，運(yùn)行控制算法。
2. 基于螺旋管的主軸外置冷卻系統(tǒng)
螺旋流道中的二次環(huán)流在層流狀態(tài)下具有增強(qiáng)換熱的作用，同時(shí)適合主軸的柱狀結(jié)構(gòu)，因此主軸的外置冷卻器采用螺旋式銅管的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2 所示，最終纏繞安裝于主軸的外殼后端位置，同時(shí)主軸外殼與螺旋盤(pán)管之間填充白色導(dǎo)熱硅脂并用卡箍鎖緊以提升換熱效率，在螺旋盤(pán)管的外部包裹有隔熱層以盡量避免空氣自然對(duì)流對(duì)螺旋冷卻器內(nèi)冷卻液的影響，實(shí)物如圖 3所示。
圖 2 螺旋冷卻器結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖
圖 3 冷卻器實(shí)物圖
螺旋盤(pán)管的主要形狀參數(shù)按照盡可能地增大換熱面積，增強(qiáng)換熱效率的原則進(jìn)行設(shè)置，其中對(duì)于管徑的選擇，在市面上供選擇的銅 管 外 徑 中，6mm 比 8mm 以及更大的管徑具有更好的換熱效率，管徑選擇 6mm 的外徑 ; 纏繞長(zhǎng)度受機(jī)床實(shí)際尺寸限制，盡可能長(zhǎng)一些，管間距則盡量小一些，螺旋盤(pán)管的參數(shù)選擇見(jiàn)表 1。
表 1 螺旋冷卻器的形狀參數(shù)設(shè)置
基于螺旋盤(pán)管的主軸主動(dòng)冷卻系統(tǒng)實(shí)物如圖 4 所示，冷卻液選擇為 4 號(hào)主軸油，針對(duì)主軸循環(huán)回路，除了上述回路中通用的傳感器外，在主軸頂部（Y+）開(kāi)孔在靠近軸承的地方安裝了一個(gè)溫度傳感器，通過(guò) PLC 采集至力控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，從而可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主軸系統(tǒng)內(nèi)部溫度。此外，主軸電氣回路上串聯(lián)了功率計(jì)以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)該回路的電壓、電流、功率等參數(shù)。
圖 4 主軸主動(dòng)冷卻系統(tǒng)實(shí)物圖
3. 熱特性測(cè)試系統(tǒng)
機(jī)床熱特性測(cè)試分為溫度和位移測(cè)量，溫度測(cè)量的主要方式是采用接觸磁吸式溫度傳感器吸附于待測(cè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)為了得到整個(gè)溫度場(chǎng)的全貌，采用紅外熱像儀測(cè)量進(jìn)行補(bǔ)充 ; 位移測(cè)量對(duì)于主軸而言，采用非接觸式的位移渦流傳感器，測(cè)量的是主軸在運(yùn)行過(guò)程中相對(duì)于初始位置的各個(gè)方向的偏差。
①主軸熱特性測(cè)試原理
精密機(jī)床主軸的熱誤差通常采用五點(diǎn)法進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)在主軸的周?chē)贾秒姕u流位移傳感器，測(cè)量得到主軸的軸向和徑向位移，進(jìn)而通過(guò)計(jì)算可以得到主軸的空間姿態(tài)，本文僅關(guān)注主軸的軸向位移，測(cè)量示意圖見(jiàn)圖 5。主軸在多熱源的綜合影響下發(fā)生變形，主軸的軸向位移 ΔL1 為 :
圖 5 主軸軸向位移測(cè)量
②主軸熱特性測(cè)試系統(tǒng)
主軸熱特性測(cè)試采用的設(shè)備為開(kāi)發(fā)的基于 NI SCXI-1600 采集卡的溫度位移同步采集系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)各硬件參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表 2。傳感器的溫度和位移信號(hào)通過(guò)溫度變送器及位移調(diào)理模塊轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷汉碗娏餍盘?hào)最終送入基于SCXI-1600采集卡的采集模塊，工控機(jī)通過(guò) USB 與該模塊相連，工控機(jī)上建立采集程序?qū)π盘?hào)進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)，溫度 / 位移同步采集系統(tǒng)外觀(guān)見(jiàn)圖 6。
圖 6 溫度 / 位移同步采集系統(tǒng)實(shí)物圖
系統(tǒng)的軟件頁(yè)面基于 Labview 搭建，實(shí)現(xiàn)對(duì)最多 64 路信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)，記錄實(shí)驗(yàn)信息，軟件采集界面如圖 7 所示。每 8 路信號(hào)置于一個(gè)示波器中顯示，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要隨時(shí)調(diào)整，隱藏不需要的通道。Lab view 采集頻率設(shè)置為 1Hz，即每隔 1s 對(duì)所有通道數(shù)據(jù)進(jìn)行一次采集，將采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地采用插入指令導(dǎo)入至 SQL Server 數(shù)據(jù)庫(kù)，每一次實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)一條實(shí)驗(yàn)記錄以及相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的形式便于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的備份、查詢(xún)、處理、與其他設(shè)備采集數(shù)據(jù)的混合處理以及與其他軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。
圖 7 溫度 / 位移同步采集系統(tǒng)界面
圖 8 精密機(jī)床主軸溫度 / 位移傳感器位置
表 2 溫度位移同步采集系統(tǒng)參數(shù)
本研究中對(duì)于精密機(jī)床主軸熱特性測(cè)試的位移傳感器布置在主軸末端，溫度傳感器布置如圖8 所示，通過(guò)磁吸附的方式主要安裝在了法蘭表面和主軸外殼表面，具體位置分別為 :T1——法蘭、T2——前 Y+（深入主軸內(nèi)部，靠近主軸前軸承）、T3——前 X-、T4——前 Y-、T5——前 X+、T6——后 Y+、T7——后 X-、T8——后 Y-、T9—— 后 X+。
4. 實(shí)驗(yàn)與仿真分析
機(jī)床的熱平衡對(duì)保證機(jī)床的加工精度具有重要意義，在無(wú)冷卻下機(jī)床運(yùn)行時(shí)，熱誤差緩慢上升直至穩(wěn)態(tài)非常緩慢，熱平衡時(shí)間常常會(huì)達(dá)到數(shù)個(gè)小時(shí)甚至更多，采用熱誤差值的變化規(guī)律作為熱平衡的判定依據(jù)，定義熱平衡時(shí)間為熱誤差達(dá)到穩(wěn)態(tài)值 90% 的時(shí)間。針對(duì)機(jī)床加工中常見(jiàn)的主軸恒速工況（1000r/min），在 Ansys 仿真平臺(tái)上建立了主動(dòng)冷卻下的 PT-400H 數(shù)控機(jī)床熱流固耦合仿真模型，對(duì) 19℃環(huán)境下主動(dòng)冷卻的主軸熱特性進(jìn)行熱流固耦合仿真。不同冷卻液溫度下的主動(dòng)冷卻的主軸熱特性進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn) ，仿真時(shí)間為 0-300min，圖 9 是不同溫度下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真對(duì)比。
圖 9 19℃環(huán)境的仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比
從上圖中可以發(fā)現(xiàn)，在 20℃恒溫冷卻下的實(shí)驗(yàn)熱平衡時(shí)間為 150min，熱誤差穩(wěn)態(tài)值為 43.4μm; 在 18℃恒溫冷卻下的實(shí)驗(yàn)熱平衡時(shí)間為 123min，實(shí)驗(yàn)熱誤差穩(wěn)態(tài)值為 30.1μm; 在16℃恒溫冷卻下的實(shí)驗(yàn)熱平衡時(shí)間為 154min，實(shí)驗(yàn)熱誤差穩(wěn)態(tài)值為 19.8μm; 在無(wú)冷卻下的實(shí)驗(yàn)條件下，可以看到在 300min 后仍未達(dá)到熱平衡。
同樣的，在 20℃恒溫冷卻下的仿真熱平衡時(shí)間為 147min，仿真熱誤差穩(wěn)態(tài)值為 38.1μm;在18℃恒溫冷卻下的仿真熱平衡時(shí)間為155min，仿真熱誤差穩(wěn)態(tài)值為 27.6μm; 在 16℃ 恒溫冷卻下的仿真熱平衡時(shí)間為 135min，仿真熱誤差穩(wěn)態(tài)值為17.4μm;在無(wú)冷卻下的條件下可以看到仿真數(shù)據(jù)在 300min 后仍未達(dá)到熱平衡。
5. 結(jié)論
文章以PT-400H精密數(shù)控機(jī)床為研究對(duì)象，針對(duì)主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了主動(dòng)冷卻螺旋管，搭建了主動(dòng)冷卻的主軸冷卻系統(tǒng)，通過(guò)不同冷卻液溫度下的主動(dòng)冷卻的主軸熱特性實(shí)驗(yàn)可以得到以下結(jié)論 :
①對(duì)不同冷卻液溫度下的主軸實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比，對(duì)于恒溫冷卻實(shí)驗(yàn)，冷卻液溫度對(duì)熱平衡時(shí)間沒(méi)有顯著影響。
②在 19℃環(huán)境下主軸常用 1000r/min 工況對(duì)不恒溫冷卻溫度下熱特性仿真，幾組仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果顯示，熱平衡時(shí)間最大誤差率大約為 26%，穩(wěn)態(tài)熱誤差最大誤差不超過(guò) 15%，; 相比于 20℃恒溫冷卻，18℃、16℃的穩(wěn)態(tài)熱誤差值分別下降了 27.7%，54.3%，說(shuō)明冷卻液溫度對(duì)穩(wěn)態(tài)熱誤差有較為明顯的影響。
③熱流固耦合仿真模型可以準(zhǔn)確反映主軸內(nèi)部的生熱和變形情況，預(yù)估一定實(shí)驗(yàn)條件下的熱平衡時(shí)間和穩(wěn)態(tài)熱誤差值。在此基礎(chǔ)上，對(duì)于不同的環(huán)境及工況下的熱誤差閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)，可以針對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行仿真，從而為熱誤差控制目標(biāo)值和初始油溫設(shè)定值提供參考。
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