精密機床主軸主動冷卻方法研究
2025-1-9 來源： 陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 作者：郭 力
【摘要】: 針對精密機床主軸的熱誤差控制問題，設(shè)計了基于螺旋盤管的主軸主動冷卻的熱誤差控制方案。通過搭建主軸熱特性測試系統(tǒng)，完成了基于 PT-400H 精密機床的主軸主動冷卻系統(tǒng)。通過在不同冷卻液溫度下的主軸主動冷卻的熱特性實驗，表明了冷卻液溫度對熱平衡時間沒有顯著影響，但冷卻液溫度對于穩(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)估一定實驗條件下的熱平衡時間和穩(wěn)態(tài)熱誤差值，可以為工程應(yīng)用提供參考。
【關(guān)鍵詞】: 精密機床 ; 主軸 ; 熱特性 ; 穩(wěn)態(tài)誤差
前言
大量研究表明，機床熱變形所引起的加工制造誤差占機床總誤差的 40%~70%，主軸作為機床精密部件，它所產(chǎn)生熱誤差更是影響機床加工精度的關(guān)鍵。機床熱誤差問題已經(jīng)成為影響我國精密機床發(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)，減少或避免機床內(nèi)部不均勻的溫度分布。對于 PT-400H 精密數(shù)控機床，機床主軸內(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程造成的不均勻的溫度場和變形場分布是導(dǎo)致主軸熱誤差產(chǎn)生的主要原因。基于螺旋管的精密機床主軸主動冷卻方案可以通過冷卻液循環(huán)系統(tǒng)液帶走機床主軸系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量，改善機床主軸系統(tǒng)的溫度分布不均勻?qū)е碌臒嶙冃螁?/span>題，可以彌補機床主軸系統(tǒng)冷卻不足的缺陷。該方案還可以針對不同的機床結(jié)構(gòu)進行開發(fā)設(shè)計，滿足工程實際應(yīng)用的需要。
圖 1 單回路的主動冷卻循環(huán)系統(tǒng)示意圖
1. 精密機床主動外冷卻系統(tǒng)
在硬件系統(tǒng)搭建上，單個回路主動冷卻系統(tǒng)由冷卻循環(huán)回路、工控機、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)，通過循環(huán)油泵增壓，依次經(jīng)過壓力表、流量計、比例調(diào)節(jié)閥、進口溫度計、壓力計，進入到冷卻器，在冷卻器中與熱源進行換熱后，依次通過出口溫度計、壓力計回到冷卻油箱 ;PLC 控制模塊負責(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)閥開度，同時與冷卻油箱、工控機進行數(shù)據(jù)交互 ; 冷卻油箱作為油箱調(diào)節(jié)的執(zhí)行機構(gòu)，根據(jù)輸入的油溫指令通過內(nèi)部的 pid 控制器控制內(nèi)部的電熱棒和壓縮機動作來調(diào)溫，油溫調(diào)節(jié)精度±0.1℃，冷卻油箱具有實時溫度屏幕顯示、串口通信、PID 參數(shù)設(shè)置和自整定等功能 ; 工控機作為上位機，是控制和顯示終端，進行整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)的讀取、存儲、寫入，運行控制算法。
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)下具有增強換熱的作用，同時適合主軸的柱狀結(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，同時主軸外殼與螺旋盤管之間填充白色導(dǎo)熱硅脂并用卡箍鎖緊以提升換熱效率，在螺旋盤管的外部包裹有隔熱層以盡量避免空氣自然對流對螺旋冷卻器內(nèi)冷卻液的影響，實物如圖 3所示。
圖 2 螺旋冷卻器結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖
圖 3 冷卻器實物圖
螺旋盤管的主要形狀參數(shù)按照盡可能地增大換熱面積，增強換熱效率的原則進行設(shè)置，其中對于管徑的選擇，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 ; 纏繞長度受機床實際尺寸限制，盡可能長一些，管間距則盡量小一些，螺旋盤管的參數(shù)選擇見表 1。
表 1 螺旋冷卻器的形狀參數(shù)設(shè)置
基于螺旋盤管的主軸主動冷卻系統(tǒng)實物如圖 4 所示，冷卻液選擇為 4 號主軸油，針對主軸循環(huán)回路，除了上述回路中通用的傳感器外，在主軸頂部（Y+）開孔在靠近軸承的地方安裝了一個溫度傳感器，通過 PLC 采集至力控數(shù)據(jù)庫，從而可以實時監(jiān)測主軸系統(tǒng)內(nèi)部溫度。此外，主軸電氣回路上串聯(lián)了功率計以實時監(jiān)測該回路的電壓、電流、功率等參數(shù)。
圖 4 主軸主動冷卻系統(tǒng)實物圖
3. 熱特性測試系統(tǒng)
機床熱特性測試分為溫度和位移測量，溫度測量的主要方式是采用接觸磁吸式溫度傳感器吸附于待測測點進行測量，同時為了得到整個溫度場的全貌，采用紅外熱像儀測量進行補充 ; 位移測量對于主軸而言，采用非接觸式的位移渦流傳感器，測量的是主軸在運行過程中相對于初始位置的各個方向的偏差。
①主軸熱特性測試原理
精密機床主軸的熱誤差通常采用五點法進行測量，通過在主軸的周圍布置電渦流位移傳感器，測量得到主軸的軸向和徑向位移，進而通過計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，測量示意圖見圖 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 主軸軸向位移測量
②主軸熱特性測試系統(tǒng)
主軸熱特性測試采用的設(shè)備為開發(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)見表 2。傳感器的溫度和位移信號通過溫度變送器及位移調(diào)理模塊轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷汉碗娏餍盘栕罱K送入基于SCXI-1600采集卡的采集模塊，工控機通過 USB 與該模塊相連，工控機上建立采集程序?qū)π盘栠M行顯示和存儲，溫度 / 位移同步采集系統(tǒng)外觀見圖 6。
圖 6 溫度 / 位移同步采集系統(tǒng)實物圖
系統(tǒng)的軟件頁面基于 Labview 搭建，實現(xiàn)對最多 64 路信號進行數(shù)據(jù)顯示、存儲，記錄實驗信息，軟件采集界面如圖 7 所示。每 8 路信號置于一個示波器中顯示，可以根據(jù)實驗需要隨時調(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 對所有通道數(shù)據(jù)進行一次采集，將采集數(shù)據(jù)實時地采用插入指令導(dǎo)入至 SQL Server 數(shù)據(jù)庫，每一次實驗對應(yīng)一條實驗記錄以及相應(yīng)時間段內(nèi)的實驗數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)庫存儲的形式便于實驗數(shù)據(jù)的備份、查詢、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)
本研究中對于精密機床主軸熱特性測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. 實驗與仿真分析
機床的熱平衡對保證機床的加工精度具有重要意義，在無冷卻下機床運行時，熱誤差緩慢上升直至穩(wěn)態(tài)非常緩慢，熱平衡時間常常會達到數(shù)個小時甚至更多，采用熱誤差值的變化規(guī)律作為熱平衡的判定依據(jù)，定義熱平衡時間為熱誤差達到穩(wěn)態(tài)值 90% 的時間。針對機床加工中常見的主軸恒速工況（1000r/min），在 Ansys 仿真平臺上建立了主動冷卻下的 PT-400H 數(shù)控機床熱流固耦合仿真模型，對 19℃環(huán)境下主動冷卻的主軸熱特性進行熱流固耦合仿真。不同冷卻液溫度下的主動冷卻的主軸熱特性進行仿真實驗 ，仿真時間為 0-300min，圖 9 是不同溫度下的實驗結(jié)果和仿真對比。
圖 9 19℃環(huán)境的仿真與實驗對比
從上圖中可以發(fā)現(xiàn)，在 20℃恒溫冷卻下的實驗熱平衡時間為 150min，熱誤差穩(wěn)態(tài)值為 43.4μm; 在 18℃恒溫冷卻下的實驗熱平衡時間為 123min，實驗熱誤差穩(wěn)態(tài)值為 30.1μm; 在16℃恒溫冷卻下的實驗熱平衡時間為 154min，實驗熱誤差穩(wěn)態(tài)值為 19.8μm; 在無冷卻下的實驗條件下，可以看到在 300min 后仍未達到熱平衡。
同樣的，在 20℃恒溫冷卻下的仿真熱平衡時間為 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間為 135min，仿真熱誤差穩(wěn)態(tài)值為17.4μm;在無冷卻下的條件下可以看到仿真數(shù)據(jù)在 300min 后仍未達到熱平衡。
5. 結(jié)論
文章以PT-400H精密數(shù)控機床為研究對象，針對主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計了主動冷卻螺旋管，搭建了主動冷卻的主軸冷卻系統(tǒng)，通過不同冷卻液溫度下的主動冷卻的主軸熱特性實驗可以得到以下結(jié)論 :
①對不同冷卻液溫度下的主軸實驗與仿真結(jié)果對比，對于恒溫冷卻實驗，冷卻液溫度對熱平衡時間沒有顯著影響。
②在 19℃環(huán)境下主軸常用 1000r/min 工況對不恒溫冷卻溫度下熱特性仿真，幾組仿真與實驗對比結(jié)果顯示，熱平衡時間最大誤差率大約為 26%，穩(wěn)態(tài)熱誤差最大誤差不超過 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%，說明冷卻液溫度對穩(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)估一定實驗條件下的熱平衡時間和穩(wěn)態(tài)熱誤差值。在此基礎(chǔ)上，對于不同的環(huán)境及工況下的熱誤差閉環(huán)控制實驗，可以針對實驗環(huán)境進行仿真，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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