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數控車（chē）床主軸溫度（dù）場分布檢測與控製措施

2019-5-30 來源（yuán）：沈陽理工大學機械工（gōng）程學院作者：史安娜，曹富榮，劉斯妤

摘要：數控車床主軸的熱變形對加工產品的質量和精度有重（chóng）要的影響，溫度場的（de）分布不均勻是導致熱變（biàn）形的主要因素。以（yǐ）CAK3665經濟型數控車床主軸為研究對象，應（yīng）用FLIR紅外熱成像儀（yí）測溫技術對車床主軸的溫度場展開測量，分析造成車床（chuáng）主軸的溫度場分布不均勻的熱源，測出（chū）隨著車床主軸在中速下連續運轉（zhuǎn），各測點的穩定溫度以及（jí）溫（wēn）升變化規（guī）律。提出改善溫度場分布不均勻的方案，為後續（xù）進行熱分析以及實現數控車床的高速高精密加工奠定基礎。

關鍵詞：數控車床；溫度場（chǎng）；FLIR熱成像儀

引言（yán）

數控加工技術向著高可靠性、高速度以（yǐ）及高精度（dù）的方向快速發展，現代製造（zào）行業對數（shù）控機床的（de）加工速度、加工效率（lǜ）的要求（qiú）越（yuè）來越高。改善車床的熱特性，成為製造業發展中最重（chóng）要（yào）的研究課題之一。數控（kòng）車床產生的熱變形，是因為車床的溫度升高而造成車床部件會膨脹（zhàng）或者變形，從而導致刀具與工件之間的相對位移產生變化（huà）。熱誤差是高精度、高速機床的最大誤差源，約占總誤差的（de）70%左右。主軸作為高（gāo）檔數控車床的最重要零部件之一，主（zhǔ）軸的熱變形主要是由主軸的溫度場分布不均勻所導（dǎo）致（zhì）的，對數控車床主軸的溫度場（chǎng）進行測（cè）試，對後續進行熱變形分析，提高車床的加工精度、加工效率顯得尤為重要。

以CAK3665數控車床主軸為研究對（duì）象，對主軸熱穩定後的整體溫度變（biàn）化以及分布數據進（jìn）行測（cè）試，並提出（chū）改善由於（yú）熱源所造成的主軸溫度場分布不均勻的方案。直接（jiē）對改善車床主軸的熱特性提供了依據。

1、數控車床主軸的熱源

在正常工作的情況之（zhī）下，數控車床的主軸受到內、外熱源的作（zuò）用，這些熱源（yuán）都不是恒定的，內部熱源（yuán）與外部熱源（yuán）的分類如圖（tú）1所示。由（yóu）於主軸上各零（líng）件的機構、材料、形狀都（dōu）不盡相同，受熱性（xìng）能也不（bú）相同；在結合（hé）麵處的（de）每個連接件之間有不相同的表麵傳熱情況（kuàng）以及一定的熱阻等因素，使得數控（kòng）車床主軸表麵產生了一個多變、複雜的（de）溫度場。在形成的溫度場作用的影響之下，主軸上每個（gè）零部件材料所生成的熱應力（lì）與熱位移隨著零（líng）部件的形狀、支承的方式以及材料本身的物理屬性的不同而不同，這樣，主軸的熱變形問題將變得更（gèng）為複雜（zá）。

對主軸部（bù）件的加工精度起著最重要影響作用的因（yīn）素不是溫升，而是主軸上溫度場（chǎng）的分布，其實是指溫度的梯（tī）度與溫度場相對於主軸的對稱性（xìng）分布（bù）。雖然主（zhǔ）軸部件的溫升比較高，但是（shì），其溫度場的（de）分布比較均勻，主軸係統每個點上的溫差比較小，主軸上溫（wēn）度的梯度也很（hěn）小，這（zhè）樣，由溫升引起的誤差很小。但是，即使（shǐ）主軸係統的溫升（shēng）很小，而主軸上（shàng）每（měi）個點的溫度場分布不對稱或者是各個點的溫差比較大，這樣，所（suǒ）導致的加工誤差也會很大。

圖1 內外熱源（yuán）分類示意圖

2 、FLIR紅外熱成像儀測溫（wēn）

紅外測溫（wēn）為非接觸式測量，不（bú）改變被測量介質的溫度場，並且可以對（duì）移動物件的動態溫度進行測量（liàng）。紅外測溫的缺點為，在1000℃以下進（jìn）行測（cè）量時，溫度誤差較大（dà）。但是，對於運（yùn）行中的機床進行測量，尤其是指對旋轉部件的溫度檢測，這種非接觸式的測溫方式是最為合適的。

利用熱成像儀來檢測（cè）物體輻射（shè）單元的輻射能量。利用斯蒂芬.玻爾茲曼定（dìng）律來求輻射單元的表麵溫度，被測物體表麵的輻射能量被紅外（wài）線熱像儀轉化（huà）成為視頻可見的圖像，通過光掃描機構，紅外探測器進行探測輻射單元（yuán）的輻射能量，並（bìng）且將輻射單元的輻射能量轉（zhuǎn）化成為電子視頻（pín）信號，再經過信號的處理，能夠顯示出可見的圖像。熱像圖用來表示被測量表麵的二維輻（fú）射能量場以及所對（duì）應的物體表麵的溫度分（fèn）布場。

在測量之前確定的參（cān）數有：被測量物體表（biǎo）麵的發射率ε，被測量物體和熱成像儀檢測元件之間的（de）距離Dobj，被測量物體周圍（wéi）的溫度或者環境反射溫度Trefl，及其大氣（qì）溫度Tatm。

斯蒂芬.玻（bō）爾茲曼定律：

3、實驗檢測

以沈陽機床集（jí）團CAK3665經（jīng）濟型數控車床主軸為研究對象（xiàng），進行測試該機床主軸的溫度場（chǎng）分布以及溫升變化規律。CAK3665數控車床的整體結構示意圖如圖2所示。

圖2 CAK3665數控（kòng）車床整體圖形

機床在冷態下開始試驗，環境溫度為22℃，相對濕度為50%，由於（yú）主軸采（cǎi）用鑄鐵材料，其傳播率為1.00，反（fǎn）射率為0.637，熱成像儀與發熱點的距離為2，滿足在（zài）試驗前（qián）12小時之（zhī）內沒有工作，試驗時（shí）不準機床中途停車。

利用FLIR熱成像儀作為本試驗主要的儀器設備，在數控車床（chuáng）主軸前後軸承以及其他主要熱源處布置測點，實驗時直接對各測點進行測量即可，該機床主軸的最高轉速為4000r/min，應采用2000r/min的轉速對數控車床主軸的溫（wēn）度場進行測試（shì），可保證機床在高速（sù）運行時絕對安全，並通（tōng）過軟件的處理轉換為實際的溫度值。在主（zhǔ）軸（zhóu）運轉時，運用熱成像（xiàng）儀對主軸進行定期拍照，記（jì）錄（lù）每一時刻的主軸（zhóu）溫（wēn）升熱場（chǎng），測得每一（yī）時刻各（gè）測點的（de）溫度值，溫度測試係統的連接（jiē）圖如圖3所示，其（qí）中，1為（wéi）紅外熱像（xiàng）儀，2為火線（xiàn），3為運行數據（jù）釆集及處理軟件的PC機，4為電源模塊。測（cè）試現場的圖片如圖4所示。

圖（tú）3 溫度測試係（xì）統連接示意（yì）圖

圖4 測試（shì）現場（chǎng）照片

主軸總共運行540min，當主軸連續轉動270min時達到熱穩定狀態，在該狀態下（xià）主軸的溫度場分布如圖5所示。以最終主軸（zhóu）前後軸承處的（de）最高溫升作為考核的指標，車床主軸在中速下連續運行270min，主軸軸承溫升測量結果如表1所示。主軸在轉動（dòng）過（guò）程中各個測（cè）量點的溫度時間（jiān）變化曲線（xiàn）如圖6所示。

圖5 熱成像儀（yí）測（cè）量的溫度分（fèn）布

圖6 溫度變化曲線

4、實驗結果分析（xī）

通過以上實驗，得出了數控車床主軸溫度分（fèn）布圖，以及溫度隨時間（jiān）的變化規律，由圖5可知，由於熱源（yuán）的作用，使得整個溫度場的分（fèn）布（bù）不均勻，在前後軸承及法蘭盤所在（zài）位置處的溫度比其他地方高，主（zhǔ）軸後軸承處的溫度比前（qián）軸承處的高，主軸後軸承法蘭（lán）盤處的溫度也比前軸承法蘭盤處的高，主軸頭部將（jiāng）有翹曲的趨（qū）勢（shì），嚴（yán）重影響機床（chuáng）加工精度。由圖6知，從冷態下（xià）開始試驗，車床主軸總（zǒng）共（gòng）運行540min，在前270min運（yùn）行的過程中，隨（suí）著車床主軸的運轉，各測點的溫度逐漸升高，當車床主軸連續轉動270min時達到溫升穩定，各（gè）測點的溫度值將不再隨著主（zhǔ）軸的運轉而增（zēng）加，後270min停車冷卻，各測點的溫度逐漸降低。由表1可知（zhī），當車床主軸連（lián）續轉動270min時，各測點的溫（wēn）度（dù）值將趨（qū）於穩（wěn）定，此時（shí），SP4（後軸承（chéng）法蘭盤）處的溫度值為32.281，SP5(後軸承)處的值是31.582，SP8（前軸承法蘭盤）處（chù）的溫度值為（wéi）30.744，SP7（前軸承）處的溫度值是31.863，由此得出前軸承法蘭盤處的最高（gāo）溫升為7.8，後軸承法蘭盤處的（de）最高溫升為9.3。

5、改善溫度場分布不均（jun1）勻的措施

主軸的熱變形主要是由主軸的溫度場分（fèn）布（bù）不均勻而導致的，而溫度場的分布不均勻是由主軸的冷（lěng）源與熱源的（de）綜合作用所引起（qǐ）的。綜合（hé）以上實（shí）驗測試的結果，提出以（yǐ）下措施：

1）選擇（zé）合適的軸承支撐（chēng）係統。使得主軸兩端的（de）軸承熱變形基本一致，避免主軸發（fā）生翹曲。

2）改善冷卻與散（sàn）熱條件。用循環水、循環冷空氣等方（fāng）法（fǎ）對主要的發熱體進行冷卻，以便帶走主軸上的熱量，從而（ér）減小（xiǎo）主軸的熱變形量。

3）均（jun1）衡溫度。在（zài）主軸結構（gòu）中（zhōng），通過對主（zhǔ）軸（zhóu）各部位的溫度（dù）快速均衡，使得溫度較高位置的熱量快速的傳到（dào）溫度較低（dī）的位置，以便達到熱量與變形的平衡。

4）改善主軸（zhóu）結構。將主軸（zhóu）設計（jì）對稱結構（gòu），以便（biàn）在溫升較大時，主軸各個（gè）部位所發生的變形平衡，減（jiǎn）小加工誤差。

表1 主軸軸承在中速下不同時間內的（de）溫升（shēng）測量結果

設計到（dào）仿真優化過程。通過數字（zì）化工廠（chǎng）仿真平台，可直觀地觀（guān）察機（jī）器人在工作過（guò）程中（zhōng）運（yùn）動狀況，對機器人及設備的運動軌跡進行建模（mó）仿真，並對整體生產線進行（háng）節（jiē）拍優化，很好地指導生產（chǎn）實際，極大提升工程設計人員的設計效率，減輕設計人（rén）員的工（gōng）作強度，縮短工藝規劃時間，優（yōu）化生產布局，避免機器人與（yǔ）設備間的幹涉情況，減少不（bú）必要的浪費。

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