立式数控机床主轴热态精度检测

1、立式数控机床主轴热态精度检测利用电容式位移传感器和电阻式温度传感器对立式数控机床主轴进行高精 度测量，试验获取主轴端径向和轴向热位移，以及主轴系统热敏感位置的温升。 对于机械式主轴， 主轴前后轴承和减速器因高速滚动摩擦发热， 使得主轴的发热 量很大， 造成的热变形会严重影响机床的加工精度。 对于结构稳定、 技术成熟的 数控机床，提高数控机床的热态精度最有效的措施是改进机床的主轴润滑方式或 者对主轴轴承进行强制冷却。1 引言数控机床的精度通常分为几何精度、 位置精度和工作精度。 几何精度和位置 精度可概括为机床的静态精度， 静态精度只能在一定的程度上反映机床的加工精 度。除此之外，机床的精度还主

2、要有动态精度，是指机床在外载荷、温升及振动 等工作状态作用下的精度。 而其中对动态精度影响最为严重的是机床生热造成的 热态精度。温升是评定机床主轴的一项重要性能指标， 综合反映了主轴的设计、 制造水 平和材料质量。 主轴系统的温升， 通常是指在无外加载荷和无外部热源影响的条 件下的典型区域温度与环境温度的差值。 通常用主轴前轴承的外圈作为测量系统 温升的典型区域。 系统的温升越高， 零配件的热变形越大， 引起精度丧失的可能 性越大，系统的热态特性就越差。2 试验条件使用 API 主轴误差测试分析仪，测量范围 0. 1-0. 8mm ，测量频率 10s/s ， 分辨率0. 1卩m可测量的最大主轴

3、转速为 60000r/min。在5个自由度（X轴、 丫轴和Z轴漂移、X轴和丫轴倾斜）上测量和分析主轴误差的短期和长期变化， 并配备 20 个带磁性底座的热传感器以及计算机辅助软件， 可以描述主轴的温度 及变形状况。 温度测量除使用主轴动态误差分析仪自带的温度传感器外， 还辅以 红外热像仪进行温度场测试。利用红外热成像原理可测量-40 +120 C范围内的温度变化，近焦距0. 3m，精度土 2Co或读数的土2%采样频率1Hz。机床主轴在运转过程中主轴轴承、 电机等由于摩擦而生热， 尤其是高速主轴， 其温升更快、 更高。主轴装配体部件在温度升高过程中会出现热变形现象， 不对 称热变形将导致主轴系统

4、精度降低， 具体表现为主轴沿轴向的伸长和主轴沿径向 的弯曲变形。 研究表明， 影响高速机床加工精度的主要因素之一是热误差， 在用 现代机床加工零件的制造误差中，机床热变形所引起的制造误差可占总误差的 50%，在精密加工中热误差约占机床总误差的 40%70%。而主轴系统的热变形误 差又是引起机床热变形误差的重要因素。 因此，主轴系统的热特性分析与设计对 机床精度的保证至关重要，是高速高精度机床必须要考虑的关键技术之一。3 主轴热态精度测试主轴温升和热变形实验包括空载温升试验和热变形测试试验。 空载温升试验 用来检验空运转情况下轴承的温度与温升， 评定机床主轴系统的温度场分布。 主 要目的是检验装

5、配质量， 实现轴承的充分磨合和润滑。 温升试验使主轴在额定电 压额定转速和额定功率下连续空载运行， 直至主轴和部分温度达到实际热稳定状 态。主轴热态误差测试使用API主轴误差分析仪，型号 SPN-500,主轴转速3000rpm,每10s采集一次，总采样点1797个。利用FLIR热成像仪，可以采 集到机床主轴系统的温度变化及分布数据，了解及掌握机床在运转过程中主轴系 统的实际工况，如热平衡时间、主轴系统不同时刻在各方向的变形量等信息，对主轴系统的优化设计和动态补偿提供了基础数据支撑。("电磔式位移恃恵署(汁温度传唇器宅温5)蛊度传感器锻庫益捷"器K 1温度传感器布Kent&#

6、39;测试在生产车间进行，室温28 -32 C。机床在冷态下开始试验，为了得到 良好的测试数据，试验前机床超过 12h之内处于空闲状态，可保证机床测试初 始条件良好，试验时不准中途停车。该试验机床主轴最高转速范围为5000-6000r/min，在安装检棒以后，为了保证机床在高速运行时的绝对安全，在进行主轴箱温升及主轴系统热变形试验时，采用3000r/mi n的转速进行温升及热变形试验。主轴热变形测试时间从上午 8:30至帅午12:30，共4个小时。4机床主轴热态精度分析(1) 主轴瞬态温度场使用FLIR红外热像仪对测试部位进行测量时，需确定被测物体的发射率、 反射温度、测量距离和环境的相对湿度

7、。由于红外热像仪对被测物体表面的反射 率等较敏感，因此需在关键点处贴上胶布，降低表面反射率，同时可以使表面反 射率具有一致性，提高测试精度。除利用温度传感器对敏感位置进行温升测试外，辅以红外热像仪对空运转试 验进行温度场采集，可有效了解温度分布状况以及主要热源的热平衡状况。瞬态温度场关注系统的温度随时间变化情况，图3和图4分别为测试开始和结束时的主轴温度分布情况，图中十字点为关键点布置位置。表1为主轴上关键点位置分布汇总，其中温度测点共计 3个。整个试验过程中主轴上主要关键点的温度随时间变化情况见图 5。从图中曲 线的走势看，主轴系统在开始的一个小时的时间里温度上升较快， 接下来的一个 小时里

8、温升较缓和，然后趋于稳定状态。由温升曲线可 知，在主轴以 3000r/mi n 连续运 转4个小时期间， 主轴轴端的温升较 为一致，主轴温升 较快，最大温升大 概10 C左右。主轴上部鞋主轴申部旳主轴T部罠低温度50. 130.230.040.240.241. I谨丸温升10. 110.03 2 主轴系统初骼独态下的温度务布图图3主轴系统热測试终点时的温废分布图A1 主轴上关键点分布（七图7是温度传 感器的温度一时间 曲线，图中最下部 的曲线表示环境温 度，由图中温度测 点1 5温度一时 间变化曲线可见， 温升趋势明显，并 且不同测点具有相 同的变化趋势。主 轴温升和热变形在 经过2 h 10

9、 min后基本达到热稳定， 与中小机床一般4 h的平均热平衡时 间相比，被测机床 更快达到热稳定， 机床的热态性能优异。另外，与热像仪测试 获得的温升曲线比较发 现，两种温度测量方式得 到的结果一致。（2）主轴热变形 测试时，机床主轴安 装一热敏感较低的检棒， 热变形测试时每隔10s采集一次数据。主轴热变 形试验数据受检棒本身精 度及检棒和机床主轴连接后的装配精度影响很大，检棒与主轴连接后，其随主轴旋转的跳动（包括径向跳动和端跳）越小，测试结果 的精度越高；反之则会降低测试精度。主轴热变形测试使用API主轴误差测试和分析系统，系统自带温度传感器。 在整个测试过程中，主轴在 X方向的热变形分别为

10、：近主轴端0. 0036mm远主 轴端0. 0056mm;在Y 方向的热变形为：近主轴端0. 0250mm，远主轴端 0. 0280mm主轴最大伸长为0. 0564mm。图6为主轴热变形一时 间关系曲线，图7为主轴热倾 角一时间曲线，表2为主轴热 变形测试结果汇总。从图6不 难看出，机床主轴的热变形量 很小，并且机床整体热变形在 X向较小，在丫向和Z向相 对较大，说明此种结构机床在 X轴向具有相对热对称结构， 可以较好地平衡掉加工误差 ； 而丫方向和Z方向是误差的 敏感方向，在机床设计中应注 意改善结构，优先考虑对称布 局，并且可通过加大热敏感方 向的通风、冷却来达到抑制目 的。此外，也可在热

11、敏感方向 布置热源，通过热平衡方法达 到变形的抵消。根据试验结果，本机床在 主轴以3000r/min 运转时， 近4个小时的热变形测试过 程中，主轴在X和丫两个方 向的热变形并不很明显。在Z 轴方向热变形较大，且变化率 较快，应给予足够的重视。在 2小时左右主轴系统达到热 平衡。综上，由于被测机床的结 构稳定，热态结构合理，可保 留机床的设计结构，在不增加 外部补偿等措施的条件下，通 过改善机床主轴的润滑方式图5 主轴温度吃问閱呎或增加主轴轴承等主要发热丽了 汇潟恣谡盘一时国;闵沁.体的冷却强度，可有效地改善机床的热态性能，从而提高机床的工作精度。5结语(1) 通过试验方法获得加工车间立式数控机床的温度场、温升和热变形状况, 被测