卧式数控加工中心主轴热误差问题分析

摘 要：作为数控机床的关键部件之一，主轴的热误差控制对于保证机床的加工精度具有重要作用。本文首先介绍了卧式数控加工中心主轴热误差的测量及数据分析，然后具体探讨了主轴热误差的控制措施，以期为相关技术与研究人员提供参考。

关键词：数控加工；中心主轴；热误差

热性能是精密卧式数控加工中心工作稳定性和可靠性的重要影响因素，而主轴是卧式数控机床加工精度控制的主要部位。这是因为内部轴承在高速运转时会形成大量热而造成主轴容易出现变形，进而降低加工精度。当前，随着精密制造技术及自动化技术的大量应用，数控机床也逐渐朝向精密化、高速度、智能化、高精度方向发展。而机床热变形引发的误差已成为精密机床的主要误差源之一。因此，加强有关卧式数控加工中心主轴热误差问题的研究，对于改善数控机床加工精度具有重要的现实意义。

1 卧式数控加工中心主轴热误差测量与数据分析

1.1 主轴热误差测量方法

依据主轴热误差综合特征描述矩阵，可构建由多通道数据采集模块、温度传感器、位移传感器、热成像仪和测量数据同步显示模块组成的热误差测量系统。实际检测中，可选用接触与非接触组合方法对加工中心主轴温度场进行测量。先使用红外热成像仪采用非接触方法测量主轴，同时使用PT100铂温度传感器采用接触式方法测量主轴温度场。试验选用五点法对主轴热误差进行检测，五点法就是在X和Y方向分开布设两个位移传感器对各自方向上的热倾斜和热漂移进行测量，另外在Z方向上布设一个位移传感器对轴向伸长进行测量。

测试过程中，主轴应依照设定速度进行旋转，利用数据采集软件的监控模块对热变形及温度场状况进行实时监测[1]。

1.2 主轴有效测温点设定

数控机床温度场不同部位的温升会对机床热变形产生不同程度的影响，而通常会存在一些其温升变化会明显影响机床热误差的点，此类点称为热误差敏感点。测温点设定时，可采用相关系数法，整体考虑Z热伸长及Y向热漂移，由各测温点类别中挑选出对热位移影响最明显的主要测温点作为此类别的代表点，并将其用于随后的热误差补偿建模。

1.3 主轴热误差数据分析

在高低转速切换与阶梯转速切换两类试验工作条件下，即使温度测点数据综合走向存在差异，但其随主轴转速的变化趋势确实类似的：在主轴旋转时间增加、转速增加的时候，温度会同时升高；而在主轴旋转时间减少、转速降低时，温度会同时下降；且在某一转速条件下，温升会达到某一极限值，在该值状态下，其随主轴旋转保持均衡温度场状态。

试验过程中同时测试了速度切换所引发的主轴热变形。在主轴温度场保持恒定后的一段时间内，主轴变形将进入高限值，切换至下一转速，以采集特定转速下的最大热变形和最高温升。根据阶梯转速切换试验数据，同类试验工作条件下，热误差具有一致的变化趋势，数据可重复，表明加工中心主轴具有稳定的热特性规律。

2 卧式数控加工中心主轴热误差控制措施

2.1 控制温升

热源是引发机床热变形的关键因素，调整热源以降低主轴温升，或采用平衡温度场的方法减少变形，是确保机床热态精度良好的重要举措。具体操作时，可使用恒温冷却机对将流经主轴箱或主轴轴承的油进行冷却处理，以降低主轴轴承的温升；或采用水内冷却或空气循环冷却的方法，在主轴轴承外环或主轴箱内设置换热冷却环套，使冷却介质循环进入冷却套内，以实现冷却主轴部件的功能[2]。

2.2 机床改造

对机床进行设计改造，以尽可能降低机床对温度的敏感性，优化设计热态结构，是改善数控机床加工精密型的重要措施。热态结构优化设计是指在某热源条件下，以参数优化和形状优化为着力点，找寻科学有效的刚度分布和温度分布，对机床机构的热位移进行控制，确保运转精度。在设计主轴时，应综合考虑油路布设、尺寸参数、结构类型、热源设置等因素，对大件实施优化设计以降低热变形。此外，应对机床关键发热体的导热率进行改进，选用比金属导体具有更高导热率的材料以将热源处的热量传递到其他部位，实现温度场均衡。

2.3 误差补偿

作为改善机床加工精度的一种重要手段，热误差补偿相比温度控制和结构优化具有更高的经济性和稳定性。误差补偿的关键是构建一个能对误差预测的数学模型，在数控加工时通过该模型预测误差，以完成实时补偿。热误差补偿通常包含预先标定误差补偿和主动误差补偿两部分。依据企业实际状况，采用温控技术对主轴热特性进行改善，可在不改变动静态性能的基础上更好的提升机床热态精度。可采用的方法有：

（1）当主轴单元温度场分布与温度梯度不一致时会导致主轴系统热不对称，由此可造成轴承发生偏斜。主轴设计应做好对称性设计，也就是热对称和结构对称。

（2）因制造或结构设计等导致主轴单元内部热源难以进行快速冷却时，可选用冷源法对机床内部重要热源热量进行吸收，如利用强制油冷，将螺旋冷却油槽附设在主轴外周，使用前后轴承改造形成专用冷却回路等方法来改善主轴散热条件。同时可配合使用热源法对残余热误差进行校正，以实现综合监控温度的目的[3]。

（3）降低主轴发热量，可将接触式密封替换为非接触式迷宫密封气封，以控制系统内部热源数量，将钢珠轴承替换为陶瓷球轴承、使用同步电机代替异步电机、将脂替换为油-气、调整轴承预紧力等来减小轴承发热强度。

（4）对热位移实施热补偿，可对轴承热温升状况进行检测，对部分温度不高部件实施强制升温，以产生热对称，改善主轴热特性。

3 结语

主轴热误差的控制水平将直接影响卧式数控加工中心的运行质量和安全性，因此，相关技术与研究人员应加强有关卧式数控加工中心主轴热误差问题的研究，总结卧式数控加工中心主轴热误差来源及关键控制技术措施，以逐步提升加工中心主轴工作精度。

参考文献：

[1]仇健，刘启伟，刘春时，马晓波，林剑峰.卧式加工中心主轴温度场预测与热误差分布[J].制造技术与机床，2012，05（35）：57-58.

[2]陈松，王永青.数控机床热误差测点优化模型预测与实时补偿的研究[J].组合机床与自动化加工技术，2013，06（10）：61-62.

[3]李继堂.加工中心主轴温升实验装置的设计[J].制造技术与机床，2012，13（14）：74-75.

作者简介：石鑫江，男，浙江绍兴人，本科，研究方向：数控卧式加工中心和数控镗床的研发。