大型數(shù)控龍門鏜銑床精度熱穩(wěn)定性控制探析

陳學(xué)東　王華

（桂林機床股份有限公司技術(shù)部）

摘　要：為解決大型數(shù)控龍門鏜銑床因溫度的變化會對機床的幾何精度和加工精度產(chǎn)生影響的問題，通過在設(shè)計、安裝和使用中采取相應(yīng)的控制方式，達(dá)到提高加工精度和精度穩(wěn)定的效果，從而滿足各行業(yè)對大型數(shù)控龍門鏜銑床精度的要求。

【關(guān)鍵詞】數(shù)控；龍門鏜銑床；精度；熱穩(wěn)定性；控制

隨著我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，大型數(shù)控龍門鏜銑床在各行業(yè)中的應(yīng)用也越來越多。從而造成加工的工件精度不穩(wěn)定，一致性也無法保證。另外，隨著機床技術(shù)的發(fā)展和提高，對加工效率的要求也不斷提高，要求機床主軸旋轉(zhuǎn)速度提高的同時，各座標(biāo)軸的進(jìn)給速度，快移速度也必須相應(yīng)提高，這就使機床各部位自身的發(fā)熱越來越大，且越來越不均衡，這就使機床的精度熱穩(wěn)定性，成為影響機床穩(wěn)定加工的主要因素。

因此，我們在使用這類機床時，不僅要重視周圍環(huán)境溫度的變化對機床精度的影響，也必須對機床各部位的發(fā)熱進(jìn)行有效地控制，以減少部件發(fā)熱對機床精度的影響。

保證大型龍門鏜銑床在一般溫度下加工的精度熱穩(wěn)定性，是擺在我們面前的一道難題。針對這個問題，在設(shè)計制造此類機床二十多年的過程中，通過不斷探索和試驗，筆者取得了許多經(jīng)驗和試驗數(shù)據(jù)，在此謹(jǐn)與同行一起探討。

1　影響機床精度熱穩(wěn)定性的熱源分析

控制機床精度熱穩(wěn)定性的Z終目的，就是控制刀具加工點相對工件的位置關(guān)系及工件或刀具移動的準(zhǔn)確一致特性，機床的結(jié)構(gòu)性精度穩(wěn)定在一個范圍內(nèi)之后，影響機床加工精度穩(wěn)定性的另一個方面，熱穩(wěn)定性就成為機床精度變化的主要原因。機床發(fā)熱的熱源有3個方面：環(huán)境(氣溫)、機床運動部件運動發(fā)熱(包括主傳動發(fā)熱，進(jìn)給軸發(fā)熱，各類電機發(fā)熱)、切削發(fā)熱。由于切削發(fā)熱解決起來相對簡單，在此不作討論。

1.1環(huán)境(氣溫)的影響

大型龍門鏜銑床一般采用的結(jié)構(gòu)，是工作臺在床身上水平運動(x向)，床身兩側(cè)有兩個立柱，立柱上有一橫梁,滑座在橫梁上作另一個水平方向的運動(Y向)，滑枕在滑座上作垂直方向的運動(z向)。

由于機床高度大，X向運動與Y、Z向位置高度差，一般都在2 m以上，產(chǎn)生了一個高度溫差，在廠房里生產(chǎn)過程中，會有2-4℃的溫差，按鑄鐵線漲系數(shù)０.011 mm／(℃·m)，y軸行程約2.5m的情況，造成工作臺X向定位精度與y、Z向定位精度有0.055-0.11mm的差別，從而影響加工精度。

機床安置的廠房布置，也有很大影響，特別是在我國南方的廠房，多考慮到通風(fēng)采光，將窗戶開的很大，陽光直接照射到機床，使機床局部溫度變化，影響加工精度。

1.2機床部件發(fā)熱的影響

一般分為主傳動發(fā)熱和座標(biāo)軸運動發(fā)熱。

(1)主傳動發(fā)熱。大型數(shù)控龍門鏜銑床的主傳動，一般都安裝在滑枕上，主軸在滑枕下端?；硎且粋€長徑比較大的桿類，熱變形特性較復(fù)雜，與滑枕截面形狀、導(dǎo)軌布置方式關(guān)系很大。此類機床主傳動動力傳入方式，一般又分正面?zhèn)魅牒投嗣鎮(zhèn)魅?，各有?yōu)缺點。正面?zhèn)魅?，是主電機及變速箱安裝在滑枕正面，傳入滑枕后即到主軸，由于其傳動鏈短，傳動剛性較好，其滑枕導(dǎo)軌采用半包容結(jié)構(gòu)，滑枕尺寸可以較大，增強了滑枕的結(jié)構(gòu)剛性，同時其不好的一面，就是主傳動產(chǎn)生的熱量在滑枕正面聚集，造成滑枕正反面熱量不勻，使滑枕變形；端面?zhèn)魅?，是主電機及變速箱安裝在滑枕上端面，傳入滑枕后通過長傳功軸傳到主軸，由于其傳動鏈長，傳動剛性較差，其滑枕導(dǎo)軌采用全包容結(jié)構(gòu)，滑枕尺寸相對較小，滑枕的結(jié)構(gòu)剛性稍弱，但其主傳動產(chǎn)生的熱量在滑枕端面，不會使滑枕正反面產(chǎn)生溫差，滑枕變形量小。

(2)座標(biāo)軸運動發(fā)熱。主要是進(jìn)給傳動發(fā)熱，如滾珠絲杠傳動發(fā)熱或齒輪齒條傳動發(fā)熱和進(jìn)給電機發(fā)熱傳導(dǎo)到傳動部件，其主要影響機床定位精度和重復(fù)定位精度。

2　對機床熱穩(wěn)定性的控制方式組合

針對以上的情況，我們針對不同的要求，進(jìn)行相應(yīng)的控制方式組合來達(dá)到目的。

2.1 對氣溫及高度差造成溫差的控制

對于氣溫變化及高度差造成的溫差，使工作臺移動(X向)與滑座橫向(Y向)及滑枕垂向(Z向)的單位運動長度不同的問題，首先從機床的安置就要考慮，機床布置應(yīng)相對獨立，機床間隔不宜太?，且不能靠近陽光直射區(qū)域，廠房高度要高一些，同時設(shè)置通風(fēng)設(shè)施，加快空氣流動，使溫度均衡。

如果大型數(shù)控龍門鏜銑床用于加工有一致性要求且精度較高時，則需將機床安裝在恒溫廠房里，花費較大，也增加了此類機床的使用成本。

另外還可以通過NC系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)補償?shù)姆椒ǎ杭丛跈C床整機裝配調(diào)試完畢后，分別在床身和橫梁特定位置安裝多個溫度傳感器，利用位移檢測設(shè)備(如激光干涉儀)對在不同溫度下各軸的位移精度進(jìn)行檢測，得出各溫度采樣點在不同溫差時的運動補償量，向NC系統(tǒng)下輸入補償量，則在加工中系統(tǒng)得到采樣點溫度后進(jìn)行比較，得到溫差值再把該溫差的各軸補償量補入，即可有較明顯的效果。但此方法對溫度采樣點的選取要求較高，補償數(shù)據(jù)量大，分析數(shù)據(jù)難度大，對數(shù)控系統(tǒng)要求高，成本高和生產(chǎn)周期長，只能在某些特殊要求的機床上采用。

2.2 對主傳動及主軸部件發(fā)熱的控制

對于主傳動及主軸部件的發(fā)熱，一般采用的控制方法有兩種：

一是要求用戶在加工前進(jìn)行主傳動系統(tǒng)預(yù)熱，即以加工所需主軸轉(zhuǎn)速開動主軸約30 min，以便使機床主傳動系統(tǒng)達(dá)到相對熱平衡，這時機床滑枕及主軸相應(yīng)的熱伸長和變形己經(jīng)穩(wěn)定，對機床相關(guān)幾何精度的影響量，己經(jīng)不會有多大變化，此時再進(jìn)行加工作業(yè)，能較好地保證加工精度的穩(wěn)定。此方法也是目前采用Z多的一種方式。

二是采用恒溫油對主傳動及主軸系統(tǒng)進(jìn)行冷卻，減少熱量，這種方式須增加油冷機，會增加些成本，但效果不錯。

2.3對座標(biāo)軸運動發(fā)熱的控制

在數(shù)控機床上，這類發(fā)熱主要是伺服電機發(fā)熱和滾珠絲杠傳動發(fā)熱。這兩個問題在中小型數(shù)控機床上較為突出。

對于伺服電機發(fā)熱，一般采用隔熱墊來隔離電機熱量，或在電機與機床聯(lián)接部位加冷卻的方式來加以控制。

對于滾珠絲杠傳動發(fā)熱，一般采用中空絲杠，通人循環(huán)冷卻油，降低絲杠溫度，使絲杠溫度與基本零件(如床身)等溫，以保證絲杠與床身的熱伸長量保持一致，使絲杠本身的預(yù)緊力、絲杠的預(yù)拉力、軸承的預(yù)緊力不受發(fā)熱影響，保證在溫度變化的情況下，進(jìn)給軸驅(qū)動剛性得以保持，從而提高機床的加工精度。

而在大型數(shù)控龍門鏜銑床上采用的方法，一是將進(jìn)給電機設(shè)計在部件端部，保證較好的散熱條件，并通過用同步齒形帶或高精度減速機與絲杠隔離，以減少進(jìn)給伺服電機發(fā)熱的影響。二是采用大直徑滾珠絲杠(長絲杠不宜采用中空絲杠)，增加其熱容量，減少溫升，來達(dá)到目的。

3　結(jié)束語

通過采用以上的措施，針對不同型號的機床結(jié)構(gòu)和用戶的要求，采用多種方式的組合，將此類機床各部位溫差影響降到Z低，使機床達(dá)到一個較好的加工狀態(tài)，提高了機床的精度穩(wěn)定性和剛度穩(wěn)定性，保證了加工的精度及其一致性。

來源：《裝備制造技術(shù)》