大型數(shù)控龍門(mén)鏜銑床精度熱穩(wěn)定性控制探析

陳學(xué)東　王華

（桂林機(jī)床股份有限公司技術(shù)部）

摘　要：為解決大型數(shù)控龍門(mén)鏜銑床因溫度的變化會(huì)對(duì)機(jī)床的幾何精度和加工精度產(chǎn)生影響的問(wèn)題，通過(guò)在設(shè)計(jì)、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(duì)大型數(shù)控龍門(mén)鏜銑床精度的要求。

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

隨著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，大型數(shù)控龍門(mén)鏜銑床在各行業(yè)中的應(yīng)用也越來(lái)越多。從而造成加工的工件精度不穩(wěn)定，一致性也無(wú)法保證。另外，隨著機(jī)床技術(shù)的發(fā)展和提高，對(duì)加工效率的要求也不斷提高，要求機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn)速度提高的同時(shí)，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(jī)床各部位自身的發(fā)熱越來(lái)越大，且越來(lái)越不均衡，這就使機(jī)床的精度熱穩(wěn)定性，成為影響機(jī)床穩(wěn)定加工的主要因素。

因此，我們?cè)谑褂眠@類(lèi)機(jī)床時(shí)，不僅要重視周?chē)h(huán)境溫度的變化對(duì)機(jī)床精度的影響，也必須對(duì)機(jī)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(duì)機(jī)床精度的影響。

保證大型龍門(mén)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(duì)這個(gè)問(wèn)題，在設(shè)計(jì)制造此類(lèi)機(jī)床二十多年的過(guò)程中，通過(guò)不斷探索和試驗(yàn)，筆者取得了許多經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在此謹(jǐn)與同行一起探討。

1　影響機(jī)床精度熱穩(wěn)定性的熱源分析

控制機(jī)床精度熱穩(wěn)定性的Z終目的，就是控制刀具加工點(diǎn)相對(duì)工件的位置關(guān)系及工件或刀具移動(dòng)的準(zhǔn)確一致特性，機(jī)床的結(jié)構(gòu)性精度穩(wěn)定在一個(gè)范圍內(nèi)之后，影響機(jī)床加工精度穩(wěn)定性的另一個(gè)方面，熱穩(wěn)定性就成為機(jī)床精度變化的主要原因。機(jī)床發(fā)熱的熱源有3個(gè)方面：環(huán)境(氣溫)、機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)發(fā)熱(包括主傳動(dòng)發(fā)熱，進(jìn)給軸發(fā)熱，各類(lèi)電機(jī)發(fā)熱)、切削發(fā)熱。由于切削發(fā)熱解決起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單，在此不作討論。

1.1環(huán)境(氣溫)的影響

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

由于機(jī)床高度大，X向運(yùn)動(dòng)與Y、Z向位置高度差，一般都在2 m以上，產(chǎn)生了一個(gè)高度溫差，在廠房里生產(chǎn)過(guò)程中，會(huì)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(tái)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(jī)床安置的廠房布置，也有很大影響，特別是在我國(guó)南方的廠房，多考慮到通風(fēng)采光，將窗戶開(kāi)的很大，陽(yáng)光直接照射到機(jī)床，使機(jī)床局部溫度變化，影響加工精度。

1.2機(jī)床部件發(fā)熱的影響

一般分為主傳動(dòng)發(fā)熱和座標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)發(fā)熱。

(1)主傳動(dòng)發(fā)熱。大型數(shù)控龍門(mén)鏜銑床的主傳動(dòng)，一般都安裝在滑枕上，主軸在滑枕下端?；硎且粋€(gè)長(zhǎng)徑比較大的桿類(lèi)，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(lèi)機(jī)床主傳動(dòng)動(dòng)力傳入方式，一般又分正面?zhèn)魅牒投嗣鎮(zhèn)魅?，各有?yōu)缺點(diǎn)。正面?zhèn)魅?，是主電機(jī)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(dòng)鏈短，傳動(dòng)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(qiáng)了滑枕的結(jié)構(gòu)剛性，同時(shí)其不好的一面，就是主傳動(dòng)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)魅耄侵麟姍C(jī)及變速箱安裝在滑枕上端面，傳入滑枕后通過(guò)長(zhǎng)傳功軸傳到主軸，由于其傳動(dòng)鏈長(zhǎng)，傳動(dòng)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(duì)較小，滑枕的結(jié)構(gòu)剛性稍弱，但其主傳動(dòng)產(chǎn)生的熱量在滑枕端面，不會(huì)使滑枕正反面產(chǎn)生溫差，滑枕變形量小。

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

2　對(duì)機(jī)床熱穩(wěn)定性的控制方式組合

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

2.1 對(duì)氣溫及高度差造成溫差的控制

對(duì)于氣溫變化及高度差造成的溫差，使工作臺(tái)移動(dòng)(X向)與滑座橫向(Y向)及滑枕垂向(Z向)的單位運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度不同的問(wèn)題，首先從機(jī)床的安置就要考慮，機(jī)床布置應(yīng)相對(duì)獨(dú)立，機(jī)床間隔不宜太?，且不能靠近陽(yáng)光直射區(qū)域，廠房高度要高一些，同時(shí)設(shè)置通風(fēng)設(shè)施，加快空氣流動(dòng)，使溫度均衡。

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

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

2.2 對(duì)主傳動(dòng)及主軸部件發(fā)熱的控制

對(duì)于主傳動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)預(yù)熱，即以加工所需主軸轉(zhuǎn)速開(kāi)動(dòng)主軸約30 min，以便使機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)達(dá)到相對(duì)熱平衡，這時(shí)機(jī)床滑枕及主軸相應(yīng)的熱伸長(zhǎng)和變形己經(jīng)穩(wěn)定，對(duì)機(jī)床相關(guān)幾何精度的影響量，己經(jīng)不會(huì)有多大變化，此時(shí)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(duì)主傳動(dòng)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(jī)，會(huì)增加些成本，但效果不錯(cuò)。

2.3對(duì)座標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)發(fā)熱的控制

在數(shù)控機(jī)床上，這類(lèi)發(fā)熱主要是伺服電機(jī)發(fā)熱和滾珠絲杠傳動(dòng)發(fā)熱。這兩個(gè)問(wèn)題在中小型數(shù)控機(jī)床上較為突出。

對(duì)于伺服電機(jī)發(fā)熱，一般采用隔熱墊來(lái)隔離電機(jī)熱量，或在電機(jī)與機(jī)床聯(lián)接部位加冷卻的方式來(lái)加以控制。

對(duì)于滾珠絲杠傳動(dòng)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(zhǎng)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(dòng)剛性得以保持，從而提高機(jī)床的加工精度。

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

3　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)采用以上的措施，針對(duì)不同型號(hào)的機(jī)床結(jié)構(gòu)和用戶的要求，采用多種方式的組合，將此類(lèi)機(jī)床各部位溫差影響降到Z低，使機(jī)床達(dá)到一個(gè)較好的加工狀態(tài)，提高了機(jī)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(lái)源：《裝備制造技術(shù)》