CN109781778B - 中空冷却结构电主轴内冷工况下的热特性测量装置与方法 - Google Patents

Abstract

一种中空冷却结构电主轴内冷工况下的热特性测量装置与方法，包括：抗干扰无线温度传感器、抗干扰有线温度传感器、位移传感器、温度监控模块、数控加工中心、热特性测量工件、三坐标测量机、数据处理模块，本发明通过对影响主轴热特性的六种冷热源进行分析，实施预先的温度优化布点，切削实验中以主轴空转和模拟换刀操作来模拟工业现场实际的机床工作状况，然后设计出一种特殊的工件用来进行循环多次切削，接着将工件移入三坐标测量机进行切削平面特征数据的测量，再通过拟合切削平面特征和计算切削平面高度差以及拟合主轴热特性，实现了在内冷工况下，综合了外水套水冷条件及主轴拉刀机构发热状况，方便通用地得出了主轴热特性。

Description

中空冷却结构电主轴内冷工况下的热特性测量装置与方法

技术领域

本发明涉及的是一种机械加工领域的技术，具体是一种用于测出中空冷却结构电主轴在内冷工况下的热特性测量装置与方法。

背景技术

电主轴单元是数控机床的核心部件，其性能好坏在很大程度上决定了整台机床的加工精度和生产效率，研究其热特性，对提升机床加工精度至关重要。如今，带中空冷却结构的电主轴在机械加工领域逐渐得到应用，而测量其在内冷工况下的热伸长量是目前的工业技术难题。因为其在内冷工况下进行切削工作时，由于切削液四处喷洒，机床工作空间内充满液体，导致传统的在外冷工况下使用接触触发式传感器测量的方法不适用，目前用于测量中空冷却结构电主轴在内冷工况下的热特性的装置或方法尚未成熟。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种中空冷却结构电主轴内冷工况下的热特性测量装置与方法，通过对影响主轴热特性的六种冷热源进行分析，实施预先的温度优化布点，切削实验中以主轴空转和模拟换刀操作来模拟工业现场实际的机床工作状况，然后设计出一种特殊的工件用来进行循环多次切削，接着将工件移入三坐标测量机进行切削平面特征数据的测量，再通过拟合切削平面特征和计算切削平面高度差以及拟合主轴热特性，实现了在内冷工况下，综合了外水套水冷条件及主轴拉刀机构发热状况，方便通用地得出了主轴热特性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种中空冷却结构电主轴内冷工况下的热特性测量装置，包括：若干抗干扰无线温度传感器、抗干扰有线温度传感器、位移传感器、温度监控模块、数控加工中心、热特性测量工件、三坐标测量机、数据处理模块，其中：抗干扰无线温度传感器分别设置于主轴拉刀机构液压油管道回路与电主轴连接位置的出口管道上、主轴端与外冷却回路连接位置的出口管道上、主轴端与内冷却回路连接位置的进口管道上和主轴前轴承所在位置的电主轴外壳上并向温度监控模块输出温度数据信息；抗干扰有线温度传感器分别设置于机床外壳上和液压站表面外壳上并向温度监控模块输出温度数据信息，用于测量切削完毕后机床停机状态下的主轴回缩量的位移传感器设置于数控加工中心的工作台上，用于采集并记录温度数据信息的温度监控模块设置于数控加工中心的电控柜内。

所述的电主轴在切削过程中受多热源和冷源的共同影响，其中：热源包括外热源(环境)、电枢发热、滚珠轴承摩擦发热和液压油驱动的主轴内拉刀机构发热；冷源包括电主轴内冷却的切削液和主轴外水套的冷却水，其中：特别是液压油驱动的主轴内拉刀机构发热尚未得到重视，通过研究及实验得出其对主轴热特性造成的影响不容忽视。

对应六种热源，与电主轴热特性具有很大相关性的温度敏感点有六个。对处于加工工况下或本身结构复杂紧凑而难以布线的测温位置处，采取无线方式进行测量。抗干扰无线温度传感器用来测四个敏感点处的温度，分别是主轴拉刀机构液压回路出口温度、主轴端外冷却回路出口温度、主轴端内冷却回路进口温度和主轴前轴承温度。有线温度传感器用来测两个敏感点处的温度，分别是室内环境温度和液压站表面温度。

所述的热特性测量工件具有定位结构，既保证工件在整个切削过程中位置固定不变，又能保证工件在数控加工中心工作台上的安装基准面与在三坐标测量机工作台上的安装基准面一致。

本发明涉及上述装置的热特性测量方法，包括步骤：

1)将待切削的特殊设计的工件水平设置于数控加工中心的工作台上，在相应的温度敏感点处布置好温度传感器，完成对刀工作，编写好数控机床加工代码。

2)进行实际切削，一开始电主轴空转10分钟，为研究液压油驱动的主轴内拉刀机构工作发热的影响，此时进行1次模拟换刀操作，然后在工件的上表面沿垂直于框边的方向走刀铣削1次，铣削行程很短不超过30mm，相对于初始基准面铣削量为1mm，铣出1个小平面，同时通过温度监控模块记录此时各个温度传感器的数据。

3)同理，循环往复地，电主轴空转10分钟，进行1次模拟换刀，隔20mm位置处同样在工件的上表面沿垂直于框边的方向走刀铣削1次，铣削行程与上一刀相同，相对于初始基准面铣削量为1mm，铣出1个小平面，同时通过温度监控模块记录此时各个温度传感器的数据。如此重复，得到多个铣削小平面。

4)关闭机床，使主轴自然冷却。此时由于电主轴内冷功能关闭，工作空间内无液体飞溅，故可在机床工作台上安装位移传感器用以测量主轴的回缩量，每隔10分钟记录1次回缩量值及温度监控模块中相应的各个传感器温度数据。

5)将切削后的工件取下，水平设置于三坐标测量机工作台上，根据三坐标测量机的测量要求，在每个小平面上选取合适数量的测点进行坐标测量，用以拟合出平面特征。

6)打开数据处理模块，以某个小平面为例，根据其上的测点坐标数据，依据最小二乘法进行平面特征的拟合，设计算法求出一个平面使所有测点到该平面的距离的平方和最小，把该平面作为该小平面的拟合平面，以此求出所有小平面的拟合平面。

7)每个小平面对应着切削该平面时主轴已经工作的时长，计算任意两个拟合小平面之间的高度差即为对应工作时长之间的主轴热伸长量，Δh＝h1-h2，下脚标1和2分别表示两个小平面。如果主轴没有热伸长，则所有小平面理应共面即高度差为0。

8)通过数据处理模块，分析主轴热伸长随敏感点处温度的变化规律，分别拟合加工阶段和冷却阶段的主轴热特性公式：

其中：ΔL是主轴热伸长量，ΔT₁是主轴拉刀机构液压回路出口温度变化量，ΔT₂是主轴端外冷却回路出口温度变化量，ΔT₃是主轴端内冷却回路进口温度变化量，ΔT₄是主轴前轴承温度变化量，ΔT₅是室内环境温度变化量，ΔT₆是液压站表面温度变化量。a_i和b_i均为常系数，C是常数，与步骤4)测得的主轴回缩量数据进行对比，验证热特性公式的正确性。

技术效果

与现有技术相比，本发明通过严格的装置设计和过程实施，通过对影响主轴热特性的六种冷热源进行分析，实施预先的温度优化布点，切削实验中以主轴空转和模拟换刀操作来模拟工业现场实际的机床工作状况，然后设计出一种特殊的工件用来进行循环多次切削，接着将工件移入三坐标测量机进行切削平面特征数据的测量，再通过拟合切削平面特征和计算切削平面高度差以及拟合主轴热特性，实现了在内冷工况下，综合了外水套水冷条件及主轴拉刀机构发热状况，方便通用地得出了主轴热特性，提供了一种测量方法上的新思路。本发明提供的方法步骤简单，调试方便，对硬件要求低，能以较低成本实现高速长时间测量，复用性好，且可达到微米级的高精度。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图；

图2为实施例检测场景示意图；

图3为特殊设计的工件三视图；

图4为铣削出的23个小平面示意图；

图5为加工阶段记录的温度数据示意图；

图中：a～f分别为四个无线温度传感器和两个有线温度传感器；

图6为冷却阶段记录的温度数据示意图；

图7为加工阶段通过本发明装置与方法得出的电主轴热伸长量示意图；

图8为冷却阶段通过位移传感器测出的电主轴回缩量示意图；

图中：抗干扰无线温度传感器1、抗干扰无线温度传感器2、抗干扰无线温度传感器3、抗干扰无线温度传感器4、抗干扰有线温度传感器5、抗干扰有线温度传感器6、温度监控模块7、位移传感器8、数控加工中心9、特殊设计的工件10、三坐标测量机11、数据处理模块12。

具体实施方式

如图1和图2所示，为本实施例涉及的一种用于测出中空冷却结构电主轴在内冷工况下的热特性的测量装置及其具体应用场景，其中包含：用来测主轴拉刀机构液压回路出口温度的抗干扰无线温度传感器1、用来测主轴端外冷却回路出口温度的抗干扰无线温度传感器2、用来测主轴端内冷却回路进口温度的抗干扰无线温度传感器3、用来测主轴前轴承温度的抗干扰无线温度传感器4、用来测室内环境温度的抗干扰有线温度传感器5、用来测液压站表面温度的抗干扰有线温度传感器6、具有温度实时监控及数据保存功能的温度监控模块7、冷却过程中用以测出主轴回缩量的位移传感器8、带有中空冷却结构电主轴的数控加工中心9、用以切削的特殊设计的工件10、用以测量切削平面特征的三坐标测量机11、具有数据处理功能的数据处理模块12。

本实施例涉及上述系统的测量方法，具体步骤如下：

1)将如图3所示的待切削的特殊设计的工件水平设置于数控加工中心的工作台上，在相应的温度敏感点处布置好温度传感器，完成对刀工作，编写好数控机床加工代码。

2)进行实际切削，一开始电主轴空转10分钟，为研究液压油驱动的主轴内拉刀机构工作发热的影响，此时进行1次模拟换刀操作，在工件的上表面沿垂直于框边的方向走刀铣削1次，行程20mm，相对于初始基准面铣削量为1mm，铣出1个小平面，同时通过温度监控模块记录此时各个温度传感器的数据。

3)同理，循环往复地，电主轴空转10分钟，进行1次模拟换刀，隔20mm位置处同样在工件的上表面沿垂直于框边的方向走刀铣削1次，行程20mm，相对于初始基准面铣削量为1mm，铣出1个小平面，同时通过温度监控模块记录此时各个温度传感器的数据，所得的温度数据结果如下表所示。

如此重复，铣削得到23个铣削小平面，如图4中的黑色部分所示。

4)关闭机床，使主轴自然冷却。此时由于电主轴内冷功能关闭，工作空间内无液体飞溅，故可在机床工作台上安装位移传感器用以测量主轴的回缩量，每隔10分钟记录1次回缩量值及温度监控模块中相应的各个传感器温度数据，共记录6次，所得的温度和主轴回缩量数据结果分别如下表、图6和图8所示。

冷却阶段:主轴回缩量ΔL/mm

5)将切削后的工件取下，水平设置于三坐标测量机工作台上，在每个小平面上选取10个测点进行坐标测量，用以拟合出平面特征，共得到230个测点坐标数据。

6)打开数据处理模块，以某个小平面为例，根据其上的测点坐标数据，依据最小二乘法进行平面特征的拟合，设计算法求出一个平面使所有测点到该平面的距离的平方和最小，且把该平面作为该小平面的拟合平面，以此求出所有小平面的拟合平面。

7)每个小平面对应着切削该平面时主轴已经工作的时长，计算任意两个拟合小平面之间的高度差即为对应工作时长之间的主轴热伸长量，Δh＝h1-h2，下脚标1和2分别表示两个小平面。如果主轴没有热伸长，则所有小平面理应共面即高度差为0。相对于第1次走刀铣削时，主轴的热伸长量求得结果如下表和图7所示。

加工阶段:相对于第1次走刀铣削时的主轴伸长量ΔL/mm

8)通过数据处理平台，分析主轴热伸长随敏感点处温度的变化规律，分别拟合得到加工阶段和冷却阶段的主轴热特性公式：加工阶段ΔL₁＝0.0335ΔT₁ ²+0.8652ΔT₂ ²-0.0360ΔT₃ ²+0.1802ΔT₄ ²-1.2743ΔT₅ ²-0.7454ΔT₆ ²+0.0274ΔT₁-1.6655ΔT₂-0.3752ΔT₃+0.7503ΔT₄+0.2762ΔT₅+0.7440ΔT₆+0.0001，冷却阶段ΔL2＝-0.0130ΔT₁ ²+0.0044ΔT₆ ²+0.0149ΔT₁-0.0018ΔT₃-0.0055ΔT₆，其中，ΔL₁是主轴伸长量，ΔL₂是主轴回缩量，ΔT₁是主轴拉刀机构液压回路出口温度变化量，ΔT₂是主轴端外冷却回路出口温度变化量，ΔT₃是主轴端内冷却回路进口温度变化量，ΔT₄是主轴前轴承温度变化量，ΔT₅是室内环境温度变化量，ΔT₆是液压站表面温度变化量。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (1)

1.一种中空冷却结构电主轴内冷工况下的热特性测量装置的热特性测量方法，其特征在于，所述的热特性测量装置包括：若干抗干扰无线温度传感器、抗干扰有线温度传感器、位移传感器、温度监控模块、数控加工中心、热特性测量工件、三坐标测量机、数据处理模块，其中：抗干扰无线温度传感器分别设置于主轴拉刀机构液压油管道回路与电主轴连接位置的出口管道上、主轴端与外冷却回路连接位置的出口管道上、主轴端与内冷却回路连接位置的进口管道上和主轴前轴承所在位置的电主轴外壳上并向温度监控模块输出温度数据信息；抗干扰有线温度传感器分别设置于机床外壳上和液压站表面外壳上并向温度监控模块输出温度数据信息，用于测量切削完毕后机床停机状态下的主轴回缩量的位移传感器设置于数控加工中心的工作台上，用于采集并记录温度数据信息的温度监控模块设置于数控加工中心的电控柜内；

所述的热特性测量方法，包括步骤：

步骤1)将待切削的特殊设计的工件水平设置于数控加工中心的工作台上，在相应的温度敏感点处布置好温度传感器，完成对刀工作，编写好数控机床加工代码；

步骤2)进行实际切削，一开始电主轴空转10分钟，为研究液压油驱动的主轴内拉刀机构工作发热的影响，此时进行1次模拟换刀操作，然后在工件的上表面沿垂直于框边的方向走刀铣削1次，铣削行程很短不超过30mm，相对于初始基准面铣削量为1mm，铣出1个小平面，同时通过温度监控模块记录此时各个温度传感器的数据；

步骤3)同理，循环往复地，电主轴空转10分钟，进行1次模拟换刀，隔20mm位置处同样在工件的上表面沿垂直于框边的方向走刀铣削1次，铣削行程与上一刀相同，相对于初始基准面铣削量为1mm，铣出1个小平面，同时通过温度监控模块记录此时各个温度传感器的数据；如此重复，得到多个铣削小平面；

步骤4)关闭机床，使主轴自然冷却；此时由于电主轴内冷功能关闭，工作空间内无液体飞溅，故可在机床工作台上安装位移传感器用以测量主轴的回缩量，每隔10分钟记录1次回缩量值及温度监控模块中相应的各个传感器温度数据；

步骤5)将切削后的工件取下，水平设置于三坐标测量机工作台上，根据三坐标测量机的测量要求，在每个小平面上选取合适数量的测点进行坐标测量，用以拟合出平面特征；

步骤6)打开数据处理模块，以某个小平面为例，根据其上的测点坐标数据，依据最小二乘法进行平面特征的拟合，设计算法求出一个平面使所有测点到该平面的距离的平方和最小，把该平面作为该小平面的拟合平面，以此求出所有小平面的拟合平面；

步骤7)每个小平面对应着切削该平面时主轴已经工作的时长，计算任意两个拟合小平面之间的高度差即为对应工作时长之间的主轴热伸长量，Δh＝h₁-h₂，下脚标1和2分别表示两个小平面；如果主轴没有热伸长，则所有小平面理应共面即高度差为0；

步骤8)通过数据处理模块，分析主轴热伸长随敏感点处温度的变化规律，分别拟合加工阶段和冷却阶段的主轴热特性公式：

，其中：ΔL是主轴热伸长量，ΔT₁是主轴拉刀机构液压回路出口温度变化量，ΔT₂是主轴端外冷却回路出口温度变化量，ΔT₃是主轴端内冷却回路进口温度变化量，ΔT₄是主轴前轴承温度变化量，ΔT₅是室内环境温度变化量，ΔT₆是液压站表面温度变化量；a_i和b_i均为常系数，C是常数，与步骤4)测得的主轴回缩量数据进行对比，验证热特性公式的正确性。

Images