CN114571284B - 一种精密机床电主轴热伸长误差测试及主动控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高精密数控机床技术领域，尤其涉及一种精密机床电主轴热伸长误差测试及主动控制方法，包括如下步骤，第一步，通过实验测试，建立不同主轴转速与热平衡时的电主轴热伸长量的关系；第二步，电主轴通入恒温水，测试热平衡后电主轴伸长量与恒温水温的关系；第三步，主轴停转后，根据热平衡后的该主轴转速对应的热伸长量，切换通入对应热伸长量温度的恒温水，即可以实现主轴伸长量保持不变；第四步，主轴再次以停转前的转速运行时，水冷系统切换到20度的水冷机。本发明既可以减少开机的电主轴热机时间，又能保证主轴伸长量变化在较小的范围内。
Description
技术领域
本发明涉及高精密数控机床技术领域，尤其涉及一种精密机床电主轴热伸长误差测试及主动控制方法。
背景技术
高速电主轴具有结构尺寸紧凑、质量轻、响应快、噪声低等优点，但内置电机使得电流和轴承摩擦发热相对机械主轴大，且因结构问题使得电主轴散热困难，会导致电主轴受热伸长，成为高精密加工的误差来源之一。目前热误差的控制采用被动控制，以误差补偿方法为主。传统的热误差补偿策略先建立热伸长与机床特征部位温升的定量关系模型，然后根据对这些部位实际温升来预测热误差并补偿。主轴热误差被动补偿技术存在以下不足：一是因加工的复杂性，主轴热伸长实验仅取了有限的几个特征位置温度，模型的准确性难以保证；二是数控系统的插补周期不能足够小，进行热误差补偿后在加工后的零件表面易产生补偿引起抬刀纹路。精密机床为了减小主轴热伸长对加工精度的影响，通常需要对机床进行空载运行，按经验时间达到热平衡后再进行切削加工，测试精密机床电主轴的温度特性测试的时间长且不能量化。
正是基于上述原因，本发明提供了一种精密机床电主轴热伸长误差测试及主动控制方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种精密机床电主轴热伸长误差测试及主动控制方法，既可以减少开机的电主轴热机时间，又能保证主轴伸长量变化在较小的范围内。
为了实现本发明的目的,本发明采用的技术方案为，包括如下步骤，
第一步，通过实验测试，建立不同主轴转速与热平衡时的电主轴热伸长量的关系；
第二步，电主轴通入恒温水，测试热平衡后电主轴伸长量与恒温水温度的关系；
第三步，主轴停转后，根据热平衡后的该主轴转速对应的热伸长量，切换通入对应热伸长量温度的恒温水，即可以实现主轴伸长量保持不变；
第四步，主轴再次以停转前的转速运行时，水冷系统切换到20度的水冷机。
在所述第一步中，所述试验测试是在室温为恒温环境下进行试验，主轴水冷机设置为与室温温度相同的恒温模式，以不同的转速进行空转电主轴热平衡试验，并每隔一段时间记录电主轴热平衡后的伸长量。
在所述第二步中，测试热平衡后电主轴伸长量与恒温水温的关系为在室温为与第一步中温度相同的恒温环境下进行试验，主轴水冷机设置为不同温度下的恒温模式，测试通入不同温度恒温水热平衡后电主轴热伸长量，并每隔一段记录电主轴热平衡后的伸长量。
在所述第三步中，在室温为与第一步中温度相同的的恒温环境下进行试验，主轴水冷机设置为与室温温度相同的恒温，主轴停转后，根据第一步测试得到的该转速下的热伸长量，根据第二步测试得到的电主轴热伸长量时对应的水温，数控系统切换该温度的恒温水进行主轴保温，主轴热伸长可以保持不变。
本发明的有益效果在于：
（1）本发明既可以减少开机的电主轴热机时间，又能保证主轴伸长量变化在较小的范围内。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明中15000RPM转速下主轴热伸长量与时间关系示意图。
具体实施方式
下面对本发明进一步说明：
请参阅图1-2，
本实施例采用某公司生产的编号为W7S0018高精密立式加工中心，该机床采用大理石床身立柱结构，配置西门子840D数控系统和直线电机、某公司的高速电主轴和变频水冷机，另外配置一台变频水冷机对电主轴进行实验。电主轴最高转速30000r/min。按本发明高速电主轴热伸长误差测试及主动控制方法，按如下步骤对电主轴进行测试及控制。
第一步，测试不同转速下热平衡后电主轴热伸长量
在室温20℃的恒温环境下进行试验，主轴水冷机设置为20℃恒温模式，以不同的转速进行空转电主轴热平衡试验，并每隔1分钟记录电主轴热平衡后的伸长量。对应15000RPM转速的条件下，主轴热伸长量与时间的关系如图2所示，由图2可知，该电主轴空转10分钟后左右达到热平衡，热平衡后伸长量约为0.0397mm。
由此方法，建立该电主轴各转速与热平衡后伸长量的关系如表1所示，因为为精密加工，切削力小，主要发热源为高速旋转中前轴承摩擦发热，经测试小负载与空载转速下热伸长量差别不大。
表1 转速与热平衡后伸长量的关系
| 转速（RPM） | 1000 | 3000 | 5000 | 8000 | 10000 | 16000 | 20000 | 22000 | 25000 | 27000 | 30000 |
| 伸长量（微米） | 7.4 | 12.7 | 15.5 | 20.9 | 26.3 | 29.4 | 32.2 | 34.1 | 37.1 | 40.7 | 45.3 |
第二步，测试通入不同温度恒温水热平衡后电主轴热伸长量
在室温20℃的恒温环境下进行试验，主轴水冷机设置为不同温度下的恒温模式，测试通入不同温度恒温水热平衡后电主轴热伸长量，并每隔1分钟记录电主轴热平衡后的伸长量。对应通入20-35℃的恒温水，主轴热伸长量与时间的关系如下表2所示，在22℃-35℃范围内，温度每升高1°C，热伸长约8um。
表2 通入不同温度恒温水热平衡后电主轴热伸长量
| 温度（单位：°C） | 20 | 21 | 22 | 23 | 24 | 25 | 26 | 27 | 28 | 29 | 30 | 31 | 32 | 33 | 34 | 35 |
| 伸长量（单位um） | 0 | 5 | 11 | 20 | 28 | 37 | 45 | 53 | 64 | 70 | 80 | 89 | 96 | 100 | 108 | 120 |
第三步，验证主轴停转后，通入相应温度恒温水热平衡后电主轴热伸长量
在室温20℃的恒温环境下进行试验，主轴水冷机设置恒温控制20℃，主轴停转后，根据步骤一测试得到的该转速下的热伸长量，根据步骤二测试得到的电主轴热伸长量时对应的水温，数控系统切换该温度的恒温水进行主轴保温，主轴热伸长理论上可以保持不变。如表3所示，水冷机1恒温控制20℃，S20000热平衡后热伸长32.8um。主轴停转后，切换至水冷机2 恒温24.5℃控制，主轴电主轴热伸长量10分钟后为33.2微米，控制主轴热伸长在1微米内变化。
表3通入恒温水热平衡后电主轴热伸长量
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (1)
1.一种精密机床电主轴热伸长误差测试及主动控制方法，其特征在于：包括如下步骤，
第一步，通过实验测试，建立不同转速与热平衡时的电主轴热伸长量的关系；
第二步，电主轴通入恒温水，测试热平衡后电主轴伸长量与恒温水温度的关系；
第三步，主轴停转后，根据热平衡后的该主轴转速对应的热伸长量，切换通入对应热伸长量温度的恒温水，即实现主轴伸长量保持不变；
第四步，主轴再次以停转前的转速运行时，水冷系统切换到20℃的水冷机；在所述第一步中，所述实验测试是在室温为恒温环境下进行试验，主轴水冷机设置为与室温温度相同的恒温模式，以不同的转速进行空转电主轴热平衡试验，并每隔一段时间记录电主轴热平衡后的伸长量；在所述第二步中，测试热平衡后电主轴伸长量与恒温水温的关系为在室温为与第一步中温度相同的恒温环境下进行试验，主轴水冷机设置为不同温度下的恒温模式，测试通入不同温度恒温水热平衡后电主轴热伸长量，并每隔一段记录电主轴热平衡后的伸长量；在所述第三步中，在室温为与第一步中温度相同的恒温环境下进行试验，主轴水冷机设置为与室温温度相同的恒温，主轴停转后，根据第一步测试得到的该转速下的热伸长量，根据第二步测试得到的电主轴热伸长量时对应的水温，数控系统切换该温度的恒温水进行主轴保温，主轴热伸长保持不变。
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