五轴卧式加工中心主轴系部件热特性实验

热特性实验是获得机床温度变化与热变形之间关系最为准确有效的方式。基于有限元仿真的结论设计温度场和误差项的测量实验方案，并进行初步的数据处理和讨论。

3.1结构温度与热变形测量方案

3.1.1温度场测量

温度传感器布点的方案见图5和表7。根据有限元仿真,设置TM0～TM2分别测量主轴的三个热源。TM3～TM4测量两个鞍座滑块附近区域的温度。TP0～TP1测量立柱附近高、低处的环境温度。TP2～TP5则测量立柱Y向的温度场。TP0～TP5为PT100传感器(精度0.1℃),TM0～TM4为磁吸式传感器(精度0.01℃)均直接与被测表面点接触。

3.1.2热变形测量

刀尖热误差的测量法见图6a。以静止工作台为基准测量主轴末端夹持着的检棒,其中测点DE0直接测量 ZT,测点DE1直接测量 YT,结合测点DE2有:

式中:l12 为DE1与DE2间的距离;ΔDE1 和 ΔDE2 为传感器测量值的变化量。

立柱热误差的测量法见图6b。用基于X轴导轨的DL0可直接测得 Yp。DL1和DL2以铸铁床身的侧壁面为基准,测量上下滑块表面,代表点A和S的Z向位移。这可以减少基准受热后Y向膨胀和C向倾斜的影响。由此可得:

式中:lAT 为 AT3 段的垂直距离;lTS 为 T3S 段的垂直距离;ΔDL1 和 ΔDL2 为对应传感器的数值变化量。

鞍座误差的测量法见图6c。主轴内部的 T2 点需要替代测法。鞍座侧面与刀尖等高处的热膨胀主要沿X向,故能在此处能近似测量 YS。在预实验和多个仿真工况中测得其数值极小(0～2μm),故实验不再测量此项。多次仿真与预实验中发现以立柱为基准测量 θs 和 ZS 的结果很不可靠,只能选择床身为基准。主轴中后段下表面的Y向热膨胀较均匀,用DL4和DL5测量此处的两个Y向位移量可以估计 θs,但不能得到 Ys。ZS 可以用DL3测量 T2 点下方的Z位移,再用 θS 修正得到。有:

式中:l45 为AT段的垂直距离。rS 为 T2 到DL3测点的Y向距离。ΔDL3、ΔDL4 和 ΔDL5 为对应传感器的数值变化量。在有限元分析中,这种近似法和 T2 位移结果相近。

机床的正常运行需要用防护罩将立柱与机床工作空间隔开,妨碍了主轴误差项的单独在机测量。因此,主轴误差项是在测得其他误差项后,使用式(1)计算得到的。结合有限元的结果,认为 θE 和 YE 都应很小才较为可靠。

实验使用的位移传感器测点编号见表8,均以磁吸底座固定在可靠的基准上。部分测点需要长距离的支持,故使用碳纤维杆支撑以降低气温变化导致的热伸长。为提高被测与重力方向的支承刚度,每个传感器都使用两个底座以三角结构固定。刀尖测点DE0～DE2处采用高精度的电涡流传感器PU-03A(精度0.3μm)来测量检棒。而对于鞍座立柱的表面测点DL0～DL5,选用测量距离稍远、适应不同材料和表面性质的激光位移传感器IL-030(精度1μm)更佳。

3.2热特性实验设置

被试机床的结构与配置见图1与表1，主轴相关参数见表5。主轴转速影响主轴发热量，环境温度影响部件初始温度和空气换热量，主轴高度影响传热位置。它们是实验的自变量，而关于温度场与热误差项的变化即为因变量。据此设计实验工况(表9)。将立柱最顶端到工作台表面的Y轴坐标等距分为三个档(0、-290、-580mm)。将主轴转速分为3个档(6000、4000、2000 r/min)。由于主轴暖机限制，每个工况均从冷态升温，每5 min加速1000 r/min，直至达到目标转速。环境温度大约在15～20℃。工况1～3是为了评估环境温度单独作用时对部件的影响。工况13、14则会在误差建模中使用。

3.3热特性实验结果

图7为实验中部分传感器的实拍照片。

3.3.1温度测量结果

实验工况11与条件相似的仿真工况2的温度场对比见图8。实际的主轴发热量、水冷系数与仿真的估算有出入，故实测整体温升量偏低(最大偏差4.5℃)。实验中主轴转速逐渐升高，温升速度先加快后减慢，主轴和鞍座的稳态时间也有所推迟。实验中4个立柱测点的初始温度差别很小，温升情况与仿真结果很相近(最大平均绝对偏差0.17℃)。另外两对条件相似的工况(实验工况10与仿真工况1、实验工况12与仿真工况3)的温升对比结论也类似，提高了仿真与实验的可信度。

3.3.2位移测量结果

视情况对传感器数据进行拟合或滑动平均处理，并计算出误差项。图9显示了工况11的位移测量结果。其中 YE、ZE、θE 为实测值根据式(1)计算得到的。与仿真工况2对比，A方向上，θT 的方向与仿真完全相反，θE 最大有2.51μrad。Y方向上，在刚加热时，θT 较快前倾使得 YT 先下降，而立柱 YP 在之后的伸长又使得 YT 上升，结束时 YE 为2.34μm，实际上是 YT 与 YE 的和。Z方向上，由于温升量的差别，所有项都比仿真要小些，尤其是主轴伸长。在其它实验工况中，转速主要影响温差大小。主轴高度从最低到顶部时，Yp 增大、Zp和 θp 反向增大、Zs 减小、θs 增大，而 ZE 变化量在10%以内，表明主轴伸长对高度变化不敏感。整体来看，部件实际的变形方向较符合仿真，变形大小有一定差异。由于环境温度没有停止升高，部分误差项如 θT 在实验结束时的稳态趋势不明显。