立式五轴加工中心的主轴热误差测试及分析

吴玉亮 朱铁军

摘要：利用lion主轴误差分析仪和高精度数字式温度传感器对立式五轴加工中心进行主轴热伸长误差测试，获得主轴热伸长误差数据和主轴发热点的温升数据。通过对所测得的数据结果进行分析，为主轴热误差补偿提供数据基础，并提出减小热伸长误差的建议。

引言

机床的热误差是影响机床精度的重要因素，研究表明机床热误差约占机床总误差的40-70%[1-2]。在机床加工时主轴系统连续运转是机床主要的热误差源，对其进行热误差测试研究是防止热误差和减小热误差的基础。因此，本文对具有高精度的立式五轴加工中心进行主轴热误差测试分析，为主轴热误差补偿提供数据基础，并提出减小热伸长误差的建议。

1立式五轴加工中心热误差测试实验

首先在某立式五轴加工中心上对主轴热伸长误差进行测试。该机床的主轴为电主轴且有冷却系统，最高转速为12000rpm，数控系统为沈机I5系统。对其进行主轴热误差测试包括两个方面测试，一是主轴热伸长误差测试，一是主轴温升测试，主轴误差测试采用lion主轴误差分析仪是为了测试主轴由于温升引起的热伸长误差变化量，主轴温升测试采用高精度温度传感器是为了测试主轴旋转发热的关键点温升。

实验分别在主轴上轴承和Y轴横梁上布置2个温度传感器T1和T2。其中，T1表示主轴发热点温度变化，T2表示环境温度变化。lion误差分析仪的测试精度为12nm，温度传感器的测试精度为0.1℃。误差和温度采集时间为10s采集一次。图1位测试现场，图2是温度传感器布局图。为了得到真实的测试数据，机床在实验前需要不少于12小时的关机状态，以保证机床处于冷态开始进行测试。

2 相同轉速热误差测试及分析

为了研究立式五轴加工中心主轴热误差的重复性，采取在其主轴8000 r/min的转速下，进行2次主轴热伸长误差及温度测试，了解其变化情况。测试过程采用相应转速热机4h主轴停转3h的模式进行实验。可以使主轴能经过充分热机达到热平衡，同时还可以了解主轴停转降温时主轴的热误差的变化情况，更接近于对实际加工状态的模拟。测试结果如图3所示。

通过测试结果可以看出，在相同转速下，2次测试的主轴热伸长误差都在70μm左右，主轴热伸长误差的变化规律总体上是一致的，具有可重复性；主轴发热点的温升和热伸长误差同步变化，同时也应注意到在主轴温升达到24℃，主轴冷却系统开始启动时，即使主轴转速不变，但由于润滑状态和冷却系统的影响，主轴的热伸长误差和温升也会不同。

3 不同转速下热误差测试及分析

为了研究立式五轴加工中心在不同转速下的主轴热伸长误差的变化规律，分别在5000r/min、8000 r/min、12000 r/min的转速下，测试主轴热误差变化情况。同样采取相应转速热机4h主轴停转3h的模式进行实验。测试结果如图4所示。

从测试结果分析，随着主轴转速的升高，主轴最大热伸长误差和发热点的温升都变大，主轴在12000rpm/8000rpm/5000rpm时，热伸长误差分别是100μm/ 70μm/60μm；转速越高，热伸长误差的变化速率越快；同时热伸长误差与发热点的温升对应较好，后续可以根据误差和温度的变化建立主轴热误差模型，通过监测发热点的温度来补偿主轴的热伸长误差。

根据测试数据还可知，在主轴前半段时间内热误差变化较快较大；冷却系统的作用并不明显。在加工时，可使主轴先行热机，以减小热误差影响。对于配有冷却系统的主轴，应根据实际情况调整冷却启动温度设置或选用冷却功率与热误差变化相匹配的冷却系统。

4 结语

本文对立式五轴加工中心进行主轴热伸长误差测试，获得主轴热伸长误差和温升数据。通过对所测得的数据结果进行分析，误差和温度规律一致可以为后续研究主轴热误差补偿提供数据基础，并提出提前热机或加大冷却功率的减小该机床热伸长误差的建议措施。

参考文献

[1] 刘征文.铣车复合加工中心整机热变形及误差补偿的研究[D].硕士学位论文.兰州理工大学，2013.

[2] Ramesh R，Mannan M A，Poo A N. Error compensation in machine tools—a review Part II：thermal errors[J]. Journal of Machine Tools and Manufacture，2000，40（9）：1257–1284.

（作者单位：沈阳机床（集团）有限责任公司 设计研究院实验室）