主轴热变形分析仪

[size=16px][color=#990000][b]摘要：电主轴Z向热变形是影响高速数控机床加工精度的主要因素，目前常用的补偿技术是流体介质形式的液冷和风冷，也出现了基于帕尔贴原理的TEC半导体冷却技术。目前TEC冷却技术在电主轴热变形补偿中存在的主要问题是无法对主轴热变形量进行直接调控，还需基于复杂模型对温度进行控制来间接实现补偿。为此本文提出了闭环控制回路的解决方案，直接以涡流位移传感器信号作为控制信号，通过TEC实时控制电主轴热变形稳定在较低水平。[/b][/color][/size][align=center][b][img=电主轴热变形补偿技术,550,391]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/08/202308081112369716_6105_3221506_3.jpg!w690x491.jpg[/img][/b][/align][size=16px][/size][align=center][size=16px]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/size][/align][size=16px] [/size][size=18px][color=#990000][b]1. 问题的提出[/b][/color][/size][size=16px] 高精度加工中心在加工零件时，由于温度的逐渐升高，会发生X向、Y向和Z向的热变形，Z向热变形是由机床的立柱的热变形、机床主轴箱的热变形、机床主轴的热变形、机床Z向丝杠的热变形等复合而成，其中主轴的变形数值较大，对机床的加工精度影响最为严重，因此电主轴Z向热变形补偿是加工中心提高加工精度首先要考虑的问题。[/size][size=16px] 防止热变形的基本原则是控制电主轴组件的温升，因此采用主动冷却成为最佳选择。最常用的冷却方式是风冷和液冷，通过流动介质来散发主轴上产生的热量，但流体冷却存在响应速度慢和电主轴内部不同热源产生的热量很难精确匹配的问题，流体介质的传热能力会受到诸多因素的影响，如停滞流体层的厚度、由流体杂质沉淀引起的污垢热阻、流体的热导率、冷却通道和流体之间的温差以及流速等，都会影响冷却效果，甚至造成冷却通道的堵塞。目前，新出现了一种采用TEC半导体制冷的技术来代替流动介质冷却[1]，即将TEC帕尔贴制冷片产生的冷量传递和分配给主轴套筒，精确控制电主轴上的温度分布以快速消除主轴的热变形，其整体结构如图1所示。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=电主轴TEC冷却系统结构示意图,650,275]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/08/202308081115211024_6896_3221506_3.jpg!w690x292.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图1 电主轴TEC冷却系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 根据图1所示结构，所采用的TEC制冷技术虽然可以准确控制相应位置的温度，但受限与缺乏非温度变量的TEC控制技术，在文献[1]所报道的研究中，TEC温度控制并未与电主轴的Z向热变形位移量形成闭环控制回路，所以只能通过各种复杂的模型和传热公式大概估算出所需的控制温度，基本无法在实际应用中得到推广。[/size][size=16px] 为了将TEC冷却技术真正应用于高速电主轴Z向的热变形冷却补偿，本文将提出一种TEC冷却闭环控制方法，即采用涡流位移传感器获得的主轴热变形量作为反馈信号，通过PID高精度控制器直接驱动TEC进行制冷量的快速调节，使主轴热变形始终维持在较低水平。[/size][size=18px][color=#990000][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 解决方案的主要内容是通过TEC制冷系统的温度调节，直接来调控电主轴热变形，具体就是以涡流位移传感器作为探测和控制信号，与TEC制冷系统和高精度PID控制器组成闭环控制回路，使电主轴的热变形始终控制在较低水平。整个电主轴热变形TEC补偿控制系统结构如图2所示。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=电主轴热变形TEC补偿控制系统结构示意图,650,440]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/08/202308081115406565_4483_3221506_3.jpg!w690x468.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图2 电主轴热变形TEC补偿控制系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 以往的TEC控制系统只能通过温度传感器进行温度调节，无法根据位移传感器信号进行温度调节以最终控制热变形的大小。本解决方案的核心技术是采用了具有高级功能的高精度PID控制器，可按照涡流位移传感器输出的模拟电压信号对TEC半导体制冷器的温度进行控制，即当电主轴受热变形增大超过设定值时，自动增加制冷量；当电主轴受冷后变形量小于设定值时，自动减小制冷量，甚至进行部分加热。[/size][size=16px] 图2所示的控制系统结构仅是针对一路主轴热变形的冷却，如果为了进一步降低主轴的热变形真正的做的高精度电主轴，势必要增加TEC冷却通道，这只需简单的增加图2所示的控制系统数量就能实现。[/size][size=18px][color=#990000][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 综上所述，通过本解决方案直接以电主轴Z向位移探测构成闭环控制回路的TEC温控技术，可以直接实现电主轴热变形的补偿控制。在此基础上，本解决方案还有以下特点：[/size][size=16px] （1）此解决方案可很容易的进行多个冷却通道的拓展应用，可充分发挥TEC制冷方式在局部冷却方面的灵活性和便利性，可同时进行多个位置上的冷却控制，更能充分降低热变形的影响。[/size][size=16px] （2）此解决方案的控制方式更加灵活，即可按照位移信号进行冷却温度的直接调节，也可根据设计进行局部温度的调控，也可以采用温度跟踪技术进行电主轴的整体温度分布控制。[/size][size=18px][color=#990000][b]4. 参考文献[/b][/color][/size][size=16px][1] Fan K , Xiao J , Wang R ,et al. Thermoelectric-based cooling system for high-speed motorized spindle I: design and control mechanism [J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2022, 121（5）:3787-3800. DOI:10.1007/s00170-022-09568-4.[/size][size=16px][/size][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

[b][color=#990000][size=16px]摘要：为解决电主轴热误差影响大以及预热和冷却响应速度慢的问题，本文基于改变冷却介质热容可调节散热量的原理，提出了高速和高精度冷却液流量调节的闭环控制解决方案。解决方案中的反馈式闭环控制系统主要包括非接触式位移传感器、高速电控针阀和高精度[/size][size=16px]PID[/size][size=16px]控制器，通过高速和高精度电控针阀对冷却介质流量进行实施调节，可快速改变作用在主轴上的散热量，使主轴轴向热变形快速达到最小值并始终保持稳定状态。[/size][/color][/b][align=center][size=16px][img=高速电主轴冷却系统中的电控针阀流量闭环控制解决方案,600,392]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/07/202307060506528065_863_3221506_3.jpg!w690x451.jpg[/img][/size][/align][size=18px][color=#990000][b]1. 问题的提出[/b][/color][/size][size=16px] 对于高速数控机床而言，热误差是机床最主要误差，而电主轴则是热误差的主要误差源之一。为有效降低电主轴发热的影响，研究工作主要集中在电主轴冷却结构和冷却控制方面，但仍存在以下两方面的技术难点需要攻克：[/size][size=16px] （1）冷却效果差：还需根据电主轴内部温度场的分布进行冷却结构设计以及差异化冷却。[/size][size=16px] （2）响应速度慢：缺乏主动热误差控制技术手段，需实现电主轴温度的自动闭环控制。[/size][size=16px] 目前国际上电主轴热误差控制的最高水平是瑞士FISCHER公司的电主轴及其主动式冷却技术，其关键是将冷却回路集成在主轴中而大幅降低了热误差，使轴向膨胀减少了70%。特别是响应速度极快，预热和冷却时间大幅减少，等待时间缩短五倍。其热误差控制效果如图1所示。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=01.瑞士FISCHER公司电主轴冷却效果示意图,650,288]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/07/202307060509497004_7930_3221506_3.jpg!w690x306.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图1 瑞士FISCHER公司电主轴冷却效果示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 为解决国内电主轴热误差影响大以及预热和冷却响应速度慢的问题，本文基于改变冷却介质热容以调节散热的原理，提出了高速和高精度冷却液流量调节的闭环控制解决方案。[/size][size=18px][color=#990000][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 在电主轴冷却过程中，除了需要电主轴具有合理的冷却结构之外，还要求能将主轴所产生的热量及时带走，并使主轴受热引起的膨胀量快速达到最小值且保持恒定。[/size][size=16px] 针对国内电主轴冷却响应速度慢的问题，本文的解决方案是基于改变冷却介质热容的原理，即改变冷却介质流量来改变冷却介质热容，这意味着快速改变了作用在主轴上冷却量，由此来主动调节主轴温度并快速达到稳定。解决方案的实施采用闭环控制系统，闭环控制系统包括检测电主轴热膨胀位移量的非接触位移探测器、接收主轴热膨胀变形信号的高精度PID控制、受PID控制器驱动并对恒温冷却介质流量进行高速精密调节的电子针阀，此闭环控制系统结构如图2所示。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=02.电主轴主动冷却闭环控制系统结构示意图,500,287]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/07/202307060510119009_2558_3221506_3.jpg!w690x397.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图2 电主轴主动冷却闭环控制系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 在此解决方案中，闭环控制系统中每一个部件的精度和响应速度等技术指标都会影响到电主轴最终热误差的控制精度。[/size][size=16px] 对于非接触位移探测器而言，需要具有几个微米的测量精度和一秒量级的响应速度，对于高速高精度机场的电主轴则可能需要更高位移测量精度和响应速度。位移探测器一般选择激光式或电容式位移传感器。[/size][size=16px] 对于冷却介质流量的调节，需根据电主轴规格、发热量和冷却介质最大输出流量选择相应流量调节范围的电控针阀，但无论流量调节是什么范围，都要求电控针阀具有小于一秒的响应速度，并具有很好的线性度，为此在本解决方案中选择采用了NCNV系列电动针阀，可直接采用模拟信号0~10V进行控制，响应速度800ms，线性度0.1~11%，孔径范围为0.95~6.7mm，液体水的最大流量范围是0.94~62.4L/min，流量调节分辨率为0.1~2L/min，完全可以满足各种规格电主轴的快速冷却调节。[/size][size=16px] 对于PID控制器，解决方案选择了VPC2021系列超高精度PID控制器，此PID控制器具有24位AD、16位DA和0.01%最小输出百分比，可充分发挥位移探测器和电控针阀的高精度优势。同时此系列PID控制器还具有独立双通道控制、PID自整定、RS485通讯接口、串行控制和计算机软件等高级功能，可对两个冷却回路进行同时控制，便于进行调试以及后续的上位机通讯。[/size][size=18px][color=#990000][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 综上所述，通过此解决方案所使用的直接冷却流量调节的闭环控制系统，结合合理的冷却结构设计，可大幅度减少电主轴的轴向膨胀，使预热和冷却速度更快，可大幅缩短等待时间。更重要的是采用了闭环控制方式，使电主轴始终处于稳定的热条件下，保证了加工精度的重复性，使得废品率更低。另外这种主动式冷却方案可有效散发主轴中产生的热量，提高了电机过载能力。[/size][size=16px][/size][align=center][size=16px][b][color=#990000]~~~~~~~~~~~~~~~~~[/color][/b][/size][/align]

主轴轴承则是主轴正常运转的重要部件，机床长时间处于工作状态时，很容易造成轴承的损坏乃至烧瓦、停机的恶性事故。因而只有对主轴轴承温度进行实时监测才能确保主轴的正常运转，进而提升机床运转的可靠性，机床主轴轴承温度的在线监测体系就是通过在线收集轴承运转的温度数据，通过处理器进行对比和剖析，及时把握轴承运转状况的。1.机床主轴轴承温度升高缘由及约束 机床主轴在运转过程中，因为主轴转速较高、主轴润滑缺乏、润滑油太粘稠、以及主轴加工、装置如主轴曲折或装置与尾架不同心等要素，都会致使主轴轴承温度升高，致使机械空隙变小而呈现噪音和机械损害，轴承温度通常约束在温度升高不超越45℃，监测中若发现轴承的温度超越70-80℃，应立即停机查看。2.硬件规划 硬件有些首要包括六大有些，它们是温度收集电路、低通滤波电路、V/F变换电路、单片机接口电路、晶体管显现驱动电路、温度显现电路。3.软件规划 硬件思路是通过温度传感器来丈量机床主轴温度，由温度变送器输出电压信号，将电压信号送人测温电路的取样有些，将电压信号经低通滤波电路滤除高频搅扰。再经V/F变换电路将其变换为频率信号送入80C51单片机接口。经单片机核算处理后输出的数值存储在单片机的RAM中供温度计量核算调用，一起输出信号再经MC14489驱动数码管显现。 　　软件思路是使用模块规划办法，选用C语言编程。全部软件有些需求完结三大块的规划，它们是：温度核算模块，精度操控模块和数码管驱动模块。　　本次规划的难点是被测温度的精度操控，通常的测温体系中是将V/F变换电路输出的频率脉冲数规模对应于被测温度规模，但在温度丈量中要进步丈量体系的最低分辨率就必须增大频率脉冲规模。国内大有些此类体系是通过元件的选取和硬件的合理来增大频率脉冲的规模，此办法杂乱且作用不是很好。本规划采纳的办法使用软件办法来增大频率脉冲规模。通过体系对频率脉冲进行计数，再依据给定的基准数进行相对差核算，得到丈量温度。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/01/201701091514_620590_3170016_3.jpg4.精度操控 在本方案中用于进步温度丈量精度的首要办法是通过对温度传感器收集的模仿信号进行了V/F变换，然后用单片机对变换后的频率计数.以此来到达进步丈量精度。 　　本规划中选用由美国NS公司生产的LM331性价对比高的集成芯片，可用作精细频率电压变换器、A/D变换器、线性频率调制解调器，5.传感器的选型、装置 因为本规划不只要进行轴承温度丈量还要实现精度操控。精度操控的办法是首要对传感器输出的电压信号实施V/F变换，然后用单片机对频率进行计数以此来到达必定的丈量精度。所以模仿温度传感器是首选温度传感器，其次温度传感器所处的环境具有强电磁搅扰的特色。归纳思考本规划选用PT100铂热电阻温度传感器，导电导热性好，灵敏度高，延展性强；耐熔、耐冲突、耐腐蚀。 　　选用WZP-P系列贴片式Pt100温度传感器，丈量规模为-50～200℃，在主轴前、中、后轴承处，通过螺栓或其它固定方法将3个温度传感器装置在轴承或轴承座表面上，留意装置时螺栓紧固程度不宜太大，防止温度传感器受力太大致使损坏。6.轴承温度的检查与维护的实习使用 6.1 使用规模 　　机床主轴轴承温度的检查与维护电路首要改造了10台车床、5台刨床，使用作用较好，但因为公司一年多后机构改革、调整，取消了机械加工工段，因而未能得以更大规模的使用。6.2 使用作用 　　通过一年多的使用实习的证实，机床主轴轴承温度的检查与维护电路在各式机床上的使用十分成功，据这一年的统计数据显现每年每台机床为公司节省电机修理费1.6万元摆布，每台机床节省替换主轴轴承等直接费用1.2元以上。脉搏制造网是利用互联网、大数据、云计算及应用软件等前沿技术，为企业提供制造业产业链一站式综合服务，实现企业之间产能、需求、服务等资源的优化与共享。通过脉搏制造网将市场需求与闲置产能高效对接，提升制造业中小企业的市场营销能力、生产管理能力、加快产能结构调整步伐，实现制造业“绿色去产能”。并以脉搏云平台汇聚的市场大数据为导向，推动行业产能结构的调整、优化。