多點解讀數控龍門銑的熱穩定性分析

　　數控龍門銑床如今在各行業中的應用也越來越多，隨著機床技術的發展和提高，對加工效率的要求也不斷提高，要求機床主軸旋轉速度提高的同時，各座標軸的進給速度，快移速度也必須相應提高，這就使機床各部位自身的發熱越來越大，且越來越不均衡，這就使機床的精度熱穩定性，成為影響機床穩定加工的主要因素。

　　因此在使用數控龍門銑這類機床時，不僅要重視周圍環境溫度的變化對機床精度的影響，也必須對機床各部位的發熱進行有效地控制，以減少部件發熱對機床精度的影響。

　　保證數控龍門銑在一般溫度下加工的精度熱穩定性，是擺在我們面前的一道難題。針對這個問題，我們做出如下探討：

　　一、影響機床精度熱穩定性的熱源分析

　　控制機床精度熱穩定性的終目的，就是控制刀具加工點相對工件的位置關系及工件或刀具移動的準確一致特性，機床的結構性精度穩定在一個范圍內之后，影響機床加工精度穩定性的另一個方面，熱穩定性就成為機床精度變化的主要原因。機床發熱的熱源有：

　　環境(氣溫)、機床運動部件運動發熱和切削發熱。

　　1.環境(氣溫)的影響

　　數控龍門銑一般采用的結構，是工作臺在床身上水平運動，床身兩側有兩個立柱，立柱上有一橫梁,滑座在橫梁上作另一個水平方向的運動，滑枕在滑座上作垂直方向的運動。

　　由于機床高度大，X向運動與Y、Z向位置高度差，一般都在2m以上，產生了一個高度溫差，在廠房里生產過程中，會有2-4℃的溫差，按鑄鐵線漲系數0.011 mm／(℃·m)，y軸行程約2.5m的情況，造成工作臺X向定位精度與y、Z向定位精度有0.055-O.11mm的差別，從而影響加工精度。

　　機床安置的廠房布置，也有很大影響，特別是在南方廠房，多考慮到通風采光，將窗戶開的很大，陽光直接照射到機床，使機床局部溫度變化，影響加工精度。

　　2.機床部件發熱的影響

　　一般分為主傳動發熱和座標軸運動發熱。

　　①主傳動發熱

　　數控龍門銑床的主傳動，一般都安裝在滑枕上，主軸在滑枕下端。滑枕是一個長徑比較大的桿類，熱變形特性較復雜，與滑枕截面形狀、導軌布置方式關系很大。此類機床主傳動動力傳入方式，一般又分正面傳入和端面傳入，各有優缺點。正面傳入，是主電機及變速箱安裝在滑枕正面，傳入滑枕后即到主軸，由于其傳動鏈短，傳動剛性較好，其滑枕導軌采用半包容結構，滑枕尺寸可以較大，增強了滑枕的結構剛性，同時其不好的一面，就是主傳動產生的熱量在滑枕正面聚集，造成滑枕正反面熱量不勻，使滑枕變形；端面傳入，是主電機及變速箱安裝在滑枕上端面，傳入滑枕后通過長傳功軸傳到主軸，由于其傳動鏈長，傳動剛性較差，其滑枕導軌采用全包容結構，滑枕尺寸相對較小，滑枕的結構剛性稍弱，但其主傳動產生的熱量在滑枕端面，不會使滑枕正反面產生溫差，滑枕變形量小。

　　②座標軸運動發熱

　　主要是進給傳動發熱，如滾珠絲杠傳動發熱或齒輪齒條傳動發熱和進給電機發熱傳導到傳動部件，其主要影響機床定位精度和重復定位精度。

　　二、對機床熱穩定性的控制方式組合

　　針對以上的情況，針對不同的要求，進行相應的控制方式組合來達到目的。

　　1.對氣溫及高度差造成溫差的控制

　　對于氣溫變化及高度差造成的溫差，使工作臺移動(X向)與滑座橫向(Y向)及滑枕垂向(Z向)的單位運動長度不同的問題，首先從機床的安置就要考慮，機床布置應相對獨立，機床間隔不宜太小，且不能靠近陽光直射區域，廠房高度要高一些，同時設置通風設施，加快空氣流動，使溫度均衡。

　　如果大型數控龍門銑床用于加工有一致性要求且精度較高時，則需將機床安裝在恒溫廠房里，花費較大，也增加了此類機床的使用成本。

　　另外還可以通過CNC系統進行動態補償的方法：即在機床整機裝配調試完畢后，分別在床身和橫梁特定位置安裝多個溫度傳感器，利用位移檢測設備對在不同溫度下各軸的位移精度進行檢測，得出各溫度采樣點在不同溫差時的運動補償量，向CNC系統下輸入補償量，則在加工中系統得到采樣點溫度后進行比較，得到溫差值再把該溫差的各軸補償量補入，即可有較明顯的效果。但此方法對溫度采樣點的選取要求較高，補償數據量大，分析數據難度大，對數控系統要求高，成本高和生產周期長，只能在某些特殊要求的機床上采用。

　　2.對主傳動及主軸部件發熱的控制

　　對于主傳動及主軸部件的發熱，一般采用的控制方法有兩種：

　　①要求用戶在加工前進行主傳動系統預熱，即以加工所需主軸轉速開動主軸約30 min，以便使機床主傳動系統達到相對熱平衡，這時機床滑枕及主軸相應的熱伸長和變形己經穩定，對機床相關幾何精度的影響量，己經不會有多大變化，此時再進行加工作業，能較好地保證加工精度的穩定。此方法也是目前采用多的一種方式。

　　②采用恒溫油對主傳動及主軸系統進行冷卻，減少熱量，這種方式須增加油冷機，會增加些成本，但效果不錯。

　　3.對座標軸運動發熱的控制

　　在數控機床上，這類發熱主要是伺服電機發熱和滾珠絲杠傳動發熱。這兩個問題在中小型數控機床上較為突出。

　　對于伺服電機發熱，一般采用隔熱墊來隔離電機熱量，或在電機與機床聯接部位加冷卻的方式來加以控制。

　　對于滾珠絲杠傳動發熱，一般采用中空絲杠，通入循環冷卻油，降低絲杠溫度，使絲杠溫度與基本零件(如床身)等溫，以保證絲杠與床身的熱伸長量保持一致，使絲杠本身的預緊力、絲杠的預拉力、軸承的預緊力不受發熱影響，保證在溫度變化的情況下，進給軸驅動剛性得以保持，從而提高機床的加工精度。

　　而在大型數控龍門銑床上采用的方法：

　　一是將進給電機設計在部件端部，保證較好的散熱條件，并通過用同步齒形帶或高精度減速機與絲杠隔離，以減少進給伺服電機發熱的影響；

　　二是采用大直徑滾珠絲杠(長絲杠不宜采用中空絲杠)，增加其熱容量，減少溫升，來達到目的。