（机械工程专业论文）数控加工中心电主轴热误差研究.pdf

摘要 研究表明，在精密和超精密加工过程中，热误差是数控机床最主要的误差源， 占总误差的比例达到4 0 - - 7 0 ，严重制约着数控机床加工精度的提高。在高速 和超高速数控机床中，大多采用集成化的高速电主轴，电主轴热变形引起的热误 差显得尤为突出，可达到零件总加工误差的6 0 - 8 0 。 本文结合国家科技重大专项“精密数控机床动态综合误差补偿技术”，主要 针对数控加工中，0 高速电主轴热误差参数辨识、误差建模优化、误差补偿系统的 开发进行了深入研究。针对数控加工中心电主轴热特性做了以下工作： ( 1 ) 以高速电主轴为研究对象，详细分析了电主轴结构、冷却方式及主要 热源。以现代传热学理论为基础，根据电主轴热传递特点，进行了电主轴发热及 散热计算，对主轴热特性进行了详细分析。 ( 2 ) 以实验数据为基础，详细分析了主轴热误差的变化性、时滞性及复杂 的非线性特征。结合热误差的非线性特点和人工神经网络良好的非线性拟合能 力，进行了基于不同温度变量的b p 神经网络训练建模。 ( 3 ) 在分析传统b p 神经网络建模机理的基础上，针对b p 网络热误差建模 所具有的局限特性，利用遗传算法优化其连接权值和阈值，提出了基于不同温度 变量的g a b p 神经网络优化建模方法。 ( 4 ) 结合项目要求，搭建基于p i , c 的主轴热误差数据采集系统，并进行了 电主轴热误差实验。针对f a n u c1 8 i 数控系统，在外部机床坐标系偏置功能 原理基础上，提出基于p m c 的数控机床热误差补偿方法，并进行数控机床电主 轴热误差实时补偿实验和工件试切。 麦罐词：数控机床电主轴热误差b p 神经网络g a b p 网络误差补偿 s t u d i e ss h o wt h a tt h et h e r m a le r r o ri st h em a i ns o u r c eo ft h ec n c se r r o r t h e t h e r m a ld e f o r m a t i o ne r r o rm a k e su po f4 0 7 0 o ft o t a lm a n u f a c t u r ee r r o ri n p r e c i s i o na n ds u p e r - p r e c i s i o nm a n u f a c t u r i n g ，a n di tb e c o m e st h eg r e a t e s t o b s t a c l e w h i c hr e s t r i c t st h ep r e c i s i o no ft h em a c h i n et 0 0 1 h i g h - s p e e da n ds u p e r h i g h - s p e e d c n cm a c h i n et o o l ，w h i c he q u i p p e dw i t hh i g h s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e ，t h em o t o r i z e d s p i n d l et h e r m a le r r o rs e e m sp a r t i c u l a r l yo u t s t a n d i n g ，m a k e su po f6 0 8 0 o ft o t a l m a n u f a c t u r ee r r o ri np a r t s w i t ht h es u p p o r to ft h ei m p o r t a n tn a t i o n a ls c i e n c e & t e c h n o l o g ys p e c i f i c p r o j e c t s ：”d y n a m i cc o m p r e h e n s i v ee l t o rc o m p e n s a t i o nt e c h n o l o g yo fp r e c i s i o nc n c m a c h i n et o o l ”，t h ep a p e rs t u d i e da tt h eh i g h - s p e e ds p i n d l et h e r m a le r r o rp a r a m e t e r i d e n t i f i c a t i o n , e r r o rm o d e l i n ga n dc o m p e n s a t i o ns y s t e m t h em a i nw o r ki sa sf o l l o w s ： ( 1 ) w a ht h es p i n d l ef o rr e s e a r c ho b j e c t , t h ep a p e rh a sd o n ed e t a i l e da n a l y s i so f t h es p i n d l e ss t r u c t u r e ，c o o l i n gw a y , a n dt h em a i nh e a ts o u r c e b a s e do nt h eh e a t w d n s f e r , t h eh e a ts o u r c ea n dc o o lc o n d i t i o n so ft h em o t o r i z e ds p i n d l es y s t e mi s a n a l y z e da n d c a l c u l a t e d ( 2 ) b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a ld a t a , t h ep a p e rh a sd o n ed e t a i l e da n a l y s i so ft h e s p i n d l e st h e r m a le r r o r s n o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c s a c c o r d i n gt ot h en o n l i n e a r m o d e l i n ga b i l i t yo ft h ea r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，b pn e u r a ln e t w o r kt h e r m a le r r o r m o d e l i n gi sb e e nd o n ea d o p t i n gt h r e ek i n d st e m p e r a t u r ev a r i a b l e ( 3 ) b a s e do nt h ep r i n c i p l eo ft h eb pn e u r a ln e t w o r k , am o d e l i n gm e t h o do fb p n e u r a ln e t w o r kg e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) o p t i m i z a t i o ni sp r o p o s e d t h r e et h e r m a l e r r o rm o d e l sa b o u tt h em o t e r i z e ds p i n d l ea r ee s t a b l i s h e d ( 4 ) a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to ft h ep r o j e c t ，ad a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mo f m o t o r i z e ds p i n d l ei sb u i l t ，b a s e do np l c a i m e da tt h ef a n u c18 ic n c s y s t e m ，a t h e r m a le r r o rc o m p e n s a t i o ns y s t e mb a s e do np m c ，i sd e v e l o p e db a s e do nt h es h i f t f u n c t i o no fe x t e r n a lc o o r d i n a t et h e o r y a tt h es a m et i m e ，ar e a l - t i m et h e r m a le r r o r c o m p e n s a t i o ne x p e r i m e n t a lo ft h es p i n d l ea n da t e x tc u t t i n ga r ec a r r i e do u t k e yw o r d s - c n cm a c h i n et o o l ，m o t o r i z e ds p i n d l e ，t h e r m a le r r o r , b pn e u r a l n e t w o r k , g a b pn e u r a ln e t w o r k , e r r o rc o m p e n s a t i o n 第一章绪论 1 1 课题背景及研究意义 1 1 1 背景 第一章绪论 本课题是国家科技重大专项项目( n o 2 0 0 9 z x 0 4 0 1 4 0 2 1 ) ：“精密数控机 床动态综合误差补偿技术”中数控机床热误差补偿技术研究部分。针对北京工研 精机股份有限公司生产的“2 0 0 0 4 0 0 i - i f 型四轴卧式数控加工中心，在对其电主 轴的热特性分析的基础上，并进行热误差补偿技术研究。 1 1 2 研究意义 现代机械制造业朝着高速高精的方向发展【1 1 。精密加工是现代工业的发展方 向，也是一个国家保持优势竞争力的重要因素【2 】。制造技术的发展，对数控机床 加工精度和可靠性的要求不断提高。 精密数控机床的热变形误差、几何误差、载荷变形误差和伺服跟踪误差己成 为制约机床加工精度稳定性的关键因素。近年来随着高速、高精加工技术的普遍 推广，精密数控机床的主轴速度和进给速度大幅提高，使机床结构的热变形和位 置跟踪误差随之增大【3 。 基础制造装备业不但是各行各业的基础，还是一个国家强盛国力的体现。为 提高机械制造业技术竞争力，从2 0 世纪9 0 年代以来，西方发达国家己开展战略 性关键技术研究，美国、德国、日本等国家相继出台了一系列的产业政策和制造 业崛起计划，并取得了丰硕的成果，极大地推进了科学技术的进步【4 】。改革开放 以来，我国的制造业水平越来越高，在一穷二白的基础上发生了翻天覆地的变化， 但要迈进制造强国行列，提高制造业质量和精度势在必行。在与发达国家竞争中 发现，国产数控产品仍有较大差距。对精密数控机床热误差补偿技术进行深入研 究，应用到实际加工中，提高国产数控机床加工精度，将大大提高我国制造业国 际竞争力。 研究表明，在精密和超精密加工过程中，热误差是数控机床最主要的误差源， 占总误差的比例达到4 0 7 0 ，严重制约着数控机床精度水平【5 。在高速、超 高速加工中心中，大都采用集成电主轴，其刚度和精度高，热变形引起的热误差 第一章绪论 尤显突出，甚至达到总误差的6 0 8 0 【6 ，7 1 。 数控机床回转轴运动精度是工件的位置基准、运动基准的关键影响因素，也 决定着数控机床的加工精度【8 】。随着加工精度和加工速度的提高，高速电主轴的 应用越来越广泛。电主轴具有结构紧凑、效率高、振动小、精度高等优点，但高 集成化的结构特点带来一些新的问题。比如在加工过程中，电主轴温升过高，由 此产生热变形和热耦合问题。电主轴的刚性、动态特性及热特性等，都对数控机 床的刚性和热特性有很大程度的影响 9 】。 在数控机床综合误差分析和补偿方法等方面，国内外都进行了卓有成就的研 究，形成了一系列的研究方法，但在近年来刚兴起的高速电主轴热误差方面涉及 较少，可供参考的理论不足。因此，以数控加工中心高速电主轴为研究对象，深 入研究高速电主轴热机理和误差补偿技术，对减小数控机床整体误差，提高数控 机床加工精度，有着至关重要的意义。 目前，降低机床热误差，提高零件加工精度有两种基本措施：误差防止法和 误差补偿法【l o 】。 误差防止法是在设计制造阶段，预先考虑可能产生的误差，通过修改硬件和 装配精度的方式，达到减小误差的目的。误差防止法通过改进机床零部件设计和 制造精度，采取降温控制，模块化对称形状，消除或减少系统原始误差源 n - 1 3 。 但通过硬件改造，来达到提高机床精度目的，误差防止法局限性比较大，经济代 价较高，时效性不足。而且，精度的进一步提高，受机床本身的制造精度和装配 精度的限制【l4 。 误差补偿法是在研究误差机理的基础上，通过人为制造的新误差去抵消之前 的原有误差，达到减小误差的目的。通过误差分析，机械加工中，人为制造的误 差，与原有误差大小相等，方向相反，在加工制造阶段实现与原始误差的相加减， 可以减小甚至抵消原有误差 15 1 。误差补偿法不需要改动机床硬件，只需利用一定 的软件，经济成本低、通用性强，是一项行之有效的提高机床加工精度的策略。 1 2 1 误差补偿定义 误差补偿法是利用一定的检测手段，找出数控机床误差的规律特点，再通过 控制系统对机床进给和伺服系统进行反方向的运动，达到减小原误差，提高加工 精度的目的1 6 1 。针对数控机床的热误差，误差补偿的主要过程是：通过对机床热 源和热特性的分析，进行机床热误差建模计算，然后将误差信号反馈到c n c 控 2 第一章绪论 制系统，通过修正驱动坐标值来实现误差补掣1 7 1 。误差补偿技术涉及机械、电子、 测控、计算机、智能建模等多学科知识，是一种各学科结合的先进控制策略。 误差补偿法利用“软技术”对机床进行误差补偿，不需改动机床结构及硬件， 并能获得比母机更好的精度效果。误差补偿法经济成本低，易于实现，补偿效率 高，在制造业中得到广泛的推广应用。 1 2 2 误差补偿的实现方法 目前，误差补偿的具体实现措施主要有：原点平移法和反馈中断法【3 】。 反馈中断法是通过将误差值直接加至伺服系统而实现误差补偿【l 】。工作原理 过程见图1 - 1 ，伺服系统的控制信号送入到热误差补偿系统，同时，补偿系统利 用采集的实时数据，根据预先建立的热误差模型计算出机床的热误差值，然后将 误差值与伺服控制信号合并处理，利用c n c 控制器调整伺服电机的进给量。其 优点是不用改变c n c 控制软件，可用于任何类型的数控机床。但是反馈中断法 需要一定的电子处理装置，用来实现误差值信号与伺服控制信号的编译。 图1 - 1反馈中断法工作原理图 热误差补偿系统实时计算数控机床的热误差值，误差量作为补偿信号被直接 输入c n c 控制系统，然后通过数控系统p l c 的i o 口平移系统的参考原点，以 此实现机床热误差补偿。原点平移补偿法不会改动坐标值，也不用改变数控加工 程序，对操作者来说，是不可见的。该方法无需改变数控系统的硬件，只需修改 第一章绪论 c n c 控制器的p l c 程序，以保证c n c 控制器可以接收误差补偿值。原点平移 热误差补偿法是目前最常用的补偿实现方法。原点平移法补偿原理如图1 2 所示。 图1 - 2原点平移法工作原理图 1 3 数控机床热误差补偿技术国内外研究现状 1 3 1 数控机床热误差国外研究现状 在国内外科学家的努力探索下，科研界在机床热误差领域取得了可喜的成 绩，各种热误差补偿技术已经在机械制造领域得到了推广和应用，显著提高了数 控机床精度【18 1 。 在2 0 世纪3 0 年代，瑞士的科研工作者首先发现了机床热变形现象。在这个阶 段，机床热误差研究进展较慢，人们尝试利用机械方式进行误差控制。例如5 0 年代，研究者开始利用机械式误差补偿方法进行误差补偿，如螺距校正尺对车床 丝杠进行螺距补偿。 6 0 年代开始，科研工作者陆续应用解析法和有限元等方法，对机床热变形机 理展开了研究【l9 1 ，并开始进行热误差实验，试图找出热变形机理特征。这时期的 日本进行了机床热误差实验，并且得到了热位移与温度间的对应关系。 7 0 年代，科研人员尝试有限元思想应用到机床热误差的研究，并开始了机床 4 第一章绪论 热变形的补偿技术研烈2 0 1 。此时，日本科研界提出一种主轴热变形补偿策略，找 出热误差一温度关系式，i 醚检测装置测试各测点温度，根据之前建立的关系式 算出热误差值，利用机床滑块实现误差补偿 2 l 】。 到了2 0 世纪8 0 年代，误差补偿技术在坐标测量机上得到成功应用。在这期间， 日本学者小岛辉一通过机床热误差的检测，利用数控系统实现了热误差的补偿。 r a g h u n a t h 等人对数控机床的热变形特性进行了分析研究，推导出机床热误差可 由机床特定点的温度进行预测的结论【1 1 。 9 0 年代以来，数控机床热误差研究取得了累累硕果，各种建模思想被广泛应 用到数控机床热误差建模研究。在这期间，科学家对机床热误差的研究更加深入 细致，研究领域涵盖温度测点布置，误差建模方法到误差补偿等。1 9 9 0 年，德国 人w s c h a f e r e d - 对机床热误差的最佳测点进行了研究【2 2 1 。1 9 9 1 年日本人松尾光荣 通过研究机床温度，建立了温度一热位移关系模型，可以通过测点温度实现热误 差的预补偿【2 3 1 。随后，人们开始尝试用智能建模思想进行热误差建模，比如人工 神经网络理论，同时，加拿大m c m a s t e r 大学针对五轴机床进行了神经网络的热误 差补偿t 2 4 乃】。1 9 9 4 年，日本学者提出了“热刚度”的概念，认为机床热变形是由 温度变化引起机床结构刚度不足造成的 2 】。密西根大学的s y a n g 应用小脑模型连 接控制器进行了热误差建模，倪军提出了动态建模思想，用于指导机床误差建模， 在热误差建模领域具有革命性的指导意义 2 6 如。 各种补偿装置在工业生产得到大规模的推广使用。密西根大学吴贤铭制造研 究中心应用人工神经网络，开发了基于电脑主机的误差实时补偿系统，可用于热 误差与几何误差的综合补偿 2 8 1 。密西根大学和美国s m s 公司合作开发了集热误 差、几何误差和切削力误差的综合误差补偿系统，在该公司的双轴机床上得到了 应用，效果明剧2 9 1 。典型的是，密西根大学将热误差补偿技术在美国通用公司、 波音公司的加工中心上得到了应用，实现了加工中心的几何、热的综合误差补偿， 大大提高了加工精度，获得了很好的补偿效果 3 0 - 3 2 】。 1 3 2 数控机床热误差国内研究现状 2 0 世纪5 0 年代，我国开始对数控机床热变形进行研究。国内数控机床热误差 补偿技术研究比较具有代表性的有北京机床研究所、天津大学、上海交通大学、 浙江大学、国立台湾大学和台中精机公司等。 8 0 年代，北京机床研究所率先在一台数控线切割机上实现了热误差补偿。 随后，该所开发了一块智能补偿功能模块，在x h 7 1 4 a 立式加工中心上实现了 热误差、几何误差和承载变形的综合误差补偿 3 3 1 。9 0 年代，机床所提出了考虑 热误差、几何误差等综合误差的动态补偿思想【3 4 】。 第一章绪论 上海交通大学在机床热误差研究方面起步较早，在温度测点布置、误差建模、 热误差补偿等领域取得了一定成果。在温度测点方面提出了温度测点的布局策 略，利用灰色综合关联度理论，对数控机床温度关键点的选择进行了优化【3 5 】。在 热误差建模方面，提出了综合最小二乘建模方法、正交试验设计建模方法，智能 混合建模方法、综合时序分析建模和灰色系统理论等建模方法，误差模型显著提 高【3 6 】。在误差补偿系统开发方面，开发了基于数控机床外部机床坐标偏移的误差 补偿系统 3 7 , 3 8 1 。 浙江大学在热误差补偿技术领域也取得了很多研究成果。在热误差建模变量 选取方面，提出了热敏感点理论，对模型变量的选取具有重要的指导意义。在机 床热误差补偿建模方面，提出了运用贝叶斯网络建模思想，根据热误差数据的概 率分布建立误差模型。并且在最d - - 乘支持向量机建模思想的基础上，提出了实 时在线建模方法，可以根据实时数据修正热误差模型【3 9 4 1 1 。 天津大学在数控机床热误差补偿领域也进行了大量研究。天津大学的刘又 午、章青等应用多体系统理论，对多轴数控机床的几何和热误差进行了建模研究， 并针对机床各误差项提出了9 线法、1 4 线法、2 2 线法的误差辨识方法 4 2 1 。张奕 群等人提出了基于主轴转速的热误差关系模型，对传统以温度为热误差模型变量 的建模思想具有很大的创新意义，还利用模糊聚类法对温度测点的选择进行了研 究 4 3 舯】。 华中科技大学在神经网络理论基础上，提出了应用神经网络辨识热误差关键 点的新方法【4 5 】。哈尔滨工业大学对精密测量的误差补偿进行了探讨研究。南京航 空航天大学和南京理工大学进行了合作研究，提出了模糊自学习热误差补偿策略 一6 | 。台湾的国立台湾大学和台中精机公司合作进行了“高精度工具机热变形补偿 控制技术”的研究，开发了误差补偿系统，并应用于加工中心精度的改善1 8 】。西 南交通大学与长征机床公司应用模糊聚类和相关性分析理论，对测温点进行优 化，运用多元线性回归理论建立了关键温度点的热误差模型，并在加工中心上进 行了补偿实验1 4 刀。 1 3 3 数控机床主轴热特性研究现状 电主轴是数控机床的核心部件，也是其主要热源。电主轴单元零部件的刚度 较大，精度很高，因此主轴弹性变形相对较小。对于高精高速机床来说，高度模 块化的结构设计形式，懈主轴系统热变形引起的误差相比其他部件引起的误差 效果更加明显，已成为制约加工中心进一步提高精度的主要因素。 现代高速加工技术的出现，使得数控机床电主轴的出现成为必然。国内外很 多研究者已经对电主轴综合性能及热误差进行了大量研究，为电主轴的进一步推 6 第一章绪论 广应用作出了卓越贡献。9 0 年代末，韩国的j i mk y u n gc h o i 应用有限元法，对 五轴加工中心的主轴热特性进行了研究，并用实验进行了验证，获得了很好的吻 合效果 4 8 】。美国普渡大学通过对电主轴的传热特性进行研究，提出了有限差分模 型方法用于传热分析【4 9 】。随后，普渡大学的研究者在分析主轴发热特性的基础上， 提出了高速电主轴的能量流动模型【5 0 1 。印度在电主轴热特性领域亦有很高的研究 成果，他们利用有限差分及有限元法估算了主轴部件的温度场分布，详细分析了 电主轴轴承摩擦生剿5 l 】。 在国内，在电主轴热特性研究领域做出突出贡献的单位主要有：洛阳轴承研 究所、浙江大学、清华大学等。洛阳轴承研究所应用热流网络法分析轴承系统温 度场，并研制了专门针对电主轴轴承生热的计算程序【5 2 1 。浙江大学的蒋兴奇专门 分析了球轴承的发热和散热特性，并通过计算电主轴发热与传递，对主轴热特性 进行了量化研列5 3 】。清华大学的赵大泉等人提出了一种基于主轴热误差自组织补 偿思想，只需定性测定主轴热偏移量，即可进行定量补偿，大大提高了补偿效率 和和成本，有二定的实际应用价值【5 4 1 。四川理工学院与长征机床公司开发了基于 外部机床坐标偏移的热误差补偿系统，进行了机床主传动系统热误差补偿实验， 取得了良好效果【5 即。 通过国内外机床热误差研究现状的比较，误差补偿技术能有效地提高机床精 度，国内在误差补偿研究领域取得了很大进展。近年来，研究者不但在传统建模 思想方面取得了突出成就。随着计算机技术的发展，科研工作者结合传统数学建 模，把专家系统、神经网络、遗传算法等人工智能技术，应用到热误差辨识、建 模等领域，取得了可喜的成绩。但现有的建模方法也存在缺陷，目前尚没有能全 面反映热误差特征的建模思想。同时，又由于机床热误差受影响因素较多，形成 机理复杂，现有建模方法难以得到通用性高的误差模型 2 】。因而，建立具有强适 应性、高鲁棒性、高精度和实时性的热误差模型是当今及今后研究的一个重要方 向。总的来说，国内在电主轴热特性，特别是高速电主轴热态特性方面进行的研 究较少，与发达国家有很大差距。 1 4 本文的主要研究内容 本文主要针对数控加工中心高速电主轴热误差建模方法及误差补偿进行研 究，主要内容如下： ( 1 ) 以北京工研精机股份有限公司生产开发的p 2 0 0 0 4 0 0 h f 型四轴联动卧 式数控加工中心高速电主轴为研究对象，根据其热传递特点，进行热误差特性分 析； 第一章绪论 ( 2 ) 进行p 2 0 0 0 4 0 0 h f 型卧式加工中心电主轴热特性实验，在处理实验数 据的基础上，基于三种不同温度变量对主轴热误差进行b p 神经网络训练建模， 综合考察温度变量对误差模型精度的影响； ( 3 ) 针对b p 神经网络建模所具有的局限特性，进行遗传算法优化其连接 权值和阂值，并进行三种不同温度变量的遗传算法优化b p 网络建模分析； ( 4 ) 针对f a n u c1 8 i 数控系统补偿模块接口，提出基于p m c 的数控机床 热误差补偿方法，并进行数控机床电主轴热误差实时补偿实验和工件试切，验证 该方法的实际加工可行性。 第二章数控机床电主轴热特性分析 第二章数控机床屯主轴热特性分析 2 1 数控机床高速电主轴热特性分析 热误差建模所采用的是北京工研精机股份有限公司生产的四轴联动卧式加 工：中心。其电主轴采用内装电机直接驱动，在高速高精加工条件下，电机生热和 主轴轴承摩擦热成为机床热误差的主要热源。由机床电主轴引起的热误差将大大 影响数控机床的精度，本章详细解析了电主轴的结构特点和热特性。 2 1 1 勤控机床电主轴结构 数控机床主轴和内置电机合为一体的电主轴，也称“高频主轴”。图2 - 1 为 个典型的数控加工中心电主轴示意图。电主轴系统是由内置电机和主轴为一体 的综合系统，不能简单的理解为一个主轴结构。从数控机床结构中分离出来的主 轴组件，是一个独立的功能单元 5 6 1 。 图2 1电主轴示意图 电主轴由内置电机、主轴、冷却系统和伺服控制系统等组成。电机转子与主 轴做成一体，电机定子安装在主轴壳体内。刀具安装在主轴前端的内锥孔和端面。 如图2 - 2 所示，主轴单元包括电主轴本身及其附件：电主轴，高频变频装置，油 雾润滑器，冷却装置，内置编码器，换刀装置等5 7 1 。 第二章数控机床电主轴热特性分析 图2 - 2 电主轴系统 针对电主轴生热问题，主要有四种应对措施：1 热对称结构设计；2 热位移 补偿；3 减小热源强度；4 强制冷却【5 8 】。 强制冷却是电主轴散热的最重要方法，强冷法主要有：气冷、液冷等形式。 气冷就是利用空气流对主轴进行冷却的方法。由于气体的换热系数较低，冷 却效果和经济性均较差，而且会引起不必要的摩擦损耗。 液冷，有水冷、油冷两种方式。水冷方式通常应用在大型电机中，冷却水从 绕组铜线中间流过，对电机绕组进行冷却。采用水冷时，水在水套与散热器中往 复循环，吸收热量的水流经散热器后又被冷却。与气冷相比较，水冷的主要优点 是冷却效率较高。 为了提高冷却效果，电主轴常采用油一水热交换循环冷却方式，图2 3 为冷 却系统示意图。冷却油首先从入油口进入主轴壳体，通过定子冷却套的管路，对 电机定子进行冷却，然后从壳体的出油口输出。带有热量的冷却油流经冷却交换 器时，冷却交换器的冷却水对冷却油进行冷却，冷却油经冷却后流回油箱，再经 过压力泵输到入油口，进行循环冷却 5 9 1 。 1 0 第二章数控机床电主轴热特性分析 r 。_ 。1 。_ 。1 。1 。1 。- h 。_ 。1 。 电主轴_ 出油口 入油e l 图2 - 3电主轴冷却系统示意图 g m n 公司生产的液冷式电主轴，与油一水交换循环冷却系统不同的是，冷 却油流经主轴后，没有热交换器换热系统，是通过风扇强制冷却降温的。 目前国外电主轴产品中，还有一种新型的主轴冷却措施一一蒸发式冷却。它 是利用液体汽化传递热量，只需很少的汽化介质，就能取得良好的冷却效果。基 于热管原理的散热方式正是蒸发式冷却的应用，采用热管冷却的电机体积较小， 可以减小到原来的1 6 1 2 t 6 0 1 。 2 2 数控机床电主轴的热源分析 电主轴结构紧凑、刚性好，能传递很高的扭矩和转速。但一体化的结构形式， 散热条件恶劣，主轴温升过高。机床电主轴在工作中，处于内、外热源综合作用 的环境，见图2 - 4 。 第二章数控机床电主轴热特性分析 图2 _ 4 电主轴系统热源 主轴结构及零配件材料之间的差异，加工环境和切削条件的不同，使主轴内 部形成了一个复杂的温度场，电主轴的热变形现象变得非常复杂，给精确界定主 轴热误差带来巨大挑战。通过研究数控机床电主轴结构，可以发现，电主轴有两 个主要热源：电机发热和轴承摩擦生热【6 l 】。 电机的发热主要是电机损耗功率转化而成的热量，有：铁芯损耗、绕组损耗、 机械损耗等。假设电机损耗全部转化成热量，其中三分之二是由定子产生，其他 三分之一由转子产生【6 2 】。 对滚动轴承，电主轴转速较高，滚子与滚道摩擦、润滑油的粘性摩擦等会产 生局部温升，加剧主轴温度不均。 对流体静压轴承，是以一定压力的流体通过节流孔，进入轴承而形成压力膜 来支撑轴承运转。按照流体介质的不同，分为气体静压轴承和液体静压轴承，前 者发热相对较小，后者由于液体介质的摩擦损耗，发热相对较大【6 3 1 。 2 2 1 电机发热分析与计算 内置电机由转子和定子组成，转子与主轴做成一体，而定子安装在主轴壳体 上。由于采用内置电机主轴结构形式，高速电主轴自然散热条件很差。在工作过 程中，电动机内部产生的功率损耗导致电动机发热，主轴和箱体发生热转移，影 响主轴的性能。 主轴电机的有效输入功率可以由公式( 2 1 ) 通过实验确定【6 1 】： p = , , 3 u i c o s a 1 2 ( 2 1 ) 第二章数控机床电主轴热特性分析 其中，只一一有效输入功率，单位为w ； 口一一相位角，决定有效功率和实际功率的相对大小； u 一一电机电源输入的线电压，单位为v ； ，一一电机电源输入的线电流，单位为a 。 电机的有效输入功率大部分转化为机械输出功率，其他部分则以功率损耗和 发热的形式散失。电机损耗主要有四种形式：机械损耗、铜损、铁损和附加损耗。 前三种为主要损耗，附加损耗在总损耗中所占比例甚t j d s 2 , 5 3 1 。 ( 1 ) 机械损耗 电机的机械损耗是来源于转子高速旋转与空气间的摩擦损耗。奎臣有转子摩 擦损耗和轴承摩擦损耗等。 筒形部件的转子摩擦损耗计算公式见下： 只= c 乃9 国3 r 4 上 ( 2 - 2 ) 其中，只一一机械损耗，w ； p 空气密度，堙聊3 ； 尺一一转子半径，m ： 缈一一转动角速度，硼厶； c 一摩擦系数( 由经验或试验确定) ； 三一一转子长度，m 。 ( 2 ) 铁损耗 铁损主要有磁滞损耗和涡流损耗，主要受交变磁场作用引起的，与其中的最 大磁感应强度有关。主磁通对铁心进行周期循环磁化、消磁等作用，产生铁心磁 滞损耗。 转子的磁滞损耗，是由转差率决定的，电机在额定工作条件下，它的值非常 小，在工程实际中可以忽略。 定子铁心磁滞损耗的计算公式见( 2 3 ) 所示： e = k h 戚 其中，一一磁滞损耗，单位为w ； 厂一一磁场交换频率，单位为h z ； 一一与电工钢牌号有关的常数； b 。一一磁感强度最大值，单位为丁； ( 2 3 ) 第二章数控机床电主轴热特性分析 以一一经验常数，由材料种类及吃值确定。吃 l 丁时，玎= 1 6 ；当 1 t 吃 1 6 r 时，以= 2 。 涡流损耗是由交变电流引起交变的磁场，在交变磁场的作用下，铁心中产生 涡状电流引起的电流损耗，计算公式见( 2 - 4 ) ： = 篑( 硝 ( 2 - 4 ) 其中，p 一一涡流损耗功率，单位为w ； 厂一一磁场交换频率，单位为勉； b 。一一磁感应强度最大值，单位为丁； 万一一硅钢片厚度，单位为m ： 一一铁芯的密度，单位为蟾伽3 ； p 一一铁芯的电阻率，单位为q m 。 ( 3 ) 铜损耗 电主轴电机中，铜损是定子和转子的绕组的通过电流，其中绕组本身的电阻 损耗，计算公式如( 2 5 ) ： = i - r = i 。p l s ( 2 5 ) 其中，只，一一铜损耗功率，单位为w ； ，一一绕组线电流，单位为a ： p 一一绕组线圈的电阻率，单位为q m ； 一一相绕组长度，单位为聊； 5 一一绕组线圈导体的截面积，单位为m 2 。 尺一一绕组线圈电阻，单位为q 。 一般，电动机负载越大，工作电流越大，绕组线圈电阻相对固定，引起的铜 损耗也越大。 2 2 2 轴承生热分析与计算 主轴转速越高，主轴轴承摩擦生热越严重。在进行轴承发热和内部温度场分 析和计算前，对复杂的轴承内部传热作一定的简化假设：1 一维状态分布；2 热 稳态传递；3 接触区发热与时间无关。 通常评价滚动轴承摩擦的方法主要有：摩擦力矩法和摩擦系数法 6 4 1 。 1 4 第二章数控机床电主轴热特性分析 滚动轴承的摩擦热q 是由滚动体与滚道的摩擦生热，还有滚动体与润滑剂之 间的摩擦生热组成，可由p a l m g r e n 公式( 2 6 ) 计算得到： q = 1 0 5 x 1 0 一m n ( 2 6 ) 式中，q 一轴承摩擦发热量，单位为w ： m 一一摩擦力矩，单位为n m ，z 一一轴承转速，单位为r m m 。 轴承接触区摩擦力矩m ，主要包括两项：轴承空转摩擦力矩m 。和外荷载作 用摩擦力矩m 。，经验公式如( 2 - 7 ) 所示： m = m 1 + m l = 0 4 5 f o ( v c o ) d 3 , + f f b d ( 2 - 7 ) 其中，国一一轴承内圈角速度，单位为r a d s ； v 一润滑剂的运动粘度； 一一由摩擦力矩分量蝎决定的计算载荷，单位为础2 厶； d 。一一轴承平均直径，单位为m ： 五一一经验常数，与轴承类型和润滑方式有关，对油润滑的角接触球 轴承，：l = l ； z 一一载荷系数，与轴承类型、载荷性质有关，对角接触球轴承， 斤= o 0 0 1 。 2 3 数控机床电主轴传热机制 电主轴内部的热传递过程非常复杂，具体表现在：第一，电机传递给轴承的 热难以精确计算；第二，由于滚动体的周期性运动，导致滚珠和轴承内外圈温度 场的周期波动；第三，轴承工作过程中，各处的润滑和冷却条件差异很大；第四， 电机转子和定子之间的传热，冷却系统内的换热，主轴与周围环境的热交换等， 增加了电主轴热传递的复杂性。主轴系统传热形式主要有以下几种：1 电机定子 与转子之间的换热；2 定子与冷却系统之间的换热；3 电主轴外表面与周围空气 之间的散热；4 主轴端部的散热。 其中，定子和冷却系统之间的换热属于流体强迫对流换热，散热效果大小受 冷却系统内冷却油不同流态的影响。在电主轴各散热方式中，以热传导和对流方 式为主，热辐射几乎可以忽略不计。 第二章数控机床电主轴热特性分析 2 31 传热基础理论 对流传热是通过流体的流动作用把热量从物体的高温部位传到低温部位，普 遍存在于流体介质中。根据流体驱动力性质的不同，对流方式分为强制对流和自 然对流【6 5 1 。 机床表面暴露在空气中，与周围空气进行热交换，是机床的主要热交换形式。 由努谢尔特法则，其换热系数为： 6 z = n u 九| l ( 2 8 ) 式中，l 。一一努谢尔特数； 一特征尺寸，m ； 五一一流体导热系数，w ( m 。c 1 。 对于不同的对流方式，l 。有不同的求解形式。 ( 1 ) 自然对流换热 机床外表面与周围空气的换热，属于自然对流换热现象，1 。的计算公式为： u 2 c ( g r p r ) ： 僻华竽 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 式中，函一一格拉晓夫准数； p r 一一普朗特常数； c ，l 一一常数，与流体流动性质、换热面位置有关； g 一一重力加速度； 一一体膨胀系数； v 一一流体运动粘度； & 一一流体与面壁温差。 ( 2 ) 强迫对流换热 主轴电机定子与冷却系统之间属于管内强迫对流换热，冷却油的不同流态决 定其散热效果。其努尔特数的计算准则方程为： n u = o 1 5 r e 。 3 3 p r 。 4 3 1 曙j 溉体处于层流状帮 ( 2 - 第二章数控机床电主轴热特性分析 n u = 0 0 2 1 一r 0 4 3 伊1 0 2 5c 流体处于紊流状孝， 协 式中，r e 一一为雷诺数，用来判别流体状态。 在工程中计算管内流体对流换热系数时，用临界雷诺数疋= 2 2 0 0 作为判别 流体层流和紊流的依据。 ( 3 ) 旋转轴对流换热 高速运转的主轴与周围空气之间有相对运动，它们之间的换热就成了强迫对 流换热和辐射换热的综合反映，从而形成旋转轴对流放热形式，特别是主轴端部， 努尔特数计算方程是惭】： n u ：0 1 3 3 r e 2 3p r l 3 上式的适用条件是：r e 4 3 x 1 0 5 ，0 7 p r 6 7 0 。 式中，p r 一一普朗特常数； r e 一一雷诺数。 2 3 2 电机转子与定子构换热 ( 2 1 3 ) 电机转子产生的热量，一部分传递给定子，通过冷却系统将热量排出；一部 分传递给主轴和轴承，再通过轴承的油一气润滑冷却系统排出；还有小部分通过 电机端部排至周围空气中，然后通过主轴箱体散热。 定子、转子之间的气体在纯层流状态下，热量是通过纯热传导进行热交换的， 不取决于主轴转速。 当定子、转子间有湍流状态时，计算公式见( 2 1 4 ) ： n u _ _ o 2 3 ( 鲁、e 。5 c2 ，4 ， 式中，万一一定子与转子间气隙的厚度，单位为m ； 五一一转子外圆半径，单位为m 。 2 3 3 电机定子与冷却系统的换热 电机定子与冷却系统之间的热交换属于强迫对流换热，冷却液的流态不同会 第二章数控机床电主轴热特性分析 有不同的换热规律和传热效果，换热系数也不同。因此，必须先算出雷诺数r e 以 判别流态后，再选用合适的换热系数公式进行计算。 2 3 4 主轴外表面与周围空气的换热 电主轴发热后，与周围空气发生自然对流换热。通过自然换热散出的热量其 实并不多，但由于电主轴是完全封闭的，自然换热作用就显得较为突出。主轴和 周围空气间是对流传热和辐射传热的综合传热过程。主轴与周围空气的传热系数 综合反映自然对流换热和辐射传热的效果。 复合传热系数哎为对流换热系数q 和辐射换热系数q 之和： a s2 0 t c 七ar 其中，吼一对流换热系数，单位为叫( m 。c ) ； 口，一一辐射换热系数，单位为( m ) 。 根据文献 5 3 的试验结果，可取哎= 9 7 w ( m 。c ) 。 2 3 5 电主轴端部与周固空气的换热 ( 2 1 5 ) 主轴端部与周围空气之间的传热系数是一个可用主轴转速和空气流量来描 述的函数，可用如下的多项式来表示： a = ( c o + c 1 “龟1 ( 2 1 6 ) 式中，c o 、c 。、c 2 一一通过试验确定的常数。 可通过实验，比较不同的主轴转速和空气流量下轴承的稳态温度来确定常数 值。根据文献【6 7 ，确定c o 、c l 、c 2 分别为9 7 ，5 3 3 ，0 8 。 2 4 本章小结 本章在一般高速电主轴的结构特征的基础上，研究了电主轴的冷却方式和主 要热源，进一步推导了主轴电机损耗和轴承摩擦生热的计算公式，并详细分析了 主轴系统的主要热传递形式及特点，并给出了具体的存在条件和换热经验公式， 为理论计算打下基础，并为以后的热误差实验热敏感点的选取及热误差测量提供 理论依据。 第三章电主轴热误差及其b p 神经网络建模 第三章电主轴热误差及其b p 神经网络建模 3 1 电主轴热误差实验分析 对机床电主轴进行热误差研究，最关键的是找出主轴温度和热位移之间的数 学关系模型，所以，对电主轴进行热误差实验非常重要。 3 。1 1 电主轴热误差实验方法 本文以主轴主要热源为温度测点，在温度测点布置铂电阻温度传感器，分别 测量主轴前后轴承、主轴电机连接处和机床床身的温度。针对热位移测量，采用 五点测量法，使用标准芯棒结合电涡流传感器的方式，测量主轴轴向及径向热变 形。 为保证有效进行主轴热误差补偿研究，课题组分两次进行了为期三个月的数 控机床电主轴无载模拟工况热误差实验。具体实验工况如下：采用递进式提速方 式，主轴转速从0 r r a i n 开始，不断提高主轴转速，保持转速运转直至在该转速 下达到热平衡和热位移的相对稳定( 5 r a i n 内温度和热误差没有明显变化) ，最后 提速至1 2 0 0 0 r r a i n 为止。 本文采用实验室自主开发的基于p l c 的热误差数据采集系统，进行主轴温 度和热位移数据采集。利用西门子p l c 组态软件w i l l 一c c 开发的热误差数据采 集软件系统，根据温度和热位移测点数，启用五个位移通道，四个温度通道。实 验中笔记本电脑可以实时显示各通道数据，待完成实验后可导出数据，进行后续 数据处理。 温度测量使用4 个精度为0 5 的p t l 0 0 铂电阻温度传感器，对主轴热敏 感点进行温