一种减少五轴机床主轴热伸长的方法与流程

1.本发明涉及高精密数控机床技术领域，尤其涉及一种减小五轴机床主轴热伸长的方法。


背景技术：

2.主轴是数控机床上提供加工主动力的核心部件。在机床运行过程中，结构热变形引起的机床热误差是不可忽视的重要因素。在高速加工中，电主轴的热变形已成为影响机床加工精度的主要因素，机床热变形造成的加工误差达到工件总加工误差的60％～80％。主轴热伸长直接影响五轴机床的rtcp精度，而这种影响rtcp精度的主轴热伸长是不可以通过数控系统来对z轴做补偿的。
3.常用方法对电主轴热伸长的控制采用水冷机，采用恒温模式控制，但该模式下水当主轴转速高或负载大时，主轴的伸长量较大；在主轴高速停转时发热减小，需要通入较高温度的水保温，但水冷机容量大，无法短时改变水箱里水的温度。本发明提供一种基于主轴转速、负载功率并考虑高转速停转后，数控系统根据给定公式计算控制温度并在冷却水路中加入快速加热装置实现减小五轴机床主轴热伸长的方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种减小五轴机床主轴热伸长的方法，能够减小主轴热伸长，提高加工精度和五轴rtcp精度，并减少停机后的精密机床的热机时间。
5.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种减少五轴机床主轴热伸长的方法，其特征在于，包括以下步骤：
7.步骤s1.主轴开始工作前，在数控系统中设置好水冷机的初始温度t0；
8.步骤s2.主轴开始工作后，数控系统实时采集机床主轴的转速和功率值，并依据内置的计算公式调节不同转速下的水冷机设定温度t；
9.步骤s3.主轴停转后，数控系统通过调节装置调节水冷机的水温及时升高以进行停机保温。
10.步骤s1中所述在数控系统中设置好水冷机的初始温度t0，水冷机的初始温度t0的取值范围为29～31℃。
11.步骤s2中所述数控系统实时采集机床主轴的转速和功率值，并依据内置的计算公式调节不同转速下的水冷机设定温度t，具体计算公式如下：
12.①
转速在9000rpm以下时，水冷机设定温度t的计算公式为：
13.t＝-0.9*n+29.55，其中
14.②
转速在9000rpm以上时，水冷机设定温度t的计算公式为：
15.t＝-20*p+26.5，其中p为电主轴的功率值，单位kw。
16.步骤s3中所述数控系统通过调节装置调节水冷机的水温及时升高以进行停机保温，所述调节装置为设置于水冷机出水口处的电热水器。
17.所述停机保温温度为20
±
2℃。
18.本发明相对现有技术的有益效果：
19.本发明一种减少五轴机床主轴热伸长的方法，通过同时考虑主轴转速和负载设置水冷机的水温的并通过在水冷机出水口加装电热水器，能够有效减小主轴热伸长，提高加工精度和五轴rtcp精度，并减少停机后的精密机床的热机时间。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本发明实施例中主轴水冷机恒温24℃的主轴热伸长误差图；
22.图2为本发明实施例中考虑主轴转速设置水冷机的水温的主轴热伸长误差图；
23.图3为本发明实施例中考虑负载设置水冷机的水温时的主轴热伸长误差图；
24.图4为本发明实施例中同时考虑主轴转速和负载设置水冷机的水温的主轴热伸长误差图；
25.图5为本发明实施例中同时考虑主轴转速和负载设置水冷机的水温的并通过在水冷机出水口加装电热水器时主轴热伸长误差图；
26.图6为本发明实施例中图1-5各种方案的主轴热伸长误差对比图。
具体实施方式
27.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.实施例：参见图1-6。
29.为了实现本发明的目的，本发明提供了一种减少五轴机床主轴热伸长的方法，包括以下步骤：
30.步骤s1.主轴开始工作前，设置水冷机的初始温度在29～31℃；
31.步骤s2.主轴开始工作后，数控系统实时采集电主轴转速和功率值，当转速在9000rpm以下时，数控系统根据公式t＝-0.9*n+29.55设置水冷机的设定温度，其中当转速在9000rpm以上时，数控系统根据公式t＝-20*p+26.5设置水冷机的设定温度,其中p为主轴当前功率值，单位kw；
32.步骤s3.主轴停转后，通过调节装置调节水冷机水温至20℃进行停机保温，以减少停机后精密机床的热机时间。
33.请参阅图1-6，下面通过对多种主轴水冷机温度控制方案下的主轴热伸长量进行
比较，对本发明方法的有效性作进一步说明。
34.①
方案一：主轴水冷机恒温24℃
35.将主轴水冷机设置恒温24℃，得到主轴在不同的转速下的热伸长量如下表1所示：
36.表1 水冷机恒温24℃下不同转速热平衡时间及伸长量关系表
37.38.39.[0040][0041]
将上表数据绘制成曲线图，如图1所示，转速从3000rpm到30000rpm这一过程中，主轴伸长量最大达到55um。
[0042]
②
方案二：考虑主轴负载设置水冷机水温
[0043]
根据主轴负载调节水温，得到主轴在不同的转速下的热伸长量如下表2所示：
[0044]
表2 根据主轴负载调节水温下不同转速热平衡时间及伸长量关系表
[0045]
[0046]
[0047]
[0048][0049]
将上表数据绘制成曲线图，如图2所示，在低转速阶段主轴热伸长偏大，最大热伸长量达到20um。
[0050]
③
方案三：考虑主轴转速设置水冷机水温
[0051]
根据主轴转速调节水温，得到主轴在不同的转速下的热伸长量如下表3所示：
[0052]
表3 根据主轴转速调节水温下不同转速热平衡时间及伸长量关系表
[0053]
[0054]
[0055]
[0056][0057]
将上表数据绘制成曲线图，如图3所示，在高转速阶段主轴热伸长偏大，最大热伸长量达到29.6um。
[0058]
④
方案四：同时考虑主轴转速和负载设置水冷机水温
[0059]
根据主轴转速和负载调节水温，得到主轴在不同的转速下的热伸长量如下表4所示：
[0060]
表4 根据主轴转速和负载调节水温下不同转速热平衡时间及伸长量关系表
[0061]
[0062]
[0063]
[0064][0065]
将上表数据绘制成曲线图，如图4所示，在停转阶段主轴热伸长偏大，最大热伸长量达到23.3um，主要原因是冷水机容量大，无法及时升温。
[0066]
⑤
方案五：同时考虑主轴转速和负载设置水冷机水温，并在水冷机出水口加装电热水器
[0067]
在水冷机出水口加装电热水器的状态下，根据主轴转速和负载调节水温，得到主轴在不同的转速下的热伸长量如下表5所示：
[0068]
表5 根据主轴转速和负载调节水温
[0069]
在加装电热水器时不同转速热平衡时间及伸长量关系表
[0070]
[0071]
[0072][0073]
将上表数据绘制成曲线图，如图5所示，在停转阶段主轴热伸长明显减小，最大热伸长量减小至12.78um。
[0074]
将上述五个方案所得热伸长量曲线图进行比较，如图6所示，由图6中可明显看出，采用本发明方法的方案五(同时考虑主轴转速和负载设置水冷机水温，并在水冷机出水口加装电热水器)的主轴最大热伸长量最小，表明本发明方法能够有效减小主轴热伸长，进而提高加工精度和五轴rtcp精度，同时减少停机后的精密机床的热机时间。
[0075]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的结构作任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明的技术方案范围内。