电主轴热误差补偿技术的研究进展

郭远东

中机智能装备创新研究院（宁波）有限公司

摘要：随着国家经济的发展越来越好，电主轴在各个领域中广泛的应用。因此，随着技术性能指标要求不断提高，电主轴的冷却方法以及通过冷却技术控制热误差仍然是需要解决的关键问题。在内部零件冷却和热传导的共同作用下，热变形有滞后性，热误差问题尤为严重。

关键词：电主轴热误差;补偿技术

引言

电主轴，即为内装式电机主轴单元，是数控机床的重要部件。其是在机床主轴单元内部安装主轴电机，对主轴起到了驱动作用，由此促使电机和主轴成为一个整体。要提高数控机床的运行效率，就要掌握电主轴技术要点，充分发挥其优势，同时，推进电主轴技术不断完善。

1研究背景

电主轴是一种集机床主轴和主轴电机于一体的完整的一体化高新技术产品，是三大高科技数控机床之一。虽然近年来国产电主轴的研发取得了长足的进步，但与国外优质产品相比，在性能、精度、质量等方面仍有一定差距，这主要表现在可靠性低、寿命短，停机时间中等等。目前，国产高转速、高精度数控机床和加工中心所使用的电主轴，仍然以国外进口为主。国产电主轴无论是关键部件还是整机，都缺乏系统的可靠性试验方法和技术，由此严重制约了国产电主轴的技术发展。电主轴轴承的精度、质量是影响电主轴性能的关键因素，随着电主轴转速的不断提高和输出功率的不断增大，作为电主轴支承元件的轴承，如果长期处于工作状态，运行可靠性将受到极大影响。轴承一旦失效，必然导致电主轴甚至整台机床的非正常运行，可能引发灾难性后果。通过对轴承进行监测、诊断，可以及时发现故障，并判断故障类型，更换轴承。还可以根据故障程度随时间的变化趋势，预测轴承更换时间，做到根据实际情况进行维修，大大降低或完全消除意料不到的轴承故障。另一方面，可以提前制订恰当的备件订货周期和储备量，防止产生较长的停工期，缩短维修时间，节省维修费用，给用户带来较大的经济利益。滚动轴承工作状态监测与故障诊断是现代化生产实践及设备管理维修的一门重要学科。按照测试获取信号的性质，滚动轴承故障诊断主要分为温度法、油样分析法、振动法等。与温度法和油样分析法相比，振动法适用范围广，可用于早期故障检测，不需要外加信号源，检测及处理方法简单可靠，是目前应用最为广泛的轴承工作状态监测及故障诊断方法。近年来，国内外学者对轴承故障监测与诊断方法进行了广泛、深入的研究，各种相关文献中80%以上都基于振动法进行，且各种参数、波形分析及智能诊断方法层出不穷，谐波小波包提取特征后结合反向传播神经网络法、改进径向基函数神经网络法、支持向量机法、深度信念网络法、包络谱结合卷积神经网络法、长短时记忆网络与迁移学习结合法、模糊聚类法、遗传算法与改进深度信念网络结合法等都已被应用于滚动轴承的故障诊断中。但是，这些方法由于都需要应用复杂的信号处理技术，对故障发射信号的特征进行提取和处理，并且需要丰富的专家经验与大量的检测时间，因此很难在工程中广泛应用。

2热误差机理分析

2.1分析热源

高速机床在运行的过程当中，电主轴单元对机械零件的要求比较高，对工件精度和刚度的要求比较大，从而在侧面减小了工作负荷，因此，对于电主轴来说，其切削能力较强，工作当中的所产生的误差就比较小。但是轴承摩擦发热和损耗发热引起的热变形或位移却加大了误差几率。比如，就内置式电动机而言，带冷却套的定子和空心转子是其主要的组成部分，在主轴单元的壳体中安装带冷却套的定子，再通过热压配合的形式，将空心转子直接套装在主轴上，可以实现主轴与变频电动机之间的一体化过程，高速数控机床是新型的数控模式，与之以往的传统主轴传动结构的热特性有着很大的不同。内置式主轴结构是电主轴的一大特点，虽然工作效率与质量大程度的提升，但是同时也抛弃了风扇降低了散热性能，导致因功率损耗而产生的大量热量无法及时散去，从而逐渐传入壳体和主轴中，直接影响了其性能产生位移。所以现在精密的机械当中，一般采用混合陶瓷来作为主轴承的材料，它具有结构简单有效、性能高速快捷、刚度化标准高、易维修等优点。但是其主轴在运行期间，也会产生大量的摩擦现象从而导致热量的一定传播，从而产生热误差。除上述内热源外，还有许多外热源影响着主轴，比如环境温度变化、切削产生的热传递等，这些影响因素间甚至从非线性转化成相互耦合性的影响，进一步增加了热误差机理分析的难度。

2.2热误差辨识

热误差辨识是分析机理建设模型的主要过程。一般来说有两种辨识方法：第一种是误差合成法，第二种是直接测量法。合成法是测量每一电主轴单元个构件的数据，从而统一变形位移的特性，最终综合起来一起分析的方式。合成法针对误差性质的不同可以分成不同的类型。但是此方法比较繁琐，需要大量参数估计和公式推导，而且在测试后，还需要分别测量热误差成分，然后校对调整，不仅费事而且还容易出现误差。空间测量法就相对简单的多，在工作当中，电主轴单元的温度和位置在不同的分布条件下，使用非接触电容式传感器或者激光干涉仪就能直接测量零部件之间的热误差，更有效、更精确。但此方法造价比较高，需要精密的测量仪器，并且在测量过程当中，不能同时生产间接的降低生产效率。

2.3关键测温点的优化选择

在进行热误差机理分析时，一定要衡量温度的变化情况，建设模型时也要计算温度的变化。在机械工作中温度为自变量，属于不定值，所以在布置温度传感器时一定要选择效率高、鲁棒性强和精度准确的传感装置，这对机理分析以及后期的建模起着直接作用。虽然布置大量的温度传感器可以提高主轴热误差测量的精确程度，但是实际工作中并不能添加无限制的添加传感器，很多工程师因此问题还特地提出了“减少优化传感器”的实施方式。因为传感器本身的机械运作，或者是线路密集程度都会对热误差的机理分析造成一定的影响，所以关键测温点的优化至关重要。

2.4电主轴的传热机理

了解电主轴的传热机理也是热误差机理分析的一项重点内容。一般来说电主轴的热态特性包含两个方面，第一是主轴的传热方式、机制和途径，第二是主轴的发热源。热传导是电主轴单元的主要传热方式，热辐射、热对流为次要传热方式。热传递的过程复杂多变主要表现在以下三个方面。（1）精确计算是第一难点。因为电机主轴与轴承之间的热传导复杂，热量强弱程度不一。而且轴承在运行时，温度、载荷都是影响其自身热量的因素，并且沿圆周方向轴承内圈与轴承滚珠相触碰的状态也不相同，所以无法做到精确计算。（2）精确描述是第二难点。轴承内部的热量受陀螺力矩和离心力的影响，轴承内、外圈与沿圆周方向轴承滚珠触碰角度不相同，同时由于内、外圈之间润滑油分布不均匀，轴承滚珠在运转时无法精确控制摩擦能量，所以传热效果很难定界，描述状况很难掌控。（3）由于轴承在工作时是长时间运动的，所以当滚珠某一表面与内外圈接触时，就会产生热传递这是一种状态，而脱离后又是一种状态，所以导致了轴承内圈和轴之间的温度场发生波动。冷却油与定子冷却套之间的换热、定子与转子之间的传热以及周围环境与电主轴的热交换都增加了传热的复杂性，从而加大了热误差的机理分析难度。

3电主轴的技术要点

3.1电主轴的高速精密轴承技术

在电主轴系统中，主轴轴承技术是关键，主要包括三种，即动静压轴承、角接触球轴承和磁悬浮轴承。其中，动静压轴承是将静压轴承与动压轴承结合起来，集合了两者的优点，其具备良好的高速性能，速度调节的范围大。精密数控机床比较常用角接触球轴承，其发挥主轴支撑作用，对高速性能有一定的影响。出现这种现象的主要原因是由于滚珠为氮化硅材料制作，滚珠在高速作用下会增加离心力，增大陀螺力矩，轴承的高速性能得以充分发挥，减小滚动体的直径。由于轴承的制造成本高，具有非常复杂的控制系统，不容易解决轴承运行中产生的发热问题，所以，只有特殊场合中才会使用。

3.2电主轴的润滑技术

对电主轴进行润滑，主要是润滑主轴轴承。这就需要采用科学有效的润滑系统对轴承的温升状况进行控制，确保机床工艺系统运行中提高精度，且保证稳定性。电主轴在选择润滑方式的时候，需要对轴承所属类型、运转速度以及负荷等等有关，可以根据需要选择油脂润滑方法、油雾润滑方法或者喷射润滑方法等。

3.3电主轴的冷却技术

电主轴的壳体中安装有电动机的定子，电主轴实施封闭设计，当处于高速运转状态的时候，由于缺乏散热条件，就会出现壳体中过热的问题。电主轴的内部安装有两个热源：第一个热源是电动机运行中会由于损耗而发热；第二个热源是由于轴承运行中产生摩擦而发热。当电机运行的过程中有热量产生，主要发挥散热作用的是主轴壳体，而且部分热量通过主轴向轴承传输，导致轴承快速升温，其寿命必然受到影响，转轴的制造精度受到热伸长的影响，主轴系统运行的稳定可靠性无法保证。冷却电主轴的方法是将循环冷却水套安装在定子与壳体连接的位置，同润滑轴承，使发热量减少，采用合理的润滑方式除了发挥润滑作用，而且还可以起到冷却的效果。

3.4电主轴的温度保护技术

在设计高速数控铣床的时候，需要启动冷却系统对主轴进行降温。主轴内部安装有三个轴承，即前端轴承、中间轴承和后端轴承，主轴的运转速度不同，功率不同，将温度传感器安装在轴承附近，就可以对主轴轴承的温度实时监测。温度传感器采集信号的时候需要发挥可编程逻辑控制器的输入模块作用，不同类型的传感器，将信号划分为4-20mA。在设计机床控制程序的时候，需要按照传感器信号将温度计算出来，标定好。实施轴承升温保护的时候，还需要在程序中将门槛限制值设置好，保护好轴承。

4电主轴维修方法

4.1检查

检查电主轴外壳名牌编号，并记录到维修卡上。查找该主轴相关资料，找到主轴参数及装配图。检查主轴受损程度，了解故障原因，并做记录。自外围开始逐一拆卸主轴零件。边拆解变检查损坏程度，并分析损坏原因。对结构复杂或比较特殊的电主轴，拆卸时应同步拍照记录，以利于确定装配方法和顺序。

4.2拆卸

拆下前后防尘盖或后盖，清理主轴前端污垢。用两脚扳手卸去前端右旋螺母。用专用套扳手卸去后端左旋螺母。用小桐棒顶入轴端小孔（不可碰伤内螺纹），用大铜棒轻击小铜棒，自前向后拆出转轴、后轴承组合和后端预负荷系统，同时拆去前小盖。用撑钩将前轴承组合从座孔中取出，从轴上取下后轴承组合。装有后滚动导套的电主轴，应将后轴承座、后轴承座组合和滚动导套随转轴一起从后孔拆出。然后再从轴上卸下后轴承座与后轴承组合，从后轴承座中退出后轴承组合。需要拆修定子的电主轴应先松去壳体侧面顶丝，卸去前、后大盖，用电烙铁将电机引线从插接件上烫下，使定子从壳体内腔滑出。

4.3轴承的装配

更换轴承时一般按照原轴承型号、数量、组合方式就可以，主要是注意安装方法，必须保证轴承钢球在工作沟道内以额定转速无间隙滚动。并能承受主轴工作时所受到的轴向力和径向力之轴向分量。同时，应能克服定转子偏心产生的单边磁拉力对主轴的影响。

结语

目前，我国机械制造行业正在朝向高智能、高精度方向发展，数控机床作为机械制造领域重要的加工设备，必须要不断改善自身的加工品质，科学、有效控制机床运行中产生的热量，降低热量对主轴工作的影响，不断提高数控机床加工精度，促进机械制造行业进一步发展。

参考文献

[1]袁江，吕晶，邱自学，沈亚峰，刘传进，薛伯军.基于温度传感标签的主轴热误差无线监测方法及试验[J].机械工程学报，2021，51（14）：15-22.

[2]苗恩铭，刘义，杨思炫，陈维康.无偏估计拆分算法在数控加工中心主轴热误差建模中的应用[J].中国机械工程，2021，27（16）：2131-2136.