高速立式加工中心电主轴的温升测试及分析

高速立式加工中心电主轴的温升测试及分析
赵月娥;王美妍
【摘要】Focused on the features of the built-in motor spindle high speed machining center,motorized spindle temperature of heat source was analyzed.Through designing and building electrical spindle experiment platform,and by using DH5922 dynamic signal test and analyzing system,optimal modulator thermal resistor of detection system was selected and motorized spindle temperature rising test was completed.Through the analysis of the experimental results,the reasons of the motorized spindle temperature rising were verified,and relevant measures for real-time monitoring of temperature rise were put forward.%针对高速立式加工中心电主轴内置电动机的特点,分析了电主轴产生温升的热源.通过设计与搭建电主轴试验平台,采用DH5922动态信号测试分析系统,选择热电阻适调器组成的检测系统,完成了电主轴的温升测试试验.通过对试验结果的分析,验证了电主轴温升产生的原因,并提出了相关对温升进行实时监控的措施.
【期刊名称】《新技术新工艺》
【年(卷),期】2013(000)008
【总页数】3页(P74-76)
【关键词】电主轴;温度传感器;温升测试;数据分析
【作者】赵月娥;王美妍
【作者单位】陕西工业职业技术学院机械工程学院,陕西咸阳712000;陕西工业职
业技术学院机械工程学院,陕西咸阳712000
【正文语种】中文
【中图分类】TG659
高速立式加工中心的主要特点是高速、高精度和高稳定性。

电主轴作为高速立式加工中心的核心部件，其性能的优劣对高速立式加工中心的加工精度及生产效率的影响很大；因此，通过对电主轴温升特性的测试，分析出电主轴温升达到热稳定状态时的转速范围，为电主轴的冷却系统以及实际的生产加工过程提供依据［1］。

1 电主轴的基本结构
高速立式加工中心高速电主轴的结构图如图1所示，该电主轴的额定功率为
19.0kW，额定转矩为68.7N·m，最高转速可达为20 000r／min，前后轴承均采
用油气润滑。

图1 电主轴结构图
2 电主轴的热源分析
电主轴工作时产生的热变形是由内、外热源共同作用的结果。

这些热源会随加工方式、工件材料和主轴转速等加工条件的变化而变化［2－3］。

不同的电主轴，其
单元内的各零件也会因零件的材料、结构和形状等不同而具有各自的热惯性。

在电主轴的不同部分热量的传热状况也不同，从而导致电主轴内部形成了复杂的温度场。

在这个复杂温度场的作用下，电主轴的各部分也产生了不同的热变形与热应力［4］。

高速电主轴的内部热源主要包括电动机引起的发热和轴承在高速运转过程中的摩擦发热。

定子产生的热量一方面可以通过对流由冷却系统的冷却水带走，另一方面可以与周围的空气进行对流。

转子产生的热量通过热传导直接传递给主轴，
同时也可以与周围空气对流换热［5－6］。

3 电主轴的温升测试
3.1 电主轴的温升测试原理
电主轴的温升特性试验包括空载温升试验和负载温升试验。

空载温升试验用来检验空运转情况下电主轴的温度和温升，主要目的是检验装配质量，检验在额定电压、额定功率及额定转速情况下，电主轴的温升是否达到热稳定状态。

电主轴在高速运转时会产生大量的热，主要来自内装电动机的发热和主轴与轴承之间的发热2个方面。

电主轴温升测试试验是在电主轴前端与后端外壳部位，用磁座贴装温度传感器，通过采集温升信号，并对温升信号进行处理，实现电主轴的温升。

当电主轴在额定电压和额定功率下以不同的转速旋转时，可使传感器拾取电主轴端部外圆柱表面上的温度数据，通过仪器对所采集到的模拟信号进行整形，并转化成离散的数字信号，然后再对其进行信号处理。

3.2 电主轴测试系统的组成
电主轴测试系统主要由高速立式加工中心电主轴、检测系统（加速度传感器、热电阻适调器、DH5922动态信号测试分析系统、测试软件和计算机等）组成，如图2所示。

图2 电主轴测试系统的组成
高速立式加工中心电主轴的温升测试试验采用温度传感器对不同转速下电主轴前后轴承处的温度进行采集，通过DH3814热电阻适调器对信号进行调节与DH5922动态特性信号测试系统分析，测试结果在计算机上直接显示。

试验中，共安装了5路温度传感器，分别对电主轴前端及后端轴承的温度进行监测。

在该测试试验中，通过安装于电主轴表面的温度传感器采集到模拟信号，通过仪器对所采集到的模拟信号进行整形，并转化成离散的数字信号。

温度传感器的安装位置如图3所示，通道5传感器安装于电主轴后端正面中间位置，通道6传感
器安装于电主轴后端正面右侧，通道7传感器安装于电主轴前端右侧，通道8传
感器安装于电主轴前端背面中间，通道9传感器安装于电主轴前端正面左侧。

图3 温度传感器的安装图
试验用温度传感器的输入输出通道参数：铂电阻类型为Pt100，量程范围为
266.4EU。

4 电主轴的温升测试结果
在室温（22℃）的条件下，开起电主轴，使电主轴以不同的转速空转，同时打开
电主轴的冷却与润滑系统。

将采集的数据在MATLAB中进行分析，绘制各通道转速的温度变化曲线，如图4所示。

图4 温度变化曲线
从图4中可以看出，通道5、7、8所采集的温度数据随转速的变化趋势基本相同，先增加后减少，转速在12 000～14 000r／min时的温度达到最高值，之后温度
随转速的增加而降低；通道6和9所采集的温度随转速的变化趋势大致相同，均
为缓慢增加的过程；通道9所采集到的温度最高值达35.9℃，温升13.9℃；电主轴在2 000～14 000r／min时的温度变化不稳定，电主轴各部分的温度逐渐升高，当转速达到15 000r／min后，对应电主轴5、7、8通道的温度逐渐下降，并且
温度变化逐渐趋于稳定，温升变化不大；在相同转速下，通道5、7、8的温度略
低于通道6、9，通道7、8、9所采集的为电主轴前端的温度，当电主轴最初开始运转时，由于冷却系统与润滑系统对电主轴的冷却效果不明显，所以温度变化较大。

运转一定时间后，冷却效果明显，电主轴的温度变化趋于平稳。

5 结语
电主轴温升随其转速提高而增大，并且温度升高增加缓慢，电主轴前端温升比后端温升高，冷却系统与润滑系统对电主轴的冷却效果在运转一段时间后表现明显，电主轴趋于热平衡状态。

该高速电主轴的前后轴承处的冷却形式是使其冷却套以水冷
的形式进行冷却，当转速增加时，向电主轴中空的内径中通入空气，从而加强了冷却作用。

参考文献
［1］文怀兴，苏江飞.高速主轴动态性能的试验研究［J］.煤矿机械，2012（5）：67－69.
［2］文怀兴，王美妍.高速电主轴热态性能的有限元分析及温升控制［J］.组合机
床与自动化加工技术，2010（9）：52－55.
［3］毕江涛.高速电主轴热态性能分析与试验研究［D］.重庆：重庆大学，2011. ［4］王煪.高速磨削电主轴温升及动力学特性研究［D］.长沙：中南大学，2008. ［5］崔海云.磨削类电主轴单元动态热态特性研究［D］.太原：太原科技大学，2010.
［6］尤晶.高速电主轴热态性能分析与优化［D］.武汉：华中科技大学，2011.。