機械亮點 | 工具機熱穩定核心基礎技術

工具機熱穩定核心基技術研究現況
現行工具機的冷卻控制方法採用定溫定流量控制，即使溫度可控制在±0.2°C，甚至更小的範圍內，卻無法依據負載的不同而改變冷卻目標，使得暖機時間拉長，熱誤差也隨著負載轉變而不斷變化。如圖1所示，本研究以主軸熱變位 (懸伸)維持定值作為控制目標，在機器冷啟動初期或是上下料期間(主軸懸伸變短)，對傳熱流體進行快速加熱，縮短機器暖機時間並維持主軸懸伸長度。連續加工時(主軸懸伸變長)，也會對傳熱流體進行快速降溫。故無論主軸轉速及負荷如何變化，系統均會以預先設定之目標懸伸進行補償，非採固定溫度的冷卻控制。除可縮短暖機時間外，亦可降低機器因負荷改變而產生的幾何變化，提高機台加工精度。

圖1 冷卻控制系統比較圖

冷卻系統以預先設定之最佳加工溫度點(由實驗取得)作為追溫目標，在機器冷啟動初期或是上下料期間(低於加工溫度點)，依照所設定的溫昇及熱變位模型曲線對冷卻介質進行加熱，縮短機器暖機時間並維持加工溫度。連續加工時(高於加工溫度點)，也會依照溫昇及熱變位模模型曲線進行降溫。
研究中，我們將一般現行的冷卻機加入所開發的控制核心技術進行主軸熱變位的實驗，可有效將Y軸熱變形量降低53.8%、Z軸向熱變形量降低70.3%。再者，研究中亦針對工具機主軸長時間進行變轉速負載的實驗來進一步驗證其冷卻降低熱變形的效能。其中Y軸向熱變形量降低40%、Z軸向熱變形量降低57.6%。另外，我們亦使用冷卻控制核心技術來針對工具機主軸進行快速暖機之實驗，時間效率可提昇60%。由實驗結果可得知，依據工具機實際負載來控制冷卻機的流量或溫度可有效使機台快速穩定增加稼動率及維持精度。