電主軸單元熱誤差建模與主動(dòng)控制方法.pdf

1、電主軸單元作為高檔數(shù)控機(jī)床的核心部件，具有高轉(zhuǎn)速、高精度、高剛度等特性。其精度和精度穩(wěn)定性直接決定了精密加工的綜合質(zhì)量水平，繼而對(duì)整個(gè)國(guó)家的高端制造業(yè)發(fā)展水平與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力具有深遠(yuǎn)影響。由于電主軸單元普遍采用內(nèi)裝式電機(jī)驅(qū)動(dòng)，高轉(zhuǎn)速下的電機(jī)、軸承等部件生熱所引起的熱變形誤差是影響電主軸單元精度和精度穩(wěn)定性的主要因素。目前電主軸單元普遍采用開環(huán)、同一化的循環(huán)控溫系統(tǒng)及控溫策略，可部分地帶走生熱部件產(chǎn)生的熱量，其不足之處在于同一化、開環(huán)的控溫模

2、式難以適應(yīng)電主軸單元熱態(tài)工況變化對(duì)溫控能力的差異化、動(dòng)態(tài)需求，由此導(dǎo)致了電主軸單元啟動(dòng)-熱穩(wěn)定過程周期長(zhǎng)，溫控能力不均衡等問題，對(duì)電主軸單元綜合精度的控制不利。電主軸熱誤差補(bǔ)償是目前較為成熟的提高電主軸精度的方法之一，但其通常只能實(shí)現(xiàn)軸向熱伸長(zhǎng)的補(bǔ)償，并且由于補(bǔ)償模型的弱魯棒性和補(bǔ)償實(shí)施過程的離散性、非均勻性，導(dǎo)致其綜合補(bǔ)償效果難以滿足精密加工的需求，難以在機(jī)床用戶企業(yè)獲得廣泛應(yīng)用。
　　為提高和保持電主軸單元的精度和精度穩(wěn)定性，

3、解決傳統(tǒng)循環(huán)控溫裝備及策略所存在的問題，本文采用有限元熱-流-固耦合數(shù)值仿真技術(shù)與解析建模相結(jié)合的方法，提出一種電主軸單元的熱傳導(dǎo)-結(jié)構(gòu)溫升-熱誤差理論建模方法，并利用該方法對(duì)電主軸單元熱傳導(dǎo)-結(jié)構(gòu)溫升-熱誤差產(chǎn)生的機(jī)理和過程進(jìn)行系統(tǒng)分析。針對(duì)傳統(tǒng)機(jī)床主軸控溫系統(tǒng)和控溫策略存在的問題，開發(fā)多回路差異化主動(dòng)溫控軟硬件系統(tǒng)原理樣機(jī)，提出可實(shí)現(xiàn)電主軸單元5項(xiàng)熱誤差及熱誤差穩(wěn)定性綜合抑制的熱誤差主動(dòng)控制方法，研究生熱-散熱功率動(dòng)態(tài)匹配策略與溫度

4、場(chǎng)初始態(tài)保持性策略等兩種典型的控溫策略;仿真分析和試驗(yàn)結(jié)果表明基于上述方法和原理樣機(jī)的主動(dòng)控溫策略可有效改善電主軸單元熱穩(wěn)定性，對(duì)其精度和精度穩(wěn)定性提高具有顯著效果。
　　在電主軸單元熱誤差建模方法方面，通過構(gòu)建厚壁圓環(huán)回轉(zhuǎn)彈性體溫升-熱變形模型，建立短圓柱滾子軸承、角接觸球軸承兩種典型電主軸軸承溫升-內(nèi)外圈相對(duì)熱位移模型。在此基礎(chǔ)上，采用有限元熱-流-固耦合數(shù)值仿真技術(shù)與熱誤差解析建模相結(jié)合的方式，構(gòu)建一種適用于電主軸單元的熱傳

5、導(dǎo)-結(jié)構(gòu)溫升-熱誤差建模理論方法體系。該建模方法的仿真分析結(jié)果與測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證表明，該方法在電主軸單元溫度、熱誤差等特性預(yù)估方面具有良好的精確度，可為電主軸單元的熱平衡設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供理論支撐和指導(dǎo)。
　　在電主軸單元熱誤差主動(dòng)控制硬件設(shè)備方面，針對(duì)電主軸單元等精密機(jī)床關(guān)鍵功能部件結(jié)構(gòu)的差異化、動(dòng)態(tài)溫控需求，采用高低溫循環(huán)冷卻液比例混合的原理及方式，提出多回路差異化循環(huán)溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想及原理。開發(fā)出多回路差異化主動(dòng)溫控軟硬

6、件系統(tǒng)原理樣機(jī)，搭建電主軸單元熱態(tài)特性監(jiān)測(cè)-控制試驗(yàn)平臺(tái)，為電主軸單元熱誤差主動(dòng)控制策略的研究提供軟硬件基礎(chǔ)。
　　在電主軸單元熱誤差主動(dòng)控制策略方面，提出生熱-散熱功率動(dòng)態(tài)匹配策略、溫度場(chǎng)初始態(tài)保持性策略兩種典型控溫策略。前者主要依靠電主軸生熱部件熱功率建模與CNC底層通訊技術(shù)得以實(shí)現(xiàn);而后者采用PID-BP的形式構(gòu)建出適用于電主軸單元差異化、閉環(huán)溫度控制的主動(dòng)控制算法。一方面，基于電主軸單元熱態(tài)特性監(jiān)測(cè)-控制試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行的電主

7、軸熱誤差主動(dòng)控制效果對(duì)比試驗(yàn)表明:相對(duì)于傳統(tǒng)的熱誤差補(bǔ)償法或開環(huán)、同一化循環(huán)控溫策略，熱誤差主動(dòng)控制方法可以全程有效地控制電主軸單元的綜合熱變形誤差，顯著提高電主軸單元的精度和精度穩(wěn)定性，在提高電主軸綜合精度方面更具優(yōu)勢(shì)。另一方面，基于電主軸單元熱傳導(dǎo)-結(jié)構(gòu)溫升-熱誤差建模方法，亦可以從機(jī)理層面剖析上述兩種控溫策略在電主軸熱誤差抑制方面的各自優(yōu)勢(shì)與不足，為后續(xù)電主軸熱誤差主動(dòng)控制策略的研究提供思路和借鑒。
　　電主軸單元熱誤差建模