數(shù)控機(jī)床主軸溫升特性快速辨識方法及新型溫控結(jié)構(gòu)的研究.pdf

1、在高速高精度數(shù)控機(jī)床中，熱變形導(dǎo)致的機(jī)床誤差問題日益突出，熱問題已經(jīng)受到越來越大的關(guān)注。主軸系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床最核心的功能部件之一，也是機(jī)床的主要發(fā)熱源，它的熱態(tài)性能對整臺機(jī)床的加工精度影響也最大。因此，如何快速準(zhǔn)確地辨識主軸系統(tǒng)的熱態(tài)特性，進(jìn)而控制主軸熱變形，已成為提高數(shù)控機(jī)床整機(jī)精度的重要研究課題。本論文結(jié)合國家自然科學(xué)基金“復(fù)合機(jī)床多主軸熱親近理論及空間耦合熱誤差協(xié)同補(bǔ)償基礎(chǔ)技術(shù)研究”(51175461)及國家科技重大專項(xiàng)“高檔數(shù)控機(jī)

2、床數(shù)字化設(shè)計”(2012ZX04010-011)，在對主軸熱態(tài)特性試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了主軸溫升特性快速辨識的研究，提出了3種快速辨識算法，并分別進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。同時開展了從溫度控制角度來減小主軸熱變形的方法研究，設(shè)計了一種新型的基于分形流道的主軸冷卻溫控結(jié)構(gòu)，改變了傳統(tǒng)的螺旋形流道散熱結(jié)構(gòu)，提高了主軸的散熱效果，降低了主軸熱變形。本學(xué)位論文的主要研究工作歸納如下:
　　數(shù)控機(jī)床主軸熱平衡試驗(yàn)是研制精密主軸的必要手段，是準(zhǔn)確獲取

3、其熱態(tài)特性的實(shí)驗(yàn)方法。但熱平衡試驗(yàn)往往持續(xù)數(shù)小時，甚至更長時間。為縮短試驗(yàn)時間，提出了基于運(yùn)行熱模態(tài)分析的數(shù)控機(jī)床主軸溫升特性快速辨識方法，只需利用較短時間的溫度采樣數(shù)據(jù)，即可快速預(yù)測出整個熱平衡的溫升曲線，獲得熱平衡時間和穩(wěn)態(tài)溫度，大幅度提高熱平衡試驗(yàn)的效率。
　　介紹了卡爾曼濾波理論及擴(kuò)展卡爾曼濾波算法，然后具體闡述了無味卡爾曼濾波理論，因無味卡爾曼濾波在非線性系統(tǒng)狀態(tài)估計和參數(shù)辨識上的優(yōu)勢，被本文引入用于數(shù)控機(jī)床主軸溫升特性

4、的辨識。當(dāng)模型不準(zhǔn)或?qū)υ肼暦植既狈α私鈺r，無味卡爾曼濾波算法會發(fā)生退化甚至發(fā)散的風(fēng)險，為解決這一問題，在無味卡爾曼濾波算法中加入了自適應(yīng)算法，使其能根據(jù)新的測量信息不斷地修正模型參數(shù)和噪聲統(tǒng)計參數(shù)。為解決熱態(tài)特性試驗(yàn)時間過長的問題，提出最短辨識時間判定準(zhǔn)則，利用自適應(yīng)無味卡爾曼濾波算法，開發(fā)了一種新的主軸溫升特性快速辨識方法。
　　支持向量機(jī)回歸算法在解決小樣本、非線性和高維模式識別問題中表現(xiàn)出了特有的優(yōu)勢而被用于時間序列預(yù)測，主

5、軸的溫升模型也是一個時間序列，所以可以利用支持向量機(jī)回歸來預(yù)測溫度變化。同時提出了最短辨識時間準(zhǔn)則，能夠準(zhǔn)確確定預(yù)測溫升變化的最短時間。本文提出的基于支持向量機(jī)回歸的溫升特性快速辨識算法也可利用較短時間的溫升序列預(yù)測長達(dá)數(shù)小時的主軸溫升曲線。
　　在立式加工中心主軸上進(jìn)行了熱態(tài)特性試驗(yàn)，測量得到了若干溫度測點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，利用此數(shù)據(jù)分別驗(yàn)證了基于運(yùn)行熱模態(tài)分析的主軸溫升特性快速辨識算法、基于自適應(yīng)無味卡爾曼濾波的主軸溫升特性快速辨識

6、算法和基于支持向量機(jī)回歸的主軸溫升特性快速辨識算法，結(jié)果表明這三種方法均能實(shí)現(xiàn)利用較短時間的溫度測量數(shù)據(jù)即可預(yù)測出從主軸啟動到主軸到達(dá)熱平衡狀態(tài)的溫升變化過程，大大縮短了熱態(tài)特性試驗(yàn)的時間。
　　為了更有效地控制數(shù)控機(jī)床的主軸溫升，提出了一種新型樹狀分形網(wǎng)絡(luò)的散熱方法，從理論上分析了它的傳熱特性和壓降特性，并與傳統(tǒng)平行流道網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了對比，證明了新型樹狀分形網(wǎng)絡(luò)具有更強(qiáng)的換熱能力和更低的壓降損失。在此基礎(chǔ)上，提出了一種新型的分形樹狀

7、流道的主軸冷卻溫控結(jié)構(gòu)。建立樹狀分形流道散熱模型，在考慮流固耦合傳熱的基礎(chǔ)上，仿真分析了模型熱特性和流體動力學(xué)特性。在相同的對流換熱面積和相同的入口尺寸條件下，設(shè)計了傳統(tǒng)螺旋形流道散熱結(jié)構(gòu)，并從壓降損失、溫度均勻性及性能系數(shù)三個方面來對比評價這兩種流道的散熱效果。結(jié)果顯示分形流道散熱結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)螺旋形流道具有更低的壓降損失、更均勻的溫度場分布和更大的性能系數(shù)。而且在鋼棒上制造了分形流道散熱套和螺旋形流道散熱套，通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證兩種流道熱特性