电主轴单元热误差建模与主动控制方法

发布时间：2018-07-17 02:55

【摘要】：电主轴单元作为高档数控机床的核心部件,具有高转速、高精度、高刚度等特性。其精度和精度稳定性直接决定了精密加工的综合质量水平,继而对整个国家的高端制造业发展水平与国际竞争力具有深远影响。由于电主轴单元普遍采用内装式电机驱动,高转速下的电机、轴承等部件生热所引起的热变形误差是影响电主轴单元精度和精度稳定性的主要因素。目前电主轴单元普遍采用开环、同一化的循环控温系统及控温策略,可部分地带走生热部件产生的热量,其不足之处在于同一化、开环的控温模式难以适应电主轴单元热态工况变化对温控能力的差异化、动态需求,由此导致了电主轴单元启动-热稳定过程周期长,温控能力不均衡等问题,对电主轴单元综合精度的控制不利。电主轴热误差补偿是目前较为成熟的提高电主轴精度的方法之一,但其通常只能实现轴向热伸长的补偿,并且由于补偿模型的弱鲁棒性和补偿实施过程的离散性、非均匀性,导致其综合补偿效果难以满足精密加工的需求,难以在机床用户企业获得广泛应用。为提高和保持电主轴单元的精度和精度稳定性,解决传统循环控温装备及策略所存在的问题,本文采用有限元热-流-固耦合数值仿真技术与解析建模相结合的方法,提出一种电主轴单元的热传导-结构温升-热误差理论建模方法,并利用该方法对电主轴单元热传导-结构温升-热误差产生的机理和过程进行系统分析。针对传统机床主轴控温系统和控温策略存在的问题,开发多回路差异化主动温控软硬件系统原理样机,提出可实现电主轴单元5项热误差及热误差稳定性综合抑制的热误差主动控制方法,研究生热-散热功率动态匹配策略与温度场初始态保持性策略等两种典型的控温策略;仿真分析和试验结果表明基于上述方法和原理样机的主动控温策略可有效改善电主轴单元热稳定性,对其精度和精度稳定性提高具有显著效果。在电主轴单元热误差建模方法方面,通过构建厚壁圆环回转弹性体温升-热变形模型,建立短圆柱滚子轴承、角接触球轴承两种典型电主轴轴承温升-内外圈相对热位移模型。在此基础上,采用有限元热-流-固耦合数值仿真技术与热误差解析建模相结合的方式,构建一种适用于电主轴单元的热传导-结构温升-热误差建模理论方法体系。该建模方法的仿真分析结果与测试试验结果的对比验证表明,该方法在电主轴单元温度、热误差等特性预估方面具有良好的精确度,可为电主轴单元的热平衡设计及优化提供理论支撑和指导。在电主轴单元热误差主动控制硬件设备方面,针对电主轴单元等精密机床关键功能部件结构的差异化、动态温控需求,采用高低温循环冷却液比例混合的原理及方式,提出多回路差异化循环温控系统的设计思想及原理。开发出多回路差异化主动温控软硬件系统原理样机,搭建电主轴单元热态特性监测-控制试验平台,为电主轴单元热误差主动控制策略的研究提供软硬件基础。在电主轴单元热误差主动控制策略方面,提出生热-散热功率动态匹配策略、温度场初始态保持性策略两种典型控温策略。前者主要依靠电主轴生热部件热功率建模与CNC底层通讯技术得以实现;而后者采用PID-BP的形式构建出适用于电主轴单元差异化、闭环温度控制的主动控制算法。一方面,基于电主轴单元热态特性监测-控制试验平台进行的电主轴热误差主动控制效果对比试验表明:相对于传统的热误差补偿法或开环、同一化循环控温策略,热误差主动控制方法可以全程有效地控制电主轴单元的综合热变形误差,显著提高电主轴单元的精度和精度稳定性,在提高电主轴综合精度方面更具优势。另一方面,基于电主轴单元热传导-结构温升-热误差建模方法,亦可以从机理层面剖析上述两种控温策略在电主轴热误差抑制方面的各自优势与不足,为后续电主轴热误差主动控制策略的研究提供思路和借鉴。电主轴单元热误差建模方法与主动控制方法的研究对于我国电主轴单元设计水平的提升具有重要的理论意义和工程价值,对具有热态特性自调节功能的智能型电主轴产品的设计研发具有积极的推动作用。同时,对精密机床其它功能部件的热误差建模与主动控制方法的研究亦具有一定的参考和借鉴价值。
[Abstract]:This paper analyzes the mechanism and process of electric spindle unit ' s heat conduction - structure temperature rise - thermal error , which can effectively improve the precision and precision stability of electric spindle unit . On the other hand , the research on the thermal error modeling method and active control method of the electric spindle unit can effectively control the comprehensive thermal deformation error of the electric spindle unit in the whole process , and the research on the thermal error modeling method and the active control method of the electric spindle unit has important theoretical significance and engineering value , and the research on the thermal error modeling and active control method of the other functional components of the precision machine tool has certain reference and reference value .
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG659

【参考文献】

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本文编号：2128699