基于半导体制冷的多级精密快速温度反馈控制系统设计

发布时间：2020-06-13 06:08

【摘要】：针对当前机床加工领域中的环境微扰问题,本文设计了一种基于半导体制冷的多级精密快速环境温度控制系统,用于解决对局部环境温度场的高精度控制。首先设计了一种应用铂电阻的量程可控、高精度测温电学系统,温度的最高分辨力可达0.02。然后通过对半导体制冷数学模型的建立,确定了制冷能力的影响因素,通过引入半导体制冷片的散热,设计了一种可控制其工作状态的电学系统,以得到不同的冷热功率输出。接下来设计了一种新型半导体制冷片分布方式的腔体式的强制对流温控载体,并结合电学系统,给出采用PID算法的温控系统架构。而后在温控耦合物理场的仿真中,证实了载体设计相对较优,腔内强制对流可实现快速控温,得到了多级控温系统之间的比例参数配比关系等结论。最后结合隔热、除湿材料的选材,以及温控载体机械结构设计,完成对温控系统的实验搭建,验证了腔内强制对流的快速控温能力,实现环境局部区域温度最高达±0.02℃的控制精度。通过论文给出的对环境温度有效控制方法,可将其扩展用于机床加工的环境控温,对提高其加工精度的意义深远。
【图文】：

来源分析,温度梯度变化

表 1-1 精密加工机床的微扰种类及来源分析Table 1-1 Analysis of perturbation types and sources of precision machine tools微扰种类来源分析力切削中高间断的脉冲力、结构件之间摩擦力及驱动力的波动热电机及传感器的自发热、静压气、液润滑的热传递、环境热微扰振动环境中地表面的振动、转台的自身振动、金刚石尖端切削力作用引起的强迫振动、静压气、液润滑引起的自激振动几何误差系统装配过程和零件加工引出的误差测量误差传感器的系统误差、零漂等噪声控制误差控制变量的误差、编程算法的误差如图 1-1 所示，环境气体作为加工机床的外部热源之一，一般可通过热传递、热对流的方式影响加工材料及机床结构件的温度，，同时绝对零度以上的物体之间如环境对材料表面，均存在相互的热辐射作用，这些系统以外的扰动量对加工精度的影响不可预知；而对于切削机床，驱动电机及液压装置带来的耗散热，切削过程中刀头及材料之间、机床结构件之间的相对运动产生的摩擦热等内部热源也是影响环境温度的部分因素4，同样为环境温度控制带来一定挑战。

温度场分布,温控系统

图 1-2 温控系统的组成ig.1-2 Composition of the temperature control sys关内容及当前国内外的研究进展逐一进统内的温度场分布状况，通常可借助理过对机床结构件建模，配合初始条件、的方法，一般根据计算量的大小，适当温度分布，并可根据需求得到温度场任验选取的模型较为理想化，并一定程度结果进行判断；实验法则是根据待测环温元件，在机床工作过程中通过测量得等空间因素，该实验方法适用于测温点值分析法的仿真过程可得到不同测温点
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG659;TP273;TB61

【参考文献】