【摘要】：電主軸單元作為高檔數(shù)控機床的核心部件,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,繼而對整個國家的高端制造業(yè)發(fā)展水平與國際競爭力具有深遠影響。由于電主軸單元普遍采用內(nèi)裝式電機驅(qū)動,高轉(zhuǎn)速下的電機、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)的控溫模式難以適應(yīng)電主軸單元熱態(tài)工況變化對溫控能力的差異化、動態(tài)需求,由此導(dǎo)致了電主軸單元啟動-熱穩(wěn)定過程周期長,溫控能力不均衡等問題,對電主軸單元綜合精度的控制不利。電主軸熱誤差補償是目前較為成熟的提高電主軸精度的方法之一,但其通常只能實現(xiàn)軸向熱伸長的補償,并且由于補償模型的弱魯棒性和補償實施過程的離散性、非均勻性,導(dǎo)致其綜合補償效果難以滿足精密加工的需求,難以在機床用戶企業(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,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,并利用該方法對電主軸單元熱傳導(dǎo)-結(jié)構(gòu)溫升-熱誤差產(chǎn)生的機理和過程進行系統(tǒng)分析。針對傳統(tǒng)機床主軸控溫系統(tǒng)和控溫策略存在的問題,開發(fā)多回路差異化主動溫控軟硬件系統(tǒng)原理樣機,提出可實現(xiàn)電主軸單元5項熱誤差及熱誤差穩(wěn)定性綜合抑制的熱誤差主動控制方法,研究生熱-散熱功率動態(tài)匹配策略與溫度場初始態(tài)保持性策略等兩種典型的控溫策略;仿真分析和試驗結(jié)果表明基于上述方法和原理樣機的主動控溫策略可有效改善電主軸單元熱穩(wěn)定性,對其精度和精度穩(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)果與測試試驗結(jié)果的對比驗證表明,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控制硬件設(shè)備方面,針對電主軸單元等精密機床關(guān)鍵功能部件結(jié)構(gòu)的差異化、動態(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)計思想及原理。開發(fā)出多回路差異化主動溫控軟硬件系統(tǒng)原理樣機,搭建電主軸單元熱態(tài)特性監(jiān)測-控制試驗平臺,為電主軸單元熱誤差主動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控制策略方面,提出生熱-散熱功率動態(tài)匹配策略、溫度場初始態(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)溫度控制的主動控制算法。一方面,基于電主軸單元熱態(tài)特性監(jiān)測-控制試驗平臺進行的電主軸熱誤差主動控制效果對比試驗表明:相對于傳統(tǒng)的熱誤差補償法或開環(huán)、同一化循環(huán)控溫策略,熱誤差主動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。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)勢與不足,為后續(xù)電主軸熱誤差主動控制策略的研究提供思路和借鑒。電主軸單元熱誤差建模方法與主動控制方法的研究對于我國電主軸單元設(shè)計水平的提升具有重要的理論意義和工程價值,對具有熱態(tài)特性自調(diào)節(jié)功能的智能型電主軸產(chǎn)品的設(shè)計研發(fā)具有積極的推動作用。同時,對精密機床其它功能部件的熱誤差建模與主動控制方法的研究亦具有一定的參考和借鑒價值。
[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 .
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TG659

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本文編號：2128699