CN107247471B - 一种超高速超精密空气静压电主轴主动热控制系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超高速超精密空气静压电主轴的主动热控制系统及其方法，温度传感器分别置于后径向轴承内套、内置电机定子线圈端部绕组、前径向轴承内套、左止推轴承、右止推轴承、进水口和出水口处；数据采集与处理卡和各温度传感器以及液体流量计相连；工业计算机分别连接数据采集与处理卡和工业控制器，工业控制器分别和自动循环冷水机和电磁比例阀连接；电磁比例阀和自动循环冷水机连接，进行冷却水的流量调节；并通过液体流量计时时监测冷却水的流量。本发明实现空气静压电主轴在工艺参数突变下的实时反馈精确热控制，从而满足空气静压电主轴在不同工作转速下的超精密加工需求。

Description

一种超高速超精密空气静压电主轴主动热控制系统及其方法
技术领域
本发明涉及一种超高速超精密空气静压电主轴主动热控制系统及其方法，属于电主轴热控制技术领域。
背景技术
超精密机床正向高精度、高效率和高速度的方向发展，其中超高速超精密空气静压电主轴部件是实现高精、高效切削技术的主体之一，是超精密机床的核心功能部件。为实现超高速和超精密加工，电主轴系统以空气静压支承和电磁直接驱动为典型特征，相对运动部件之间没有直接的机械接触，有利于提高转速和精度。由于电主轴在回转过程中电机定子线圈发热、电机转子电磁涡流发热、空气静压轴承微米间隙高速气流粘性剪切摩擦发热等均会引起主轴系统结构件和压缩气体等介质温升，进而导致结构热变形、电磁驱动和空气静压支承特性的变化。由于结构热变形导致轴承气膜厚度的变化与轴承气膜厚度在同一量级，故空气静压轴承的承载能力和气膜刚度等支承特性受到气膜厚度变化的影响；同时，轴芯的自然频率和模态振型也受之影响。电主轴内置电机的电磁效应也受到电主轴热行为的影响，导致主轴的输出力矩和转速随温度场的变化而波动。综上所述，电主轴的热行为一方面产生轴向热误差直接影响超精密加工精度；另一方面改变了超高速轴芯的动力学行为，继而影响电主轴的回转精度。由于超高速超精密空气静压电主轴调速范围较宽，在复杂工艺要求下主轴的突然加速导致其内部热量的激增，传统温度控制技术具有大延迟的特性，已不能满足实时加工精度要求。因此，需要一种能够实现时时精确控制的超高速超精密空气静压电主轴热控制系统。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术存在的不足，提供一种超高速超精密空气静压电主轴主动热控制系统及其方法，以期实现空气静压电主轴在工艺参数突变下的实时反馈精确热控制，从而满足空气静压电主轴在不同工作转速下的超精密加工需求，为实现超精密加工提供了关键技术保证。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：
本发明一种超高速超精密空气静压电主轴的主动热控制系统的特点包括：若干个温度传感器、数据采集与处理卡、工业计算机、工业控制器、自动循环冷水机、电磁比例阀和液体流量计；其中，所述自动循环冷水机自身带有水泵和散热系统；
所述若干个温度传感器分别置于电主轴的后径向轴承内套中、内置电机定子线圈端部绕组中、前径向轴承内套中、左止推轴承中、右止推轴承中、进水口和出水口处；
所述数据采集与处理卡分别和各个温度传感器以及液体流量计相连，用于采集所述电主轴的温度数据和冷却水的温度和流量数据并提供给所述工业计算机；
所述工业计算机分别连接所述数据采集与处理卡和所述工业控制器，用于获取所述温度数据和流量数据并提供给所述工业控制器；
所述工业控制器分别和所述自动循环冷水机和电磁比例阀连接，用于根据所述温度数据和流量数据控制所述冷却水的自动循环和温度调节；
所述电磁比例阀和所述自动循环冷水机连接，用于所述冷却水的流量调节；在所述电磁比例阀上方的进水管处设置有所述液体流量计，用于实时监测冷却水的流量。
本发明所述的超高速超精密空气静压电主轴主动热控制系统的特点也在于，置于后径向轴承内套、内置电机定子线圈端部绕组、前径向轴承内套、左止推轴承、右止推轴承的温度传感器的连接线通过同一走线通道引出。
本发明一种超高速超精密空气静压电主轴主动热控制系统的控制方法的特点是按如下步骤进行：
步骤1、采集后径向轴承内套的温度T1、内置电机定子线圈端部绕组的温度T2、前径向轴承内套的温度T3、左止推轴承的温度T4、右止推轴承的温度T5、出水口的温度T6和进水口的温度T7和冷却水流量Q；
步骤2、采用多元回归方法分别建立所述后径向轴承内套、内置电机定子线圈端部绕组、前径向轴承内套、左止推轴承、右止推轴承各处温度和电主轴的转速n、冷却水进出口温差ΔT＝T6-T7、冷却水流量Q以及时间t之间的温度场预测模型，如式(1)所示：
Figure BDA0001372984790000021
式(1)中，Ti0为常数项，Cij为回归系数，εi为误差项；i＝1,2,…5；j＝1,2,…4；
步骤3、将所述温度场预测模型内置于工业计算机中，通过实时计算，得到电主轴各部件的实时预测温度值；
步骤4、取电主轴各部件实时预测温度值的平均值作为控制温度；
电主轴启动后，当电主轴各部件预测温度平均值低于预先设定的热平衡温度时，采用模糊神经网络和PID混合预测控制策略通过工业控制器调节自动循环冷水机和电磁比例阀，使得所述电主轴进入热平衡状态；
当电主轴各部件预测温度平均值高于预先设定的热平衡温度时，采用模糊神经网络和PID混合预测控制策略通过工业控制器调节自动循环冷水机和电磁比例阀，同时，经温度传感器采集到的电主轴各部件处的温度平均值作为反馈，传送给工业控制器对控制参数进行校正。
与已有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的超高速超精密空气静压电主轴主动热控制系统及其控制方法是基于温度场预测模型和在线感知获得的温度参量，采用模糊神经网络和PID混合预测控制策略控制外部冷却水的温度和流量，解决了温控延迟问题，提高了系统控制精度和鲁棒性，实现了系统运行过程中热行为状态参量的实时预测、在线感知、实时反馈的主动闭环控制。
附图说明
图1为本发明的一种超高速超精密空气静压电主轴主动热控制系统示意图；
图2为本发明的一种超高速超精密空气静压电主轴主动热控制系统原理图；
图中标号：1-后径向轴承内套；2-第一温度传感器；3-第二温度传感器；4-内置电机定子线圈端部绕组；5-走线通道；6-前径向轴承内套；7-第三温度传感器；8-左止推轴承；9-第四温度传感器；10-第五温度传感器；11-右止推轴承；12-数据采集与处理卡；13-工业计算机；14-工业控制器；15-出水口；16-第六温度传感器；17-自动循环冷水机；18-进水口；19-第七温度传感器；20-液体流量计；21-电磁比例阀；22-冷却水；23-电主轴。
具体实施方式
如图1所示，本实施例中，一种超高速超精密空气静压电主轴的主动热控制系统，包括：第一温度传感器2、第二温度传感器3、第三温度传感器7、第四温度传感器9、第五温度传感器10、第六温度传感器16、第七温度传感器19、数据采集与处理卡12、工业计算机13、工业控制器14、自动循环冷水机17、电磁比例阀21、液体流量计20和冷却水22；其中，自动循环冷水机17自身带有水泵和散热系统，且自动循环冷水机17的最大散热功率要大于电主轴的总发热功率，自动循环冷水机17的最大流量足以使电主轴内部的发热量带出电主轴；即自动循环冷水机17的散热功率和最大流量要能够将电主轴23的内部热量带出，又要把热量快速的散到环境中，确保电主轴23内部的热平衡。
所述第一温度传感器2置于后径向轴承内套1中、第二温度传感器3置于内置电机定子线圈端部绕组4中、第三温度传感器7置于前径向轴承内套6中、第四温度传感器9置于左止推轴承8中、第五温度传感器10置于右止推轴承11中、第六温度传感器16置于出水口15处、第七温度传感器19置于进水口18处；且除了第六温度传感器16和第七温度传感器19以外的其他温度传感器的连接线均通过走线通道5引出；具体实施中，走线通道5由开设在电主轴的水座、后径向轴承挡板、外壳、前径向轴承挡板、左止推轴承、调整盘和右止推轴承上的内孔构成的平直通道，一端为盲端，一端为出线端。
数据采集与处理卡12分别和所有温度传感器以及液体流量计20相连；用于采集电主轴的温度数据和冷却水22的温度和流量数据并提供给工业计算机13；
工业计算机13用于实现控制策略的总成及电主轴热场的监控，并分别连接数据采集与处理卡12和工业控制器14；用于获取所述温度数据和流量数据并提供给工业控制器14；
工业控制器14分别和自动循环冷水机17和电磁比例阀21连接；用于根据温度数据和流量数据控制冷却水22的自动循环和温度调节；其中，冷却水22的温度和流量单独控制，先控制温度，再控制流量。
电磁比例阀21和自动循环冷水机17连接，用于冷却水22的流量调节；在电磁比例阀21上方的进水管处设置有液体流量计20，用于实时监测冷却水22的流量。
如图2所示，一种超高速超精密空气静压电主轴主动热控制系统的控制方法，是按如下步骤进行：
步骤1、在转速范围20,000r/min～200,000r/min、冷却水入口温度范围5℃～30℃、冷却水流量范围0.5L/min～5L/min，转速变化间隔为10,000r/min、冷却水入口温度变化间隔1℃、冷却水流量变化间隔0.5L/min，空气静压电主轴23在上述不同工况组合下运行，分别采集后径向轴承内套1、内置电机定子线圈端部绕组4、前径向轴承内套6、左止推轴承8、右止推轴承11、进水口18和出水口15位置处的温度值和冷却水22流量；
步骤2、依据采集到的数据，采用多元回归方法分别建立后径向轴承内套1、内置电机定子线圈端部绕组4、前径向轴承内套6、左止推轴承8、右止推轴承11各处温度和电主轴23的转速n、冷却水进出口温差ΔT＝T6-T7、冷却水流量Q以及时间t之间的温度场预测模型，如式(1)所示：
Figure BDA0001372984790000041
式(1)中，T1为后径向轴承内套1的温度，T2为内置电机定子线圈端部绕组4的温度、T3为前径向轴承内套6的温度、T4为左止推轴承8的温度、T5为右止推轴承11的温度、T6为出水口15的温度、T7为进水口18的温度、Ti0为常数项，Cij为回归系数，εi为误差项；i＝1,2,…5；j＝1,2,…4；
步骤3、将电主轴23后径向轴承内套1、内置电机定子线圈端部绕组4、前径向轴承内套6、左止推轴承8、右止推轴承11的温度场预测模型内置于工业计算机13中，基于已经发生的温度场时空规律，通过实时计算，得到电主轴23后径向轴承内套1、内置电机定子线圈端部绕组4、前径向轴承内套6、左止推轴承8、右止推轴承11的实时预测温度值；
步骤4、取电主轴23的后径向轴承内套1、内置电机定子线圈端部绕组4、前径向轴承内套6、左止推轴承8、右止推轴承11实时预测温度值的平均值作为控制温度；
电主轴23启动后，当电主轴23的后径向轴承内套1、内置电机定子线圈端部绕组4、前径向轴承内套6、左止推轴承8、右止推轴承11预测温度平均值低于预先设定的热平衡温度时，采用模糊神经网络和PID混合预测控制策略通过工业控制器14调节自动循环冷水机17和电磁比例阀21，提高冷却水的入口温度，降低冷却水的流量，加速电主轴23的预热，使电主轴23快速进入热平衡状态；本实施例中，通过采用模糊神经网络和PID混合预测控制策略具有控制精度高、动态性能好、响应速度快、抗干扰能力强等优势，提高了温度控制的稳定性、精确性与鲁棒性。具体流程可以参见文献《基于模糊PID参数自整定的温度控制系统的研究》和《基于模糊自整定PID算法的电锅炉温度控制》中的介绍。
当电主轴23的后径向轴承内套1、内置电机定子线圈端部绕组4、前径向轴承内套6、左止推轴承8、右止推轴承11预测温度平均值高于预先设定的热平衡温度时，采用模糊神经网络和PID混合预测控制策略通过工业控制器14调节自动循环冷水机17和电磁比例阀21，降低冷却水的入口温度，提高冷却水的流量，降低电主轴23系统的温度。与此同时，经温度传感器采集到的电主轴23的后径向轴承内套1、内置电机定子线圈端部绕组4、前径向轴承内套6、左止推轴承8、右止推轴承11处的温度平均值作为反馈，传送给工业控制器14对控制参数进行校正。
综上所述，基于电主轴系统温度场预测模型和温度在线感知，实现了电主轴系统的时时主动热控制和动态热平衡。

Claims (1)

1.一种超高速超精密空气静压电主轴主动热控制系统的控制方法，所述超高速超精密空气静压电主轴主动热控制系统，包括：若干个温度传感器、数据采集与处理卡(12)、工业计算机(13)、工业控制器(14)、自动循环冷水机(17)、电磁比例阀(21)和液体流量计(20)；其中，所述自动循环冷水机(17)自身带有水泵和散热系统；
所述若干个温度传感器分别置于电主轴(23)的后径向轴承内套(1)中、内置电机定子线圈端部绕组(4)中、前径向轴承内套(6)中、左止推轴承(8)中、右止推轴承(11)中、进水口(18)和出水口(15)处；
所述数据采集与处理卡(12)分别和各个温度传感器以及液体流量计(20)相连，用于采集所述电主轴(23)的温度数据和冷却水(22)的温度和流量数据并提供给所述工业计算机(13)；
所述工业计算机(13)分别连接所述数据采集与处理卡(12)和所述工业控制器(14)，用于获取所述温度数据和流量数据并提供给所述工业控制器(14)；
所述工业控制器(14)分别和所述自动循环冷水机(17)和电磁比例阀(21)连接，用于根据所述温度数据和流量数据控制所述冷却水(22)的自动循环和温度调节；
所述电磁比例阀(21)和所述自动循环冷水机(17)连接，用于所述冷却水(22)的流量调节；在所述电磁比例阀(21)上方的进水管处设置有所述液体流量计(20)，用于实时监测冷却水(22)的流量；
置于后径向轴承内套、内置电机定子线圈端部绕组、前径向轴承内套、左止推轴承、右止推轴承的温度传感器的连接线通过同一走线通道(5)引出；其特征在于，
所述超高速超精密空气静压电主轴主动热控制系统的控制方法是按如下步骤进行：
步骤1、采集后径向轴承内套(1)的温度T1、内置电机定子线圈端部绕组(4)的温度T2、前径向轴承内套(6)的温度T3、左止推轴承(8)的温度T4、右止推轴承(11)的温度T5、出水口(15)的温度T6和进水口(18)的温度T7和冷却水(22)流量Q；
步骤2、采用多元回归方法分别建立所述后径向轴承内套(1)、内置电机定子线圈端部绕组(4)、前径向轴承内套(6)、左止推轴承(8)、右止推轴承(11)各处温度和电主轴(23)的转速n、冷却水进出口温差ΔT＝T6-T7、冷却水(22)流量Q以及时间t之间的温度场预测模型，如式(1)所示：
Figure FDA0003903570170000011
式(1)中，Ti0为常数项，Cij为回归系数，εi为误差项；i＝1,2,…5；j＝1,2,…4；
步骤3、将所述温度场预测模型内置于工业计算机(13)中，通过实时计算，得到电主轴各部件的实时预测温度值；
步骤4、取电主轴(23)各部件实时预测温度值的平均值作为控制温度；
电主轴(23)启动后，当电主轴(23)各部件预测温度平均值低于预先设定的热平衡温度时，采用模糊神经网络和PID混合预测控制策略通过工业控制器(14)调节自动循环冷水机(17)和电磁比例阀(21)，使得所述电主轴(23)进入热平衡状态；
当电主轴各部件预测温度平均值高于预先设定的热平衡温度时，采用模糊神经网络和PID混合预测控制策略通过工业控制器(14)调节自动循环冷水机(17)和电磁比例阀(21)，同时，经温度传感器采集到的电主轴各部件处的温度平均值作为反馈，传送给工业控制器(14)对控制参数进行校正。
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