CN108594761A - 一种基于初始温度保持策略的电主轴热误差主动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于初始温度保持策略的电主轴热误差主动控制方法，包括如下步骤：步骤一，建立电主轴热误差主动控制系统。步骤二，确定电主轴的温升敏感点的数量和位置与冷却管道的数量。步骤三，根据初始温度保持策略，建立冷却液输出的温度值和温升敏感点的当前温度与温升敏感点的初始温度的相对温度之间的函数关系。本方法以电主轴温度场初始温度保持为目标，使电主轴温度场从始至终无明显变化，进而实现对热误差产生的抑制，通过对电主轴结构温度场的差异化闭环控制，降低电主轴对恒温环境的依赖，提高电主轴对环境的适应性，使电主轴结构温度在非恒温环境下实现平稳化调控，进而提高主轴精度、准确性及鲁棒性。

Description

一种基于初始温度保持策略的电主轴热误差主动控制方法

技术领域

本发明涉及数控机床技术领域，具体是一种基于初始温度保持策略的电主轴热误差主动控制方法。

背景技术

近年来，我国制造业的迅猛发展对高档数控机床加工性能、综合精度水平提出了越来越高的要求，使得机床热平衡设计与热动特性研究成为保证高档数控机床高精度和高精度保持性的重要因素。研究表明，在精密及超精密数控机床的加工中，由热效应引起的机床误差一般占到综合误差的40％-70％左右。如何有效改善热特性，最大限度降低机床热误差，已成为我国制造业中亟待解决的一大关键性技术问题，将对我国高档数控装备自主设计制造能力的提高产生深远影响。传统的精密数控机床热误差控制需将机床置于恒温环境，通过恒温环境下的分析建模确定温度控制方法，而恒温环境的建设维护成本及使用成本较高。

申请号201310115537.8的文献公开了一种精密机床温度场主动控制系统及方法，其提供了基于多回路差异化循环冷却系统的冷却系统-信号采集模块-精密主轴等硬件共同构成的系统，并没有提供相应的方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种基于初始温度保持策略的电主轴热误差主动控制方法。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种基于初始温度保持策略的电主轴热误差主动控制方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

步骤一，建立电主轴热误差主动控制系统：该系统包括信号采集模块、多回路差异化冷却模块和电主轴热误差主动控制模块；所述信号采集模块包括信号采集模块通讯接口和温度传感器；多回路差异化冷却模块用于控制电主轴的冷却管道中冷却液的输送；所述电主轴热误差主动控制模块包括温度记录模块、冷却装置通讯模块和控制策略算法模块；所述控制策略算法模块分别与温度记录模块和冷却装置通讯模块连接；所述温度记录模块与信号采集模块通讯接口连接；所述冷却装置通讯模块与多回路差异化冷却模块的冷却模块通讯接口连接；

步骤二，确定电主轴的温升敏感点的数量和位置与冷却管道的数量：对在不同工况条件下电主轴的温度场变化进行分析，得到机床电主轴的温升敏感点分布状态；温升敏感点的温度表示电主轴在工作状态的温度场变化；电主轴具有u个温升敏感点，每一个温升敏感点处设置一个温度传感器；利用温度传感器测量每个温升敏感点的实时温度，进而表示电主轴的温度场；电主轴具有n条冷却管道，多回路差异化冷却模块分别对n条冷却管道中的冷却液的流速和温度进行各自的控制；

步骤三，温度记录模块记录每个温度传感器采集到的所有时刻的温度，u个温升敏感点的温度参数记为[T_{1_t},T_{2_t},…,T_{u_t}]，其中t表示时间；控制策略算法模块将温度记录模块记录的温升敏感点的温度信息经过函数[p₁,p₂,…,p_n]＝f([T_{1_t},T_{2_t},…,T_{u_t}])计算得到每个冷却液输出的温度计算值记为[p₁,p₂,…,p_n]，再通过冷却装置通讯模块向多回路差异化冷却模块发送，利用计算值[p₁,p₂,…,p_n]对每个冷却液输出的温度值进行调整，通过冷却液输出的温度值的改变，实现对电主轴温度场的调控；

根据初始温度保持策略，将函数[p₁,p₂,…,p_n]＝f([T_{1_t},T_{2_t},…,T_{u_t}])记为[p₁,p₂,…,p_n]＝f([△T₁,△T₂,…,△T_u])，式中△T_u为温升敏感点的当前温度Tu_t与温升敏感点的初始温度T_{u_0}的相对温度，△T_u＝T_{u_t}-T_{u_0}。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

(1)从热弹性力学角度分析，考虑到主轴结构温度场变化与热变形产生具有时间滞后性，本发明针对主轴结构温度的实时监测与初始温度保持策略调控的实质就是针对主轴热变形误差的实时预测与主动抑制。

(2)以电主轴温度场初始温度保持为目标，使电主轴温度场从始至终无明显变化，进而实现对热误差产生的抑制，通过对电主轴结构温度场的差异化闭环控制，降低电主轴对恒温环境的依赖，提高电主轴对环境的适应性，使电主轴结构温度在非恒温环境下实现平稳化调控，进而提高主轴精度、准确性及鲁棒性。

(3)每一个温升敏感点各自保持自己的初始温度，不用整个主轴采用一个目标温度。相对温度采用△T_u＝T_{u_t}-T_{u_0}，不是△T_u＝T_{u_t}-20℃或其他的定值。

(4)本方法相比功率匹配策略省去了CNC底层通讯技术，降低了实现难度与成本。

附图说明

图1为本发明基于初始温度保持策略的电主轴热误差主动控制方法一种实施例的电主轴热误差主动控制系统连接图；

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供了一种基于初始温度保持策略的电主轴热误差主动控制方法(简称方法，参见图1)，其特征在于该方法包括如下步骤：

步骤一，建立电主轴热误差主动控制系统：该系统包括信号采集模块、多回路差异化冷却模块和电主轴热误差主动控制模块；所述信号采集模块包括信号采集模块通讯接口和温度传感器；多回路差异化冷却模块用于控制电主轴的冷却管道中冷却液的输送；所述电主轴热误差主动控制模块包括温度记录模块、冷却装置通讯模块和控制策略算法模块；所述控制策略算法模块分别与温度记录模块和冷却装置通讯模块连接；所述温度记录模块与信号采集模块通讯接口通过RS232/RS485或网口等方式连接，并基于TCP、CAN、EtherCAT、ModBus等方式实现数据交互；所述冷却装置通讯模块与多回路差异化冷却模块的冷却模块通讯接口通过RS232/RS485或网口等方式连接，并基于TCP、CAN、EtherCAT、ModBus等方式实现数据交互；

步骤二，确定电主轴的温升敏感点的数量和位置与冷却管道的数量：通过利用有限元软件或者其他方式对在不同工况条件下电主轴的温度场变化进行分析，得到机床电主轴的温升敏感点分布状态；温升敏感点的温度能够代表性地表示电主轴在工作状态的温度场变化；电主轴具有u个温升敏感点，每一个温升敏感点处设置一个温度传感器，如热电阻传感器等，可嵌入或内置安装；利用温度传感器测量每个温升敏感点的实时温度，进而表示电主轴的温度场；电主轴具有n条冷却管道(数量由电主轴结构决定)，多回路差异化冷却模块分别对n条冷却管道中的冷却液的流速和温度进行各自的控制。

步骤三，温度记录模块记录每个温度传感器采集到的所有时刻的温度，u个温升敏感点的温度参数记为[T_{1_t},T_{2_t},…,T_{u_t}]，其中t表示时间，如T_{1_0}表明温升敏感点1处的初始温度；控制策略算法模块将温度记录模块记录的温升敏感点的温度信息经过函数[p₁,p₂,…,p_n]＝f([T_{1_t},T_{2_t},…,T_{u_t}])计算得到每个冷却液输出的温度计算值记为[p₁,p₂,…,p_n]，再通过冷却装置通讯模块向多回路差异化冷却模块发送，利用计算值[p₁,p₂,…,p_n]对每个冷却液输出的温度值进行调整，通过冷却液输出的温度值的改变，实现对电主轴温度场的调控；

根据初始温度保持策略，将函数[p₁,p₂,…,p_n]＝f([T_{1_t},T_{2_t},…,T_{u_t}])记为[p₁,p₂,…,p_n]＝f([△T₁,△T₂,…,△T_u])，式中△T_u为温升敏感点的当前温度Tu_t与温升敏感点的初始温度T_{u_0}的相对温度，△T_u＝T_{u_t}-T_{u_0}，函数关系的实现可使用PID控制算法、专家系统、模糊控制算法、深度学习算法等实现由[△T₁,△T₂,…,△T_u]到[p₁,p₂,…,p_n]的函数运算。

优选地，步骤二中确定电主轴的温升敏感点的数量和位置的方法是利用有限元软件等方法建立电主轴热态热性仿真模型，利用仿真模型进行大量求解运算，获取大量的仿真数据，获得温升敏感点与热误差的对应关系规律，建立温升敏感点温度-热误差关系模型，并将此模型作为控制策略算法模块。

步骤三还可以采用最近一个时间段采集的温度值的均值与初始温度比较，如最近五秒钟的均值，则△T_u＝(T_{u_t}+T_{u_(t-1)}+T_{u_(t-2)}+T_{u_(t-3)}+T_{u_(t-4)})/5-T_{u_0}。

本实现方法适用于温度场初始温度保持策略的电主轴热误差主动控制方法，但也可适用于其余主动控制方法，任意可由[p₁,p₂,…,p_n]＝f([T_{1_t},T2_t,…,T_{u_t}])函数实现从机床启动到当前运行时间的所有温度信息到实时冷却液输出的温度转换的函数均可使用本方法实现。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (5)

1.一种基于初始温度保持策略的电主轴热误差主动控制方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

步骤一，建立电主轴热误差主动控制系统：该系统包括信号采集模块、多回路差异化冷却模块和电主轴热误差主动控制模块；所述信号采集模块包括信号采集模块通讯接口和温度传感器；多回路差异化冷却模块用于控制电主轴的冷却管道中冷却液的输送；所述电主轴热误差主动控制模块包括温度记录模块、冷却装置通讯模块和控制策略算法模块；所述控制策略算法模块分别与温度记录模块和冷却装置通讯模块连接；所述温度记录模块与信号采集模块通讯接口连接；所述冷却装置通讯模块与多回路差异化冷却模块的冷却模块通讯接口连接；

步骤二，确定电主轴的温升敏感点的数量和位置与冷却管道的数量：对在不同工况条件下电主轴的温度场变化进行分析，得到机床电主轴的温升敏感点分布状态；温升敏感点的温度表示电主轴在工作状态的温度场变化；电主轴具有u个温升敏感点，每一个温升敏感点处设置一个温度传感器；利用温度传感器测量每个温升敏感点的实时温度，进而表示电主轴的温度场；电主轴具有n条冷却管道，多回路差异化冷却模块分别对n条冷却管道中的冷却液的流速和温度进行各自的控制；

步骤三，温度记录模块记录每个温度传感器采集到的所有时刻的温度，u个温升敏感点的温度参数记为[T_{1_t},T_{2_t},…,T_{u_t}]，其中t表示时间；控制策略算法模块将温度记录模块记录的温升敏感点的温度信息经过函数[p₁,p₂,…,p_n]＝f([T_{1_t},T_{2_t},…,T_{u_t}])计算得到每个冷却液输出的温度计算值记为[p₁,p₂,…,p_n]，再通过冷却装置通讯模块向多回路差异化冷却模块发送，利用计算值[p₁,p₂,…,p_n]对每个冷却液输出的温度值进行调整，通过冷却液输出的温度值的改变，实现对电主轴温度场的调控；

根据初始温度保持策略，将函数[p₁,p₂,…,p_n]＝f([T_{1_t},T_{2_t},…,T_{u_t}])记为[p₁,p₂,…,p_n]＝f([△T₁,△T₂,…,△T_u])，式中△T_u为温升敏感点的当前温度Tu_t与温升敏感点的初始温度T_{u_0}的相对温度，△T_u＝T_{u_t}-T_{u_0}。

2.根据权利要求1所述的基于初始温度保持策略的电主轴热误差主动控制方法，其特征在于步骤二中的温度传感器为热电阻传感器，采用嵌入或内置的方式安装在温升敏感点处。

3.根据权利要求1所述的基于初始温度保持策略的电主轴热误差主动控制方法，其特征在于步骤三中，由[△T₁,△T₂,…,△T_u]到[p₁,p₂,…,p_n]的函数运算使用PID控制算法、专家系统、模糊控制算法或深度学习算法实现。

4.根据权利要求1所述的基于初始温度保持策略的电主轴热误差主动控制方法，其特征在于步骤二中确定电主轴的温升敏感点的数量和位置的方法是利用有限元软件建立电主轴热态热性仿真模型，利用仿真模型进行大量求解运算，获取大量的仿真数据，获得温升敏感点与热误差的对应关系规律，建立温升敏感点温度-热误差关系模型，并将此模型作为控制策略算法模块。

5.根据权利要求1所述的基于初始温度保持策略的电主轴热误差主动控制方法，其特征在于步骤三采用最近一个时间段采集的温度值的均值与初始温度比较。