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高速电主轴热变形行为监测与智能预测

李金鹏  
【摘要】:作为国家工业现代化的重要标志,高速高精度数控加工中心将直接对国家机械装备制造、民生、国防等重要领域产生巨大影响,高档数控机床技术也是“中国制造2025”大力推动重点领域突破方向之一。而作为高速数控机床的核心部件,电主轴的性能极大的影响着机床的加工精度。电主轴高速运转时会不可避免的产生损耗、温升和热变形,这样不仅降低电主轴的加工精度,甚至可能降低电机和轴承的使用性能及寿命。因此,要保证机床使用过程中的稳定性和可靠性,研究电主轴温升及热变形等问题具有现实意义。本文探索了电主轴温度场与热变形的关系,并在此基础上将试验数据与有限元模型相结合,建立一种基于换热系数优化的电主轴热变形预测模型,具体研究工作如下:(1)搭建了电主轴温度测试实验台,提出了主轴表面温度混合测试方法。采用红外热成像仪及热电偶+数据采集仪等测量仪器,将接触式测量和非接触式测量相结合,提出了一种利用接触式测量结果修正非接触式测量结果的混合测温方法,得到更准确的电主轴温度场监测结果。(2)利用试验的方法分析了电主轴热变形特性,揭示了电主轴热变形的动态、非线性规律。采用主轴回转误差分析仪测试了主轴温度及热变形,分析了主轴热变形与转速、主轴热变形与主轴表面温度的关系;同时,试验研究了主轴结构对热变形的影响。(3)基于电机学、传热学、热弹性力学及有限元理论,以热量及换热系数等为边界条件,建立了 150MD24Z7.5电主轴热变形预测模型。模型中的换热系数基于电主轴温度监测数据,利用Levenberg-Marquardt优化算法进行了优化。该优化方法可获得实时动态换热系数。(4)论文分析了损耗对预测误差灵敏度,并通过试验验证了预测模型的预测精度在转速为 5000r/min、8000r/min、10000r/min 和 12000r/min 时分别达到 91.82%、97.05%、98.47%、93.36%,试验表明预测模型准确度较高,该模型可为主轴热变形实现智能预测提供依据,并为电主轴热误差补偿奠定基础。


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