高速高精度电主轴温升预测及其主动控制研究

Motorized spindle is the key component of the high-speed CNC machine tools. During the rotation of high-speed motorized spindle, the thermal characteristics and dynamic characteristics of motorized spindle are instability because of affected by variety of working conditions. It leads to malfunctions and reduction of its service life. This project study the forecasting methods and active control strategy of the temperature rise of the high precision motorized spindle. It aims to control the temperature changes of motorized spindle in the allowed range and ensure the thermal stability. The project establish thermal model of motorized spindle based on the mechanism on the basis of depth discussion the loss and heat mechanism of the motorized spindle, and its heat transfer mechanism nonlinear and dynamical under the action of multi-field coupling with the force field, electromagnetic field, the flow field and temperature field. Meanwhile, by a large number of experimentation, we establish the thermal predictions compensation model based on data-driven. Combine the thermal model based on the mechanism with the thermal compensation model based on data，it completes the temperature prediction of motorized spindle. Using temperature prediction model to optimize the operating parameters of cooling medium of motorized spindle, it achieves constant temperature of the motorized spindle by intelligent control. The research results can be applied directly to the motorized spindle unit, greatly improve the performance indicators and service life of electric spindle, improve the competitiveness of motorized spindle and CNC machine tools production enterprise in the global market. This project provides a theoretical basis for the optimal design of motorized spindle, have important academic research value and high application value.

电主轴是高速数控机床关键功能部件。高速电主轴在旋转过程中，由于受到各种工况的影响，电主轴热特性及动特性不稳定，导致故障发生并减小其使用寿命。本项目将研究一种高精度的电主轴温升预测方法及主动控制策略，目的在于将电主轴的温度变化控制在允许的范围内，保证热稳定性。在深入研究力场、电磁场、流场及温度场等多场耦合作用下电主轴的损耗生热机理以及电主轴非线性、动态传热机制的基础上，建立基于机理的电主轴热模型。同时，采用大量的实验研究，建立基于数据驱动的热预测补偿模型，将基于机理的热模型与基于数据的热补偿模型相结合，完成电主轴温升预测。利用温升预测模型优化电主轴冷却介质工作参数，并通过智能控制实现电主轴恒温运行。研究成果可直接应用于电主轴单元中，大幅度提高电主轴的性能指标及使用寿命，提高电主轴及数控机床生产企业在全球的市场竞争力。本项目为电主轴优化设计提供理论基础，具有重要的学术研究价值和极高的应用价值。

高速电主轴在旋转过程中，由于受到各种工况的影响，电主轴热特性及动特性不稳定，导致故障发生并减小其使用寿命。项目以高速电主轴复杂的动热态性能为背景，研究一种高精度的电主轴温升预测方法及主动控制策略，目的在于将电主轴的温度变化控制在允许的范围内，保证热稳定性。项目首先建立了多场耦合模型，深入研究了结构场、力场、电磁场、流场等多场耦合作用下电主轴的损耗生热机理。分别建立了电主轴冷却系统及润滑系统的流-热耦合模型，分析了电主轴冷却系统及润滑系统参数对其温度场的影响。搭建了电主轴性能测试系统试验平台，试验研究了电主轴冷却系统及润滑系统参数对电主轴的温升影响，采集了大量的实验数据，获得了电主轴非线性、动态传热规律。采用了生物地理优化算法、遗传算法、最小二乘法、偏最小二乘法等算法优化电主轴内部换热系数，建立基于数据驱动的电主轴热预测补偿模型，将基于机理的热模型与基于数据的热补偿模型相结合，完成电主轴温升及热变形预测并进行了试验验证。研究表明：基于最小二乘法的温升预测模型，电主轴温度场预测的平均相对误差为1.4125%；基于遗传算法电主轴温度场预测，预测的平均相对误差为2.05%。采用生物地理优化算法预测100MD60Y4电主轴热变形，预测精度0.72µm。利用温升预测模型优化电主轴冷却介质工作参数，并通过自动控制实现电主轴恒温运行，运行误差在±1℃以内。建立了以电主轴温升和PM2.5体积百分数为目标参数的数学模型，并建立双目标函数，利用生物地理优化算法对双目标函数进行优化，优化结果显示：在转速30000 r/min下，供气压力0.38 MPa、供油量6.50 ml/h、供油间隔2.98 min时，目标函数电主轴温升13.144℃、油雾粒径分布密度0.0628，满足双目标函数最优。研究成果可直接应用于电主轴单元中，大幅度提高电主轴的性能指标及使用寿命，提高电主轴及数控机床生产企业在全球的市场竞争力。项目为电主轴优化设计提供理论基础，具有重要的学术研究价值和极高的应用价值。