多场耦合下液体静压电主轴轴心轨迹的动态演化机理与主动控制研究

This project aims at the active control of hydrostatic motorized spindle axis trajectory, through investigating the mutual coupling mechanism among parameters of "machine - electric - magnetic - thermal - Liquid" in hydrostatic motorized spindle system, the transfer function among control variables will be established. And then, finite element and computational fluid dynamics method would be used to solve the theoretical axis trajectory, the dynamic evolution mechanism of theoretical axis trajectory under excitation of temperature, rotor eccentricity and load will be revealed, and the mapping function between theoretical axis trajectory and thickness of oil film is going to be builded. Besides, through exploring the coupling relationship between oil film thickness and fluid parameters, between axis trajectory and electromagnetic parameters, spindle speed, and on the basis of online fitting technology of measured axis trajectory, the closed loop control system of hydrostatic bearing “displacement - bearing capacity - oil supply flow”and “displacement- velocity -current”of the motorized spindle is going to be established respectively based of the input of theoretical axis trajectory and the feedback quantity of measured axis trajectory. Finally, Based on the deviation stability criterion of axis trajectory rotation accuracy, the cooperative control method of both will be explored. Based on the above, this project would fill the domestic void of online control in hydrostatic motorized spindle axis trajectory, and provide new ideas and method of hydrostatic motorized spindle active control, which is greatly significant in theory and engineering application.

本项目将以液体静压电主轴轴心轨迹的主动控制为目标，通过研究系统“机-电-磁-热-液”各参数之间的相互耦合机理，建立各控制变量之间的传递函数；然后采用有限元法和计算流体动力学方法，求解系统的理论轴心轨迹；并探索系统在温度、转子偏心、负载等激励下理论轴心轨迹的动态演化机理，建立理论轴心轨迹与油膜厚度之间的映射函数。通过研究油膜厚度与流体参数之间、轴心轨迹与电磁参数及主轴转速之间的耦合关系，在获得实测轴心轨迹在线拟合技术的基础上，分别建立以理论轴心轨迹为输入量，实测轴心轨迹为反馈量的液体静压轴承“位移-承载力-供油流量”闭环控制和电主轴“位移-速度-电流”闭环控制系统。最后以主轴回转精度作为轴心轨迹的偏差稳定判据，研究两者的协同控制方法。本项目的研究成果，将填补我国现有液体静压电主轴轴心轨迹主动控制的空白，同时为电主轴控制提供了一种新的思路和方法，在理论和工程应用上均具有重要意义。

项目以液体静压电主轴轴心轨迹（即动态回转精度）的产生机理和主动控制为研究目标，围绕油膜连续润滑产生的条件、油膜厚度方程的构建、以及油膜含气率对油膜特性的影响规律、主轴回转精度的主动控制和轴心轨迹的在线检测技术等进行深入研究。在雷诺方程和流量连续性方程的基础上，应用牛顿-欧拉法联立油膜力方程和油膜运动方程，从而获得主轴的轴心轨迹方程，系统论述了主轴质量偏心和切削力作用下轴心轨迹的动态演化机理。然后，针对液体静压电主轴在高速运转时，轴承油膜因受多种因素影响而混入空气、进而形成气液两相流润滑现象，系统分析了油膜气液两相润滑产生的机理，以及油膜含气率对油膜承载力、油膜刚度与油膜阻尼系数等特征参数的影响规律。在上述理论建模的基础上，以油膜厚度方程和轴心轨迹运动方程为依据，以轴承形心和主轴质心为原点分别建立静/动坐标系，一方面将轴心轨迹的变化转换为主轴质心相对轴承形心的位移和相位；另一方面可以将主轴质心的位移通过油膜厚度方程和油膜流量方程转换为油膜的供油压力和供油流量，同时将油膜含气率对油膜粘度、油膜刚度和油膜阻尼的影响转换为供油流量和供油压力的变化，进而通过供油流量和供油压力两个参数设计主轴轴心轨迹的控制律。最后，在主轴回转误差静态检测三点法的基础上，增加一对正交振动加速度传感器，并利用现代计算机技术实时进行误差分离与数据拟合，从而实现液体静压电主轴轴心轨迹的在线检测。本项目所取得的理论成果和先进技术，已在企业获得应用，并取得了良好的经济和社会效益。