一种电主轴温度场预测实验系统及方法与流程

本发明涉及电主轴温度预测领域，尤其涉及一种电主轴温度场预测实验系统及方法。

背景技术：

电主轴高速运转过程中会产生大量的热量，导致不均匀的电主轴零件受热膨胀或刀具受热变形，影响电主轴的精度甚至轴承的预紧力，进而影响数控机床的加工精度及使用寿命。随着智能制造和超精密加工技术的发展，建立精确的电主轴温度预测模型，实现电主轴的温度智能控制，成为电主轴技术控制的发展方向。

现有的电主轴温度预测方法中，一般采用基于实验数据的预测及基于机理的有限元建模预测，此两种方法均存在局限性。单纯基于实验数据的预测需要较大的实验数据量。而采用有限元方法建立的电主轴温度场预测模型，在换热系数的设置中，大多通过经验公式计算电主轴各部件的换热系数，换热系数是静态的，不精确的，没有考虑实际运行工况及冷却润滑条件等变化引起电主轴内部换热系数非线性、动态特性。本发明将上述两种预测方法相结合， 基于实验数据完成换热系数优化，充分体现冷却润滑条件对电主轴内部换热系数的影响。同时基于有限元建立电主轴多场耦合模型，将换热系数作为该模型的边界条件，从而计算温度场。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种电主轴温度场预测实验系统及方法。

本发明采用以下技术方案：

一种电主轴温度场预测实验系统，包括：被测电主轴、油气润滑系统、工控机、冷却系统、温升测试系统、变频器、电参数测试仪、转矩转速传感器、加载机、加载机电源、转速转矩仪；

被测电主轴连接变频器的控制输出端、转矩转速传感器的信号输入端、温升测试系统的信号输入端；转矩转速传感器的信号输出端连接转速转矩仪的信号输入端，转速转矩仪的信号输出端、温升测试系统的信号输出端均连接工控机的信号输入端；转矩转速传感器经联轴器分别连接到加载机和被测电主轴；加载机电源输出端连接加载机，加载机电源输入端连接工控机；油气润滑系统的控制输入端、冷却系统的控制输入端均连接工控机，油气润滑系统的控制输出端、冷却系统的控制输出端均连接被测电主轴和加载机。

所述温升测试系统包括温度传感器和信号采集装置，温度信号传感器的信号输入端连接被测电主轴，温度信号传感器的信号输出端连接信号采集装置的信号输入端，信号采集装置的信号输出端连接工控机。

所述油气润滑系统包括空压机、冷干机、储气罐、压力控制器、油气装置；

空压机分别与冷干机、储气罐连接，储气罐与压力控制器连接，压力控制器的输入端连接工控机，压力控制器的输出端连接油气装置的输入端，油气装置与被测电主轴连接，油气装置安装有润滑油流量控制阀和流量计。

所述冷却系统包括制冷机、水箱；制冷机与水箱连接，水箱安装冷却水流量控制阀和温度计，制冷机的控制输入端与工控机连接。

所述工控机设有温度场预测系统，该温度场预测系统包括：

对流换热系数初始值计算模块：计算被测电主轴的主轴外壳表面与环境空气自然对流换热系数初始值、定转子间隙与压缩空气间强迫对流换热系数初始值、被测电主轴的主轴端部与环境空气间强迫对流换热系数初始值、前后轴承与压缩空气间强迫对流换热系数初始值、冷却水与水套间强迫对流换热系数初始值；

温度场计算模块：利用有限元软件建立被测电主轴三维模型，将各对流换热系数值加载至被测电主轴三维模型，计算不同对流换热系数下被测电主轴的温度场；

迭代计算模块：将不同对流换热系数下被测电主轴的温度场与温升测试系统实时采集的被测电主轴的温度信号进行适应度值评估：若适应度值满足收敛判断条件，则当前对流换热系数为最优对流换热系数；否则，利用当前对流换热系数进行遗传操作，获得一组新的对流换热系数，重新进行适应度评估；

温度场预测模块：在最优换热系数下利用被测电主轴三维模型预测电主轴温度场。

采用所述的电主轴温度场预测实验系统进行电主轴温度场预测的方法，包括：

工控机控制变频器驱动被测电主轴开始工作；

工控机控制冷却系统对被测电主轴进行冷却；

工控机控制控制油气润滑系统对被测电主轴进行润滑；

转矩转速传感器实时采集被测电主轴的转矩转速信号，温升测试系统实时采集被测电主轴的温度信号；

转矩转速信号经转速转矩仪转换后输出转速转矩信号至工控机，温升测试系统将温度信号输出至工控机；

工控机计算被测电主轴的主轴外壳表面与环境空气自然对流换热系数初始值、定转子间隙与压缩空气间强迫对流换热系数初始值、被测电主轴的主轴端部与环境空气间强迫对流换热系数初始值、前后轴承与压缩空气间强迫对流换热系数初始值、冷却水与水套间强迫对流换热系数初始值；

工控机利用有限元软件建立被测电主轴三维模型，将计算的各对流换热系数值加载至被测电主轴三维模型，计算不同对流换热系数下被测电主轴的温度场；

工控机将计算出的不同对流换热系数下被测电主轴的温度场与温升测试系统实时采集的被测电主轴的温度信号进行适应度值评估：若适应度值满足收敛判断条件，则当前对流换热系数为最优对流换热系数；否则，利用当前对流换热系数进行遗传操作，获得一组新的对流换热系数，重新进行适应度评估；

在最优换热系数下利用被测电主轴三维模型预测电主轴温度场。

所述利用当前对流换热系数进行遗传操作，获得一组新的对流换热系数，包括：

首先采用轮盘赌选择再生个体：适应度值高的个体被选中的概率高，适应度值低的个体被淘汰；

然后按照设置的交叉概率，采用单点交叉操作生成新的个体；

再按照设置的变异概率，采用二进制变异操作生成新的个体；

最终由交叉操作和变异操作后所产生的新一代的种群即获得的一组新的对流换热系数值。

由上述技术方案可知，本发明利用电主轴集成实验系统，分别在电主轴热源位置即关键部位布置31个温度传感器，对电主轴各部位可以进行全面的温度检测；并可对不同转速，改变冷却水流量、冷却水初始温度、压缩空气压力及供油时间间隔等不同工况下的电主轴温度进行实时监测；进一步建立电主轴有限元模型，将通过理论和经验公式计算所得影响电主轴温度场分布的换热系数加载至模型，计算出初始温度场，在此基础上采用智能算法对各换热系数进行迭代优化，得出精确的电主轴温度场预测模型，进而可为电主轴温升的智能控制甚至超精密加工提供支持。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中的电主轴剖视图，1-轴头，2-前轴承，3-后轴承；

图2是本发明具体实施方式中的电主轴温度场预测实验系统框图；

图3是本发明具体实施方式中温度传感器分布位置图，4-定子；

图4是本发明具体实施方式中的温度场预测系统结构图；

图5是本发明具体实施方式中的温度场预测原理图；

图6是本发明具体实施方式中的电主轴温度场预测的方法流程图；

图7是本发明具体实施方式中的初始化被测电主轴的工作过程流程图；

图8是本发明具体实施方式中的利用当前对流换热系数值进行遗传操作流程图；

图9是本发明具体实施方式中的对流换热系数优化前后电主轴等温线图；（a）为对流换热系数优化前电主轴等温线图，（b）为对流换热系数优化后电主轴等温线图；

图10是本发明具体实施方式中的对流换热系数优化前后电主轴测量点温度与实验温度对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

以图1所示170MD30-SY型电主轴为例，本实施方式提供一种如图2所示的电主轴温度场预测实验系统，包括：被测电主轴、油气润滑系统、工控机、冷却系统、温升测试系统、变频器、电参数测试仪、转矩转速传感器、加载机、加载机电源、转速转矩仪。

被测电主轴连接变频器的控制输出端、转矩转速传感器的信号输入端、温升测试系统的信号输入端；转矩转速传感器的信号输出端连接转速转矩仪的信号输入端，转速转矩仪的信号输出端、温升测试系统的信号输出端均连接工控机的信号输入端；转矩转速传感器经联轴器分别连接到加载机和被测电主轴；加载机电源输出端连接加载机，加载机电源输入端连接工控机；油气润滑系统的控制输入端、冷却系统的控制输入端均连接工控机，油气润滑系统的控制输出端、冷却系统的控制输出端均连接被测电主轴和加载机。

所述温升测试系统包括温度传感器和信号采集装置，温度信号传感器的信号输入端连接被测电主轴，温度信号传感器的信号输出端连接信号采集装置的信号输入端，信号采集装置的信号输出端连接工控机。

所述油气润滑系统包括空压机、冷干机、储气罐、压力控制器、油气装置；

空压机分别与冷干机、储气罐连接，储气罐与压力控制器连接，压力控制器的输出端连接油气装置的输入端，油气装置与被测电主轴连接，油气装置安装有润滑油流量控制阀和流量计。

所述冷却系统包括制冷机、水箱；制冷机与水箱连接，水箱安装冷却水流量控制阀和温度计，制冷机的控制输入端与工控机连接。

分别在图1和图3所示的电主轴表面的轴头1位置，前轴承2位置、后轴承3位置及定子4位置共安装31个温度传感器。其中轴头1位置安装1个非接触式温度传感器，前轴承2、后轴承3及定子4位置分别沿圆周方向布置10个接触式温度传感器。

如图4所示，所述工控机设有温度场预测系统，该温度场预测系统包括：

对流换热系数初始值计算模块：计算被测电主轴的主轴外壳表面与环境空气自然对流换热系数初始值、定转子间隙与压缩空气间强迫对流换热系数初始值、被测电主轴的主轴端部与环境空气间强迫对流换热系数初始值、前后轴承与压缩空气间强迫对流换热系数初始值、冷却水与水套间强迫对流换热系数初始值；

温度场计算模块：利用有限元软件建立被测电主轴三维模型，将计算的各对流换热系数加载至被测电主轴三维模型，计算不同对流换热系数下被测电主轴的温度场；

迭代计算模块：将不同对流换热系数值下被测电主轴的温度场与温升测试系统实时采集的被测电主轴的温度信号进行适应度值评估：若适应度值满足收敛判断条件，则当前对流换热系数为最优对流换热系数；否则，利用当前对流换热系数进行遗传操作，获得一组新的对流换热系数，重新进行适应度评估；

温度场预测模块：在最优换热系数下利用被测电主轴三维模型预测电主轴温度场。

温度场预测系统的预测原理如图5所示，计算出对流换热系数初始值，输入被测电主轴三维模型中预测出电主轴温度场，而通过温升测试系统测量得到被测电主轴的实验温度，计算预测出的电主轴温度场与实验温度的适应度函数值，并进行遗传算法操作，确定最优的对流换热系数，反馈至被测电主轴三维模型预测下一时刻的被测电主轴温度场。

采用上述的电主轴温度场预测实验系统进行电主轴温度场预测的方法，如图6所示，包括：

步骤1、工控机控制变频器驱动被测电主轴开始工作；

如图7所示，初始化被测电主轴的工作过程：

打开空压机开关，启动实验系统，此时空压机开始向储气罐充气，等待气压上升到0.72MPa时，依次打开空气干燥机、制冷机电源开关、加载机电源开关、冷干机气体输出阀门、冷却水流量控制阀；其中，空气压缩机向储气罐进行充气，所冲气压值由空气压缩机的具体型号决定，空气压缩机的具体型号由所选用的具体电主轴决定。

检查油气润滑系统空气压缩机向储气罐充气情况，待气压上升到设定值0.72MPa时，工控机控制变频器、加载机电源开始工作；检查油气润滑系统的油气管路内供油状态是否正常，若不正常则通过润滑油流量控制阀调节油流量，直至油气润滑系统的油气管路内供油正常，

检查冷却系统的冷却水进出水是否正常，不正常则通过冷却水流量控制阀调节冷却水流量，直至冷却系统的冷却水进出水正常；

调节油气装置，设定油气装置进气压力为0.365MPa，供油间隔为2min；设定冷却系统冷却水流量为0.25m³/h，在水冷机水箱处设置冷却水初始温度12°C；

设置被测电主轴空载，加载机不加载，输入被测电主轴频率333HZ，即被测电主轴转速10000r/min；油气润滑系统进气压力、供油间隔、冷却系统冷却水流量、电主轴频率均为可变值。

分别在被测电主轴热源位置，即前后轴承位置及两轴承跨距中间的定、转子位置布置共计30个温度信号传感器，对被测电主轴各部位进行温度测量，并运用另一温度信号传感器测量轴头温度变化；被测电主轴运转时，温度信号传感器检测被测电主轴表面温度变化，红外温度测量仪测量轴头温度变化，温度信号传感器每20s记录一次数据，并通过PLC将记录数据传给工控机。温度信号传感器共有31个，其中，被测电主轴外壳上放置30个温度信号传感器，测量电主轴表面温度，这30个是热电偶；还有一个是放置在电主轴伸出的轴端，测量被测电主轴轴端温度，该温度信号传感器是红外测温仪。

步骤2、工控机控制冷却系统对被测电主轴进行冷却；

步骤3、工控机控制控制油气润滑系统对被测电主轴进行润滑；

步骤4、转矩转速传感器实时采集被测电主轴的转矩转速信号，温升测试系统实时采集被测电主轴的温度信号；

步骤5、转矩转速信号经转速转矩仪转换后输出转速转矩信号至工控机，温升测试系统将温度信号输出至工控机；

步骤6、工控机计算被测电主轴的主轴外壳表面与环境空气自然对流换热系数初始值、定转子间隙与压缩空气间强迫对流换热系数初始值、被测电主轴的主轴端部与环境空气间强迫对流换热系数初始值、前后轴承与压缩空气间强迫对流换热系数初始值、冷却水与水套间强迫对流换热系数初始值；

根据本实施方式中的实验工况，查阅文献，根据经验公式，取当前状态下的对流换热系数：被测电主轴的主轴外壳表面与环境空气自然对流换热系数初始值为h₁=9.7W/m²•°C，并找出各部对流换热系数的计算公式，定转子间隙与压缩空气间强迫对流换热系数初始值为h₂=146.8W/m²•°C、被测电主轴的主轴端部与环境空气间强迫对流换热系数初始值为h₃=121.4W/m²•°C、前后轴承与压缩空气间强迫对流换热系数初始值h₄=71.35W/m²•°C、冷却水与水套间强迫对流换热系数初始值为h₅=190W/m²•°C；

步骤7、工控机利用有限元软件建立被测电主轴三维模型，设置定子材料为铜，转子、转轴、轴承、壳体及其他零部件材料设为钢，将各对流换热系数加载至被测电主轴三维模型，计算不同对流换热系数下被测电主轴的温度场；

步骤8、工控机将计算出的不同对流换热系数下被测电主轴的温度场与温升测试系统实时采集的被测电主轴的温度信号进行适应度值评估：若适应度值满足收敛判断条件，则当前对流换热系数为最优对流换热系数；否则，利用当前对流换热系数进行遗传操作，获得一组新的对流换热系数，重新进行适应度评估；

适应度函数选取不同对流换热系数下预测的被测电主轴的温度场T_ei与温升测试系统实时采集的被测电主轴的温度信号T_si的平均绝对误差；并设定不大于平均绝对误差的最大值为收敛判断条件(±0.5℃)，若适应度值满足收敛判断条件，则当前对流换热系数为最优对流换热系数；否则，利用当前对流换热系数进行遗传操作，获得一组新的对流换热系数，重新进行适应度评估及收敛性判断；

参考被测电主轴温度测试实验时31个测温点位置，提取有限元模型对应点的预测温度。选取遗传算法为本次实验的优化算法，将预测温度值与实验温度值进行适应度值评估，并判断其收敛性。经计算，初始对流换热系数不满足收敛性要求，遗传算法自动对其进行优化，直至迭代100代，通过100次迭代后31个测温点的平均误差为0.66°C。输出最优对流换热系数 h₁=19.99W/m²•°C、h₂=188.42W/m²•°C、h₃=188.20W/m²•°C、h₄=127.71W/m²•°C、h₅=500.29W/m²•°C。

步骤9、在最优换热系数下利用被测电主轴三维模型预测电主轴温度场。

如图8所示，所述利用当前对流换热系数值进行遗传操作，获得一组新的对流换热系数值，包括：

首先采用轮盘赌选择再生个体：适应度值高的个体被选中的概率高，适应度值低的个体被淘汰；

然后按照设置的交叉概率，采用单点交叉操作生成新的个体；

再按照设置的变异概率，采用二进制变异操作生成新的个体；

最终由交叉操作和变异操作后所产生的新一代的种群即获得的一组新的对流换热系数。

为验证本发明对流换热系数优化的效果，对比电主轴对流换热系数优化前后的等温线，图9（a）为将对流换热系数初始值代入温度场有限元模型获得的被测电主轴的等温线图，图9（b）为优化后的换热系数代入被测电主轴三维模型获得的被测电主轴的等温线图。通过图9（a）与图9（b）的对比可知，通过对流换热系数的优化，被测电主轴内部温度场变化显著。

为进一步验证本发明对电主轴温度预测的正确性，将电主轴轴头位置、前轴承位置、定子位置和后轴承位置的温度预测值与温度传感器获得的实验温度值进行比较。前轴承位置、定子位置和后轴承位置的温度采用圆周方向平均温度。图10示出了对流换热系数优化前后电主轴测量点温度与实验温度对比图。由图可知利用本发明进行电主轴温度预测，所预测值与实验测量值十分相近。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。