本發(fā)明涉及電主軸溫度預測領域，尤其涉及一種電主軸溫度場預測實驗系統(tǒng)及方法。

背景技術：

電主軸高速運轉過程中會產(chǎn)生大量的熱量，導致不均勻的電主軸零件受熱膨脹或刀具受熱變形，影響電主軸的精度甚至軸承的預緊力，進而影響數(shù)控機床的加工精度及使用壽命。隨著智能制造和超精密加工技術的發(fā)展，建立精確的電主軸溫度預測模型，實現(xiàn)電主軸的溫度智能控制，成為電主軸技術控制的發(fā)展方向。

現(xiàn)有的電主軸溫度預測方法中，一般采用基于實驗數(shù)據(jù)的預測及基于機理的有限元建模預測，此兩種方法均存在局限性。單純基于實驗數(shù)據(jù)的預測需要較大的實驗數(shù)據(jù)量。而采用有限元方法建立的電主軸溫度場預測模型，在換熱系數(shù)的設置中，大多通過經(jīng)驗公式計算電主軸各部件的換熱系數(shù)，換熱系數(shù)是靜態(tài)的，不精確的，沒有考慮實際運行工況及冷卻潤滑條件等變化引起電主軸內部換熱系數(shù)非線性、動態(tài)特性。本發(fā)明將上述兩種預測方法相結合， 基于實驗數(shù)據(jù)完成換熱系數(shù)優(yōu)化，充分體現(xiàn)冷卻潤滑條件對電主軸內部換熱系數(shù)的影響。同時基于有限元建立電主軸多場耦合模型，將換熱系數(shù)作為該模型的邊界條件，從而計算溫度場。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術的缺陷，本發(fā)明提供一種電主軸溫度場預測實驗系統(tǒng)及方法。

本發(fā)明采用以下技術方案：

一種電主軸溫度場預測實驗系統(tǒng)，包括：被測電主軸、油氣潤滑系統(tǒng)、工控機、冷卻系統(tǒng)、溫升測試系統(tǒng)、變頻器、電參數(shù)測試儀、轉矩轉速傳感器、加載機、加載機電源、轉速轉矩儀；

被測電主軸連接變頻器的控制輸出端、轉矩轉速傳感器的信號輸入端、溫升測試系統(tǒng)的信號輸入端；轉矩轉速傳感器的信號輸出端連接轉速轉矩儀的信號輸入端，轉速轉矩儀的信號輸出端、溫升測試系統(tǒng)的信號輸出端均連接工控機的信號輸入端；轉矩轉速傳感器經(jīng)聯(lián)軸器分別連接到加載機和被測電主軸；加載機電源輸出端連接加載機，加載機電源輸入端連接工控機；油氣潤滑系統(tǒng)的控制輸入端、冷卻系統(tǒng)的控制輸入端均連接工控機，油氣潤滑系統(tǒng)的控制輸出端、冷卻系統(tǒng)的控制輸出端均連接被測電主軸和加載機。

所述溫升測試系統(tǒng)包括溫度傳感器和信號采集裝置，溫度信號傳感器的信號輸入端連接被測電主軸，溫度信號傳感器的信號輸出端連接信號采集裝置的信號輸入端，信號采集裝置的信號輸出端連接工控機。

所述油氣潤滑系統(tǒng)包括空壓機、冷干機、儲氣罐、壓力控制器、油氣裝置；

空壓機分別與冷干機、儲氣罐連接，儲氣罐與壓力控制器連接，壓力控制器的輸入端連接工控機，壓力控制器的輸出端連接油氣裝置的輸入端，油氣裝置與被測電主軸連接，油氣裝置安裝有潤滑油流量控制閥和流量計。

所述冷卻系統(tǒng)包括制冷機、水箱；制冷機與水箱連接，水箱安裝冷卻水流量控制閥和溫度計，制冷機的控制輸入端與工控機連接。

所述工控機設有溫度場預測系統(tǒng)，該溫度場預測系統(tǒng)包括：

對流換熱系數(shù)初始值計算模塊：計算被測電主軸的主軸外殼表面與環(huán)境空氣自然對流換熱系數(shù)初始值、定轉子間隙與壓縮空氣間強迫對流換熱系數(shù)初始值、被測電主軸的主軸端部與環(huán)境空氣間強迫對流換熱系數(shù)初始值、前后軸承與壓縮空氣間強迫對流換熱系數(shù)初始值、冷卻水與水套間強迫對流換熱系數(shù)初始值；

溫度場計算模塊：利用有限元軟件建立被測電主軸三維模型，將各對流換熱系數(shù)值加載至被測電主軸三維模型，計算不同對流換熱系數(shù)下被測電主軸的溫度場；

迭代計算模塊：將不同對流換熱系數(shù)下被測電主軸的溫度場與溫升測試系統(tǒng)實時采集的被測電主軸的溫度信號進行適應度值評估：若適應度值滿足收斂判斷條件，則當前對流換熱系數(shù)為最優(yōu)對流換熱系數(shù)；否則，利用當前對流換熱系數(shù)進行遺傳操作，獲得一組新的對流換熱系數(shù)，重新進行適應度評估；

溫度場預測模塊：在最優(yōu)換熱系數(shù)下利用被測電主軸三維模型預測電主軸溫度場。

采用所述的電主軸溫度場預測實驗系統(tǒng)進行電主軸溫度場預測的方法，包括：

工控機控制變頻器驅動被測電主軸開始工作；

工控機控制冷卻系統(tǒng)對被測電主軸進行冷卻；

工控機控制控制油氣潤滑系統(tǒng)對被測電主軸進行潤滑；

轉矩轉速傳感器實時采集被測電主軸的轉矩轉速信號，溫升測試系統(tǒng)實時采集被測電主軸的溫度信號；

轉矩轉速信號經(jīng)轉速轉矩儀轉換后輸出轉速轉矩信號至工控機，溫升測試系統(tǒng)將溫度信號輸出至工控機；

工控機計算被測電主軸的主軸外殼表面與環(huán)境空氣自然對流換熱系數(shù)初始值、定轉子間隙與壓縮空氣間強迫對流換熱系數(shù)初始值、被測電主軸的主軸端部與環(huán)境空氣間強迫對流換熱系數(shù)初始值、前后軸承與壓縮空氣間強迫對流換熱系數(shù)初始值、冷卻水與水套間強迫對流換熱系數(shù)初始值；

工控機利用有限元軟件建立被測電主軸三維模型，將計算的各對流換熱系數(shù)值加載至被測電主軸三維模型，計算不同對流換熱系數(shù)下被測電主軸的溫度場；

工控機將計算出的不同對流換熱系數(shù)下被測電主軸的溫度場與溫升測試系統(tǒng)實時采集的被測電主軸的溫度信號進行適應度值評估：若適應度值滿足收斂判斷條件，則當前對流換熱系數(shù)為最優(yōu)對流換熱系數(shù)；否則，利用當前對流換熱系數(shù)進行遺傳操作，獲得一組新的對流換熱系數(shù)，重新進行適應度評估；

在最優(yōu)換熱系數(shù)下利用被測電主軸三維模型預測電主軸溫度場。

所述利用當前對流換熱系數(shù)進行遺傳操作，獲得一組新的對流換熱系數(shù)，包括：

首先采用輪盤賭選擇再生個體：適應度值高的個體被選中的概率高，適應度值低的個體被淘汰；

然后按照設置的交叉概率，采用單點交叉操作生成新的個體；

再按照設置的變異概率，采用二進制變異操作生成新的個體；

最終由交叉操作和變異操作后所產(chǎn)生的新一代的種群即獲得的一組新的對流換熱系數(shù)值。

由上述技術方案可知，本發(fā)明利用電主軸集成實驗系統(tǒng)，分別在電主軸熱源位置即關鍵部位布置31個溫度傳感器，對電主軸各部位可以進行全面的溫度檢測；并可對不同轉速，改變冷卻水流量、冷卻水初始溫度、壓縮空氣壓力及供油時間間隔等不同工況下的電主軸溫度進行實時監(jiān)測；進一步建立電主軸有限元模型，將通過理論和經(jīng)驗公式計算所得影響電主軸溫度場分布的換熱系數(shù)加載至模型，計算出初始溫度場，在此基礎上采用智能算法對各換熱系數(shù)進行迭代優(yōu)化，得出精確的電主軸溫度場預測模型，進而可為電主軸溫升的智能控制甚至超精密加工提供支持。

附圖說明

圖1是本發(fā)明具體實施方式中的電主軸剖視圖，1-軸頭，2-前軸承，3-后軸承；

圖2是本發(fā)明具體實施方式中的電主軸溫度場預測實驗系統(tǒng)框圖；

圖3是本發(fā)明具體實施方式中溫度傳感器分布位置圖，4-定子；

圖4是本發(fā)明具體實施方式中的溫度場預測系統(tǒng)結構圖；

圖5是本發(fā)明具體實施方式中的溫度場預測原理圖；

圖6是本發(fā)明具體實施方式中的電主軸溫度場預測的方法流程圖；

圖7是本發(fā)明具體實施方式中的初始化被測電主軸的工作過程流程圖；

圖8是本發(fā)明具體實施方式中的利用當前對流換熱系數(shù)值進行遺傳操作流程圖；

圖9是本發(fā)明具體實施方式中的對流換熱系數(shù)優(yōu)化前后電主軸等溫線圖；（a）為對流換熱系數(shù)優(yōu)化前電主軸等溫線圖，（b）為對流換熱系數(shù)優(yōu)化后電主軸等溫線圖；

圖10是本發(fā)明具體實施方式中的對流換熱系數(shù)優(yōu)化前后電主軸測量點溫度與實驗溫度對比圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式做詳細說明。

以圖1所示170MD30-SY型電主軸為例，本實施方式提供一種如圖2所示的電主軸溫度場預測實驗系統(tǒng)，包括：被測電主軸、油氣潤滑系統(tǒng)、工控機、冷卻系統(tǒng)、溫升測試系統(tǒng)、變頻器、電參數(shù)測試儀、轉矩轉速傳感器、加載機、加載機電源、轉速轉矩儀。

被測電主軸連接變頻器的控制輸出端、轉矩轉速傳感器的信號輸入端、溫升測試系統(tǒng)的信號輸入端；轉矩轉速傳感器的信號輸出端連接轉速轉矩儀的信號輸入端，轉速轉矩儀的信號輸出端、溫升測試系統(tǒng)的信號輸出端均連接工控機的信號輸入端；轉矩轉速傳感器經(jīng)聯(lián)軸器分別連接到加載機和被測電主軸；加載機電源輸出端連接加載機，加載機電源輸入端連接工控機；油氣潤滑系統(tǒng)的控制輸入端、冷卻系統(tǒng)的控制輸入端均連接工控機，油氣潤滑系統(tǒng)的控制輸出端、冷卻系統(tǒng)的控制輸出端均連接被測電主軸和加載機。

所述溫升測試系統(tǒng)包括溫度傳感器和信號采集裝置，溫度信號傳感器的信號輸入端連接被測電主軸，溫度信號傳感器的信號輸出端連接信號采集裝置的信號輸入端，信號采集裝置的信號輸出端連接工控機。

所述油氣潤滑系統(tǒng)包括空壓機、冷干機、儲氣罐、壓力控制器、油氣裝置；

空壓機分別與冷干機、儲氣罐連接，儲氣罐與壓力控制器連接，壓力控制器的輸出端連接油氣裝置的輸入端，油氣裝置與被測電主軸連接，油氣裝置安裝有潤滑油流量控制閥和流量計。

所述冷卻系統(tǒng)包括制冷機、水箱；制冷機與水箱連接，水箱安裝冷卻水流量控制閥和溫度計，制冷機的控制輸入端與工控機連接。

分別在圖1和圖3所示的電主軸表面的軸頭1位置，前軸承2位置、后軸承3位置及定子4位置共安裝31個溫度傳感器。其中軸頭1位置安裝1個非接觸式溫度傳感器，前軸承2、后軸承3及定子4位置分別沿圓周方向布置10個接觸式溫度傳感器。

如圖4所示，所述工控機設有溫度場預測系統(tǒng)，該溫度場預測系統(tǒng)包括：

對流換熱系數(shù)初始值計算模塊：計算被測電主軸的主軸外殼表面與環(huán)境空氣自然對流換熱系數(shù)初始值、定轉子間隙與壓縮空氣間強迫對流換熱系數(shù)初始值、被測電主軸的主軸端部與環(huán)境空氣間強迫對流換熱系數(shù)初始值、前后軸承與壓縮空氣間強迫對流換熱系數(shù)初始值、冷卻水與水套間強迫對流換熱系數(shù)初始值；

溫度場計算模塊：利用有限元軟件建立被測電主軸三維模型，將計算的各對流換熱系數(shù)加載至被測電主軸三維模型，計算不同對流換熱系數(shù)下被測電主軸的溫度場；

迭代計算模塊：將不同對流換熱系數(shù)值下被測電主軸的溫度場與溫升測試系統(tǒng)實時采集的被測電主軸的溫度信號進行適應度值評估：若適應度值滿足收斂判斷條件，則當前對流換熱系數(shù)為最優(yōu)對流換熱系數(shù)；否則，利用當前對流換熱系數(shù)進行遺傳操作，獲得一組新的對流換熱系數(shù)，重新進行適應度評估；

溫度場預測模塊：在最優(yōu)換熱系數(shù)下利用被測電主軸三維模型預測電主軸溫度場。

溫度場預測系統(tǒng)的預測原理如圖5所示，計算出對流換熱系數(shù)初始值，輸入被測電主軸三維模型中預測出電主軸溫度場，而通過溫升測試系統(tǒng)測量得到被測電主軸的實驗溫度，計算預測出的電主軸溫度場與實驗溫度的適應度函數(shù)值，并進行遺傳算法操作，確定最優(yōu)的對流換熱系數(shù)，反饋至被測電主軸三維模型預測下一時刻的被測電主軸溫度場。

采用上述的電主軸溫度場預測實驗系統(tǒng)進行電主軸溫度場預測的方法，如圖6所示，包括：

步驟1、工控機控制變頻器驅動被測電主軸開始工作；

如圖7所示，初始化被測電主軸的工作過程：

打開空壓機開關，啟動實驗系統(tǒng)，此時空壓機開始向儲氣罐充氣，等待氣壓上升到0.72MPa時，依次打開空氣干燥機、制冷機電源開關、加載機電源開關、冷干機氣體輸出閥門、冷卻水流量控制閥；其中，空氣壓縮機向儲氣罐進行充氣，所沖氣壓值由空氣壓縮機的具體型號決定，空氣壓縮機的具體型號由所選用的具體電主軸決定。

檢查油氣潤滑系統(tǒng)空氣壓縮機向儲氣罐充氣情況，待氣壓上升到設定值0.72MPa時，工控機控制變頻器、加載機電源開始工作；檢查油氣潤滑系統(tǒng)的油氣管路內供油狀態(tài)是否正常，若不正常則通過潤滑油流量控制閥調節(jié)油流量，直至油氣潤滑系統(tǒng)的油氣管路內供油正常，

檢查冷卻系統(tǒng)的冷卻水進出水是否正常，不正常則通過冷卻水流量控制閥調節(jié)冷卻水流量，直至冷卻系統(tǒng)的冷卻水進出水正常；

調節(jié)油氣裝置，設定油氣裝置進氣壓力為0.365MPa，供油間隔為2min；設定冷卻系統(tǒng)冷卻水流量為0.25m³/h，在水冷機水箱處設置冷卻水初始溫度12°C；

設置被測電主軸空載，加載機不加載，輸入被測電主軸頻率333HZ，即被測電主軸轉速10000r/min；油氣潤滑系統(tǒng)進氣壓力、供油間隔、冷卻系統(tǒng)冷卻水流量、電主軸頻率均為可變值。

分別在被測電主軸熱源位置，即前后軸承位置及兩軸承跨距中間的定、轉子位置布置共計30個溫度信號傳感器，對被測電主軸各部位進行溫度測量，并運用另一溫度信號傳感器測量軸頭溫度變化；被測電主軸運轉時，溫度信號傳感器檢測被測電主軸表面溫度變化，紅外溫度測量儀測量軸頭溫度變化，溫度信號傳感器每20s記錄一次數(shù)據(jù)，并通過PLC將記錄數(shù)據(jù)傳給工控機。溫度信號傳感器共有31個，其中，被測電主軸外殼上放置30個溫度信號傳感器，測量電主軸表面溫度，這30個是熱電偶；還有一個是放置在電主軸伸出的軸端，測量被測電主軸軸端溫度，該溫度信號傳感器是紅外測溫儀。

步驟2、工控機控制冷卻系統(tǒng)對被測電主軸進行冷卻；

步驟3、工控機控制控制油氣潤滑系統(tǒng)對被測電主軸進行潤滑；

步驟4、轉矩轉速傳感器實時采集被測電主軸的轉矩轉速信號，溫升測試系統(tǒng)實時采集被測電主軸的溫度信號；

步驟5、轉矩轉速信號經(jīng)轉速轉矩儀轉換后輸出轉速轉矩信號至工控機，溫升測試系統(tǒng)將溫度信號輸出至工控機；

步驟6、工控機計算被測電主軸的主軸外殼表面與環(huán)境空氣自然對流換熱系數(shù)初始值、定轉子間隙與壓縮空氣間強迫對流換熱系數(shù)初始值、被測電主軸的主軸端部與環(huán)境空氣間強迫對流換熱系數(shù)初始值、前后軸承與壓縮空氣間強迫對流換熱系數(shù)初始值、冷卻水與水套間強迫對流換熱系數(shù)初始值；

根據(jù)本實施方式中的實驗工況，查閱文獻，根據(jù)經(jīng)驗公式，取當前狀態(tài)下的對流換熱系數(shù)：被測電主軸的主軸外殼表面與環(huán)境空氣自然對流換熱系數(shù)初始值為h₁=9.7W/m²?°C，并找出各部對流換熱系數(shù)的計算公式，定轉子間隙與壓縮空氣間強迫對流換熱系數(shù)初始值為h₂=146.8W/m²?°C、被測電主軸的主軸端部與環(huán)境空氣間強迫對流換熱系數(shù)初始值為h₃=121.4W/m²?°C、前后軸承與壓縮空氣間強迫對流換熱系數(shù)初始值h₄=71.35W/m²?°C、冷卻水與水套間強迫對流換熱系數(shù)初始值為h₅=190W/m²?°C；

步驟7、工控機利用有限元軟件建立被測電主軸三維模型，設置定子材料為銅，轉子、轉軸、軸承、殼體及其他零部件材料設為鋼，將各對流換熱系數(shù)加載至被測電主軸三維模型，計算不同對流換熱系數(shù)下被測電主軸的溫度場；

步驟8、工控機將計算出的不同對流換熱系數(shù)下被測電主軸的溫度場與溫升測試系統(tǒng)實時采集的被測電主軸的溫度信號進行適應度值評估：若適應度值滿足收斂判斷條件，則當前對流換熱系數(shù)為最優(yōu)對流換熱系數(shù)；否則，利用當前對流換熱系數(shù)進行遺傳操作，獲得一組新的對流換熱系數(shù)，重新進行適應度評估；

適應度函數(shù)選取不同對流換熱系數(shù)下預測的被測電主軸的溫度場T_ei與溫升測試系統(tǒng)實時采集的被測電主軸的溫度信號T_si的平均絕對誤差；并設定不大于平均絕對誤差的最大值為收斂判斷條件(±0.5℃)，若適應度值滿足收斂判斷條件，則當前對流換熱系數(shù)為最優(yōu)對流換熱系數(shù)；否則，利用當前對流換熱系數(shù)進行遺傳操作，獲得一組新的對流換熱系數(shù)，重新進行適應度評估及收斂性判斷；

參考被測電主軸溫度測試實驗時31個測溫點位置，提取有限元模型對應點的預測溫度。選取遺傳算法為本次實驗的優(yōu)化算法，將預測溫度值與實驗溫度值進行適應度值評估，并判斷其收斂性。經(jīng)計算，初始對流換熱系數(shù)不滿足收斂性要求，遺傳算法自動對其進行優(yōu)化，直至迭代100代，通過100次迭代后31個測溫點的平均誤差為0.66°C。輸出最優(yōu)對流換熱系數(shù) 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。

步驟9、在最優(yōu)換熱系數(shù)下利用被測電主軸三維模型預測電主軸溫度場。

如圖8所示，所述利用當前對流換熱系數(shù)值進行遺傳操作，獲得一組新的對流換熱系數(shù)值，包括：

首先采用輪盤賭選擇再生個體：適應度值高的個體被選中的概率高，適應度值低的個體被淘汰；

然后按照設置的交叉概率，采用單點交叉操作生成新的個體；

再按照設置的變異概率，采用二進制變異操作生成新的個體；

最終由交叉操作和變異操作后所產(chǎn)生的新一代的種群即獲得的一組新的對流換熱系數(shù)。

為驗證本發(fā)明對流換熱系數(shù)優(yōu)化的效果，對比電主軸對流換熱系數(shù)優(yōu)化前后的等溫線，圖9（a）為將對流換熱系數(shù)初始值代入溫度場有限元模型獲得的被測電主軸的等溫線圖，圖9（b）為優(yōu)化后的換熱系數(shù)代入被測電主軸三維模型獲得的被測電主軸的等溫線圖。通過圖9（a）與圖9（b）的對比可知，通過對流換熱系數(shù)的優(yōu)化，被測電主軸內部溫度場變化顯著。

為進一步驗證本發(fā)明對電主軸溫度預測的正確性，將電主軸軸頭位置、前軸承位置、定子位置和后軸承位置的溫度預測值與溫度傳感器獲得的實驗溫度值進行比較。前軸承位置、定子位置和后軸承位置的溫度采用圓周方向平均溫度。圖10示出了對流換熱系數(shù)優(yōu)化前后電主軸測量點溫度與實驗溫度對比圖。由圖可知利用本發(fā)明進行電主軸溫度預測，所預測值與實驗測量值十分相近。

最后應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發(fā)明權利要求所限定的范圍。