[发明专利]一种内喷式冷却主轴精度自愈方法

权利要求书

1.一种内喷式冷却主轴精度自愈方法，其特征在于，利用热电制冷器(4)作为主动热控制装置，基于主轴精度自愈控制策略实时调整热电制冷器(4)的制冷效率Q_c实现内喷式超低温加工机床温度场平衡，继而消除内喷式冷却主轴的热倾斜误差实现主轴的精度自愈；

具体步骤如下：

步骤1，内喷式超低温加工机床的温升敏感点以及热倾斜误差测试；先于内喷式超低温加工机床上布置两个温度传感器，并采取位移传感器1(11-2-a)和位移传感器2(11-2-b)测量主轴末端的热倾斜误差e_θ，位移传感器1(11-2-a)的测量值e₁，位移传感器2(11-2-b)的测量值e₂，则热倾斜误差依据如下公式计算：

让机床正常运行，采集相应的温度传感器数据和位移传感器数据；根据相关性分析选取和热倾斜误差e_θ相关性较大的温度传感器的值作为关键点，关键点上表面温度传感器(6)的测量值为T₁、下表面温度传感器(9)的测量值为T₂；布置热电制冷器装置(4)；

步骤2：不打开热电制冷器而正常运行机床通过几组机床关键点温度值[T₁、T₂]¹、[T₁、T₂]²……[T₁、T₂]ⁿ和对应的热倾斜误差测量点的位移传感器测量值[e₁、e₂]¹、[e₁、e₂]²……[e₁、e₂]ⁿ，建立关于关键点温度的热倾斜误差模型如下：

e_θ＝k₁T₁-k₂T₂+β (1.2)

式(1.2)中e_θ—主轴末端热倾斜误差；T₁—上表面温度传感器(6)的测量值；T₂—下表面温度传感器(9)的测量值；k₁、k₂、β—模型待辨识参数，根据最小二乘法如式(1.3)进行确定；

式(1.3)中e₁—位移传感器1(11-2-a)的测量值；e₂—位移传感器2(11-2-b)的测量值；L—位移传感器1和位移传感器2间的距离；i—第i次试验；c—总共c次试验；

只打开热电制冷器，不断改变热电制冷器的输入电流I，通过对热电制冷系统关键点温度值[T]ⁿ和电流[I]ⁿ之间的关系建立热电制冷器制冷功率的数学模型：

Q_c＝f(I) (1.4)

式(1.4)中Q_c—热电制冷器制冷功率；I—热电制冷器的输入电流；f—I和Q_c之间的数学关系；

步骤3：机床电机发热量Q_M、轴承热源发热量Q_r、冷却介质热交换量Q_L计算公式(1.5)～(1.7)：

Q_r＝1.047×10^-4M×n (1.6)

Q_L＝h(T_surface-T_coolant)＝h(q)(T_surface-T_coolant) (1.7)

式(1.5)中Q_M—电机发热量；N_M—电机的功率；η—电机效率；M_m—电机承受的扭矩；n—主轴转速；式(1.6)中Q_r—轴承热源发热量；M—主轴轴承承受的摩擦力矩；式(1.7)中Q_L—冷却介质热交换量；h—冷却介质热对流系数，和冷却介质流量q相关，固为h(q)；T_surface—流道表面温度；T_coolant—冷却介质入口温度；

基于公式(1.5)～(1.7)，结合热电制冷器制冷功率的数学模型(1.4)，则通过不同工况下、不同热电制冷器输入Q_c时的关键点温度值[T₁、T₂]，则可建立机床所有热影响和关键点温度[T₁、T₂]间的映射关系如下：

[T₁,T₂]＝[g₁(Q_M,Q_r,Q_L,Q_c),g₂(Q_M,Q_r,Q_L,Q_c)] (1.8)

结合式(1.2)、(1.4)、(1.8)、(1.5)～(1.7)构建热电制冷器电流(I)与机床状态参数、机床关键点温度[T₁、T₂]之间的关系模型如式(1.9)所示，并据此制定内喷式主轴温度场主动控制策略函数和主动控制系统；机床状态参数包括主轴转速n、冷却介质流量q和冷却介质入口温度T_coolant；

I＝ξ([T₁,T₂],n,q,T_coolant) (1.9)

式(1.9)中I—热电制冷器的输入电流；ξ—映射关系；T₁—上表面温度传感器(6)的测量值；T₂—下表面温度传感器(9)的测量值；n—主轴转速；q—冷却介质流量；T_coolant—冷却介质入口温度；

步骤4：正常运行内喷式超低温加工机床，并每隔半个小时改变机床转速n、冷却介质流量q或者冷却介质入口温度T_coolant，通过步骤3所述主动控制系统输入来自步骤1建立的信号采集系统的温度传感器信号[T₁、T₂]^(t)，运行步骤3构建的主动控制策略程序，输出温度控制策略指令信号I^(t)到热电制冷器，对机床温度场进行控制进而实现热倾斜误差的自愈；并根据采集系统的位移传感器1(11-2-a)的测量值e₁，位移传感器2(11-2-b)的测量值e₂确定热倾斜误差自愈效果。