CN110717292B - 一种基于数控机床综合工况参数的生热功率计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于数控机床综合工况参数的生热功率计算方法。本方法首先利用机床在线监测***采集数控机床内部传感器的信息，再将外部信号采集装置采集温度传感器测量的温度信息传输至数据采集***；利用获得的数控机床综合工况参数信息，计算数控机床部件的生热功率，经过双重对比验证可以获得数控机床部件较为准确的生热功率。这使得生热功率计算值更加准确，精度更高，可更加全面考虑机床综合工况的影响因素。满足了简单、高精度的生热功率计算方法，进而达到建立数控机床准确温度场的目的。

Description

一种基于数控机床综合工况参数的生热功率计算方法
技术领域
本发明属于数控机床技术领域，涉及一种生热功率的计算方法，尤其是一种基于数控机床综合工况参数的生热功率计算方法。
背景技术
数控机床热特性的分析与优化是一种控制机床热误差，提升数控机床精度及其热稳定性的重要方法。再进行机床热特性分析时关键是建立一个精准的数控机床温度场分布模型，常用的建模方法主要有两种：一种是利用实验测量的方法，另一种是利用有限元分析方法进行计算。实验测量法具有的优点是测量得到的数据更接近准确值，不足之处是由于实验条件所限，只能测量数控机床上有限位置的温度值，无法获得整机温度场的全面信息。而采用有限元分析方法对数控机床温度场进行计算，优点是在计算结果中，可以得到数控机床任意位置的温度数值变化信息，但此方法的缺点是，由于有限元分析边界条件的设置通常与实际情况不一样，有限元分析结果的误差会比较大。并且机床在不同状态下运行时，生热率会随之非线性的改变。
综上所述，针对于目前数控机床温度场建立方法的不足，有必要提出一种新的生热功率计算方法，通过实验测量数控机床综合工况参数与有限元仿真结合的方法准确计算数控机床的生热功率，进而可以建立更加精确数控机床的温度场分布模型。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于数控机床综合工况参数的生热功率计算方法，本方法通过实验测量与有限元分析结合的方法准确计算数控机床的生热功率，进而可以建立更加精确数控机床的温度场分布模型。该方法具有简单、精度高、可对准确获得数控机床生热功率的优点，适合中高档数控机床的温度场的建立。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于数控机床综合工况参数的生热功率计算方法，首先利用机床在线监测***通过以太网与数控机床***连接，采集数控机床内部传感器的信息，再将外部信号采集装置采集温度传感器测量的温度信息传输至数据采集***。
数控机床内部传感器为数控机床自身具有的传感器，包括电流传感器和转速传感器；所述数控机床内部传感器中电流传感器测量数控机床主轴电机的电流和伺服电机的电流；转速传感器测量数控机床主轴的转速和伺服电机的转速。
机床在线监测***用于接收、显示和存储来自数控机床内部传感器的转速、电压、电流信息，并根据这些参数计算得到数控机床主轴***的输入总功率PS和数控机床进给***的输入总功率PF。
数控机床内部传感器连接至机床数控***，数控***通过以太网的通讯方式将数控机床内部传感器监测信息传输至机床在线监测***。
温度测量装置用于实时采集外部温度传感器测量的温度信息，并与数据采集***相连。
外部温度传感器测量数控机床关键位置的温度信息，其中数控机床关键位置包括：伺服轴电机包括T1、T3、T13、T18位置、伺服轴电机的电机座包括T2、T4、T14、T19位置、伺服轴轴承座包括T5、T12、T15、T20位置、伺服轴导轨包括T6、T7、T11、T16、T17、T22位置、主轴上侧在T8位置、主轴下侧在T10位置、主轴右侧在T9位置和主轴左侧在T21位置。
根据所述的一种基于数控机床综合工况参数的生热功率计算方法，数控机床主轴***生热功率的计算方法其包含如下步骤：
步骤1，数控机床主轴在速度VS状态下运转，利用机床在线监测***获得的信息计算数控机床主轴在速度VS状态下主轴电机和主轴轴承的生热功率；
步骤2，将步骤1计算得到的数控机床主轴在速度VS状态下主轴电机和主轴轴承生热功率相加得到实际总生热功率PS1与数控机床主轴***的输入总功率PS比较，若两者之差大于10％，则返回步骤2重新计算数控机床主轴电机和主轴轴承的生热功率。
步骤3，将满足步骤2条件的数控机床主轴电机和主轴轴承的生热功率作为有限元仿真的边界条件，利用有限元仿真软件对数控机床主轴***的温度场进行仿真，同时在仿真结果中提取外部温度传感器对应位置的温度值TS-sim。
步骤4，将步骤3中仿真得到的数控机床主轴***的温度值TS-sim与温度传感器测量得到的实际温度值TS-act进行比较，若两者之差大于3％，则返回步骤1重新计算数控机床主轴***的生热功率。若两者之差小于3％，则认为步骤1所计算得到的主轴电机和主轴轴承的生热功率为准确值。
步骤5，改变数控机床主轴运转速度，重复步骤1到步骤4，即可得到不同工况下主轴电机和主轴轴承的生热功率。
根据所述的一种基于数控机床综合工况参数的生热功率计算方法，数控机床进给***生热功率的计算方法其特征包含如下步骤：
步骤1，数控机床进给***在速度VF状态下运转，利用机床在线监测***获得的信息计算数控机床进给***在速度VF状态下伺服电机、轴承、丝杠螺母副和导轨的生热功率；
步骤2，将步骤1计算得到的数控机床进给***在速度VF状态下伺服电机、轴承、丝杠螺母副和导轨生热功率相加与数控机床进给***的输入总功率PF比较，若两者之差大于10％，则返回步骤1重新计算数控机床进给***部件的生热功率。
步骤3，将满足步骤2条件的数控机床伺服电机、轴承、丝杠螺母副和导轨的生热功率作为有限元仿真的边界条件，利用有限元仿真软件对机床进给***的温度场进行仿真，同时在仿真结果中提取外部温度传感器对应位置的温度值TF-sim。
步骤4，将步骤3中仿真得到的数控机床进给***的温度值TF-sim与温度传感器测量得到的实际温度值TF-act进行比较，若两者之差大于3％，则返回步骤1重新计算机床进给***部件的生热功率。若两者之差小于3％，则认为步骤1所计算得到的数控机床伺服电机、轴承、丝杠螺母副和导轨的生热功率为准确值。
步骤5，改变数控机床进给***运转速度，重复步骤1到步骤4，即可得到不同工况下数控机床伺服电机、轴承、丝杠螺母副和导轨的生热功率。
本发明具有以下有益效果：本发明的基于数控机床综合工况参数的生热功率计算方法，首先利用机床在线监测***通过以太网与数控机床***连接，采集数控机床内部传感器的信息，再将外部信号采集装置采集温度传感器测量的温度信息传输至数据采集***。再利用获得的数控机床综合工况参数信息，计算数控机床部件的生热功率。首先将数控机床部件的生热功率与数控机床生热总功率对比，然后在有限元分析结果中提取温度与温度测量装置获得温度对比，经过双重对比验证可以获得数控机床部件较为准确的生热功率。这使得计算值更加准确，精度更高，可更加全面考虑机床综合工况的影响因素。满足了简单、高精度的生热功率计算方法，进而达到建立数控机床准确温度场的目的。
附图说明
图1为数控机床主轴***生热功率的计算方法流程图；
图2为数控机床进给***生热功率的计算方法流程图；
图3为外部温度传感器布置位置示意图；其中T1、T3、T13、T18为伺服轴电机位置、T2、T4、T14、T19为伺服轴电机的电机座位置、T5、T12、T15、T20为伺服轴轴承座位置、T6、T7、T11、T16、T17、T22为伺服轴导轨位置、T8主轴上侧位置、T10主轴下侧位置、T9主轴右侧位置和T21主轴左侧位置。
对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
一种基于数控机床综合工况参数的生热功率计算方法，首先利用机床在线监测***通过以太网与数控机床***连接，采集数控机床内部传感器的信息，再将外部信号采集装置采集温度传感器测量的温度信息传输至数据采集***。
机床在线监测***在数控机床运行时可以监测数控机床主轴电机与伺服电机的转速、电压、电流，并根据这些参数计算得到数控机床主轴***的输入总功率PS和数控机床进给***的输入总功率PF。数据采集***在数控机床运行时可以采集温度测量装置布置在机床各个位置的温度信息。
根据图1所示数控机床主轴***生热功率的计算方法流程图，数控机床主轴***生热功率的计算方法其包含如下步骤：
步骤1，数控机床主轴在速度VS状态下运转，利用机床在线监测***获得的信息计算数控机床主轴在速度VS状态下主轴电机和主轴轴承的生热功率；
步骤2，将步骤1计算得到的数控机床主轴在速度VS状态下主轴电机和主轴轴承生热功率相加得到实际总生热功率PS1与数控机床主轴***的输入总功率PS比较，若两者之差大于10％，则返回步骤2重新计算数控机床主轴电机和主轴轴承的生热功率。
步骤3，将满足步骤2条件的数控机床主轴电机和主轴轴承的生热功率作为有限元仿真的边界条件，利用有限元仿真软件对数控机床主轴***的温度场进行仿真，同时在仿真结果中提取外部温度传感器对应位置的温度值TS-sim。
步骤4，将步骤3中仿真得到的数控机床主轴***的温度值TS-sim与温度传感器测量得到的实际温度值TS-act进行比较，若两者之差大于3％，则返回步骤1重新计算数控机床主轴***的生热功率。若两者之差小于3％，则认为步骤1所计算得到的主轴电机和主轴轴承的生热功率为准确值。
步骤5，改变数控机床主轴运转速度，重复步骤1到步骤4，即可得到不同工况下主轴电机和主轴轴承的生热功率。
根据图2所示数控机床进给***生热功率的计算方法流程图，数控机床进给***生热功率的计算方法其特征包含如下步骤：
步骤1，数控机床进给***在速度VF状态下运转，利用机床在线监测***获得的信息计算数控机床进给***在速度VF状态下伺服电机、轴承、丝杠螺母副和导轨的生热功率；
步骤2，将步骤1计算得到的数控机床进给***在速度VF状态下伺服电机、轴承、丝杠螺母副和导轨生热功率相加与数控机床进给***的输入总功率PF比较，若两者之差大于10％，则返回步骤1重新计算数控机床进给***部件的生热功率。
步骤3，将满足步骤2条件的数控机床伺服电机、轴承、丝杠螺母副和导轨的生热功率作为有限元仿真的边界条件，利用有限元仿真软件对机床进给***的温度场进行仿真，同时在仿真结果中提取外部温度传感器对应位置的温度值TF-sim。
步骤4，将步骤3中仿真得到的数控机床进给***的温度值TF-sim与温度传感器测量得到的实际温度值TF-act进行比较，若两者之差大于3％，则返回步骤1重新计算机床进给***部件的生热功率。若两者之差小于3％，则认为步骤1所计算得到的数控机床伺服电机、轴承、丝杠螺母副和导轨的生热功率为准确值。
步骤5，改变数控机床进给***运转速度，重复步骤1到步骤4，即可得到不同工况下数控机床伺服电机、轴承、丝杠螺母副和导轨的生热功率。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于数控机床综合工况参数的生热功率计算方法，其特征在于：首先利用机床在线监测***通过以太网与数控机床***连接，采集数控机床内部传感器的信息，再将外部信号采集装置采集温度传感器测量的温度信息传输至数据采集***，机床在线监测***在数控机床运行时可以监测数控机床主轴电机与伺服电机的转速、电压、电流，并根据这些参数计算得到数控机床主轴***的输入总功率PS和数控机床进给***的输入总功率PF，数据采集***在数控机床运行时可以采集温度测量装置布置在机床各个位置的温度信息；
数控机床主轴***生热功率的计算方法包含如下步骤：
步骤1，数控机床主轴在速度VS状态下运转，利用机床在线监测***获得的信息计算数控机床主轴在速度VS状态下主轴电机和主轴轴承的生热功率；
步骤2，将步骤1计算得到的数控机床主轴在速度VS状态下主轴电机和主轴轴承生热功率相加得到实际总生热功率PS1与数控机床主轴***的输入总功率PS比较，若两者之差大于10％，则返回步骤2重新计算数控机床主轴电机和主轴轴承的生热功率；
步骤3，将满足步骤2条件的数控机床主轴电机和主轴轴承的生热功率作为有限元仿真的边界条件，利用有限元仿真软件对数控机床主轴***的温度场进行仿真，同时在仿真结果中提取外部温度传感器对应位置的温度值TS-sim；
步骤4，将步骤3中仿真得到的数控机床主轴***的温度值TS-sim与温度传感器测量得到的实际温度值TS-act进行比较，若两者之差大于3％，则返回步骤1重新计算数控机床主轴***的生热功率, 若两者之差小于3％，则认为步骤1所计算得到的主轴电机和主轴轴承的生热功率为准确值；
步骤5，改变数控机床主轴运转速度，重复步骤1到步骤4，即可得到不同工况下主轴电机和主轴轴承的生热功率。
2.一种基于数控机床综合工况参数的生热功率计算方法，其特征在于：首先利用机床在线监测***通过以太网与数控机床***连接，采集数控机床内部传感器的信息，再将外部信号采集装置采集温度传感器测量的温度信息传输至数据采集***，机床在线监测***在数控机床运行时可以监测数控机床主轴电机与伺服电机的转速、电压、电流，并根据这些参数计算得到数控机床主轴***的输入总功率PS和数控机床进给***的输入总功率PF，数据采集***在数控机床运行时可以采集温度测量装置布置在机床各个位置的温度信息；
数控机床进给***生热功率的计算方法包含如下步骤：
步骤1，数控机床进给***在速度VF状态下运转，利用机床在线监测***获得的信息计算数控机床进给***在速度VF状态下伺服电机、轴承、丝杠螺母副和导轨的生热功率；
步骤2，将步骤1计算得到的数控机床进给***在速度VF状态下伺服电机、轴承、丝杠螺母副和导轨生热功率相加与数控机床进给***的输入总功率PF比较，若两者之差大于10％，则返回步骤1重新计算数控机床进给***部件的生热功率；
步骤3，将满足步骤2条件的数控机床伺服电机、轴承、丝杠螺母副和导轨的生热功率作为有限元仿真的边界条件，利用有限元仿真软件对机床进给***的温度场进行仿真，同时在仿真结果中提取外部温度传感器对应位置的温度值TF-sim；
步骤4，将步骤3中仿真得到的数控机床进给***的温度值TF-sim与温度传感器测量得到的实际温度值TF-act进行比较，若两者之差大于3％，则返回步骤1重新计算机床进给***部件的生热功率, 若两者之差小于3％，则认为步骤1所计算得到的数控机床伺服电机、轴承、丝杠螺母副和导轨的生热功率为准确值；
步骤5，改变数控机床进给***运转速度，重复步骤1到步骤4，即可得到不同工况下数控机床伺服电机、轴承、丝杠螺母副和导轨的生热功率。
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