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(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210865979.3 (22)申请日 2022.07.22 (66)本国优先权数据 202210362077.8 2022.04.07 CN (71)申请人 上海理工大 学 地址 200093 上海市杨 浦区军工路516号 (72)发明人 范开国  (74)专利代理 机构 上海申汇 专利代理有限公司 31001 专利代理师 翁若莹 王晶 (51)Int.Cl. G06F 30/18(2020.01) G06F 30/20(2020.01) G06F 119/08(2020.01) G06F 111/10(2020.01) (54)发明名称 基于边界拓扑的热边界条件辨识方法 (57)摘要 本发明涉及一种基于边界拓扑的热边界条 件辨识方法, 采用热边界检测单元、 热边界拓扑 单元、 热边界条件辨识单元, 其中: 热边界检测单 元内置于主轴系统结合面的表 面, 采集主轴系统 结合面的温度, 采集到的主轴系统结合面的温度 数据用于 热边界拓扑, 热边界拓扑单元根据采集 到的主轴系统结合面的温度数据确定拓扑不变 量及拓扑结构, 热边界条件辨识单元根据拓扑边 界计算热边界条件, 并通过辨识模 型计算主轴系 统的热边界条件, 计算结果存储于数据库供主轴 系统热特性精确分析。 本发明的热边界条件辨识 方法, 不仅可以实现主轴系统结合面接触热阻的 辨识, 而且 可以实现主轴系统内热源生热量及对 流换热系数的辨识, 同时可用于主轴系统热特性 的精确分析。 权利要求书1页 说明书3页 附图1页 CN 115329516 A 2022.11.11 CN 115329516 A 1.一种基于边界拓扑的热边界条件辨识方法, 其特征在于: 采用热边界检测单元、 热边 界拓扑单元、 热边界条件辨识单元, 其中: 热边界检测单元内置于主轴系统结合面的表面, 采集主轴系统结合面的温度, 采集到的主轴系统结合面的温度数据用于热边界拓扑, 热边 界拓扑单元根据采集到的主轴系统结合面的温度数据确定拓扑不变量及拓扑结构, 热边界 条件辨识单元根据拓扑边界计算热边界条件, 并通过辨识模型计算主轴系统的热边界条 件, 计算结果存 储于数据库供主轴 系统热特性精确分析。 2.根据权利要求1所述的基于边界拓扑的热边界条件辨识方法, 其特征在于: 所述的热 边界检测单元包括: 微型贴片 式温度传感器、 数据采集系统, 其中: 微型贴片 式温度内嵌于 主轴系统结合面表面, 以实现结合面温度的实时测量, 测 量结果通过数据采集系统传输至 上位机。 3.根据权利要求1所述的基于边界拓扑的热边界条件辨识方法, 其特征在于: 所述的热 边界拓扑单元包括: 拓扑不变量、 拓扑边界, 其中: 拓扑不变量由所辨识主轴系统结合面组 件的界面温度组成, 拓扑边界是在保持界面温度不变的条件下, 采用均匀 化方法将两个主 轴系统结合组件间不连续的结合 面拓扑成结构连续的连续体。 4.根据权利要求1所述的基于边界拓扑的热边界条件辨识方法, 其特征在于: 所述的热 边界条件辨识单元包括: 接触热阻辨识模型、 热流密度辨识模型、 对流换热系数辨识模型, 接触热阻辨识模型根据拓扑边界的结构及材料物性采用同胚映射方法辨识主轴系统结合 面的接触热阻, 热流密度辨识模型根据主轴系统结合面接触热阻及界面温度通过反求法计 算内热源生热量, 对流换热系数辨识模型根据流过该组件的热流及界面温度反求对流换热 系数。 5.根据权利要求1所述的基于边界拓扑的热边界条件辨识方法, 其特征在于: 所述的热 边界检测单元将微型贴片温度传感器嵌入主轴系统结合面, 将检测到的界面温度传输至上 位机, 根据主轴系统组件结构及界面温度绘制温度分布图, 形成温度分布曲线T1T2、 T2T3、 T3Tw, 热边界拓扑单元将温度分布曲线T1T2延长, 过T3做X轴的平行线与T1T2的延长线 交于T3 点, 测量得T3T3长度L, 根据所测长度L将主轴系统组件连续拓扑, 则所拓扑区域L与结合面传 热等效, 热边界条件辨识单元根据拓扑边界L及主轴系统组件的材料物性应用接触热阻辨 识模型计算结合面的接触热阻, 根据接触热阻计算结果及界面温度应用热流密度辨识模型 计算流过结合面的热流, 根据流过结合面的热流及界面温度应用对流换热系数辨识模型计 算对流换热系 数, 采用相同方法辨识主轴系统其余结合面的热边界条件, 从而实现主轴系 统热边界条件的精确辨识。权 利 要 求 书 1/1 页 2 CN 115329516 A 2基于边界拓扑的热边界条件辨识 方法 技术领域 [0001]本发明涉及 一种高速主轴热特性的精确分析方法, 特别涉及一种基于边界拓扑的 热边界条件辨识方法。 背景技术 [0002]随着主轴转速提高及电主轴在高速机床广泛应用, 主轴高速运转产生的热变形严 重影响机床加工精度。 所以, 对高速主轴 热特性精确分析并控制是提高机床精度的关键技 术。 而主轴系统的热特性就像 “黑匣子”, 有诸多热边界条件 无法精确获得, 限制了热特性分 析及控制的准确 性。 因此, 解决高速、 高效、 高精度工作状态下的热特性精确分析及控制是 高速主轴的一项关键技 术, 对提高加工精度和寿命具有重要意 义。 [0003]要解决高速主轴热特性的精确 分析问题, 热边界条件的辨识是关键。 内热源生热 量、 对流换热系数、 结合面接触热阻是热特性分析的三个关键参数, 其辨识精度决定热特性 分析的准确性。 目前最为典型 的辨识方法包括理论计算法、 实验测量法、 智能优化法、 反求 法等。 但是, 由于热边界条件的复杂性及试验的局限性, 导致辨识精度与实际值存在一定偏 差; 再者, 由于热边界的形状、 部位和材 料等多种因素的影响, 导 致准确值难以确定 。 [0004]因此, 提出一种基于边界拓扑的热边界条件辨识方法, 通过微型贴片温度传感器 实时采集主轴系统结合面温度; 采用均匀化方法, 以界面温度为拓扑不变量, 将表面凹凸、 介质不均匀的结合面拓扑成材料物性已知的连续结构, 确定保持界面温度不变的连续体材 料物性、 结构及尺寸; 采用同胚映射及反求法辨识热边界条件。 发明内容 [0005]本发明是针对数控机床主轴系统热边界条件辨识存在的问题, 提出了一种基于边 界拓扑的热边界条件辨识方法, 可以用来精确辨识主轴 系统的热边界条件。 [0006]本发明是通过以下技 术方案实现的: [0007]一种基于边界拓扑的热边界条件辨识方法, 采用热边界检测单元、 热边界拓扑单 元、 热边界条件辨识单元, 其中: 热边界检测单元内置于主轴系统结合面的表面, 采集主轴 系统结合面的温度, 采集到的主轴系统结合面的温度数据用于热边界拓扑, 热边界拓扑单 元根据采集到的主轴系统结合面的温度数据确定拓扑不变量及拓扑结构, 热边界条件辨识 单元根据拓扑边界计算热边界条件, 并通过辨识模型计算主轴系统的热边界条件, 计算结 果存储于数据库供主轴 系统热特性精确分析。 [0008]进一步, 所述的热边界检测单元包括: 微型贴片式温度传感器、 数据采集系统, 其 中: 微型贴片式温度内嵌于主轴系统结合面表面, 以实现结合面温度的实时测量, 测量结果 通过数据采集系统传输 至上位机 。 [0009]进一步, 所述的热边界拓扑单元包括: 拓扑不变量、 拓扑边界, 其中: 拓扑不变量由 所辨识主轴系统结合面组件的界面温度组成, 拓扑边界是在保持界面温度不变的条件下, 采用均匀化方法将两个主轴 系统结合组件间不连续的结合 面拓扑成结构连续的连续体。说 明 书 1/3 页 3 CN 115329516 A 3

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