基于数字孪生的电主轴热特性研究

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2022.16.010

摘要/Abstract

摘要： 为提高热特性有限元分析精度，提出了基于数字孪生的电主轴热特性分析方法。搭建基于IoT数据采集系统的电主轴热特性数字孪生物理空间，设计开发基于Java、ANSYS、MATLAB联合编程的热特性数字孪生系统，提出了基于关键测温点温度的热边界条件修正模型，实现了物理空间与虚拟空间的数据映射及热特性数字孪生。实验结果表明，热特性数字孪生体的温度精度达98%，热变形精度达95%，有效提高了热特性有限元分析精度。

关键词: 热特性, 数字孪生, ANSYS参数化设计语言, 系统开发, 电主轴

Abstract: In order to improve the simulation accuracy of thermal characteristics， adigital twin-based simulation method for thermal characteristics was proposed. The physical space of digital twin for thermal characteristics of a motorized spindle was built based on the IoT data acquisition system. A digital twin system for thermal characteristics was developed based on Java， ANSYS and MATLAB. Correction models of thermal boundary conditions were proposed based on the temperatures of thermal key points. Data mapping between physical space and virtual space and digital twin for thermal characteristics of motorized spindles were realized using the proposed method. Experimental results show that the simulation accuracies of temperature field and thermal deformation are as 98% and 95% respectuely using the proposed digital twin-based simulation method for thermal characteristics， which effectively improves the accuracy of finite element analysis of thermal characteristics.

Key words: , thermal characteristics, digital twin, ANSYS parametric design language（APDL）, system development, motorized spindle

中图分类号:

TG659

徐荣飞, 范开国. 基于数字孪生的电主轴热特性研究[J]. 中国机械工程, 2022, 33(16): 1965-1971.

XU Rongfei, FAN Kaiguo. Research on Thermal Characteristics of Motorized Spindles Based on Digital Twin[J]. China Mechanical Engineering, 2022, 33(16): 1965-1971.

参考文献

［1］李浩，王昊琪，程颖，等. 数据驱动的复杂产品智能服务技术与应用［J］. 中国机械工程， 2020， 31（7）：757-772.
LI Hao， WANG Haoqi， CHENG Ying， et al. Data-driven Intelligent Service Technology and Application of Complex Products［J］. China Mechanical Engineering， 2020， 31（7）：757-772.
［2］伍良生，罗吉成，周大帅，等. 高速高精密机床主轴温度场的有限元分析［J］. 现代制造工程， 2008（9）：15-17.
WU Liangsheng， LUO Jicheng， ZHOU Dashuai， et al. Finite Element Analysis of the Temperature Field of the Spindle of High-speed and High-precision Machine Tools［J］. Modern Manufacturing Engineering， 2008（9）：15-17.
［3］CHOI J K， LEE D G. Thermal Characteristics of the Spindle Bearing System with a Gear Located on the Bearing Span［J］. International Journal of Machine Tools & Manufacture， 1998（38）：1017-1030.
［4］BOSSMANNS B， TU J F. A Thermal Model for High Speed Motorized Spindles［J］. International Journal of Machine Tools & Manufacture， 1999， 39（9）：1345-1366.
［5］张丽秀，李超群，李金鹏，等. 高速高精度电主轴温升预测模型［J］. 机械工程学报， 2017， 53（23）：129-136.
ZHANG Lixiu， LI Chaoqun， LI Jinpeng， et al. High-speed and High-precision Motorized Spindle Temperature Rise Prediction Model［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2017， 53（23）：129-136.
［6］邓小雷，戴温克，周翎飞，等. 数控机床主轴-立柱系统热态特性分析与测试［J］. 光学精密工程， 2020， 28（3）：601-609.
DENG Xiaolei， DAI Wenke， ZHOU Lingfei， et al. Analysis and Testing of Thermal Characteristics of CNC Machine Tool Spindle-column System［J］. Optics and Precision Engineering， 2020， 28（3）：601-609.
［7］邓小雷，林欢，王建臣，等. 机床主轴热设计研究综述［J］. 光学精密工程， 2018， 26（6）：1415-1429.
DENG Xiaolei， LIN Huan， WANG Jianchen， et al. Review of Research on Thermal Design of Machine Tool Spindles［J］. Optics and Precision Engineering， 2018， 26（6）：1415-1429.
［8］李郝林，应杏娟. 数控机床主轴系统热误差温度测量的最优化设计方法［J］. 中国机械工程， 2010， 21（7）：804-808.
LI Haolin， YING Xingjuan. A Design Method of Temperature Measurement Points for Thermal Error of Machine Spindle［J］. China Mechanical Engineering， 2010， 21（7）：804-808.
［9］胡秀琨. 面向数字孪生的车间制造过程远程监测系统设计［D］. 武汉：华中科技大学， 2019.
HU Xiukun. Design of a Remote Monitoring System for Workshop Manufacturing Process Oriented to Digital Twins［D］. Wuhan：Huazhong University of Science and Technology， 2019.
［10］张亚斌. 多参数影响的高速电主轴热态特性研究［D］. 兰州：兰州理工大学， 2019.
ZHANG Yabin. Research on Thermal Characteristics of High Speed Motorized Spindle with Multi Parameter Influence［D］. Lanzhou：Lanzhou University of Technology， 2019.
［11］代贵松. 高速电主轴热特性分析及其热误差建模补偿研究［D］. 上海：上海交通大学， 2014.
DAI Guisong. Research on Thermal Characteristics Analysis of High-speed Motorized Spindle and Thermal Error Modeling Compensation［D］. Shanghai：Shanghai Jiaotong University， 2014.
［12］范开国，高芮，周昊，等. 机床热特性参数在线修正研究［J］. 机械工程与技术， 2018， 7（6）：480-486.
FAN Kaiguo， GAO Rui， ZHOU Hao， et al. Research on Online Correction of Machine Tool Thermal Parameters［J］. Mechanical Engineering and Technology， 2018， 7（6）：480-486.
［13］康子雄，位文明，李旸，等. 精密卧式加工中心主轴系统热特性分析［J］. 组合机床与自动化加工技术， 2011（11）：1-5.
KANG Zixiong， WEI Wenming， LI Yang， et al. Thermal Characteristics Analysis of the Spindle System of a Precision Horizontal Machining Center［J］. Modular Machine Tool and Automatic Processing Technology， 2011（11）：1-5.
［14］王新新. 高速电主轴的热-结构分析及温度预测研究［D］. 成都：西华大学， 2012.
WANG Xinxin. Thermal-structural Analysis and Temperature Prediction of High-speed Motorized Spindle［D］. Chengdu：Xihua University， 2012.

[1]	李聪波, 孙鑫, 侯晓博, 赵希坤, 吴少卿. 数字孪生驱动的数控铣削刀具磨损在线监测方法[J]. 中国机械工程, 2022, 33(01): 78-87.
[2]	闫天红, 王维刚, 赵海峰, 周国强. 现役导管架平台结构监测系统开发与数字孪生技术[J]. 中国机械工程, 2021, 32(20): 2508-2513.
[3]	谭飏1；张宇2；刘丽冰1；杨泽青1. 面向动力学特性监测的主轴系统数字孪生体[J]. 中国机械工程, 2020, 31(18): 2231-2238，2246.
[4]	李浩, 王昊琪, 程颖, 陶飞, 郝兵, 王新昌, 纪杨建, 宋文燕, 杜文辽, 文笑雨, 巩晓赟, 李客, 张映锋, 罗国富, 李奇峰. [数据驱动的智能服务]数据驱动的复杂产品智能服务技术与应用[J]. 中国机械工程, 2020, 31(07): 757-772.
[5]	陈勇, 陈燚, 裴植, 王成. [数字孪生驱动的智能制造]基于文献计量的数字孪生研究进展分析[J]. 中国机械工程, 2020, 31(07): 797-807.
[6]	郭具涛, 洪海波, 钟珂珂, 刘骁佳, 郭宇. [数字孪生驱动的智能制造]基于数字孪生的航天制造车间生产管控方法[J]. 中国机械工程, 2020, 31(07): 808-814.
[7]	丁华, 杨亮亮, 杨兆建, 王义亮, . [数字孪生驱动的智能制造]数字孪生与深度学习融合驱动的采煤机健康状态预测[J]. 中国机械工程, 2020, 31(07): 815-823.
[8]	江海凡, 丁国富, 张剑. [数字孪生驱动的智能制造]数字孪生车间演化机理及运行机制[J]. 中国机械工程, 2020, 31(07): 824-832,841.
[9]	孙惠斌, 颜建兴, 魏小红, 常智勇, . [数字孪生驱动的智能制造]数字孪生驱动的航空发动机装配技术[J]. 中国机械工程, 2020, 31(07): 833-841.
[10]	刘志峰1;孙海明1，2 . 电主轴滚动轴承轴向预紧技术综述[J]. 中国机械工程, 2018, 29(14): 1711-1723,1763.
[11]	邱荣华, 巨孔亮, 董友耕, 屈萍鸽, 刘宏昭. 基于性能退化的小子样电主轴可靠性试验研究[J]. 中国机械工程, 2016, 27(20): 2738-2742,2748.
[12]	乔晓利, 祝长生, 钟志贤. 基于主动磁轴承的切削颤振稳定性分析及控制[J]. 中国机械工程, 2016, 27(12): 1632-1637.
[13]	芮执元, 李特, 雷春丽, 胡赤兵. 高速电主轴中的离心现象及其影响[J]. 中国机械工程, 2015, 26(21): 2853-2862.
[14]	刘水长1,2;谷正气3;张勇1,3;凡遵金1. 自卸车发动机舱内热流场分析及优化[J]. 中国机械工程, 2015, 26(12): 1621-1625.
[15]	邱荣华, 刘宏昭. 高速电主轴非接触电磁加载装置设计与实现[J]. 中国机械工程, 2014, 25(8): 1027-1032.