基于耦合自供电无线传感的高速精密电主轴热鲁棒性智能监测理论及基础技术研究

高速精密电主轴作为机床实现高速精密加工的核心功能部件，其性能的高低决.定了数控机床的整体发展水平。本项目开展基于耦合自供电与可靠通信的高速精密电主轴热鲁棒性无线传感监测理论与基础技术研究，提出电主轴耦合自供电无线传感智能监控的新思路和新方法。研究内容包括：（1）提出基于耦合自供电结构的无线传感器能量长效获取方法，解决热监测过程的传感器能量获取问题；（2）研究高速精密电主轴实际工况条件下无线传感器信号传输特性与机理，提出传感器信号发射的安全时域控制机制，基于空间场强分布特征的信号接收器优化布置方法，以及基于异常数据动态一致性辨识的数据后处理技术，解决无线传感器通信可靠性问题；（3）建立基于贝叶斯网络的主轴热鲁棒性智能预测模型，解决电主轴在线热监控预测问题。项目研究成果为我国高速精密电主轴的状态监测提供新的方法和技术，进而提升我国高档数控机床的发展水平。

本项目研究高速精密电主轴热鲁棒性无线传感监测理论与基础技术。重点围绕无线传感器自供电方法，机床工况条件下的无线传感器可靠通信技术和主轴及机床热鲁棒性建模三个方面开展研究工作，完成立项研究目标。研究工作及成果如下：. （1）提出并实现基于热电效应的主轴监测无线传感器供电新技术，解决主轴热监测过程中的传感器能量获取问题。首先研究主轴内部热-电能量转换特性，揭示了热-电转换电压输出和主轴转速间的近线性变化规律，证明了在主轴内部通过热发电驱动无线传感器的可行性，明确了主轴热发电构件的结构设计和系统优化方向。在此基础上，开展适于主轴无线监测的热发电构件的热交换结构研究，证明了不同热交换结构对热发电构件的电压输出特性存在显著影响，揭示了热发电构件在主轴内部的热传导机制，明确了影响热交换性能的关键结构参数，得到了关键参数优化值的近似计算公式，为热交换结构的优化设计提供了理论指导。同时，针对主轴热发电功率微小以及功率输出随主轴转速波动的特点，提出一种新的基于最优充放电时间的能量管理控制策略，并实现了能量管理系统电路的优化设计。该能量管理系统为热发电构件的能量存储和输出特性优化提供了有效的解决方案。在上述理论和基础技术研究的基础上，成功研制了适于主轴热特性监测的无线传感器自供电构件。. （2）提出基于通信质量约束的无线传感器优化配置方法，解决无线传感器在机床工况条件下的信号传输可靠性问题。机床内部金属部件所引起的多径衰落和路径损耗是影响无线通信质量的主要因素之一。根据机床中不同位置的无线信号强度和温度-热变形敏感程度，建立最优目标函数和可靠性约束模型，实现通信质量约束条件下传感器测点的优化选择。. （3）建立基于贝叶斯网络的机床热鲁棒性预测模型和基于最小二乘支持向量机的多工况数控机床热误差模型，解决机床热监控预测问题。同时，开展神经网络、支持向量机和贝叶斯网络热鲁棒性建模比较研究，揭示了三种方法在建模精度、计算复杂度、建模难易度及可理解性上的不同特性，给出了各方法所适用的不同数据特征和分析需求。. 上述项目研究成果为我国高速精密电主轴的状态监测提供了新的方法和技术，并可进一步广泛应用于旋转类机械结构的状态监控。