精密恒温箱结构设计及环境控制

• 作 者: 李强
• 发表日期: 2014年01期
• 关键词: 恒温箱 气流组织 CFD数值模拟 PID控制

为了保证精密机床工作在正常的条件下,充分发挥精密加工性能,需要对周围的环境温度进行严格的控制。本实验机床要求恒温精度要求为50±0.1°,对空气流速要求低于1m/s,并对空气流速及温度有严格的均匀性要求。本文重点研究精密恒温箱体的结构设计。文中首先对各种送回风对气流组织的影响进行分析,进而构建满足要求的送回风系统,提出了两种基于此送回风系统的恒温箱体结构,并根据工作条件要求选用合适的制热元件,通过计算确定通风量、热损失量等参数值。采用CFD数值模拟方法,分析两种结构在相同环境下其恒温室的温度场和速度场均匀性,及在有热源扰量作用时两者温度动态响应特性,最终确定最佳结构设计。最后,利用三维软件构建整个模型结构,通过CFD数值模拟分析工作室内无热源、有恒定热源两种情况下的温度场及速度场的变化来优化结构,通过不断的分析改进结构及其他参数,最终确定最合理的环境控制箱体结构。本文采用多通道温度采集系统对环境控制箱温度进行采集。针对制热箱内的温度数据,建立了基于DS18B20的温度检测系统。对于恒温箱恒温室内的高精度控制,本文选用高精度的铂电阻温度传感器,其能采集精度为0.01℃。讨论了PID控制理论在温度控制系统中的应用,介绍了PID控制算法数字化的方法,确定了控制箱体数学模型为—阶纯滞后模型,并通过对环境控制箱体施加阶跃信号,获得箱体输出数据。利用系统辨识的方法获得箱体的数学模型其参数确切值。对建立的PID控制系统进行了试验测试,且满足控制要求。