CN101352814A - 用于机床的温度控制系统 - Google Patents

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河合知彦
蛯原建三
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Abstract

本发明提供一种用于机床的温度控制系统，该温度控制系统能够迅速地响应环境温度变化。机床的机械部由机床罩包围。通过导管和气体轴承通道，从机械部中的气体轴承将由温度控制器控制的气体排放到由机床罩包围的区域。设置分支管道以将从温度控制器排放的部分气体迅速的传入机床罩内部的温度传感器。温度传感器测量通过以预定的比率将从管道直接传入的气体和机床罩内部的空气混合获得的气体混合物的温度。温度传感器测量的结果被反馈到温度控制器以控制提供到气体轴承的气体的温度。

Description

用于机床的温度控制系统
技术领域
本发明涉及用于机床的温度控制系统，该机床执行纳米级加工。
背景技术
在超精度机械(例如用于纳米级加工或测量的机床或测量设备)中，环境温度影响加工精确性和测量精确性，从而改变加工或测量的形状。需要高精度温度控制来消除环境温度的影响。
在图8所示的机床中，机械部2的内部与气体轴承的通道形成网络。为了精细加工，机械部2和控制器14被安装在空气调节室15中，并在机械部2和控制器14周围设置用于操作员16的安全的隔板17。通过温度控制器6使供给气体轴承的气体的温度保持恒定。温度控制器6设置有一种机构，供给该机构例如来自压缩机18的压缩空气等气体，并且该机构用于将所提供的气体加热或冷却(见JP2004-255494A)。
如图2所示，为了将用于气体轴承的气体的温度保持恒定，通过位于温度控制器6内或温度控制器6的气体出口附近的温度传感器10a检测气体温度，并且将气体温度反馈给温度控制器6以维持恒定的气体温度。
在该系统中，温度控制器6的温度传感器10a没有被配置来检测机床1周围的温度，因此，温度传感器10a不容易被机床周围的微小的温度变化所影响。然而，控制器6无法处理机床1周围的实际的温度变化。
如图3所示，如果温度传感器10b被设置在机床机械部2的表面或内部，则根据机械部2的温度变化来控制用于气体轴承的气体的温度。
然而，通常，机床机械部2的热容量非常大。因此，如果在图3的配置中在机床1的周围或在机械部2中引起温度变化，则在由温度控制器6和用于气体轴承的气体将该温度保持恒定之前需要花费很长时间。从而，如果时间常数太大以至于机床机械部2的热容量对于气体来说非常大，则无法执行满意的温度控制。
如图4所示，如果依靠位于机床罩3内部并脱离机床机械部2的位置的温度传感器10c来检测机床罩3内部的温度，则由温度传感器10c来检测温度的气体是在已经通过气体轴承通道4的气体通过轴承部分之后，从机械部2排放到机床罩3内部的空间的气体。
在该情况下，可以控制由温度传感器10c测量的机床罩3内部的温度，以与目标温度一致地稳定该温度。然而，由于供给气体轴承的气体改变温度来建立该状态，因此，机械部2的温度也发生改变。从而，无法消除机械部2的温度变化，即，不能达到最初的目的。
如前所述，因为机床是很大的金属体，该金属体的热容量非常大，所以机床的温度控制容易被延迟。为了处理该问题，应该基于除机械部之外的任意其它小容量部分的温度，通过预测机床机械部的将来温度变化更适宜地执行预先的温度控制。
然而，机床机械部的温度难于被控制，主要是由于机床的温度依赖于机床罩内部的气体及用于气体轴承的气体两者的各自温度，以及由于这些温度双方以适于每一单个机床的比率互相影响。
发明内容
本发明提供一种用于机床的温度控制系统，基于机床中的气体和提供给气体轴承的气体的各个温度，该温度控制系统能够以温度传感部件的减小的时间常数，即以提高的对热的响应，迅速地响应环境温度变化。
提供一种温度控制系统，该温度控制系统用于具有设置气体轴承的机械部以及围绕该机械部的机床罩的机床。该温度控制系统包括：温度传感器，其设置在机床罩内并且不与机械部接触；温度控制器，其对要提供给气体轴承的气体进行加热/冷却以保持机械部的温度恒定；及导管，其将从所述温度控制器排放的气体中的预定部分直接引导到所述温度传感器。
该气体轴承可以包括使用空气作为工作气体的空气轴承。
导管内的气体的流率被调整，使得机床罩内部的温度对温度传感器检测到的温度的影响和从温度控制器排放的气体的温度对温度传感器检测到的温度的影响之间的比率等于机床罩内部的温度对机械部的温度的影响和从温度控制器排放的气体的温度对机械部的温度的影响之间的比率。
根据本发明，温度传感器检测机械部周围的温度，并且通过将从温度控制器排放的部分气体直接传入温度传感器，使由温度传感器检测的温度受到从温度控制器排放的气体的温度的影响。因此，提高了控制能力从而使机床机械部的温度可以被保持恒定。
此外，根据本发明，不需要在数量上增加用于控制机床机械部的温度的温度传感器，因此，该温度控制系统并不复杂。
附图说明
图1是示出本发明的温度控制系统的一个实施例的示意图；
图2示出温度控制系统的示例，其中现有技术的温度传感器位于温度控制器的出口附近；
图3示出温度控制系统的示例，其中温度传感器被设置在机床机械部的表面或内部；
图4示出温度控制系统的示例，其中温度传感器被设置在机床罩内部并脱离机床机械部的位置；
图5示出测量方法的示例，该测量方法用于测量机床罩内部的气体和气体轴承的气体对机床机械部的的影响之间的比率；
图6示出由图5中所示的测量方法获得的测量结果的示例；
图7示出用于确定用于变流节流阀的最适宜的开口的方法的示例；
图8是示出在空气调节室中安装的机床的示意图。
具体实施方式
图1是示出本发明的温度控制系统的一个实施例的示意图。本实施例的机床1包括作为温度控制对象的、用于超精加工的机床机械部2。如图8所示，通常，在执行超精加工时，机床被安装在空气调节室中。
对机床1设置机床机械部2和罩着机床机械部2的机床罩3。机床机械部2被机床罩3包围，并且机械部2的内部以气体轴承通道4形成网络。来自气体轴承通道4的气体(例如，空气)被提供给气体轴承(未示出)。对温度控制器6提供气体7，气体7例如是由压缩机压缩的空气(见图8)。通过管道5和气体轴承通道4，将受到温度控制器6温度控制的气体7从机床机械部2中的气体轴承的轴承部分(未示出)排放到由机床罩3包围的区域。
导管9设置作为分支管道以从机床罩3外部的一部分管道5延伸。分支管道9将从温度控制器6提供的一部分气体引导到温度传感器10c，温度传感器10c被设置在机床罩3内部并不与机床机械部2接触。此外，变流节流阀11被设置在分支管道9中以使传入温度传感器10c的气体的流率可调整。
设置变流节流阀11的开口以使气体以预定的流率流动，从而机床罩内部的温度和提供给气体轴承的气体的温度对温度传感器10c的影响与这些温度对机床机械部2的影响相同。
温度传感器10c测量温度测量区域12中的气体温度，温度测量区域12中，从分支管道9直接传入的气体以预定的比率与机床罩3内部的空气混合。通过信号线8将由温度传感器10c测量的温度检测信号反馈到温度控制器6。
通过该设置，能够以短的时间常数来控制机床机械部2的温度。
下面是从温度控制器6直接传入温度传感器10c附近的气体的流率的定性描述。实验证明，机床机械部2的温度变化ΔM、机床罩内部气体的温度变化ΔC、从温度控制器6提供的气体的温度变化ΔA具有由以下等式(1)和(2)确定的关系：
ΔM＝ΔC×α+ΔA×β，            (1)
α+β＝1(0＜α＜1，0＜β＜1)，    (2)
其中，等式(1)仅在经过足够时间之后有效。
等式(1)右边的值ΔC和ΔA是空气或某些其它气体的温度变量，其表示具有高的过热响应的改变，从而热容量非常小且时间常数短。因此，在实际值M改变之前，根据等式(1)能够从C和A的当前值推测ΔM。
因此，通过控制从温度控制器6提供的气体的温度A使等式(1)的右边为0，能够执行具有短的时间常数的温度控制。如果ΔM为0，则M仍然是恒定的。由于α和β之间的比率根据机床1的配置而变化，因此，基于测量预先设置该比率。
下面是预先测量方法的示例的描述，预先测量方法用于测量机床罩3内部的气体的影响和机床机械部2上的气体轴承的气体的影响之间的比率，以设置α和β之间的比率。
如图5所示，温度传感器10a位于从温度控制器6排放气体的通道中，温度传感器10b位于机床机械部2的表面或内部，温度传感器10c位于机床罩内部并脱离机械部2的位置。通过测量设备13的部件能够测量由温度传感器10a、10b和10c检测的温度。
如果在该情况下从温度控制器6排放的气体的温度的设置值改变ΔA，则机床机械部2的温度和机床罩3内部的温度相应地改变并在给定的时间内达到稳态。这些温度的改变由ΔM和ΔC分别给出(见图6)。通过将值ΔA、ΔM和ΔC替换到等式(1)中并求解联立的等式(1)和(2)，能够确定值α和β。
变流节流阀11的开口必须实际设置。从而，如图7所示，分别通过温度传感器10d和10b测量空气的温度和机械部2的温度，而不用明确地获得α和β，能够一点一点地调整变流节流阀11的流率以确定用于机床机械部2的温度控制的最适宜的节流阀开口。
可能地，如果通过增加附加部件更改机床1的配置以使机床机械部2的热容量改变，或者如果该附加部件包括气体轴承以使气体被排入机床罩3围绕的区域，则α和β之间的比率可能改变。在该情况下，必须再次调整变流节流阀11的开口以调节要被直接传到温度传感器10c的气体的流率。

Claims (3)

1.一种温度控制系统，该温度控制系统用于机床，该机床具有设置有气体轴承的机械部以及围绕该机械部的机床罩，所述温度控制系统包括：
温度传感器，其设置在机床罩内并且不与机械部接触；
温度控制器，其对要提供给气体轴承的气体进行加热/冷却以保持机械部的温度恒定；及
导管，其将从所述温度控制器排放的气体中的预定部分直接引导到所述温度传感器。
2.根据权利要求1所述的温度控制系统，其中，所述气体轴承包括使用空气作为工作气体的空气轴承。
3.根据权利要求1所述的温度控制系统，其中，所述导管内的气体的流率被调整，使得机床罩内部的温度对所述温度传感器检测到的温度的影响和从所述温度控制器排放的气体的温度对所述温度传感器检测到的温度的影响之间的比率等于机床罩内部的温度对所述机械部的温度的影响和从所述温度控制器排放的气体的温度对所述机械部的温度的影响之间的比率。
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