CN102902287B - 一种电主轴主动热平衡温控方法 - Google Patents

Abstract

一种电主轴主动热平衡温控方法，温度采集卡与水温传感器相连，水温传感器与电主轴的螺旋水道连接，采集螺旋水道内的介质温度；温度采集卡与微型红外传感器相连，微型红外传感器安装在电主轴的转子上，采集电主轴系统转子温度；计算机与温度采集卡、工业控制器相连，显示数据；工业控制器和温控设备连接，温控设备的控制端连接到电主轴的螺旋水道，控制输入螺旋水道内的介质温度温；工业控制器和水泵相连，控制水泵的参数来控制螺旋水道内的介质流量；温控设备的一路输出与水泵相连。本发明使加工过程保持电主轴的动态热平衡，因此提高加工精度和主轴系统的使用寿命。

Description

一种电主轴主动热平衡温控方法

技术领域：

本发明公开了一种电主轴主动热平衡温控方法，方法基于热平衡数学模型，通过调节电主轴螺旋水道的介质温度和流量，使电主轴能够迅速达到热平衡并在加工过程中保持动态热平衡。采用智能微型红外热成像传感器采集主轴系统内部温度。采用该方法具有不受加工环境和加工热源、零部件材料等因素影响的优点。该发明属于机械设计与制造领域。

背景技术：

高速电主轴的启停及运转过程中，由于机床电主轴热源的非恒定性和加工条件、散热条件、零部件材料及形状的复杂性，使电主轴系统形成了复杂多变的温度场。在这样的温度场作用下，电主轴的热应力场、热位移场都将是非线性变化的，严重影响了加工精度和主轴使用性能。如何有效的控制电主轴系统的热平衡已成为高速精密电主轴系统设计的重要基础问题。

在设备启停或间歇运行等过程中，电主轴温度场变化显著，热流也随时间发生变化，在这段非稳态导热过程中，由温升引起的热位移严重影响着高速数控机床的加工精度和电主轴使用寿命。传统上为改善电主轴的热特性，通常在电机定子与壳体连接处设置循环冷却套。冷却套用热阻较小的材料制造，其外部加工有螺旋槽，以便在电机工作时借助于通入到螺旋槽中的循环介质进行冷却。这种方法只能定量带走主轴热量，对主轴温度场的温度进行定常降温，不能满足使电主轴迅速达到热平衡并使整个加工过程处于热平衡加工过程的目的。

针对上述不足，本发明公开一种针对电主轴热平衡进行控制的方法。缩短电主轴从启动到热平衡过程所需要的时间，减少加工过程中由于温度波动引起的热变形，使电主轴在加工过程保持动态热平衡，提高加工效率和加工质量，并保证电主轴系统的使用性能。

发明内容：

针对如何缩短电主轴达到热平衡的时间，如何测量电主轴转子的温度，并使电主轴在工作过程中始终处于热平衡状态，本发明提出了一种电主轴主动热平衡方法。

本发明采用如下技术方案：

一种电主轴主动热平衡温控装置，其包括有水温传感器5、微型红外传感器6、计算机7、温度采集卡8、工业控制器9、水泵10、温控装置11；温度采集卡8与水温传感器5相连，水温传感器5与电主轴的螺旋水道4连接，采集螺旋水道4内的介质温度；温度采集卡8与微型红外传感器6相连，微型红外传感器6安装在电主轴的转子上，采集电主轴系统转子2温度；计算机7与温度采集卡8、工业控制器9相连，显示数据；工业控制器9和温控装置11连接，控制输入螺旋水道4内的介质温度；工业控制器9和水泵10相连，控制水泵10的参数来控制螺旋水道4内的介质流量；温控装置11的一路输出与水泵10相连，作为反馈控制。

通过端盖12钻孔安装智能微型红外传感器6测量转子2温度。

微型红外传感器6的型号为：智能微型红外热成像/c系列，CE5110053。

所述的电主轴主动热平衡温控装置的温控方法，电主轴启动后，温度采集卡8采集水温传感器5测量得到的螺旋水道4中水温值和微型红外传感器6测量得到的转子2的温度值，当实测转子温度值低于预先设定的热平衡时转子温度值50℃，工业控制器9调节温控装置11，提高水温，给电主轴系统升温，缩短预热时间，使主轴1达到热平衡；当实测转子2温度高于预先设定的热平衡时转子温度，工业控制器9调节温控装置11，降低水温，带走热量，给电主轴系统降温；当水温传感器5采集到的水温升高至工况条件设定的80℃或降低至工况条件设定的10℃时，工业控制器9调节水泵10流量，进而保证实测转子2温度保持热平衡。

所述控制方法通过控制螺旋水道的流量和温度值来定量控制电主轴热平衡。

通过端盖钻孔安装智能微型红外热成像传感器的方式测量转子温度。通过调节电主轴达到热平衡的可控参数，实时监测转子温度并反馈，使其处于动态热平衡状态。本发明的工作原理是通过智能微型红外热成像传感器采集转子温度与理想状态下的转子温度进行对比，通过工业控制器调节螺旋水道参数使转子温度迅速达到理想的平衡温度，并保持平衡。基于模型定量调节螺旋水道参数值，其中 $R=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{2\mathrm{\π}{\mathrm{\λ}}_{i}l}\ln \frac{r_{i+1}}{r_i}+\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{h_i\mathrm{\π}{d}_{i}l}.$

其中：

λ：导热系数      C：比热容

h：对流换热系数   ρ：密度

d：直径           l：长度

τ：时间          t:温度

本发明的工作过程如下：

电主轴启动之前，整体系统处于室温状态，当电主轴启动后，主轴转子开始迅速升温，此时电主轴系统内热外冷，温度场极其不稳定，启动电主轴温控系统，通过温度采集卡采集转子温度与预存的转子理想温度做比较，工业控制器通过预存的推导过程可计算得到使电主轴处于热平衡时所需要的介质温度值，继而输出信号给温控装置，输出所求介质温度，通过热量传递使主轴达到热平衡。整个过程是实时监测和控制的，根据工业控制器所设调节精度，使主轴温度始终波动在热平衡范围内。当温度升高或者减低到一定值时，可以调节水泵参数使螺旋水道内介质流速加快或者减慢来改变对流换热的速率，进而控制热平衡。

本发明可以获得如下有益效果：

该方法的提出不仅对电主轴的升温和降温起到一个有效的控制，而且充分利用了电主轴的冷却水道，使其在主轴启动伊始迅速达到热平衡，并实现了采集电主轴转子温度，使加工过程保持电主轴的动态热平衡，因此提高加工精度和主轴系统的使用寿命。

附图说明：

图1为电主轴温控系统示意图；

图2为转子温度采集装置示意图；

图3为电主轴温控流程图；

图中：1、主轴，2、转子，3、定子 4、螺旋水道，5、水温传感器，6、微型红外传感器，7、计算机，8、温度采集卡，9、工业控制器，10、水泵，11、温控装置，12、端盖。

具体实施方式：

下面结合附图和实施操作对本发明所公开的一种电主轴主动热平衡方法作进一步说明。

将电主轴热平衡数学模型、温控装置设定的水温范围、热平衡转子设定的温度预存在工业控制器9中。按照图1连接实物，当电主轴启动后，转子2升温至热平衡状态时的温度还需要一段时间，在这段温升过程中电主轴热变形严重，为使电主轴系统迅速达到热平衡，温度采集卡8采集水温传感器5测量得到的螺旋水道4中水温值和微型红外传感器6测量得到的转子2的温度值，当实测转子温度值低于预先设定的热平衡时转子温度值，工业控制器9调节温控装置11，提高水温，将热量传递给电主轴转子，给电主轴系统升温，这样可以使主轴系统内外温度场均衡，且使主轴温度迅速达到热平衡，缩短主轴预热时间，减少在加工过程中温升产生的热变形，改善电主轴的使用寿命；当实测转子2温度高于预先设定的热平衡时转子温度，工业控制器9调节温控装置11，降低水温，带走热量，给电主轴系统降温。当水温传感器5采集到的水温值升高或者降低到工况条件设定的边界值，工业控制器9调节水泵10参数，控制螺旋水道4中介质流速，进而保证实测转子2温度保持热平衡。电主轴温控流程图3中，实现的是实时监测、处理与控制的作用。因此，该方法实现了主动热平衡，图3中，T水为螺旋水道水温、Tl为设置的介质最低温度、Th为设置的介质最高温度、Ts为设置的转子温度、Tr为采集的转子温度。

Claims (2)

1.一种电主轴主动热平衡温控方法，该电主轴主动热平衡温控方法的实现装置包括水温传感器(5)、微型红外传感器(6)、计算机(7)、温度采集卡(8)、工业控制器(9)、水泵(10)、温控装置(11)；温度采集卡(8)与水温传感器(5)相连，水温传感器(5)与电主轴的螺旋水道(4)连接，采集螺旋水道(4)内的介质温度；温度采集卡(8)与微型红外传感器(6)相连，微型红外传感器(6)为非接触式红外传感器，安装在电主轴的端盖上，采集电主轴系统转子(2)温度；计算机(7)与温度采集卡(8)、工业控制器(9)相连，显示数据；工业控制器(9)和温控装置(11)连接，温控装置(11)的控制端连接到电主轴的螺旋水道(4)，控制输入螺旋水道(4)内的介质温度；工业控制器(9)和水泵(10)相连，控制水泵(10)的参数来控制螺旋水道(4)内的介质流量；

通过端盖(12)钻孔安装智能微型红外传感器(6)测量转子(2)温度；

其特征在于：该温控方法的实现过程如下，电主轴启动后，温度采集卡(8)采集水温传感器(5)测量得到的螺旋水道(4)中水温值和微型红外传感器(6)测量得到的转子(2)的温度值，当实测转子温度值低于预先设定的热平衡时转子温度值50℃，工业控制器(9)调节温控装置(11)，提高水温，给电主轴系统升温，缩短预热时间，使主轴(1)达到热平衡；当实测转子(2)温度高于预先设定的热平衡时转子温度，工业控制器(9)调节温控装置(11)，降低水温，带走热量，给电主轴系统降温；当水温传感器(5)采集到的水温升高至工况条件设定的80℃或降低至工况条件设定的10℃时，工业控制器(9)调节水泵(10)流量，进而保证实测转子(2)温度保持热平衡。

2.根据权利要求1所述一种电主轴主动热平衡温控方法，其特征在于：通过控制螺旋水道的流量和温度值来定量控制电主轴热平衡。