CN104190958B - 一种温度自检测电主轴冷却装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种温度自检测电主轴冷却装置，包括具有电主轴通道的壳体，壳体内设有换热介质通道，换热介质通道内设有：与换热介质通道滚动配合的冷却球和传感球，其中，冷却球包括空心球体以及填充在空心球体内的相变材料，传感球用于探测换热介质通道的温度。本发明设置冷却球，克服了现有技术因密封性问题导致冷却液泄漏的问题；通过丝杠和驱动通道的设计，使得冷却球和传感球在通道中循环运动；采用声表面波传感技术，将声表面波传感器敏感元包裹在外壳中，制成传感球，以此实现对冷却效果的无线无源长效监测；传感球在换热介质通道中循环滚动，相对于传统测量方法，能减少传感器数量，并实现全通道温度动态监测。
Description
技术领域
本发明涉及冷却装置，特别涉及一种温度自检测电主轴冷却装置。
背景技术
电主轴是最近几年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术，使高速数控机床主传动系统取消了带轮传动和齿轮传动，实现机床的“零传动”。电主轴与直线电机技术、高速刀具技术一起，把高速加工推向一个新时代，在高效加工领域有着举足轻重的作用。大量研究表明，主轴发热是影响其性能(刚度、精度、使用寿命)的最主要因素之一，由其导致的主轴热误差是数控机床等精密加工机械的最大误差源。因此对电主轴进行冷却具有重要的意义。
目前，电主轴冷却一般采取强制循环油冷却的方式对其定子及主轴轴承进行冷却，即将经过油冷却装置的冷却油强制性地在主轴定子外和主轴轴承外循环，带走主轴高速旋转产生的热量。此外，还有采用压缩空气冷却的电主轴，如HSPK系列压缩空气冷却电主轴。采用这两种冷却方式对主轴冷却套密封性有严格要求，易因密封性问题导致冷却剂泄漏使冷却效果下降和污染工作环境。因此，建立一种新型高效、结构紧凑、清洁环保的冷却系统具有十分重要的意义。
近年来，相变材料(PCM-PhaseChangeMaterial)在我国已经列为国家级研发利用序列，这种材料一旦在人类生活被广泛应用，将成为节能环保的最佳绿色环保载体。相变材料是指随温度变化而改变物理性质并能提供潜热的物质。转变物理性质的过程称为相变过程，这时相变材料将吸收或释放大量的潜热。
不同相变材料的熔解点和熔解潜热不同，基于此可通过选择不同的相变材料来开发适用于不同场合的冷却装置。如水是一种常见的相变材料，在1个大气压0℃的情况下，1千克质量的冰转变成同温度的水，要吸收79.6千卡的热量；STL37水合盐相变温度为28℃；目前可查商品化的相变材料熔点温度范围为从-30℃到+117℃。大量实验表明，一般主轴发热温度在20-80℃左右，因此，针对特定电主轴可采用相应熔点的相变材料来实现冷却。
声表面波传感是近些年发展起来的一种新的传感测量方式。声表面波传感器除了具有精度和灵敏度高，线性度好等特点外，更重要的是实现了传感器的无线和无源化。声表面波传感器一般在射频段工作，可以将声表面波输出信号直接转化成为电磁波发射出去，实现信息的无线传输。声表面波传感器的基片采用压电材料，传感器受电磁波激发时具有储能特性，在信号回传时无需额外供电，只以电磁波作为能量的供应和信号传输的工具，从而摆脱了电池的限制，实现传感信号反馈的无源化。
目前，电主轴冷却一般采取强制循环油冷却的方式对其定子及主轴轴承进行冷却，即将经过油冷却装置的冷却油强制性地在主轴定子外和主轴轴承外循环，带走主轴高速旋转产生的热量，如申请公布号为CN102862092A的专利文献公开了一种基于分形流道的冷却套，包括依次紧密套接的冷却套内圈、冷却套中圈和冷却套外圈；冷却套内圈的外壁沿圆周向设有内圈冷却单元，包括矩形分布的四个内圈工字形流道以及与其连通的内圈工字形连接流道，内圈工字形连接流道与冷却套的入水口相连；冷却套中圈沿圆周向设有与内圈冷却单元正对且连通的中圈冷却单元；冷却套的入水口与冷却套的出水口错开相对设置。
此外，还有采用压缩空气冷却的电主轴，如HSPK系列压缩空气冷却电主轴。
采用上述两种冷却方式对主轴冷却套密封性有严格要求，易因密封性问题导致冷却剂泄漏使冷却效果下降和污染工作环境，且现有技术中一般采用有源有线、有源无线等监测技术进行测温，但这存在诸多局限性，传统有线传感器往往难以实现在理想测点上的安装，且监测系统通常需要多个传感器，使得电源线和信号线的配置更加复杂；无线传感器摆脱了走线的限制，但仍受到供能问题和体积问题的困扰。
发明内容
本发明针对上述问题，提出了一种温度自检测电主轴冷却装置。解决了现有技术易因密封性问题导致冷却剂泄漏使冷却效果下降和污染工作环境的问题，以及现有测量技术诸多局限性的问题。
本发明采取的技术方案如下：
一种温度自检测电主轴冷却装置，包括具有电主轴通道的壳体，壳体内沿电主轴通道的外围分布有换热介质通道，所述换热介质通道内设有：
冷却球，与所述换热介质通道滚动配合，冷却球包括空心球体，以及填充在空心球体内的相变材料；
传感球，与所述换热介质通道滚动配合，用于探测换热介质通道的温度。
使用时，冷却球在换热介质通道中运动时，与电主轴进行热交换，冷却球通过将相变材料(即冷却液)用空心球体包裹起来，克服了现有技术因密封性问题导致冷却液泄漏，降低冷却效果和污染工作环境的问题，通过传感球能够探测换热介质通道的温度对电主轴进行有效的监控。
作为优选，所述壳体内设有天线，该天线穿出壳体的一端连接有读取器，所述传感球包括可被电磁波透射的外壳，外壳内设有：
声表面波温度传感器敏感元，能在外壳内自由滑动；
环形天线，套设在所述声表面波温度传感器敏感元的侧壁上，内侧与声表面波温度传感器敏感元固定连接，环形天线与所述天线相互配合进行信号传输；
两个支撑块，设置在所述声表面波温度传感器敏感元的上下两端，且其中一个支撑块的重量大于另一个支撑块。
两个支撑块中，其中一个支撑块的重量大于另一个支撑块，使声表面波温度传感器敏感元的重心降低，在重力的作用下，较重的支撑块会一直处在外壳内最下端，以此保证与声表面波温度传感器敏感元固定的环形天线始终能保持水平状态(与不倒翁原理类似)。传感球工作时，读取器每隔一定时间发送电磁波信号给天线，天线将电磁波信号发射到换热介质通道中，当传感球在换热介质通道中时，会收到电磁波信号，电磁波信号透过外壳被环形天线接收，而后被声表面波温度传感器敏感元上的叉指换能器转换，转换为声表面波沿声表面波温度传感器敏感元的压电基底上传播，当其遇到设在压电基底上的反射栅后，反射回叉指换能器，并由其转化为带有温度特征的回波信号，并通过环形天线传给天线，通过天线传给读取器。
本发明中，采用声表面波传感技术，将声表面波传感器敏感元包裹在外壳中，制成传感球，以此实现对冷却效果的无线无源长效监测；且传感球在换热介质通道中循环滚动，相对于传统测量方法，能减少传感器数量，并实现全通道温度动态监测。
冷却装置还包括与读取器连接控制读取器工作的控制柜。该控制柜用于控制读取器收发电磁波信号。
作为优选，所述壳体包括：
外冷却套，内壁设有第一螺纹槽；
内冷却套，同轴设置在外冷却套的内部，且内冷却套的外壁设有与第一螺纹槽配合的第二螺纹槽，第一螺纹槽和第二螺纹槽构成所述换热介质通道。
通过相互配合的外冷却套和内冷却套的设计，使得壳体生产装配较为方便。
作为优选，所述第一螺纹槽或第二螺纹槽的底部设有用于安装所述天线的安装槽，该安装槽的一端具有连通至所述壳体外表面的引出孔。
安装槽设在第一螺纹槽或第二螺纹槽的底部能够使天线与传感球之间的距离达到最短，有效的保证了信号传输质量，引出孔用于引出天线的一端。
作为优选，冷却装置还设有与所述换热介质通道连接，驱动冷却球和传感球在换热介质通道运动的驱动机构。
通过驱动机构能够使换热介质运动，不断对电主轴进行冷却。
作为优选，所述壳体外壁设有两个分别与所述换热介质通道两端连通的进出孔，所述驱动机构包括：
驱动箱体，内部设有丝杠以及用于容纳丝杠的丝杠腔；
驱动通道，设置在驱动箱体内，中部与所述丝杠腔的侧壁连通，两端分别与对应的进出孔连通，所述丝杠上的凹槽与进入丝杠腔的冷却球或传感球相互配合；
驱动电机，用于驱动所述丝杠旋转，带动冷却球和传感球在换热介质通道和驱动通道中做循环运动。
丝杠旋转时能够带动与丝杠接触的冷却球或/和传感球运动，即使得所有冷却球和传感球在换热介质通道和驱动通道做循环运动。
作为优选，还包括与所述驱动机构连接的冷却机构。
冷却机构能够对驱动机构或冷却球进行换热降温，防止冷却球温度过高，从而保证冷却装置有较高的换热效率。
作为优选，所述驱动机构中设有温度传感器，所述冷却机构连接有与温度传感器连通用于控制冷却机构启停的控制器。
通过温度传感器能够监控驱动机构的温度，当驱动机构温度高于阀值时，控制器控制冷却机构开启，对驱动机构进行冷却；当驱动机构温度低于阀值时，冷却机构处于待机状态，通过控制器和温度传感器的设计能够有效减少能耗。
为了保证有较大的换热面积，作为优选，所述换热介质通道为螺旋状。
本发明的有益效果是：冷却球通过将相变材料(即冷却液)用空心球体包裹起来，克服了现有技术因密封性问题导致冷却液泄漏，降低冷却效果和污染工作环境的问题；通过相连通的丝杠和驱动通道，使得丝杠能够带动冷却球和传感球在换热介质通道和驱动通道做循环运动；通过设置天线，克服了电磁信号难以通过密闭金属壳体传播而导致的声表面波传感器无法在金属内部应用的问题，传感球无需电源，结构更加紧凑，可长期置于密闭环境内部工作；采用无线方式进行信息传送，克服了现有的有线连接布线困难及连接线寿命短的弊端，本发明将声表面波传感器做成球体，能够实现对冷却套内温度的无线、无源长效监测；传感球在换热介质通道中循环滚动，相对于传统测量方法，能减少传感器数量，并实现全通道温度动态监测。
附图说明：
图1是本发明温度自检测电主轴冷却装置的结构示意图；
图2是外冷却套的结构示意图；
图3是内冷却套的结构示意图；
图4是驱动箱体的结构示意图；
图5是驱动箱体的局部剖视图；
图6是去除半个外壳的传感球的结构示意图；
图7是传感球的半个外壳的结构示意图；
图8是冷却球的结构示意图。
图中各附图标记为：
1、外冷却套，2、内冷却套、3、冷却球，4、冷却箱，5、驱动箱体，6、传感球，7、天线，8、驱动电机，9、同轴电缆，10、电源线，11、控制柜，12、第一螺纹槽，13、进出孔，14、沉头孔，15、第二螺纹槽，16、安装槽，17、引出孔，18、第一轴承座，19、驱动通道，20、通孔，21、丝杠腔，22、第二轴承座，23、声表面波温度传感器敏感元，24、支撑块，25、环形天线，26、下半壳，27、上半壳，28、相变材料，29、空心球体，30、电主轴通道。
具体实施方式：
下面结合各附图，对本发明温度自检测电主轴冷却装置做详细描述。
如图1、2、3、8所示，一种温度自检测电主轴冷却装置，包括：
冷却球3，包括空心球体29，以及填充在空心球体内的相变材料28，见图8；
传感球6，用于探测换热介质通道的温度；
外冷却套1，内壁设有第一螺纹槽12，且外冷却套外壁具有一固定平面，固定平面上设有若干沉头孔14；
内冷却套2，同轴设置在外冷却套1的内部，且内冷却套的外壁设有与第一螺纹槽12配合的第二螺纹槽15，第一螺纹槽和第二螺纹槽构成供冷却球和传感器运动的螺旋状的换热介质通道，第二螺纹槽的底部设有安装槽16，该安装槽的一端具有连通至内冷却套外表面的引出孔17，安装槽16上安装有天线7，天线7的一端通过引出孔17引出至内冷却套外侧，并通过同轴电缆9连接有读取器，内冷却套2的内壁为电主轴通道30，本实施例中，外冷却套和内冷却套均为传热材质，且外冷却套和内冷却套过盈配合构成壳体，本发明使用时，壳体通过电主轴通道30套设在电主轴单元上，代替电主轴原来的冷却套；
两个进出孔13，设置在外冷却套1的固定平面上，且分别与换热介质通道的两端连通；
驱动机构，与外冷却套1的固定平面固定，用于驱动冷却球和传感球在换热介质通道运动；
冷却机构，用于对驱动机构进行冷却。
如图4、5所示，驱动机构包括：
驱动箱体5，上表面设有与沉头孔配合的通孔20，驱动箱体通过连接件与外冷却套1的固定平面连接，驱动箱体内设有丝杠、用于容纳丝杠的丝杠腔21以及设置在丝杠腔两端的第一轴承座18和第二轴承座22，本实施例中，冷却机构为设置在驱动箱体外侧的冷却箱4；
驱动通道19，设置在驱动箱体内，中部与所述丝杠腔的侧壁相切连通，两端分别与对应的进出孔13连通，丝杠上的凹槽与进入丝杠腔的冷却球或传感球相互配合，本实施例中，驱动通道与丝杠腔交叉部分的轴线与丝杠的轴线平行；
驱动电机8，用于驱动丝杠旋转，带动冷却球和传感球在驱动滚道和换热介质通道中做循环运动，本实施例中，驱动电机为中空电机；
驱动箱体5中设有温度传感器，冷却箱4连接有与温度传感器连通的，用于控制冷却箱启停的控制器。
如图6、7所示，传感球包括可被电磁波透射的外壳，外壳由下半壳26和上半壳27构成，外壳内设有：
声表面波温度传感器敏感元23，能在外壳内自由滑动；
环形天线25，套设在声表面波温度传感器敏感元的侧壁上，内侧与声表面波温度传感器敏感元固定连接，环形天线25与天线7相互配合进行信号传输；
两个支撑块24，设置在声表面波温度传感器敏感元23的上下两端，且其中一个支撑块的重量大于另一个支撑块。
冷却装置还包括与读取器连接，控制读取器收发电磁波信号的控制柜11。该控制柜通过电源线10与驱动电机和冷却箱相连，且用于控制冷却箱启停的控制器以及驱动电机8转速控制器均设置在控制柜上。
本实施例工作时，控制柜11控制读取器收发来自天线7的信号，读取器每隔一定时间发送电磁波信号给天线7，天线将电磁波信号发射到换热介质通道中，传感球在换热介质通道中时，会收到电磁波信号，电磁波信号透过外壳被环形天线接收，而后被声表面波温度传感器敏感元上的叉指换能器转换，转换为声表面波沿声表面波温度传感器敏感元的压电基底上传播，当其遇到设在压电基底上的反射栅后，反射回叉指换能器，并由其转化为带有温度特征的回波信号，并通过环形天线传给天线，通过天线传给读取器，并最终传输给控制柜，控制柜进行分析处理得到换热介质通道内的温度。读取器、控制器、转速控制器三者相互合作，实现整个冷却装置的冷却和温度感知控制。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此即限制本发明的专利保护范围，凡是运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种温度自检测电主轴冷却装置，包括具有电主轴通道的壳体，壳体内沿电主轴通道的外围分布有换热介质通道，其特征在于，所述换热介质通道内设有：
冷却球，与所述换热介质通道滚动配合，冷却球包括空心球体，以及填充在空心球体内的相变材料；
传感球，与所述换热介质通道滚动配合，用于探测换热介质通道的温度；
所述壳体内设有天线，该天线穿出壳体的一端连接有读取器，所述传感球包括可被电磁波透射的外壳，外壳内设有：
声表面波温度传感器敏感元，能在外壳内自由滑动；
环形天线，套设在所述声表面波温度传感器敏感元的侧壁上，内侧与声表面波温度传感器敏感元固定连接，环形天线与所述天线相互配合进行信号传输；
两个支撑块，设置在所述声表面波温度传感器敏感元的上下两端，且其中一个支撑块的重量大于另一个支撑块。
2.如权利要求1所述的温度自检测电主轴冷却装置，其特征在于，还包括与读取器连接控制读取器工作的控制柜。
3.如权利要求1所述的温度自检测电主轴冷却装置，其特征在于，所述壳体包括：
外冷却套，内壁设有第一螺纹槽；
内冷却套，同轴设置在外冷却套的内部，且内冷却套的外壁设有与第一螺纹槽配合的第二螺纹槽，第一螺纹槽和第二螺纹槽构成所述换热介质通道。
4.如权利要求3所述的温度自检测电主轴冷却装置，其特征在于，所述第一螺纹槽或第二螺纹槽的底部设有用于安装所述天线的安装槽，该安装槽的一端具有连通至所述壳体外表面的引出孔。
5.如权利要求1所述的温度自检测电主轴冷却装置，其特征在于，冷却装置还设有与所述换热介质通道连接，驱动冷却球和传感球在换热介质通道运动的驱动机构。
6.如权利要求5所述的温度自检测电主轴冷却装置，其特征在于，所述壳体外壁设有两个分别与所述换热介质通道两端连通的进出孔，所述驱动机构包括：
驱动箱体，内部设有丝杠以及用于容纳丝杠的丝杠腔；
驱动通道，设置在驱动箱体内，中部与所述丝杠腔的侧壁连通，两端分别与对应的进出孔连通，所述丝杠上的凹槽与进入丝杠腔的冷却球或传感球相互配合；
驱动电机，用于驱动所述丝杠旋转，带动冷却球和传感球在换热介质通道和驱动通道中做循环运动。
7.如权利要求5所述的温度自检测电主轴冷却装置，其特征在于，还包括与所述驱动机构连接的冷却机构。
8.如权利要求7所述的温度自检测电主轴冷却装置，其特征在于，所述驱动机构中设有温度传感器，所述冷却机构连接有与温度传感器连通用于控制冷却机构启停的控制器。
9.如权利要求5所述的温度自检测电主轴冷却装置，其特征在于，所述换热介质通道为螺旋状。
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