CN107160237A - 一种自动调节流量的电主轴实时冷却系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种自动调节流量的电主轴实时冷却系统及控制方法，包括控制单元，与电主轴的冷却结构相互连接形成冷却回路的液冷却机，设置在电主轴上的温度传感器，以及设置在液冷却机的出液口的管道上的电动流量调节阀。本发明通过设置的电动流量调节阀和温度传感器与控制单元以形成闭环控制回路，来实现冷却液流量的实时动态调整，从而有效控制不同加工工况下的电主轴温升，减小热变形，提高加工精度。由于采用闭环温度控制的方法，突破了传统开环循环冷却的方式，能够根据不同的加工工况对冷却液流量进行准确地动态调整，从而有效控制温升；且结构简单易实现，能够充分利用冷却系统，使电主轴温度分布均衡，减小电主轴热变形，提高机床加工精度。

Description

一种自动调节流量的电主轴实时冷却系统及控制方法
技术领域
本发明属于高速电主轴的性能调控应用领域，涉及电主轴冷却系统，具体为一种自动调节流量的电主轴实时冷却系统及控制方法。
背景技术
电主轴的冷却系统作为电主轴系统的关键部分，对电主轴性能有着重要的影响。冷却系统是电主轴的主要散热装置，其冷却性能直接影响电主轴的运转精度和可靠性。在电主轴工作过程中，冷却系统通过有效缓解由电耗损、磁损、轴承摩擦和机械耗损引起的电主轴发热问题，进而减小由发热引起的电主轴热变形，从而有效提高加工精度。在不同的加工工况中，电主轴所表现出来的温升情况具有较大的差异性，这对机床的冷却系统提出了更高的要求。因此，设计一套可自动调控冷却能力以适应不同工况下主轴温升的冷却系统至关重要。相关研究表明，采用调节冷却液流量的策略来调控冷却系统的冷却能力，对于降低主轴发热，改善主轴系统热特性效果明显。但相关研究同时表明，当冷却液流量增大到一定数值后，电机定转子，轴承内外圈温升不会显著下降，继续增加冷却液流量不仅不能有效降低主轴系统发热，反而还会增加冷却系统工作负荷，增大机床能耗。因此，电主轴的冷却系统需要根据电主轴实时温度情况合理调节冷却液流量，才能充分利用冷却系统的冷却能力，在冷却要求上和经济成本上达到最佳平衡。
传统的电主轴冷却系统均是采用开环循环冷却液系统即水冷却机输出固定流量的冷却液对电主轴进行冷却，水冷却机输出的固定流量往往依据经验或者实验数据事先确定，无法满足不同工况下电主轴对冷却能力的不同要求。国内外诸多研究机构就电主轴冷却系统开展了大量的研究，并取得一定的成果。这些研究工作的研究重点在于改善冷却系统的结构，如提出的树状分形流道式的冷却水套、在壳体表面与轴承外圈接触处开冷却槽、设计多冷却回路等。还有一些研究工作研究冷却液流量对主轴温度场的影响，进而确定了合理的冷却液流量取值，但这些都不能对主轴的温升进行自动控制和实时动态调整。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种自动调节流量的电主轴实时冷却系统及控制方法，能够充分利用冷却系统的冷却能力，保证电主轴温升的合理性并减小热变形，提高机床加工精度，能够准确动态的调整电主轴冷却能力。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种自动调节流量的电主轴实时冷却系统，包括控制单元，与电主轴的冷却结构相互连接形成冷却回路的液冷却机，设置在电主轴上的温度传感器，以及设置在液冷却机的出液口的管道上的电动流量调节阀；
所述的控制单元包括PID控制器，PID控制器的反馈输入端连接温度传感器的输出端，PID控制器的输出端连接电动流量调节阀的控制端，PID控制器的目标输入端接入设定的目标温度信号。
优选的，还包括设置在电动流量调节阀出口管道上的流量计，所述的控制单元还包括比较器；比较器的第一输入端连接PID控制器的输出端，第二输入端连接流量计的输出端，输出端连接电动流量调节阀的控制端，PID控制器的输出信号优先级高于比较器的输出信号。
进一步的，所述的控制单元还包括数据采集卡，数据采集卡包括D/A转换模块，第一A/D转换模块和第二A/D转换模块；PID控制器的输出端和比较器的输出端分别经D/A转换模块连接电动流量调节阀的控制端，温度传感器的输出端经第一A/D转换模块连接PID控制器的反馈输入端，流量计的输出端经第二A/D转换模块连接比较器的第二输入端。
进一步的，所述的流量计采用涡轮式流量计。
优选的，所述的控制单元还包括数据采集卡，数据采集卡包括D/A转换模块，第一A/D转换模块；PID控制器的输出端经D/A转换模块连接电动流量调节阀的控制端，温度传感器的输出端经第一A/D转换模块连接PID控制器的反馈输入端。
进一步的，数据采集卡采用NI USB-6363的数据采集卡。
优选的，所述的温度传感器设置在电主轴的前端支承轴承外圈。
进一步的，所述的温度传感器采用热电偶温度传感器。
一种自动调节流量的电主轴实时冷却系统的控制方法，从电主轴测温点上测得的温度值转化为数字信号输入到控制单元，与预先设置的目标温度进行比较，得出实际温度与设置温度的偏差，并将该偏差作为PID控制器的输入；
当该偏差大于设定误差阈值时，PID控制器将计算出增大后的输出电压，控制电动流量调节阀增大阀口开度，相应地增大冷却液流量；
当该偏差小于设定误差阈值时，PID控制器将计算出减小后的输出电压，控制电动流量调节阀减小阀口开度，相应地减小冷却液流量。
优选的，通过采集电动流量调节阀出口的流量信号，反馈到比较器中，与PID控制器的输出电压进行比较，对电动流量调节阀进行二次控制，PID控制器的输出信号优先级高于比较器的输出信号，从而先执行温度反馈信号，通过流量反馈进行更进一步的流量调节。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明通过设置的电动流量调节阀和温度传感器与控制单元以形成闭环控制回路，来实现冷却液流量的实时动态调整，从而有效控制不同加工工况下的电主轴温升，减小热变形，提高加工精度。由于采用闭环温度控制的方法，突破了传统开环循环冷却的方式，能够根据不同的加工工况对冷却液流量进行准确地动态调整，从而有效控制温升；且结构简单易实现，能够充分利用冷却系统，使电主轴温度分布均衡，减小电主轴热变形，提高机床加工精度。
进一步的，通过设置的流量计，能够更好地对冷却液的流量进行计量，保证调节阀调节流量的准确性，在线监测冷却液流量的变化，通过比较器的设置和对比控制电动流量调节阀，从而使电动流量调节阀更准确地控制调节冷却液实际流量。
进一步的，通过设置的数据采集卡，统一完成控制单元输入输出信号的转换，集成度高，结构简单，使用方便。
附图说明
图1为本发明实例中所述系统的结构连接示意图。
图2为本发明实例中所述系统的结构原理框图。
图中：1为液冷却机，2为电动流量调节阀，3为流量计，4为温度传感器，5为电主轴，6为控制单元。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明一种自动调节流量的电主轴5实时冷却系统，如图1所示其包括电主轴5、液冷却机1、电动流量调节阀2、流量计3、温度传感器4和控制单元6；调节流量方法是，通过在液冷却机1的冷却液出口管道即电主轴5冷却液的入口管上安装一个电动流量调节阀2，由控制单元根据电主轴5温升与流量关系产生控制电压信号，控制电动流量调节阀2自动调节其开度，从而相应地调节冷却液的流量。
其中，液冷却机1与电主轴5的冷却结构相互连接形成冷却回路，温度传感器4设置在电主轴5上，电动流量调节阀3设置在液冷却机1的出液口的管道上；控制单元6包括PID控制器，PID控制器的反馈输入端连接温度传感器4的输出端，PID控制器的输出端连接电动流量调节阀3的控制端，PID控制器的目标输入端接入设定的目标温度信号。
流量计3设置在电动流量调节阀3出口管道上，控制单元6还包括比较器；比较器的第一输入端连接PID控制器的输出端，第二输入端连接流量计3的输出端，输出端连接电动流量调节阀3的控制端，PID控制器的输出信号优先级高于比较器的输出信号，从而先执行温度反馈信号，通过流量反馈进行更进一步的流量调节。
控制单元6还包括数据采集卡，数据采集卡包括D/A转换模块，第一A/D转换模块和第二A/D转换模块；PID控制器的输出端和比较器的输出端分别经D/A转换模块连接电动流量调节阀3的控制端，温度传感器4的输出端经第一A/D转换模块连接PID控制器的反馈输入端，流量计3的输出端经第二A/D转换模块连接比较器的第二输入端。
本发明所述系统是一个闭环控制系统，通过闭环控制系统来实时控制电主轴5的温度，如图2所示，其原理为：将安装在电主轴5测温点上的温度传感器4所测得的温度值经第一A/D转换模块用于将温度传感器4的模拟信号转化为数字信号输入到控制单元，与预先设置的目标温度进行比较，得出实际温度与设置温度的偏差，并将该偏差作为PID控制器的输入，当该偏差大于设定误差阈值时，PID控制器将计算出增大后的输出电压，通过D/A转换模块，将数字信号转换为控制电压信号，控制电动流量调节阀2增大阀口开度，相应地增大冷却液流量。当该偏差小于设定误差阈值时，PID控制器将计算出减小后的输出电压，通过D/A转换模块，将数字信号转换为控制电压信号，控制电动流量调节阀2减小阀口开度，相应地减小冷却液流量。显然，这是一种依据电主轴5测温点的温度来调节阀口开度从而能够自动调节冷却液流量，使冷却性能达到较优状态，实现电主轴5测点温度更加合理，减少电主轴5的热变形，从而提高机床的加工精度。本实例温度传感器4以安装在前支承轴承外圈为例。
本发明通过在冷却系统中添加一个电动流量调节阀2，电动流量调节阀2由阀体和执行机构两部分组成。执行机构根据控制单元6的信号改变阀体的开度对流量进行调节，实现冷却液流量的控制。电动流量调节阀2能够接收电压信号且能够用于冷却液水或者油的流通，是本发明冷却系统中调节改变冷却液流量的核心部件。
如图1和图2所示，为了更好地对冷却液的流量进行计量，保证调节阀调节流量的准确性，在冷却系统中安装了流量计3，通过第二A/D转换模块将流量计3的模拟信号转化为数字信号，在线监测冷却液流量的变化，通过比较器的设置和对比，从而使电动流量调节阀2更准确地控制调节冷却液实际流量。
本优选实例中流量计3采用涡轮式流量计3，温度传感器4采用热电偶温度传感器4，数据采集卡采用NI USB-6363的数据采集卡。

Claims (10)

1.一种自动调节流量的电主轴实时冷却系统，其特征在于，包括控制单元(6)，与电主轴(5)的冷却结构相互连接形成冷却回路的液冷却机(1)，设置在电主轴(5)上的温度传感器(4)，以及设置在液冷却机(1)的出液口的管道上的电动流量调节阀(3)；
所述的控制单元(6)包括PID控制器，PID控制器的反馈输入端连接温度传感器(4)的输出端，PID控制器的输出端连接电动流量调节阀(3)的控制端，PID控制器的目标输入端接入设定的目标温度信号。
2.根据权利要求1所述的一种自动调节流量的电主轴实时冷却系统，其特征在于，还包括设置在电动流量调节阀(3)出口管道上的流量计(3)，所述的控制单元(6)还包括比较器；比较器的第一输入端连接PID控制器的输出端，第二输入端连接流量计(3)的输出端，输出端连接电动流量调节阀(3)的控制端，PID控制器的输出信号优先级高于比较器的输出信号。
3.根据权利要求2所述的一种自动调节流量的电主轴实时冷却系统，其特征在于，所述的控制单元(6)还包括数据采集卡，数据采集卡包括D/A转换模块，第一A/D转换模块和第二A/D转换模块；PID控制器的输出端和比较器的输出端分别经D/A转换模块连接电动流量调节阀(3)的控制端，温度传感器(4)的输出端经第一A/D转换模块连接PID控制器的反馈输入端，流量计(3)的输出端经第二A/D转换模块连接比较器的第二输入端。
4.根据权利要求2所述的一种自动调节流量的电主轴实时冷却系统，其特征在于，所述的流量计(3)采用涡轮式流量计。
5.根据权利要求1所述的一种自动调节流量的电主轴实时冷却系统，其特征在于，所述的控制单元(6)还包括数据采集卡，数据采集卡包括D/A转换模块，第一A/D转换模块；PID控制器的输出端经D/A转换模块连接电动流量调节阀(3)的控制端，温度传感器(4)的输出端经第一A/D转换模块连接PID控制器的反馈输入端。
6.根据权利要求3或5所述的一种自动调节流量的电主轴实时冷却系统，其特征在于，数据采集卡采用NI USB-6363的数据采集卡。
7.根据权利要求1所述的一种自动调节流量的电主轴实时冷却系统，其特征在于，所述的温度传感器(4)设置在电主轴(5)的前端支承轴承外圈。
8.根据权利要求1或7所述的一种自动调节流量的电主轴实时冷却系统，其特征在于，所述的温度传感器(4)采用热电偶温度传感器。
9.一种自动调节流量的电主轴实时冷却系统的控制方法，其特征在于，从电主轴(5)测温点上测得的温度值转化为数字信号输入到控制单元，与预先设置的目标温度进行比较，得出实际温度与设置温度的偏差，并将该偏差作为PID控制器的输入；
当该偏差大于设定误差阈值时，PID控制器将计算出增大后的输出电压，控制电动流量调节阀(2)增大阀口开度，相应地增大冷却液流量；
当该偏差小于设定误差阈值时，PID控制器将计算出减小后的输出电压，控制电动流量调节阀(2)减小阀口开度，相应地减小冷却液流量。
10.根据权利要求9所述的一种自动调节流量的电主轴实时冷却系统的控制方法，其特征在于，通过采集电动流量调节阀(3)出口的流量信号，反馈到比较器中，与PID控制器的输出电压进行比较，对电动流量调节阀(2)进行二次控制，PID控制器的输出信号优先级高于比较器的输出信号，从而先执行温度反馈信号，通过流量反馈进行更进一步的流量调节。
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