CN110837262B - 温度控制系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种温度控制系统及其方法，该温度控制系统适用于一工具机，且包含冷却循环及控制器。冷却循环包含泵、冷却器及电磁阀。泵用于受变频马达驱动以使冷却液于该冷却循环中流动以流经工具机的主轴。冷却器串接于泵，且用于使冷却液降温。电磁阀连接于冷却器的入口及出口之间，用于在开启时使流经主轴的冷却液不流回冷却器进行冷却。控制器电连接于变频马达、冷却器及电磁阀，且用于连接工具机以检测工具机的主轴负载、主轴转速、主轴温度以及机体温度，据以控制变频马达、冷却器及电磁阀。
Description
技术领域
本发明涉及一种温度控制系统及其方法，特别是涉及工具机的温度控制系统及其方法。
背景技术
一般而言，工具机会搭配温度控制系统以运作，原因在于，工具机在运作的过程中，其主轴会不断产生热，通过温度控制系统的配置得以控制主轴因升温而产生的变形量，即热变位。详细来说，温度控制系统会以水套包覆大部分的主轴，并使冷却液循环于水套中以形成冷却循环，以对主轴进行温度控制。
现有的温度控制系统及方法是以定温定量的方式来提供冷却液至工具机的主轴。然而，工具机在运作的过程中，其加工负载会有所变化，使得工具机产生的热变位也有所差别，定温定量的温度控制方法将使得工具机在暖机程序中因冷却液不断使主轴降温而延长所需时间，也导致主轴在低负载加工时过冷，在高负载加工时过热，高低负载加工之间的热变位误差甚大，影响工件精度。
发明内容
鉴于上述，本发明提供一种温度控制系统及其方法。
依据本发明一实施例的温度控制系统，适用于一工具机，且包含冷却循环及控制器。冷却循环包含泵、冷却器及电磁阀。泵用于受变频马达驱动以使冷却液于该冷却循环中流动以流经工具机的主轴。冷却器串接于泵，且用于使冷却液降温。电磁阀连接于冷却器的入口及出口之间，用于在开启时使流经主轴的冷却液不流回冷却器进行冷却。控制器电连接于变频马达、冷却器及电磁阀，且用于连接工具机以检测工具机的主轴负载、主轴转速、主轴温度以及机体温度，据以控制变频马达、冷却器及电磁阀。
依据本发明一实施例的温度控制方法，适用于一温度控制系统，其中所述温度控制系统包含冷却器、泵、变频马达及电磁阀，其中变频马达用于驱动泵以使冷却液流经工具机的主轴。所述温度控制方法包含：检测工具机的主轴负载、主轴转速、主轴温度以及机体温度；依据主轴温度及机体温度之间的温度差，控制冷却器降低冷却液的温度；以及依据主轴负载、主轴转速及温度差，通过回归方程式计算变频马达的转速，以控制冷却液的流速。
通过上述结构，本案所揭示的温度控制系统及其方法，依据即时测得的工具机的运作参数，对流经工具机主轴的冷却液执行变流量及变温度的控制，且在工具机的暖机或上下料程序中，通过设置于冷却循环中电磁阀的开启，使流经主轴的冷却液不再流回冷却器进行冷却。由此，本案所揭示的温度控制系统及其方法可以即时地依据工具机的运作参数调节主轴的温度，降低高低负载加工之间的主轴热变位误差，提供高精度的热变位控制，且能够达到快速暖机以及节能的效果。
以上的关于本揭露内容的说明及以下的实施方式的说明是用以示范与解释本发明的精神与原理，并且提供本发明的权利要求更进一步的解释。
附图说明
图1为本发明一实施例所绘示的温度控制系统的功能方块图；
图2为本发明一实施例所绘示的温度控制方法的流程图；
图3为本发明一实施例所绘示的温度控制方法中的PID控制示意图；
图4为本发明另一实施例所绘示的温度控制方法的流程图；
图5A为使用一般温度控制方法控制工具机而检测到的运作参数图；
图5B为使用本案一实施例所提供的温度控制方法控制工具机而检测到的运作参数图；
图6为本发明又一实施例所绘示的温度控制方法的流程图；
图7为本发明又一实施例所绘示的温度控制方法的流程图。
符号说明
1 温度控制系统
11 冷却循环
13 控制器
111 泵
112 变频马达
113 冷却器
115 电磁阀
2 工具机
21 主轴
23 机体
具体实施方式
以下在实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何熟悉相关技术者了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的内容、权利要求及附图，任何熟悉相关技术者可轻易地理解本发明相关的目的及优点。以下的实施例是进一步详细说明本发明的观点，但非以任何观点限制本发明的范畴。
请参考图1，图1为依据本发明一实施例所绘示的温度控制系统的功能方块图。如图1所示，温度控制系统1适用于工具机2，包含冷却循环11及控制器13。冷却循环11中容置有冷却液，用于提供所述冷却液至工具机2的主轴21以调节主轴温度，图1仅简单且示例所绘示冷却循环11与主轴21之间的设置关系，详细的对应结构依据实际需求来设计，本发明不以此为限。
冷却循环11包含泵111、冷却器113及电磁阀115，其中冷却器113与泵111串接，电磁阀115连接于冷却器113的入口及出口之间。泵111用于受变频马达112驱动以使冷却液于冷却循环11中流动，以流经工具机2的主轴21。详细来说，变频马达112运转时会带动泵111转动，以推进冷却液。冷却器113具有压缩机、旁通阀、蒸发器、膨胀阀及冷凝管，用于使进入冷却器113的冷却液降温，其中详细的冷却方法同于一般冷却器的冷却方法，于此不予赘述。
电磁阀115用于选择性地使冷却器113中的部分冷却液滞留于冷却器113中。详细来说，当电磁阀115开启(即导通)时，泵111与电磁阀115之间的部分冷却循环11中的位能较泵111与冷却器113之间的部分冷却循环11的位能小，位能小相对流阻就会比较小，因此，仅有泵111与电磁阀115之间的部分冷却循环11中的冷却液会流动，以形成子循环，而冷却器113中的冷却液则滞留于冷却器113中。换句话说，当电磁阀115开启时，流经工具机2的主轴21的冷却液不会再经过冷却器113以进行冷却。反之，当电磁阀115关闭(即截止)时，冷却液便会在泵111与冷却器113之间循环地流动，此时流经工具机2的主轴21的冷却液即为持续通过冷却器113冷却的液体。
控制器13电连接于变频马达112、冷却器113及电磁阀115以分别控制这些装置。控制器13可以包含温度感测器、负载检测器及转速检测器，连接于工具机2的主轴21及机体23以分别检测工具机2的主轴负载、主轴转速、主轴温度以及机体温度。控制器13也包含控制器例如中央处理器(Central processing unit，CPU)、微控制器(Microcontroller unit，MCU)等，用于依据上述数个检测器所检测到的运作参数来控制变频马达112、冷却器113及电磁阀115。
请参考图1及图2，以进一步说明控制器13控制变频马达112、冷却器113及电磁阀115的方法，其中图2依据本发明一实施例所绘示的温度控制方法的流程图，此温度控制方法适用于前述图1所示的温度控制系统1。在步骤S11中，温度控制系统1的控制器13检测工具机2的主轴负载、主轴转速、主轴温度以及机体温度。在取得这些运作参数后，依据这些运作参数中的一或多者进行冷却器113及变频马达112的控制，如步骤S15及步骤S19所述。在步骤S15中，控制器13依据主轴负载、主轴转速及主轴温度与机体温度之间的温度差，通过回归方程式计算变频马达112的转速，以控制冷却液在冷却循环11中的流速。详细来说，所述的回归方程式包含主轴负载、主轴转速及主轴温度与机体温度之间的温度差三个运作参数，例如为下列方程式：
F＝2×10-7×R2+1×10-3×R+0.1×L+B+5C。
其中，F为变频马达112的欲运转频率(单位：Hz)；R为主轴转速(单位：rpm)；L为主轴负载(单位：％)；B为变频马达112的最低频率(单位：Hz)；且C为主轴温度及机体温度之间的温度差。在一实施例中，温度控制系统1的控制器13中可以建立多种机台分别的回归数据库，各自储存有对应的回归方程式。
在步骤S19中，控制器13依据主轴温度及机体温度之间的温度差，控制冷却器113降低冷却液的温度。详细来说，控制器13可以通过比例-积分-微分(Proportional-integral-derivative，PID)控制方法来控制冷却器113的冷却强度。请参考图3，图3依据本发明一实施例所绘示的温度控制方法中的PID控制示意图。如图3所示，控制器13计算得到主轴温度及机体温度之间的温度差，再通过PID控制参数的计算来控制冷却器113的压缩机的转速，以调节冷却液的温度，进而调节主轴温度。通过反馈机制，控制器13得以控制主轴温度近似于机体温度，即使得工具机2处于理想的工作状态。在另一实施例中，控制器13也可通过PID控制参数的计算来控制冷却器113的旁通阀，进而调节冷却液的温度。
通过前述步骤S15，控制器13依据工具机2的运作参数控制变频马达112，以对冷却液进行变流量的控制；且通过步骤S19，控制器13依据工具机2的运作参数控制冷却器113，以对冷却液进行变温度的控制。如此一来，可以避免现有技术中以定温定流量控制冷却液而产生热误差随着负载转变而不断变化的状况。此外，特别要说明的是，本发明并不限制前述的两步骤S15及S19的执行顺序，步骤S15及S19可以同时执行，也可分别以不同的频率执行。
接下来请参考图1及图4，以说明本发明另一实施例中的温度控制方法，其中图4依据此实施例所绘示的温度控制方法的流程图。图4所示的温度控制方法适用于前述图1所示的温度控制系统1。类似于前一实施例，在步骤S11中，控制器13会检测工具机2的运作参数，且于步骤S15及S19中分别对冷却液执行变流量及变温度控制。在此实施例中，在执行变流量及变温度控制之前，在步骤S12中，控制器13会判断检测到的主轴温度是否坐落于工作温度区间内，其中，所述工作温度区间关系于测得的机体温度。详细来说，在一实施例中，工作温度区间是指大于等于机体温度的温度范围。在另一实施例中，工作温度区间是指大于等于机体温度与机台特性变数的和值的温度范围。举例来说，机台特性变数介于摄氏2度到3度之间，进一步来说，小型机台的机台特性变数为摄氏2度，而大型机台特性变数则为摄氏3度。
在步骤S13中，当控制器13判断主轴温度未坐落于前述的工作温度区间时，会开启电磁阀115以使冷却器113中的冷却液滞留于冷却器113中。详细来说，当工具机2的主轴温度未坐落于前述的工作温度区间时，表示工具机2尚未暖机完毕。对于定温定流量的现有温度控制技术来说，尽管工具机尚未暖机完毕，仍不断提供经冷却器降温的冷却液至工具机的主轴，因而造成暖机时间过长的状况。通过本案如前述实施例所提供的温度控制方法，当判断工具机2的主轴温度未达工作温度区间时，开启电磁阀115使得冷却液仅流动于泵111与电磁阀115之间，而不再经冷却器13冷却，达到快速暖机且节能的效果。
在步骤S14中，当控制器13判断主轴温度坐落于工作温度区间时，便会关闭电磁阀115，使冷却器113中的冷却液流动。换句话说，当控制器13判断工具机2暖机完成时，会通过关闭电磁阀115，使冷却液再流经冷却器113，进而提供工具机2的主轴经降温处理的冷却液。接着，控制器13会再依据工具机2的运作参数执行如前列实施例中的步骤S15及S19所述的变流量及变温度控制，其中详细的控制方法如前列实施例所述，于此不再赘述。
相较于现有的温度控制方法，前述图4所提供的温度控制方法可以使得工具机2的主轴21更快速地达到热平衡，且具有较短的热伸长量。请参考图5A及图5B，其中图5A示例性地呈现使用一般温度控制方法来控制工具机而得到的检测数据图；图5B则示例性地呈现使用图4所示的温度控制方法来控制工具机而得到的检测数据图。在图5A及5B的实施例中，所控制的工具机属于12500转(rpm)的卧式加工机，特别要说明的是，图5A及图5B仅为示例性地呈现测量数据，并非用于限制依据本案所提供的温度控制方法所得到的实际测量数据。
如图5A所示，以一般温度控制方法来控制工具机，主轴约在启动后3小时达到热平衡，且主轴的热伸长量约为53微米；而如图5B所示，通过图4的温度控制方法来控制工具机，主轴约在启动后20分钟达到热平衡，且主轴的热伸长量约为29微米。由此可知，通过本案图4所提供的温度控制方法来控制工具机，可以使得工具机的主轴快速地达到热平衡，且具有较小的热伸长量，因而具有较高的加工精度。
除了在工具机2初启时判断工具机2的暖机状态以调整冷却液的循环路径，温度控制系统1也可以在工具机2的其他运转过程中，依据工具机2的运转状态来调整冷却液的循环路径。请一并参考图1及图6，其中图6依据本发明又一实施例所绘示的温度控制方法的流程图。在步骤S21中，当温度控制系统1的控制器13判断工具机2的主轴转速等于零时，会记录工具机2维持此状态的运作时间。
在一实施例中，控制器13中储存有一预设时间，当控制器13判断工具机2的主轴转速等于零的运作时间未大于此预设时间时，控制器13会继续对冷却液执行步骤S15及S19的变流量及变温度控制；而当控制器13判断工具机2的主轴转速等于零的运作时间大于此预设时间时，会将电磁阀115开启，以使流经主轴21的冷却液不再流经冷却器113进行降温。
在另一实施例中，控制器13中储存有第一预设时间及第二预设时间，其中第二预设时间大于第一预设时间。在步骤S23中，控制器13判断工具机2的主轴转速等于零的运作时间是否大于第一预设时间，并在步骤S25中进一步地判断所述运作时间是否大于第二预设时间。当控制器13判断所述运作时间未达第一预设时间时，会继续对冷却液执行步骤S15及S19的变流量及变温度控制；当所述运作时间介于第一预设时间及第二预设时间时，控制器13会开启电磁阀115，使得冷却液仅在泵111及电磁阀115之间的冷却循环11中循环，如步骤S27所示；当所述运作时间大于第二预设时间时，控制器13不仅会使电磁阀115开启，更关闭冷却器113，如步骤S29所示。
对于现有温度控制技术来说，在工具机运作过程中，当执行上下料的程序而中止主轴的旋转时，仍不断提供经冷却器降温的冷却液至工具机的主轴，将使主轴温度低于机体温度而导致主轴及铸件过冷的状况。而于本案如前述实施例所提供的温度控制方法中，以第一预设时间作为阈值来判断工具机2是否处于上下料的状态(即主轴转速为零的运作时间大于第一预设时间)，并在判断工具机2为上下料状态时停止提供降温的冷却液至工具机2。
进一步地，控制器13可以依据第二预设时间来判断工具机2处于短上下料状态或长上下料状态。详细来说，当所述运作时间介于第一预设间与第二预设时间之间时，控制器13判断工具机2处于短上下料状态，因而开启电磁阀115，避免主轴温度随着持续循环降温的冷却液而不断降低；而当工具机2维持主轴转速为零的状态的运作时间越来越长而大于第二预设时间时，控制器13将判断工具机2处于长上下料状态，表示此时尚无需使用冷却器113，因而关闭冷却器113，避免冷却器113反复冷却未流动的冷却液而造成能源的浪费。在此实施例中，第一预设时间例如介于30秒与2分钟之间，第二预设时间则例如介于10分钟与30分钟之间，其中相较而言，小型机台的预设时间会小于大型机台的预设时间。
接着请一并参照图1及图7，其中图7依据本发明又一实施例所绘示的温度控制方法的流程图，此温度控制方法也适用于图1的实施例所述的温度控制系统1。在步骤S30中，在温度控制系统1启动时，控制器13会执行初始化程序，其中初始化程序包含关闭电磁阀115、关闭冷却器113且开启变频马达112。在初始化程序之后，在步骤S31中，控制器13执行工具机2的运作参数的检测并储存于数据库中，其中运作参数包含主轴负载Pload、主轴转速PN、主轴温度Ts及机体温度Tb。在步骤S32中，控制器13判断主轴温度Ts是否大于或等于机体温度Tb与机台特性变数A的和值，其中机台特性变数A例如介于摄氏2与3度之间。
当主轴温度Ts小于上述和值时，表示工具机2尚未暖机完毕，此时，如步骤S33所示，控制器13会开启电磁阀115，维持冷却器113的关闭，并使变频马达112于最低频率运作；当主轴温度Ts大于或等于上述和值时，表示工具机2已暖机完毕。此时，控制器13会关闭电磁阀115，开启冷却器113，并对冷却液执行变流量与变温度的控制。变流量控制如步骤S34所述，控制器13会依据主轴负载Pload、主轴转速PN及主轴温度Ts与机体温度Tb之间的温度差(Ts-Tb)，通过回归方程式来控制变频马达112的转速，进而控制冷却液的流量变化，其中回归方程式的详细内容类似于前列实施例中的步骤S15所使用的回归方程式，在此不再赘述；而变温度控制则如步骤S35所述，控制器13会以(Ts＝Tb)为规则并以PID控制方法控制冷却器113的冷却强度，其中详细的PID控制方法如前列图3的实施例所述，在此不再赘述。
在执行变流量及变温度控制的过程中，控制器13会持续检测工具机21的运作参数以即时地调整变频马达112及冷却器113。在步骤S36中，当控制器13判断工具机2的主轴转速PN等于零时，会记录工具机2处于此状态的运作时间，并判断其是否大于短下料时间ts。当所述运作时间不大于短下料时间ts时，控制器13将维持执行步骤S34及S35的变流量及变温度控制；而当所述运作时间大于短上下料时间ts时，控制器13判断工具机2处于上下料状态，因而将开启电磁阀115，使冷却器113及变频马达112运作于最低频率，如步骤S37所示。
接着，在步骤S38中，控制器13会再检测并判断工具机2的主轴转速PN是否为零。若主轴转速PN不为零，表示工具机2完成了上下料程序而开始运转，控制器13因而执行步骤S34及S35的变流量及变温度控制；若主轴转速PN为零，控制器13则再判断工具机2处于主轴转速PN为零的运作时间是否大于长上下料时间tl，如步骤S39所示。若否，则维持步骤S37的状态；若是，则执行步骤S33的控制，即进一步地将冷却器113关闭。
通过上述结构，本案所揭示的温度控制系统及其方法，依据即时测得的工具机的运作参数，对流经工具机主轴的冷却液执行变流量及变温度的控制，且在工具机的暖机或上下料程序中，通过设置于冷却循环中电磁阀的开启，使流经主轴的冷却液不再流回冷却器进行冷却。由此，本案所揭示的温度控制系统及其方法可以即时地依据工具机的运作参数调节主轴的温度，降低高低负载加工之间的主轴热变位误差，提供高精度的热变位控制，且能够达到快速暖机以及节能的效果。
Claims (8)
1.一种温度控制系统，适用于一工具机，其特征在于，该温度控制系统包含：
冷却循环，包含：
泵，受一变频马达驱动以使一冷却液于该冷却循环中流动以流经该工具机的主轴；
冷却器，串接于该泵，且用于使该冷却液降温；以及
电磁阀，连接于该冷却器的入口及出口之间，用于在开启时使流经该主轴的该冷却液不流回该冷却器进行冷却，或在关闭时使该冷却液在该泵与该冷却器之间流动；以及
控制器，电连接于该变频马达、该冷却器及该电磁阀，且用于连接该工具机以检测该工具机的主轴负载、主轴转速、主轴温度以及机体温度，据以控制该变频马达、该冷却器及该电磁阀，
其中该控制器更用于依据该主轴温度及该机体温度之间的温度差，控制该冷却器降低该冷却液的温度，且依据该主轴负载、该主轴转速及该温度差，通过一回归方程式计算该变频马达的转速，以控制该冷却液的流速，
其中该控制器更用于判断该主轴温度是否坐落于一工作温度区间，在判断该主轴温度未坐落于该工作温度区间时，开启该电磁阀，且在判断该主轴温度坐落于该工作温度区间时，关闭该电磁阀，其中该工作温度区间关系于该机体温度。
2.如权利要求1所述的温度控制系统，其中该控制器在判断该主轴温度未坐落于该工作温度区间时，更使该冷却器处于关闭状态，且在判断该主轴温度坐落于该工作温度区间时，更使该冷却器处于开启状态。
3.如权利要求1所述的温度控制系统，其中该控制器更在检测的该主轴转速等于零时，记录该主轴转速等于零的运作时间，且在该运作时间大于一预设时间时，开启该电磁阀。
4.如权利要求3所述的温度控制系统，其中该预设时间作为一第一预设时间，且该控制器更在该运作时间大于一第二预设时间时关闭该冷却器，其中该第二预设时间大于该第一预设时间。
5.一种温度控制方法，适用于一温度控制系统，以控制一变频马达驱动一泵，使一冷却液流经一工具机的主轴，该温度控制方法包含：
检测该工具机的主轴负载、主轴转速、主轴温度以及机体温度；
依据该主轴温度及该机体温度之间的温度差，控制一冷却器降低该冷却液的温度；以及
依据该主轴负载、该主轴转速及该温度差，通过一回归方程式计算该变频马达的转速，以控制该冷却液的流速，
其中在控制该冷却器降低该冷却液的该温度及控制该冷却液的该流速之前，还包含：
判断该主轴温度是否坐落于一工作温度区间内，其中该工作温度区间关系于该机体温度；
当该主轴温度未坐落于该工作温度区间时，开启电磁阀；以及
当该主轴温度坐落于该工作温度区间时，关闭该电磁阀，
其中该电磁阀连接于该冷却器的入口及出口之间，用于在开启时使流经该主轴的该冷却液不流回该冷却器进行冷却，或在关闭时使该冷却液在该泵与该冷却器之间流动。
6.如权利要求5所述的温度控制方法，其中当该主轴温度未坐落于该工作温度区间时，更使该冷却器处于关闭状态，且当该主轴温度坐落于该工作温度区间时，更使该冷却器处于开启状态。
7.如权利要求5所述的温度控制方法，还包含：
当检测的该主轴转速等于零时，记录该主轴转速等于零的运作时间；以及
当该运作时间大于一预设时间时，开启该电磁阀。
8.如权利要求7所述的温度控制方法，其中该预设时间作为一第一预设时间，且该温度控制方法还包含：
当该运作时间大于一第二预设时间时，关闭该冷却器；
其中该第二预设时间大于该第一预设时间。
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