CN112405098B - 基于微量润滑的内冷外冷智能切换系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微量润滑的内冷外冷智能切换系统及方法，包括视觉系统、冷却系统和控制系统；视觉系统，被配置为对机床刀具铣削状态进行实时监测，采集刀具铣削加工工件的实时铣削深度图像，并通过无线传输装置将采集到刀具铣削加工工件的实时铣削深度图像传输给控制系统；控制系统，包括润滑方式控制中心、第二无线传输装置、电机控制中心和第三无线传输装置，所述的润滑方式控制中心通过第二无线传输装置接收图像采集控制中心发送的实时图像，润滑方式控制中心通过分析处理刀具铣削加工工件的实时图像，得到刀具的实时铣削深度数据；所述的电机控制中心通过第三无线传输装置接受到润滑方式控制中心发出的信号，电机控制中心对信号进行分析处理后，通过第三无线传输装置将控制指令发送给冷却系统。冷却系统，被配置为用于执行控制系统所发出的内冷和外冷转换命令。

Description

基于微量润滑的内冷外冷智能切换系统及方法

技术领域

本发明涉及金属切削加工领域，特别是涉及内冷外冷智能切换系统及方法。

背景技术

在机械加工中，为了从刀具和工件中带走热量，必须采用切削液对加工区域进行冷却处理。不正确的冷却方式可能会降低加工质量和刀具寿命。切削液的冷却作用是通过它和因切削而发热的刀具、切屑和工件间的对流和汽化作用，把切削热从刀具和工件处带走，从而有效地降低切削温度，减少工件和刀具的热变形，保持刀具硬度，提高加工精度和刀具耐用度。切削液的润滑作用是通过减小前刀面与切屑、后刀面与已加工表面间的摩擦，形成部分润滑膜，从而减小切削力、摩擦和功率消耗，降低刀具与工件坯料摩擦部位的表面温度和刀具磨损，改善工件材料的切削加工性能。此外，切削液对加工区还起到清洗的作用，可以去除生成切屑、磨屑以及铁粉、油污和砂粒，使刀具的切削刃口保持锋利，不致影响切削效果。

目前加工中心机床所采用的冷却润滑方式有内冷的冷却润滑方式、外冷的冷却润滑方式。内冷的冷却润滑方式一般是切削液由切削液供给系统供给，经过切削液管道流入机床主轴的旋转接头，由旋转接头流入机床主轴的内冷管道，将切削液传输至刀具上的内冷管道，实现刀具在切削加工过程中的冷却润滑。内冷的冷却润滑方式能够满足铣削深度较大的孔、凹槽等加工工况的冷却润滑。但他的缺点在于只适用于特定加工工况下的切削加工，并且因为内冷系统为机床自带的系统，价格较为昂贵，在加工不需要内冷的工况时，会造成经济上的浪费。外冷的冷却润滑方式包括浇筑式、微量润滑技术。浇筑式一般由切削液供给系统供给切血液，经过外冷管道流入外冷喷嘴，从外部对刀具—工件的加工区域进行冷却润滑。这种方式的冷却润滑能够很好的起到对加工区域进行冷却润滑作用，还能够起到排屑、清洗刀具的作用。浇筑式的冷却润滑方式相比于内冷的冷却润滑方式，他不能够满足铣削深度较大的孔、凹槽等加工工况的冷却润滑。此外这种方式的切削液有效冷却润滑率很低，浪费大量的切削液，这样不单单会造成经济损失，因为切削液中含有危害人体健康的物质，所以还会影响操作人员的生命健康。

微量润滑技术在机械加工领域中相比于传统的浇筑式外冷冷却润滑方式，更加适应了绿色制造和可持续发展的理念。它是指将微量的润滑液、水和具有一定压力的气体混合雾化后，喷射到切削区起到冷却润滑作用的一种技术。水和高压气体起到冷却作用，油起到润滑切削区、延长刀具寿命的作用。微量润滑供给系统大体上可分为单通道式和双通道式两大类。两者的区别是空气和润滑油混合形成气溶胶的位置不同，即根据对微量切削液的传输、雾化的差别而被分成两种形式。其中单通道式的特点为:空气和润滑油在发生设备内已经混合成气溶胶，随后气溶胶通过喷头内部的轨道被输送到加工区域。而双通道式的特点为：空气和润滑油在不同的轨道内被输送到加工轴头附近的混合腔内，形成气溶胶，随后被输送到加工区域。与双通道系统相比，单通道系统虽然更便于制造，但在输送冷却润滑油雾时，特别是在具有强烈离心作用下的旋转主轴中时油雾易被分散，这常常导致加工区油雾分布不均匀，从而影响加工质量。而双通道式的微量润滑系统，因为在气溶胶形成后，被输送到加工区域的距离比较近，其润滑液滴相比单通道式更加细小，润滑效果将更好，所以应用范围更加广泛。微量润滑技术具有较高的切削液利用率，对环境污染较小。但它和浇筑式一样，在加工铣削深度较大的孔、凹槽等工况下，仍存在对加工区域冷却润滑不充分的问题。对于内冷和外冷的冷却润滑方式的改进，目前研究者已经取得了很大的进展，但在应用是仍然存在着很多不足之处。

中捷机床有限公司金辉等发明了一种五轴机床的刀具内冷与主轴冷却循环切换系统(专利号：201710434607.4)其特征在于水箱采用一个共用泵组连通主工作通路和溢流阀，设置经溢流阀溢流对泵保护，主工作通路和溢流阀管路上，对称设置压差检测组件；在主工作通路出口设置一组电磁阀来换向，控制联通刀具内冷或主轴冷却循环之一管路出水，刀具内冷与主轴冷却循环各路再次由各自管路上的电磁阀组控制本管路通断，通过程序控制电磁阀组作业，实现刀具内冷与主轴冷却循环自动切换；该系统通过编辑水冷控制的PLC程序，实现当内冷泵与一组电磁切换阀同时启动时实现刀具内冷、当只启动内冷泵电机时实现主轴头的内部冷却循环。实现了双泵改为一个泵组，减少了控制管路、阀组，运行更稳定，减少故障点，减少了制作、维修成本。

北京航空航天大学袁松梅等发明了一种微量润滑系统(专利号：201720525491.0)，包括供液子系统、供气子系统和喷嘴，供液子系统包括通过进液管连通的储液腔和球形微泵，球形微泵用于控制储液腔中润滑剂输出，喷嘴设有第一输入端、第二输入端和喷口，球形微泵通过出液管与所述喷嘴的第一输入端连通，供气子系统与所述喷嘴的第二输入端连通。该微量润滑系统通过采用球形微泵，能够精确控制微量润滑系统传输管路中的润滑剂流量，使润滑剂精确定量地从储液腔达到喷嘴喷口处，进而在压缩空气的作用下实现雾化，从而克服现有微量润滑系统在精确控制润滑剂用量上的不足。

上海工程技术大学林靖朋等发明了一种微量润滑装置(专利号：201810159390.5)。该装置包括箱体、设置在箱体内的多点混合机构以及分别设置在箱体上的供油机构、供气机构，多点混合机构分别与供油机构、供气机构相连通。该专利可以将润滑油分散成多股，并从各个方向与空气混合，解决了润滑油与空气的充分均匀混合得问题，提高油气混合物的润滑性能，进而提高加工性能，降低生产成本，并且设备灵活性好，易于安装维护。

上述装置虽然在资源的节约、润滑的性能等方面做出了突出贡献，但在机床上同时加工具有深度较大的孔和深度较小的凹槽的工件时，外冷仍然存在冷却润滑不充分的问题。采用内冷机床仍然存在不经济的问题。研究者想到通过改变刀具的刀柄结构，可以在保持原有的外冷润滑方式机构不变的同时将外冷转化为内冷。当实际加工工况需要内冷润滑方式时，可以通过转换刀柄将外冷转化为内冷，在机床保持具有外冷的条件下，使具有内冷的冷却润滑方式。以满足实际加工工况的需求。现在研究者已经进行了这方面的研究，并取得了显著的成果。

汇专绿色工具有限公司颜炳姜等发明了一种外冷转内冷刀柄及外冷转内冷刀柄组件(专利号：201910853806.8)。该装置包括刀柄本体、定位环、轴承座、轴承、定位柱、弹性件及换刀块，当需要将装配或取下刀柄本体，机械手抓取刀柄本体，使刀柄本体伸入或脱出主轴，向下或向下作用定位柱，第一卡位部与第二卡位部松开或卡合，实现刀柄本体自由转动或被限位。通过内冷刀具的方式实现内冷润滑。该装置通过定位环上的第一卡位部与定位柱上的第二卡位部实现定位，达到快速更换刀柄的目的，避免人工调节喷嘴的位置或喷射角度，提高效率以降低人工成本，且保证产品质量稳定性。

森泰英格(成都)数控刀具有限公司陈永强等发明了一种外冷转内冷刀柄结构(专利号：201521020079.0)。该装置包括刀柄、进水套、接头、定位块、定位螺钉和两个密封结构；刀柄上设置有第一进水孔；进水套上设置有环形槽、第二进水孔和两个密封槽，环形槽位于进水套内侧，第二进水孔与环形槽连通，两个密封槽分别位于环形槽两边；进水套套装在刀柄上，环形槽与第一进水孔连通；定位块固定设置，定位螺钉两端分别与定位块和进水套连接；两个密封结构分别装入两个密封槽，密封结构避免冷却水由进水套和刀柄间的间隙流出；接头一端与第二进水孔连接，接头另一端用于连接软管。该装置结构简单，利于制造和节约成本。

东莞市安默琳节能环保技术有限公司熊伟强等发明了一种外冷转内冷刀柄装置及切削装置(专利号：201320606428.1)。该装置包括刀柄，刀柄的一端开设有用于安装刀具的装夹孔，刀柄开设有进液通道，进液通道与装夹孔连通，该刀柄装置还包括一转换装置，刀柄可转动地穿设于转换装置内，转换装置内开设有供冷却介质流通的冷却通道，冷却通道与进液通道连通。该装置可以将冷却介质通过转换装置的冷却通道进入刀柄的进液通道，然后进入装夹孔从而实现装夹的刀具的不间断冷却，可以及时地降低刀具上的温度，降低刀具的磨损，避免刀具折断，提高效率及加工精度。该装置结构简单、易于操作，不会影响机床的正常加工，并能够正常使用内冷刀具，提高加工效率。

经检索以上发明成果，虽然实现了由外冷的冷却润滑方式转换为内冷的冷却润滑方式，让机床具备了内冷的冷却润滑方式和外冷的冷却润滑方式，并且可以通过特殊结构实现外冷和内冷的转换。既满足加工深度较大的孔、凹槽等工件又满足加工深度较小的孔或加工平面等工件时的冷却润滑需求。

然而，发明人发现在实际机床加工时，操作人员需要根据自己的经验，判断此时的加工工况需要何种冷却润滑方式，来进行内冷和外冷的冷却润滑方式的转换，有较大的局限性。更进一步的，这些发明的内冷和外冷的冷却润滑方式的转换需要人工进行，未能实现内冷和外冷的智能切换，浪费了较大的人力资源。

发明内容

针对以上问题，本发明专利的目的是提供一种内冷外冷智能切换系统及方法，该系统通过对机床进行铣削深度的数据采集，将铣削深度的数据传输至控制中心进行数据的分析处理，并会根据一开始设定好的内冷外冷切换域值进行比较，得出此时机床加工工况下最适宜的冷却润滑方式。此外控制中心将会根据得到的结果来控制内冷外冷系统。实现内冷外冷冷却润滑方式的智能切换。

为了达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种内冷外冷智能切换系统，该系统包括视觉系统、冷却系统和控制系统；

所述视觉系统，被配置为对机床刀具铣削状态进行实时监测，采集刀具铣削加工工件的实时铣削深度图像，并通过第一无线传输装置将采集到刀具铣削加工工件的实时铣削深度图像传输给控制系统；

所述的控制系统，包括润滑方式控制中心、第二无线传输装置、电机控制中心和第三无线传输装置；所述的润滑方式控制中心与第二无线传输装置相连，第二无线传输装置用于接收图像采集控制中心发送的实时图像，润滑方式控制中心用于分析处理刀具铣削加工工件的实时图像，得到刀具的实时铣削深度数据，且将该数据与预先设定的铣削深度域值进行比较，根据比较结果得到该加工工况下的润滑方式；所述的电机控制中心与第三无线传输装置，第三无线传输装置用于接收润滑方式控制中心发出的信号，电机控制中心对信号进行分析处理得到控制指令，第三无线传输装置将控制指令发送给冷却系统；

所述冷却系统，包括内冷装置和外冷装置，被配置为用于执行电机控制中心所发出的内冷和外冷转换命令，分别实现对机床的内冷和外冷。

作为进一步的技术方案，所述的视觉系统包括自稳定云台和安装在自稳定云台上的相机、照明装置、图像采集控制中心和第一无线传输装置，所述的相机用来拍摄刀具铣削加工工件的实时图像，相机与图像采集控制中心通讯，所述的图像采集控制中心与第一无线传输装置相连；所述的照明装置安装在相机的上方。所述自稳定云台可以自动的调整相机的绝对水平姿态，在适当的摆幅下能实现相机的高度稳定。使相机时时保持与目标物的相对稳定状态，从而保证了拍摄图像的稳定。所述图像采集控制中心一方面会通过无线传输装置来接收润滑方式控制中心发出的启动拍摄指令，会使其控制相机进行图像拍摄；另一方面用来储存由相机拍摄而来的图像信息，并将其经由无线传输装置通过无线传输至润滑方式控制中心。

作为进一步的技术方案，所述的冷却系统包括内冷外冷切削液储存装置、换向装置、内冷装置、外冷装置和外冷压缩空气储存装置；所述的内冷外冷切削液储存装置通过换向装置分别与内冷装置、外冷装置相连，且外冷装置还与外冷压缩空气储存装置相连，外冷压缩空气储存装置用于把压缩气体通过管路传输至外冷装置。

作为进一步的技术方案，所述的换向装置包括本体，所述的本体内设有冷却液总管道、内冷装置管道A、外冷装置管道B和溢流管道；所述的内冷装置管道A、外冷装置管道B、溢流管道均与冷却液总管道相连通，冷却液总管道与内冷外冷切削液储存装置相连通，且内冷装置管道A、外冷装置管道B与换向块配合，所述的换向块通过电机驱动，实现对内冷装置管道A或外冷装置管道B的关闭或开启。

作为进一步的技术方案，所述的冷却液总管道和溢流管道内均内安装有切削液压力调节装置，所述的切削液压力调节装置包括阀芯、弹簧、调压螺母、调节套筒；所述的调节套筒上具有螺纹，通过螺纹连接安装在换向装置本体上；调压螺母安装在调节套筒上；调节螺丝、弹簧座、调压弹簧依次安装在调节套筒内，并将调压弹簧末端安装在弹簧底座上，并与阀芯连接。换向装置能够通过调节调压螺母来调节调压弹簧的预紧力F_s1，可调节减压口的切削液压力p₂，即内冷通道和外冷通道的压力；通过调节第二调压弹簧的预紧力F_s2来调节此时的切削液的压力p₂，即溢流压力；通过调节溢流压力，可以使得溢流压力小于换向装置所能承受的最大压力；能够对换向装置起到保护作用。

作为进一步的技术方案，所述的内冷装置包含旋转接头、内冷堵头、堵头内套管、内冷接头；

所述内冷堵头安装在机床主轴内；堵头内套管通过内套管轴承安装在内冷堵头中，其中右侧内套管轴承通过卡环固定在堵头内套管；内冷接头通过内冷接头轴承安装在机床主轴内；机床主轴通过机床主轴上轴承、机床主轴下轴承安装在机床主轴外壳中。

作为进一步的技术方案，所述的外冷装置包括X伸缩臂模块、Y伸缩臂模块、Z伸缩臂模块和喷头角度模块，Y伸缩臂模块安装在X伸缩臂模块上，Z伸缩臂模块安装在Y伸缩臂模块，所述的喷头角度模块安装在Z伸缩臂模块上。

第二方面，本发明基于上述的内冷外冷智能切换系统，还提供了一种冷却方法，如下：

加工开始时，润滑方式控制中心会收到加工指令，并控制视觉系统工作；视觉系统工作后，将采集到的刀具铣削加工工件的图像传输给润滑方式控制中心；通过分析处理刀具铣削加工工件的图像，得到刀具的实时铣削深度数据；润滑方式控制中心里设有内冷外冷润滑方式转换的铣削深度域值；润滑方式控制中心把得到刀具的实时铣削深度数据与设定好的铣削深度域值进行比较，根据比较结果得到此时加工工况下的润滑方式，并将此结果通过模拟信号量的形式传输给电机控制中心；

电机控制中心用于接受到润滑方式控制中心发出的含有此时铣削工况下所需要的润滑方式的模拟信号量，并会对其进行分析处理，将其以不同的脉冲信号的数量的方式来控制换向装置的转动，对内冷外冷系统中的换向装置中的换向块进行角度转动控制，进而实现了对切削液流向内冷装置管道A还是外冷装置管道B的切换，完成了对内冷外冷系统进行切换。

切削液从内冷外冷切削液储存装置流出，当流经换向装置时，会根据实际加工工况下已经调整好的换向装置中内冷装置管道A还是外冷装置管道B的开闭状态，决定切削液流向内冷装置还是外冷装置，实现了针对此时机床对工件铣削工况下最适宜的润滑方式的转换。

作为进一步的技术方案，视觉系统采集刀具铣削加工工件的实时铣削深度图像采用加工点位光学识别系统，通过识别映射在刀身上一定波长范围的不可见光光轨，获取刀具顶端的位置信息和刀具铣削时工件表面的位置信息，运算当前刀具末端坐标数据，得出当前的铣削深度信息；视觉系统采集刀具铣削加工工件的实时铣削深度图像分为两个部分，第一部分是采集刀柄到刀具顶端的长度L₁，另一部分是采集刀柄到铣削工件表面的长度L₂；则机床铣削加工工件的铣削深度L为：

L＝L₁-L₂。

本发明的有益效果如下：

1.本发明通过视觉系统的图像采集、润滑方式控制中心对采集到的图像进行分析处理，得到此时的铣削深度数据，并根据所设定的铣削深度域值进行比较，能够得到此时铣削工况下最适宜的冷却润滑方式；

2.本发明的润滑方式控制中心根据此时铣削工况下最适宜的冷却润滑方式，能够向电机控制中心发出相应的润滑方式信号，电机控制中心通过控制脉冲信号的数量来控制换向装置中步进电机的角度转动，实现内冷和外冷的智能切换；

3.本发明的换向装置能够通过调节第一调压螺丝来调节第一调压弹簧的预紧力，可以调节减压口的切削液压力，即内冷通道和外冷通道的压力；通过调节第二调压螺丝来调节第二调压弹簧的预紧力来调节此时的切削液的压力，即溢流压力。通过调节溢流压力，可以使得溢流压力小于换向装置所能承受的最大压力。能够对系统起到保护作用；

4.本发明的内冷外冷为智能切换，不需要工作人员在机床工作过程中进行内冷外冷的人工切换，较大的节省了劳动力。

附图说明

图1为内冷外冷智能切换系统在机床上分布图；

图2为视觉系统的总体结构图；

图3为换向装置爆炸视图；

图4(a)为换向装置正视图：图4(b)为换向装置侧视图；图4(c)为换向装置俯视图；

图5为换向装置内部装配图；

图6(a)为换向块正视图；图6(b)为换向块侧视图；图6(c)为换向块俯视图；

图7为换向装置上座的底面视图；

图8为换向装置下座的俯视图；

图9为换向装置上座的底面视图；

图10为内冷装置的主轴装配图；

图11为内冷装置的内部装配图；

图12为旋转接头的爆炸视图；

图13为旋转接头的装配图；

图14为外冷装置的整体结构图；

图15为内冷外冷智能切换系统的信息传输框图；

图16为视觉系统采集刀具状态信息图；

图17为视觉系统采集刀具状态信息流程框图；

图18为视觉系统图像分析处理流程图；

图19为连通域边界坐标构成的矩形；

图20(a)为换向块转动0°或360°时的换向装置工作状态；图20(b)为换向块转动90°时的换向装置工作状态；图20(c)为换向块转动180°时的换向装置工作状态；图20(d)为换向块转动270°时的换向装置工作状态；

图21(a)为换向装置进行减压前的工作原理图；图21(b)为换向装置进行减压的工作原理图；图21(c)为换向装置进行溢流的工作原理图；

图22为内冷外冷智能切换系统的简图。

图1中：视觉系统I、内冷系统II、外冷系统III、切削液储存装置II-1、换向装置II-2、内冷装置II-3、外冷压缩空气储存装置III-1、外冷装置III-2。

图2：视觉系统包含相机I-1、照明装置I-2、自稳定云台I-3、图像采集控制中心I-4、第一无线传输装置I-5、润滑方式控制中心I-6、第二无线传输装置I-7、电机控制中心I-8、第三无线传输装置I-9、支架I-10、视觉系统螺栓I-11。

图3：换向装置上座II-2-1、换向装置下座II-2-2、换向块II-2-3、第一调节套筒II-2-4、第二调节套筒II-2-5、第一调压螺母II-2-6、第二调压螺母II-2-7、第一调节螺丝II-2-8、第二调节螺丝II-2-9、第一弹簧座II-2-10、第二弹簧座II-2-11、第一调压弹簧II-2-12、第二调压弹簧II-2-13、第一弹簧底座II-2-14、第二弹簧底座II-2-15、第一阀芯II-2-16、第二阀芯II-2-17、换向电机II-2-18、换向块轴承II-2-3-1、换向装置螺栓垫片II-2-2-1、换向装置螺栓II-2-2-2、向电机螺栓垫片II-2-18-1、换向电机螺栓II-2-18-2、换向电机联轴器II-2-18-3。

图4(a)：换向装置上座II-2-1、换向装置下座II-2-2、第二调节套筒II-2-5、换向装置螺栓垫片II-2-2-1、换向装置螺栓II-2-2-2；图4(b):向电机螺栓垫片II-2-18-1、换向电机螺栓II-2-18-2、换向电机II-2-18；图4(c)：第一调节套筒II-2-4、第一调压螺母II-2-6、第二调压螺母II-2-7；

图5：换向块II-2-3、第一调节套筒II-2-4、第二调节套筒II-2-5、第一调节螺丝II-2-8、第二调节螺丝II-2-9、第一弹簧座II-2-10、第二弹簧座II-2-11、第一调压弹簧II-2-12、第二调压弹簧II-2-13、第一弹簧底座II-2-14、第二弹簧底座II-2-15、第一阀芯II-2-16、第二阀芯II-2-17、换向块轴承II-2-3-1。

图7：换向装置上座II-2-1、换向装置螺栓孔II-2-2-3、内冷装置管道A、外冷装置管道B

图8：换向装置下座II-2-2。

图9：换向装置下座II-2-2、换向电机螺栓孔II-2-18-4。

图10：机床主轴外壳II-3-2、机床主轴上端盖II-3-3、机床主轴下端盖II-3-4、下端盖垫片II-3-5、机床主轴II-3-8、机床主轴上轴承II-3-15、机床主轴下轴承II-3-16。

图11：旋转接头II-3-1、内冷堵头II-3-6、堵头内套管II-3-7、内冷接头II-3-9、刀具装置II-3-10、紧锁螺母II-3-11、内套管轴承II-3-12、卡环II-3-13、内冷接头轴承II-3-14、管道II-3-17。

图12：弯管接头II-3-1-1、联接座II-3-1-2、支撑座II-3-1-3、旋转接头套筒II-3-1-4、旋转接头心轴II-3-1-5、旋转接头螺栓II-3-1-7、旋转心轴轴承II-3-1-6、旋转接头螺栓垫圈II-3-1-8、旋转接头螺栓孔II-3-1-9。

图13：旋转心轴轴承II-3-1-6、Y型密封圈II-3-1-10、O型密封圈II-3-1-11、端面密封圈II-3-1-12、管道II-3-17。

图14：X、Y、Z伸缩臂模块III-2-1、喷头角度模块III-2-2。

图22：切削液储液罐1、液压泵2、调压阀3、节流阀4、溢流阀5、切削液回收箱6、空气压缩机7、过滤器8、储气罐9、压力表10、调压阀11、节流阀12、溢流阀13、压缩空气回收箱14。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明专利的目的是提供一种内冷外冷智能切换系统，该系统通过对机床进行铣削深度的数据采集，将铣削深度的数据传输至控制中心进行数据的分析处理，并会根据一开始设定好的内冷外冷切换域值进行比较，得出此时机床加工工况下最适宜的冷却润滑方式。此外控制中心将会根据得到的结果来控制内冷外冷系统。实现内冷外冷冷却润滑方式的智能切换。该系统在机床上的分布如图1所示，该系统包括视觉系统I、内冷系统II、外冷系统III；内冷系统II、外冷系统III共同组成冷却系统；

进一步的，上述的视觉系统I的总体结构如图2所示，所述视觉系统I用于对机床刀具铣削状态进行实时监测，采集刀具铣削加工工件的实时铣削深度图像，并通过无线传输装置将采集到刀具铣削加工工件的实时铣削深度图像传输给控制系统；视觉系统包含相机I-1、照明装置I-2、自稳定云台I-3、图像采集控制中心I-4和第一无线传输装置I-5。所述相机I-1用来拍摄刀具铣削加工工件的实时图像，目的是采集到刀具的铣削深度信息。所述照明装置I-2用于照亮工况，目的是使相机I-1拍摄的图片更加清晰，也可以满足在黑暗的工况下进行图片拍摄。所述自稳定云台I-3可以自动的调整相机I-1的绝对水平姿态，在适当的摆幅下能实现相机I-1的高度稳定，使相机I-1时时保持与目标物的相对稳定状态，从而保证了拍摄图像的稳定。所述图像采集控制中心I-4一方面会通过第一无线传输装置I-5来接收润滑方式控制中心I-6发出的启动拍摄指令，会使其控制相机I-1进行图像拍摄；另一方面用来储存由相机I-1拍摄而来的图像信息，并将其经由第一无线传输装置I-5通过无线传输至润滑方式控制中心I-6。

进一步的，在自稳定云台I-3上还安装有润滑方式控制中心I-6、第二无线传输装置I-7、电机控制中心I-8、第三无线传输装置I-9和支架I-10。润滑方式控制中心I-6、第二无线传输装置I-7、电机控制中心I-8、第三无线传输装置I-9共同组成了控制系统；所述自稳定云台I-3通过视觉系统螺栓I-11连接，安装在喷头第二基座左基座III-2-2-4；所述照明装置I-2安装在相机I-1的上方，所述第一无线传输装置I-5安装在图像采集控制中心I-4上。

所述润滑方式控制中心I-6安装在自稳定云台I-3上，通过第二无线传输装置I-7接收刀具铣削加工工件的实时图像，润滑方式控制中心I-6通过分析处理刀具铣削加工工件的实时图像，得到刀具的实时铣削深度数据。润滑方式控制中心I-6里设有内冷外冷润滑方式转换的铣削深度域值。润滑方式控制中心I-6会把得到刀具的实时铣削深度数据与设定好的铣削深度域值进行比较，根据比较结果得到此时加工工况下的润滑方式，并将此结果通过第二无线传输装置I-7以模拟信号量的形式传输给电机控制中心I-8。

所述电机控制中心I-8安装在自稳定云台I-3上，通过第三无线传输装置I-9接受到润滑方式控制中心I-6发出的含有此时铣削工况下所需要的润滑方式的模拟信号量，电机控制中心I-8会对其进行分析处理，通过第三无线传输装置I-9将其以控制脉冲信号数量的方式来进行对换向装置中的换向电机II-2-18进行角度调控，换向电机II-2-18通过控制换向装置II-2内的换向块II-2-3的角度，进而实现了对切削液流向内冷装置管道A还是外冷装置管道B的切换，实现对内冷外冷系统进行切换，从而实现了针对此时机床对工件铣削工况下最适宜的润滑方式的转换。

不难理解的，在其他实施例中，润滑方式控制中心I-6、第二无线传输装置I-7、电机控制中心I-8、第三无线传输装置I-9还可以安装在其他装置上，具体根据实际情况进行选择。

进一步的，上述的内冷系统II、外冷系统III用于执行控制系统所发出的内冷和外冷转换命令的机构。所述的内冷系统包含内冷外冷切削液储存装置II-1、换向装置II-2、内冷装置II-3。所述的外冷系统包含内冷外冷切削液储存装置II-1、外冷压缩空气储存装置III-1、换向装置II-2、外冷装置III-2。本系统中内冷系统II、外冷系统III共用同一个换向装置II-2以及同一个切削液储存装置II-1；其中，所述切削液储存装置II-1用于把切削液通过换向装置II-2运输至内冷装置II-3和外冷装置III-2，外冷压缩空气储存装置III-1用于把压缩气体通过管路传输至外冷装置III-2。

更进一步的，内冷外冷切削液储存装置II-1如图22所示，其包含切削液储液罐1、液压泵2、调压阀3、节流阀4、溢流阀5和切削液回收箱6；切削液储液罐1通过管路依次连接液压泵2、调压阀3、节流阀4，同时在调压阀3、节流阀4之间设计一个支路，该支路上安装溢流阀5，溢流阀5的与切削液回收箱6相连。

更进一步的，外冷压缩空气储存装置III-1如图22所示，其包含空气压缩机7、过滤器8、储气罐9、压力表10、调压阀11、节流阀12、溢流阀13和压缩空气回收箱14；空气压缩机7依次连接过滤器8、储气罐9、调压阀11、节流阀12；在储气罐9上设置有压力表10，在调压阀11与节流阀12之间设有一个支路，该支路上连接溢流阀13，溢流阀13与压缩空气回收箱14相连。

更进一步的，上述的换向装置II-2的爆炸图如图3所示。换向装置II-2是内冷外冷系统中用于实现控制系统所发出的内冷和外冷切换命令的装置，通过管路将切削液从内冷外冷切削液储存装置II-1传输至自身。换向装置II-2的三视图如图4(a)、图4(b)、图4(c)所示，换向装置II-2的内部装配如图5所示，该装置包含换向装置上座II-2-1、换向装置下座II-2-2、换向块II-2-3、第一调节套筒II-2-4、第二调节套筒II-2-5、第一调压螺母II-2-6、第二调压螺母II-2-7、第一调节螺丝II-2-8、第二调节螺丝II-2-9、第一弹簧座II-2-10、第二弹簧座II-2-11、第一调压弹簧II-2-12、第二调压弹簧II-2-13、第一弹簧底座II-2-14、第二弹簧底座II-2-15、第一阀芯II-2-16、第二阀芯II-2-17和换向电机II-2-18；

换向块II-2-3通过换向块轴承II-2-3-1安装在换向装置上座II-2-1与换向装置下座II-2-2内。换向装置上座II-2-1、换向装置下座II-2-2通过换向装置螺栓垫片II-2-2-1、换向装置螺栓II-2-2-2、换向装置螺栓孔II-2-2-3连接在一起；第一调节套筒II-2-4、第二调节套筒II-2-5上具有螺纹，通过螺纹连接安装在换向装置上座II-2-1上，在本实施例中，第一调节套筒II-2-4、第二调节套筒II-2-5的安装位置相互垂直，以图5表示的方位为例，第一调节套筒II-2-4水平安装在换向装置上座II-2-1上，位于溢流通道内，第二调节套筒II-2-5竖直安装在换向装置上座II-2-1上，位于切削液进口通道内；第一调压螺母II-2-6、第二调压螺母II-2-7分别安装在第一调节套筒II-2-4、第二调节套筒II-2-5上；第一调节螺丝II-2-8、第一弹簧座II-2-10、第一调压弹簧II-2-12依次安装在第一调节套筒II-2-4内，并将第一调压弹簧II-2-12末端安装在第一弹簧底座II-2-14上，并与第一阀芯II-2-16连接；第二调节螺丝II-2-9、第二弹簧座II-2-11、第二调压弹簧II-2-13依次安装在第二调节套筒II-2-5内，并将第二调压弹簧II-2-13末端安装在第二弹簧底座II-2-15上，并与第二阀芯II-2-17连接。

第一调节套筒II-2-4、第一调压螺母II-2-6、第一调节螺丝II-2-8、第一弹簧座II-2-10、第一调压弹簧II-2-12、第一弹簧底座II-2-14和第一阀芯II-2-16在换向装置上座II-2-1腔体内形成了切削液减压装置，通过调节第一调节螺丝II-2-8的预紧力来调节腔体内切削液的压力；第二调节套筒II-2-5、第二调压螺母II-2-7、第二调节螺丝II-2-9、第二弹簧座II-2-11、第二调压弹簧II-2-13、第二弹簧底座II-2-15和第二阀芯II-2-17在换向装置上座II-2-2内形成了切削液溢流装置，通过第二调节螺丝II-2-9的预紧力来控制腔体内切削液的最大压力，对换向装置起到保护作用。

所述换向电机II-2-18为步进电机，通过换向电机螺栓垫片II-2-18-1、换向电机螺栓II-2-18-2、换向电机螺栓孔II-2-18-3安装在换向装置下座外侧。换向电机II-2-18通过换向电机联轴器II-2-18-3与换向块II-2-3的一端进行连接。换向电机II-2-18作为电机控制中心I-8的执行机构，通过接收脉冲信号的数量进行角度转动。换向电机II-2-18为换向块II-2-3提供动力，带动换向块II-2-3在换向装置II-2内转动，实现了换向块II-2-3对内冷装置管道A和外冷装置管道B的切换。节流阀4通过管路与冷却液总管道相连通，内冷装置管道A通过管路与内冷装置III-2相连通，外冷装置管道B通过管路与外冷装置III-2相连通。

更进一步的，上述的换向块II-2-3的三视图如图6(a)、图6(b)、图6(c)所示；其包括一个竖直部和三个水平部，竖直部与换向电机联轴器II-2-18-3相连，在换向块旋转的过程中，水平部与内冷装置管道A或者外冷装置管道B配合，实现换向块II-2-3对内冷装置管道A和外冷装置管道B的切换。

更进一步的，上述的换向装置上座II-2-1的底面视图如图7所示，其整体为一个矩形块，在该矩形块内设有内冷装置管道A和外冷装置管道B，且在矩形块的四个角上还四个螺栓孔II-2-2-3。

更进一步的，上述的换向装置下座II-2-2的顶面和底面视图如图8、图9所示，其整体为一个矩形块，在该矩形块的四个角上也还四个螺栓孔，在其中间部分设有换向电机螺栓孔II-2-18-4。

更进一步的，内冷装置II-3的主轴装配图如图10所示，内冷装置II-3的内部装配图如图11所示。内冷装置II-3通过管道II-3-17把切削液从换向装置II-2运输过来，通过旋转接头II-3-1将切削液传输至机床的主轴II-3-8内的切削液孔和刀具装置II-3-10内的切削液孔，使其最终从刀具外端的切削液孔流出，给与刀具和加工工件实施冷却。内冷装置II-3包含旋转接头II-3-1、机床主轴外壳II-3-2、机床主轴上端盖II-3-3、机床主轴下端盖II-3-4、下端盖垫片II-3-5、内冷堵头II-3-6、堵头内套管II-3-7、机床主轴II-3-8、内冷接头II-3-9和刀具装置II-3-10；

内冷堵头II-3-6通过紧锁螺母II-3-11安装在机床主轴II-3-8内；堵头内套管II-3-7通过内套管轴承II-3-12安装在堵头中，其中右侧内套管轴承II-3-12通过卡环II-3-13固定在堵头内套管II-3-7；内冷接头II-3-9通过内冷接头轴承II-3-14安装在机床主轴II-3-8内；机床主轴II-3-8通过机床主轴上轴承II-3-15、机床主轴下轴承II-3-16安装在机床主轴外壳II-3-2中；刀具装置II-3-10依据莫氏锥度安装在主轴II-3-8上。

更进一步的，旋转接头II-3-1的爆炸视图如图12所示，旋转接头II-3-1通过管道II-3-17与堵头内套管II-3-7实现连通。旋转接头II-3-1包含弯管接头II-3-1-1、联接座II-3-1-2、支撑座II-3-1-3、旋转接头套筒II-3-1-4、旋转接头心轴II-3-1-5。旋转接头II-3-1的装配图如图13所示，带有O型密封圈II-3-1-11的旋转接头心轴II-3-1-5安装在旋转接头套筒II-3-1-4内部，通过旋转心轴轴承II-3-1-6安装在支撑座上II-3-1-3，支撑座II-3-1-3和联接座II-3-1-2之间安装Y型密封圈II-3-1-10。弯管接头II-3-1-1安装在联接座上，在其接触处安装有端面密封圈II-3-1-12。联接座II-3-1-2和支撑座II-3-1-3通过旋转接头螺栓II-3-1-7、旋转接头螺栓垫圈II-3-1-8、旋转接头螺栓孔II-3-1-9进行连接。

更进一步的，所述的外冷装置III-2的整体结构如图14所示。外冷装置III-2用于把切削液通过管道输送给喷头装置III-2-2-6，通过喷嘴喷出给与刀具和加工工件实施冷却。外冷装置包含X、Y、Z伸缩臂模块III-2-1和喷头角度模块III-2-2；X、Y、Z伸缩臂模块III-2-1用于调节喷头角度模块III-2-2在X、Y、Z三个方向上的位置关系；所述视觉系统通过支架经视觉系统螺栓I-11，螺栓孔III-2-2-17连接安装在喷头角度模块III-2-2上。

该内冷外冷智能切换系统的信息传输框图如图15所示。相机I-1安装在与刀柄水平的位置处。加工开始时，润滑方式控制中心I-6会收到加工指令，并控制视觉系统I工作。视觉系统I工作后，将采集到的刀具铣削加工工件的图像传输给润滑方式控制中心I-6。通过分析处理刀具铣削加工工件的图像，得到刀具的实时铣削深度数据。润滑方式控制中心I-6里设有内冷外冷润滑方式转换的铣削深度域值。润滑方式控制中心I-6会把得到刀具的实时铣削深度数据与设定好的铣削深度域值进行比较，根据比较结果得到此时加工工况下的润滑方式，并将此结果通过模拟信号量的形式传输给电机控制中心I-8。电机控制中心I-8用于接受到润滑方式控制中心I-6发出的含有此时铣削工况下所需要的润滑方式的模拟信号量，并会对其进行分析处理，将其以不同的脉冲信号的数量的方式来控制换向电机II-2-18的转动，对内冷外冷系统中的换向装置II-2中的换向块II-2-3进行角度转动控制，进而实现了对切削液流向内冷装置管道A还是外冷装置管道B的切换，完成了对内冷外冷系统进行切换。切削液从内冷外冷切削液储存装置II-1流出，当流经换向装置II-2时，会根据实际加工工况下已经调整好的换向装置II-2中内冷装置管道A还是外冷装置管道B的开闭状态，决定切削液流向内冷装置II-3还是外冷装置II-2。实现了针对此时机床对工件铣削工况下最适宜的润滑方式的转换。

视觉系统I采集刀具铣削加工工件的实时铣削深度图像采用加工点位光学识别系统，通过识别映射在刀身上一定波长范围的不可见光光轨，屏蔽环境干扰，无需机床通信，快速获取刀具顶端的位置信息和刀具铣削时工件表面的位置信息，运算当前刀具末端坐标数据，得出当前的铣削深度信息。视觉系统采集刀具铣削加工工件的实时铣削深度图像分为两个部分，第一部分是采集刀柄到刀具顶端的长度L₁，另一部分是采集刀柄到铣削工件表面的长度L₂。如图16所示。在机床铣削加工开始前，机床需要根据加工工件的形状、材料等进行换刀，每种刀具的长度都不同，都需要在加工开始前进行刀具长度的采集，即采集刀柄到刀具顶端的长度L₁。在加工开始后，需要再一次的对刀具长度进行采集，即采集刀柄到铣削工件表面的长度L₂。则机床铣削加工工件的铣削深度L为：

L＝L₁-L₂

视觉系统I采集刀具长度L₁和L₂的具体流程如图17所示，首先在加工开始之前，图像采集控制中心I-4会收到润滑方式控制中心I-6的开启指令，控制相机I-1进行第一次的图像采集，并会通过第一无线传输装置I-5将采集到的图像通过第二无线传输装置I-7传输至润滑方式控制中心I-6中，润滑方式控制中心I-6对接收到的图像进行分析处理，得出刀具本身长度L₁，同时通过第二无线传输装置I-7给予图像采集控制中心I-4反馈，使相机I-1停止工作。当加工开始后，润滑方式控制中心I-6会对图像采集控制中心I-4传输第二次图像采集指令，图像采集控制中心I-4会控制相机I-1进行刀具实时加工图像拍摄，并会通过第一无线传输装置I-5将采集到的图像通过第二无线传输装置I-7传输至润滑方式控制中心I-6中，润滑方式控制中心I-6对接收到的图像进行分析处理，得出刀具实时铣削深度L₂。当加工完成后，润滑方式控制中心I-6通过第二无线传输装置I-7给予图像采集控制中心I-4反馈，使相机I-1停止工作。

系统将采集的刀具未加工的图像和刀具铣削工件的实时图像通过第一无线传输装置I-5传输至润滑方式控制中心I-6，润滑方式控制中心I-6对图像首先经过灰度变换、二值化等一系列预处理，消除原始像素干扰，提升数值分析精度，进而利用连通域识别算法和外接矩形绘制，提取刀具关键点位坐标，得出刀具长度。根据视觉系统采集刀具长度L₁和L₂的具体流程分别得出刀具长度L₁和L₂，最终完成刀具铣削加工工件的实时铣削深度的运算。润滑方式控制中心I-6对图像分析处理的过程如图18所示：

首先对刀具光轨图像进行灰度值处理，相机拍摄的为RGB彩色图像，因此需要将其转化为灰度图像。这样做的目的是为了提高图像清晰度，使得图像在后续处理更加精确。RGB图像至灰度图像的计算公式如下：

g(x,y)＝0.3R(x,y)+0.59G(x,y)+0.11B(x,y)

式中，g(x，y)，代表图像在(x，y)点处像素灰度数值，R、G、B分别表示(x，y)点像素的红、绿、蓝三项彩色向量数值。

将完成灰度处理的光轨图像继续简化为仅有黑、白两色像素的二值图像，目的使图像更加清晰，简化后续连通域过滤、外接矩形绘制过程，降低运算量。二值图像与灰度图像间的转换关系如下式：

式中，f(x，y)代表转换后的二值图像，g(x，y)代表灰度图像，t代表阈值，是像素转换判定条件，也是二值化处理的关键数值。其数值由(x，y)坐标位置处图像像素，此像素灰度数值，此点领域灰度环境特征三项因素互相影响决定。

在进行灰度值和二值化处理后，需要对图像进行连通域识别标记及过滤。本专利对图像采用Two-pass法进行连通域识别标记。首先进行矩阵onepass扫描赋值，由上到下、由左到右逐行扫描图像矩阵数据，为每个有效像素赋label标记数值。本专利的图像为四连通，其赋值规则公式为：

式中，M(i,j)表示第i行、第j列像素的label值。one pass扫描过程除对像素进行赋值外，同时将区域连通、数值不通label值归纳到等价数组a[i]内。矩阵全部像素赋值完成后，onepass扫描结束，开始进行two pass扫描。two pass扫描按照由上到下、由左到右逐行进行。根据one pass扫描生成的等价数组，属于同一等价数组的label值赋予所在数组内最小值；若数组内仅有单个元素，则将数组序号值赋予label，如下式：

至此，Two-pass法进行连通域识别标记结束，开始对图像进行连通域过滤。通过设定连通域像素数目下限B，可将像素数目小于B的全部删除。

在进行连通域识别后，需要进行外接矩形绘制。需要对目标连通域由左到右逐行扫描，记录第i行起点坐标(x_i0，y_i0)和终点坐标(x_i1，y_i1)，并将各坐标值分别录入对应数组，假设目标连通域矩阵为M行N列，则可获得两个数组：

X[0]＝{x₁₀,x₂₀,……x_M0}

X[1]＝{x₁₁,x₂₁,……x_M1}

式中，X[0]为连通域各行起点横坐标集合，X[1]为连通域各行终点横坐标集合，对两个数组分别取最大值Max{X[1]}和最小值Min{X[0]}，即可获得连通域x轴边界数值；y轴最大值和最小值分别为y₁₀、y_M0。根据所得到的连通域边界坐标后，即可得到外接矩形的四个顶点坐标(x_min，y_min)、(x_min，y_max)、(x_max，y_max)、(x_max，y_min)。矩形如图19所示。刀柄到刀具顶端的长度L₁或刀柄到铣削工件表面的长度L₂即为采集流程所对应绘制矩形的纵坐标长度。根据视觉系统采集刀具长度L₁和L₂的具体流程，依次得到刀柄到刀具顶端的长度L₁和刀柄到铣削工件表面的长度L₂。

润滑方式控制中心根据公式：

L＝L₁-L₂

得出机床铣削加工工件的实时铣削深度。润滑方式控制中心I-6里设有内冷外冷润滑方式转换的铣削深度域值L₃。润滑方式控制中心会把得到刀具的实时铣削深度数据L与设定好的铣削深度域值L₃进行比较。根据比较结果，得到此时加工工况下的润滑方式，并将此结果通过模拟信号量的形式传输给电机控制中心。可以分为以下几种：

(1)当L≤L₃时，此时加工工况所需的冷却润滑方式为外冷，润滑方式控制中心I-6会通过第二无线传输装置I-7向电机控制中心I-8传输相应的模拟信号量，电机控制中心I-8会根据这个带有“转换外冷方式”的模拟信号量，调节给与换向装置II-2的步进电机驱动器的脉冲信号的数量为N270°，步进电机驱动器会控制换向电机II-2-18转动270°，使得换向装置II-2处于外冷工作状态；

(2)当L＞L₃时，此时加工工况所需的冷却润滑方式为内冷，润滑方式控制中心I-6会通过第二无线传输装置I-7向电机控制中心I-8传输相应的模拟信号量，电机控制中心I-8会根据这个带有“转换内冷方式”的模拟信号量，调节给与换向装置II-2的步进电机驱动器的脉冲信号的数量为N90°，步进电机驱动器会控制换向电机II-2-18转动90°，使得换向装置II-2处于内冷工作状态；

(3)当没有L时，即此时的内冷外冷装置系统不工作时，润滑方式控制中心I-6会通过第二无线传输装置I-7向电机控制中心I-8传输相应的模拟信号量，电机控制中心I-8会根据这个带有“转换停止方式”的模拟信号量，调节给与换向装置II-2的步进电机驱动器的脉冲信号的数量为0°、N180°或N360°，步进电机驱动器会控制换向电机II-2-18转动0°、180°或360°，使得换向装置II-2处于停止工作状态。

内冷外冷润滑系统的切换由换向装置II-2中的换向块II-2-3的转动角度来实现。其中，换向块II-2-3的角度调节由换向电机II-2-18的驱动器接收电机控制中心I-8的脉冲信号的数量来进行换向电机II-2-18的角度转动，从而控制换向块II-2-3的角度转动，进而实现润滑系统的内冷外冷的切换。

每种步进电机都有其固定的步距角θ，步距角θ是步进电机在没有减速齿轮的情况下,对于接收一个脉冲信号,转子所转过的机械角度。其具体算法为：

其中，n_c为步进电机的转子齿数，n_c步进电机的运行拍数。

当步进电机转动一周所需要的脉冲信号的数量N_306°的算法为：

当步进电机转动任意角度所需要的脉冲信号的数量N_r的算法为：

其中，θ_r为步进电机转动任意角度。

上式可转化为θ_r＝N_r×θ

这样，就可以根据上式，通过调节电机控制中心I-8给与换向装置II-2换向电机步进电机驱动器的脉冲信号数量N_r的大小，来调节换向装置II-2中的换向块II-2-3的转动角度，实现内冷外冷润滑系统的切换。

根据本发明所设计的换向块形状，换向装置II-2共有四种工作状态如图20(a)、图20(b)、图20(c)、图20(d)所示：

(1)如图20(a)所示，此时换向装置II-2的工作状态为内冷通道A和外冷通道A都不通，内冷外冷润滑系统处于停止工作状态换向块II-2-3的旋转角度可能处在0°或360°；当换向块II-2-3的角度为0°时，即换向电机II-2-18不转动，电机控制中心I-8不给与步进电机驱动器脉冲信号。当换向块的角度为360°时，即换向电机II-2-18转动一周，此时电机控制中心I-8给与步进电机驱动器脉冲信号的数量为：

(2)如图20(b)所示，此时换向装置II-2的工作状态为内冷通道A开启，外冷通道B关闭，内冷外冷润滑系统切换为内冷工作状态。换向块II-2-3的旋转角度处于90°，即换向电机II-2-18转动90°，此时电机控制中心I-8给与步进电机驱动器脉冲信号的数量为：

(3)如图20(c)所示，此时换向装置II-2的工作状态为内冷通道A和外冷通道B都不通，内冷外冷润滑系统切换为停止工作状态。换向块II-2-3的旋转角度处在180°。当换向块II-2-3的角度为180°时，即换向电机II-2-18转动180°，此时电机控制中心I-8给与步进电机驱动器脉冲信号的数量为：

(4)如图20(d)所示，此时换向装置II-2的工作状态为外冷通道B开启，内冷通道A关闭，内冷外冷润滑系统切换为外冷工作状态。换向块II-2-3的旋转角度处于270°，即换向电机II-2-18转动270°，此时电机控制中心I-8给与步进电机驱动器脉冲信号的数量为：

N等于0°、N_180°或N_360°时，内冷外冷润滑系统处于停滞状态，N等于N_90°时，内冷外冷润滑系统为内冷工作状态，N等于N_270°时，内冷外冷润滑系统为外冷工作状态，可以控制电机控制中心分别给与换向装置步进电机驱动器的脉冲信号数量：0°、(N_180°或N_360°)、N_90°、N_270°来实现本专利内冷外冷的自由切换。

本专利的换向装置II-2的工作原理如图21(a)、图21(b)、图21(c)所示，如图21(a)所示当内冷管道A或外冷管道B开启时，压力为p₁的切削液由进液口P进入换向装置II-2减压工作腔，经由减压口后进入输出液压支路中。由于切削液经由减压口的缝隙时产生压力损失，所以，经过减压口的切削液压力p₂低于进液口的切削液压力p₁。切削液在经过减压口后，一部分经侧通孔流入第一阀芯II-2-16的下腔，会产生一个向上的推力p₂A₁，其中A₁为第一阀芯II-2-16左端有效工作面积。当这部分的切削液作用在第一阀芯II-2-16底端所产生的向右推力小于第一调压弹簧II-2-12的预紧力F_s1时，第一阀芯II-2-16处于最左端位置，减压口全开，不起减压作用，此时p₁≈p₂。

此外，经过减压口后、压力为p₂的切削液会向左流动，经过第二阀芯II-2-17和阻尼孔2流向至第二阀芯II-2-17的下端，产生一个向上的推力p₂A₂，其中A₂为第二阀芯II-2-17下端有效工作面积，第二阀芯II-2-17上端第二调压弹簧II-2-13的预紧力为F_s2。当切削液的压力p₂所产生的轴向推力p₂A₂小于弹簧预紧力F_s2、第二阀芯II-2-17自重G以及第二阀芯II-2-17与换向装置内腔的摩擦力F_f时，左侧出口关闭，溢流装置不工作。

当内冷管道A或外冷管道B开启时，当经过减压口的切削液压力p₂大于第一调压弹簧II-2-12的预紧力F_s1时，即：p₂≥F_s1时，第一阀芯II-2-16在左侧腔的切削液压力作用下克服第一调压弹簧II-2-12的预紧力向右侧移动，使得减压口减小，如图21(b)所示。此时，切削液经由减压口时产生的压力损失，使经过减压口的切削液压力p₂减小并稳定在第一调压弹簧II-2-12的反力范围。根据出口压力与第一调压弹簧II-2-12的平衡关系：

p₂A₁＝k₁(x₀₁+Δx)

可求得经过减压口的切削液压力p₂为：

其中，k₁为第一调压弹簧II-2-12的弹簧刚度，x₀₁为第一调压弹簧II-2-12预压缩量，Δx为减压口的位移变化量。

由上式可以看出，减压口的位移变化量Δx远远小于第一调压弹簧II-2-12预压缩量x₀₁时，经过减压口的切削液压力p₂可以基本保持稳定。可以通过调节第一调压螺母II-2-6来调节第一调压弹簧II-2-12的预紧力F_s1，就可以调节减压口的切削液压力p₂。

此时，切削液的压力p₂所产生的轴向推力p₂A₂小于弹簧预紧力F_s2、第二阀芯II-2-17自重G以及第二阀芯II-2-17与换向装置内腔的摩擦力F_f，左侧出口关闭，溢流装置不工作。

如图21(c)所示，当内冷管道A和外冷管道B关闭时，经过减压口的切削液的压力p₂会升高，此时第二阀芯II-2-17所在的腔内会依次出现以下情况：

(1)切削液的压力p₂升高，使得切削液作用在第二阀芯II-2-17底端的推力p₂A₂增大至恰巧能够克服弹簧预紧力F_s2、第二阀芯II-2-17自重G以及第二阀芯II-2-17与换向装置内腔的摩擦力F_f时，第二阀芯II-2-17将开始在切削液推力作用下向上移动，根据第二阀芯II-2-17受力平衡关系：

p_kA₂＝F_s2+G

其阀口临界开启压力

其中，k₂为第二调压弹簧II-2-13的弹簧刚度，x₀₂为第二调压弹簧II-2-13的弹簧预紧量。(2)切削液的压力p₂继续升高，第二阀芯II-2-17将向上移动，阀口开启，切削液通过左侧出口流入至切削液储存装置，即开始产生溢流。当第二阀芯II-2-17上移，处于某一平衡位置时，第二调压弹簧II-2-13将被压缩一定距离x，此时，第二阀芯II-2-17的受力平衡方程变为：

p₂A₂＝k₂(x₀₂+x)+G+F_f

即此时的切削液的压力p₂为：

由上式可以看出，当发生溢流时，此时的切削液的压力p₂不受流量变化的影响，受第二调压弹簧II-2-13的弹簧刚度、预紧力、第二阀芯II-2-17的自重以及滑动摩擦力的影响。其中第二调压弹簧II-2-13的弹簧刚度、第二阀芯II-2-17的自重以及滑动摩擦力在换向装置建好后就为定值，所以可以通过调节第二调压弹簧II-2-13的预紧力F_s2来调节此时的切削液的压力p₂，即溢流压力。通过调节溢流压力，可以使得溢流压力小于换向装置所能承受的最大压力。能够对换向装置起到保护作用。

本发明的外冷系统III供给采用的是微量润滑方式，内冷系统II供给采用的是传统浇注式。这种实施例的内冷外冷润滑系统的简图如图22所示。

内冷外冷切削液储存装置II-1包含切削液储液罐1、液压泵2、调压阀3、节流阀4、溢流阀5和切削液回收箱6。

外冷压缩空气储存装置III-1包含空气压缩机7、过滤器8、储气罐9、压力表10、调压阀11、节流阀12、溢流阀13和压缩空气回收箱14。

空气压缩机7产生压缩空气，通过过滤器8后储存在储气罐9中，并由压力表10检测储气罐9中的压力，压缩空气从储气罐9中流出后依次经过调压阀11、节流阀12，最终进入外冷装置中的喷嘴气管中。溢流阀13和压缩空气回收装置14构成保护回路。切削液储液罐1中的切削液在液压泵2的作用下，依次经过调压阀3、节流阀4，流向换向装置，换向装置内置内冷通道和外冷通道，并会根据实际加工工况，把切削液通过内冷通道或外冷通道输送至内冷装置中的主轴管道内或外冷装置中的喷嘴液管中。溢流阀5和切削液回收箱6构成保护回路。

所述信息传输方式均为无线传输，可以应用互联网进行传输，如WIFI、蓝牙、UWB、ZigBee、GPRS、2G、3G、4G等技术。上述无线传输技术均为成熟技术，且都具备完整的工作模块，根据实际的工作状况来选择较为适应的无线技术，为本发明系统提供可以直接使用的信息传输技术。

Claims (9)

1.基于微量润滑的内冷外冷智能切换系统，其特征在于，包括视觉系统、冷却系统和控制系统；

所述视觉系统，被配置为对机床刀具铣削状态进行实时监测，采集刀具铣削加工工件的实时铣削深度图像，并通过第一无线传输装置将采集到刀具铣削加工工件的实时铣削深度图像传输给控制系统；

所述的控制系统，包括润滑方式控制中心、第二无线传输装置、电机控制中心和第三无线传输装置相连 ；所述的润滑方式控制中心与第二无线传输装置相连，第二无线传输装置用于接收图像采集控制中心发送的刀具铣削加工工件的实时铣削深度图像，润滑方式控制中心用于分析处理刀具铣削加工工件的实时铣削深度图像，得到刀具的实时铣削深度数据，且将该数据与预先设定的铣削深度域值进行比较，根据比较结果得到该加工工况下的润滑方式；所述的电机控制中心与第三无线传输装置，第三无线传输装置用于接收润滑方式控制中心发出的信号，电机控制中心对信号进行分析处理得到控制指令，第三无线传输装置将控制指令发送给冷却系统；

所述冷却系统，包括内冷装置和外冷装置，被配置为用于执行电机控制中心所发出的内冷和外冷转换命令，分别实现对机床的内冷和外冷；

所述的视觉系统包括自稳定云台和安装在自稳定云台上的相机、照明装置、图像采集控制中心和第一无线传输装置，所述的相机用来拍摄刀具铣削加工工件的实时铣削深度图像，相机与图像采集控制中心通讯，所述的图像采集控制中心与第一无线传输装置相连；所述的照明装置安装在相机的上方。

2.如权利要求1所述的基于微量润滑的内冷外冷智能切换系统，其特征在于，所述的冷却系统包括内冷外冷切削液储存装置、换向装置、内冷装置、外冷装置和外冷压缩空气储存装置；所述的内冷外冷切削液储存装置通过换向装置分别与内冷装置、外冷装置相连，且外冷装置还与外冷压缩空气储存装置相连，外冷压缩空气储存装置用于把压缩气体通过管路传输至外冷装置。

3.如权利要求2所述的基于微量润滑的内冷外冷智能切换系统，其特征在于，所述的换向装置包括本体，所述的本体内设有冷却液总管道、内冷装置管道A、外冷装置管道B和溢流管道；所述的内冷装置管道A、外冷装置管道B、溢流管道均与冷却液总管道相连通，冷却液总管道与内冷外冷切削液储存装置相连通，且内冷装置管道A、外冷装置管道B与换向块配合，所述的换向块通过电机驱动，实现对内冷装置管道A或外冷装置管道B的关闭或开启。

4.如权利要求3所述的基于微量润滑的内冷外冷智能切换系统，其特征在于，所述的冷却液总管道和溢流管道内均安装有一个切削液压力调节装置，所述的切削液压力调节装置包括阀芯、弹簧、调压螺母、调节套筒；所述的调节套筒上具有螺纹，通过螺纹连接安装在换向装置本体上；调压螺母安装在调节套筒上；调节螺丝、弹簧座、调压弹簧依次安装在调节套筒内，并将调压弹簧末端安装在弹簧底座上，并与阀芯连接。

5.如权利要求3所述的基于微量润滑的内冷外冷智能切换系统，其特征在于，所述的换向块其包括一个竖直部和三个水平部，竖直部与电机联轴器相连，在换向块旋转的过程中，水平部与内冷装置管道A或外冷装置管道B配合。

6.如权利要求1所述的基于微量润滑的内冷外冷智能切换系统，其特征在于，所述的内冷装置包含旋转接头、内冷堵头、堵头内套管、内冷接头；

所述内冷堵头安装在机床主轴内；堵头内套管通过内套管轴承安装在内冷堵头中，其中右侧内套管轴承通过卡环固定在堵头内套管；内冷接头通过内冷接头轴承安装在机床主轴内；机床主轴通过机床主轴上轴承、机床主轴下轴承安装在机床主轴外壳中。

7.如权利要求1所述的基于微量润滑的内冷外冷智能切换系统，其特征在于，所述的外冷装置包括X伸缩臂模块、Y伸缩臂模块、Z伸缩臂模块和喷头角度模块，Y伸缩臂模块安装在X伸缩臂模块上，Z伸缩臂模块安装在Y伸缩臂模块，所述的喷头角度模块安装在Z伸缩臂模块上。

8.如权利要求1-7任一所述的基于微量润滑的内冷外冷智能切换系统对机床进行冷却的方法，其特征在于，

加工开始时，润滑方式控制中心会收到加工指令，并控制视觉系统工作；视觉系统工作后，将采集到的刀具铣削加工工件的图像传输给润滑方式控制中心；通过分析处理刀具铣削加工工件的图像，得到刀具的实时铣削深度数据；润滑方式控制中心里设有内冷外冷润滑方式转换的铣削深度域值；润滑方式控制中心把得到刀具的实时铣削深度数据与设定好的铣削深度域值进行比较，根据比较结果得到此时加工工况下的润滑方式，并将此结果通过模拟信号量的形式传输给电机控制中心；

电机控制中心用于接受到润滑方式控制中心发出的含有此时铣削工况下所需要的润滑方式的模拟信号量，并会对其进行分析处理，将其以不同的脉冲信号的数量的方式来控制换向装置的转动，对内冷外冷系统中的换向装置中的换向块进行角度转动控制，进而实现了对切削液流向内冷装置管道A还是外冷装置管道B的切换，完成了对内冷外冷系统进行切换；

切削液从内冷外冷切削液储存装置流出，当流经换向装置时，会根据实际加工工况下已经调整好的换向装置中内冷装置管道A还是外冷装置管道B的开闭状态，决定切削液流向内冷装置还是外冷装置，实现了针对此时机床对工件铣削工况下最适宜的润滑方式的转换。

9.如权利要求8所述的冷却的方法，其特征在于：

视觉系统采集刀具铣削加工工件的实时铣削深度图像采用加工点位光学识别系统，通过识别映射在刀身上一定波长范围的不可见光光轨，获取刀具顶端的位置信息和刀具铣削时工件表面的位置信息，运算当前刀具末端坐标数据，得出当前的铣削深度信息；视觉系统采集刀具铣削加工工件的实时铣削深度图像分为两个部分，第一部分是采集刀柄到刀具顶端的长度L₁，另一部分是采集刀柄到铣削工件表面的长度L₂；则机床铣削加工工件的铣削深度L为：

L＝L₁-L₂。

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