CN113146354A - 一种用于机床系统冷却的水冷机装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种较为完整的用于机床系统冷却的水冷机装置及控制方法，包括有：水冷机箱体和水制冷机构，制冷机构布置在箱体下部，通过管道连接各组成机构；分流机构，分流机构与制冷机构相连接，分流机构上布置有分流出口和分流入口，能够将水导入到机床冷却单位；控制机构包括控制面板，通信端子箱及其他电磁元件。控制机构能够进行水冷机和机床之间的通信，完成数据采集，分析并将控制指令发送到各执行元件。
Description
技术领域
本发明涉及一种水冷装置及方法，尤其涉及一种用于机床系统冷却的水冷机装置及控制方法。
背景技术
“现代精密加工对于机床的加工精度提出了更高的要求，在影响机床加工精度的因素当中，机床热误差对机床整体误差产生了十分明显的影响，为了减少机床热误差对机床加工精度的影响，我们需要对机床整体发热进行控制，例如，电机发热，主轴发热，进给轴发热，导轨发热，加工热等。有效控制机床发热，使机床保持一个相对稳定的工作温度，可以显著提高机床加工精度，提高生产的产品质量。传统的冷却方法是通过机床自身结构特点自行散热，例如加大接触面积，增加润滑油等方式进行辅助散热，不但冷却效果差，而且更换操作复杂，无法做到对机床整体发热的自动化控制。
因此亟需发明一种可以机床系统进行冷却的新装置，可以对机床各部件进行自动化温度控制。”
发明内容
为解决在机床工作时，各部件发热过大、散热机构结构复杂且散热效果差的问题，本发明的技术问题是：提供一种用于机床系统冷却的水冷机装置，对机床各部件发热实现实时监控，并利用冷水对发热源冷却，从而实现对机床整体温度控制的目的。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种用于机床系统冷却的水冷机装置，其特征在于，包括水冷机箱体，制冷机构，分流机构，控制机构。制冷机构和控制机构布置在水冷机箱体上，分流机构布置在机床上，与冷却管道相连接,控制机构通过数据线与水冷机交互面板建立通信，并进一步通过水冷机交互面板调节水冷机的制冷功率和出水速度。另一方面控制机构通过封装的变频器与分流机构中的节流阀建立控制关系，以进一步控制分流装置的分流速度。同时，机床上预设的温度传感器通过数据线与控制机构建立通信，实时获取温度传感器采集的数据信息。
在上述的一种用于机床系统冷却的水冷机装置，制冷机构包括压缩机，冷凝器，电动阀门，数字流量计，干燥过滤器，膨胀阀，蒸发器。其中，压缩机出口与冷凝器进口通过管道相连接，冷却剂通过管道从压缩机进入冷凝器，冷凝器通过电动阀门和流量计与外界水塔相连接，电动阀门和流量计对进入冷凝器的水流量进行检测和控制，冷凝器出口干燥过滤器进口通过管道相连接，干燥过滤器的出口与膨胀阀的入口通过管道相连接，膨胀阀的出口与蒸发器的入口通过管道相连接，蒸发器的出口与压缩机的进口通过管道相连接，冷却剂完成循环。此时，从机床流出的热水经过管道进入蒸发器，经过蒸发器冷却过后的水通过水泵回到机床对发热部件再次冷却，以此循环。
在上述的一种用于机床系统冷却的水冷机装置，分流机构包括第一进水端口，第一出水端口，第一通信端口，第二进水端口，第二出水端口，节流阀，从蒸发器流出的冷水通过第一进水端口进入分流机构，第一进水端口与分流机构之间通过管道连接。之后进入第二出水端口，第二出水端口包含若干个小出水端口，在这里统称为第二出水端口，节流阀通过通信端口接收控制机构发出的控制信号并控制从第二出水端口流出的冷水的水流量进入机床，冷水在机床进行冷却之后流回第二进水端口，并能够通第一进水端口流回水冷机。由此完成冷却循环。
在上述的一种用于机床系统冷却的水冷机装置，控制机构包括，控制面板，控制箱，第二通信端口，警戒灯，控制面板通过光纤与控制箱线连接，控制箱通过光纤同时与分流机构、节流阀、流量计以及电动阀门相连接，在机床发热部位设置若干传感器，控制箱通过控制面板，流量计，传感器等信号输入端接收信号，并向节流阀，电动阀门等输出端发送指令。
一种用于机床整机冷却的水冷机装置的控制方法，其特征在于，包括：
步骤1、机床上电，水冷机上电，控制机构复位自检，传感器置位。
步骤2、机床开始加工零件，机床各发热位点温度开始上升，温度传感器开始采集发热点温度数据，并传送至控制机构。在控制机构的控制下水冷机进入低功耗运行，压缩机功率以最低功率运行，第一出水端口、第一进水端口、第二出水端口、第二进水端口及电磁节流阀流量调节至最低。
步骤3、机床持续加工，机床发热位点温度持续上升，温度传感器持续采集温度数据，并通信传输至控制系统。控制系统根据传热模型收集关键数据，并比对机床最佳工况温度数据库。
流动传热模型
当机床发热位点温度高于环境温度时，辐射散热和润滑油的挥发散热成为机床散热散热方式；
R＝hr(T-Tmrt)A
C＝hc(T-Ta)A
R是机床发热位点辐射换热量，C为对流换热量，Tmrt为平局辐射温度，hr，hc分别为辐射和对流换热系数，A是机床发热位点表面积。
通过比照采集的温度数据R,C得出温度变化数据T，比照机床最佳工况温度数据库，调节水冷机、出水端口、进水端口及电磁节流阀流量。
步骤4、
①当机床发热位点辐射换热量，对流换热量在机床最佳工况温度范围内时，控制机构向水冷机发出指令，保持水冷机当下低功率，低流量运行状态；
②当机床发热位点辐射换热量，对流换热量在机床最佳工况温度范围内持续上升温度数据濒临临界范围，控制机构判断发热位点温度机床温度即将超出最佳工况温度范围内时，控制机构开始发出指令调节水冷机功率，增加第一出水端口、第一进水端口、第二出水端口、第二进水端口及电磁节流阀流量，并根据温度变化数据评估水冷效果。
水冷机冷却液热交换模型
qw＝cwρQ(Tout-Tin)/Acl
qw为冷却液吸收热量；Q为管道内体积流量，单位m3/S；cw为冷却液比热容，KJ/(kg·K),Acl为机床发热位点冷却面积。
通过调节水冷机冷却液出水温度，管道流量是冷却液吸收热量达到目标范围。
步骤5、伴随水冷机对机床发热位点的持续冷却，温度传感器检测机床发热位点温度到达机床最佳工况温度控制范围内。控制系统向水冷机发出指令，调低水冷机功率，降低第一出水端口、第一进水端口、第二出水端口、第二进水端口及电磁节流阀流量。水冷机构进入低功率，低流量运行状态。至此，整个机构完成一个工作循环。
因此，本发明具有如下优点：本发明通过制冷机构，分流机构和控制机构能够精确地对机床发热部位的热源数据进行收集，处理，并产生自动控制制冷机构产生合适温度的冷水，分流机构将产生的冷水通过节流阀控制精确控制流速，流量，准确排放至机床冷却位点。整个过程由控制机构实现自动化控制。”
附图说明
图1为本发明的第一立体结构示意图。
图2为本发明的第二立体结构示意图。
图3为本发明的制冷机构立体结构示意图。
图4为本发明的分流机构立体结构示意图。
图5为本发明的控制机构结构示意图。
图6为本发明的水冷回路示意图。
图7为本发明的制冷回路原理示意图。
图中零部件名称及序号：1、水冷机箱体，2、制冷机构，21、压缩机，22、冷凝器，23、电动阀门，24、数字流量计，25、干燥过滤器，26、膨胀阀，27、蒸发器，28、外接口，3、分流机构，31、第一进水端口，32、第一出水端口，33、第一通信端口，34、第二进水端口，35、第二出水端口，36、节流阀，4、控制机构，41、控制面板，42、控制箱，43、第二通信端口，44、警戒灯。5、水冷回路，51、X轴直线电机线圈入口，52、Y轴直线电机线圈入口，53、轴直线电机线圈入口，54、X轴线圈垫板冷水入，55、Y轴线圈垫板冷水入口，56、Z轴线圈垫板冷水入口，57、轴直线电机线圈出口,58、Y轴直线电机线圈出口,59、Z轴直线电机线圈出,510、Z轴线圈垫板冷水出口,511、Y轴线圈垫板冷水出口,512、X轴线圈垫板冷水出口,6、制冷回路原理，61、水塔，62、机床热水进水端，63、机床冷水出水端口，64、水泵。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
请参阅图1-7，本发明提供一种技术方案：一种用于机床系统冷却的水冷机装置及方法，工人可以将水冷机移动至距离机床的合适位置，设备通电，启动水冷机，启动机床，机床开始加工后，水冷机装置依靠预先布置在机床上的传感装置检测到机床开车后的各部位的温升变化，并将数据通过第二通信端口43传送到控制箱42，控制箱42依据机床的温度数据变化制定冷却方案，此时，水冷机的制冷机构开始工作，制冷机构包括有水冷机箱体1，制冷机构2，分流机构3，控制机构4，制冷机构2在水冷机箱体1的下部，按照连接顺序相邻安装，制冷机构2中的组成部有压缩机21，冷凝器22，电动阀门23，数字流量计24，干燥过滤器25，膨胀阀26，蒸发器27，外接口28，各部件按照设计的制冷原理图通过管道顺序连接并发挥各自功能作用，连接关系为，压缩机21出口与冷凝器22进口通过管道相连接，高温高压的气态冷却剂通过管道从压缩机21进入冷凝器22，冷凝器22通过电动阀门23和流量计24与外界水塔相连接，电动阀门23和流量计24对进入冷凝器22的外界冷凝水进入流量进行检测和控制，冷凝水的主要作用是对进入冷凝器22的冷却剂进行降温降压，冷却剂从高温高压气态变成中温中压液态，冷凝器22出口与干燥过滤器25进口通过管道相连接，干燥过滤器25的出口与膨胀阀26的入口通过管道相连接，经过膨胀阀26的作用，中温中压的液态冷却剂转变成低温低压的气态冷却剂，膨胀阀26的出口与蒸发器27的入口通过管道相连接，蒸发器27的出口与压缩机21的进口通过管道相连接，冷却剂完成循环。此时，从机床流出的热水经过管道进入蒸发器27，经过蒸发器27中冷却剂吸热反应冷却过后的水通过水泵回到机床对发热部件再次冷却。
经过蒸发器27冷却后的冷水通过第一出水端口32进入分流机构，分流机构包括：第一进水端口31，第一出水端口32，第一通信端口33，第二进水端口34，第二出水端口35，节流阀36。从蒸发器27流出的冷水通过第一进水端口31进入分流机构，第一进水端口31与分流机构之间通过管道连接。之后进入第二出水端口35，第二出水端口35包含若干个小出水端口，具体的包括X轴直线电机线圈入口，Y轴直线电机线圈入口，Z轴直线电机线圈入口，X轴线圈垫板冷水入口，Y轴线圈垫板冷水入口，Z轴线圈垫板冷水入口，在这里统称为第二出水端口35，根据控制箱42预先制定的冷却计划，控制箱42控制节流阀36通过第一通信端口33接收控制机构发出的控制信号并精准控制从第二出水端口35流出的冷水的水流量，冷水进入机床后在机床发热部位进行冷却之后流回第二进水端口34，并能够通第一进水端口31流回水冷机。此时，水冷机完成一个工作循环，由于机床的温升不是一个线性变化，所以需要控制机构根据机床的温升变化实施控制水冷机的出水温度和冷水的流速。
控制机构包括：控制面板41，控制箱42，第二通信端口43，警戒灯44。控制面板41是人机交互的主要装置，控制箱42是数据收集，处理，控制程序自动生成，信号发送的主要装置。警戒灯水冷机装置正常工作的标识灯。第二通信端口43是光纤的接入和接出装置，控制机构的控制原理是，水冷机开机，系统自检，当机床开车加工后，根据布置在机床上各检测位点的传感器检测机床各部件温升变化，并通过第二通信端口43传送到控制箱42，控制箱42的控制软件对接收到的数据进行处理，分析，数据拟合，从而预测机床一段时间的温升情况，之后，控制箱42根据预测的情况指定对应时间的冷却计划，并通过第二通信端口43发送数据控制制冷机构工作，通过分流机构精准分配冷水流量，从而高效准确地对机床进行冷却，以实对机床整体温度控制的目标。
本实施例还涉及一种用于机床整机冷却的水冷机装置的控制方法，具体包括：
步骤1、机床上电，水冷机上电，控制机构复位自检，传感器置位。
步骤2、机床开始加工零件，机床各发热位点温度开始上升，温度传感器开始采集发热点温度数据，并传送至控制机构。在控制机构的控制下水冷机进入低功耗运行，压缩机功率以最低功率运行，第一出水端口、第一进水端口、第二出水端口、第二进水端口及电磁节流阀流量调节至最低。
步骤3、机床持续加工，机床发热位点温度持续上升，温度传感器持续采集温度数据，并通信传输至控制系统。控制系统根据传热模型收集关键数据，并比对机床最佳工况温度数据库。
流动传热模型
当机床发热位点温度高于环境温度时，辐射散热和润滑油的挥发散热成为机床散热散热方式；
R＝hr(T-Tmrt)A
C＝hc(T-Ta)A
R是机床发热位点辐射换热量，C为对流换热量，Tmrt为平局辐射温度，hr，hc分别为辐射和对流换热系数，A是机床发热位点表面积。
通过比照采集的温度数据R,C得出温度变化数据T，比照机床最佳工况温度数据库，调节水冷机、出水端口、进水端口及电磁节流阀流量。
步骤4、
①当机床发热位点辐射换热量，对流换热量在机床最佳工况温度范围内时，控制机构向水冷机发出指令，保持水冷机当下低功率，低流量运行状态；
②当机床发热位点辐射换热量，对流换热量在机床最佳工况温度范围内持续上升温度数据濒临临界范围，控制机构判断发热位点温度机床温度即将超出最佳工况温度范围内时，控制机构开始发出指令调节水冷机功率，增加第一出水端口、第一进水端口、第二出水端口、第二进水端口及电磁节流阀流量，并根据温度变化数据评估水冷效果。
水冷机冷却液热交换模型
qw＝cwρQ(Tout-Tin)/Acl
qw为冷却液吸收热量；Q为管道内体积流量，单位m3/S；cw为冷却液比热容，KJ/(kg·K),Acl为机床发热位点冷却面积。
通过调节水冷机冷却液出水温度，管道流量是冷却液吸收热量达到目标范围。
步骤5、伴随水冷机对机床发热位点的持续冷却，温度传感器检测机床发热位点温度到达机床最佳工况温度控制范围内。控制系统向水冷机发出指令，调低水冷机功率，降低第一出水端口、第一进水端口、第二出水端口、第二进水端口及电磁节流阀流量。水冷机构进入低功率，低流量运行状态。至此，整个机构完成一个工作循环。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (5)
1.一种用于机床系统冷却的水冷机装置，其特征在于，包括水冷机箱体，制冷机构，分流机构，控制机构；制冷机构和控制机构布置在水冷机箱体上，分流机构布置在机床上，与冷却管道相连接,控制机构通过数据线与水冷机交互面板建立通信，并进一步通过水冷机交互面板调节水冷机的制冷功率和出水速度；另一方面控制机构通过封装的变频器与分流机构中的节流阀建立控制关系，以进一步控制分流装置的分流速度；同时，机床上预设的温度传感器通过数据线与控制机构建立通信，实时获取温度传感器采集的数据信息。
2.根据权利要求1所述的一种用于机床系统冷却的水冷机装置，其特征在于，制冷机构包括压缩机，冷凝器，电动阀门，数字流量计，干燥过滤器，膨胀阀，蒸发器；其中，压缩机出口与冷凝器进口通过管道相连接，冷却剂通过管道从压缩机进入冷凝器，冷凝器通过电动阀门和流量计与外界水塔相连接，电动阀门和流量计对进入冷凝器的水流量进行检测和控制，冷凝器出口干燥过滤器进口通过管道相连接，干燥过滤器的出口与膨胀阀的入口通过管道相连接，膨胀阀的出口与蒸发器的入口通过管道相连接，蒸发器的出口与压缩机的进口通过管道相连接，冷却剂完成循环；此时，从机床流出的热水经过管道进入蒸发器，经过蒸发器冷却过后的水通过水泵回到机床对发热部件再次冷却，以此循环。
3.根据权利要求1所述的一种用于机床系统冷却的水冷机装置，其特征在于，分流机构包括第一进水端口，第一出水端口，第一通信端口，第二进水端口，第二出水端口，节流阀，从蒸发器流出的冷水通过第一进水端口进入分流机构，第一进水端口与分流机构之间通过管道连接；之后进入第二出水端口，第二出水端口包含若干个小出水端口，在这里统称为第二出水端口，节流阀通过通信端口接收控制机构发出的控制信号并控制从第二出水端口流出的冷水的水流量进入机床，冷水在机床进行冷却之后流回第二进水端口，并能够通第一进水端口流回水冷机；由此完成冷却循环。
4.根据权利要求1所述的一种用于机床系统冷却的水冷机装置，其特征在于，控制机构包括，控制面板，控制箱，第二通信端口，警戒灯，控制面板通过光纤与控制箱线连接，控制箱通过光纤同时与分流机构、节流阀、流量计以及电动阀门相连接，在机床发热部位设置若干传感器，控制箱通过控制面板，流量计，传感器等信号输入端接收信号，并向节流阀，电动阀门等输出端发送指令。
5.一种用于机床整机冷却的水冷机装置的控制方法，其特征在于，包括：
步骤1、机床上电，水冷机上电，控制机构复位自检，传感器置位；
步骤2、机床开始加工零件，机床各发热位点温度开始上升，温度传感器开始采集发热点温度数据，并传送至控制机构；在控制机构的控制下水冷机进入低功耗运行，压缩机功率以最低功率运行，第一出水端口、第一进水端口、第二出水端口、第二进水端口及电磁节流阀流量调节至最低；
步骤3、机床持续加工，机床发热位点温度持续上升，温度传感器持续采集温度数据，并通信传输至控制系统；控制系统根据传热模型收集关键数据，并比对机床最佳工况温度数据库；
流动传热模型
当机床发热位点温度高于环境温度时，辐射散热和润滑油的挥发散热成为机床散热散热方式；
R＝hr(T-Tmrt)A
C＝hc(T-Ta)A
R是机床发热位点辐射换热量，C为对流换热量，Tmrt为平局辐射温度，hr，hc分别为辐射和对流换热系数，A是机床发热位点表面积；
通过比照采集的温度数据R,C得出温度变化数据T，比照机床最佳工况温度数据库，调节水冷机、出水端口、进水端口及电磁节流阀流量；
步骤4、
①当机床发热位点辐射换热量，对流换热量在机床最佳工况温度范围内时，控制机构向水冷机发出指令，保持水冷机当下低功率，低流量运行状态；
②当机床发热位点辐射换热量，对流换热量在机床最佳工况温度范围内持续上升温度数据濒临临界范围，控制机构判断发热位点温度机床温度即将超出最佳工况温度范围内时，控制机构开始发出指令调节水冷机功率，增加第一出水端口、第一进水端口、第二出水端口、第二进水端口及电磁节流阀流量，并根据温度变化数据评估水冷效果；
水冷机冷却液热交换模型
qw＝cwρQ(Tout-Tin)/Acl
qw为冷却液吸收热量；Q为管道内体积流量，单位m3/S；cw为冷却液比热容，KJ/(kg·K),Acl为机床发热位点冷却面积；
通过调节水冷机冷却液出水温度，管道流量是冷却液吸收热量达到目标范围；
步骤5、伴随水冷机对机床发热位点的持续冷却，温度传感器检测机床发热位点温度到达机床最佳工况温度控制范围内；控制系统向水冷机发出指令，调低水冷机功率，降低第一出水端口、第一进水端口、第二出水端口、第二进水端口及电磁节流阀流量；水冷机构进入低功率，低流量运行状态；至此，整个机构完成一个工作循环。
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- 2021-04-23 CN CN202110443197.6A patent/CN113146354B/zh active Active
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