CN114905056B - 一种含反馈的电主轴热平衡管理系统及设定温度确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含反馈的电主轴热平衡管理系统及设定温度确定方法，一种含反馈的电主轴热平衡管理系统包括温度控制单元、信号采集单元和水循环单元；所述水循环单元通过循环管路与温度控制单元连接，所述温度控制单元的后端设有信号采集单元；本发明还提供一种循环水温度确定方法，循环水设定温度由通热水时间和电主轴转速决定。本发明通过对电主轴提前做实验确定循环水设定温度，由两个全功率范围软开关分别控制热水宝与第二冷水机的工作，实现电主轴工作过程的热平衡，合理控制电主轴的热伸长，提高机床加工精度。

Description

一种含反馈的电主轴热平衡管理系统及设定温度确定方法
技术领域
本发明隶属于机械装备制造技术领域，具体是指一种含反馈的电主轴热平衡管理系统及设定温度确定方法，可应用于数控机床领域、高速加工领域电主轴热平衡场合，实现电主轴热伸长的动态平衡。
背景技术
电主轴单元作为高档数控机床的核心部件，具有高转速、高精度、高刚度等特性。其精度和精度稳定性直接决定了精密加工的综合质量水平，继而对整个国家的高端制造业发展水平与国际竞争力具有深远影响，其使用率能够直接体现出制造业的发展水平。
电主轴从结构上将机床主轴与主轴电机结合为整体，是数控机床领域中出现的一种新技术。其作为高速切削加工装备的核心功能部件，直接决定了高性能机床的加工精度及使用性能。相对于传统机床，电主轴高度集成，内部结构非常紧凑，具有质量小、动态性能好等优点，在超高速机床中得以广泛应用。
随着当下对加工精度要求的不断提高，电主轴本身存在的热伸长变形问题带来的影响日趋明显。电主轴高速运转时其内部电机与轴承会产生大量的热，高度集成的结构特点使其很难散热，导致电主轴产生较大的热变形，最终使得机床加工精度及电主轴寿命降低。因此，合理地控制电主轴温升引起的热伸长变形至关重要。
发明内容
本发明为解决现有技术中存在的技术问题，提供一种含反馈的电主轴热平衡管理系统及设定温度确定方法，用于抑制电主轴的热伸长。
本发明为解决现有技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：
一种含反馈的电主轴热平衡管理系统，包括水循环单元、温度控制单元和信号采集单元；所述水循环单元包含水箱、增压水泵、出水口、第一冷水机、回水口；所述温度控制单元包含第二冷水机、热水宝、第一全功率范围软开关、第一全功率范围软开关；所述信号采集单元包含温度传感器；所述水循环单元通过循环管路与温度控制单元连接，所述温度控制单元的后端设有信号采集单元。
进一步地，所述水循环单元的水箱内部设有隔板，分为出水区与回水区，出水区与回水区通过内部管路连接，内部管路中部设有第一冷水机。
进一步地，所述出水区一侧设有增压水泵，通过循环管路与出水区连接。
进一步地，所述温度控制单元的第二冷水机的一侧与经过增压水泵的进水循环管路连接，另一侧经循环管路与热水宝连接，经过热水宝的循环管路与电主轴上的温控水套连接。
进一步地，所述第二冷水机的前端设有第一全功率范围软开关，所述热水宝的前端设有第二全功率范围软开关。
进一步地，所述信号采集单元的温度传感器设置在循环水进入电主轴上的温控水套入口端一侧的温度测点上。
一种含反馈的电主轴热平衡管理系统设定温度确定方法，所述循环水设定温度由通热水时间和电主轴转速决定，通过对电主轴（9）提前做实验确定，满足如下关系：
a=（α·t1·x·20） /(t2·β)
上式中：a表示为循环水设定温度；
x表示为电主轴转速；
t1表示20℃时电动主轴达到极限热伸长量所用的时间；
t2表示静止时电动主轴达到极限热伸长量所用的时间；
20表示电主轴空转时的循环水温度数值，单位为℃；
α表示20℃的条件下，电主轴的极限热伸长量与电主轴转速的关系系数
β表示电主轴停止转动后电主轴的极限热伸长量与电主轴转速的关系系数。
本发明与现有的技术相比具有以下优点：
1.本发明结构简单，根据电主轴转速，设定冷却水温度，满足电主轴对冷却水温度的差异化需求，成本低。
2.本发明根据对电主轴冷却水的温度设定和实测值的反馈，控制第一全功率范围软开关的开通、闭合，控制热水宝的开关；控制第二全功率范围软开关的开通、闭合，控制热水宝的开关，实现高温和低温循环水精确比例，完成水箱进水口循环水的精确温度控制。
附图说明
图1：本发明中一种含反馈的电主轴热平衡管理系统结构示意图；
图2：本发明中第一全功率范围软开关和第二全功率范围软开关的开通、关断波形图；
图中：1、水箱，2、增压水泵，3、出水口，4、第一冷水机，5、回水口， 6、第二冷水机，7、热水宝， 8、温度测点，9、电主轴，10、温度传感器，11、第一全功率范围软开关，12、第二全功率范围软开关，13、出水区，14、回水区。
具体实施方式
为了进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
如图1，一种含反馈的电主轴热平衡管理系统，包括水循环单元、温度控制单元和信号采集单元；所述水循环单元包含水箱1、增压水泵2、出水口3、第一冷水机4、回水口5；所述温度控制单元包含第二冷水机6、热水宝7、第一全功率范围软开关11、二全功率范围软开关12；所述信号采集单元包含温度传感器10；所述水循环单元通过循环管路与温度控制单元连接，所述温度控制单元的后端设有信号采集单元。
进一步地，所述水循环单元的水箱内部设有隔板，分为出水区13与回水区14，出水区13与回水区14通过内部管路连接，内部管路中部设有第一冷水机4。
进一步地，所述出水区13一侧设有增压水泵2，通过循环管路与出水区13连接。
进一步地，所述温度控制单元的第二冷水机6的一侧与经过增压水泵2的进水循环管路连接，另一侧经循环管路与热水宝7连接，经过热水宝7的循环管路与电主轴9上的温控水套连接。
进一步地，所述第二冷水机6的前端设有第一全功率范围软开关11，所述热水宝7的前端设有第二全功率范围软开关12。
进一步地，所述信号采集单元的温度传感器10设置在循环水进入电主轴上的温控水套入口端一侧的温度测点8上。
本发明为实现电主轴9循环水的精确温度控制，实现电主轴9热平衡，抑制电主轴9热伸长量的动态变化。首先水箱1的内部设有隔板，分为出水区13与回水区14。根据实际需求，通过对水箱中的第一冷水机4设定水箱1中循环水出口温度，实现循环水从回水区14到达出水区13的过程中实现降温。出水区13的循环水经增压水泵2抽取经过出水口3后输送至第二冷水机6和热水宝7，然后进入电主轴9上的温控水套中。循环水在温控水套中发挥作用，调整电主轴温度后沿循环管路经回水口5回流至回水区14，周而复始形成循环。
电主轴9旋转时，因为发热使得电主轴9伸长，该伸长量随时间增加而增加，直到电主轴9达到热平衡状态，此时伸长量保持不变，该过程所需时间较长，而且该过程中电主轴9伸长量不断变化，不利于精密加工。信号采集单元的温度传感器10将用于电主轴9的温控水套进水前端循环水温度测点8的温度信号反馈回第一全功率范围软开关11和第二全功率范围软开关12，用于控制第二冷水机6和热水宝7的工作，从而保证进入电主轴温控水套的循环水温度达到对电主轴9升温或降温的目的，促使电主轴9处于热平衡状态，从而抑制电主轴9热伸长动态变化。
在电主轴9开始工作前，向电主轴9的温控水套通升温后的循环水，电主轴9同样会因受热伸长且达到热平衡状态，此热平衡过程所需时间较短。该技术方案可以通过在电主轴工作前向电主轴的温控水套通入高温循环水使电主轴9快速伸长，达到热平衡状态，缩减电主轴9正常运转时到达热平衡所需时间，便于精密机床快速热机，提升加工效率。
本发明还提供一种含反馈的电主轴热平衡管理系统设定温度确定方法，循环水设定温度a℃由循环水通入时间t和电主轴转速x决定，在电主轴9进行工作前做实验确定。在电主轴9以转速x空转时，循环管路内通入20℃的冷却水，待电主轴9到达热平衡状态，即热伸长量达到极限值且保持不变，停止电主轴，手动测量此时电主轴的热伸长量y。得到一个空转转速x与热伸长量y的对应表，如表一所示。
表1电主轴的热伸长量y、空转转速x与热伸长量y的关系对应表
电主轴转速x 循环水通入时间t 电主轴热伸长量y
8000r/min 1000s 0.2mm
... ... ...
y=α·x·t1·20 （1）
式（1）中：y表示电主轴的极限热伸长量；
x表示电主轴转速；
t1表示20℃时电动主轴达到极限热伸长量所用的时间；
α表示电主轴的极限热伸长量与电主轴转速的关系系数；
20表示电主轴空转时的循环水温度数值，单位为℃；
进一步地，让电主轴9静止，通水温a℃的高温水，测量电主轴9达到热平衡时，即电主轴9伸长量达到极值时的伸长量y和所需时间t，得到一个伸长量y，时间t和水温a的表，与上一个表对照，即得到转速x与水温a和通热水时间t的对应关系。
y=t2·a·β·1 （2）
式（2）中：y表示电主轴的极限热伸长量；
1表示电主轴静止时的转速；
t2表示静止时电动主轴达到极限热伸长量所用的时间；
β表示电主轴的极限热伸长量与电主轴转速的关系系数；
a表示设定的循环水温度数值，单位为℃；
进一步地，式（1）与式（2）相等，所以得出设定的循环水温度数值满足下式：
a=（α·t1·x·20） /(t2·β) （3）
根据电主轴9转速x，按照首次启动前的实验，由式（3）得，出水口进入电主轴的温控水套中循环水所需温度为a℃，当出水口3流入电主轴9中的循环水在温度测点8反馈回温度传感器的循环水温度高于a℃时，作用在第二冷水机6上的第一全功率范围软开关11开通，第二冷水机6工作，作用在热水宝7上的第二全功率范围软开关12关断，热水宝7不工作，直到各温度测点反馈回温度传感器的各点温度恢复设定温度范围a℃。
图2所示，为第一全功率范围软开关和全功率范围软开关工作时的开通、关断波形图。当温度测点8反馈的温度高于循环水设定温度允许的范围（±10℃）内时，第一全功率范围软开关11闭合，第二全功率范围软开关12断开，第二冷水机6开始运行，热水宝7停止运行，降低电主轴9上温控水套入口处的循环水温度；当温度测点8反馈的温度在循环水设定温度允许的范围内时，第一全功率范围软开11和第二全功率范围软开关12均断开，第二冷水机6和热水宝7停止运行；当温度测点8反馈的温度低于循环水设定温度允许的范围内时，第一全功率范围软开关11断开，第二全功率范围软开关12闭合，第二冷水机6停止运行、热水宝7开始运行升高电主轴上温控水套入口处的循环水温度。当工作后的循环水温度高于常温，通过回水口5回流至水箱1中，再通过第一冷水机4的作用恢复到正常温度20℃。当出水口3流入电主轴9中的循环水在温度测点8反馈回温度传感器的循环水温度低于a℃时，作用在热水宝7上的第二全功率范围软开关12开通，热水宝7工作，作用在第二冷水机6上的第一全功率范围软开关11关断，第二冷水机6不工作，直到各温度测点反馈回温度传感器的各点温度恢复设定温度a℃。工作后的循环水温度高于常温，通过回水口5回流至水箱1中，再通过第一冷水机4的作用恢复到正常温度20℃。
记录通a℃水的时间，达到转速x对应的时间t，此时，电主轴即达到热平衡状态。切断第二冷水机6和热水宝7，通水温20℃的冷却水，机床即开始加工工件。
综上所述，本发明提供一种含反馈的电主轴热平衡管理系统及设定温度确定方法，该发明实施例结构简单，根据电主轴转速，设定冷却水温度，满足电主轴对冷却水温度的差异化需求，成本很低，电主轴高速运转时其内部电机与轴承会产生大量的热，高度集成的结构特点使其很难散热，通过电主轴上温控水套内的循环水带走电主轴难以自行散去的热量，保证了根据对电主轴冷却水的温度设定和实测值的反馈，控制全功率范围软开关的开通、闭合，从而控制热水宝的开关，实现高温和低温循环水精确比例，完成水箱进水口循环水的精确温度控制。导致电主轴不会产生较大的热变形，保证了机床加工精度及电主轴的寿命。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种含反馈的电主轴热平衡管理系统的设定温度确定方法，包括水循环单元、温度控制单元和信号采集单元；所述水循环单元包含水箱（1）、增压水泵（2）、出水口（3）、第一冷水机（4）、回水口（5）；所述温度控制单元包含第二冷水机（6）、热水宝（7）、第一全功率范围软开关（11）、第二全功率范围软开关（12）；所述信号采集单元包含温度传感器（10）；所述水循环单元通过循环管路与温度控制单元连接，所述温度控制单元的后端设有信号采集单元；所述水循环单元的水箱（1）内部设有隔板，分为出水区（13）与回水区（14），出水区（13）与回水区（14）通过内部管路连接，内部管路中部设有第一冷水机（4）；所述出水区（13）外侧设有增压水泵（2）通过循环管路与出水区（13）连接；所述温度控制单元的第二冷水机（6）的一侧与经过增压水泵（2）的进水循环管路连接，另一侧经循环管路与热水宝（7）连接，经过热水宝（7）的循环管路与电主轴（9）上的温控水套连接；所述第二冷水机（6）前端设有第一全功率范围软开关（11），所述热水宝（7）的前端设有第二全功率范围软开关（12）；所述信号采集单元的温度传感器（10）设置在循环水进入电主轴（9）上的温控水套入口端一侧的温度测点（8）上，其特征在于：循环水设定温度由通热水时间和电主轴转速决定，通过对电主轴（9）提前做实验确定，满足如下关系：
a=（α·t1·x·20）/(t2·β)
上式中：a表示为循环水设定温度；
x表示为电主轴转速；
t1表示20℃时电动主轴达到极限热伸长量所用的时间；
t2表示静止时电动主轴达到极限热伸长量所用的时间；
20表示电主轴空转时的循环水温度数值，单位为℃；
α表示20℃的条件下，电主轴的极限热伸长量与电主轴转速的关系系数
β表示电主轴停止转动后电主轴的极限热伸长量与电主轴转速的关系系数。
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