TWI628035B - 熱穩定控制系統與方法 - Google Patents

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Abstract

一種熱穩定控制系統與方法,包括機器 冷卻循環次系統、循環流體冷卻加熱次系統、加熱器與微控制器。當工具機進行暖機或循環流體 溫度較低且持續較久時間時,微控制器開啟加熱器並致動油箱內之凝結器以加速加熱循環流體;但當工具機開始加工而使循環流體溫度升高時,微控制器致動油箱內之蒸發器以冷卻循環流體;若加工負載持續增大時,微控制器改變變頻馬達之頻率以驅動幫浦增加循環流體之流量,以維持工具機之熱穩定。

Description

熱穩定控制系統與方法
本揭露主要是有關於一控制系統與方法,特別是針對工具機或其他加工機熱穩定之控制系統與方法。
當前工具機或加工機在使用不同加工條件下,其加工精度將因機體溫度不同而有明顯差異,在從冷開機後到開始加工之前或在待機狀態下,一般多採取使機台空跑之方式進行暖機,但如此將造成電能與時間之浪費;而在熱機前後所採取之恆定溫度方式以進行冷卻,也無法依據加工負載之實際變化而適時調整,導致熱變形不斷改變而嚴重影響了加工精度。
因此一種可在加工前快速暖機,而且在暖機後可針對加工負載之變化適時調整冷卻流量之系統與方法,需求上將顯得迫切。
本揭露提供了一種熱穩定控制系統,包括機器冷卻循環次系統、循環流體冷卻加熱次系統、加熱器與微控制器;機器冷卻循環次系統包括承載循環流體之油箱;循環流體冷卻加熱次系統包括凝結器與蒸發器;加熱器裝設於油箱內以加熱循環流體,微控制器則分別訊號連接上述二次系統與加熱器。
本揭露再提供了一種熱穩定控制方法,包括接收工具機之負載、轉速與循環流體溫度;判斷循環流體溫度是否小於溫度設定值,若是則開啟加熱器加熱循環流體,若否則依據關係式改變變頻馬達之頻率,並選擇性地再致動換向閥使蒸發器冷卻循環流體;判斷循環流體溫度是否小於溫度設定值且持續時間不低於時間設定值,若是則開啟加熱器及選擇性地再致動換向閥使凝結器加熱循環流體。
以下之說明提供了許多不同的實施例、或是例子,用來實施本揭露之不同特徵。以下特定例子所描述的元件和排列方式,僅用來精簡的表達本揭露,其僅作為例子,而並非用以限制本揭露。
可理解的是,於下列各實施例之方法中的各步驟中,可於各步驟之前、之後以及其間增加額外的步驟,且於前述的一些步驟可被置換、刪除或是移動。
圖1為本揭露之熱穩定控制系統之一實施佈置圖,本圖顯示了一熱穩定控制系統10舉例地被裝設於一產生熱變形(thermal deformation)之工具機或其他加工機上,以工具機為例,主要熱源多發生在馬達、軸承與加工部位上,而主軸更是組合了上述熱源於一體,本揭露舉例是維持主軸熱變形於一定範圍之內以作為控制之目標但不以此為限,無論加工負載高低如何變化,保持恆定的主軸熱變形即是確保加工精度。
本揭露之熱穩定控制系統10舉例包括機器冷卻循環次系統(未標號)、循環流體冷卻加熱次系統(未標號)、加熱器H與微控制器11。機器冷卻循環次系統可能是工具機或其他加工機既有或額外附加之系統,舉例由油箱T、幫浦P、冷卻流道CL及管路(未標號,如圖中各段實線所示)所連結而成,冷卻流道CL可裝設於任何產生熱源之機件或部位,例如主軸S上以移除其發熱量,循環流體自油箱T經幫浦P輸送進入冷卻流道CL以冷卻該機件或部位,之後再回到油箱T而完成一冷卻循環;幫浦P舉例是由一變頻馬達M所驅動,可依據加工負載之變化,適時改變變頻馬達M之驅動頻率,進而改變幫浦P推送循環流體流經冷卻流道CL之流量,藉此加速冷卻發熱之機件或部位。
本揭露之循環流體冷卻加熱次系統是用以冷卻或加熱機器冷卻循環次系統在油箱T內之循環流體,舉例由壓縮機C、換向閥12、蒸發器13、凝結器14、膨脹閥15及管路(未標號,如圖中各段實線所示)所連結而成,蒸發器13或凝結器14是裝設於油箱T之內,其冷卻或加熱之功能是由換向閥12之閥位來決定,以圖1所示之二位四通電磁換向閥為例,當換向閥12經彈簧(未標號)復位後,管路內之冷媒被壓縮機C所壓縮,依序流經A埠、Y埠、凝結器14、膨脹閥15、蒸發器13、X埠、B埠而回到壓縮機C,此時此閥位下之蒸發器13便將冷卻油箱T內之循環流體;反之,當換向閥12受到電磁閥(未標號)致動後,A埠將通往X埠而Y埠通往B埠,高溫高壓之冷媒由此閥位進入蒸發器13,而此時蒸發器13則改作為凝結器而加熱循環流體,此時之循環流體冷卻加熱次系統便等同於一熱泵(heat pump)。換向閥12亦可改用三位四通電磁換向閥,但蒸發器13與凝結器14因閥位不同而相互對換冷卻或加熱之功能則不受改變。
本揭露之加熱器H例如是電熱器,是舉例裝設於油箱T之內,開啟後將加熱循環流體。如圖1中各虛線所示,微控制器11分別訊號連接變頻馬達M、壓縮機C、換向閥12與加熱器H,並藉由感測器與控制器(未圖示)接收循環流體流出冷卻流道CL之溫度Toil、主軸S之負載L與轉速R等即時數據,再參照工具機之規格或特性以建立一可表示各變數間關係之關係式或資料庫而據以進行熱穩定控制與補償。
本揭露之微控制器11是藉由訊號連結變頻馬達M以控制其供電頻率或驅動頻率,當工具機加工負載增大,發熱量隨之增加時,微控制器11將增加對變頻馬達M之驅動頻率而提高幫浦P之轉速,進而增加流經冷卻流道CL之循環流體之流量或流率而加速冷卻。以穩流熱能方程式(steady-flow thermal energy eq.) (公式1) 說明如下:
其中q為單位時間熱傳量(J/sec); 為質量流率(kg/sec);Cp為定壓比熱(J/kgžK); 為溫度差(K)
從公式1中可知,提高循環流體流經冷卻流道CL之質量流率( ),將同時提高移除發熱源之熱傳量(q),而提高流率即表示須增加驅動變頻馬達M之頻率而使幫浦P之轉速提高;反之,若加工負載較低或為零時,微控制器11將控制變頻馬達M以較低或最低之固定頻率運轉,甚至關閉以節省電能。
本揭露舉例是藉由適時調整變頻馬達M之驅動頻率以因應加工負載之變化,然而在頻率之調整與加工負載高低變化之間將如何對應選擇?本揭露之熱穩定控制系統10舉例但不受限地以迴歸分析方法(regression analysis),根據主軸馬達負載(%)、主軸之轉速(rpm)與工具機之規格或特性,再以實驗之方式建立一關係式或資料庫而可即時取得對應之新驅動頻率,以上數據可直接或間接地由連接工具機之控制器及感測器中取得;以某規格之工具機為例,配合以下列關係式說明:
其中F為變頻馬達驅動頻率(Hz);R為主軸轉速(rpm);L為負載之變化(%);B為變頻馬達最低運轉頻率(Hz)
從以上關係式中可知,當主軸轉速R與負載變化L均為低值時,微控制器11將以接近或相同於最低頻率B驅動變頻馬達M運轉,否則便提升驅動頻率F之值。
當本揭露以實驗迴歸出一關係式後,進行熱穩定控制之時機是以循環流體流出冷卻流道CL之溫度Toil相較於一溫度設定值Tset之高低而決定,而溫度設定值Tset舉例則是參照工具機或加工機之規格或特性,經實驗後取一適當值而定。
圖1及以上各段文字已說明了本揭露之熱穩定控制系統10之實施佈置,以下將參照圖2並依據該熱穩定控制系統10繼續說明一熱穩定控制方法之實施步驟。
圖2為本揭露之熱穩定控制方法之一實施步驟圖,本熱穩定控制方法主要是由圖1所示之熱穩定控制系統10中之微控制器11所執行,並依據工具機或加工機之不同操作,例如暖機、低負載與高負載等階段而有不同之步驟,以下將對不同階段分別敘述。
[暖機階段]
本揭露之熱穩定控制系統10在工具機或加工機冷開機後,微控制器11先依步驟S1進行初始設定,即令換向閥12彈簧復位(以二位四通電磁換向閥為例,如圖1所示之閥位,即不致動電磁閥)、關閉加熱器H與壓縮機C、變頻馬達M以最低或固定頻率運轉,完成後依步驟S2持續接收來自控制器及感測器之負載L、轉速R與循環流體溫度Toil等數據,並依步驟S3定時地判斷循環流體溫度Toil是否不大於溫度設定值Tset,若是則表示循環流體溫度Toil尚低,因此依步驟S4增加開啟加熱器H與壓縮機C、致動換向閥12換向(將蒸發器13轉變為凝結器以加熱循環流體,即啟動熱泵作用),以加速提升循環流體溫度Toil,減少暖機時間。
[高負載階段]
於步驟S3中若循環流體溫度Toil高於溫度設定值Tset時,表示工具機負載升高或過度加熱循環流體,因此依步驟S5再參照一事先建立之關係式,以取得驅動變頻馬達M之新頻率,並依步驟S6以該新頻率驅動變頻馬達M加快幫浦P之轉速,並令換向閥12復位與關閉加熱器H,加大循環流體之流量以加速冷卻;若於步驟S7之循環流體溫度Toil仍高於溫度設定值Tset時,則回到步驟S5至步驟S6,並再接收步驟S2之新數據,重新取得另一新頻率以再進行一新冷卻循環。
[低負載階段]
若於步驟S7中循環流體溫度Toil低於溫度設定值Tset時,表示此時工具機負載已降低,因此依步驟S8只開啟加熱器H,變頻馬達M也以最低或固定頻率運轉;但若於步驟S9中循環流體溫度Toil仍低於溫度設定值Tset,且其持續時間tc於步驟S10中高於一時間設定值tc_set,例如10分鐘時,表示此時工具機處於低負載或中斷操作過久,因此將回到步驟S4增加致動換向閥12換向以凝結器(蒸發器13)加熱循環流體以縮短暖機時間與減少電能消耗。
本揭露之熱穩定控制方法於工具機低負載階段下,即循環流體溫度Toil不大於溫度設定值Tset時,可選擇性地僅開啟加熱器H及或再致動換向閥12以啟動熱泵作用或加熱循環;而於高負載階段下,即循環流體溫度Toil高於溫度設定值Tset時,亦可選擇性地僅使換向閥12復位以蒸發器13冷卻循環流體,及或再配合提高變頻馬達M之頻率以增加循環流體之流量。以上說法即表示開啟加熱器H與啟動熱泵作用是相互獨立而可選擇性地調整配合,同理,致動換向閥12以蒸發器13冷卻循環流體,與增大循環流體之流量(提高變頻馬達M之頻率)亦是相互獨立而可選擇性地調整配合,本揭露並不以此為限。
以上本揭露之熱穩定控制系統與方法是採用二位四通電磁閥為例,若改用三位四通閥,無論是以電磁閥或其他方式致動,或直接控制壓縮機C之開啟或關閉,雖可能與上述文字與圖2所示之步驟產生差異,但仍不離本揭露之以開啟加熱器H再配合啟動熱泵作用以加速暖機,及以變頻控制方式改變循環流體之流量,再配合致動蒸發器13以加速冷卻等創新特徵之範疇。
綜上所述,本揭露之熱穩定控制系統與方法不僅使工具機或加工機冷開機後能快速地完成暖機,進行加工時也能因應加工負載之變化,適時增加或維持穩定之循環流體之流量,以控制某機件或部位之熱變形於一特定範圍之內,如此也即維持應有之加工精度,具有符合發明專利之所有要件。
本揭露雖以各種實施例揭露如上,然而其僅為範例參考而非用以限定本揭露的範圍,任何熟習此項技藝者,在不脫離本揭露之精神和範圍內,當可做些許的更動與潤飾。因此上述實施例並非用以限定本揭露之範圍,本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10‧‧‧熱穩定控制系統
11‧‧‧微控制器
12‧‧‧二位四通電磁換向閥
13‧‧‧蒸發器
14‧‧‧凝結器
15‧‧‧膨脹閥
C‧‧‧壓縮機
H‧‧‧加熱器
CL‧‧‧冷卻流道
M‧‧‧變頻馬達
P‧‧‧幫浦
S‧‧‧主軸
S1~S10‧‧‧步驟
T‧‧‧油箱
A,B,X,Y‧‧‧埠
圖1為本揭露之熱穩定控制系統之實施佈置圖。 圖2為本揭露之熱穩定控制方法之實施步驟圖。

Claims (12)

  1. 一種熱穩定控制系統,用以裝設於工具機上,該系統包括:機器冷卻循環次系統,包括一油箱,該油箱用以承裝循環流體;循環流體冷卻加熱次系統,包括一凝結器與一蒸發器,該凝結器或該蒸發器是裝設於該油箱之內;加熱器,裝設於該油箱之內,用以加熱該循環流體;以及微控制器,分別訊號連接並以一關係式控制該機器冷卻循環次系統、該循環流體冷卻加熱次系統與該加熱器;其中該機器冷卻循環次系統包括一變頻馬達,用以驅動該幫浦輸送該循環流體,該微控制器訊號連接該變頻馬達;其中該關係式是根據該工具機之負載變化、轉速與規格而建立。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之熱穩定控制系統,其中該機器冷卻循環次系統再包括一冷卻流道與一幫浦,並連結該油箱。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之熱穩定控制系統,其中該循環流體冷卻加熱次系統再包括一壓縮機、一換向閥與一膨脹閥,並連結該凝結器與該蒸發器。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之熱穩定控制系統,其中該微控制器分別訊號連接該換向閥與該壓縮機。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之熱穩定控制系統,其中該換向閥是二位四通閥或三位四通閥。
  6. 如申請專利範圍第3項所述之熱穩定控制系統,其中當該循環流體流出該冷卻流道之溫度若不低於一溫度設定值時,該微控制器根據該關係式改變該變頻馬達之驅動頻率,並致動該換向閥使該蒸發器位於該油箱內以進行冷卻。
  7. 如申請專利範圍第3項所述之熱穩定控制系統,其中當該循環流體流出該冷卻流道之溫度若低於一溫度設定值時,該微控制器開啟該加熱器並選擇性地再致動該換向閥,使該凝結器位於該油箱內以進行加熱。
  8. 如申請專利範圍第3項所述之熱穩定控制系統,其中當該循環流體流出該冷卻流道之溫度若低於一溫度設定值且持續時間高於一時間設定值時,該微控制器開啟該加熱器並再致動該換向閥,使該凝結器位於該油箱內以進行加熱。
  9. 一種熱穩定控制方法,用以應用於工具機上,該方法是以一微處理器執行以下步驟:接收該工具機之負載、轉速與循環流體溫度;判斷該循環流體溫度是否小於一溫度設定值,若是則開啟一加熱器並選擇性地再致動一換向閥,以一凝結器加熱該循環流體,若否則依據一關係式改變一變頻馬達之驅動頻率,並致動該換向閥以一蒸發器冷卻該循環流體;再判斷該循環流體溫度是否小於該溫度設定值且持續時間不低於一時間設定值,若是則開啟該加熱器及再致動該換向閥,以該凝結器加熱該循環流體,若否則回前該判斷步驟;其中該關係式是根據該加工機之負載變化、轉速與規格而建立。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之熱穩定控制方法,其中該循環流體溫度是指該循環流體流出一冷卻流道之溫度。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之熱穩定控制方法,其中該變頻馬達驅動一幫浦以輸送該循環流體。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之熱穩定控制方法,其中該換向閥是二位四通閥或三位四通閥。
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