TWI656939B

TWI656939B - 溫度控制系統及其方法

Info

Publication number: TWI656939B
Application number: TW107128461A
Authority: TW
Inventors: 魏士傑; 李坤穎; 廖彥欣; 羅世杰; 蕭錫鴻; 林思嘉
Original assignee: 財團法人工業技術研究院
Priority date: 2018-08-15
Filing date: 2018-08-15
Publication date: 2019-04-21
Also published as: TW202009095A; US10688615B2; CN110837262B; US20200055158A1; CN110837262A

Abstract

一種溫度控制系統，適用於一工具機，且包含冷卻循環及控制器。冷卻循環包含泵、冷卻器及電磁閥。泵用於受變頻馬達驅動以使冷卻液於該冷卻循環中流動以流經工具機的主軸。冷卻器串接於泵，且用於使冷卻液降溫。電磁閥連接於冷卻器的入口及出口之間，用於在開啟時使流經主軸的冷卻液不流回冷卻器進行冷卻。控制器電性連接於變頻馬達、冷卻器及電磁閥，且用於連接工具機以偵測工具機的主軸負載、主軸轉速、主軸溫度以及機體溫度，據以控制變頻馬達、冷卻器及電磁閥。

Description

溫度控制系統及其方法

本發明係關於一種溫度控制系統及其方法，特別係適用於工具機的溫度控制系統及其方法。

一般而言，工具機會搭配溫度控制系統以運作，原因在於，工具機在運作的過程中，其主軸會不斷產生熱，藉由溫度控制系統的配置得以控制主軸因升溫而產生的變形量，即熱變位。詳細來說，溫度控制系統會以水套包覆大部分的主軸，並使冷卻液循環於水套中以形成冷卻循環，以對主軸進行溫度控制。

習知的溫度控制系統及方法係以定溫定量的方式來提供冷卻液至工具機的主軸。然而，工具機在運作的過程中，其加工負載會有所變化，使得工具機產生的熱變位亦有所差別，定溫定量的溫度控制方法將使得工具機在暖機程序中因冷卻液不斷使主軸降溫而延長所需時間，亦導致主軸在低負載加工時過冷，在高負載加工時過熱，高低負載加工之間的熱變位誤差甚大，影響工件精度。

鑒於上述，本發明提供一種溫度控制系統及其方法。

依據本發明一實施例的溫度控制系統，適用於一工具機，且包含冷卻循環及控制器。冷卻循環包含泵、冷卻器及電磁閥。泵用於受變頻馬達驅動以使冷卻液於該冷卻循環中流動以流經工具機的主軸。冷卻器串接於泵，且用於使冷卻液降溫。電磁閥連接於冷卻器的入口及出口之間，用於在開啟時使流經主軸的冷卻液不流回冷卻器進行冷卻。控制器電性連接於變頻馬達、冷卻器及電磁閥，且用於連接工具機以偵測工具機的主軸負載、主軸轉速、主軸溫度以及機體溫度，據以控制變頻馬達、冷卻器及電磁閥。

依據本發明一實施例的溫度控制方法，適用於一溫度控制系統，其中所述溫度控制系統包含冷卻器、泵、變頻馬達及電磁閥，其中變頻馬達用於驅動泵以使冷卻液流經工具機的主軸。所述溫度控制方法包含：偵測工具機的主軸負載、主軸轉速、主軸溫度以及機體溫度；依據主軸溫度及機體溫度之間的溫度差，控制冷卻器降低冷卻液的溫度；以及依據主軸負載、主軸轉速及溫度差，透過迴歸方程式計算變頻馬達的轉速，以控制冷卻液的流速。

藉由上述結構，本案所揭示的溫度控制系統及其方法，依據即時測得的工具機的運作參數，對流經工具機主軸的冷卻液執行變流量及變溫度的控制，且在工具機的暖機或上下料程序中，透過設置於冷卻循環中電磁閥的開啟，使流經主軸的冷卻液不再流回冷卻器進行冷卻。藉此，本案所揭示的溫度控制系統及其方法可以即時地依據工具機的運作參數調節主軸的溫度，降低高低負載加工之間的主軸熱變位誤差，提供高精度的熱變位控制，且能夠達到快速暖機以及節能的效果。

以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。

1‧‧‧溫度控制系統

11‧‧‧冷卻循環

13‧‧‧控制器

111‧‧‧泵

112‧‧‧變頻馬達

113‧‧‧冷卻器

115‧‧‧電磁閥

2‧‧‧工具機

21‧‧‧主軸

23‧‧‧機體

圖1係依據本發明一實施例所繪示的溫度控制系統的功能方塊圖。

圖2係依據本發明一實施例所繪示的溫度控制方法的流程圖。

圖3係依據本發明一實施例所繪示的溫度控制方法中的PID控制示意圖。

圖4係依據本發明另一實施例所繪示的溫度控制方法的流程圖。

圖5A係使用一般溫度控制方法控制工具機而偵測到的運作參數圖。

圖5B係使用本案一實施例所提供的溫度控制方法控制工具機而偵測到的運作參數圖。

圖6係依據本發明又一實施例所繪示的溫度控制方法的流程圖。

圖7係依據本發明又一實施例所繪示的溫度控制方法的流程圖。

以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。

請參考圖1，圖1為依據本發明一實施例所繪示的溫度控制系統的功能方塊圖。如圖1所示，溫度控制系統1適用於工具機2，包含冷卻循環11及控制器13。冷卻循環11中容置有冷卻液，用於提供所述冷卻液至工具機2的主軸21以調節主軸溫度，圖1僅簡單且示例所繪示冷卻循環11與主軸21之間的設置關係，詳細的對應結構依據實際需求來設計，本發明不以此為限。

冷卻循環11包含泵111、冷卻器113及電磁閥115，其中冷卻器113與泵111串接，電磁閥115連接於冷卻器113的入口及出口之間。泵111用於受變頻馬達112驅動以使冷卻液於冷卻循環11中流動，以流經工具機2的主軸21。詳細來說，變頻馬達112運轉時會帶動泵111轉動，以推進冷卻液。冷卻器113具有壓縮機、旁通閥、蒸發器、膨脹閥及冷凝管，用於使進入冷卻器113的冷卻液降溫，其中詳細的冷卻方法同於一般冷卻器的冷卻方法，於此不予贅述。

電磁閥115用於選擇性地使冷卻器113中的部分冷卻液滯留於冷卻器113中。詳細來說，當電磁閥115開啟(即導通)時，泵111與電磁閥115之間的部分冷卻循環11中的位能較泵111與冷卻器113之間的部分冷卻循環11的位能小，位能小相對流阻就會比較小，因此，僅有泵111與電磁閥115之間的部分冷卻循環11中的冷卻液會流動，以形成子循環，而冷卻器113中的冷卻液則滯留於冷卻器113中。換句話說，當電磁閥115開啟時，流經工具機2的主軸21的冷卻液不會再經過冷卻器113以進行冷卻。反之，當電磁閥115關閉(即截止)時，冷卻液便會在泵111與冷卻器113之間循環地流動，此時流經工具機2的主軸21的冷卻液即為持續藉由冷卻器113冷卻的液體。

控制器13電性連接於變頻馬達112、冷卻器113及電磁閥115以分別控制這些裝置。控制器13可以包含溫度感測器、負載偵測器及轉速偵測器，連接於工具機2的主軸21及機體23以分別偵測工具機2的主軸負載、主軸轉速、主軸溫度以及機體溫度。控制器13亦包含控制器例如中央處理器(Central processing unit，CPU)、微控制器(Microcontroller unit，MCU)等，用於依據上述數個偵測器所偵測到的運作參數來控制變頻馬達112、冷卻器113及電磁閥115。

請參考圖1及圖2，以進一步說明控制器13控制變頻馬達112、冷卻器113及電磁閥115的方法，其中圖2係依據本發明一實施例所繪示的溫度控制方法的流程圖，此溫度控制方法適用於前述圖1所示的溫度控制系統1。於步驟S11中，溫度控制系統1的控制器13偵測工具機2的主軸負載、主軸轉速、主軸溫度以及機體溫度。在取得這些運作參數後，依據這些運作參數中的一或多者進行冷卻器113及變頻馬達112的控制，如步驟S15及步驟S19所述。於步驟S15中，控制器13依據主軸負載、主軸轉速及主軸溫度與機體溫度之間的溫度差，透過迴歸方程式計算變頻馬達112的轉速，以控制冷卻液在冷卻循環11中的流速。詳細來說，所述的迴歸方程式包含主軸負載、主軸轉速及主軸溫度與機體溫度之間的溫度差三個運作參數，例如為下列方程式：F=2×10^-7×R ²+1×10^-3×R+0.1×L+B+5C。

其中，F為變頻馬達112之欲運轉頻率(單位：Hz)；R為主軸轉速(單位：rpm)；L為主軸負載(單位：%)；B為變頻馬達112之最低頻率(單位：Hz)；且C為主軸溫度及機體溫度之間的溫度差。於一實施例中，溫度控制系統1的控制器13中可以建立多種機台分別的迴歸資料庫，各自儲存有對應的迴歸方程式。

於步驟S19中，控制器13依據主軸溫度及機體溫度之間的溫度差，控制冷卻器113降低冷卻液的溫度。詳細來說，控制器13可以透過比例-積分-微分(Proportional-integral-derivative，PID)控制方法來控制冷卻器113的冷卻強度。請參考圖3，圖3係依據本發明一實施例所繪示的溫度控制方法中的PID控制示意圖。如圖3所示，控制器13計算得到主軸溫度及機體溫度之間的溫度差，再透過PID控制參數的計算來控制冷卻器113的壓縮機的轉速，以調節冷卻液的溫度，進而調節主軸溫度。透過反饋機制，控制器13得以控制主軸溫度近似於機體溫度，即使得工具機2處於理想的工作狀態。於另一實施例中，控制器13亦可透過PID控制參數的計算來控制冷卻器113的旁通閥，進而調節冷卻液的溫度。

透過前述步驟S15，控制器13依據工具機2的運作參數控制變頻馬達112，以對冷卻液進行變流量的控制；且透過步驟S19，控制器13依據工具機2的運作參數控制冷卻器113，以對冷卻液進行變溫度的控制。如此一來，可以避免習知技術中以定溫定流量控制冷卻液而產生熱誤差隨著負載轉變而不斷變化的狀況。此外，特別要說明的是，本發明並不限制前述的兩步驟S15及S19的執行順序，步驟S15及S19可以同時執行，亦可分別以不同的頻率執行。

接下來請參考圖1及圖4，以說明本發明另一實施例中的溫度控制方法，其中圖4係依據此實施例所繪示的溫度控制方法的流程圖。圖4所示的溫度控制方法適用於前述圖1所示的溫度控制系統1。類似於前一實施例，於步驟S11中，控制器13會偵測工具機2的運作參數，且於步驟S15及S19中分別對冷卻液執行變流量及變溫度控制。於此實施例中，在執行變流量及變溫度控制之前，於步驟S12中，控制器13會判斷偵測到的主軸溫度是否座落於工作溫度區間內，其中，所述工作溫度區間關係於測得的機體溫度。詳細來說，於一實施例中，工作溫度區間係指大於等於機體溫度的溫度範圍。於另一實施例中，工作溫度區間係指大於等於機體溫度與機台特性變數的和值的溫度範圍。舉例來說，機台特性變數介於攝氏2度到3度之間，進一步來說，小型機台的機台特性變數為攝氏2度，而大型機台特性變數則為攝氏3度。

於步驟S13中，當控制器13判斷主軸溫度未座落於前述的工作溫度區間時，會開啟電磁閥115以使冷卻器113中的冷卻液滯留於冷卻器113中。詳細來說，當工具機2的主軸溫度未座落於前述的工作溫度區間時，表示工具機2尚未暖機完畢。對於定溫定流量的習知溫度控制技術來說，儘管工具機尚未暖機完畢，仍不斷提供經冷卻器降溫的冷卻液至工具機的主軸，因而造成暖機時間過長的狀況。藉由本案如前述實施例所提供的溫度控制方法，當判斷工具機2的主軸溫度未達工作溫度區間時，開啟電磁閥115使得冷卻液僅流動於泵111與電磁閥115之間，而不再經冷卻器13冷卻，達到快速暖機且節能的效果。

於步驟S14中，當控制器13判斷主軸溫度座落於工作溫度區間時，便會關閉電磁閥115，使冷卻器113中的冷卻液流動。換句話說，當控制器13判斷工具機2暖機完成時，會透過關閉電磁閥115，使冷卻液再流經冷卻器113，進而提供工具機2的主軸經降溫處理的冷卻液。接著，控制器13會再依據工具機2的運作參數執行如前列實施例中的步驟S15及S19所述的變流量及變溫度控制，其中詳細的控制方法如前列實施例所述，於此不再贅述。

相較於習知的溫度控制方法，前述圖4所提供的溫度控制方法可以使得工具機2的主軸21更快速地達到熱平衡，且具有較短的熱伸長量。請參考圖5A及5B，其中圖5A示例性地呈現使用一般溫度控制方法來控制工具機而得到的偵測數據圖；圖5B則示例性地呈現使用圖4所示的溫度控制方法來控制工具機而得到的偵測數據圖。於圖5A及5B的實施例中，所控制的工具機係屬於12500轉(rpm)之臥式加工機，特別要說明的是，圖5A及5B僅為示例性地呈現測量數據，並非用於限制依據本案所提供之溫度控制方法所得到的實際測量數據。

如圖5A所示，以一般溫度控制方法來控制工具機，主軸約在啟動後3小時達到熱平衡，且主軸的熱伸長量約為53微米；而如圖5B所示，透過圖4的溫度控制方法來控制工具機，主軸約在啟動後20分鐘達到熱平衡，且主軸的熱伸長量約為29微米。由此可知，透過本案圖4所提供的溫度控制方法來控制工具機，可以使得工具機的主軸快速地達到熱平衡，且具有較小的熱伸長量，因而具有較高的加工精度。

除了在工具機2初啟時判斷工具機2的暖機狀態以調整冷卻液的循環路徑，溫度控制系統1亦可以在工具機2的其他運轉過程中，依據工具機2的運轉狀態來調整冷卻液的循環路徑。請一併參考圖1及圖6,其中圖6係依據本發明又一實施例所繪示的溫度控制方法的流程圖。於步驟S21中，當溫度控制系統1的控制器13判斷工具機2的主軸轉速等於零時，會記錄工具機2維持此狀態的運作時間。

於一實施例中，控制器13中儲存有一預設時間，當控制器13判斷工具機2的主軸轉速等於零的運作時間未大於此預設時間時，控制器13會繼續對冷卻液執行步驟S15及S19的變流量及變溫度控制；而當控制器13判斷工具機2的主軸轉速等於零的運作時間大於此預設時間時，會將電磁閥115開啟，以使流經主軸21的冷卻液不再流經冷卻器113進行降溫。

於另一實施例中，控制器13中儲存有第一預設時間及第二預設時間，其中第二預設時間大於第一預設時間。於步驟S23中，控制器13判斷工具機2的主軸轉速等於零的運作時間是否大於第一預設時間，並在步驟S25中進一步地判斷所述運作時間是否大於第二預設時間。當控制器13判斷所述運作時間未達第一預設時間時，會繼續對冷卻液執行步驟S15及S19的變流量及變溫度控制；當所述運作時間介於第一預設時間及第二預設時間時，控制器13會開啟電磁閥115，使得冷卻液僅在泵111及電磁閥115之間的冷卻循環11中循環，如步驟S27所示；當所述運作時間大於第二預設時間時，控制器13不僅會使電磁閥115開啟，更關閉冷卻器113，如步驟S29所示。

對於習知溫度控制技術來說，在工具機運作過程中，當執行上下料的程序而中止主軸的旋轉時，仍不斷提供經冷卻器降溫的冷卻液至工具機的主軸，將使主軸溫度低於機體溫度而導致主軸及鑄件過冷的狀況。而於本案如前述實施例所提供的溫度控制方法中，以第一預設時間作為閾值來判斷工具機2是否處於上下料的狀態(即主軸轉速為零的運作時間大於第一預設時間)，並在判斷工具機2為上下料狀態時停止提供降溫的冷卻液至工具機2。

進一步地，控制器13可以依據第二預設時間來判斷工具機2處於短上下料狀態或長上下料狀態。詳細來說，當所述運作時間介於第一預設間與第二預設時間之間時，控制器13判斷工具機2處於短上下料狀態，因而開啟電磁閥115，避免主軸溫度隨著持續循環降溫的冷卻液而不斷降低；而當工具機2維持主軸轉速為零的狀態的運作時間越來越長而大於第二預設時間時，控制器13將判斷工具機2處於長上下料狀態，表示此時尚無需使用冷卻器113，因而關閉冷卻器113，避免冷卻器113反覆冷卻未流動的冷卻液而造成能源的浪費。於此實施例中，第一預設時間例如介於30秒與2分鐘之間，第二預設時間則例如介於10分鐘與30分鐘之間，其中相較而言，小型機台的預設時間會小於大型機台的預設時間。

接著請一併參照圖1及圖7，其中圖7係依據本發明又一實施例所繪示的溫度控制方法的流程圖，此溫度控制方法亦適用於圖1的實施例所述的溫度控制系統1。於步驟S30中，在溫度控制系統1啟動時，控制器13會執行初始化程序，其中初始化程序包含關閉電磁閥115、關閉冷卻器113且開啟變頻馬達112。在初始化程序之後，於步驟S31中，控制器13執行工具機2的運作參數的偵測並儲存於資料庫中，其中運作參數包含主軸負載P_load、主軸轉速P_N、主軸溫度T_s及機體溫度T_b。於步驟S32中，控制器13判斷主軸溫度T_s是否大於或等於機體溫度T_b與機台特性變數A的和值，其中機台特性變數A例如介於攝氏2與3度之間。

當主軸溫度T_s小於上述和值時，表示工具機2尚未暖機完畢，此時，如步驟S33所示，控制器13會開啟電磁閥115，維持冷卻器113的關閉，並使變頻馬達112於最低頻率運作；當主軸溫度T_s大於或等於上述和值時，表示工具機2已暖機完畢。此時，控制器13會關閉電磁閥115，開啟冷卻器113，並對冷卻液執行變流量與變溫度的控制。變流量控制如步驟S34所述，控制器13會依據主軸負載P_load、主軸轉速P_N及主軸溫度T_s與機體溫度T_b之間的溫度差(T_s-T_b)，透過迴歸方程式來控制變頻馬達112的轉速，進而控制冷卻液的流量變化，其中迴歸方程式的詳細內容類似於前列實施例中的步驟S15所使用的迴歸方程式，於此不再贅述；而變溫度控制則如步驟S35所述，控制器13會以(T_s=T_b)為規則並以PID控制方法控制冷卻器113的冷卻強度，其中詳細的PID控制方法如前列圖3的實施例所述，於此不再贅述。

在執行變流量及變溫度控制的過程中，控制器13會持續偵測工具機21的運作參數以即時地調整變頻馬達112及冷卻器113。於步驟S36中，當控制器13判斷工具機2的主軸轉速P_N等於零時，會記錄工具機2處於此狀態的運作時間，並判斷其是否大於短下料時間t_s。當所述運作時間不大於短下料時間t_s時，控制器13將維持執行步驟S34及S35的變流量及變溫度控制；而當所述運作時間大於短上下料時間t_s時，控制器13判斷工具機2處於上下料狀態，因而將開啟電磁閥115，使冷卻器113及變頻馬達112運作於最低頻率，如步驟S37所示。

接著，於步驟S38中，控制器13會再偵測並判斷工具機2的主軸轉速P_N是否為零。若主軸轉速P_N不為零，表示工具機2完成了上下料程序而開始運轉，控制器13因而執行步驟S34及S35的變流量及變溫度控制；若主軸轉速P_N為零，控制器13則再判斷工具機2處於主軸轉速P_N為零的運作時間是否大於長上下料時間t₁，如步驟S39所示。若否，則維持步驟S37的狀態；若是，則執行步驟S33的控制，即進一步地將冷卻器113關閉。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

Claims

一種溫度控制系統，適用於一工具機，該溫度控制系統包含：一冷卻循環，包含：一泵，受一變頻馬達驅動以使一冷卻液於該冷卻循環中流動以流經該工具機的主軸；一冷卻器，串接於該泵，且用於使該冷卻液降溫；以及一電磁閥，連接於該冷卻器的入口及出口之間，用於在開啟時使流經該主軸的該冷卻液不流回該冷卻器進行冷卻，或在關閉時使該冷卻液在該泵與該冷卻器之間流動；以及一控制器，電性連接於該變頻馬達、該冷卻器及該電磁閥，且用於連接該工具機以偵測該工具機的主軸負載、主軸轉速、主軸溫度以及機體溫度，據以控制該變頻馬達、該冷卻器及該電磁閥；其中該控制器更用於依據該主軸溫度及該機體溫度之間的溫度差，控制該冷卻器降低該冷卻液的溫度，且依據該主軸負載、該主軸轉速及該溫度差，透過一迴歸方程式計算該變頻馬達的轉速，以控制該冷卻液的流速。
如請求項1所述的溫度控制系統，其中該控制器更用於判斷該主軸溫度是否座落於一工作溫度區間，在判斷該主軸溫度未座落於該工作溫度區間時，開啟該電磁閥，且在判斷該主軸溫度座落於該工作溫度區間時，關閉該電磁閥以使該冷卻液流回該冷卻器進行冷卻，其中該工作溫度區間關係於該機體溫度。
如請求項2所述的溫度控制系統，其中該控制器在判斷該主軸溫度未座落於該工作溫度區間時，更使該冷卻器處於關閉狀態，且在判斷該主軸溫度座落於該工作溫度區間時，更使該冷卻器處於開啟狀態。
如請求項1所述的溫度控制系統，其中該控制器更在偵測的該主軸轉速等於零時，記錄該主軸轉速等於零的運作時間，且在該運作時間大於一預設時間時，開啟該電磁閥。
如請求項4所述的溫度控制系統，其中該預設時間作為一第一預設時間，且該控制器更在該運作時間大於一第二預設時間時關閉該冷卻器，其中該第二預設時間大於該第一預設時間。
一種溫度控制方法，適用於一溫度控制系統，以控制一變頻馬達驅動一泵，使一冷卻液流經一工具機的主軸，該溫度控制方法包含：偵測該工具機的主軸負載、主軸轉速、主軸溫度以及機體溫度；依據該主軸溫度及該機體溫度之間的溫度差，控制一冷卻器降低該冷卻液的溫度；以及依據該主軸負載、該主軸轉速及該溫度差，透過一迴歸方程式計算該變頻馬達的轉速，以控制該冷卻液的流速。
如請求項6所述的溫度控制方法，其中在控制該冷卻器降低該冷卻液的該溫度及控制該冷卻液的該流速之前，更包含：判斷該主軸溫度是否座落於一工作溫度區間內，其中該工作溫度區間關係於該機體溫度；當該主軸溫度未座落於該工作溫度區間時，開啟一電磁閥使流經該主軸的該冷卻液不流回該冷卻器進行冷卻；以及當該主軸溫度座落於該工作溫度區間時，關閉該電磁閥使該冷卻器中的部分該冷卻液流動以流經該主軸。
如請求項7所述的溫度控制方法，其中當該主軸溫度未座落於該工作溫度區間時，更使該冷卻器處於關閉狀態，且當該主軸溫度座落於該工作溫度區間時，更使該冷卻器處於開啟狀態。
如請求項7所述的溫度控制方法，更包含：當偵測的該主軸轉速等於零時，記錄該主軸轉速等於零的運作時間；以及當該運作時間大於一預設時間時，開啟該電磁閥。
如請求項9所述的溫度控制方法，其中該預設時間作為一第一預設時間，且該溫度控制方法更包含：當該運作時間大於一第二預設時間時，關閉該冷卻器；其中該第二預設時間大於該第一預設時間。