本發明屬于高速電主軸的性能調控應用領域，涉及電主軸冷卻系統，具體為一種自動調節流量的電主軸實時冷卻系統及控制方法。

背景技術：

電主軸的冷卻系統作為電主軸系統的關鍵部分，對電主軸性能有著重要的影響。冷卻系統是電主軸的主要散熱裝置，其冷卻性能直接影響電主軸的運轉精度和可靠性。在電主軸工作過程中，冷卻系統通過有效緩解由電耗損、磁損、軸承摩擦和機械耗損引起的電主軸發熱問題，進而減小由發熱引起的電主軸熱變形，從而有效提高加工精度。在不同的加工工況中，電主軸所表現出來的溫升情況具有較大的差異性，這對機床的冷卻系統提出了更高的要求。因此，設計一套可自動調控冷卻能力以適應不同工況下主軸溫升的冷卻系統至關重要。相關研究表明，采用調節冷卻液流量的策略來調控冷卻系統的冷卻能力，對于降低主軸發熱，改善主軸系統熱特性效果明顯。但相關研究同時表明，當冷卻液流量增大到一定數值后，電機定轉子，軸承內外圈溫升不會顯著下降，繼續增加冷卻液流量不僅不能有效降低主軸系統發熱，反而還會增加冷卻系統工作負荷，增大機床能耗。因此，電主軸的冷卻系統需要根據電主軸實時溫度情況合理調節冷卻液流量，才能充分利用冷卻系統的冷卻能力，在冷卻要求上和經濟成本上達到最佳平衡。

傳統的電主軸冷卻系統均是采用開環循環冷卻液系統即水冷卻機輸出固定流量的冷卻液對電主軸進行冷卻，水冷卻機輸出的固定流量往往依據經驗或者實驗數據事先確定，無法滿足不同工況下電主軸對冷卻能力的不同要求。國內外諸多研究機構就電主軸冷卻系統開展了大量的研究，并取得一定的成果。這些研究工作的研究重點在于改善冷卻系統的結構，如提出的樹狀分形流道式的冷卻水套、在殼體表面與軸承外圈接觸處開冷卻槽、設計多冷卻回路等。還有一些研究工作研究冷卻液流量對主軸溫度場的影響，進而確定了合理的冷卻液流量取值，但這些都不能對主軸的溫升進行自動控制和實時動態調整。

技術實現要素：

針對現有技術中存在的問題，本發明提供一種自動調節流量的電主軸實時冷卻系統及控制方法，能夠充分利用冷卻系統的冷卻能力，保證電主軸溫升的合理性并減小熱變形，提高機床加工精度，能夠準確動態的調整電主軸冷卻能力。

本發明是通過以下技術方案來實現：

一種自動調節流量的電主軸實時冷卻系統，包括控制單元，與電主軸的冷卻結構相互連接形成冷卻回路的液冷卻機，設置在電主軸上的溫度傳感器，以及設置在液冷卻機的出液口的管道上的電動流量調節閥；

所述的控制單元包括pid控制器，pid控制器的反饋輸入端連接溫度傳感器的輸出端，pid控制器的輸出端連接電動流量調節閥的控制端，pid控制器的目標輸入端接入設定的目標溫度信號。

優選的，還包括設置在電動流量調節閥出口管道上的流量計，所述的控制單元還包括比較器；比較器的第一輸入端連接pid控制器的輸出端，第二輸入端連接流量計的輸出端，輸出端連接電動流量調節閥的控制端，pid控制器的輸出信號優先級高于比較器的輸出信號。

進一步的，所述的控制單元還包括數據采集卡，數據采集卡包括d/a轉換模塊，第一a/d轉換模塊和第二a/d轉換模塊；pid控制器的輸出端和比較器的輸出端分別經d/a轉換模塊連接電動流量調節閥的控制端，溫度傳感器的輸出端經第一a/d轉換模塊連接pid控制器的反饋輸入端，流量計的輸出端經第二a/d轉換模塊連接比較器的第二輸入端。

進一步的，所述的流量計采用渦輪式流量計。

優選的，所述的控制單元還包括數據采集卡，數據采集卡包括d/a轉換模塊，第一a/d轉換模塊；pid控制器的輸出端經d/a轉換模塊連接電動流量調節閥的控制端，溫度傳感器的輸出端經第一a/d轉換模塊連接pid控制器的反饋輸入端。

進一步的，數據采集卡采用niusb-6363的數據采集卡。

優選的，所述的溫度傳感器設置在電主軸的前端支承軸承外圈。

進一步的，所述的溫度傳感器采用熱電偶溫度傳感器。

一種自動調節流量的電主軸實時冷卻系統的控制方法，從電主軸測溫點上測得的溫度值轉化為數字信號輸入到控制單元，與預先設置的目標溫度進行比較，得出實際溫度與設置溫度的偏差，并將該偏差作為pid控制器的輸入；

當該偏差大于設定誤差閾值時，pid控制器將計算出增大后的輸出電壓，控制電動流量調節閥增大閥口開度，相應地增大冷卻液流量；

當該偏差小于設定誤差閾值時，pid控制器將計算出減小后的輸出電壓，控制電動流量調節閥減小閥口開度，相應地減小冷卻液流量。

優選的，通過采集電動流量調節閥出口的流量信號，反饋到比較器中，與pid控制器的輸出電壓進行比較，對電動流量調節閥進行二次控制，pid控制器的輸出信號優先級高于比較器的輸出信號，從而先執行溫度反饋信號，通過流量反饋進行更進一步的流量調節。

與現有技術相比，本發明具有以下有益的技術效果：

本發明通過設置的電動流量調節閥和溫度傳感器與控制單元以形成閉環控制回路，來實現冷卻液流量的實時動態調整，從而有效控制不同加工工況下的電主軸溫升，減小熱變形，提高加工精度。由于采用閉環溫度控制的方法，突破了傳統開環循環冷卻的方式，能夠根據不同的加工工況對冷卻液流量進行準確地動態調整，從而有效控制溫升；且結構簡單易實現，能夠充分利用冷卻系統，使電主軸溫度分布均衡，減小電主軸熱變形，提高機床加工精度。

進一步的，通過設置的流量計，能夠更好地對冷卻液的流量進行計量，保證調節閥調節流量的準確性，在線監測冷卻液流量的變化，通過比較器的設置和對比控制電動流量調節閥，從而使電動流量調節閥更準確地控制調節冷卻液實際流量。

進一步的，通過設置的數據采集卡，統一完成控制單元輸入輸出信號的轉換，集成度高，結構簡單，使用方便。

附圖說明

圖1為本發明實例中所述系統的結構連接示意圖。

圖2為本發明實例中所述系統的結構原理框圖。

圖中：1為液冷卻機，2為電動流量調節閥，3為流量計，4為溫度傳感器，5為電主軸，6為控制單元。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步的詳細說明，所述是對本發明的解釋而不是限定。

本發明一種自動調節流量的電主軸5實時冷卻系統，如圖1所示其包括電主軸5、液冷卻機1、電動流量調節閥2、流量計3、溫度傳感器4和控制單元6；調節流量方法是，通過在液冷卻機1的冷卻液出口管道即電主軸5冷卻液的入口管上安裝一個電動流量調節閥2，由控制單元根據電主軸5溫升與流量關系產生控制電壓信號，控制電動流量調節閥2自動調節其開度，從而相應地調節冷卻液的流量。

其中，液冷卻機1與電主軸5的冷卻結構相互連接形成冷卻回路，溫度傳感器4設置在電主軸5上，電動流量調節閥3設置在液冷卻機1的出液口的管道上；控制單元6包括pid控制器，pid控制器的反饋輸入端連接溫度傳感器4的輸出端，pid控制器的輸出端連接電動流量調節閥3的控制端，pid控制器的目標輸入端接入設定的目標溫度信號。

流量計3設置在電動流量調節閥3出口管道上，控制單元6還包括比較器；比較器的第一輸入端連接pid控制器的輸出端，第二輸入端連接流量計3的輸出端，輸出端連接電動流量調節閥3的控制端，pid控制器的輸出信號優先級高于比較器的輸出信號，從而先執行溫度反饋信號，通過流量反饋進行更進一步的流量調節。

控制單元6還包括數據采集卡，數據采集卡包括d/a轉換模塊，第一a/d轉換模塊和第二a/d轉換模塊；pid控制器的輸出端和比較器的輸出端分別經d/a轉換模塊連接電動流量調節閥3的控制端，溫度傳感器4的輸出端經第一a/d轉換模塊連接pid控制器的反饋輸入端，流量計3的輸出端經第二a/d轉換模塊連接比較器的第二輸入端。

本發明所述系統是一個閉環控制系統，通過閉環控制系統來實時控制電主軸5的溫度，如圖2所示，其原理為：將安裝在電主軸5測溫點上的溫度傳感器4所測得的溫度值經第一a/d轉換模塊用于將溫度傳感器4的模擬信號轉化為數字信號輸入到控制單元，與預先設置的目標溫度進行比較，得出實際溫度與設置溫度的偏差，并將該偏差作為pid控制器的輸入，當該偏差大于設定誤差閾值時，pid控制器將計算出增大后的輸出電壓，通過d/a轉換模塊，將數字信號轉換為控制電壓信號，控制電動流量調節閥2增大閥口開度，相應地增大冷卻液流量。當該偏差小于設定誤差閾值時，pid控制器將計算出減小后的輸出電壓，通過d/a轉換模塊，將數字信號轉換為控制電壓信號，控制電動流量調節閥2減小閥口開度，相應地減小冷卻液流量。顯然，這是一種依據電主軸5測溫點的溫度來調節閥口開度從而能夠自動調節冷卻液流量，使冷卻性能達到較優狀態，實現電主軸5測點溫度更加合理，減少電主軸5的熱變形，從而提高機床的加工精度。本實例溫度傳感器4以安裝在前支承軸承外圈為例。

本發明通過在冷卻系統中添加一個電動流量調節閥2，電動流量調節閥2由閥體和執行機構兩部分組成。執行機構根據控制單元6的信號改變閥體的開度對流量進行調節，實現冷卻液流量的控制。電動流量調節閥2能夠接收電壓信號且能夠用于冷卻液水或者油的流通，是本發明冷卻系統中調節改變冷卻液流量的核心部件。

如圖1和圖2所示，為了更好地對冷卻液的流量進行計量，保證調節閥調節流量的準確性，在冷卻系統中安裝了流量計3，通過第二a/d轉換模塊將流量計3的模擬信號轉化為數字信號，在線監測冷卻液流量的變化，通過比較器的設置和對比，從而使電動流量調節閥2更準確地控制調節冷卻液實際流量。

本優選實例中流量計3采用渦輪式流量計3，溫度傳感器4采用熱電偶溫度傳感器4，數據采集卡采用niusb-6363的數據采集卡。