机床中的温度控制的制作方法

1.本发明涉及机床中的温度控制，例如用于从工件去除材料的机床。


背景技术：

2.建造各种尺寸和构造的机床以执行材料去除过程，用于将工件减小到它们的最终工作尺寸或到准备进一步加工的预处理状态。加工过程的尺寸精度取决于多种因素。这些因素可包括位置和编码精度、编码器放置精度、计算机数字控制(cnc)能力、机器结构和任何流体输送系统(例如用于冷却剂和润滑剂)的热控制。
3.机器的机座和较大部件是被动的，并且通常是机器结构的主体，需要保持在稳定的工作温度。对该温度的变化的可接受限制可以小到
±
0.01℃。整个机器通常将被放置在温度受控的环境中。然而，这种环境不能经济地、可靠地或容易地维持到这样精细水平的热稳定性。
4.一种用于将机器结构保持在稳定温度的已知方法是使用温度受控的流体，其中流体处于所需温度。这种方法被称为“液体喷淋”。使热稳定流体(通常为油)流过结构的外表面，并且在一些情况下，流过结构。例如在名为“在通用测量机上使用液体喷淋的热稳定性的数量级改进”的制造工程师学会论文(j b bryan等人，1982年5月6日)中描述了这种技术。
5.在机床的活动区域中，特别是在快速运动的元件(如刀具主轴、工作主轴和轴驱动器)中，例如由于驱动马达中的能量损失、两个滑动面之间的摩擦或流体薄膜中的剪切，通过各种方式产生热量。为了从这些区域去除热量，并且为了防止热量进入机器的尺寸关键区域(例如基部)，温度受控的流体可以循环通过诸如机器中的钻孔或空腔的特征结构，以去除不需要的热能。
6.流体需要高程度温度控制的另一个区域是静压轴承。在这种情况下，在主轴和线性滑动系统中产生刚性轴承薄膜的流体经常流出轴承并流过尺寸关键的机器元件，如果流体的温度与机器结构的温度不同，这将再次损害机器的尺寸稳定性。而且，轴承流体的温度需要是稳定的，以避免通过膨胀或收缩而变形，这种变形会影响工具和工件的相对位置。
7.现有的温度控制技术涉及以受控方式用热交换器和冷却器系统去除热量。流体温度可以降低到比所需温度低1或2℃，然后加入少量的、精确计量的热量以将流体的温度微调到其工作水平。该微调可以通过局部反馈装置或通过参考在流体的使用点处的测量温度来控制。


技术实现要素：

8.本发明提供一种与机床组合的流体温度控制设备，其中该设备被设置成调节供给到机床的流体的温度，以在该设备下游的第一位置处将流体保持在设定点温度，并且该设备包括：
9.温度控制组件，所述温度控制组件用于在所述流体通过所述组件时调节所述流体
的温度，所述组件具有用于接收流体流的流体入口和用于输出所述流体的流体出口；
10.流体管道装置，其联接到所述流体出口以将所述流体运送到所述机床；
11.第一温度传感器，用于响应于第一位置处的流体温度而输出第一温度信号；以及
12.控制器，所述控制器被配置成接收所述第一温度信号并且参考所述第一温度信号来控制所述温度控制组件，以便将所述流体在所述第一位置处维持在所述设定点温度，
13.其中，所述温度控制组件包括至少一个热电温度控制装置。
14.在温度控制组件中使用一个或多个热电温度控制装置(即，设计成使用热电或“珀耳帖”效应的装置)提供了若干益处。它们相对紧凑，因此可以便于制造流体温度控制设备，这可以避免增加机床的整体占地面积。此外，由于热电控制装置是固态装置，它没有运动部件，因此可靠且易于维护。而且，这种装置倾向于具有小的热质量，从而最小化它们对校正流体中出现的热瞬变的响应时间。
15.温度控制组件可以包括例如以二维阵列布置的多个热电控制装置。阵列中的装置优选地彼此等距地间隔开。可以选择热电温度控制装置的数量以提供所需的热控制能力。可以确定并联设置的装置的数量，以便能够控制预期的温度波动。
16.在一些实施方式中，温度控制组件可以包括两个或更多个热电温度控制装置阵列的堆垛。由于热电温度控制装置可以处理的温差可能存在限制，所以可以将这些装置堆叠以产生可以适应更高温差的多级或级联配置。
17.该流体温度控制设备能够以高程度的稳定性控制向机床供给的工作流体的温度。在一些实施例中，工作流体的温度变化可以被控制为优于 /-0.005℃。
18.热电温度控制装置的阵列可以布置在平面上。该平面可以平行于流体流过温度控制组件的方向延伸。
19.流体温度控制设备可被布置成在第一位置处将流体保持在设定点温度，该第一位置在设备的下游并且在机床的上游。
20.温度控制组件可以包括热交换器，该热交换器形成流体入口和流体出口之间的流体路径的一部分并且热联接到所述至少一个热电温度控制装置。热交换器可在流体入口和流体出口之间的流体路径中限定第一组通道，并且流体路径可在第一组通道之间被划分。热交换器可以包括限定通道的导热材料(例如铝)的固体块(优选地为单个块)。该组通道可平行地延伸穿过所述材料块。
21.温度控制组件可以包括设置在热交换器的相对两侧上的热电温度控制装置的阵列。它们可以设置在平行于流体流动通过组件的热交换器的方向的平面中。
22.热交换器可以足够坚固，以便能够在例如从小于0.1巴到大于70巴的流体压力范围内操作。在一些实施方式中，流体温度控制装置可以为冷却剂和润滑剂提供大约2或3巴的流体，并且也可以为流体轴承提供高达70巴或更大的高压。
23.热电温度控制装置的阵列可以安装在热交换器上，该热交换器为层流热混合单元的形式。
24.热电温度控制装置可根据需要微调通过热交换器的流体中的热量，以调节其在温度控制组件的流体出口处的温度。
25.在优选实施例中，热交换器限定了在流体入口和流体出口之间的流体路径中的第二组通道，第二组通道在第一组通道的下游，流体路径在第二组通道之间被划分，并且热交
换器包括位于第一组通道和第二组通道之间的流体路径中的混合腔室。这用于增强流体流上的温度均匀性。
26.温度控制组件可以包括用于从至少一个热电温度控制装置移除热的温度调节器。所述至少一个热电温度控制装置可以热联接在热交换器和温度调节器之间。温度调节器可以热联接到热电温度控制装置阵列的面，该面与热联接到温度交换器的阵列的面相对。因此，热能可以由温度调节器经由热电温度控制装置从流体提取或供应到流体。
27.优选地，温度调节器流体地联接到限定冷却剂流体路径的管道，冷却剂流体路径用于将冷却剂流体运送到温度调节器和从温度调节器运送冷却剂流体。稳定腔室可在温度调节器的上游位置处位于冷却剂流体路径中，其中稳定腔室被布置成增加流动通过稳定腔室的冷却剂流体的温度的均匀性。
28.因此，流体温度控制设备可包括具有独立的冷却剂流体供应的温度调节器，其用于增强对工作流体的温度的控制。在温度调节器中包括稳定腔室提高了冷却剂流体供应的温度的稳定性。冷却剂流体可以是液体，例如冷却水。
29.该设备可包括流体混合装置，其在热交换器的下游并且在第一位置的上游。这用来增加流体温度的均匀性。它可以位于第一位置附近，使得由第一温度传感器在第一位置处测量的温度更准确地反映工作流体的温度。
30.控制器可以被配置为响应于机床的操作参数接收输入信号，并且参考输入信号控制温度控制组件。它可以参考输入信号来调整目标设定点温度。操作参数例如可以取决于机床的运动元件的速度。在一些实施方式中，操作参数可以是机床的旋转驱动器的旋转速度。
31.例如，在不期望的加热程度取决于诸如机器主轴速度的操作参数的情况下，有时可以预测不期望的加热程度。在这种情况下，温度控制流体的设定点温度可以变化以预先排除潜在的有问题的热产生。
32.优选地，该系统包括用于将流体从机床运送到流体入口的流体返回路径。
33.热交换器可流体地联接到流体返回路径中，以将热能从沿着流体返回路径流动的流体传递离开。冷却剂流体路径可包括阀，该阀用于选择性地将沿着冷却剂流体路径流动的一部分(或全部)冷却剂转向到热交换器，以接收从沿着流体返回路径流动的流体中吸取的热能。
34.优选地，提供阀控制器以用于调节阀，其中，阀控制器被配置为接收响应于机床的操作参数的阀控制信号，并参考阀控制信号调节阀。操作参数例如可以取决于机床的运动元件的速度。在一些实施方式中，操作参数可以取决于机床的旋转驱动器的旋转速度。
35.机床的操作参数可以用于预测机床中的温度升高。因此，可以响应于此来调节阀以抵消热量产生。因此，阀可以将沿着冷却剂流体路径流动的冷却剂流体的一些(或增加的)部分转向到热交换器，以从沿着流体返回路径流动的流体吸取热能。
36.可以包括第二温度传感器，用于响应于流体返回路径中的第二位置处的流体温度而输出第二温度信号。控制器可以被配置为接收第一和第二温度信号，并且参考第一和第二温度信号控制组件，以便在第一位置处将流体维持在设定点温度。控制器可以包括响应于第一和第二温度信号的级联控制器。这种布置可以增加对离开机床的流体的温度的较大变化的响应速度。
37.流体泵可以设置在流体返回路径中。优选地，流体泵位于温度控制组件的上游，使得例如由于流体剪切或泵摩擦而从泵到流体的任何热能传递在流体温度由温度控制组件控制之前发生。因此，泵对流体温度的影响可以被最小化。
38.本发明还提供一种调节供给到机床的流体的温度以在预定位置将流体保持在设定点温度的方法，包括以下步骤：
39.接收流体流；
40.加热或冷却所述流体流，使得在所述预定位置处维持所述设定点温度；以及
41.将所述流体流供给到所述机床，
42.其中使用至少一个热电温度控制装置来加热或冷却流体。
附图说明
43.现在将参照附图通过示例的方式描述本发明的已知流体温度控制设备和实施例，其中：
44.图1是已知流体温度控制设备的框图；
45.图2是根据本发明的实施例的机床和流体温度控制设备的框图；
46.图3是根据本发明的实施例的温度控制组件的横截面侧视图；
47.图4是图3所示的温度控制组件的热交换器的透视图；
48.图5至7示出了根据本发明的实施例的温度控制组件的前透视图、后透视图和横截面平面图；
49.图8和9是根据本发明的实施例的冷却水热稳定罐的透视图和平面图；以及
50.图10是图8和9所示的稳定罐的横截面侧视图。
具体实施方式
51.图1示出了用于直接向工作流体添加热量或从工作流体移除热量的已知温度控制系统。从机床24收集的流体被供给到返回罐2。然后该流体通过扫气泵(scavenge pump)4以相对低的压力(高达几巴)供给到制冷系统的蒸发器6。该制冷系统包括由冷却水供应装置10冷却的制冷组8。该制冷组8通过制冷剂管12循环冷却剂往返于蒸发器6，并响应于由温度传感器14在蒸发器下游测量的温度控制冷却剂的温度。
52.来自蒸发器6的冷却剂流体由主泵20以稍低于机床所需的温度供给。流体通过浸没式加热器22，在那里热量被加到流体上，使得流体离开机床24时的温度(由温度传感器26测量)趋向于期望的温度设置。浸没式加热器可以由双环路控制器28响应于温度传感器26和另一个温度传感器30来控制，该另一个温度传感器响应于流体从浸没式加热器流到机床时的温度。从机床离开的流体通过流体回流系统32被送回到回流罐2。
53.已经发现这种系统存在许多缺点。制冷剂管往往易碎并易于泄漏。蒸发器6通常不能承受超过几巴的压力而不破裂。蒸发器6可能仅能够在窄的热范围内操作，并且可能难以调节以匹配流体温度的变化。可能需要使浸没式加热器中的流体形成湍流以避免不良的热混合。然而，这本身可能降低流体温度控制的精度。已经发现这些温度控制系统在机床处的流体输送温度方面表现出不期望的和可避免的高波动。
54.图2示出了根据本发明的实施例的与机床组合的流体温度控制设备的示意图。
55.该设备包括温度控制组件40，用于调节供给到机床的机器轴42的流体的温度。
56.温度控制组件具有在流体入口46处接收流体的热交换块44。热电温度控制装置的两个阵列48、50靠着热交换块44的相对两侧安装。每个热电温度控制装置阵列位于热交换器的一侧和温度调节器系统的相应调节块52、54之间。
57.热电温度控制装置的额定功率可以选择为适合特定的应用。例如，如果仅通过热电温度控制装置实现温度控制，则可以使用更高功率的装置。或者，如果热电温度控制装置在高精度系统中执行温度微调功能，那么较低功率装置可能是合适的。
58.可用于本发明实施例的热电温度控制装置(包括多级结构)由莱尔德技术公司(laird technologies,inc.)制造，并由热电装置有限公司(thermo electric devices limited)销售。
59.热交换器块与热混合器或流体混合装置56流体连接。流体混合装置可以具有运动部件以混合流体，或者可以包括被配置以混合流体的、在流动路径中的连续系列的固定的刚性元件。合适的装置例如公开在wo2018/178261中。由热混合器输出的流体穿过温度控制组件的流体出口58。
60.第一温度传感器60设置在流体出口58的下游。管道系统的流体管道装置62连接到流体出口，并被设置成将流体输送到机器轴42。第一温度传感器响应于在流体管道装置中流动的流体的温度。可包括流体返回路径64以将流体从机器轴运送到温度控制组件的流体入口46。
61.第二温度传感器66可位于流体返回路径中，用于监测离开机器轴的流体的温度。
62.来自第一和第二温度传感器60、66的第一和第二温度信号通过各自的通信联接件68和70被馈送到单或双环温度控制器72。来自控制器72的输出信号沿着联接件74经由前置放大器75被馈送到热电装置阵列48和50。
63.流体返回路径(如果存在)可以包括返回罐和扫气系统76。返回路径具有位于温度控制组件40上游的压力泵78。
64.温度调节器52和54流体地连接到冷却水回路80。该回路包括冷却器82，用于根据由冷却器输出的水的温度(由另一温度传感器84测量)来冷却水。该冷却器的目的是将该水的温度控制在期望控制点的
±
0.1℃内。冷却水回路可以包括位于冷却器下游的可选的中间稳定腔室86。下面将参照图8至10更详细地描述该腔室。
65.从一个或两个调节块52、54到冷却器82的流体返回路径在包括从机床到温度控制组件40的流体返回路径64的实施例中可经由底座除热流量控制阀90。该阀可选择性地经由热交换器92使一部分流体流转向，该热交换器将流体热联接到工作流体返回路径64。这可提供经由热交换器92的额外手段以从离开机器轴42的流体中除去多余的热能。
66.该系统可包括用于操作流量控制阀90的阀控制器94，该阀控制器被设置成通过通信连接件96接收阀控制信号。该阀控制信号响应于机床的操作参数。在所示的实施例中，阀控制信号响应于机器轴42的旋转速度。因此，阀控制器94以取决于机器轴的旋转速度的方式调节阀，以抵消由此产生的热量。阀可以使沿着冷却剂流体路径流动的一些(或更大比例的)冷却剂转向到热交换器，以从沿着流体返回路径流动的流体吸取热能。
67.由温度控制组件输出的流体的温度由温度传感器60监测。该温度和期望的设定点温度之间的差由控制器72测量，然后该控制器驱动热电温度控制装置48、50以适当地增加
或去除流过组件的流体的热量。
68.第二温度传感器66优选地用于遭受大量热扰动的机床，例如包括静压主轴轴承流体供应的机床。第二温度传感器66可用于测量流体排出或轴承输出温度。在部署两个温度传感器的情况下，控制器可以包括级联控制回路。级联控制可以包括在例如由欧陆有限公司(eurotherm limited)销售的编号2604和2704的控制器中。
69.控制器72可以通过通信联接件73接收控制输入。这被布置成携带响应于机床的操作参数的信号。操作参数可以取决于例如旋转机器轴的旋转速度。控制器被配置成考虑操作参数来调节其沿联接件74的输出信号。因此，控制器可以响应于机床的操作参数，该操作参数指示或取决于机床的热产生速率。
70.流体返回路径64可以可选地利用单独的重力供给收集罐打开，或者仅利用(稍微)加压的返回管的返回管线中的贮存器关闭。
71.压力泵78产生由流体温度控制设备向机床供给的流体压力。压力泵中产生的热量的任何变化(例如流体剪切或泵摩擦)在温度控制组件之前发生，因此该组件补偿了这些影响。
72.图3示出了温度控制组件40的横截面侧视图。入口歧管100和出口歧管102通过螺栓连接到主块44的相对两端面。入口歧管100具有流体入口端口104，出口歧管102具有流体返回端口106。主块44具有中心混合腔室120(见图4)，其上端和下端由各自的封板122和124封闭。所述封板被固定到主块的中心部分以密封中心混合腔室的上下侧。热动力温度控制装置48的阵列设置在上封板122的每一侧上，与主块的相应的上表面126、128接触。这些阵列夹在主块和上调节块52之间。类似地，热电温度控制装置的阵列50夹在主块的下表面130和132和下调节块54之间。
73.热电装置48、50通过电互连装置49供电。
74.冷却水从完全分离的冷却水冷却剂回路通过上调节块52和下调节块54被泵送，以根据施加到热电温度控制装置阵列的控制电压，去除或增加主块中的工作流体的热量。
75.图4中所示的主块44由一块导热材料形成。孔的矩阵延伸通过该块的第一部段140以形成第一组流体通道144。孔的第二矩阵延伸穿过主块的第二部段142，以形成第二组流体通道146。因此，流体能够流经第一组通道进入混合腔室120，并经由第二组通道146流出混合腔室。混合腔室120避免了热塞被截留在各个通道中。这种主块构造用于提供与具有低热穿透深度的流体的有效热传递，所述深度有时可小于1mm。
76.可以通过机械加工实心材料块来制造主块。可以钻取穿过第一和第二部段140、142的孔，以形成第一和第二组流体通道144和146。可替代地，可使用增材制造技术形成主块。这可以使得能够生产可能难以使用常规加工方法形成的结构，并且可以允许在给定体积中并入更多数量的通道(其中通道具有更小直径)，以提供改进的热传递性质。
77.选择通道的直径以平衡跨越主块的压降，同时当流体流经主块时能够实现到达和来自流体的热传递。孔的直径通常可以是3mm，这可以适合于可能用于机床中的冷却剂或轴承流体的粘度和流速范围的流体。例如，这种流体的粘度可以在1cst(对于冷却剂)至50cst或更大(对于轴承流体)的范围内。具有较大横截面的孔可适合于粘度大于50cst的流体。每个流体通道优选地具有圆形横截面。每个矩阵的通道优选地彼此平行地延伸。
78.组装的主块能够容纳超过70巴的工作压力而不引起扭曲或变形，否则扭曲或变形
将允许流体在沿着歧管和封板的密封界面处泄漏。
79.图5至7示出了温度控制组件。用于热电温度控制装置阵列的驱动器包含在壳体150中，该壳体安装在调节块52的顶部上。冷却水经由冷却水供给入口152供给到调节块以及从调节块供给，并经由冷却水返回出口154返回。
80.来自出口歧管102的流体通过热混合装置56。该混合装置趋于增加流体流上的温度均匀性。温度传感器，优选地为用于提供对温度变化的足够快的响应和适当的灵敏度的热敏电阻60的形式的温度传感器，测量离开混合器的流体的温度。
81.冷却水回路80可以通过增加稳定腔室86而可选地稳定到更好的程度。这种腔室的一个例子在图8至10中示出。稳定腔室包括圆柱形罐，并使用同心的圆柱体，这些圆柱体在它们的上端或下端交替地固定到罐的内端壁中的一个。冷却水通过由圆柱限定的稳定罐内的曲折路径转向，如图10中的箭头162所示。该构造用于使冷却水供应的温度的任何不规则性最小化。例如，温度可以控制在 /-0.001℃内。如果罐要支持每分钟10升的质量流量，则罐容积可以在100升和150升之间。罐具有冷却水输出管连接装置164。
82.应当理解，在本文提及设定点温度并将流体保持在设定点温度的情况下，这可以指在特定温度附近的公差范围内的温度。根据所需的精度，公差范围可以是例如
±
0.01℃或小至
±
0.001℃。