加工恒温控制系统及其利用方法与流程

本发明涉及一种加工恒温控制系统及其利用方法，尤其是涉及一种利用温度计算方法来侦测工具机加工时，工件因刀具高速切削而产生的高温，通过此温度计算所得到的温度信号来调整冷却流体的出风口方向、流量及温度对加工工件的高热区域进行热交换以降低热误差的加工恒温控制系统及其利用方法。

背景技术：

一般而言，影响工具机精度的因素包括：机械本身的静态几何误差与动态热误差、切削时的刀具磨耗与工件热变形、以及外在工作环境的变异。其中，根据研究，工具机加工时的误差有40％至70％是由热变形所造成，因此，工具机热行为表现的优劣程度，可视为衡量精度与稳定度的重要指标；若热行为表现具有重现性与稳定性，表示可长时间维持良好加工品质；反之，若工具机的热行为模式变异过大，工具机结构因热产生变形或弯曲，造成刀具端变位或变形，致使切削后加工物件无法达到几何精度与表面纹路的要求，将严重影响加工产品品质。

最常使用的方法为使用冷却液体(例如冷却油)来进行刀具及工件之间的热交换，其流程为，冷却液体经泵输送至油冷却机做冷却后直接到结构体做冷却，而冷却完的冷却油自然回流至油箱循环，上述使用冷却液体热交换的方式虽然简单，然由于冷却点无法控制，因此只能依照加工者的经验做冷却位置的调整，其最大的缺点为无法有效进行工件切削热交换，且结构体的温度会随着冷却油的变化而不稳定导致结构温升变形，而其他缺点尚包括：无法针对高热区的切削热源有效移除；无切削热的工件区域会因冷却流体过度冷却而造成本体收缩；经热交换后的冷却液体温升而影响结构体温差导致热误差产生；切削液体有使用寿命问题，须定期更换，成本高等。

此外，也可利用红外线温度侦测，其是利用红外线的特性量测物体温度，但由于红外线量到的温度为相对温度而且是物体表面所散发出来的辐射热能量，若未搭配适当的温度计算单元，所量测的温度误差值将无法达到预期。另外，目前市售产品的红外线测温仪只能显示温度数值，尚无法对温度信号进行后处理。

因此，一种利用温度计算方法来侦测工具机加工时，工件因刀具高速切削而产生的高温，通过此温度计算所得到的温度信号来调整冷却流体的出风口方向、流量及温度对加工工件的高热区域进行热交换，以降低热误差的「加工恒温控制系统及利用其的方法」，便是相关技术领域着重的目标。

技术实现要素：

在一实施例中，本发明提出一种加工恒温控制系统，其包含：

一感测单元，用以感测一工件的温度分布状况；

一处理单元，与感测单元耦接，用以处理温度分布状况并求出一位于工件的一高热点位置；以及

至少一冷却单元，其包括：

一喷头，供冷却流体输出；

多个叶片，其角度可调整地设置于喷头，多个叶片与处理单元耦接，由处理单元控制多个叶片的角度，使冷却流体输出朝向高热点位置。

在另一实施例中，本发明提出一种加工恒温控制方法，其包含：

由一感测单元感测一工件的温度分布状况；

由一处理单元处理该温度分布状况并求出一位于该工件的高热点位置；以及

由该处理单元调整至少一冷却单元的叶片的角度，使冷却流体朝向该高热点位置输出。

附图说明

图1为本发明的加工恒温控制系统的架构示意图；

图2为本发明的加工恒温控制系统实施例的部分结构示意图；

图3为本发明的加工恒温控制系统的冷却单元实施例的结构示意图；

图4为本发明的加工恒温控制系统的温度感测器设置实施例示意图；

图5为本发明的加工恒温控制系统设置三个温度感测器的实施例示意图；

图6为本发明的加工恒温控制方法的流程图。

符号说明

100-加工恒温控制系统

10-感测单元

11-座体

111-第一面

12、s1～sn、s11、s12、s13-温度感测器

20-处理单元

21-微处理器

22-pid(比例-积分-微分)控制器

30-冷却单元

31-喷头

32-叶片

32a-第一叶片

32b-第二叶片

321a-第一马达

321b-第二马达

33-冷却机

34-节流阀

35-管体

40-工具机

41-主轴头部结构

50-刀具

60-工件

200-加工恒温控制方法

202～206-加工恒温控制方法的步骤

a-第一长度延伸方向

b-第二长度延伸方向

θ、θ1、θ2、θ3-角度

具体实施方式

请参阅图1及图2所示，本发明提出的加工恒温控制系统100，其包含一感测单元10、一处理单元20及至少一冷却单元30。于一工具机40上，利用刀具50对一工件60进行加工(例如切削、钻孔等等)，利用本发明的加工恒温控制系统100感测工件60于加工过程中的温度分布状况，并针对工件60的高热区域进行冷却，以达到加工恒温控制。

请参阅图2所示，感测单元10包括一座体11与多个温度感测器12。座体11具有一第一面111朝向工件60，温度感测器12设置于第一面111。座体11的形状与尺寸不限，温度感测器12的数量、设置位置不限，依实际所需设计，例如，视工件60的大小、切削范围而定，座体11可为一圆形、矩形或任意形状的板体，温度感测器12可环状、线性排列或阵列于座体11的第一面111上。温度感测器12可为红外线温度感测器或红外线显像仪其中之一或组合。温度感测器12的感测范围以能涵盖工件60整体为适当。利用感测单元10感测工件60的温度分布状况，将感测单元10架设在工具机40加工主轴头部结构41上，感测单元10可随着主轴头部结构41在加工时的移动而侦测工件60的加工温度。或者，也可将感测单元10固定在工具机40的一适当位置而不随着移动，只须考虑侦测加工区域面积足够即可。

请参阅图1所示，处理单元20与感测单元10耦接，处理单元20包括一微处理器21与一pid(比例-积分-微分)控制器22。微处理器21用以处理感测单元10所感测到的温度分布状况，并求出一位于工件60的一高热点位置，且输出一温度信号；pid(比例-积分-微分)控制器22用以根据温度信号控制冷却单元30。

请参阅图1至图3所示，冷却单元30包括一喷头31及多个叶片32。喷头31连接一冷却机33与一节流阀34。于冷却机33内设有冷却流体(液体或气体)，冷却流体可由喷头31输出。节流阀34用以调节由喷头31输出的冷却流体的流量。图2显示喷头31连接一可调整喷向的管体35，通过管体35可连接于冷却机33(未图示)与节流阀34(未图示)。

多个叶片32包括多个第一叶片32a与多个第二叶片32b。每一第一叶片32a具有一第一长度延伸方向a，多个第一叶片32a彼此以第一长度延伸方向a相互平行排列。每一第二叶片32b具有一第二长度延伸方向b，多个第二叶片32b彼此以第二长度延伸方向b相互平行排列，第二方向b举例与第一方向a相互垂直。多个第一叶片32a连接一第一马达321a，多个第二叶片32b连接一第二马达321b，第一马达321a与第二马达321b与处理单元20耦接。可由处理单元20分别控制第一马达321a与第二马达321b，进而由第一马达321a驱动多个第一叶片32a连动摆动，由第二马达321b驱动多个第二叶片32b连动摆动。

请参阅图4所示，说明本发明感测温度及进行温度运算的方法，求得多个感测器中最高区域的温度角度及方向。图4显示将n个温度感测器s1～sn举例呈环状等角度均分放置于一个平面象限中，可利用以下所定义的计算方法来找出温度最高点、最低点以及方向。

其中，以每个温度感测器s1～sn所量测到的温度值分别为t1、t2、t3、t4、t5、t6、…、tn-1、tn，利用温度感测器s1～sn对加工工件进行侦测，以各角度平均分配为考虑，每一感测器间的角度为360°除以n以进行温度运算：

经计算完的热区温度为：

t0＝ti-vx

利用数值计算找出vx与vy值，进而换算出角度θ的值与温度，而定位出较高、较低或特定起点的温度向量。温度运算方式决定后，接续决定最高(max)与对最低(min)温度的指向，最低温度的指向其实为最高温度的指向的反方向，如此即可定义求出最高温度的角度θ。

请参阅图4说明各参数的定义，其中：

ox为象限的x方向大小；

oy为象限的y方向大小；

t0为高温区域温度中心点的温度；

vx为最高温度的x夹角分量；

vy为最高温度的y夹角分量；

ti为高温区域各点的温度值。

请参阅图5所示，说明采用三个温度感测器以计算温度检测点的高温区域与指向。图5显示由三个温度感测器s11、s12、s13进行加工工件的温度量测，每个温度感测器s11、s12、s13所测到的温度分别为t1、t2、t3，将所检测到的温度进行计算，利用这3个温度感测器s11、s12、s13对加工工件进行侦测，若以各角度分配为考虑，每一感测器s11、s12、s13的角度θ1、θ2、θ3为随机，进行温度运算：(n＝3)

t0＝ti-vx

当θmax≤180°时，因此，θmin＝θmax+180°

当θmax＞180°时，因此，θmin＝θmax-180°

经由上述公式即可计算出高热点位置。值得说明的是，由于冷却流体所流经面积举例可涵盖+/-3公分的位置，因此计算出来的高热点位置误差只要在+/-3公分的距离内均可达到冷却的效果。

请参阅图1至图3所示，根据上述计算，由处理单元20的微处理器21处理感测单元10所感测到的温度分布状况，并求出一位于工件60的高热点位置及输出一温度信号，再由pid(比例-积分-微分)控制器22根据温度信号分别控制冷却单元30的第一马达321a与第二马达321b，进而控制第一叶片32a与第二叶片32b的摆动角度，使冷却流体可针对高热点位置输出。此外，由于喷头31连接于冷却机33与节流阀34，因此可由处理单元20根据高热点位置的温度，控制冷却机33以控制冷却流体的温度，以及，根据高热点位置的温度，控制节流阀34的电压，进而控制冷却流体的流量。

请参阅图6所示，根据以上所述，可归纳出利用本发明的加工恒温控制系统100的加工恒温控制方法，其流程200包括以下步骤：

步骤202：由感测单元10感测工件60的温度分布状况；

步骤204：由处理单元20处理温度分布状况并求出一位于工件60的高热点位置；以及

步骤206：由处理单元20调整冷却单元30的叶片32的角度，使冷却流体朝向该高热点位置输出。

综上所述，本发明所提供的加工恒温控制系统及利用其的方法，是利用温度计算方法来侦测工具机于加工时，工件因刀具高速切削而产生的高温，通过此温度计算所得到的温度信号来调整冷却流体的出风口方向、流量及温度对加工工件的高热点位置进行热交换，因此能有效检出切削高热区域、有效降低工件热温升及减少热误差、增加冷却流体喷流效率，而且不会影响结构温升变形。

值得强调说明的是，目前市售产品的红外线测温仪只能显示温度数值，尚无法对温度信号进行后处理。换言之，本案的感测单元并非只是单纯感测及显示温度数值，本案设有多个感测器与处理单元结合，经由处理单元分析并求出一高热点位置，并可针对该高热点位置的温度调整冷却单元的方向及冷却流体的流量及温度，而本发明的架构并未见于现有技术。

惟以上所述的具体实施例，仅是用于例释本发明的特点及功效，而非用于限定本发明的可实施范畴，于未脱离本发明上揭的精神与技术范畴下，任何运用本发明所揭示内容而完成的等效改变及修饰，均仍应为上述的权利要求所涵盖。