一种机床滚珠丝杠气体外冷却系统及其安装与冷却方法与流程

本发明属于机械技术领域，具体涉及一种机床滚珠丝杠气体外冷却系统及其安装与冷却方法。

背景技术：

现代制造业中的数控机床普遍以滚珠丝杠系统作为其进给传动机构，而随着制造业的发展，精密数控机床的加工效率愈来愈高，因此需要提高进给速度。数控机床在较大的切削负载作用下，随着进给系统速度的提高，丝杠系统摩擦加大，丝杠温升提高，热变形加重，定位精度降低，最终影响机床的加工精度。并且由温升引起的热误差在总误差中起到了主导作用，因此对滚珠丝杠系统的冷却是必要的。

目前对滚珠丝杠进给系统的冷却主要有整体冷却和局部冷却两种方法。整体冷却不能够针对系统的重点发热区域进行集中冷却，冷却效率较低，且浪费资源；局部冷却包括往空心丝杠的空心腔内通入冷却液进行强制冷却，还有在丝杠螺母或轴承座内加工冷却槽，并通入冷却液。然而空心丝杠的强度和使用寿命不如实心丝杠，不能代替实心丝杠普遍应用于机床中，在关键部件中加工冷却槽，也会破坏零部件原有的结构，影响其强度和寿命。

因此，有必要设计一种在不影响滚珠丝杠系统关键部件结构强度的情况下，能够对丝杠的重点发热区域进行局部冷却，且冷却效率高的气体外冷却设备。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种机床滚珠丝杠气体外冷却系统及其安装与冷却方法，在不需要改变原来丝杠系统结构的前提下，通过加装冷却装置的方式实现丝杠局部冷却。

本发明一种机床滚珠丝杠气体外冷却系统，包括第一喷气组、第二喷气组、检测装置、控制装置和制冷装置。所述的第一喷气组由设置在滚珠丝杠一侧的两个喷气装置组成；所述的第二喷气组由设置在滚珠丝杠另一侧的两个喷气装置组成。

所述的喷气装置包括高度及俯仰调节组件和朝向调节组件。所述的高度及俯仰调节组件包括调高固定架、调高活动架、调节块支座和第一紧定螺钉。所述的调高活动架与调高固定架可拆卸固定。所述的调节块支座与调高活动架构成转动副，且通过第一紧定螺钉固定。所述的朝向调节组件包括快速接头、气刀、第二紧定螺钉和角度调节块。所述的角度调节块与调节块支座构成转动副，且通过第二紧定螺钉固定。角度调节块与气刀固定。气刀上固定有快速接头。气刀的入气口与快速接头的出口连通。

所述的检测装置包括齿轮、霍尔式转速传感器和第二红外线测温传感器。所述的齿轮固定在滚珠丝杠的一端。所述的霍尔式转速传感器固定在床鞍上，且检测头朝向齿轮的轮齿部分。所述的第二红外线测温传感器固定在机床工作台上，且检测头朝向机床上滚珠丝杠与螺母座的连接处。

所述的制冷装置包括气压传感器、气泵、调压阀、储气罐、自控式流量阀、步进电机、换热器、涡流管、第一电磁阀和第二电磁阀。所述气泵的出气口与储气罐的入气口连通。储气罐的出气口与自控式流量阀的入气口连通。自控式流量阀的出气口与调压阀的入气口连通。调压阀的出气口与气压传感器的检测口连通。步进电机的输出轴与调压阀的调节旋钮固定。

所述的换热器包括箱体、液压阀、喷淋管、喷头和翅片式冷凝管。喷淋管设置在箱体内，且入液口通过液压阀与冷却液提供装置相连，出液口与喷头相连。翅片式冷凝管设置在喷头的下方。箱体底部开设的冷却液出口与冷却液回收装置相连。翅片式冷凝管的入口与调压阀的出气口相连。翅片式冷凝管的出口与涡流管的入气口连通。

所述涡流管的低温出气口与第一电磁阀及第二电磁阀的一个工作气口连通。第一电磁阀的另一个工作气口与第一喷气组内两个喷气装置的快速接头入口连通。第二电磁阀的另一个工作气口与第二喷气组内两个喷气装置的快速接头入口连通。

所述的控制装置与气压传感器、霍尔式转速传感器、第一红外线测温传感器、第二红外线测温传感器、自控式流量阀和步进电机相连。

进一步地，所述的调高固定架与机床工作台固定。

进一步地，本发明一种机床滚珠丝杠气体外冷却系统还包括第二手柄和第二手柄轴。所述的调高固定架上开设有调节孔组。调节孔组由k个调高螺纹孔组成，2≤k≤20。调高活动架通过螺栓与调节孔组内的调高螺纹孔固定。调高活动架呈u形。第二手柄轴与调高活动架构成转动副。第二手柄轴的内端与调节块支座固定，外端与第二手柄固定。调节块支座的端面上开设有第一圆弧槽。第一圆弧槽两侧壁的圆心轴线均与第二手柄轴的轴线重合。调高活动架上开设有第一紧定螺纹孔。第一紧定螺纹孔内设置有第一紧定螺钉。第一紧定螺钉抵紧第一圆弧槽。

进一步地，本发明一种机床滚珠丝杠气体外冷却系统还包括压板、第一手柄和第一手柄轴。所述调节块支座的侧面上开设有圆弧缺口。所述角度调节块的圆弧侧面与调节块支座上圆弧缺口的圆弧面接触。圆弧缺口的底面与角度调节块的底面接触。压板固定在调节块支座上。压板的底面与角度调节块的顶面接触。角度调节块的顶面上开设有第二圆弧槽。第二圆弧槽两侧壁的圆心轴线与角度调节块圆弧侧面的圆心轴线重合。压板顶面开设的螺纹通孔内设置有第二紧定螺钉。第二紧定螺钉抵紧第二圆弧槽。

进一步地，本发明一种机床滚珠丝杠气体外冷却系统还包括第一红外线测温传感器。所述的第一红外线测温传感器固定在床鞍上，且检测头朝向滚珠丝杠与床鞍的连接处。

进一步地，所述涡流管的高温出气口与外界环境连通。

进一步地，所述的控制装置包括d/a转换器、单片机和a/d转换器。a/d转换器的四个模拟量输入接口与气压传感器、霍尔式转速传感器、第一红外线测温传感器、第二红外线测温传感器的信号线分别相连。a/d转换器的数字量输出接口与单片机的第一i/o口相连。单片机的第二i/o口与d/a转换器的数字量输入接口相连。d/a转换器的模拟量输出接口与自控式流量阀的控制端相连。单片机与步进电机的信号线相连。

该机床滚珠丝杠气体外冷却系统的安装方法具体如下：

步骤一、拆开四个喷气装置内固定调高固定架与调高活动架，并调节调高固定架与调高活动架的相对位置。之后固定四个喷气装置内固定调高固定架与调高活动架。

步骤二、松开四个喷气装置内的第一紧定螺钉；转动调节调节块支座，进而调节气刀的俯仰角。松开四个喷气装置内的第二紧定螺钉；转动角度调节块，进而调节气刀的水平角；使得四个调节块支座、调高活动架所构成转动副的公共轴线与滚珠丝杠轴线的水平距离均为40～100mm，竖直距离均为40～120mm，气刀的喷气方向在水平面上的投影与垂直滚珠丝杠轴线的平面所成角大小等于滚珠丝杠的螺旋升角大小。

经步骤二调整后，四个气刀的喷气方向在垂直滚珠丝杠轴线平面上的投影分别与经过对应气刀出气口且相切于滚珠丝杠外圆周的平面成θ+α°夹角，θ为气刀的喷射夹角，θ的值取22°，α为气流扩散角，α的值在滚珠丝杠直径小于或等于36mm的情况下取10°，在滚珠丝杠直径大于或等于50mm的情况下取12.5°，在滚珠丝杠直径大于36mm且小于50mm的情况下取11°至12.5°之间的一个值。

该机床滚珠丝杠气体外冷却系统的冷却方法具体如下：

步骤一、气泵启动，储气罐内的气体经自控式流量阀、调压阀后进入翅片式冷凝管；喷头喷出的冷却液使得翅片式冷凝管的温度降低。翅片式冷凝管输出的气体经涡流管的入气口进入涡流管并在涡流管内分为高温气体和低温气体。低温气体经低温出气口输出到第一电磁阀及第二电磁阀处。

步骤二、霍尔式转速传感器检测滚珠丝杠的转向。若滚珠丝杠的正转，单片机控制第一电磁阀通电。第一喷气组内两个喷气装置喷出气体，使得喷出气体的喷气装置的喷气方向与滚珠丝杠外圆周在相切于平面a处的线速度方向所构成的角为钝角。平面a相切于滚珠丝杠外圆周的平面，且与喷出气体的两个气刀的喷气方向成θ+α夹角，θ为气刀的喷射夹角，θ的值取22°，α为气流扩散角，α的值在滚珠丝杠直径小于或等于36mm的情况下取10°，在滚珠丝杠直径大于或等于50mm的情况下取12.5°，在滚珠丝杠直径大于36mm且小于50mm的情况下取11°至12.5°之间的一个值。

若滚珠丝杠的反转，单片机控制第二电磁阀通电。第二喷气组内两个喷气装置喷出气体，使得喷出气体的喷气装置的喷气方向与滚珠丝杠外圆周在相切于平面b处的线速度方向所构成的角为钝角。平面b相切于滚珠丝杠外圆周，且与喷出气体的两个气刀的喷气方向成θ+α夹角。

步骤三、若第二红外线测温传感器检测到滚珠丝杠与螺母座连接处的温度高于a，22℃≤a≤40℃。则自控式流量阀控制气流量增大，步进电机正转，进而转动调压阀的调节旋钮，使得调压阀出口的气压增大。由于气压增大，使得涡流管输出的低温气体温度降低。由于气流量增大，喷气装置的喷气量增大；冷却效率提升，滚珠丝杠的温度下降。

若第二红外线测温传感器检测到滚珠丝杠与螺母座连接处的温度低于b，15℃≤b＜22℃。则自控式流量阀控制气流量减小，步进电机反转，进而转动调压阀的调节旋钮，使得调压阀出口的气压减小。由于气压减小，使得涡流管输出的低温气体温度升高。由于气流量减小，喷气装置的喷气量减小；冷却效率降低。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明通过加装冷却装置进行冷却，不需要破坏机床原有的零部件结构，且具有可拆装的特点。

2、本发明能够适应于不同规格的滚珠丝杠，并且调整比较方便，满足多元化的需求。

3、本发明结构简单，制造成本较低，冷却介质为气体，因此节能环保。

4、本发明针对重点发热区域冷却，冷却效率高。

5、本发明喷气方向可调节，进一步提升了冷却效率。

6、本发明冷却介质的流量可控，进一步降低了消耗。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中喷气装置固定在机床工作台上的示意图；

图3为本发明中喷气装置与机床床鞍相对位置的示意图；

图4为本发明中喷气装置的立体图；

图5为本发明中高度及俯仰调节组件的装配示意图；

图6为本发明的高度及俯仰调节组件的爆炸图；

图7为本发明中朝向调节组件的装配示意图；

图8为本发明中气刀与滚珠丝杠相对位置的示意图；

图9为针对36mm滚珠丝杠的冷却效果模拟结果折线图；

图10为针对50mm滚珠丝杠的冷却效果模拟结果折线图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1、2和3所示，一种机床滚珠丝杠气体外冷却系统，包括第一喷气组24、第二喷气组25、检测装置、控制装置和制冷装置。第一喷气组24由设置在滚珠丝杠17一侧的两个喷气装置15组成，第二喷气组25由设置在滚珠丝杠17另一侧的两个喷气装置15组成。

如图4、5、6和7所示，喷气装置15包括高度及俯仰调节组件和朝向调节组件。高度及俯仰调节组件包括调高固定架1、调高活动架6、调节块支座11、第二手柄12、第二手柄轴13和第一紧定螺钉14。调高固定架1与机床工作台19固定；机床工作台19固定在螺母座16上。螺母座16通过螺母与支承在床鞍18上的滚珠丝杠17构成螺旋副。调高固定架1上开设有两个调节孔组。调节孔组由在同一直线上等距设置的五个调高螺纹孔组成。调高活动架6通过螺栓与调节孔组内的调高螺纹孔固定。调高活动架6与不同调高螺纹孔固定时，自身的高度随之改变。调高活动架6呈u形。同轴设置的两根第二手柄轴13均与调高活动架6构成转动副。两根第二手柄轴13的内端均与调节块支座11固定，外端与两个第二手柄12分别固定。调节块支座11的两端端面上均开设有第一圆弧槽。第一圆弧槽两侧壁的圆心轴线均与第二手柄轴13的轴线重合。调高活动架6的两外侧面上均开设有第一紧定螺纹孔。第一紧定螺纹孔内设置有第一紧定螺钉14。调高活动架6两外侧面上的第一紧定螺钉分别抵紧两个第一圆弧槽。调节块支座11的侧面上开设有圆弧缺口。

如图4和7所示，朝向调节组件包括气刀座2、快速接头3、气刀4、压板5、第一手柄7、第一手柄轴8、第二紧定螺钉9和角度调节块10。角度调节块10的圆弧侧面与调节块支座11上圆弧缺口的圆弧面接触，并能够相对滑动。圆弧缺口的底面与角度调节块10的底面接触。压板5固定在调节块支座11上。压板5的底面与角度调节块10的顶面接触。角度调节块10的顶面上开设有两个第二圆弧槽。两个第二圆弧槽两侧壁的圆心轴线均与角度调节块10圆弧侧面的圆心轴线重合。压板5顶面开设的两个第二螺纹孔内均设置有第二紧定螺钉9。两个第二紧定螺钉分别抵紧两个第二圆弧槽。气刀座2与角度调节块10固定。气刀4固定在气刀座2上。气刀4上固定有快速接头3。气刀4的入气口与快速接头3的出口连通。

如图1所示，检测装置包括齿轮20、霍尔式转速传感器21、第一红外线测温传感器22和第二红外线测温传感器23。齿轮20固定在滚珠丝杠的一端。霍尔式转速传感器21固定在床鞍上，且检测头朝向齿轮20的轮齿部分。第一红外线测温传感器22固定在床鞍上，且检测头朝向滚珠丝杠17与床鞍的连接处。第二红外线测温传感器23固定在机床工作台上，且检测头朝向滚珠丝杠17与螺母座16的连接处。

制冷装置包括气压传感器35、气泵36、调压阀37、储气罐38、连接件39、联轴器40、自控式流量阀41、步进电机42、换热器、涡流管29、第一电磁阀26和第二电磁阀27。气泵36的出气口与储气罐38的入气口连通。储气罐38的出气口与自控式流量阀41的入气口连通。自控式流量阀41的出气口与调压阀37的入气口连通。调压阀37的出气口与气压传感器35的检测口连通。步进电机42的输出轴通过联轴器40与连接件39的一端固定。连接器的另一端与调压阀37的调节旋钮固定。

换热器包括箱体32、液压阀30、喷淋管31、喷头33和翅片式冷凝管34。喷淋管31设置在箱体32内，且入液口通过液压阀30与冷却液提供装置相连，出液口与喷头33相连。翅片式冷凝管34设置在喷头33的下方。箱体32底部开设的冷却液出口与冷却液回收装置相连。翅片式冷凝管34的入口与调压阀37的出气口相连。翅片式冷凝管34的出口与涡流管29的入气口连通。

涡流管29的高温出气口与外界环境连通，低温出气口与第一电磁阀26及第二电磁阀27的一个工作气口连通。第一电磁阀26的另一个工作气口与第一喷气组内两个喷气装置的快速接头3入口连通。第二电磁阀27的另一个工作气口与第二喷气组内两个喷气装置的快速接头3入口连通。

控制装置包括d/a转换器43、单片机44和a/d转换器28。a/d转换器28的四个模拟量输入接口与气压传感器35、霍尔式转速传感器21、第一红外线测温传感器22、第二红外线测温传感器23的信号线分别相连。a/d转换器28的数字量输出接口与单片机44的第一i/o口相连。单片机44的第二i/o口与d/a转换器43的数字量输入接口相连。d/a转换器43的模拟量输出接口与自控式流量阀41的控制端相连。单片机44与步进电机42的信号线相连。

该机床滚珠丝杠气体外冷却系统的安装方法具体如下：

步骤一、拆开四个喷气装置15内固定调高固定架1与调高活动架6的螺栓，并调节调高固定架1与调高活动架6的相对位置。之后用螺栓固定四个喷气装置15内固定调高固定架1与调高活动架6。

步骤二、如图8所示，松开四个喷气装置15内的第一紧定螺钉；转动调节调节块支座11，进而调节气刀4的俯仰角。松开四个喷气装置15内的第二紧定螺钉；转动角度调节块10，进而调节气刀4的水平角。使得四根第二手柄轴轴线与滚珠丝杠轴线的水平距离均为60mm，竖直距离均为70mm，气刀4的喷气方向在水平面上的投影与垂直滚珠丝杠17轴线的平面所成角大小等于滚珠丝杠17的螺旋升角大小；四个气刀4的喷气方向在垂直滚珠丝杠17轴线平面上的投影分别与经过对应气刀4出气口且相切于滚珠丝杠外圆周的平面s成θ+α°夹角，θ为气刀4的喷射夹角，θ的值取22°，α为气流扩散角，即气刀4喷出的气流外边沿与对应平面s所成角，α的值在滚珠丝杠直径小于或等于36mm的情况下取10°，在滚珠丝杠直径大于或等于50mm的情况下取12.5°，在滚珠丝杠直径大于36mm且小于50mm的情况下取11°至12.5°之间的一个值。

由于中高转速机床中所用滚珠丝杠以直径36mm和直径50mm为主，故针对直径36mm及直径50mm滚珠丝杠进行冷却效果模拟。直径36mm滚珠丝杠的常用工作转速为1000～2000转，故直径36mm滚珠丝杠的冷却效果模拟针对1000转及2000转的转速分别进行。直径50mm滚珠丝杠的常用工作转速为2000～6000转，故直径50mm滚珠丝杠的冷却效果模拟针对2000转及6000转的转速分别进行。模拟方式采用有限元分析软件ansys进行模拟计算。模拟结果为平均输入换热系数与气流扩散角之间的关系折线图。

直径36mm滚珠丝杠在转速1000转或2000转的情况下，平均输入换热系数y与气流扩散角α之间的关系如图9所示，从图中可以看出，气流扩散角取10°时，平均输入换热系数达到最大值。此时，冷却效果最佳。

直径50mm滚珠丝杠在转速2000转或6000转的情冷况下，平均输入换热系数y与气流扩散角α之间的关系如图10所示，从图中可以看出，气流扩散角取12.5°时，平均输入换热系数达到最大值。此时，冷却效果最佳。

该机床滚珠丝杠气体外冷却系统的冷却方法具体如下：

步骤一、气泵36启动，储气罐38内的气体经自控式流量阀41、调压阀37后进入翅片式冷凝管；冷却液提供装置提供的冷却液经喷淋管31上的喷头33喷出。冷却液使得翅片式冷凝管34的温度降低，实现气流的预冷却。翅片式冷凝管输出的气体经涡流管29的入气口进入涡流管29并在涡流管29内分为高温气体和低温气体。高温气体经涡流管29的高温出气口进入外界环境，低温气体经低温出气口输出到第一电磁阀26及第二电磁阀27处。

步骤二、霍尔式转速传感器21检测滚珠丝杠的转向。若滚珠丝杠的正转，单片机44控制第一电磁阀26通电。第一喷气组24内两个喷气装置15喷出气体，使得喷出气体的喷气装置15的喷气方向与滚珠丝杠外圆周在相切于平面a处的线速度方向所构成的角为钝角。平面a相切于滚珠丝杠外圆周的平面，且与喷出气体的两个气刀4的喷气方向成θ+α夹角，θ为气刀4的喷射夹角，θ的值取22°，α为气流扩散角，α的值在滚珠丝杠直径小于或等于36mm的情况下取10°，在滚珠丝杠直径大于或等于50mm的情况下取12.5°，在滚珠丝杠直径大于36mm且小于50mm的情况下取11°。

若滚珠丝杠的反转，单片机44控制第二电磁阀27通电。第二喷气组25内两个喷气装置15喷出气体，使得喷出气体的喷气装置15的喷气方向与滚珠丝杠外圆周在相切于平面b处的线速度方向所构成的角为钝角。平面b相切于滚珠丝杠外圆周，且与喷出气体的两个气刀4的喷气方向成θ+α夹角。

步骤三、若第二红外线测温传感器23检测到滚珠丝杠17与螺母座16连接处的温度高于a，a的值取25℃。则自控式流量阀41控制气流量增大，步进电机42正转，进而转动调压阀37的调节旋钮，使得调压阀37出口的气压增大。由于气压增大，使得涡流管29输出的低温气体温度降低。由于气流量增大，喷气装置15的喷气量增大；冷却效率提升，滚珠丝杠的温度下降。

若第二红外线测温传感器23检测到滚珠丝杠17与螺母座16连接处的温度底部b，b的值取20℃。则自控式流量阀41控制气流量减小，步进电机42反转，进而转动调压阀37的调节旋钮，使得调压阀37出口的气压减小。由于气压减小，使得涡流管29输出的低温气体温度升高。由于气流量减小，喷气装置15的喷气量减小；冷却效率降低。