专利名称：一种精密机床温度场主动控制系统及方法
技术领域：
本发明涉及数控机床技术领域，特别是一种精密机床温度场主动控制系统及方法。
背景技术：
近年来，我国制造业的迅猛发展对高档数控机床加工性能、综合精度水平提出了越来越高的要求，使得机床热平衡设计与热动特性研究成为保证高档数控机床高精度和高精度保持性的重要因素。研究表明，在精密及超精密数控机床的加工中，由热效应引起的机床误差一般占到综合误差的40%-70%左右。如何有效改善热特性，最大限度降低机床热误差，已成为我国制造业中亟待解决的一大关键性技术问题，将对我国高档数控装备自主设计制造能力的提高产生深远影响。传统的精密数控机床热误差补偿模式主要是通过机床数控系统预留的温度传感器 接口导入实时的热敏感部位的温度测量值，并事先将补偿模型内嵌至数控系统中来实现，或者利用数控系统提供的坐标偏置技术来实现，都采取了根据温度传感器的检测值被动地采取补偿措施，来降低温度对机床加工精度的影响，不能主动控制机床热敏感部位的温度的变化，来保证加工精度，难以全面有效地降低热效应对机床精度的影响。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种基于主动温度控制策略的精密机床温度场主动控制系统及方法。本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是:一种精密机床温度场主动控制系统，包括信号采集系统、分层独立多点温控系统和内设温度场主动控制策略程序的温度场主动控制策略平台，所述信号采集系统包括设置在机床上的温度传感器和应力传感器；所述分层独立多点温控系统，接收来自所述温度场主动控制策略平台的信号，控制驱动其执行元件实现对机床各部位的分层独立温度控制；所述温度场主动控制策略平台，接收来自信号采集系统的信号，并运行所述温度场主动控制策略程序，输出策略指令信号至所述分层独立多点温控系统。所述分层独立多点温控系统，包括两组冷却循环干路、分别与每组冷却循环干路相连的多组冷却循环支路以及控制系统，所述两组冷却循环干路输出不同温度冷却液，每组所述冷却循环干路包括一台冷却循环机和一台循环泵，所述冷却循环机设有冷却液输出温度检测装置和液位检测装置，每组所述冷却循环支路包括一个独立调温箱、流经热负载的冷却管路、一组输入电磁阀组和一组输出电磁阀组，所述独立调温箱的输入口通过所述输入电磁阀组分别与所述的两组冷却循环干路的输出口相连，所述独立调温箱的输出口与所述冷却管路的输入口相连，所述冷却管路的输出口通过所述输出电磁阀组分别与所述的两组冷却循环干路的输入口相连，所述控制系统控制所述输入电磁阀组和所述输出电磁阀组工作，使每组所述冷却循环支路同时只与一组所述冷却循环干路连通。
所述每个独立调温箱设有与所述控制系统相连的分控制单元，所述分控制单元包括温度传感器和温度显示器，所述温度传感器检测所述独立调温箱的输出口温度，所述温度显示器显示所述独立调温箱的输出口温度。所述每个独立调温箱的输出口设有离心增压泵，用于增压输出冷却循环液。所述冷却循环机设有温度上限、温度下限、高液位以及低液位的报警装置。所述冷却管路包括自由安装式换热板，所述换热板通过磁铁块接触固定在机床热敏感控制点处，其外侧覆盖绝热盖板。本发明还提供了一种精密机床温度场主动控制方法，包括如下步骤:步骤一，分析精密机床的温升敏感点、热应力敏感点和热敏感控制点分布状态，在温升敏感点和热敏感控制点处设置温度传感器，在热应力敏感点处设置应力传感器，构建信号采集系统；步骤二，构建精密机床的温度场主动控制策略函数，并编制温度场主动控制策略程序；步骤三，所述温度场主动控制策略平台输入来自所述信号采集系统信号，运行所述温度场主动控制策略程序，输出温度控制策略指令信号至所述分层独立多点温控系统，对整机温度场主动进行温度控制。所述步骤一，通过利用有限元软件对在工况条件下精密机床的温升、热应力以及热变形状态进行仿真，分析精密机床的温升敏感点、热应力敏感点和热敏感控制点分布状态。所述步骤二，利用有限元软件，进行工况条件下精密机床的温升、热变形以及热应力的仿真分析，在精密机床温升敏感点和热敏感控制点处的温度参数以及热应力敏感点处的应力参数，与所述独立调温 箱的输出冷却液温度之间构造映射关系样本集合，并基于该样本集合，利用系统辨识方法，得到精密机床的温度场主动控制策略函数。本发明具有的优点和积极效果是:分析精密机床的温升敏感点、热应力敏感点和热敏感控制点分布状态，在温升敏感点、热敏感控制点设置温度传感器，在热应力敏感点安装应力传感器，可实时反映精密机床热特性的变化状况；分层独立多点温控系统设置独立调温箱，可根据温度场主动控制策略程序指令对独立调温箱的输出冷却液温度进行控制，从而达到灵活控制精密机床温度场的目的；自由安装式换热板装置于整机热敏感控制点，通过控制该部位温度以最有效地控制精密机床温度场和末端热变形误差；基于机床热源部位热特性的实时监测与反馈，驱动温度场主动控制策略程序，输出策略指令信号至所述分层独立多点温控系统，对精密机床温度场及热变形的实时控制，具有准确性及鲁棒性，能够主动控制机床热敏感部位的温度的变化，实现综合误差控制，提高加工精度。
图1为精密机床温度场主动控制系统结构示意图；图2为精密机床温度场主动控制方法流程示意图；图3为精密机床温度场主动控制系统的分层独立多点温控系统的结构示意图；图4为精密机床温度场主动控制系统的自由安装式换热板的结构示意图。图中:1、控制系统；2、变频器；3_1、第一循环泵；3_2、第二循环泵；4_1、第一冷却循环机；4-2、第二冷却循环机；5-1、第一压力传感器；5-2、第二压力传感器；6、输入电磁阀组；7、输出电磁阀组；8、独立调温箱；9、冷却管路；10、离心增压泵；11、分控制单元；12、换热板；13、铜管；14、磁铁块；15、绝热盖板。
具体实施例方式为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下:请参阅图1 图4，一种精密机床温度场主动控制系统，包括信号采集系统、分层独立多点温控系统和内设温度场主动控制策略程序的温度场主动控制策略平台，所述信号采集系统包括设置在机床上的温度传感器和应力传感器；所述分层独立多点温控系统，接收来自所述温度场主动控制策略平台的信号，控制驱动其执行元件实现对机床各部位的分层独立温度控制；所述温度场主动控制策略平台，接收来自信号采集系统的信号，并运行所述温度场主动控制策略程序，输出策略指令信号至所述分层独立多点温控系统。所述分层独立多点温控系统，可包括两组冷却循环干路、分别与每组冷却循环干路相连的多组冷却循环支路以及控制系统1，所述两组冷却循环干路输出不同温度冷却液，每组所述冷却循环干路包括一台冷却循环机和一台循环泵，所述冷却循环机设有冷却液输出温度检测装置和液位检测装置，如图3所示，其中一组冷却循环干路为高温冷却循环干路，包括一台输出冷却液温度范围为5 35度的第一冷却循环机3-1以及第一循环泵4-1 ；另外一组冷却循环干路为低温冷却循环干路，包括一台输出冷却液温度范围为5 35度的第二冷却循环机3-2以及第二循环泵4-2 ;每组所述冷却循环支路包括一个独立调温箱8、流经热负载的冷却管路9、一组输入电磁阀组6和一组输出电磁阀组7，所述独立调温箱8的输入口通过所述输入电磁阀组6分别与所述的两组冷却循环干路的输出口相连，所述独立调温箱8的输出口与所述冷却管路9的输入口相连，所述冷却管路9的输出口通过所述输出电磁阀组7分别与所述的两组冷却循环干路的输入口相连，所述控制系统I控制所述输入电磁阀组6和所述输出电磁阀组7工作，使每组所述冷却循环支路同时只与一组所述冷却循环干路连通。·其中，输入电磁阀组6可由2个独立的电磁阀组成，也可以由集成阀组成，包括具有二位三通换向以及流量控制等组合功能的电磁集成阀，能够控制冷却循环干路的冷却液输出口与每个独立调温箱输入口之间的连通或断开，连通时还可以进一步控制流量等，通过控制系统1，控制独立电磁阀或集成阀的通断，以及通过逻辑电路或PLC等控制器的程序设置，控制相应的驱动阀芯的电磁阀电磁铁，使位于同一冷却循环支路的驱动电磁铁动作关联及互锁，实现冷却液循环时，单位时间内由一台冷却循环机流入独立调温箱的循环液流量与流回该冷却循环机的循环液流量相等，实现回流合理分配，避免两台冷却循环机回流不均而导致的溢出或液位不足。所述每个独立调温箱8可设有与所述控制系统I相连的分控制单元11，所述分控制单元11包括温度传感器和温度显示器，所述温度传感器检测所述独立调温箱8的输出口温度，所述温度显示器显示所述独立调温箱8的输出口温度。可对每个所述独立调温箱8的输出口温度设定目标值，控制所述输入电磁阀组6的通断时间以保证高\低温冷却液混合比例，对所述独立调温箱8的输出冷却液温度进行闭环控制。所述每个独立调温箱8的输出口可设有离心增压泵10，离心增压泵10与所述冷却管路9的输入口相连，用于增压输出冷却循环液至冷却管路9。所述控制系统I可包括变频器2和检测冷却循环干路输出冷却液压力的压力传感器，如图3所示，其中第一压力传感器5-1检测高温冷却循环干路输出的冷却液压力，第二压力传感器5-2检测低温冷却循环干路输出的冷却液压力，所述控制系统I可根据所述压力传感器的压力检测值，控制所述变频器2变频驱动所述循环泵，其中，每台循环泵需要一个变频器变频驱动，使得所述两台循环泵的输出压力一致，即第一循环泵4-1和第二循环泵4-2的输出冷却液压力一致。所述冷却循环机可设有温度上限、温度下限、高液位以及低液位的报警装置。所述冷却管路9可包括自由安装式换热板12，自由安装式换热板12布置于机床热敏感控制点处，自由安装式换热板12输入口与所述独立调温箱8的输出口相连，通过独立调温箱8的闭环控制达到控制热误差的目的。其中，自由安装式换热板，可通过在铜质换热板12上装置铜管13，铜管13输入口与独立调温箱8的输出口相连，铜管13输出口与回液槽连通。铜质控温板12与机床表面通过磁铁块14接触并固定，以实现工况下铜管13内循环冷却液与机床金属表面热交换，达到控制机床温度场、继而控制热变形的目的，换热板外侧以绝热盖板15覆盖。本发明还提供了一种精密机床温度场主动控制方法实施例，包括如下步骤:首先，分析精密机床的温升敏感点、热应力敏感点和热敏感控制点分布状态，所述温升敏感点为机床工作状态下温升最大的部位，通常位于机床主要内生热源附近；所述热应力敏感点为机床工作状态下热应力最大的部位，通常位于机床结构温升明显且变形受约束部位；所述热敏感控制点为机床工作状态下温度变化对机床末端精度影响最大的部位，通常位于机床结构刚度薄弱部位，在温升敏感点和热敏感控制点处设置温度传感器，如热电阻传感器等，可嵌入或内置安装；在热应力敏感点处设置应力传感器，如应变片等，并构建信号采集系统；利用安装在温升敏感点和热敏感控制点处的热电阻温度传感器等温度传感器实时测量精密机床的温度，利用装在热应力敏感点处的应变片等应力传感器实时测量精密机床的热应力；可通过利用有限元软件对在工况条件下精密机床的温升、热变形以及热应力状态进行仿真，或者其他方式，来分析精密机床的温升敏感点、热应力敏感点和热敏感控制点分布状态。其次，构建精密机床的温度场主动控制策略函数，并编制温度场主动控制策略程序。可利用有限元软件，进行工况条件下精密机床的温升、热变形以及热应力的仿真分析，在u个精密机床温升敏感点和热敏感控制点处的温度参数[ty t2,…，tu]以及V个热应力敏感点处的应力参数[R1, R2,…，Rv]，与所述w个独立调温箱的输出冷却液温度[T1, T2,…，Tw]之间构造映射关系样本集合，并基于该样本集合，利 用系统辨识方法，得到精密机床的温度场主动控制策略函数，[T1, T2,…，TJ =f ([t1； t2,…，tj，[R1, R2,…，RJ)。步骤三，所述温度场主动控制策略平台输入来自所述信号采集系统信号，运行所述温度场主动控制策略程序，输出温度控制策略指令信号至所述分层独立多点温控系统，对整机温度场主动进行温度控制，信号采集系统将温度和应力检测信号传输到温度场主动控制策略平台，温度场主动控制策略平台还从精密机床数控系统中实时读取工况参数，通过运行所述温度场主动控制策略程序，输出温度控制策略指令信号至所述分层独立多点温控系统，对整机温度场主动进行温度控制主动进行温度控制。尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式
，上述的具体实施方式
仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于·本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种精密机床温度场主动控制系统，其特征在于，包括信号采集系统、分层独立多点温控系统和内设温度场主动控制策略程序的温度场主动控制策略平台，所述信号采集系统包括设置在机床上的温度传感器和应力传感器；所述分层独立多点温控系统，接收来自所述温度场主动控制策略平台的信号，控制驱动其执行元件实现对机床各部位的分层独立温度控制；所述温度场主动控制策略平台，接收来自信号采集系统的信号，并运行所述温度场主动控制策略程序，输出策略指令信号至所述分层独立多点温控系统。
2.根据权利要求1所述的精密机床温度场主动控制系统，其特征在于，所述分层独立多点温控系统，包括两组冷却循环干路、分别与每组冷却循环干路相连的多组冷却循环支路以及控制系统，所述两组冷却循环干路输出不同温度冷却液，每组所述冷却循环干路包括一台冷却循环机和一台循环泵，所述冷却循环机设有冷却液输出温度检测装置和液位检测装置，每组所述冷却循环支路包括一个独立调温箱、流经热负载的冷却管路、一组输入电磁阀组和一组输出电磁阀组，所述独立调温箱的输入口通过所述输入电磁阀组分别与所述的两组冷却循环干路的输出口相连，所述独立调温箱的输出口与所述冷却管路的输入口相连，所述冷却管路的输出口通过所述输出电磁阀组分别与所述的两组冷却循环干路的输入口相连，所述控制系统控制所述输入电磁阀组和所述输出电磁阀组工作，使每组所述冷却循环支路同时只与一组所述冷却循环干路连通。
3.根据权利要求2所述的精密机床温度场主动控制系统，其特征在于，所述每个独立调温箱设有与所述控制系统相连的分控制单元，所述分控制单元包括温度传感器和温度显示器，所述温度传感器检测所述独立调温箱的输出口温度，所述温度显示器显示所述独立调温箱的输出口温度。
4.根据权利要求2或3所述的精密机床温度场主动控制系统，其特征在于，所述每个独立调温箱的输出口设有离心增压泵，用于增压输出冷却循环液。
5.根据权利要求2或3所述的精密机床温度场主动控制系统，其特征在于，所述冷却循环机设有温度上限、温度下限、高液位以及低液位的报警装置。
6.根据权利要求2或3所述的精密机床温度场主动控制系统，其特征在于，所述冷却管路包括自由安装式换热板，所 述换热板通过磁铁块接触固定在机床热敏感控制点处，其外侧覆盖绝热盖板。
7.一种精密机床温度场主动控制方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤一，分析精密机床的温升敏感点、热应力敏感点和热敏感控制点分布状态，在温升敏感点和热敏感控制点处设置温度传感器，在热应力敏感点处设置应力传感器，构建信号米集系统； 步骤二，构建精密机床的温度场主动控制策略函数，并编制温度场主动控制策略程序; 步骤三，所述温度场主动控制策略平台输入来自所述信号采集系统信号，运行所述温度场主动控制策略程序，输出温度控制策略指令信号至所述分层独立多点温控系统，对整机温度场主动进行温度控制。
8.根据权利要求7所述的精密机床温度场主动控制方法，其特征在于，所述步骤一，通过利用有限元软件对在工况条件下精密机床的温升、热变形以及热应力状态进行仿真，分析精密机床的温升敏感点、热应力敏感点和热敏感控制点分布状态。
9.根据权利要求7所述的精密机床温度场主动控制方法，其特征在于，所述步骤二，利用有限元软件，进行工况条件下精密机床的温升、热变形以及热应力的仿真分析，在精密机床温升敏感点和热敏感控制点处的温度参数以及热应力敏感点处的应力或应变参数，与所述独立调温箱的输出冷却液温度之间构造映射关系样本集合，并基于该样本集合，利用系统辨识方法，得到精 密机床的温度场主动控制策略函数。
全文摘要
本发明公开了一种精密机床温度场主动控制系统及方法，其中系统包括信号采集系统、分层独立多点温控系统和内设温度场主动控制策略程序的温度场主动控制策略平台，所述信号采集系统包括设置在机床上的温度传感器和应力传感器；所述分层独立多点温控系统，接收来自所述温度场主动控制策略平台的信号，控制驱动其执行元件实现对机床各部位的分层独立温度控制；所述温度场主动控制策略平台，接收来自信号采集系统的信号，并运行所述温度场主动控制策略程序，输出策略指令信号至所述分层独立多点温控系统。本发明还公开了精密机床温度场主动控制方法。本发明能够主动控制机床热敏感部位的温度的变化，实现综合误差控制，提高加工精度。
文档编号G05B19/406GK103235613SQ20131011553
公开日2013年8月7日 申请日期2013年4月3日 优先权日2013年4月3日
发明者高卫国, 刘腾, 张大卫, 孙振宏, 王羽, 付煜清 申请人:天津大学