一种雕刻机水冷主轴温度控制系统及控制方法与流程

本发明涉及一种主轴冷却系统，涉及一种雕刻机水冷主轴温度控制系统及控制方法。

背景技术：

大量研究表明，在影响数控机床加工精度的诸多因素中，热误差占机床误差的40%~70%。而主轴则是主要的发热源之一。目前大多数的雕刻机机床的主轴都采用水冷主轴。雕刻机水冷主轴长期工作在高温状态下不仅会缩短水冷主轴的寿命，而且水冷主轴因温度变化产生的收缩会严重影响雕刻机的加工精度。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种雕刻机水冷主轴温度控制系统及控制方法，本发明系统不仅结构合理、简单，而且温度控制精确、冷却效果高效、维护管理便捷。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种雕刻机水冷主轴温度控制系统，包括水冷主轴、第一连接管、散热水排、第二连接管、水箱、第三连接管、电子流量计、第四连接管、循环水泵、第五连接管、散热模块、半导体制冷片、控制系统、温度传感器和电源模块；所述水冷主轴的出口通过第一连接管与所述散热水排入口相连，所述散热水排出口通过第二连接管与所述水箱入口相连，所述水箱出口通过第三连接管与所述电子流量计入口相连，所述电子流量计出口通过第四连接管与所述循环水泵入口相连，所述循环水泵出口通过第五连接管与水冷主轴入口相连，所述控制系统与所述半导体制冷片、温度传感器、电子流量计连接，所述电源模块用于为散热模块、半导体制冷片、控制系统、电子流量计、循环水泵提供电能。

在本发明一实施例中，所述控制系统包括单片机及与该单片机连接的复位电路、晶振电路、按键电路、半导体制冷片驱动电路、LCD显示电路、报警电路；所述按键电路包括四个按键，分别为功能键、数字加键、数字减键和确定键

在本发明一实施例中，所述单片机采用STM32F103C8T6芯片。

在本发明一实施例中，所述半导体制冷片驱动电路包括第一至第四固态继电器，第一固态继电器的第一输入端、第四固态继电器的第一输入端相连接至STM32F103C8T6芯片的PA9引脚，第二固态继电器的第一输入端、第三固态继电器的第一输入端相连接至STM32F103C8T6芯片的PA8引脚，第一固态继电器的第一输出端、第二固态继电器的第一输出端相连接至15V电源端，第一固态继电器的第二输出端、第三固态继电器的第一输出端相连接至所述半导体制冷片的第一端，第二固态继电器的第二输出端、第四固态继电器的第一输出端相连接至所述半导体制冷片的第二端，第一至第四固态继电器的第二输入端、第三固态继电器的第二输出端、第四固态继电器的第二输出端均连接至GND端。

在本发明一实施例中，所述散热模块包括散热风扇和铝材散热片。

在本发明一实施例中，所述半导体制冷片安装于所述散热模块上方。

在本发明一实施例中，所述电子流量计用于检测从水箱流出的冷却液是否正常循环。

在本发明一实施例中，所述温度传感器安装于水冷主轴上，用于检测水冷主轴温度；所述温度传感器采用DS18B20。

在本发明一实施例中，所述电源模块包括3.3V稳压电路、5V稳压电路。

本发明还提供了一种基于上述所述的一种雕刻机水冷主轴温度控制系统的控制方法，包括如下步骤，

S1：启动控制系统，通过控制系统的按键电路设定包括水冷主轴温度以及水冷主轴温度报警上下限参数；

S2：温度传感器、电子流量计分别检测水冷主轴温度、冷却液循环状态并传输给控制系统；

S3：控制系统控制半导体制冷片工作，以保证水冷主轴处于正常温度，若水冷主轴温度超过设定报警上下限或冷却液循环不正常，则通过控制系统的报警电路进行报警。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、相较于传统的雕刻机水冷主轴冷却系统无温度控制功能，此系统采用闭环式温度控制系统，能够实时显示和控制雕刻机水冷主轴的温度；保证雕刻机在加工零件时，水冷主轴温度保持恒定；

2、相较于传统的雕刻机水冷主轴冷却系统冷却液的冷却靠自然散热冷却，此系统依靠半导体制冷片、水冷排和散热风扇对冷却液进行散热，不仅散热效率高，而且当环境温度过高时，控制系统能够将主轴温度控制在环境温度以下，从而保证了雕刻机的加工精度；

3、相较于传统的雕刻机水冷主轴冷却系统使用开放式循环水冷结构，此系统使用封闭式循环水冷结构，整个水冷循环系统完全密闭，不存在冷却液挥发的问题，杂质无法进入循环水冷系统，因此管理维护更加方便；

4、雕刻机水冷主轴冷却恒温控制系统中的控制系统可以实时显示主轴温度值，当主轴温度出现异常时，控制系统能够发出报警信号，提醒用户及时进行处理；

5、雕刻机水冷主轴冷却恒温控制系统中装有电子流量计可以实时观察水路循环系统的循环状况，当水路循环情况异常时，控制系统能够发出报警信号，提醒用户及时进行处理。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是控制系统温度测控结构图。

图3是本发明STM32F103C8T6单片机引脚图。

图4是本发明晶振电路、复位电路图。

图5是本发明电源模块电路原理图。

图6是本发明报警电路原理图。

图7是本发明按键电路原理图。

图8是本发明半导体制冷片驱动电路原理图。

图9是本发明LCD显示电路原理图。

图10是本发明温度传感器DS18B20电路原理图。

图11是本发明电子流量计原理图。

图中：1-水冷主轴；2-第一连接管；3-第五连接管；4-循环水泵；5-第四连接管；6-电子流量计；7-第三连接管；8-水箱；9-第二连接管；10-散热水排；11-散热模块；12-半导体制冷片；13-温度传感器；14-控制系统；15-电源模块。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

如图1所示，一种雕刻机水冷主轴冷却恒温控制系统：包括水冷主轴1、第一连接管2、散热水排10、第二连接管9、水箱8、第三连接管7、电子流量计6、第四连接管5、循环水泵4、第五连接管3、散热模块11、半导体制冷片12、控制系统14、温度传感器13和电源模块15。所述水冷主轴1的出口通过第一连接管2与所述散热水排10入口相连，所述散热水排10出口通过第二连接管9与所述水箱8入口相连，所述水箱8出口通过第三连接管7与所述电子流量计6入口相连，所述电子流量计6出口通过第四连接管5与所述循环水泵4入口相连，所述循环水泵4出口通过第五连接管3与水冷主轴1入口相连；所述散热模块11包括散热风扇和铝材扇热片；所述半导体制冷片12安装于所述散热模块11上方；所述电子流量计6用于检测从水箱流出的冷却液（冷却液可采用海宝冷却液028872）是否正常循环；所述温度传感器13安装在主轴上方用于实时测量主轴温度；所述温度传感器采用DS18B20。

如图2-11所示，所述控制系统包括单片机及与该单片机连接的复位电路、晶振电路、按键电路、半导体制冷片驱动电路、LCD显示电路、报警电路，该单片机还与温度传感器、电子流量计连接。如图3所示，所述单片机采用STM32F103C8T6芯片。如图7所示，按键电路包括四个按键，分别为功能键、数字加键、数字减键和确定键。用于设定温度值、报警上下限等参数；单片机通过固态继电器控制半导体制冷片加热或制冷；温度传感器用于测量主轴温度；LCD显示电路用于显示设定温度、实测温度、报警参数等；报警电路用于主轴温度异常情况的报警。

如图6所示，所述报警电路由电阻、三极管、蜂鸣器组成。

电源模块15输出多种直流电压（如图5所示），分别为散热模块11中的扇热风扇、半导体制冷片12、控制系统14、电子流量计6、循环水泵4提供电源。

如图7所示，所述半导体制冷片驱动电路包括第一至第四固态继电器（SSR1、SSR2、SSR3、SSR4），第一固态继电器的第一输入端、第四固态继电器的第一输入端相连接至STM32F103C8T6芯片的PA9引脚，第二固态继电器的第一输入端、第三固态继电器的第一输入端相连接至STM32F103C8T6芯片的PA8引脚，第一固态继电器的第一输出端、第二固态继电器的第一输出端相连接至15V电源端，第一固态继电器的第二输出端、第三固态继电器的第一输出端相连接至所述半导体制冷片的第一端，第二固态继电器的第二输出端、第四固态继电器的第一输出端相连接至所述半导体制冷片的第二端，第一至第四固态继电器的第二输入端、第三固态继电器的第二输出端、第四固态继电器的第二输出端均连接至GND端。

制冷时固态继电器SSR1和SSR4导通，半导体制冷片红色引线接电源正黑色引线接电源地半导体制冷片制冷；加热时固态继电器SSR2和SSR3导通，半导体制冷片红色引线接电源地黑色引线接电源正半导体制冷片加热。

本发明系统具体工作过程如下：

雕刻机加工工件前，先通过控制系统设定主轴温度，以及主轴温度报警上下限等参数，确定参数后，雕刻机水冷主轴冷却恒温控制系统开始工作，循环水泵将冷却液抽入水冷主轴的水道中，冷却液流经水冷主轴的水道中后，带走水冷主轴的热量进入散热水排，通过安装在散热水排的半导体制冷片，对冷却液进行散热降温，然后再次循环。加工过程中控制系统通过安装在水冷主轴的温度传感器采集主轴温度，然后根据设定温度值和实测温度值的差值驱动固态继电器输出控制信号控制半导体制冷片工作，从而精确控制雕刻机加工时，水冷主轴的温度恒定。

本发明还提供了一种基于上述所述的一种雕刻机水冷主轴温度控制系统的控制方法，包括如下步骤，

S1：启动控制系统，通过控制系统的按键电路设定包括水冷主轴温度以及水冷主轴温度报警上下限参数；

S2：温度传感器、电子流量计分别检测水冷主轴温度、冷却液循环状态并传输给控制系统；

S3：控制系统控制半导体制冷片工作，以保证水冷主轴处于正常温度，若水冷主轴温度超过设定报警上下限或冷却液循环不正常，则通过控制系统的报警电路进行报警。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。