专利名称：一种机床能量回收系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及机械制造业中，在具有电机和旋转机床主轴的机械加工式机床中使用 的机床能量回收系统。
背景技术：
目前节能、低碳已成为21世纪最热的主题词，节能降耗已经被各行各业作为重点 研究对象。在我国电机耗电量占我国总发电量的一半左右，其中有很可观的一部分电机容 量都被作为机械加工机床动力源。但是机床在工作过程中，不是每时每刻机床主轴都处于 加工状态，在工件加工的间隙，会产生空转现象，空转又称空载，很多机床又不适合于频繁 启停，因为很多机床在启动后的开始段时间内功耗最大，随着运转功耗将逐渐减小，最后趋 于稳定，加之很多机床频繁启动其寿命将会受到一定影响，这样为节约能源且兼顾机床寿 命，机床的空转是难以避免的，如此便会造成能量的不必要损耗。同时机床在每次制动过程 中都会有动能被无谓地损耗掉，特别是对于频繁启停的机床，这部分无谓损耗的能量就相 当可观；故如何设计一种可回收利用机床的多余损耗能源的装置，达到节约能源的目的，就 成为本技术领域有待解决的技术难题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，怎样提供一种可以回收机床多余损耗能源的机床能 量回收系统。为了解决上述技术问题，本发明中采用了如下的技术方案一种机床能量回收系统，其特点在于，包括空载能量回收装置，所述空载能量回收 装置包括蓄电池、电机能量转化装置、空载检测装置；所述电机能量转化装置包括设置在电 机轴上的电机轴绕组线圈，与电机轴绕组线圈对应设置的永磁体，所述电机轴绕组线圈与 蓄电池串联成空载充电电路；所述空载检测装置包括电机空载检测电路和主轴空载检测电 路，所述电机空载检测电路用于检测到电机电路工作时，令空载充电电路中对应位置处的 开关元件自动接通，所述主轴空载检测电路用于检测到主轴没有扭矩时，令空载充电电路 中对应位置处的开关元件自动接通并将空载充电电路的交流电流转化为直流电流。申请人:研究发现，机床电机的最佳运行效果是在额定负载下运行，而机床在空载 的时候电机的运行功率大约为额定功率的50%左右，此时电机效率极为低下，造成大量能 量损耗和浪费。故申请人设计了上述技术方案，增加电机输出端的负载，提高电机运行效 率，将机床空载时电机损耗浪费的部分能量转化收集存储起来，达到回收机床空载时的多 余损耗能源的目的。上述技术方案中，采用电机空载检测电路来检测电机电路是否工作，采 用主轴空载检测电路检测主轴是否存在扭矩，当检测到电机电路在工作的同时主轴不存在 扭矩，则表明此时机床处于空载状况。此时使空载充电电路自动接通，所述电机轴绕组线圈 随电机轴转动切割与其对应设置的永磁体磁场磁感线，产生电流，进而将产生的电能通过 充电电路储存到蓄电池中。这样就达到了回收机床多余损耗能源的目的。
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作为上述技术方案中，所述电机空载检测电路的一种优化设计形式，其结构为包 括一个用于检测电机电路电流的电流互感器，所述电流互感器与一个二极管、一个放大器 以及一个常开式电磁继电器的电磁铁串联为电机检测电路作为继电器控制端回路；所述常 开式电磁继电器的工作回路端开关串联入空载充电电路。这样，当电机在工作时，电流互感 器感应到电机电路中的交流电，会产生互感电流，该互感电流是与电机电路电源频率相同 的交流电，互感电流通过放大器和二极管转换为比较大的单向电流。使得常开式电磁继电 器的电磁铁通电后产生磁场，并吸附衔铁导致工作回路端的常开开关闭合。使空载充电电 路接通。这样，具有结构简单，检测方便准确的优点。当然具体实施时，也还可以采用其他 公知结构的电机空载检测电路。只需使其能够检测电机是否在工作，并在电机工作时通过 开关保证空载充电电路的接通即可。作为上述技术方案中，所述主轴空载检测电路的一种优化设计形式，其结构为包 括设置于机床主轴的扭矩电阻应变片、脉冲发生器、击穿二极管、第一晶闸管和第二晶闸 管，其中所述扭矩电阻应变片与一个低压电源和固定电阻串联为扭矩检测回路，固定电阻 位于扭矩电阻应变片降势端，所述脉冲发生器的输出端通过第一晶闸管与第二晶闸管的控 制极连接，第二晶闸管串联到空载充电回路中，所述第一晶闸管的控制极通过击穿二极管 与扭矩检测回路中扭矩电阻应变片的降势端相连。其中所述扭矩电阻应变片为现有技术产 品，其贴附在主轴上可感应主轴扭矩变化而变化，它的阻值会随着主轴的扭矩增加而增大； 它与一个固定电阻和低压电源串联，当机床处于空载状态时，由于主轴没有扭矩，此时电阻 应变片电阻的阻值为最小，由于分压差别使得扭矩电阻应变片与固定电阻之间电势处于最 大值，此时击穿二极管由于高压而被击穿发送信号至第一晶间管的控制级，此时脉冲发生 器为第一晶闸管提供间隔性的正向电压，击穿二极管为第一晶闸管控制极提供触发电流， 使得第一晶间管随着脉冲发生器频率被间隔性地导通。此时，脉冲发生器产生的脉冲电压 信号可以通过第一晶闸管到达第二晶闸管控制极。由于晶闸管工作的条件是加正向电压且 控制极有触发电流。故第二晶闸管通过第一晶闸管间接地受扭矩电阻应变片电阻大小控制 的同时，还可以产生空载充电电路自身处于正向电流是接通，处于反向电流时断开的效果。 故本主轴空载检测电路，不仅仅具备检测到机床主轴不受力矩时，即可控制空载充电电路 接通，而且还具备接通后可直接将空载充电电路中交流电转化为直流电的效果。当然，具体 实施时，也可以采用现有技术中，具备等同功能的其他电路结构。例如，将扭矩电阻应变片 与一个低压电源以及一个常开式电磁继电器的控制端串联为回路，将该常开式电磁继电器 的工作端串联入空载充电电路。当主轴没有扭矩时电阻应变片的阻值最小，继电器控制端 回路电流增大，继电器电磁铁磁性增大并将衔铁吸起使得继电器工作端开关接通；从而使 空载充电电路接通。再在空载充电电路中单独设置一个如二极管等可以将交流电转化为直 流电的元件或电路，即可实现和本主轴空载检测电路相同的功能。作为优化，本发明还包括有制动能量回收装置，所述制动能量回收装置包括蓄电 池、主轴能量转化装置、制动检测装置；所述主轴能量转化装置包括设置在机床主轴上主轴 绕组线圈，与主轴绕组线圈对应设置的永磁体，所述主轴绕组线圈与一个二极管和蓄电池 串联成制动充电电路；所述制动检测装置包括电机制动检测电路和主轴停转检测装置，所 述电机制动检测电路用于检测到电机电路停止工作时，令制动充电电路中对应位置处的开 关元件自动接通，所述主轴停转检测装置用于检测到主轴转动时，令制动充电电路中对应
4位置处的开关元件自动接通。这是因为申请人研究发现，机床在制动时，机床电机停止转动 后，机床主轴由于惯性还会保持一定时间的旋转。如果能够将这部分主轴惯性旋转的能量 回收起来，可以进一步达到回收机床多余损耗能源的目的的同时，还能使制动时间缩短，得 到更佳的制动效果。故申请人增设了本制动能量回收装置，其中采用电机制动检测电路检 测来检测电机电路是否工作，采用主轴停转检测装置检测主轴是否在转动，当检测到电机 电路未工作的同时主轴仍然在转动，则表明此时机床处于制动状态。此时制动充电电路自 动接通，所述主轴绕组线圈随主轴转动切割与其对应设置的永磁体磁场磁感线，产生电流， 电流通过对应的二极管转化为直接电并储存于蓄电池中。这样就回收了机床制动时的能量 损耗。进一步达到回收机床多余损耗能源的目的。同时，和现有技术中为了缩短制动时间 而采用能耗制动的现有手段相比，更是有了颠覆性的进步。作为所述电机制动检测电路的一种优化设置形式，其结构为包括一个用于检测电 机电路电流的电流互感器，该电流互感器与一个二极管、一个放大器以及一个常闭式电磁 继电器的电磁铁串联为电机检测电路作为继电器控制端回路；所述常闭式电磁继电器的工 作回路端开关串联入制动充电电路。这样，当电机工作时，电流互感器感应到电机电路中的 交流电，会产生互感电流，该互感电流是与电机电路电源频率相同的交流电，互感电流通过 放大器和二极管转换为比较大的单向电流。使得常闭式电磁继电器的电磁铁通电后产生磁 场，并吸附衔铁导致工作回路端的常闭开关打开。故当电机未工作时，常闭式电磁继电器的 工作端为接通状态，使制动充电电路接通。这样，具有结构简单，检测方便准确的优点。当 然具体实施时，也还可以采用其他公知结构的电机空载检测电路。只需使其能够检测电机 是否在工作，并在电机没有工作时通过开关保证制动充电电路的接通即可。作为所述主轴停转检测装置的一种优化，所述主轴停转检测装置包括一端固定在 主轴上的橡胶条、对应设置于橡胶条上方的检测开关；所述检测开关包括一个一端铰接在 制动充电电路中的楔铁，楔铁另一端在自重作用下下落可使制动充电电路断开，当主轴转 动时，所述橡胶条在离心力作用下可将楔铁向上顶起并使制动充电电路接通。这样，具有结 构简单、检测方便准确的优点。当然，具体实施时，也可以采用现有技术中其余结构的主轴 停转检测装置，只需具备能够在主轴转动情况下接通制动充电电路，主轴停止转动情况下 断开制动充电电路防止蓄电池回流损失即可。综上所述，相比现有技术，本发明不仅仅可以将机床空载时的能量损耗回收至蓄 电池，还可以进一步地将机床制动时候的能量损耗回收至蓄电池储存。这样就达到了回收 机床多余损耗能源的目的。具有节约能源的优点。同时，本发明中，各检测电路或装置部分 优化后，还具备结构简单、检测方便准确等优点。
图1是本发明的电路结构示意图。图2是本发明中单独主轴空载检测电路和空载充电电路的具体结构示意图。图3是本发明主轴空载检测电路工作时，电机轴绕组线圈产生电压与脉冲发生器 电压对比波形示意图。
具体实施例方式下面结合具体实施实例和附图对本发明作进一步的详细说明。具体实施时，如图1所示，一种机床能量回收系统，包括空载能量回收装置，所述 空载能量回收装置包括蓄电池1、电机能量转化装置、空载检测装置；所述电机能量转化装 置包括设置在电机轴2上的电机轴绕组线圈3，与电机轴绕组线圈3对应设置的永磁体4， 所述电机轴绕组线圈3与蓄电池1串联成空载充电电路；所述空载检测装置包括电机空载 检测电路和主轴空载检测电路，所述电机空载检测电路用于检测到电机电路工作时，令空 载充电电路中对应位置处自动接通，所述主轴空载检测电路用于检测到主轴没有扭矩时， 令空载充电电路中对应位置处自动接通并将充电电路的交流电流转化为直流电流。实施 时，所述电机空载检测电路优选采用如下结构，包括一个用于检测电机电路电流的电流互 感器5，所述电流互感器5与一个二极管6、一个放大器7以及一个常开式电磁继电器8的 电磁铁串联为电机检测电路作为继电器控制端回路；所述常开式电磁继电器8的工作回路 端开关串联入空载充电电路。实施时，所述主轴空载检测电路优选采用如下结构，如图1和 图2所示，包括设置于机床主轴16的扭矩电阻应变片9、脉冲发生器10、击穿二极管11、第 一晶闸管12和第二晶闸管13，其中所述扭矩电阻应变片9与一个低压电源14和固定电阻 15串联为扭矩检测回路，固定电阻15位于扭矩电阻应变片9降势端，所述脉冲发生器10的 输出端通过第一晶闸管12与第二晶闸管13的控制极连接，第二晶闸管13串联到空载充电 回路中，所述第一晶闸管12的控制极通过击穿二极管11与扭矩检测回路中扭矩电阻应变 片9的降势端相连。本机床能量回收系统，还包括制动能量回收装置，所述制动能量回收装置包括和 空载能量回收装置共用的蓄电池1、主轴能量转化装置、制动检测装置；所述主轴能量转化 装置包括设置在机床主轴16上的主轴绕组线圈17，与主轴绕组线圈17对应设置的永磁体 18，所述主轴绕组线圈17与一个二极管19和蓄电池1串联成制动充电电路；所述制动检测 装置包括电机制动检测电路和主轴停转检测装置，所述电机制动检测电路用于检测到电机 电路停止工作时，令制动充电电路中对应位置处自动接通，所述主轴停转检测装置用于检 测到主轴转动时，令制动充电电路中对应位置处自动接通。实施时，所述电机制动检测电路 优选采用如下结构，包括一个用于检测电机电路电流的电流互感器20，该电流互感器20与 一个二极管21、一个放大器22以及一个常闭式电磁继电器23的电磁铁串联为电机检测电 路作为继电器控制端回路；所述常闭式电磁继电器23的工作回路端开关串联入制动充电 电路。实施时，所述主轴停转检测装置优选采用如下结构，包括一端固定在主轴16上的橡 胶条24、对应设置于橡胶条24上方的检测开关；所述检测开关包括一个一端铰接固定在制 动充电电路中的楔铁25，楔铁25另一端在自重作用下下落可使制动充电电路断开，当主轴 转动时，所述橡胶条24在离心力作用下可将楔铁25向上顶起并使制动充电电路接通。另 外，图1中，标号26表示机床电机，标号27表示机床电机电源线路，标号28表示机床传动 系统。本发明实施后，可以在机床空载时，从机床电机轴处将损耗的能量回收，在机床制 动时，从机床主轴处将损耗的能源回收。具体地说，当机床空载时，此时机床电机持续工作， 同时机床主轴保持旋转但是不产生扭矩。此时电机空载检测电路中的电流互感器5产生感 应电流从而使常开式电磁继电器8控制端回路工作，常开式电磁继电器8电磁铁产生吸力
6将衔铁吸起使其工作端的常开式开关保持闭合。同时，主轴空载检测电路中的扭矩电阻应 变片9由于主轴16不存在扭矩而阻值变为最小，由于分压差别使得扭矩电阻应变片9与固 定电阻15之间点A处的电势为最大值，此时击穿二极管11由于高压而被击穿并将电压信 号送至第一晶闸管12的控制级，脉冲发生器10为第一晶闸管12提供间隔性的正向电压， 击穿二极管11为第一晶闸管12控制极提供的触发电流，使得第一晶闸管12随着脉冲发生 器频率被间隔性地导通。当第一晶闸管12被导通时，脉冲发生器10产生的脉冲电压信号即 可通过第一晶闸管12到达第二晶闸管13控制极。由于晶闸管工作的条件是加正向电压且 控制极有触发电流。故第二晶闸管必须是自身正负极之间电压为正向且控制极具有触发信 号时接通并工作。由于脉冲发生器10频率远小于空载充电回路中电机轴绕组线圈3产生 的交流电压频率。故第二晶闸管13可以在当电机轴绕组线圈3产生正向电压是接通，产生 反向电压是断开，进而实现当空载时接通空载充电回路的同时将电机轴绕组线圈3产生的 交流电转化为直流电的双重功能。另外，当机床未处于空载状态时，可能是机床未工作，此 时电机26电源线27没有电流，故电流互感器5不产生电流，此时常开式电磁继电器8可使 得空载充电电路断开；也可能是机床正常工作，此时主轴16存在扭矩，故扭矩电阻应变片9 阻值增大，低压电源14的电压经扭矩电阻应变片9降压后，点A的电势不能将击穿二极管 11击穿。故第一晶闸管12和第二晶闸管13的控制极均不再有控制信号，从而使得空载充 电电路保持断开。这样，就使得空载充电电路只有在空载情况下，才能导通并充电，当机床 处于非空载情况下时可以自动断开，避免蓄电池的放电。 其中，所述主轴空载检测电路对空载充电电路的通断控制和电流切换原理，可以 进一步参考图3进行理解。图3为本发明主轴空载检测电路工作时，电机轴绕组线圈产生 电压与脉冲发生器电压波形图。如其所示，假定、到t4时间段为主轴空载时间段，在此时 间段内扭矩电阻应变片9由于不存在扭矩而阻值降低，点A的电势增大并将击穿二极管11 击穿；进而使脉冲发生器10在、到t4时间段内发送的脉冲可以通过第一晶闸管12并到达 第二晶闸管13。在其它时间段内由于点A的电势降低难以将击穿二极管11。故脉冲发生 器10发送脉冲的脉冲不能通过第一晶闸管12而到达第二晶闸管13。图3中的正弦电压为 电机轴绕组线圈3产生的电压波形。在、时刻第二晶闸管13控制级被加以正向脉冲，于 此同时第二晶闸管主电路也被电机轴绕组线圈3加以正向电压，满足晶闸管工作条件而被 导通。由晶闸管的工作特点知，在、至、段时间内，第二晶闸管13可以不受脉冲影响而保 持导通，从而使空载充电电路持续充电；在、至t2段由于第二晶闸管13正负极被加反向电 压，即便此时有脉冲信号，由晶闸管的工作特点知，第二晶闸管13此时不会导通，空载充电 电路不能实现充电；t2到t3段第二晶闸管13正负极被加以正向电压，但是在该时间段脉冲 信号处于真空区，因而也不能充电(因此时间段实际上可增大脉冲发生器10的频率而使其 极短，故不会造成充电效率的大幅降低)；而到t3时刻时由于在第二晶闸管13关断后出现 了第一个控制级脉冲而被导通，实现空载充电电路的继续充电；在、时刻脉冲信号消失，这 意味着此时主轴加载了，但是由晶闸管工作特性知，即便在、至t5时段第二晶闸管13控制 级没有得到控制脉冲，故第二晶闸管依然处于导通状态，继续充电；到达t5时第二晶闸管被 加以反向电压而被断掉。在t4至t5阶段实际上是机床在承受外载荷的同时也承受着充电 负载。但是由于这个时间段的最大值不会超过电机轴绕组线圈3旋转周期的半个周期，因 而对机床的正常工作不会造成影响。
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另外，本发明实施后，还可以在机床制动时，从机床主轴处将主轴由于惯性转动所 损耗的能量回收。具体地说，当机床制动时，此时机床电机停止工作，但机床主轴由于惯性 保持旋转。故我们设置的电机制动检测电路可以保证当电机电源线路27没有电流时，令常 闭式电磁继电器23中串联在制动充电电路中的常闭开关保持闭合。同时，我们设置的主轴 停转检测装置可以保证楔铁25被顶起而使得制动充电电路导通，进而通过主轴绕组线圈 17对蓄电池1进行充电；将主轴由于惯性转动损耗的这部分能量回收起来。最后，值得指出的本具体实施方式
及其附图仅仅是对本发明进一步的说明而不是 限定。比如，所述蓄电池1也可以是在空载充电电路和制动充电电路中各设置一个，与蓄电 池1相邻的主干路中也还可以设置一个主控制开关；所述低压电源14所在的电路回路中也 可以设置一个控制开关，等等，而不仅限于具体实施方式
所述情况。另外，本发明中，机床制 动能量回收装置部分也属于申请人自主设计，同时单独申请了专利进行保护，如单独实施 此部分结构也会侵犯申请人专利权。
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权利要求
一种机床能量回收系统，其特征在于，包括空载能量回收装置，所述空载能量回收装置包括蓄电池、电机能量转化装置、空载检测装置；所述电机能量转化装置包括设置在电机轴上的电机轴绕组线圈，与电机轴绕组线圈对应设置的永磁体，所述电机轴绕组线圈与蓄电池串联成空载充电电路；所述空载检测装置包括电机空载检测电路和主轴空载检测电路，所述电机空载检测电路用于检测到电机电路工作时，令空载充电电路中对应位置处自动接通，所述主轴空载检测电路用于检测到主轴没有扭矩时，令空载充电电路中对应位置处自动接通并将充电电路的交流电流转化为直流电流。
2.如权利要求1所述的机床能量回收系统，其特征在于，所述电机空载检测电路包括 一个用于检测电机电路电流的电流互感器，所述电流互感器与一个二极管、一个放大器以 及一个常开式电磁继电器的电磁铁串联为电机检测电路；所述常开式电磁继电器的工作回 路端开关串联入空载充电电路。
3.如权利要求1所述的机床能量回收系统，其特征在于，所述主轴空载检测电路包括 设置于机床主轴的扭矩电阻应变片、脉冲发生器、击穿二极管、第一晶闸管和第二晶闸管， 其中所述扭矩电阻应变片与一个低压电源和固定电阻串联为扭矩检测回路，固定电阻位于 扭矩电阻应变片降势端，所述脉冲发生器的输出端通过第一晶闸管与第二晶闸管的控制极 连接，第二晶闸管串联到空载充电回路中，所述第一晶闸管的控制极通过击穿二极管与扭 矩检测回路中扭矩电阻应变片的降势端相连。
4.如权利要求1或2或3所述的机床能量回收系统，其特征在于，还包括制动能量回收 装置，所述制动能量回收装置包括蓄电池、主轴能量转化装置、制动检测装置；所述主轴能 量转化装置包括设置在机床主轴上主轴绕组线圈，与主轴绕组线圈对应设置的永磁体，所 述主轴绕组线圈与一个二极管和蓄电池串联成制动充电电路；所述制动检测装置包括电机 制动检测电路和主轴停转检测装置，所述电机制动检测电路用于检测到电机电路停止工作 时，令制动充电电路中对应位置处自动接通，所述主轴停转检测装置用于检测到主轴转动 时，令制动充电电路中对应位置处自动接通。
5.如权利要求4所述的机床能量回收系统，其特征在于，所述电机制动检测电路包括 一个用于检测电机电路电流的电流互感器，该电流互感器与一个二极管、一个放大器以及 一个常闭式电磁继电器的电磁铁串联为电机检测电路；所述常闭式电磁继电器的工作回路 端开关串联入制动充电电路。
6.如权利要求4所述的机床能量回收系统，其特征在于，所述主轴停转检测装置包括 一端固定在主轴上的橡胶条、对应设置于橡胶条上方的检测开关；所述检测开关包括一个 一端铰接固定在制动充电电路中的楔铁，楔铁另一端在自重作用下下落可使制动充电电路 断开，当主轴转动时，所述橡胶条在离心力作用下可将楔铁向上顶起并使制动充电电路接iM o
全文摘要
本发明公开了一种机床能量回收系统，其特点在于，包括空载能量回收装置，所述空载能量回收装置包括蓄电池、电机能量转化装置、空载检测装置；所述电机能量转化装置包括设置在电机轴上的电机轴绕组线圈，与电机轴绕组线圈对应设置的永磁体；所述电机轴绕组线圈与蓄电池串联成空载充电电路；所述空载检测装置包括电机空载检测电路和主轴空载检测电路，所述电机空载检测电路用于检测到电机电路工作时，令空载充电电路中对应位置处自动接通，所述主轴空载检测电路用于检测到主轴没有扭矩时，令空载充电电路中对应位置处自动接通并将充电电路的交流电流转化为直流电流。本发明可以达到回收机床多余损耗能源的目的。具有节约能源的优点。
文档编号H02J7/00GK101867206SQ20101019726
公开日2010年10月20日 申请日期2010年6月10日 优先权日2010年6月10日
发明者刘飞, 曹华军, 陶绪财 申请人:重庆大学