阅读说明：本技术 高精度坐标镗伺服电机温度主动控制装置及其控制方法 (Active temperature control device and method for high-precision coordinate boring servo motor ) 是由 封光磊 王维 字立敏 彭梁锋 余庆明 杨林 浦姣 张伟华 李佳 张韬 李攀科 于 2020-07-22 设计创作，主要内容包括：高精度坐标镗伺服电机温度主动控制装置及其控制方法,包括伺服电机本体,伺服电机本体外侧设置有可调节式安装支架,可调节式安装支架上设置有控制比例阀,控制比例阀设置在冷却气路总出口处,控制比例阀后部连接环形气路,用于形成冗余式冷却管路,所述的可调节式安装支架上设置有可调试吹气口,方向可调试吹气口的后端连接气体流量监测元件,气体流量监测元件用于检测各冷却口实际气流量,气体流量监测元件通过管道连接至总环形气路,冷却气流通过控制比例阀输出至环形气路,所述的方向可调试吹气口对伺服电机本体进行覆盖式冷却。(The high-precision coordinate boring servo motor temperature active control device comprises a servo motor body, wherein an adjustable mounting support is arranged on the outer side of the servo motor body, a control proportional valve is arranged on the adjustable mounting support and is arranged at a cooling gas path main outlet, an annular gas path is connected to the rear portion of the control proportional valve and is used for forming a redundant cooling pipeline, an adjustable gas blowing opening is formed in the adjustable mounting support, the rear end of the direction adjustable gas blowing opening is connected with a gas flow monitoring element, the gas flow monitoring element is used for detecting the actual gas flow of each cooling opening, the gas flow monitoring element is connected to the main annular gas path through a pipeline, cooling gas flow is output to the annular gas path through the control proportional valve, and the direction adjustable gas blowing opening carries out covering cooling on the servo motor body.)

高精度坐标镗伺服电机温度主动控制装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及高精度数控卧式坐标镗床技术领域，特别涉及高精度坐标镗伺服电机温度主动控制装置及其控制方法。

背景技术

高精度数控卧式坐标镗床对使用环境温度、环境温度场及机床自身旋转发热部件的温度上高量及温度升高速度有着极其苛刻的要求。若环境温度、环境温度场、机床自身旋转发热部件的温度有大幅扰动或持续性变化，会极大的影响机床实际使用性能，最终影响机床综合切削精度，严重的会使得所加工的工件位置度产生偏差造成工件的报废。

传统高精度数控卧式坐标镗床的使用环境均为恒温车间，由于对外部环境温度及温度场的严格控制，外部温度场的波动对机床的性能影响较小。同时机床本体也独立配置有多种旋转发热部件温度控制系统，如进给轴丝杠配置为中心水冷丝杠，丝杠座及轴承配置水冷装置，主轴配置有循环油冷或水冷系统，严格控制机床自身各旋转发热部件在运动过程中所产生的热量。针对各进给轴还配置有被动式温度补偿装置，用于补偿由于温度和温度场变化所引起的坐标漂移量，从而保证机床的定位与重复定位精度。但在各类温度控制中没有对进给轴及主轴的伺服电机在使用过程中产生的热量进行有效的主动控制，放任其在运行过程中产生的热量对机床性能产生的影响，这就必须对其进行有效的闭环控制减轻并最终消除影响。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供高精度坐标镗伺服电机温度主动控制装置及其控制方法，将处于不同状态下的伺服电机温度按不同控制方法与环境温度进行温度融合，并加速融合伺服电机周围微观环形温度场，最终控制电机的温升量与温升速度，大幅减少因电机温升引起的机床热变形，从而保证机床的加工精度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

高精度坐标镗伺服电机温度主动控制装置，包括伺服电机本体1，所述的伺服电机本体1外侧设置有可调节式安装支架2，所述的可调节式安装支架2上设置有控制比例阀3，控制比例阀3设置在冷却气路总出口处，控制比例阀3后部连接环形气路4，用于形成冗余式冷却管路，所述的可调节式安装支架2上设置有可调试吹气口6，方向可调试吹气口6的后端连接气体流量监测元件5，气体流量监测元件5用于检测各冷却口实际气流量，气体流量监测元件5通过管道连接至总环形气路4，冷却气流通过控制比例阀3输出至环形气路4，所述的方向可调试吹气口6对伺服电机本体1进行覆盖式冷却。

所述的可调节式安装支架2为L型，设置有四个，通过可调节的螺栓及螺帽固定安装在伺服电机本体1上。

所述的四个L型可调节式安装支架2的拐角处分别设置四个方向可调试吹气口6。

高精度数控卧式坐标镗伺服电机温度主动控制方法，包括以下步骤；

当机床上电时，伺服电机本体1通过电机控制电缆将伺服电机本体1的实际温度值传输至驱动模块，并将此数据存储于数控系统驱动参数R35中，二次开发系统参数连数据能块并调用PLC程序功能块通过NC驱动总线读取此数据并存储至PLC数据区内，通过布置于伺服电机本体1附近的电机室温监测传感器，将伺服电机本体1所处位置的微观温度场环境温度通过模拟量信号电缆输入至模拟量输入模块中；此时PLC程序对采集到的电机温度与室温数据进行分析判断；

若此时伺服电机本体1温度低于室温则再次判断伺服电机本体1温度是否低于室温2℃，此时若伺服电机本体1温度低于室温2℃则由PLC程序进行运算并通过控制总线控制模拟量输出模块发出与程序对应的控制电压，通过模拟量控制电缆控制控制比例阀3，使其状态为不接通或关闭，使得环形气路4无冷却气流流通，连接至安装于可调节式安装支架2上的方向可调试吹气口6无冷却气流输出；若伺服电机本体1温度低于室温但不低于室温2℃，此时由PLC程序控制通过模拟量输出模块1输出设定的最低冷却量电压值，通过模拟量控制电缆控制控制比例阀3为设定的最小冷却开启状态，并通过环形气路4连接至安装于可调节式安装支架2上的方向可调试吹气口6无冷却气流输出，进行持续预冷却，若此时伺服电机本体1温度高于室温则再次判断电机温度是否高于室温2℃，若伺服电机本体1温度不高于室温2℃则PLC程序将使用PID控制模式对控制比例阀3的输出电压进行实时调节，最终控制方向可调试吹气口6的冷却流量；若伺服电机本体1温度高于室温2℃则PLC程序将控制控制比例阀3完全开启，使用强冷却气流对电机进行强制冷却，在短时间内将电机温度下降至可控范围内。

本发明的有益效果：

伺服电机温度主动控制装置结合传统丝杆冷却、轴承冷却、被动式温度补偿共同作用，可以全方位的对高精度卧式数控坐标镗床精度进行保障。是结合了机械设计、电气控制、气动控制的系统集成技术。区别于传统放任电机温度升高再对变化量进行补偿的控制方式，伺服电机温度主动控制可以钳制电机的温升量及温升速度并事先进行对温度的预处理，同时在机床各进给轴及主轴电机安装的环境中通过冷却气流扰动加速微观温度场达到均衡，从根源上缓解电机温度升高造成的影响。

伺服电机温度主动控制装置已在本公司TGK46系列、THM46系列、TGK65系列等多个高精度数控卧式坐标镗系列产品中推广运用，提升了机床的使用性，取得了良好的社会和经济效益。同时这种冷却控制方式可推广运用至丝杆及轴承冷却，替代传统冷却方式。但由于伺服电机温度主动控制装置大量使用了模拟量信号需配置相当数量的模拟量输入输出模块使得制造成本过高，在使用精度不是十分苛刻的普通数控机床中可以不使用检测及控制元件，仅配置冷却装置本体，也可实现良好的电机温升钳制效果。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图。

图2为本发明伺服电机温度主动控制装置电气控制互联图。

图3为本发明伺服电机温度主动控制装置PLC控制流程图。

图4为可调节式安装支架2示意图。

图5为可调试吹气口6示意图。

图6为气体流量监测元件5示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示：包括四块组合连接的可调节式安装支架2，并用可调节的螺栓及螺帽固定安装在伺服电机本体1上，根据实际电机尺寸大小调整可调节式安装支架2的安装尺寸，以连接稳定可靠，控制比例阀3安装于冷却气路总出口处，固定于可调节式安装支架2上，其后部连接环形气路4，用于形成冗余式冷却管路，在四个L型可调节式安装支架2的拐角处分别设置四个方向可调试吹气口6，方向可调试吹气口6的后端连接气体流量监测元件5用于检测各冷却口实际气流量，气体流量监测元件5通过管道连接至总环形气路4。冷却气流通过控制比例阀3输出至环形气路4，通过气体流量监测元件5的检测反馈，最终由方向可调试吹气口6对伺服电机进行覆盖式冷却。

在伺服电机本体上配置可依据电机外形尺寸大小自由调节的安装支架，以适应不同数控系统所配置的任意种类伺服电机。整个支架分为四块用螺栓进行连接，根据具体不同数控系统所配置的实际电机外形尺寸，用连接螺栓进行调节，可靠的固定与伺服电机外侧。在安装支架四个顶点处配置可自由调节冷却方向的冷却输出口，用于输出冷却气流对伺服电机进行全方位覆盖式冷却。各冷却输出口间的连接采用冗余设计，形成环形管路连接，以防止单点管路堵塞后造成的不能正常吹气冷却。各冷却输出口处配置安装气体流量监测元件，用于实时监控各冷却输出口压力空气流量，以形成对气路的闭环监控。在总气路输出口处配置比例阀，由PLC程序对各状态进行状态读取后依据设定的控制模型输出相应控制信号对比例阀的开启状态进行控制。

如图2所示：一套伺服电机温度主动控制装置配置有一件模拟量温度传感器、四件模拟量气体流量传感器、一件模拟量控制比例阀，机床所有伺服电机均配置一套电机温度主动控制装置将会大量使用到模拟量输入输出模块。将单一装置上配置的四件模拟量气体流量传感器使用屏蔽电缆连接至一块模拟量输入模块中；将所有装置配置的总共六件用于检测室温的模拟量温度传感器使用屏蔽电缆分别连接至两块模拟量输入模块；将所有装置配置的总共六件用于控制冷却流量的模拟量控制比例阀使用屏蔽电缆分别连接至两块模拟量输出模块；这样可大幅节省模块的使用。

由NC驱动总线联接至各轴驱动模块，再由电机控制电缆及反馈电缆联接至各进给轴及主轴伺服电机，在PLC程序控制中读取借用数控系统中由驱动器从伺服电机内部温度传感器采集到的温度信号，不再进行电机温度传感器布置。

如图3所示：使用PLC程序对伺服电机温度主动控制装置进行控制可精准控制伺服电机温度升高量及升高速度，有效缓解因伺服电机运行产生的热量对机床产生的影响。将伺服电机温度主动控制装置PLC控制算法分为4种模式进行讨论：

模式1：当电机温度低于室温，温差大于等于2℃时，比例阀关闭。

模式2：当电机温度低于室温，温差小于2℃时，比例阀按设定最小冷却量开启。

模式3：当电机温度高于室温，温差小于2℃时，比例阀按PID控制模式实时控制。

模式4：当电机温度高于室温，温差大于2℃时，比例阀完全打开，开启强冷模式。

机床在正常冷态状态下开始运行时，首先读取伺服电机内部温度和实际机床工况环境温度并将两温度值进行比较，判断当前电机温度是否低于室温；此时因前期机床处于断电停机状态，检测出的电机温度与室温相同，在无外部冷却状态下不会低于室温；此时比PLC程序按设定的最低冷却流量输出比例阀控制信号，对伺服电机进行温度升高钳制，提前对电机温升进行预防控制。若此时机床任然处于通电静止状态，任何进给轴及主轴都没有进行移动，则电机温度不会进一步升高，反而电机温度会随着冷却的运行低于室温，当PLC检测到电机温度低于室温2℃时则关闭比例阀输出切断冷却，因为电机温度低于室温过多也会影响机床本体性能。

若机床启动后并不是一直处于静止状态而是进行了加工切削运动，电机温度有所升高但未超过室温2℃时PLC程序在OB35组织块中使用FB58“TCONT_CP”功能块，控制连续信号的温度处理过程，将FB58功能块GAIN设定为负值进行纯粹的冷却操作，同时启用PID运算依据实际电机温度与室温作为输入变量控制比例阀的开启状态位置进行精确控制。若此时检测到电机温升过大，电机温度超过了室温2℃，则关闭PID调节功能，并将比例阀控制量设定为最大值，完全开启冷却对电机进行强冷，在短时间内控制电机温升，使电机温度回归至受控范围。这样在不同工况下采取不同的控制模式才能使得伺服电机的工况温度保持在一定范围内，从而缓解因电机温升所引起的机床自身局部温度场持续变化，同时由于冷却气流的作用使得机床自身局部温度场达到快速均衡的效果保证机床性能一致性。