TWI614080B - 加工恆溫控制系統及其利用方法 - Google Patents

Abstract

一種加工恆溫控制系統及其利用方法，該系統包含感測單元、處理單元及冷卻單元；感測單元用以感測工件之溫度分布狀況；處理單元與感測單元耦接，用以處理溫度分布狀況並求出位於工件之高熱點位置；冷卻單元包括噴頭及複數葉片，噴頭供冷卻流體輸出，複數葉片之角度可調整地設置於噴頭，複數葉片與處理單元耦接，由處理單元控制複數葉片之角度，使冷卻流體朝向高熱點位置輸出。

Description

加工恆溫控制系統及其利用方法

本揭露為一種加工恆溫控制系統及其利用方法，尤指一種利用溫度計算方法來偵測工具機加工時，工件因刀具高速切削而產生的高溫，藉由此溫度計算所得到的溫度訊號來調整冷卻流體的出風口方向、流量及溫度對加工工件的高熱區域進行熱交換以降低熱誤差之加工恆溫控制系統及其利用方法。

一般而言，影響工具機精度的因素包括：機械本身的靜態幾何誤差與動態熱誤差、切削時的刀具磨耗與工件熱變形、以及外在工作環境的變異。其中，根據研究，工具機加工時之誤差有40%至70%是由熱變形所造成，因此，工具機熱行為表現的優劣程度，可視為衡量精度與穩定度的重要指標；若熱行為表現具有重現性與穩定性，表示可長時間維持良好加工品質；反之，若工具機的熱行為模式變異過大，工具機結構因熱產生變形或彎曲，造成刀具端變位或變形，致使切削後加工物件無法達到幾何精度與表面紋路的要求，將嚴重影響加工產品品質。

最常使用的方法為使用冷卻液體(例如冷卻油)來進行刀具及工件之間的熱交換，其流程為，冷卻液體經幫浦輸送至油冷卻機 做冷卻後直接到結構體做冷卻，而冷卻完的冷卻油自然回流至油箱循環，上述使用冷卻液體熱交換的方式雖然簡單，然由於冷卻點無法控制，因此只能依照加工者的經驗做冷卻位置的調整，其最大的缺點為無法有效進行工件切削熱交換，且結構體的溫度會隨著冷卻油的變化而不穩定導致結構溫升變形，而其他缺點尚包括：無法針對高熱區之切削熱源有效移除；無切削熱之工件區域會因冷卻流體過度冷卻而造成本體收縮；經熱交換後之冷卻液體溫昇而影響結構體溫差導致熱誤差產生；切削液體有使用壽命問題，須定期更換，成本高等。

此外，亦可利用紅外線溫度偵測，其係利用紅外線的特性量測物體溫度，但由於紅外線量到的溫度為相對溫度而且是物體表面所散發出來的輻射熱能量，若未搭配適當的溫度計算單元，所量測的溫度誤差值將無法達到預期。另外，目前市售產品之紅外線測溫儀只能顯示溫度數值，尚無法對溫度訊號進行後處理。

因此，一種利用溫度計算方法來偵測工具機加工時，工件因刀具高速切削而產生的高溫，藉由此溫度計算所得到的溫度訊號來調整冷卻流體的出風口方向、流量及溫度對加工工件的高熱區域進行熱交換，以降低熱誤差之「加工恆溫控制系統及利用其之方法」，便是相關技術領域著重的目標。

在一實施例中，本揭露提出一種加工恆溫控制系統，其包含：一感測單元，用以感測一工件之溫度分布狀況；一處理單元，與感測單元耦接，用以處理溫度分布狀況並求出一位於工件之一高熱點位置；以及 至少一冷卻單元，其包括：一噴頭，供冷卻流體輸出；複數葉片，其角度可調整地設置於噴頭，複數葉片與處理單元耦接，由處理單元控制複數葉片之角度，使冷卻流體輸出朝向高熱點位置。

在另一實施例中，本揭露提出一種加工恆溫控制方法，其包含：由一感測單元感測一工件之溫度分布狀況；由一處理單元處理該溫度分布狀況並求出一位於該工件之高熱點位置；以及由該處理單元調整至少一冷卻單元之葉片之角度，使冷卻流體朝向該高熱點位置輸出。

100‧‧‧加工恆溫控制系統

10‧‧‧感測單元

11‧‧‧座體

111‧‧‧第一面

12、S1~Sn、S11、S12、S13‧‧‧溫度感測器

20‧‧‧處理單元

21‧‧‧微處理器

22‧‧‧PID(比例-積分-微分)控制器

30‧‧‧冷卻單元

31‧‧‧噴頭

32‧‧‧葉片

32A‧‧‧第一葉片

32B‧‧‧第二葉片

321A‧‧‧第一馬達

321B‧‧‧第二馬達

33‧‧‧冷卻機

34‧‧‧節流閥

35‧‧‧管體

40‧‧‧工具機

41‧‧‧主軸頭部結構

50‧‧‧刀具

60‧‧‧工件

200‧‧‧加工恆溫控制方法

202~206‧‧‧加工恆溫控制方法之步驟

A‧‧‧第一長度延伸方向

B‧‧‧第二長度延伸方向

θ、θ1、θ2、θ3‧‧‧角度

圖1為本揭露之加工恆溫控制系統之架構示意圖。

圖2為本揭露之加工恆溫控制系統實施例之部分結構示意圖。

圖3為本揭露之加工恆溫控制系統之冷卻單元實施例之結構示意圖。

圖4為本揭露之加工恆溫控制系統之溫度感測器設置實施例示意圖。

圖5為本揭露之加工恆溫控制系統設置三個溫度感測器之實施例示意圖。

圖6為本揭露之加工恆溫控制方法之流程圖。

請參閱圖1及圖2所示，本揭露提出之加工恆溫控制系統100，其包含一感測單元10、一處理單元20及至少一冷卻單元30。於一工具機40上，利用刀具50對一工件60進行加工(例如切削、鑽孔等等)，利用本揭露之加工恆溫控制系統100感測工件60於加工過程中之溫度分布狀況，並針對工件60之高熱區域進行冷卻，以達到加工恆溫控制。

請參閱圖2所示，感測單元10包括一座體11與複數溫度感測器12。座體11具有一第一面111朝向工件60，溫度感測器12設置於第一面111。座體11的形狀與尺寸不限，溫度感測器12的數量、設置位置不限，依實際所需設計，例如，視工件60的大小、切削範圍而定，座體11可為一圓形、矩形或任意形狀之板體，溫度感測器12可環狀、線性排列或陣列於座體11之第一面111上。溫度感測器12可為紅外線溫度感測器或紅外線顯像儀其中之一或組合。溫度感測器12的感測範圍以能涵蓋工件60整體為適當。利用感測單元10感測工件60之溫度分布狀況，將感測單元10架設在工具機40加工主軸頭部結構41上，感測單元10可隨著主軸頭部結構41在加工時的移動而偵測工件60的加工溫度。或者，亦可將感測單元10固定在工具機40的一適當位置而不隨著移動，只須考量偵測加工區域面積足夠即可。

請參閱圖1所示，處理單元20與感測單元10耦接，處理單元20包括一微處理器21與一PID(比例-積分-微分)控制器22。微處理器21用以處理感測單元10所感測到的溫度分布狀況，並求出一位於工件60之一高熱點位置，且輸出一溫度訊號；PID(比例-積分-微分)控制器22用以根據溫度訊號控制冷卻單元30。

請參閱圖1至圖3所示，冷卻單元30包括一噴頭31及複數葉片32。噴頭31連接一冷卻機33與一節流閥34。於冷卻機33內設有冷卻流體(液體或氣體)，冷卻流體可由噴頭31輸出。節流閥34用以調節由噴頭31輸出之冷卻流體之流量。圖2顯示噴頭31連接一可調整噴向之管體35，藉由管體35可連接於冷卻機33(未圖示)與節流閥34(未圖示)。

複數葉片32包括複數第一葉片32A與複數第二葉片32B。每一第一葉片32A具有一第一長度延伸方向A，複數第一葉片32A彼此以第一長度延伸方向A相互平行排列。每一第二葉片32B具有一第二長度延伸方向B，複數第二葉片32B彼此以第二長度延伸方向B相互平行排列，第二方向B舉例與第一方向A相互垂直。複數第一葉片32A連接一第一馬達321A，複數第二葉片32B連接一第二馬達321B，第一馬達321A與第二馬達321B與處理單元20耦接。可由處理單元20分別控制第一馬達321A與第二馬達321B，進而由第一馬達321A驅動複數第一葉片32A連動擺動，由第二馬達321B驅動複數第二葉片32B連動擺動。

請參閱圖4所示，說明本揭露感測溫度及進行溫度運算的方法，求得多個感測器中最高區域的溫度角度及方向。圖4顯示將n個溫度感測器S1~Sn舉例呈環狀等角度均分放置於一個平面象限中，可利用以下所定義的計算方法來找出溫度最高點、最低點以及方向。

其中，以每個溫度感測器S1~Sn所量測到的溫度值分別為T ₁ 、T ₂ 、T ₃ 、T ₄ 、T ₅ 、T ₆ 、...、T _n-1 、T _n，利用溫度感測器S1~Sn對加工工件進行偵測，以各角度平均分配為考量，每一感測器間 的角度為360°除以n以進行溫度運算：

經計算完之熱區溫度為：T ₀=T _i -V _x

利用數值計算找出V _x 與V _y 值，進而換算出角度θ的值與溫度，而定位出較高、較低或特定起點的溫度向量。溫度運算方式決定後，接續決定最高(Max)與對最低(Min)溫度的指向，最低溫度的指向其實為最高溫度的指向之反方向，如此即可定義求出最高溫度之角度θ。

請參閱圖4說明各參數之定義，其中：Ox為象限之X方向大小；Oy為象限之Y方向大小；T ₀ 為高溫區域溫度中心點之溫度；Vx為最高溫度之X夾角分量；Vy為最高溫度之Y夾角分量；Ti為高溫區域各點之溫度值。

請參閱圖5所示，說明採用三個溫度感測器以計算溫度檢測點的高溫區域與指向。圖5顯示由三個溫度感測器S11、S12、S13進行加工工件的溫度量測，每個溫度感測器S11、S12、S13所測 到之溫度分別為T ₁ 、T ₂ 、T ₃，將所檢測到的溫度進行計算，利用這3個溫度感測器S11、S12、S13對加工工件進行偵測，若以各角度分配為考量，每一感測器S11、S12、S13的角度θ1、θ2、θ3為隨機，進行溫度運算：(n=3)

T ₀=T _i -V _x

當θ_Max≦180°時，因此，θ_Min=θ_Max+180°

當θ_Max>180°時，因此，θ_Min=θ_Max-180°

經由上述公式即可計算出高熱點位置。值得說明的是，由於冷卻流體所流經面積舉例可涵蓋+/-3公分的位置，因此計算出來的高熱點位置誤差只要在+/-3公分的距離內均可達到冷卻之效果。

請參閱圖1至圖3所示，根據上述計算，由處理單元20的微處理器21處理感測單元10所感測到的溫度分布狀況，並求出一位於工件60之高熱點位置及輸出一溫度訊號，再由PID(比例-積分-微分)控制器22根據溫度訊號分別控制冷卻單元30之第一馬達321A與第二馬達321B，進而控制第一葉片32A與第二葉片32B之擺動角度，使冷卻流體可針對高熱點位置輸出。此外，由於噴頭31連接於冷卻機33與節流閥34，因此可由處理單元20根據高熱點位置之溫度，控制冷卻機33以控制冷卻流體之溫度，以及， 根據高熱點位置之溫度，控制節流閥34之電壓，進而控制冷卻流體之流量。

請參閱圖6所示，根據以上所述，可歸納出利用本揭露之加工恆溫控制系統100之加工恆溫控制方法，其流程200包括以下步驟：步驟202：由感測單元10感測工件60之溫度分布狀況；步驟204：由處理單元20處理溫度分布狀況並求出一位於工件60之高熱點位置；以及步驟206：由處理單元20調整冷卻單元30之葉片32之角度，使冷卻流體朝向該高熱點位置輸出。

綜上所述，本揭露所提供之加工恆溫控制系統及利用其之方法，係利用溫度計算方法來偵測工具機於加工時，工件因刀具高速切削而產生的高溫，藉由此溫度計算所得到的溫度訊號來調整冷卻流體的出風口方向、流量及溫度對加工工件的高熱點位置進行熱交換，因此能有效檢出切削高熱區域、有效降低工件熱溫昇及減少熱誤差、增加冷卻流體噴流效率，而且不會影響結構溫昇變形。

值得強調說明的是，目前市售產品之紅外線測溫儀只能顯示溫度數值，尚無法對溫度訊號進行後處理。換言之，本案之感測單元並非只是單純感測及顯示溫度數值，本案設有複數個感測器與處理單元結合，經由處理單元分析並求出一高熱點位置，並可針對該高熱點位置之溫度調整冷卻單元的方向及冷卻流體之流量及溫度，而本揭露之架構並未見於習知技術。

惟以上所述之具體實施例，僅係用於例釋本揭露之特點及功 效，而非用於限定本揭露之可實施範疇，於未脫離本揭露上揭之精神與技術範疇下，任何運用本揭露所揭示內容而完成之等效改變及修飾，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。

100‧‧‧加工恆溫控制系統

10‧‧‧感測單元

11‧‧‧座體

12‧‧‧溫度感測器

20‧‧‧處理單元

21‧‧‧微處理器

22‧‧‧PID(比例-積分-微分)控制器

30‧‧‧冷卻單元

31‧‧‧噴頭

32‧‧‧葉片

33‧‧‧冷卻機

34‧‧‧節流閥

Claims (16)

1. 一種加工恆溫控制系統，其包含：一感測單元，用以感測一工件之溫度分布狀況；一處理單元，與該感測單元耦接，用以處理該溫度分布狀況並求出一位於該工件之一高熱點位置；以及至少一冷卻單元，其包括：一噴頭，供冷卻流體輸出；複數葉片，以一角度設置於該噴頭，該複數葉片與該處理單元耦接，由該處理單元控制該複數葉片之該角度，使該冷卻流體朝向該高熱點位置輸出。
2. 如申請專利範圍第1項所述之加工恆溫控制系統，其中該感測單元包括：一座體，具有一第一面朝向該工件；以及複數溫度感測器，呈環狀設置於該第一面，由該複數溫度感測器感測該工件之該溫度分布狀況。
3. 如申請專利範圍第2項所述之加工恆溫控制系統，其中該溫度感測器為紅外線溫度感測器或紅外線顯像儀其中之一或組合。
4. 如申請專利範圍第1項所述之加工恆溫控制系統，其中該複數葉片包括：複數第一葉片，與該處理單元耦接，每一該第一葉片具有一第一長度延伸方向，該複數第一葉片彼此以該第一長度延伸方向相互平行排列並由該處理單元驅動；以及複數第二葉片，與該處理單元耦接，每一該第二葉片具有一第二長度延伸方向，該複數第二葉片彼此以該第二長度延伸方 向相互平行排列並由該處理單元驅動，該第二長度延伸方向與該第一長度延伸方向相互垂直。
5. 如申請專利範圍第4項所述之加工恆溫控制系統，其中該複數第一葉片連接一第一馬達，該複數第二葉片連接一第二馬達，該第一馬達與該第二馬達與該處理單元耦接，由該處理單元分別控制該第一馬達與該第二馬達驅動該複數第一葉片與該複數第二葉片。
6. 如申請專利範圍第1項所述之加工恆溫控制系統，其中該噴頭連接一冷卻機，該冷卻流體設置於該冷卻機內，該處理單元根據該高熱點位置之溫度，控制該冷卻機以調整該冷卻流體之溫度。
7. 如申請專利範圍第1項所述之加工恆溫控制系統，其中該噴頭連接一節流閥，該處理單元根據該高熱點位置之溫度，控制該節流閥之電壓，以控制該冷卻流體之流量。
8. 如申請專利範圍第1項所述之加工恆溫控制系統，其中該處理單元包括：一微處理器，用以求出該高熱點位置並輸出一溫度訊號；以及一PID(比例-積分-微分)控制器，用以根據該溫度訊號控制該複數葉片之該角度。
9. 一種加工恆溫控制方法，其包含：由一感測單元感測一工件之溫度分布狀況；由一處理單元處理該溫度分布狀況並求出一位於該工件之高熱點位置；以及 由該處理單元調整至少一冷卻單元之葉片之角度，使冷卻流體朝向該高熱點位置輸出，該冷卻單元具有一噴頭，該複數葉片設置於該噴頭內。
10. 如申請專利範圍第9項所述之加工恆溫控制方法，其中該感測單元包括：一座體，具有一第一面朝向該工件；以及複數溫度感測器，呈環狀設置於該第一面，由該複數溫度感測器感測該工件之溫度分布狀況。
11. 如申請專利範圍第10項所述之加工恆溫控制方法，其中該溫度感測器為紅外線溫度感測器或紅外線顯像儀其中之一或組合。
12. 如申請專利範圍第9項所述之加工恆溫控制方法，其中該複數葉片包括：複數第一葉片，與該處理單元耦接，每一該第一葉片具有一第一長度延伸方向，該複數第一葉片彼此以該第一長度延伸方向相互平行排列並由該處理單元驅動；以及複數第二葉片，與該處理單元耦接，每一該第二葉片具有一第二長度延伸方向，該複數第二葉片彼此以該第二長度延伸方向相互平行排列並由該處理單元驅動，該第二長度延伸方向與該第一長度延伸方向相互垂直。
13. 如申請專利範圍第12項所述之加工恆溫控制方法，其中該複數第一葉片連接一第一馬達，該複數第二葉片連接一第二馬達，該第一馬達與該第二馬達與該處理單元耦接，由該處理單元分別控制該第一馬達與該第二馬達驅動該複數第一葉片與 該複數第二葉片。
14. 如申請專利範圍第9項所述之加工恆溫控制方法，其中該噴頭連接一冷卻機，該冷卻流體設置於該冷卻機內，該處理單元根據該高熱點位置之溫度，控制該冷卻機以調整該冷卻流體之溫度。
15. 如申請專利範圍第9項所述之加工恆溫控制方法，其中該噴頭連接一節流閥，該處理單元根據該高熱點位置之溫度，控制該節流閥之電壓，以控制該冷卻流體之流量。
16. 如申請專利範圍第9項所述之加工恆溫控制方法，其中該處理單元包括：一微處理器，用以求出該高熱點位置並輸出一溫度訊號；以及一PID(比例-積分-微分)控制器，用以根據該溫度訊號控制該複數葉片之該角度。