| 工業基礎專欄 | 工具機主軸冷卻控制技術

前言 
傳統工具機之冷卻機均以恆定溫度和流量的控制方式進行冷卻，並非依照加工負荷的變化改變冷卻目標，造成低負載加工時主軸過冷，高負載加工主軸過熱，導致加工時主軸熱變位不斷變化，使表面產生斷差影響工件精度。近年智慧機械已是全球工具機產業的既定趨勢，工具機周邊模組須進行數位轉型升級和跨界整合，傳統冷卻機既有的功能再融入IoT (Internet of Things) 科技和智能化控制技術，可以提升機台加工精度，並創造更高附加價值。本文將針對主軸冷卻控制技術及其自適應模型部分進行介紹，相關研究成果可以提供業界參考。
工具機主軸冷卻控制技術
工具機精度變異包含靜態幾何誤差與動態熱誤差，加工時熱變位所造成之誤差可占整體誤差之70% [1-3]
，熱變位所造成原因有切削時的工件熱變形、外在或內在工作環境的變異和主軸熱變位，主軸熱變位包含主軸熱伸長和主軸發熱帶給頭部鑄件非線性變形。熱源跑到鑄件會造成冷機與熱機加工變異量過大，每次開機須讓機台空跑暖機，造成能源及工時的浪費。
本研究冷卻機使用STM32微控制器(Microcontroller Unit)與機台控制器連線進行控制，擷取控制器加工狀態訊號，包含主軸轉速、主軸負載和主軸與機體溫度差，由先期實驗建立的機器學習模型，即時執行自適應的變冷卻液流量和溫度的控制方法，如圖1所示為冷卻機控制系統架構圖。變冷卻液溫度的控制方法，主要是控制主軸溫度與機體溫度恆定，避免主軸之熱源傳遞至鑄件，造成機台暖機時間增加;主軸於低轉速加工和高轉速加工發熱相差極大，當主軸轉速突然提高時，會造成主軸發熱驟升，改變冷卻液溫度需要一定時間差，若單純控制冷卻液溫度緩不濟急，應用變冷卻液流量的控制方法，能在短時間提高冷卻液流量，增加冷卻液熱傳導量，避免主軸溫升所造成的主軸熱伸長。由能量平衡方程式(Energy balance equation)(1) [4]可知要提高主軸冷卻熱傳量可以改變質量流率和冷卻機出入口溫度差，定壓比熱是由冷卻液種類決定，如水或油其數值是無法改變的;質量流率只要改變冷卻液泵的頻率，約1秒鐘就能改變質量流率，短時間就能提高主軸冷卻熱傳量，與主軸轉速和發熱同步。冷卻機出入口溫度差需要改變壓縮機的頻率，壓縮機的頻率提高會使冷凍循環的冷媒降低溫度，低溫的冷媒還要經過熱交換器與冷卻液進行熱交換，改變油箱內冷卻液溫度的時間會相當久，長週期變動的發熱因素才會使用變冷卻液溫度方法去抑制。
  

                   (1)
其中，Q(w)是熱傳量，̇(kg/s)是質量流率(本研究控制變數)，cp(KJ/Kg-℃)定壓比熱(冷卻液為定值)，∆T(℃)冷卻機出入口溫度差(本研究控制變數)。
本研究訓練出來的冷卻液泵頻率模型，與主軸轉速之關聯性較高，與主軸負載和主軸與機體溫度差關聯性較低。冷卻液泵採用變流量開迴路控制，控制頻率來調整主軸熱交換率，由主軸轉速、主軸負載和主軸溫度即時執行正確的變流量控制模型。低負載加工時降變頻馬達和泵轉速，減少流速降低熱交換率;高負載加工時提高變頻馬達和泵轉速，增加流速提高熱交換率，使主軸熱變位維持於設定之範圍。