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數控機床高精度電主軸變頻溫控製冷機的研發與應用

2020-11-17 來源：三河（hé）同飛製冷股份有（yǒu）限公司（sī）作（zuò）者：劉振波

一（yī）、概述

隨著科技的不斷發展，製造（zào）行業對生產（chǎn）母機的要求越來越高，高速高效、高精度、多功能、智能化已（yǐ）經成為對各類數控機床的通用要求。在（zài）現代工業生產中，“高速” 代表數控機床主（zhǔ）軸的轉速（sù）以及工作行程（chéng）的快速響應，是提高生產效（xiào）率（lǜ）的重要指（zhǐ）標 ; “高精度” 則是指數控機床自（zì）身幾（jǐ）何精度和加工精度，反映為被加（jiā）工件的幾何尺寸和表麵質（zhì）量 ; “多功能” 則（zé）是將加工內（nèi）容的集中整合，在一台機床上實（shí）現多種加工任務，縮短生產周期（qī） ; “智能化” 反映機床（chuáng）的通訊功能，可以通過遠程技術、網絡技術（shù）、雲服務等遠程控製機床，逐漸實現工廠的 “無人化”。這些技（jì）術在各類數控裝備中得到越來（lái）越廣泛的應（yīng）用，正在成（chéng）為當今金切加（jiā）工的主流技術。高精度、高轉（zhuǎn）速數控機床主軸單元（即 : 高速電主軸）是承載高速切削技術的主（zhǔ）體之一，是高速高效、高精度數控機床的核心功能部件，在航空航天、汽車、船舶、軍工、精密模具、精密（mì）加工等尖端製造領域凸顯其重要性。高檔數控機床，如並聯運動機床（chuáng）、五麵體加工中心（xīn）、多功能複合加工中（zhōng）心、高精度坐標磨床、高精度雕刻機等，都必須采用（yòng）高速電主軸，方能滿足完善的功能要求。

電主軸由內裝式電機直接驅動，以滿足高速切削對機床 “高速度、高精度、高可靠性及小振動”的要求（qiú），與機床高速進給係統、刀具係統一起組成高速切（qiē）削所需要的必備條件。電主軸技（jì）術（shù）與電機變（biàn）頻、閉（bì）環矢量（liàng）控製、交流（liú）伺服控製等技術相結合，可以滿足車削、銑削、鏜削、鑽削、磨削（xuē）等金屬切削加工（gōng）的需要。目（mù）前國內外電（diàn）主（zhǔ）軸技術（shù）的發展十分迅速，各生產廠商（shāng）都（dōu）在高速、高精度、高可靠性等方麵進行持續的科技攻（gōng）關，以期（qī）形成自身的特色，占領電主軸技術發展的製（zhì）高點。

目前，加工（gōng）中心的主軸轉（zhuǎn）速大多在 18000~42000r/min，德國 Kugler 公司的五軸高精度銑床，其最（zuì）高主軸轉速達160000r/min(采（cǎi）用空氣軸承（chéng）)。德國 Fraunhofer 生產術研究所正在開發轉速為 300000r/min的空氣軸承支撐的電主軸。

由於電主軸將電機集成於主軸單（dān）元中，且轉速很高，運轉時會產生大（dà）量熱量，引起電主軸溫升，使電主軸的熱態特性和動態特（tè）性變差，熱量會使主軸頭整體升溫，軸線將發生（shēng）偏（piān）離以及軸伸長變形，從而嚴重影響電主軸的回轉（zhuǎn）精度和加工精度。據（jù）統計，熱變形引（yǐn）起的加工誤差占（zhàn） 40％ ~70％，因此必須（xū）采取（qǔ）一定措施控製電主軸的溫度（dù），使其恒定在一定值內。數控機床目前采取強製循環液冷卻（què）的方式對電主軸的定子及主軸軸承進行冷（lěng）卻，即將經過冷卻裝置的冷卻液強製性地在主軸定子外和主軸軸承外循環，帶走主軸高速旋轉產生的熱量以保證其熱穩定性。

主軸溫度變（biàn）化越小，其熱（rè）變形越（yuè）小，加工精（jīng）度越高且穩定，所以液體冷卻機的（de）液溫控溫精（jīng）度是保證高檔數控機床加工精度的重要保障。作為高精度機床的重要輔助設備，製（zhì）冷機的液溫控（kòng）製精（jīng）度提高，是高精度機床發展的必備條件。

二、產品性（xìng）能介紹

1.方案介紹

工業製（zhì）冷行業通用的製冷機精度控製（zhì）方式為壓（yā）縮機啟（qǐ）停，通常液（yè）溫控製（zhì）精度在 ±1~2℃。目前機床使用的冷水機最高（gāo）可以做到 ±0.1℃，實現（xiàn）方法有如下幾（jǐ）種方案 :

（1）壓縮機運轉，用（yòng）加熱管來抵消恒定（dìng）輸出的部分製（zhì）冷量以達（dá）到控製精度的穩定性。此方案能耗較高，一般不采用（yòng）。

（2）壓縮機（jī）運（yùn）轉，通過電磁閥開關調節（jiē）壓縮機製冷與製熱比例，達到控製（zhì）液溫（wēn）精度的目的。缺點是電磁閥的機械（xiè）動作（zuò）壽命會影響整機的可靠性，另（lìng）外（wài）因電磁閥單位時間內的動作次數的限製（zhì），使此（cǐ）方案不能將液（yè）溫精度控製的更高。

（3）使（shǐ）用變頻壓縮機，通過（guò）控製壓（yā）縮機轉速進行製冷量的調節。因無動作次數的限（xiàn）製，所以大（dà）大提高製冷機的可靠性和整機壽命。因為變頻壓縮機轉速可以在 25%~100% 無（wú）極（jí）調節，可以保證液溫控製精度更高（gāo）且更加（jiā）穩定。

另外，變頻壓縮機可以根據負載不同自動調整壓（yā）縮機的運轉頻（pín）率（lǜ）進行能量調節，更加節（jiē）能。變頻壓縮機分為交流變頻和直流變頻。交流變頻壓縮機，通過控製器 2 次調節電壓轉換，相（xiàng）對於定頻壓縮機不（bú）會（huì）頻（pín）繁起停，從而（ér）達到節能的目的。直流變頻壓縮機隻（zhī）經過一次電壓（yā）轉換，同直流電機類似，去掉了電路中的銅損，故相（xiàng）對於交（jiāo）流（liú）變頻能節省 18%~40% 的電能。

采（cǎi）用變（biàn）頻壓縮機缺點是成本偏高（gāo），隨著近年變頻壓縮機技術的成熟，價格相（xiàng）對定（dìng）頻壓縮機差距越來越小，已不是限製其使用的客觀條件，故采用變頻壓縮機（jī）的高精度製冷機控製方案是目前的首選。

2.性能介紹（shào）

目前行業內使用變頻壓縮機的製冷機主要為日本（běn）廠家，其中以日本大金為代表。歐洲製冷機行業還未使用變頻壓縮機，主要以製冷係統（tǒng）電磁閥開關控（kòng）製精度為主。國內工業變頻製冷機還（hái）是空白（bái），各製（zhì）冷機廠（chǎng）家還屬（shǔ）於剛剛起步階段，未（wèi）實現高精度變頻控製（zhì）功能。本產品與日本大金變頻製冷機性能持平，填補國內此行業的空白，為國內高（gāo）檔高（gāo）精（jīng）度機床發展提供可靠的（de）先決條件。性能參數指標如下（xià）表所示 :

三、新技術的應用情況

1.風機調速穩定冷凝壓力技術

（1）概要

冷凝（níng）壓力是製冷循（xún）環（huán）中的主要運行參數之一，直接影響到製冷機的（de）製冷效果。對於一台采用風冷式冷凝器的製冷（lěng）機，環境溫度是引起冷凝壓力波動的主要因素（sù），如果環境溫度降低的話，冷凝壓力也相應降（jiàng）低。變頻製冷機（jī）低頻工作點（diǎn）相應降低，在低負載運行（háng）時控製精度很難維（wéi）持，采用（yòng）冷凝風機調速維（wéi）持固定（dìng）的冷凝溫度，確保低溫環境的可靠性，同時起到節能的效果。

（2）創新點

冷凝壓力與冷凝溫度是一一對應的，變頻製冷機采用直流調速風機，根據預設定的冷凝壓力對應的溫度，驅（qū）動係統采用 PID 的控製方（fāng）式調節（jiē）冷凝風機轉速，使冷凝溫度恒定。因為冷凝溫度與冷凝壓力具有對應關係，所（suǒ）以保證冷凝壓力恒定，使外（wài）界環境溫度的變（biàn）化不會影響控（kòng）製精度（dù）。

（3）技術特點

變（biàn）頻製冷機利用控製（zhì）風機轉速維持冷凝壓力恒（héng）定，可以有效減少整個（gè）控製係統精度調節過程中的外界影響（xiǎng）因素，使（shǐ）精度調節更穩定可（kě）靠。

2.熱氣旁通補償技術（shù）

（1）概要

變頻壓縮機最低工作轉（zhuǎn）速一般在 700~900r/min，變頻壓縮機（jī）頻率（lǜ）降到最低（dī），但依然（rán）會出現製冷量大於熱負（fù）荷的情況，這時候熱蒸氣補償閥控製板會控製熱蒸汽補償閥將未冷凝的高溫高壓製冷劑熱蒸汽補償到蒸發器（qì）中中和製冷量，使製冷係（xì）統可以在（zài）零負載情況下依然能保證極高的液溫（wēn）控製精（jīng）度。

（2）創新點

變頻製冷機根據外界負載（zǎi）的變（biàn）化速率、壓縮機的轉速和環境溫度（dù）等條件判斷出當前（qián）製冷係統是否可以維（wéi）持精度穩定。當負載持續（xù）降低、壓縮機接近最低轉速和環境溫度低於特定係統設定值時，熱蒸汽補償的（de）電子膨脹閥就會開啟，利（lì）用壓縮機（jī）排出的熱（rè）蒸汽抵消通（tōng）過節流電子膨脹閥到（dào）蒸發器中的冷量，控製係統會根據溫度的變化調節節流電子膨脹閥和熱蒸（zhēng）汽補償電子膨脹閥的（de）開（kāi）度（dù），使變頻製冷機 0~100% 負載變（biàn）化都能夠保持很高的液溫控製精度。

（3）技術（shù）特點

變頻製冷機熱蒸汽補（bǔ）償有效地解決了（le）高精（jīng）度變頻製冷（lěng）機低負載（20% 以下）工況時（shí）的精度（dù）控製問題，較傳統的（de）加熱管補償方案，在同等條件下節約 50% 的電能消耗。

樣機（jī）測試曲線

3.變頻壓縮機控製技術

（1）概要

380V 動力電整流成 540V的直流電，通過直流變頻控製器驅動直流永（yǒng）磁電動機900r/min~7000r/min 的轉速下工作，帶動（dòng）壓縮氣缸。根據係統的溫（wēn）度變化通過直流變頻控製器改變輸出（chū）頻率（lǜ），從（cóng）而實現（xiàn）不停機的高精

度控製。

（2）創新點

①采用動力電源 380V 直（zhí）接輸入得到高壓540V 的直流電，和機床電源完全一致.

② 寬電源（yuán）範圍，由於采（cǎi）用高壓直流方式，通過開關元件的 PWM 輸出方式可以實（shí）現260~480V 的（de）寬電源範圍，使製冷機（jī）對電源的適（shì）應能（néng）力更強。

③過電流降頻運行模式 : 變頻壓（yā）縮機控製係統嵌入了自（zì）保護程序，當（dāng）檢測到控製係統電流達到（dào）最大允許電流的（de） 95% 時，自動降低上限頻率20Hz, 保證製冷機正常運行。

④ EMI 控製技術 : 采用差模抑製和共模抑製兩種方式（shì）抑製幹擾（rǎo）信號，同時采用電抗續流（liú）方式（shì）抑（yì）製波形畸變。

（3）技術特點

變（biàn）頻壓縮機控製技術，采用了高壓（yā）整流方式，對電源的適應能力大幅度提高。對（duì）於中國國內的電源製式可以（yǐ）完全適用，即便當電源電壓降（jiàng）低（dī） / 升高（gāo）到額定值的 ±20% 惡（è）劣工況，本係統也可以輕鬆兼容。此（cǐ）外本係統還能完全兼（jiān）容英製 415V/50Hz，歐洲 400V/50Hz，美國 460V/60Hz 甚至 480V/60Hz 的電（diàn）源製式。采用電源跳線還能兼容日本（běn）、韓國、台灣的（de）200V/50-60Hz 的電源。可以（yǐ）說使用範圍（wéi）幾乎涵蓋（gài）全球任意一種動力電源製（zhì）式。變頻壓縮機采用高溫冷（lěng）媒 R134a 結（jié）合（hé）過電流降頻運行模式，可以使環境溫（wēn）度適用範（fàn）圍提升到 5~55℃，可適應（yīng）中國、歐美、日本、甚至（zhì）東南亞、中東（dōng）、非洲等國家與地區的（de）各種環境條件。

四、成果應用及推廣情況

本產品屬於高精（jīng）度變頻工業製冷機，其主要應（yīng）用場合 : 數控機床高轉速電主軸、水（shuǐ）冷式伺服電機、高速直（zhí）線電機、對（duì）液溫控製精度（dù）要求嚴格的各類高（gāo）端數控機床切削液和液壓站等。

深（shēn）圳市創世紀機械有限公司、嘉泰數（shù）控科技股份公（gōng）司等生產的高精度雕銑（xǐ）機、加工（gōng）中心，廣泛應用於 3C 產品（計算機、通（tōng）訊、消費類電子（zǐ）產品）雕刻及高精度模具加工等精密加工（gōng）行業。在（zài）零件加工過程中精確地控製機床主軸溫度具有十分重要的意義，使用高精度變頻水冷卻機，可以（yǐ）使主軸溫度精確，恒（héng）定地控製在預設的溫度，使電主軸熱變形（xíng）最小（xiǎo），從而得（dé）到尺寸精確、加工表麵粗糙度最小的零（líng）件。

數控機床行業的（de）不斷發展，對高精度變頻製冷機的需求也逐年旺盛，加之（zhī）其優異的精度控（kòng）製和節能、環保特點，使機床的加工精度（dù）、穩定性、節能指標（biāo）等得到顯著提升。

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