數控機床高精度電主軸變頻溫控制冷機的研發與應用
2020-11-17 來源：三河同飛制冷股份有限公司 作者： 劉振波
一、概述
隨著科技的不斷發展，制造行業對生產母機的要求越來越高，高速高效、高精度、多功能、智能化已經成為對各類數控機床的通用要求。在現代工業生產中，“高速” 代表數控機床主軸的轉速以及工作行程的快速響應，是提高生產效率的重要指標 ; “高精度” 則是指數控機床自身幾何精度和加工精度，反映為被加工件的幾何尺寸和表面質量 ; “多功能” 則是將加工內容的集中整合，在一臺機床上實現多種加工任務，縮短生產周期 ; “智能化” 反映機床的通訊功能，可以通過遠程技術、網絡技術、云服務等遠程控制機床，逐漸實現工廠的 “無人化”。這些技術在各類數控裝備中得到越來越廣泛的應用，正在成為當今金切加工的主流技術。高精度、高轉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、精密加工等尖端制造領域凸顯其重要性。高檔數控機床，如并聯運動機床、五面體加工中心、多功能復合加工中心、高精度坐標磨床、高精度雕刻機等，都必須采用高速電主軸，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，與機床高速進給系統、刀具系統一起組成高速切削所需要的必備條件。電主軸技術與電機變頻、閉環矢量控制、交流伺服控制等技術相結合，可以滿足車削、銑削、鏜削、鉆削、磨削等金屬切削加工的需要。目前國內外電主軸技術的發展十分迅速，各生產廠商都在高速、高精度、高可靠性等方面進行持續的科技攻關，以期形成自身的特色，占領電主軸技術發展的制高點。
目前，加工中心的主軸轉速大多在 18000~42000r/min，德國 Kugler 公司的五軸高精度銑床，其最高主軸轉速達160000r/min(采用空氣軸承)。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。
由于電主軸將電機集成于主軸單元中，且轉速很高，運轉時會產生大量熱量，引起電主軸溫升，使電主軸的熱態特性和動態特性變差，熱量會使主軸頭整體升溫，軸線將發生偏離以及軸伸長變形，從而嚴重影響電主軸的回轉精度和加工精度。據統計，熱變形引起的加工誤差占 40％ ~70％，因此必須采取一定措施控制電主軸的溫度，使其恒定在一定值內。數控機床目前采取強制循環液冷卻的方式對電主軸的定子及主軸軸承進行冷卻，即將經過冷卻裝置的冷卻液強制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。
主軸溫度變化越小，其熱變形越小，加工精度越高且穩定，所以液體冷卻機的液溫控溫精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，制冷機的液溫控制精度提高，是高精度機床發展的必備條件。
二、產品性能介紹
1.方案介紹
工業制冷行業通用的制冷機精度控制方式為壓縮機啟停，通常液溫控制精度在 ±1~2℃。目前機床使用的冷水機最高可以做到 ±0.1℃，實現方法有如下幾種方案 :
（1）壓縮機運轉，用加熱管來抵消恒定輸出的部分制冷量以達到控制精度的穩定性。此方案能耗較高，一般不采用。
（2）壓縮機運轉，通過電磁閥開關調節壓縮機制冷與制熱比例，達到控制液溫精度的目的。缺點是電磁閥的機械動作壽命會影響整機的可靠性，另外因電磁閥單位時間內的動作次數的限制，使此方案不能將液溫精度控制的更高。
（3）使用變頻壓縮機，通過控制壓縮機轉速進行制冷量的調節。因無動作次數的限制，所以大大提高制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% 無極調節，可以保證液溫控制精度更高且更加穩定。
另外，變頻壓縮機可以根據負載不同自動調整壓縮機的運轉頻率進行能量調節，更加節能。變頻壓縮機分為交流變頻和直流變頻。交流變頻壓縮機，通過控制器 2 次調節電壓轉換，相對于定頻壓縮機不會頻繁起停，從而達到節能的目的。直流變頻壓縮機只經過一次電壓轉換，同直流電機類似，去掉了電路中的銅損，故相對于交流變頻能節省 18%~40% 的電能。
采用變頻壓縮機缺點是成本偏高，隨著近年變頻壓縮機技術的成熟，價格相對定頻壓縮機差距越來越小，已不是限制其使用的客觀條件，故采用變頻壓縮機的高精度制冷機控制方案是目前的首選。
2.性能介紹
目前行業內使用變頻壓縮機的制冷機主要為日本廠家，其中以日本大金為代表。歐洲制冷機行業還未使用變頻壓縮機，主要以制冷系統電磁閥開關控制精度為主。國內工業變頻制冷機還是空白，各制冷機廠家還屬于剛剛起步階段，未實現高精度變頻控制功能。本產品與日本大金變頻制冷機性能持平，填補國內此行業的空白，為國內高檔高精度機床發展提供可靠的先決條件。性能參數指標如下表所示 :
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
冷凝壓力是制冷循環 中的主要運行參數之一，直接影響到制冷機的制冷效果。對于一臺采用風冷式冷凝器的制冷機，環境溫度是引起冷凝壓力波動的主要因素，如果環境溫度降低的話，冷凝壓力也相應降低。變頻制冷機低頻工作點相應降低，在低負載運行時控制精度很難維持，采用冷凝風機調速維持固定的冷凝溫度，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，變頻制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，驅動系統采用 PID 的控制方式調節冷凝風機轉速，使冷凝溫度恒定。因為冷凝溫度與冷凝壓力具有對應關系，所以保證冷凝壓力恒定，使外界環境溫度的變化不會影響控制精度。
（3）技術特點
變頻制冷機利用控制風機轉速維持冷凝壓力恒定，可以有效減少整個控制系統精度調節過程中的外界影響因素，使精度調節更穩定可靠。
2.熱氣旁通補償技術
（1）概要
變頻壓縮機最低工作轉速一般在 700~900r/min，變頻壓縮機頻率降到最低，但依然會出現制冷量大于熱負荷的情況，這時候熱蒸氣補償閥控制板會控制熱蒸汽補償閥將未冷凝的高溫高壓制冷劑熱蒸汽補 償到蒸發器中中和制冷量，使制冷系統可以在零負載情況下依然能保證極高的液溫控制精度。
（2）創新點
變頻制冷機根據外界負載的變化速率、壓縮機的轉速和環境溫度等條件判斷出當前制冷系統是否可以維持精度穩定。當負載持續降低、壓縮機接近最低轉速和環境溫度低于特定系統設定值時，熱蒸汽補償的電子膨脹閥就會開啟，利用壓縮機排出的熱蒸汽抵消通過節流電子膨脹閥到蒸發器中的冷量，控制系統會根據溫度的變化調節節流電子膨脹閥和熱蒸汽補償電子膨脹閥的開度，使變頻制冷機 0~100% 負載變化都能夠保持很高的液溫控制精度。
（3）技術特點
變頻制冷機熱蒸汽補償有效地解決了高精度變頻制冷機低負載（20% 以下）工況時的精度控制問題，較傳統的加熱管補償方案，在同等條件下節約 50% 的電能消耗。
樣機測試曲線
3.變頻壓縮機控制技術
（1）概要
380V 動力電整流成 540V的直流電，通過直流變頻控制器驅動直流永磁電動機900r/min~7000r/min 的轉速下工作，帶動壓縮氣缸。根據系統的溫度變化通過直流變頻控制器改變輸出頻率，從而實現不停機的高精
度控制。
（2）創新點
①采用動力電源 380V 直接輸入得到高壓540V 的直流電，和機床電源完全一致.
② 寬 電 源 范 圍， 由 于 采 用 高 壓 直 流 方式，通過開關元件的 PWM 輸出方式可以實現260~480V 的寬電源范圍，使制冷機對電源的適應能力更強。
③過電流降頻運行模式 : 變頻壓縮機控制系統嵌入了自保護程序，當檢測到控制系統電流達到最大允許電流的 95% 時，自動降低上限頻率20Hz, 保證制冷機正常運行。
④ EMI 控制技術 : 采用差模抑制和共模抑制兩種方式抑制干擾信號，同時采用電抗續流方式抑制波形畸變。
（3）技術特點
變頻壓縮機控制技術，采用了高壓整流方式，對電源的適應能力大幅度提高。對于中國國內的電源制式可以完全適用，即便當電源電壓降低 / 升高到額定值的 ±20% 惡劣工況，本系統也可以輕松兼容。此外本系統還能完全兼容英制 415V/50Hz， 歐洲 400V/50Hz， 美國 460V/60Hz 甚 至 480V/60Hz 的電源制式。采用電源跳線還能兼容日本、韓國、臺灣的200V/50-60Hz 的電源。可以說使用范圍幾乎涵蓋全球任意一種動力電源制式。變頻壓縮機采用高溫冷媒 R134a 結合過電流降頻運行模式，可以使環境溫度適用范圍提升到 5~55℃，可適應中國、歐美、日本、甚至東南亞、中東、非洲等國家與地區的各種環境條件。
四、成果應用及推廣情況
本產品屬于高精度變頻工業制冷機，其主要應用場合 : 數控機床高轉速電主軸、水冷式伺服電機、高速直線電機、對液溫控制精度要求嚴格的各類高端數控機床切削液和液壓站等。
深圳市創世紀機械有限公司、嘉泰數控科技股份公司等生產的高精度雕銑機、加工中心，廣泛應用于 3C 產品（計算機、通訊、消費類電子產品）雕刻及高精度模具加工等精密加工行業。在零件加工過程中精確地控制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，可以使主軸溫度精確，恒定地控制在預設的溫度，使電主軸熱變形最小，從而得到尺寸精確、加工表面粗糙度最小的零件。
數控機床行業的不斷發展，對高精度變頻制冷機的需求也逐年旺盛，加之其優異的精度控制和節能、環保特點，使機床的加工精度、穩定性、節能指標等得到顯著提升。
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