大連光洋科技工程有限公司 (遼寧 116000)丁云飛 金 蒙

近年來，綠色制造在國際機(jī)床行業(yè)的影響逐漸上升。特別是自金融危機(jī)之后，各大機(jī)床制造廠商紛紛大力發(fā)展高新技術(shù)、加大研發(fā)投入力度，為后金融危機(jī)時(shí)代下一輪產(chǎn)業(yè)升級做準(zhǔn)備。在制造業(yè)生產(chǎn)中，機(jī)械裝備的綠色性能的優(yōu)劣將直接決定產(chǎn)品制造過程對環(huán)境的影響，能源和資源的利用率以及機(jī)械裝備本身在報(bào)廢過程的再利用率和對環(huán)境、生態(tài)的影響;數(shù)控機(jī)床是現(xiàn)代制造業(yè)生產(chǎn)中最主要的生產(chǎn)設(shè)備，綠色制造技術(shù)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用對于制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展將發(fā)揮重大的作用。

大連光洋科技工程有限公司專注于高檔數(shù)控系統(tǒng)的研發(fā)與制造，構(gòu)建完成具有國際競爭力的數(shù)控技術(shù)鏈和產(chǎn)業(yè)鏈，公司十分注重綠色和可持續(xù)發(fā)展，我們在機(jī)床設(shè)計(jì)中更多地采用高能效電動(dòng)機(jī)和變頻技術(shù)，為了降低機(jī)床的能耗，我們設(shè)計(jì)了智能電源。智能電源模塊由三相電源電壓產(chǎn)生一個(gè)可調(diào)節(jié)的穩(wěn)定直流母線電壓，該直流電壓向連接著的伺服驅(qū)動(dòng)器模塊供電。通過技術(shù)創(chuàng)新的智能電源能量回饋功能，可以把電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)能量回饋到電網(wǎng)中，而不是在制動(dòng)電阻中消耗，通過實(shí)施智能再生能量回饋技術(shù)，可節(jié)約能源多達(dá)40%。同時(shí)不會因電網(wǎng)出現(xiàn)電壓波動(dòng)而影響母線電壓的波動(dòng)，提高了工件的加工效果。模塊使能后，可以對直流母線加負(fù)載。智能電源模塊適用于在帶有接地的三相電網(wǎng)系統(tǒng)上直接運(yùn)行。

1.智能電源概述

智能電源采用主動(dòng)性電源技術(shù)，將各軸伺服電動(dòng)機(jī)、主軸電動(dòng)機(jī)減速制動(dòng)時(shí)的能量通過光洋研制的智能電源回饋至電網(wǎng)，在加工需頻繁加減速的工件時(shí)，可節(jié)能40%，平均實(shí)現(xiàn)節(jié)能至少25%，并且提高了伺服驅(qū)動(dòng)的特性。智能電源具有如下特點(diǎn):

(1)采用三相全橋受控整流/逆變技術(shù) 實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床的高功率因數(shù)和能量回饋，同時(shí)提升了數(shù)控系統(tǒng)和伺服驅(qū)動(dòng)的控制性能，在數(shù)控機(jī)床節(jié)能減排的低碳技術(shù)方面實(shí)現(xiàn)了突破。

(2)電源的核心硬件技術(shù) 采用IPM 功率模塊實(shí)現(xiàn)智能的整流/逆變過程，實(shí)現(xiàn)能量在工頻動(dòng)力電網(wǎng)和數(shù)控系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)直流母線間的雙向流動(dòng)。

(3)智能電源原理上通過PWM 可控整流技術(shù)實(shí)現(xiàn) PWM 整流對電網(wǎng)不產(chǎn)生諧波污染，因而是一種真正意義上的綠色環(huán)保電力電子裝置。智能電源原理上通過PWM 可控整流技術(shù)實(shí)現(xiàn)。PWM 整流對電網(wǎng)不產(chǎn)生諧波污染，因而是一種真正意義上的綠色環(huán)保電力電子裝置。

智能電源的原理示意圖如圖1 所示。

2.智能電源的接口及選型介紹

智能電源是將三相交流電整流成直流電，并能將直流電回饋到電網(wǎng)，且對直流母線電壓進(jìn)行閉環(huán)控制，所以又稱調(diào)節(jié)型電源模塊。所以即使電網(wǎng)電壓波動(dòng)，智能電源也能保持母線電壓的穩(wěn)定。智能電源采用高動(dòng)態(tài)響應(yīng)矢量控制，閉環(huán)電流控制，閉環(huán)電壓控制。能量雙向傳輸，功率因數(shù)近似為1。具備完善的故障保護(hù)措施，包括過壓、欠壓、過流、過載、過溫、電網(wǎng)異常等。

圖1 智能電源原理圖

(1)接口問題 圖2 是智能電源的連接示例，為提高安全等級可在回路中加三相熔斷器，智能電源接口的介紹:①接觸器輔助觸點(diǎn)，一端接24V +，另一端根據(jù)CN5 的定義接入相應(yīng)的點(diǎn)。②接觸器控制線圈，一端接電源X2 端子的SR，另一端接L(N)，X2 端子的SL 接N (L)。其中L/N 為控制線圈要求的控制電壓。典型值為單相220VAC。請注意SL-SR 的載流能力，必要時(shí)應(yīng)使用一個(gè)輸出耦合元件。控制線圈不允許其他控制信號接入。電網(wǎng)中其他用電設(shè)備不允許連接到電源接觸器后面。③電源X1 端子的PE 連接到電源濾波器的接地端子。④電氣上保證U-R，V-S，W-T，一一對應(yīng)。

(2)智能電源的選擇 智能電源選型的基本原則是要求智能型電源模塊的額定輸出功率不小于所有主軸電動(dòng)機(jī)連續(xù)輸出功率之和的1.15 倍以及所有伺服軸電動(dòng)機(jī)連續(xù)輸出功率之和的0.6 倍，即智能型電源模塊的額定輸出功率≥∑主軸電動(dòng)機(jī)連續(xù)輸出功率×1.15+∑伺服電動(dòng)機(jī)連續(xù)輸出功率×0.6。

3.智能電源在五軸工具磨床上的應(yīng)用

圖2 智能型電源模塊連接示例

TG3515 五軸工具磨床(見圖3)是一種高精度五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控工具磨床。床身采用礦物鑄石材料。配備大連光洋科技自主研發(fā)的總線式數(shù)控系統(tǒng)GNC61 和磨削工藝軟件系統(tǒng)G—TOOL，加工刀具種類齊全。配備氣動(dòng)鎖刀缸，完成拉刀功能，自動(dòng)調(diào)節(jié)鎖刀壓力。選配自動(dòng)上料裝置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下料，實(shí)現(xiàn)一人看管多臺機(jī)床或無人看管，提高加工效率。選配移動(dòng)中心架，實(shí)現(xiàn)超長刀具加工。本機(jī)型中所采用的數(shù)控系統(tǒng)、智能電源和伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電動(dòng)機(jī)、力矩電動(dòng)機(jī)、主軸電動(dòng)機(jī)以及電主軸全部由大連光洋科技工程有限公司提供，其中A、C 軸采用力矩電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。

本機(jī)床所有軸的功率如附表所示。

圖3 TG3515 五軸工具磨床

機(jī)床所有軸的功率

所有軸總功率=18×1.15+(4.7 +3.0 +7.5 +1.2 +4.7)×0.6=32.86 (kW)

圖4 智能電源在磨床中的應(yīng)用

根據(jù)智能電源的說明書，最后確定智能電源的型號為GDPS045BMF。智能電源在此機(jī)床中的實(shí)際應(yīng)用如圖4 所示。

由于該機(jī)型填補(bǔ)了國內(nèi)空白，在2011 年的北京機(jī)床展上引起了業(yè)界的廣泛關(guān)注及市場的積極響應(yīng)。作為該機(jī)床核心部件之一的智能電源，經(jīng)過各種應(yīng)用測試后，完全達(dá)到了項(xiàng)目立項(xiàng)時(shí)的設(shè)計(jì)指標(biāo)。同時(shí)該產(chǎn)品獲得了國家發(fā)明專利(專利號:ZL 2009 1 0187816.9)與實(shí)用新型專利(專利號:ZL 2009 2 0203819.2)，被國家工信部列入《工業(yè)領(lǐng)域節(jié)能減排電子信息應(yīng)用技術(shù)導(dǎo)向目錄(第二批)》，在全國予以推廣。