三河同飛制冷股份有限公司 劉振波 陳振國 唐明德

一、概述

隨著科技的不斷發(fā)展，制造行業(yè)對生產(chǎn)母機(jī)的要求越來越高，高速高效、高精度、多功能、智能化已經(jīng)成為對各類數(shù)控機(jī)床的通用要求。

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，“高速”代表數(shù)控機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)速以及工作行程的快速響應(yīng)，是提高生產(chǎn)效率的重要指標(biāo)；“高精度”則是指數(shù)控機(jī)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(zhì)量；“多功能”則是將加工內(nèi)容的集中整合，在一臺機(jī)床上實(shí)現(xiàn)多種加工任務(wù)，縮短生產(chǎn)周期；“智能化”反映機(jī)床的通訊功能，可以通過遠(yuǎn)程技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、云服務(wù)等遠(yuǎn)程控制機(jī)床，逐漸實(shí)現(xiàn)工廠的“無人化”。這些技術(shù)在各類數(shù)控裝備中得到越來越廣泛的應(yīng)用，正在成為當(dāng)今金切加工的主流技術(shù)。高精度、高轉(zhuǎn)速數(shù)控機(jī)床主軸單元（即：高速電主軸）是承載高速切削技術(shù)的主體之一，是高速高效、高精度數(shù)控機(jī)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(lǐng)域凸顯其重要性。高檔數(shù)控機(jī)床，如并聯(lián)運(yùn)動機(jī)床、五面體加工中心、多功能復(fù)合加工中心、高精度坐標(biāo)磨床、高精度雕刻機(jī)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(nèi)裝式電機(jī)直接驅(qū)動，以滿足高速切削對機(jī)床“高速度、高精度、高可靠性及小振動”的要求，與機(jī)床高速進(jìn)給系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)一起組成高速切削所需要的必備條件。電主軸技術(shù)與電機(jī)變頻、閉環(huán)矢量控制、交流伺服控制等技術(shù)相結(jié)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(nèi)外電主軸技術(shù)的發(fā)展十分迅速，各生產(chǎn)廠商都在高速、高精度、高可靠性等方面進(jìn)行持續(xù)的科技攻關(guān)，以期形成自身的特色，占領(lǐng)電主軸技術(shù)發(fā)展的制高點(diǎn)。

目前，加工中心的主軸轉(zhuǎn)速大多在18000～42000r/min，德國Kugler公司的五軸高精度銑床，其最高主軸轉(zhuǎn)速達(dá)160000r/min(采用空氣軸承)。德國Fraunhofer生產(chǎn)技術(shù)研究所正在開發(fā)轉(zhuǎn)速為300000r/min的空氣軸承支撐的電主軸。

由于電主軸將電機(jī)集成于主軸單元中，且轉(zhuǎn)速很高，運(yùn)轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生大量熱量，引起電主軸溫升，使電主軸的熱態(tài)特性和動態(tài)特性變差，熱量會使主軸頭整體升溫，軸線將發(fā)生偏離以及軸伸長變形，從而嚴(yán)重影響電主軸的回轉(zhuǎn)精度和加工精度。據(jù)統(tǒng)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(nèi)。數(shù)控機(jī)床目前采取強(qiáng)制循環(huán)液冷卻的方式對電主軸的定子及主軸軸承進(jìn)行冷卻，即將經(jīng)過冷卻裝置的冷卻液強(qiáng)制性地在主軸定子外和主軸軸承外循環(huán)，帶走主軸高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量以保證其熱穩(wěn)定性。

電主軸溫度變化越小，其熱變形越小，加工精度越高且穩(wěn)定，所以液體冷卻機(jī)的液溫控溫精度是保證高檔數(shù)控機(jī)床加工精度的重要保障。作為高精度機(jī)床的重要輔助設(shè)備，制冷機(jī)的液溫控制精度提高，是高精度機(jī)床發(fā)展的必備條件。

二、產(chǎn)品性能介紹

1.方案介紹

工業(yè)制冷行業(yè)通用的制冷機(jī)精度控制方式為壓縮機(jī)啟停，通常液溫控制精度在±1～2℃。目前機(jī)床使用的冷水機(jī)最高可以做到±0.1℃，實(shí)現(xiàn)方法有如下幾種方案：

（1）壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，用加熱管來抵消恒定輸出的部分制冷量以達(dá)到控制精度的穩(wěn)定性。此方案能耗較高，一般不采用。

（2）壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，通過電磁閥開關(guān)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)制冷與制熱比例，達(dá)到控制液溫精度的目的。缺點(diǎn)是電磁閥的機(jī)械動作壽命會影響整機(jī)的可靠性，另外因電磁閥單位時間內(nèi)的動作次數(shù)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(jī)，通過控制壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行制冷量的調(diào)節(jié)。因無動作次數(shù)的限制，所以大大提高制冷機(jī)的可靠性和整機(jī)壽命。因?yàn)樽冾l壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速可以在25%～100%無極調(diào)節(jié)，可以保證液溫控制精度更高且更加穩(wěn)定。

另外，變頻壓縮機(jī)可以根據(jù)負(fù)載不同自動調(diào)整壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率進(jìn)行能量調(diào)節(jié)，更加節(jié)能。變頻壓縮機(jī)分為交流變頻和直流變頻。交流變頻壓縮機(jī)，通過控制器2次調(diào)節(jié)電壓轉(zhuǎn)換，相對于定頻壓縮機(jī)不會頻繁起停，從而達(dá)到節(jié)能的目的。直流變頻壓縮機(jī)只經(jīng)過一次電壓轉(zhuǎn)換，同直流電機(jī)類似，去掉了電路中的銅損，故相對于交流變頻能節(jié)省18%～40%的電能。

采用變頻壓縮機(jī)缺點(diǎn)是成本偏高，隨著近年變頻壓縮機(jī)技術(shù)的成熟，價格相對定頻壓縮機(jī)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(jī)的高精度制冷機(jī)控制方案是目前的首選。

2.性能介紹

目前行業(yè)內(nèi)使用變頻壓縮機(jī)的制冷機(jī)主要為日本廠家，其中以日本大金為代表。歐洲制冷機(jī)行業(yè)還未使用變頻壓縮機(jī)，主要以制冷系統(tǒng)電磁閥開關(guān)控制精度為主。國內(nèi)工業(yè)變頻制冷機(jī)還是空白，各制冷機(jī)廠家還屬于剛剛起步階段，未實(shí)現(xiàn)高精度變頻控制功能。本產(chǎn)品與日本大金變頻制冷機(jī)性能持平，填補(bǔ)國內(nèi)此行業(yè)的空白，為國內(nèi)高檔高精度機(jī)床發(fā)展提供可靠的先決條件。

性能參數(shù)指標(biāo)：

性能 參數(shù)電源適應(yīng)范圍 AC200V-460V 50/60Hz制冷能力 1-20 kW環(huán)境溫度 5-45℃液溫范圍 15-50℃控制精度 ±0.1℃（最高精度±0.02℃）精度穩(wěn)定時間 ＜10min節(jié)約能耗 ＞20%液溫顯示分辨率 0.01℃制冷劑 環(huán)保制冷劑R410A、R134a節(jié)流裝置 電子膨脹閥顯示界面 液晶顯示器通信接口 RS485

三、新技術(shù)的應(yīng)用情況

1.風(fēng)機(jī)調(diào)速穩(wěn)定冷凝壓力技術(shù)

（1）概要

冷凝壓力是制冷循環(huán)中的主要運(yùn)行參數(shù)之一，直接影響到制冷機(jī)的制冷效果。對于一臺采用風(fēng)冷式冷凝器的制冷機(jī)，環(huán)境溫度是引起冷凝壓力波動的主要因素，如果環(huán)境溫度降低的話，冷凝壓力也相應(yīng)降低。變頻制冷機(jī)低頻工作點(diǎn)相應(yīng)降低，在低負(fù)載運(yùn)行時控制精度很難維持，采用冷凝風(fēng)機(jī)調(diào)速維持固定的冷凝溫度，確保低溫環(huán)境的可靠性，同時起到節(jié)能的效果。

（2）創(chuàng)新點(diǎn)

冷凝壓力與冷凝溫度是一一對應(yīng)的，變頻制冷機(jī)采用直流調(diào)速風(fēng)機(jī)，根據(jù)預(yù)設(shè)定的冷凝壓力對應(yīng)的溫度，驅(qū)動系統(tǒng)采用PID的控制方式調(diào)節(jié)冷凝風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使冷凝溫度恒定。因?yàn)槔淠郎囟扰c冷凝壓力具有對應(yīng)關(guān)系，所以保證冷凝壓力恒定，使外界環(huán)境溫度的變化不會影響控制精度。

（3）技術(shù)特點(diǎn)

變頻制冷機(jī)利用控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速維持冷凝壓力恒定，可以有效減少整個控制系統(tǒng)精度調(diào)節(jié)過程中的外界影響因素，使精度調(diào)節(jié)更穩(wěn)定可靠。

樣機(jī)測試曲線圖

2.熱氣旁通補(bǔ)償技術(shù)

（1）概要

變頻壓縮機(jī)最低工作轉(zhuǎn)速一般在700～900r/min，變頻壓縮機(jī)頻率降到最低，但依然會出現(xiàn)制冷量大于熱負(fù)荷的情況，這時候熱蒸氣補(bǔ)償閥控制板會控制熱蒸汽補(bǔ)償閥將未冷凝的高溫高壓制冷劑熱蒸汽補(bǔ)償?shù)秸舭l(fā)器中中和制冷量，使制冷系統(tǒng)可以在零負(fù)載情況下依然能保證極高的液溫控制精度。

（2）創(chuàng)新點(diǎn)

變頻制冷機(jī)根據(jù)外界負(fù)載的變化速率、壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速和環(huán)境溫度等條件判斷出當(dāng)前制冷系統(tǒng)是否可以維持精度穩(wěn)定。當(dāng)負(fù)載持續(xù)降低、壓縮機(jī)接近最低轉(zhuǎn)速和環(huán)境溫度低于特定系統(tǒng)設(shè)定值時，熱蒸汽補(bǔ)償?shù)碾娮优蛎涢y就會開啟，利用壓縮機(jī)排出的熱蒸汽抵消通過節(jié)流電子膨脹閥到蒸發(fā)器中的冷量，控制系統(tǒng)會根據(jù)溫度的變化調(diào)節(jié)節(jié)流電子膨脹閥和熱蒸汽補(bǔ)償電子膨脹閥的開度，使變頻制冷機(jī)0～100%負(fù)載變化都能夠保持很高的液溫控制精度。

（3）技術(shù)特點(diǎn)

變頻制冷機(jī)熱蒸汽補(bǔ)償有效地解決了高精度變頻制冷機(jī)低負(fù)載（20%以下）工況時的精度控制問題，較傳統(tǒng)的加熱管補(bǔ)償方案，在同等條件下節(jié)約50%的電能消耗。

變頻制冷機(jī)循環(huán)原理圖

3.變頻壓縮機(jī)控制技術(shù)

（1）概要

通過整流系統(tǒng)將380V動力電整流成540V的直流電，通過直流變頻控制器驅(qū)動直流永磁電動機(jī)在900r/min～7000r/min的轉(zhuǎn)速下工作，帶動壓縮氣缸。根據(jù)系統(tǒng)的溫度變化通過直流變頻控制器改變輸出頻率，從而實(shí)現(xiàn)不停機(jī)的高精度控制。

（2）創(chuàng)新點(diǎn)

①采用動力電源380V直接輸入得到高壓540V的直流電，和機(jī)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(guān)元件的PWM輸出方式可以實(shí)現(xiàn)260～480V的寬電源范圍，使制冷機(jī)對電源的適應(yīng)能力更強(qiáng)。

③過電流降頻運(yùn)行模式：變頻壓縮機(jī)控制系統(tǒng)嵌入了自保護(hù)程序，當(dāng)檢測到控制系統(tǒng)電流達(dá)到最大允許電流的95%時，自動降低上限頻率20Hz,保證制冷機(jī)正常運(yùn)行。

④EMI控制技術(shù)：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(xù)流方式抑制波形畸變。

（3）技術(shù)特點(diǎn)

變頻壓縮機(jī)控制技術(shù)，采用了高壓整流方式，對電源的適應(yīng)能力大幅度提高。對于中國國內(nèi)的電源制式可以完全適用，即便當(dāng)電源電壓降低/升高到額定值的±20%惡劣工況，本系統(tǒng)也可以輕松兼容。此外本系統(tǒng)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?？梢哉f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(jī)采用高溫冷媒R134a結(jié)合過電流降頻運(yùn)行模式，可以使環(huán)境溫度適用范圍提升到5～55℃，可適應(yīng)中國、歐美、日本、甚至東南亞、中東、非洲等國家與地區(qū)的各種環(huán)境條件。

四、成果應(yīng)用及推廣情況

本產(chǎn)品屬于高精度變頻工業(yè)制冷機(jī)，其主要應(yīng)用場合：數(shù)控機(jī)床高轉(zhuǎn)速電主軸、水冷式伺服電機(jī)、高速直線電機(jī)、對液溫控制精度要求嚴(yán)格的各類高端數(shù)控機(jī)床切削液和液壓站等。

深圳市創(chuàng)世紀(jì)機(jī)械有限公司、嘉泰數(shù)控科技股份公司等生產(chǎn)的高精度雕銑機(jī)、加工中心，廣泛應(yīng)用于3C產(chǎn)品（計算機(jī)、通訊、消費(fèi)類電子產(chǎn)品）雕刻及高精度模具加工等精密加工行業(yè)。在零件加工過程中精確地控制機(jī)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(jī)，可以使主軸溫度精確，恒定地控制在預(yù)設(shè)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(shù)控機(jī)床行業(yè)的不斷發(fā)展，對高精度變頻制冷機(jī)的需求也逐年旺盛，加之其優(yōu)異的精度控制和節(jié)能、環(huán)保特點(diǎn)，使機(jī)床的加工精度、穩(wěn)定性、節(jié)能指標(biāo)等得到顯著提升。 □