数控机床高精度电主轴变频温控制冷机的研发与应用
2020-11-17 来源：三河同飞制冷股份有限公司 作者： 刘振波
一、概述
随着科技的不断发展，制造行业对生产母机的要求越来越高，高速高效、高精度、多功能、智能化已经成为对各类数控机床的通用要求。在现代工业生产中，“高速” 代表数控机床主轴的转速以及工作行程的快速响应，是提高生产效率的重要指标 ; “高精度” 则是指数控机床自身几何精度和加工精度，反映为被加工件的几何尺寸和表面质量 ; “多功能” 则是将加工内容的集中整合，在一台机床上实现多种加工任务，缩短生产周期 ; “智能化” 反映机床的通讯功能，可以通过远程技术、网络技术、云服务等远程控制机床，逐渐实现工厂的 “无人化”。这些技术在各类数控装备中得到越来越广泛的应用，正在成为当今金切加工的主流技术。高精度、高转速数控机床主轴单元（即 : 高速电主轴）是承载高速切削技术的主体之一，是高速高效、高精度数控机床的核心功能部件，在航空航天、汽车、船舶、军工、精密模具、精密加工等尖端制造领域凸显其重要性。高档数控机床，如并联运动机床、五面体加工中心、多功能复合加工中心、高精度坐标磨床、高精度雕刻机等，都必须采用高速电主轴，方能满足完善的功能要求。
电主轴由内装式电机直接驱动，以满足高速切削对机床 “高速度、高精度、高可靠性及小振动”的要求，与机床高速进给系统、刀具系统一起组成高速切削所需要的必备条件。电主轴技术与电机变频、闭环矢量控制、交流伺服控制等技术相结合，可以满足车削、铣削、镗削、钻削、磨削等金属切削加工的需要。目前国内外电主轴技术的发展十分迅速，各生产厂商都在高速、高精度、高可靠性等方面进行持续的科技攻关，以期形成自身的特色，占领电主轴技术发展的制高点。
目前，加工中心的主轴转速大多在 18000~42000r/min，德国 Kugler 公司的五轴高精度铣床，其最高主轴转速达160000r/min(采用空气轴承)。德国 Fraunhofer 生产术研究所正在开发转速为 300000r/min的空气轴承支撑的电主轴。
由于电主轴将电机集成于主轴单元中，且转速很高，运转时会产生大量热量，引起电主轴温升，使电主轴的热态特性和动态特性变差，热量会使主轴头整体升温，轴线将发生偏离以及轴伸长变形，从而严重影响电主轴的回转精度和加工精度。据统计，热变形引起的加工误差占 40％ ~70％，因此必须采取一定措施控制电主轴的温度，使其恒定在一定值内。数控机床目前采取强制循环液冷却的方式对电主轴的定子及主轴轴承进行冷却，即将经过冷却装置的冷却液强制性地在主轴定子外和主轴轴承外循环，带走主轴高速旋转产生的热量以保证其热稳定性。
主轴温度变化越小，其热变形越小，加工精度越高且稳定，所以液体冷却机的液温控温精度是保证高档数控机床加工精度的重要保障。作为高精度机床的重要辅助设备，制冷机的液温控制精度提高，是高精度机床发展的必备条件。
二、产品性能介绍
1.方案介绍
工业制冷行业通用的制冷机精度控制方式为压缩机启停，通常液温控制精度在 ±1~2℃。目前机床使用的冷水机最高可以做到 ±0.1℃，实现方法有如下几种方案 :
（1）压缩机运转，用加热管来抵消恒定输出的部分制冷量以达到控制精度的稳定性。此方案能耗较高，一般不采用。
（2）压缩机运转，通过电磁阀开关调节压缩机制冷与制热比例，达到控制液温精度的目的。缺点是电磁阀的机械动作寿命会影响整机的可靠性，另外因电磁阀单位时间内的动作次数的限制，使此方案不能将液温精度控制的更高。
（3）使用变频压缩机，通过控制压缩机转速进行制冷量的调节。因无动作次数的限制，所以大大提高制冷机的可靠性和整机寿命。因为变频压缩机转速可以在 25%~100% 无极调节，可以保证液温控制精度更高且更加稳定。
另外，变频压缩机可以根据负载不同自动调整压缩机的运转频率进行能量调节，更加节能。变频压缩机分为交流变频和直流变频。交流变频压缩机，通过控制器 2 次调节电压转换，相对于定频压缩机不会频繁起停，从而达到节能的目的。直流变频压缩机只经过一次电压转换，同直流电机类似，去掉了电路中的铜损，故相对于交流变频能节省 18%~40% 的电能。
采用变频压缩机缺点是成本偏高，随着近年变频压缩机技术的成熟，价格相对定频压缩机差距越来越小，已不是限制其使用的客观条件，故采用变频压缩机的高精度制冷机控制方案是目前的首选。
2.性能介绍
目前行业内使用变频压缩机的制冷机主要为日本厂家，其中以日本大金为代表。欧洲制冷机行业还未使用变频压缩机，主要以制冷系统电磁阀开关控制精度为主。国内工业变频制冷机还是空白，各制冷机厂家还属于刚刚起步阶段，未实现高精度变频控制功能。本产品与日本大金变频制冷机性能持平，填补国内此行业的空白，为国内高档高精度机床发展提供可靠的先决条件。性能参数指标如下表所示 :
三、新技术的应用情况
1.风机调速稳定冷凝压力技术
（1）概要
冷凝压力是制冷循环 中的主要运行参数之一，直接影响到制冷机的制冷效果。对于一台采用风冷式冷凝器的制冷机，环境温度是引起冷凝压力波动的主要因素，如果环境温度降低的话，冷凝压力也相应降低。变频制冷机低频工作点相应降低，在低负载运行时控制精度很难维持，采用冷凝风机调速维持固定的冷凝温度，确保低温环境的可靠性，同时起到节能的效果。
（2）创新点
冷凝压力与冷凝温度是一一对应的，变频制冷机采用直流调速风机，根据预设定的冷凝压力对应的温度，驱动系统采用 PID 的控制方式调节冷凝风机转速，使冷凝温度恒定。因为冷凝温度与冷凝压力具有对应关系，所以保证冷凝压力恒定，使外界环境温度的变化不会影响控制精度。
（3）技术特点
变频制冷机利用控制风机转速维持冷凝压力恒定，可以有效减少整个控制系统精度调节过程中的外界影响因素，使精度调节更稳定可靠。
2.热气旁通补偿技术
（1）概要
变频压缩机最低工作转速一般在 700~900r/min，变频压缩机频率降到最低，但依然会出现制冷量大于热负荷的情况，这时候热蒸气补偿阀控制板会控制热蒸汽补偿阀将未冷凝的高温高压制冷剂热蒸汽补 偿到蒸发器中中和制冷量，使制冷系统可以在零负载情况下依然能保证极高的液温控制精度。
（2）创新点
变频制冷机根据外界负载的变化速率、压缩机的转速和环境温度等条件判断出当前制冷系统是否可以维持精度稳定。当负载持续降低、压缩机接近最低转速和环境温度低于特定系统设定值时，热蒸汽补偿的电子膨胀阀就会开启，利用压缩机排出的热蒸汽抵消通过节流电子膨胀阀到蒸发器中的冷量，控制系统会根据温度的变化调节节流电子膨胀阀和热蒸汽补偿电子膨胀阀的开度，使变频制冷机 0~100% 负载变化都能够保持很高的液温控制精度。
（3）技术特点
变频制冷机热蒸汽补偿有效地解决了高精度变频制冷机低负载（20% 以下）工况时的精度控制问题，较传统的加热管补偿方案，在同等条件下节约 50% 的电能消耗。
样机测试曲线
3.变频压缩机控制技术
（1）概要
380V 动力电整流成 540V的直流电，通过直流变频控制器驱动直流永磁电动机900r/min~7000r/min 的转速下工作，带动压缩气缸。根据系统的温度变化通过直流变频控制器改变输出频率，从而实现不停机的高精
度控制。
（2）创新点
①采用动力电源 380V 直接输入得到高压540V 的直流电，和机床电源完全一致.
② 宽 电 源 范 围， 由 于 采 用 高 压 直 流 方式，通过开关元件的 PWM 输出方式可以实现260~480V 的宽电源范围，使制冷机对电源的适应能力更强。
③过电流降频运行模式 : 变频压缩机控制系统嵌入了自保护程序，当检测到控制系统电流达到最大允许电流的 95% 时，自动降低上限频率20Hz, 保证制冷机正常运行。
④ EMI 控制技术 : 采用差模抑制和共模抑制两种方式抑制干扰信号，同时采用电抗续流方式抑制波形畸变。
（3）技术特点
变频压缩机控制技术，采用了高压整流方式，对电源的适应能力大幅度提高。对于中国国内的电源制式可以完全适用，即便当电源电压降低 / 升高到额定值的 ±20% 恶劣工况，本系统也可以轻松兼容。此外本系统还能完全兼容英制 415V/50Hz， 欧洲 400V/50Hz， 美国 460V/60Hz 甚 至 480V/60Hz 的电源制式。采用电源跳线还能兼容日本、韩国、台湾的200V/50-60Hz 的电源。可以说使用范围几乎涵盖全球任意一种动力电源制式。变频压缩机采用高温冷媒 R134a 结合过电流降频运行模式，可以使环境温度适用范围提升到 5~55℃，可适应中国、欧美、日本、甚至东南亚、中东、非洲等国家与地区的各种环境条件。
四、成果应用及推广情况
本产品属于高精度变频工业制冷机，其主要应用场合 : 数控机床高转速电主轴、水冷式伺服电机、高速直线电机、对液温控制精度要求严格的各类高端数控机床切削液和液压站等。
深圳市创世纪机械有限公司、嘉泰数控科技股份公司等生产的高精度雕铣机、加工中心，广泛应用于 3C 产品（计算机、通讯、消费类电子产品）雕刻及高精度模具加工等精密加工行业。在零件加工过程中精确地控制机床主轴温度具有十分重要的意义，使用高精度变频水冷却机，可以使主轴温度精确，恒定地控制在预设的温度，使电主轴热变形最小，从而得到尺寸精确、加工表面粗糙度最小的零件。
数控机床行业的不断发展，对高精度变频制冷机的需求也逐年旺盛，加之其优异的精度控制和节能、环保特点，使机床的加工精度、稳定性、节能指标等得到显著提升。
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