空芯軸式光源在機床照明中的應(yīng)用

摘要：采用半導(dǎo)體照明組件創(chuàng)意設(shè)計空芯軸式光源來替代機床中直流白熾燈，能夠有效地改善因照明方面帶來的不便。文章將空芯軸式光源與機床上的普通光源進行對比，并針對機床照明的特點對空心軸式光源進行硬件應(yīng)用設(shè)計，論證了空心軸式光源可以很好地應(yīng)用在機床加工照明中。

關(guān)鍵詞：空芯軸式光源；機床照明；LED燈；普通光源；照明燈具 文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TH184 文章編號：1009-2374（2016）08-0039-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.08.021

目前，市場上的機床工作照明燈大多采用直流白熾燈，該照明燈具存在諸多缺點。隨著半導(dǎo)體技術(shù)及高效節(jié)能技術(shù)的不斷創(chuàng)新，新式高效、高亮式半導(dǎo)體照明組件制造技術(shù)的成熟。經(jīng)過比較采用半導(dǎo)體照明組件創(chuàng)意設(shè)計空芯軸式光源來替代機床中直流白熾燈，能夠有效改善一些因照明方面帶來的不便。

1 技術(shù)背景

1.1 傳統(tǒng)機床照明燈的缺點

（1）傳統(tǒng)機床照明燈具屬于點光源，因結(jié)構(gòu)及安裝方式的原因，在光線投射到加工區(qū)域時形成一定的照射角度，使被照射物體形成明暗變化的光影條紋，不能真實顯現(xiàn)被照射物體細(xì)節(jié)，影響操作人員對加工零件細(xì)節(jié)觀察；（2）傳統(tǒng)機床照明燈具安裝位置固定，不能實時跟蹤機床的加工軌跡，嚴(yán)重影響操作人員對零件加工細(xì)節(jié)效果的觀察，影響零件加工質(zhì)量；（3）傳統(tǒng)照明燈具中的發(fā)光器件熱損耗大、效率低、壽命短、維修成本高、維修更換繁瑣、費時費力、制約生產(chǎn)效率的提高。

傳統(tǒng)機床照明燈具光譜頻譜窄，亮度不能調(diào)節(jié)，長時間工作易使操作員產(chǎn)生視覺疲勞。傳統(tǒng)機床照明燈具發(fā)熱量大，污染物易聚集在燈體及透光鏡片上，長時間工作會造成鏡片透光率下降，嚴(yán)重降低照射效果，同時污染物難以清除而影響機床外觀。

1.2 空芯軸式光源的優(yōu)點

（1）采用恒流源作為驅(qū)動電源，工作電壓低，符合安全工作電壓要求，效率高、能耗小、發(fā)熱量小，適合機床復(fù)雜工作環(huán)境照明；（2）顯色性高、穩(wěn)定性好，使用壽命長達5萬小時，維護成本低；（3）多點照明，無陰影及照射死區(qū)，利于現(xiàn)場工作；（4）綠色環(huán)保，符合國家節(jié)能減排要求。

由此可見，空心軸式光源的優(yōu)點完全可以彌補傳統(tǒng)機床的照明燈的缺點，為此研發(fā)一款適合機床加工照明的燈具勢在必行。

2 設(shè)計方案

第一，空芯動軸式LED機床照明燈由偶數(shù)個大功率高亮式LED組成，以主軸軸心為中心成環(huán)狀均布，形成多點環(huán)形面光源，因安裝在主軸套筒上，光線投射角度與加工零件表面形成90°角，可在照射區(qū)域內(nèi)形成照度均勻無明暗陰影變化的照射效果，能清晰顯現(xiàn)被照射物體的細(xì)節(jié)紋理。

第二，空芯動軸式LED機床照明燈安裝在機床主運動的主軸套筒上，可實時跟蹤機床的加工軌跡，在整個加工過程都可以在加工區(qū)域形成照度均勻無明暗陰影照射效果，利于操作人員對加工過程和加工細(xì)節(jié)的觀察，提高零件加工質(zhì)量及機床加工效率。

第三，空芯動軸式LED機床照明燈采用內(nèi)嵌漲套式脹緊結(jié)構(gòu)，對原機床結(jié)構(gòu)不作任何改變即可實現(xiàn)快速便捷的更換與安裝。高亮式LED工作電壓低、發(fā)熱量低、效率高、使用壽命長，可降低維修及維護成本，提高設(shè)備生產(chǎn)效率。

第四，LED色溫為5600K，接近中午太陽光的色溫，長時間工作不會對操作員眼睛產(chǎn)生疲勞感，照度可通過PWM方式實現(xiàn)在25%～100%范圍內(nèi)無極調(diào)節(jié)。

第五，空芯動軸式LED機床照明燈發(fā)熱量低，不易造成污染物凝結(jié)，照明燈表面噴涂疏水型納米涂層，在燈具表面形成荷葉疏水效果，進一步降低污垢及水在燈具表面上的停留，達到自清潔效果。

3 硬件應(yīng)用設(shè)計

3.1 高亮式LED驅(qū)動芯片及驅(qū)動電路設(shè)計

目前，最常見的白光LED是通過在藍(lán)色的發(fā)光二極管上面涂上黃磷制成的。此外，還可以將紅、綠、藍(lán)三種光互相調(diào)配做成白色LED。LED的發(fā)展非常迅速，現(xiàn)在100～120L/W的白光LED已經(jīng)可以大量生產(chǎn)了。

但是，LED驅(qū)動的發(fā)展也存在著很大的挑戰(zhàn)，由于LED本身就是線性元件，因此目前主要面臨的問題是：（1）正向電壓隨著電流和溫度的變化而變化；（2）不同器件的正向電壓會有差異；（3）“色點”會隨著電流和溫度的變化而漂移；（4）LED必須在規(guī)范要求的范圍內(nèi)工作，從而實現(xiàn)可靠工作。

3.2 LED恒流驅(qū)動芯片選擇

依據(jù)空芯動軸式LED機床照明燈設(shè)計要求（輸入工作電壓DC24～DC36V，驅(qū)動6～8個3W350毫安白光LED），通過凌特公司提供的?Module LED驅(qū)動器選擇器件，篩選出LT3518、LT3956兩種芯片。依據(jù)其特性參數(shù)，選擇LT3956作為空芯動軸式LED機床照明燈恒流驅(qū)動核心部件，該器件作為恒定電流和恒定電壓穩(wěn)壓器工作而設(shè)計。它非常適用于驅(qū)動大電流LED。該部件具有如下特點：（1）4.5～80V輸入電壓范圍使其非常適用于多種應(yīng)用；（2）LT3956使用一個內(nèi)部N溝道MOSFET，可以從標(biāo)稱值為12V的輸入驅(qū)動多達18個350mA的白光LED，從而提供超過25W的功率；（3）采用高壓側(cè)電流檢測，允許使用升壓、降壓、降壓-升壓或SEPIC和反激式拓?fù)洌唬?）LT3956在升壓模式時提供超過94%的效率，從而無需外部散熱措施。一個頻率調(diào)節(jié)引腳允許用戶在100kHz～1MHz范圍設(shè)定頻率，從而優(yōu)化了效率，同時最大限度地減小外部組件的尺寸和成本；（5）結(jié)合5mm×6mmQFN封裝，LT3956提供一個高度緊湊的25W LED驅(qū)動器解決方案；（6）LT3956采用真正色彩PWM（True Color PWM?）調(diào)光，以高達3000∶1的調(diào)光范圍；（7）提供恒定LED色彩。就要求不太苛刻的調(diào)光需求而言，CTRL引腳提供10∶1的模擬調(diào)光范圍；（8）LT3956的固定頻率、電流模式架構(gòu)確保在寬電源和輸出電壓范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。一個以地為基準(zhǔn)電壓的FB引腳作為幾種LED保護功能的輸入，從而使該轉(zhuǎn)換器能夠作為一個恒定電壓源工作。LT3956EUHE采用36引腳5mm×6mm QFN封裝。

4 空芯動軸式LED燈燈體結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 空芯動軸式LED燈體

如圖1所示，空芯動軸式LED機床照明燈的燈體由空芯圓盤殼體5、耐油密封圈9及密封罩10構(gòu)成?？招緢A盤殼體作為空芯動軸式LED機床照明燈的主體，其內(nèi)部安裝了PWM恒流電路板及高亮式LED顆粒，通過密封罩10及聚光透鏡3形成一個密封防水的多點環(huán)型LED發(fā)光體。

4.2 PWM調(diào)制恒流源電路

空芯動軸式LED機床照明燈的PWM恒流源電路是由PWM恒流電路板7及高亮式LED發(fā)光顆粒11組成。降壓型恒流LED驅(qū)動芯片驅(qū)動高亮式LED串11，通過調(diào)節(jié)調(diào)光電位器1改變芯片給定PWM管腳的頻率實現(xiàn)LED的亮度調(diào)節(jié)；通過采樣電阻采樣LED燈串的電流，實現(xiàn)開路及短路保護，同時通過熱敏電阻NTC采集高亮式LED結(jié)溫，自動調(diào)節(jié)LED驅(qū)動電流對LED的結(jié)溫保護來延長LED燈的工作壽命。

4.3 內(nèi)嵌漲套式夾緊機構(gòu)

內(nèi)嵌漲套脹緊結(jié)構(gòu)由一個一端均勻開口的帶有錐度的內(nèi)嵌脹套12及內(nèi)嵌脹套鎖緊螺釘6構(gòu)成，通過脹套的脹力來實現(xiàn)燈具與機床主軸套筒之間的固定安裝。

4.4 疏水型納米涂層

在燈具表面噴涂3um厚度的疏水型納米防污材料，提高燈具的耐污能力，同時提高燈具鋁合金材料的表面硬度。

5 具體實施方式

空芯動軸式LED機床照明燈由調(diào)光電位器1、密封罩鎖緊螺釘2、聚光透鏡3、耐扭防水接頭4、殼體5、內(nèi)嵌脹套鎖緊螺釘6、恒流源線路板7、線路板固定螺釘8、耐油密封圈9、密封罩10、高亮式LED顆粒11、內(nèi)嵌脹套12組成。以殼體5、內(nèi)嵌脹套12、內(nèi)嵌脹套鎖緊螺釘6為主體結(jié)構(gòu)，將空芯動軸式LED機床照明燈安裝到機床主軸套筒上，通過鎖緊內(nèi)嵌脹套鎖緊螺釘6拉緊內(nèi)嵌脹套12向里移動，在空芯動軸式LED機床照明燈殼體5與機床主軸套筒之間形成內(nèi)脹力，將空芯動軸式LED機床照明燈固定到主軸套筒上。反之，通過松開內(nèi)嵌脹套鎖緊螺釘6推動內(nèi)嵌脹套12向外移動，消除空芯動軸式LED機床照明燈殼體5與機床主軸套筒之間形成內(nèi)脹力，即可拆卸空芯動軸式LED機床照明燈。

通過內(nèi)嵌脹套12及內(nèi)嵌脹套鎖緊螺釘6，可以在不改動機床結(jié)構(gòu)的前提下實現(xiàn)快速安裝與拆卸，配以高亮式LED燈串，就可形成亮度均勻并跟隨主軸移動的照明光源，通過調(diào)整調(diào)光電位器1改變燈的照度，方便機床的生產(chǎn)加工?？招緞虞S式LED機床照明燈涂以納米材料的疏水型涂料，能達到自清潔作用，更利于日常維護。

6 結(jié)語

隨著機床在機械加工中應(yīng)用的不斷增加，空芯動軸式LED機床照明燈在設(shè)計上力求簡潔和功能實用化，是替代傳統(tǒng)機床照明燈的先進方案。為了更好地推廣普及應(yīng)用，還需要在今后的實際應(yīng)用中不斷發(fā)現(xiàn)不足并加以改進和完善。

參考文獻

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作者簡介：王振宇（1986-），男，遼寧營口人，中航工業(yè)沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司機械設(shè)備管理處工程師，研究方向：數(shù)控機床維修。

（責(zé)任編輯：蔣建華）