針對(duì)五軸激光加工機(jī)床的強(qiáng)散熱柜設(shè)計(jì)

鄭欣茹 姜 揚(yáng) 陳雨晴 余 凱 魯旺輝

（哈爾濱理工大學(xué) 機(jī)械動(dòng)力工程學(xué)院，哈爾濱 150080）

隨著社會(huì)的發(fā)展，人工成本的增加和多元化市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)，各企業(yè)面臨著重重壓力。制造業(yè)普遍需要技術(shù)進(jìn)步和設(shè)備升級(jí)改造。機(jī)床有諸多精進(jìn)方向，其中五軸數(shù)控機(jī)床是高檔數(shù)控機(jī)床的代表，融合激光加工專業(yè)性強(qiáng)的特點(diǎn)，可有效解決現(xiàn)有國產(chǎn)五軸數(shù)控機(jī)床加工在運(yùn)行過程中存在的故障率偏高、先進(jìn)功能不能維持等問題。五軸激光加工的前景十分光明，但有關(guān)兩者的結(jié)合仍存在一些問題。五軸激光加工的基礎(chǔ)費(fèi)用和維修更換頻率，使得機(jī)床投入使用承擔(dān)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)較大，為此提出了一種完善機(jī)床使用性能和延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命的方案。

電氣控制系統(tǒng)是保證數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和自動(dòng)化控制的關(guān)鍵，一旦出現(xiàn)故障，將影響機(jī)床的正常運(yùn)行和生產(chǎn)活動(dòng)的正常開展[1]，同時(shí)會(huì)增加時(shí)間成本和經(jīng)濟(jì)成本。電氣柜溫度一旦過高，不但會(huì)降低電氣柜內(nèi)電子電氣元件的可靠性，也會(huì)影響電氣元件的使用壽命[2]。

為了方便操作控制和后期維護(hù)，將五軸激光加工機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)的電器元件放置在同一處，設(shè)置專門安放電氣元件的電氣柜，通過對(duì)電氣柜內(nèi)部布局優(yōu)化散熱，減少因過熱導(dǎo)致的電氣元件失效，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)降低維修頻率和延長(zhǎng)機(jī)床使用壽命的目的。

1 強(qiáng)化散熱的必要性

1.1 電氣柜可靠性影響因素

數(shù)控技術(shù)日趨成熟，但仍存在一些不容忽略的可靠性影響因素，其中電氣柜的散熱通風(fēng)設(shè)計(jì)就是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。合適的溫度是保證數(shù)控電氣設(shè)備生產(chǎn)工作的必要條件之一。單獨(dú)放置的電氣柜包含了機(jī)床使用必需的發(fā)熱元件，工作狀態(tài)下會(huì)致使電氣柜溫度升高，而各電氣部件都有各自的溫度要求，因此應(yīng)重視散熱通風(fēng)，避免電氣柜過熱帶來負(fù)面影響。

1.2 電氣柜過熱損壞電氣元件

電氣元件在正常運(yùn)行過程中不可避免會(huì)產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象。電氣柜過熱將嚴(yán)重影響設(shè)備的可靠性，甚至導(dǎo)致事故的發(fā)生。一些機(jī)床自身的運(yùn)動(dòng)特性會(huì)對(duì)核心元件產(chǎn)生磨損熱，嚴(yán)重影響機(jī)床的使用壽命，因此選用強(qiáng)散熱電氣柜非常必要。例如，激光切割中的激光發(fā)生器發(fā)出激光時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，一旦設(shè)備散熱出現(xiàn)問題會(huì)增加故障率。使用散熱性能良好的電氣柜，能大大延長(zhǎng)機(jī)床、數(shù)控系統(tǒng)電氣元件的使用壽命，同時(shí)便于后期設(shè)備維護(hù)，減小外界對(duì)控制信號(hào)的干擾。針對(duì)五軸激光加工機(jī)床中元器件發(fā)熱嚴(yán)重需要加強(qiáng)散熱能力的問題，本文提出了一種新型強(qiáng)散熱電氣柜。

2 結(jié)構(gòu)布局

2.1 內(nèi)部布局

電氣控制柜的內(nèi)部布局布線十分重要。好的布局布線不僅可以提高數(shù)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也便于后期維護(hù)[3]。為保證電子元件的壽命，降低電柜內(nèi)電磁場(chǎng)的互相干擾，同時(shí)兼顧強(qiáng)弱電分離，將各電氣元件按照強(qiáng)弱電分區(qū)域布置，且各元件分別接地。電氣柜內(nèi)元件布置完成后，根據(jù)走線情況合理安排行線槽寬度，防止行線槽過滿導(dǎo)致強(qiáng)電電纜從其他行線槽布設(shè)，影響預(yù)先考慮的強(qiáng)弱電分離[4]。電氣柜的元件布局及模擬布局圖，如圖1所示。

圖1 電氣柜元件布局及模擬布局圖

2.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

五軸激光加工數(shù)控機(jī)床的電氣柜由工業(yè)鋁型材組成箱體框架。箱體的前側(cè)裝配有控制面板，內(nèi)部設(shè)有安裝背板和安裝底板。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電源模塊以及激光發(fā)生器合理安裝在底板上，Mach3控制板和保護(hù)裝置安裝在背板上。根據(jù)電氣元件安裝空間需求及其設(shè)備整體結(jié)構(gòu)的需要，最終確定電氣柜的尺寸為392 mm×240 mm×145 mm（長(zhǎng)×寬×高）。

為解決散熱問題，柜內(nèi)設(shè)備盡量選用功耗小、耐熱性和穩(wěn)定性好的元器件。電氣柜兩側(cè)由于空間問題無法設(shè)置通風(fēng)口，需要將風(fēng)機(jī)安裝在柜體后部，通過由內(nèi)向外的方式進(jìn)行排風(fēng)，并且附帶導(dǎo)風(fēng)板調(diào)節(jié)吹出的空氣方向，力求達(dá)到最佳的空氣導(dǎo)流效果，使排風(fēng)系統(tǒng)發(fā)揮最大的效益[5]。為利于電氣柜的散熱，電氣元件排布設(shè)計(jì)時(shí)兼顧接線及裝配的便利性，遵循高功率放上、低功率放下以及關(guān)鍵電氣元器件放風(fēng)口的原則。

在運(yùn)行過程中，五軸激光加工機(jī)床的電氣柜電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電源模塊以及激光發(fā)生器發(fā)熱元件本身會(huì)產(chǎn)生大量熱量造成柜內(nèi)溫度升高，使溫度敏感的元件老化甚至失效。為避免造成安全事故和經(jīng)濟(jì)損失，必須優(yōu)化電氣柜內(nèi)設(shè)備結(jié)構(gòu)布局和散熱方式，以保證電氣柜的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3 散熱設(shè)計(jì)

3.1 熱載荷分析

電氣柜的熱量主要來源于功率單元和變壓器，故散熱設(shè)計(jì)可從選取合適的元件構(gòu)成材料和選取合適的散熱方式兩方面考慮。電氣柜內(nèi)主要發(fā)熱的電氣元件包括Mach3控制板、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電源模塊以及激光發(fā)生器等。五軸聯(lián)動(dòng)激光加工機(jī)床電氣柜所處車間的環(huán)境溫度為0～40 ℃，通過查詢相應(yīng)電氣器件的技術(shù)手冊(cè)，觀察其使用工況和工作效率，經(jīng)過計(jì)算得出電氣柜內(nèi)所有電氣元件的總發(fā)熱量約為52.5 W。

3.2 風(fēng)機(jī)選型

電氣柜主流的冷卻方式主要有空調(diào)制冷、熱交換器散、熱強(qiáng)迫風(fēng)冷以及自然對(duì)流等。根據(jù)電氣柜的使用環(huán)境、穩(wěn)定性、成本控制等因素，最終決定使用經(jīng)濟(jì)且使用廣泛的強(qiáng)迫風(fēng)冷作為電氣柜的冷卻方式。采用風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷時(shí)，電氣柜需要的通風(fēng)量Qf的計(jì)算公式為

式中：Qf為電氣柜需要的通風(fēng)量，m3·s-1；ρ為空氣密度，kg·m-3；Cp為空氣比熱容，J·kg-1·℃-1；?為電氣柜內(nèi)熱功耗，W；?T為空氣出口溫度與進(jìn)口溫度之差，本文設(shè)計(jì)?T取15 ℃。

根據(jù)式（1），計(jì)算得出電氣柜散熱所需的通風(fēng)量Qf為6.9 m3·s-1。

風(fēng)機(jī)選型時(shí)需要根據(jù)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、系統(tǒng)阻抗曲線和風(fēng)壓特性曲線進(jìn)行合理選擇。根據(jù)安全系數(shù)與理論通風(fēng)量的乘積確定電氣柜中的系統(tǒng)阻力，進(jìn)而確定風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，再根據(jù)風(fēng)度形狀和相關(guān)條件計(jì)算得出風(fēng)機(jī)風(fēng)量Q為20.7 m3·s-1。結(jié)合風(fēng)機(jī)可靠性、運(yùn)行噪聲以及控制成本等需求，選擇采用一個(gè)型號(hào)為AS6025B24P0、尺寸為70 mm×70 mm×29 mm、額定風(fēng)量為24 m3·s-1、靜壓為33 Pa的風(fēng)機(jī)安裝在機(jī)柜后側(cè)方，通過抽風(fēng)的方式進(jìn)行電氣柜散熱。此外，利用SolidWorks軟件中Simulation和Flow Simulation模塊作為輔助工具，高效率、低成本地進(jìn)行可視化分析，有效進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證。

4 仿真驗(yàn)證

4.1 仿真計(jì)算過程

仿真計(jì)算將物體的熱仿真模型劃分成網(wǎng)格，再對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算分析。需要注意，模型特征較復(fù)雜的地方需進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，避免仿真結(jié)果失真影響計(jì)算。該電氣柜內(nèi)組成較為復(fù)雜，采用精確的電氣元件模型會(huì)大幅提高系統(tǒng)模型的計(jì)算復(fù)雜性。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)發(fā)熱量很小的電氣元件及影響風(fēng)道的線槽等結(jié)構(gòu)采用等尺寸不發(fā)熱體積塊進(jìn)行等效。將電氣柜模型導(dǎo)入SolidWorks軟件的Simulation模塊后，運(yùn)行分析得出其熱仿真模型。

4.2 仿真結(jié)果分析

將預(yù)設(shè)的材料、數(shù)據(jù)以及風(fēng)機(jī)的技術(shù)手冊(cè)輸入風(fēng)量-風(fēng)壓特性曲線，可以得到未進(jìn)行風(fēng)機(jī)強(qiáng)制風(fēng)冷狀態(tài)下電氣柜內(nèi)各電氣元件的表面溫度云圖。安裝在電氣柜內(nèi)部的電氣元件表面最高溫度為113 ℃，遠(yuǎn)大于電氣柜中各電氣元件理想工作溫度，即現(xiàn)在電氣柜內(nèi)的溫度并不滿足設(shè)計(jì)需求。此外，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)物表面帶有散熱翅片，還需要進(jìn)行流體力學(xué)仿真，驗(yàn)證添加風(fēng)機(jī)后電氣柜各電氣元件的溫度是否滿足需求。通過Flow Simulation模塊計(jì)算得到電氣柜內(nèi)流體溫度及流體流動(dòng)軌跡，如圖2所示。

圖2 流體溫度及流動(dòng)軌跡

根據(jù)圖2可以看出，電氣柜內(nèi)部的空氣最高溫度在50 ℃左右。風(fēng)機(jī)的強(qiáng)制制冷使得電氣柜內(nèi)部溫度降低至可滿足各類電氣元件使用時(shí)的理想溫度。此外，根據(jù)流體運(yùn)動(dòng)軌跡分析可知，電氣柜內(nèi)電氣元件的布局仍存在可優(yōu)化空間，如可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)降低Mach3控制板高度。綜上所述，在實(shí)際情況中，該電氣柜的工作溫度比仿真計(jì)算結(jié)果更小，強(qiáng)散熱電氣柜內(nèi)各電氣元件的溫度滿足工作需求。

5 結(jié)語

為減少電氣柜中常出現(xiàn)的因溫度過高導(dǎo)致的電氣元件失效情況，提出了一種能滿足機(jī)床日常生產(chǎn)的強(qiáng)散熱電氣柜。通過明確細(xì)化電氣柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局，優(yōu)化散熱方式，進(jìn)行仿真和流體運(yùn)動(dòng)仿真分析。驗(yàn)證顯示，設(shè)計(jì)的強(qiáng)散熱電氣柜工作溫度能滿足各電氣元件的理想工作溫度，有效減少了工作過程中電氣元件的維修更換頻率，延長(zhǎng)了機(jī)床的使用壽命。