空芯軸式光源在機床照明中的應用

摘要：采用半導體照明組件創意設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用設計，論證了空心軸式光源可以很好地應用在機床加工照明中。

關鍵詞：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。隨著半導體技術及高效節能技術的不斷創新，新式高效、高亮式半導體照明組件制造技術的成熟。經過比較采用半導體照明組件創意設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 技術背景

1.1 傳統機床照明燈的缺點

（1）傳統機床照明燈具屬于點光源，因結構及安裝方式的原因，在光線投射到加工區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，不能真實顯現被照射物體細節，影響操作人員對加工零件細節觀察；（2）傳統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，嚴重影響操作人員對零件加工細節效果的觀察，影響零件加工質量；（3）傳統照明燈具中的發光器件熱損耗大、效率低、壽命短、維修成本高、維修更換繁瑣、費時費力、制約生產效率的提高。

傳統機床照明燈具光譜頻譜窄，亮度不能調節，長時間工作易使操作員產生視覺疲勞。傳統機床照明燈具發熱量大，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 空芯軸式光源的優點

（1）采用恒流源作為驅動電源，工作電壓低，符合安全工作電壓要求，效率高、能耗小、發熱量小，適合機床復雜工作環境照明；（2）顯色性高、穩定性好，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，利于現場工作；（4）綠色環保，符合國家節能減排要求。

由此可見，空心軸式光源的優點完全可以彌補傳統機床的照明燈的缺點，為此研發一款適合機床加工照明的燈具勢在必行。

2 設計方案

第一，空芯動軸式LED機床照明燈由偶數個大功率高亮式LED組成，以主軸軸心為中心成環狀均布，形成多點環形面光源，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，可在照射區域內形成照度均勻無明暗陰影變化的照射效果，能清晰顯現被照射物體的細節紋理。

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節的觀察，提高零件加工質量及機床加工效率。

第三，空芯動軸式LED機床照明燈采用內嵌漲套式脹緊結構，對原機床結構不作任何改變即可實現快速便捷的更換與安裝。高亮式LED工作電壓低、發熱量低、效率高、使用壽命長，可降低維修及維護成本，提高設備生產效率。

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生疲勞感，照度可通過PWM方式實現在25%～100%范圍內無極調節。

第五，空芯動軸式LED機床照明燈發熱量低，不易造成污染物凝結，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 硬件應用設計

3.1 高亮式LED驅動芯片及驅動電路設計

目前，最常見的白光LED是通過在藍色的發光二極管上面涂上黃磷制成的。此外，還可以將紅、綠、藍三種光互相調配做成白色LED。LED的發展非常迅速，現在100～120L/W的白光LED已經可以大量生產了。

但是，LED驅動的發展也存在著很大的挑戰，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必須在規范要求的范圍內工作，從而實現可靠工作。

3.2 LED恒流驅動芯片選擇

依據空芯動軸式LED機床照明燈設計要求（輸入工作電壓DC24～DC36V，驅動6～8個3W350毫安白光LED），通過凌特公司提供的?Module LED驅動器選擇器件，篩選出LT3518、LT3956兩種芯片。依據其特性參數，選擇LT3956作為空芯動軸式LED機床照明燈恒流驅動核心部件，該器件作為恒定電流和恒定電壓穩壓器工作而設計。它非常適用于驅動大電流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用；（2）LT3956使用一個內部N溝道MOSFET，可以從標稱值為12V的輸入驅動多達18個350mA的白光LED，從而提供超過25W的功率；（3）采用高壓側電流檢測，允許使用升壓、降壓、降壓-升壓或SEPIC和反激式拓撲；（4）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。一個頻率調節引腳允許用戶在100kHz～1MHz范圍設定頻率，從而優化了效率，同時最大限度地減小外部組件的尺寸和成本；（5）結合5mm×6mmQFN封裝，LT3956提供一個高度緊湊的25W LED驅動器解決方案；（6）LT3956采用真正色彩PWM（True Color PWM?）調光，以高達3000∶1的調光范圍；（7）提供恒定LED色彩。就要求不太苛刻的調光需求而言，CTRL引腳提供10∶1的模擬調光范圍；（8）LT3956的固定頻率、電流模式架構確保在寬電源和輸出電壓范圍內穩定工作。一個以地為基準電壓的FB引腳作為幾種LED保護功能的輸入，從而使該轉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燈燈體結構設計

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構成。空芯圓盤殼體作為空芯動軸式LED機床照明燈的主體，其內部安裝了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型LED發光體。

4.2 PWM調制恒流源電路

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發光顆粒11組成。降壓型恒流LED驅動芯片驅動高亮式LED串11，通過調節調光電位器1改變芯片給定PWM管腳的頻率實現LED的亮度調節；通過采樣電阻采樣LED燈串的電流，實現開路及短路保護，同時通過熱敏電阻NTC采集高亮式LED結溫，自動調節LED驅動電流對LED的結溫保護來延長LED燈的工作壽命。

4.3 內嵌漲套式夾緊機構

內嵌漲套脹緊結構由一個一端均勻開口的帶有錐度的內嵌脹套12及內嵌脹套鎖緊螺釘6構成，通過脹套的脹力來實現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、內嵌脹套12組成。以殼體5、內嵌脹套12、內嵌脹套鎖緊螺釘6為主體結構，將空芯動軸式LED機床照明燈安裝到機床主軸套筒上，通過鎖緊內嵌脹套鎖緊螺釘6拉緊內嵌脹套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，通過松開內嵌脹套鎖緊螺釘6推動內嵌脹套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脹力，即可拆卸空芯動軸式LED機床照明燈。

通過內嵌脹套12及內嵌脹套鎖緊螺釘6，可以在不改動機床結構的前提下實現快速安裝與拆卸，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，通過調整調光電位器1改變燈的照度，方便機床的生產加工。空芯動軸式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 結語

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

參考文獻

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[2]包小斌，張尚劍，張雅麗，等.電光強度調制器的非線性度失真分析方法[J].新型工業化，2013，（1）.

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

（責任編輯：蔣建華）