針對五軸激光加工機床的強散熱柜設計

鄭欣茹 姜 揚 陳雨晴 余 凱 魯旺輝

（哈爾濱理工大學 機械動力工程學院，哈爾濱 150080）

隨著社會的發展，人工成本的增加和多元化市場的競爭，各企業面臨著重重壓力。制造業普遍需要技術進步和設備升級改造。機床有諸多精進方向，其中五軸數控機床是高檔數控機床的代表，融合激光加工專業性強的特點，可有效解決現有國產五軸數控機床加工在運行過程中存在的故障率偏高、先進功能不能維持等問題。五軸激光加工的前景十分光明，但有關兩者的結合仍存在一些問題。五軸激光加工的基礎費用和維修更換頻率，使得機床投入使用承擔的經濟負擔較大，為此提出了一種完善機床使用性能和延長設備使用壽命的方案。

電氣控制系統是保證數控系統實現電機驅動和自動化控制的關鍵，一旦出現故障，將影響機床的正常運行和生產活動的正常開展[1]，同時會增加時間成本和經濟成本。電氣柜溫度一旦過高，不但會降低電氣柜內電子電氣元件的可靠性，也會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，將五軸激光加工機床的數控系統的電器元件放置在同一處，設置專門安放電氣元件的電氣柜，通過對電氣柜內部布局優化散熱，減少因過熱導致的電氣元件失效，進而實現降低維修頻率和延長機床使用壽命的目的。

1 強化散熱的必要性

1.1 電氣柜可靠性影響因素

數控技術日趨成熟，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設計就是一個重要環節。合適的溫度是保證數控電氣設備生產工作的必要條件之一。單獨放置的電氣柜包含了機床使用必需的發熱元件，工作狀態下會致使電氣柜溫度升高，而各電氣部件都有各自的溫度要求，因此應重視散熱通風，避免電氣柜過熱帶來負面影響。

1.2 電氣柜過熱損壞電氣元件

電氣元件在正常運行過程中不可避免會產生發熱現象。電氣柜過熱將嚴重影響設備的可靠性，甚至導致事故的發生。一些機床自身的運動特性會對核心元件產生磨損熱，嚴重影響機床的使用壽命，因此選用強散熱電氣柜非常必要。例如，激光切割中的激光發生器發出激光時會產生大量熱量，一旦設備散熱出現問題會增加故障率。使用散熱性能良好的電氣柜，能大大延長機床、數控系統電氣元件的使用壽命，同時便于后期設備維護，減小外界對控制信號的干擾。針對五軸激光加工機床中元器件發熱嚴重需要加強散熱能力的問題，本文提出了一種新型強散熱電氣柜。

2 結構布局

2.1 內部布局

電氣控制柜的內部布局布線十分重要。好的布局布線不僅可以提高數控系統的穩定性，也便于后期維護[3]。為保證電子元件的壽命，降低電柜內電磁場的互相干擾，同時兼顧強弱電分離，將各電氣元件按照強弱電分區域布置，且各元件分別接地。電氣柜內元件布置完成后，根據走線情況合理安排行線槽寬度，防止行線槽過滿導致強電電纜從其他行線槽布設，影響預先考慮的強弱電分離[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 內部結構

五軸激光加工數控機床的電氣柜由工業鋁型材組成箱體框架。箱體的前側裝配有控制面板，內部設有安裝背板和安裝底板。步進電機驅動器、電源模塊以及激光發生器合理安裝在底板上，Mach3控制板和保護裝置安裝在背板上。根據電氣元件安裝空間需求及其設備整體結構的需要，最終確定電氣柜的尺寸為392 mm×240 mm×145 mm（長×寬×高）。

為解決散熱問題，柜內設備盡量選用功耗小、耐熱性和穩定性好的元器件。電氣柜兩側由于空間問題無法設置通風口，需要將風機安裝在柜體后部，通過由內向外的方式進行排風，并且附帶導風板調節吹出的空氣方向，力求達到最佳的空氣導流效果，使排風系統發揮最大的效益[5]。為利于電氣柜的散熱，電氣元件排布設計時兼顧接線及裝配的便利性，遵循高功率放上、低功率放下以及關鍵電氣元器件放風口的原則。

在運行過程中，五軸激光加工機床的電氣柜電機驅動器、電源模塊以及激光發生器發熱元件本身會產生大量熱量造成柜內溫度升高，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濟損失，必須優化電氣柜內設備結構布局和散熱方式，以保證電氣柜的安全穩定運行。

3 散熱設計

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，故散熱設計可從選取合適的元件構成材料和選取合適的散熱方式兩方面考慮。電氣柜內主要發熱的電氣元件包括Mach3控制板、步進電機驅動器、電源模塊以及激光發生器等。五軸聯動激光加工機床電氣柜所處車間的環境溫度為0～40 ℃，通過查詢相應電氣器件的技術手冊，觀察其使用工況和工作效率，經過計算得出電氣柜內所有電氣元件的總發熱量約為52.5 W。

3.2 風機選型

電氣柜主流的冷卻方式主要有空調制冷、熱交換器散、熱強迫風冷以及自然對流等。根據電氣柜的使用環境、穩定性、成本控制等因素，最終決定使用經濟且使用廣泛的強迫風冷作為電氣柜的冷卻方式。采用風機進行強迫風冷時，電氣柜需要的通風量Qf的計算公式為

式中：Qf為電氣柜需要的通風量，m3·s-1；ρ為空氣密度，kg·m-3；Cp為空氣比熱容，J·kg-1·℃-1；?為電氣柜內熱功耗，W；?T為空氣出口溫度與進口溫度之差，本文設計?T取15 ℃。

根據式（1），計算得出電氣柜散熱所需的通風量Qf為6.9 m3·s-1。

風機選型時需要根據風機的風量、系統阻抗曲線和風壓特性曲線進行合理選擇。根據安全系數與理論通風量的乘積確定電氣柜中的系統阻力，進而確定風機的風量，再根據風度形狀和相關條件計算得出風機風量Q為20.7 m3·s-1。結合風機可靠性、運行噪聲以及控制成本等需求，選擇采用一個型號為AS6025B24P0、尺寸為70 mm×70 mm×29 mm、額定風量為24 m3·s-1、靜壓為33 Pa的風機安裝在機柜后側方，通過抽風的方式進行電氣柜散熱。此外，利用SolidWorks軟件中Simulation和Flow Simulation模塊作為輔助工具，高效率、低成本地進行可視化分析，有效進行結果驗證。

4 仿真驗證

4.1 仿真計算過程

仿真計算將物體的熱仿真模型劃分成網格，再對網格進行計算分析。需要注意，模型特征較復雜的地方需進行網格細化，避免仿真結果失真影響計算。該電氣柜內組成較為復雜，采用精確的電氣元件模型會大幅提高系統模型的計算復雜性。為了簡化計算，對發熱量很小的電氣元件及影響風道的線槽等結構采用等尺寸不發熱體積塊進行等效。將電氣柜模型導入SolidWorks軟件的Simulation模塊后，運行分析得出其熱仿真模型。

4.2 仿真結果分析

將預設的材料、數據以及風機的技術手冊輸入風量-風壓特性曲線，可以得到未進行風機強制風冷狀態下電氣柜內各電氣元件的表面溫度云圖。安裝在電氣柜內部的電氣元件表面最高溫度為113 ℃，遠大于電氣柜中各電氣元件理想工作溫度，即現在電氣柜內的溫度并不滿足設計需求。此外，步進電機驅動器實物表面帶有散熱翅片，還需要進行流體力學仿真，驗證添加風機后電氣柜各電氣元件的溫度是否滿足需求。通過Flow Simulation模塊計算得到電氣柜內流體溫度及流體流動軌跡，如圖2所示。

圖2 流體溫度及流動軌跡

根據圖2可以看出，電氣柜內部的空氣最高溫度在50 ℃左右。風機的強制制冷使得電氣柜內部溫度降低至可滿足各類電氣元件使用時的理想溫度。此外，根據流體運動軌跡分析可知，電氣柜內電氣元件的布局仍存在可優化空間，如可根據實際情況適當降低Mach3控制板高度。綜上所述，在實際情況中，該電氣柜的工作溫度比仿真計算結果更小，強散熱電氣柜內各電氣元件的溫度滿足工作需求。

5 結語

為減少電氣柜中常出現的因溫度過高導致的電氣元件失效情況，提出了一種能滿足機床日常生產的強散熱電氣柜。通過明確細化電氣柜內部結構布局，優化散熱方式，進行仿真和流體運動仿真分析。驗證顯示，設計的強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，延長了機床的使用壽命。