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针对紧凑型数控车床和铣床的全新驱动方案

数控产品网 www.cncproduct.com   2013-07-30   来源:网络转载   阅读:825次
[ 内容简介 ]

在一些常规标准车床和铣床上,有时需要不止两个电机模块。因此,Sinamics S120 Combi上保留了久经验证的直流母线连接,可以备连接最多两个S120 书本型紧凑电机模块。因此,Sinamics S120 Combi 集成式驱动器也继承了模块式书本型S120 的部分灵活性。

2011年,一款高度集成、可广泛应用于常规车床和铣床的驱动器Sinamics S120 Combi投放市场。该驱动器集成了电源模块、一个用于驱动主轴电机的电机模块、两到三个用于驱动进给电机的电机模块(后者的功率相对较低)。驱动器有六种型号可选,但其应用几乎可覆盖一半单轴数控机床的应用。集成式驱动器的开发背景

在全球生产的数控车床和铣床中,几乎有一半的主轴功率在14 kW以下。

简单的数控车床通常只配备两根几何轴(X 轴和 Z 轴)和一根主轴,因此三个电机模块就可以驱动整台车床。在一些简单车床上有时也会配备一把动力刀具,极个别情况下还会配备伺服刀塔或尾架。总之,在常规车床上六个电机模块足够。

简单的铣床通常配备三根几何轴(X 轴、Y 轴和 Z 轴)和一根主轴,因此四个电机模块就可以驱动整台铣床。铣床上有时也会配备另外两根几何轴(A 轴和 C 轴),这种情况下六个电机模块就可以满足使用。

对于常规数控机床而言,将电源模块和三到四个电机模块集成为一个单元,是最佳的驱动方案。该单元还具有扩展性,可以驱动附加的一到两根几何轴(图1)。

 

图1 Sinamics S120 Combi –集成式驱动器,针对恶劣的工业环境和弱电网设计

对于最终用户而言,这种集成式驱动器到底有什么优势呢?

集成式驱动器的优势

相对于由独立的电源模块和电机模块构成的模块式驱动器,这种针对常规机床结构定制的集成式驱动器更具优势。

西门子在开发Sinamics S120 Combi 驱动器时,免去了模块间的接口,优化了驱动器的结构。对于OEM而言,这意味着安装更简单同时不再使用直流母线连接,因此OEM投入控制柜设计的时间得以缩短。

接口的消失同时还提高了驱动器的耐用性。Sinamics S120 Combi 集成式驱动器不是简单地将书本型Sinamics S120“打包”在一起,而是在同一块与安装面平行的电路板上以最佳的方式布置所有组件,这些组件可以驱动所有轴。因此,和狭长的模块式组件相比,集成式驱动器中的功率半导体和散热器之间的接触更加紧密。将穿墙式散热器安装在控制柜外部时(即所谓的外部冷却),内部损耗可降至最低,从而无须对控制柜采取额外的内部冷却措施,这种方式可节约成本。

在Sinamics S120 Combi 驱动器上,内部损耗占总损耗的15% 到19%,而在50 毫米宽的书本型S120 组件上,内部损耗大约占50%。除了功率半导体和散热器之间的接触更佳外,驱动器的高度和宽度之比几乎和散热器的相同,这种尺寸也使散热效果更佳。

选择适宜的电源电压,降低损耗

除了内部损耗更低外,Sinamics S120 Combi的电源模块采用了经过改良的“智能式”控制,因此驱动器的总功秏也有所降低,尤其是在非满载模式下。和书本型驱动器一样,Sinamics S120 Combi 也是针对电源电压3 AC 380 V – 480 V设计的。和3 AC 200 V 设备相比,它最多可降低 20% 的损耗。在最主要的机床使用国中(图2),基本上以3 AC 380 V – 480 V的电网为主。

 

图2 全球电网分布:即使在易波动的电网中,也要确保控制器和驱动器的安全供电

直流母线电压越高,电机上的端电压也越高,因此可进一步降低电机的损耗。和Sinamics S120 配套使用的西门子电机可以在所有低于3 AC 480 V 的电源电压上运行。

原先3 AC 200 V 设备的变压器不再需要,因此进一步降低了损耗。此外,和书本型设备一样,Sinamics S120 Combi 也可以将再生电能反馈回电网。
控制柜中占地少、安装简单

在结构紧凑的机床上,如何节约控制柜中的空间尤其重要。除了改进设备尺寸外(高x 宽x 深: 380 毫米[1] x 260 毫米 x 304 毫米)外,如何尽量节约接线空间也是关键。 鉴于该因素,Sinamics S120 Combi的功率连接器位于设备正面底部的开孔中,这样功率电缆除了需要保持 80 mm 的通风间距外,在高度上不再有间距要求。另外,由于连接器更易操作,接线也更加方便。设备内甚至还集成有EMC屏蔽端子,免去了外部屏蔽(图3)。

 

图3 紧凑耐用的驱动器,集成了EMC屏蔽端子

Sinamics S120 Combi 针对外部冷却方式进行了改良,但是在必要时它也可以整个安装在控制柜内部,使用配套的安装框架即可安装。外部冷却的优点是控制柜内只残留15% 到19% 的损耗热量,大部分热量散发到控制柜外部。因此控制柜冷却装置的功率可大大降低,通常一个简单的换热器足够,而不再需要空调装置(图4)。

 

图4 Sinamics S120 Combi安装方式:控制柜内部或外部,取决于可用空间和冷却方案

仅 86 毫米高的风扇模块位于设备顶部。和加固板组合使用可为 OEM 提供全套的外部冷却方案,OEM 无需再设计更多固定板。

面向条件恶劣车间的设计

Sinamics S120 Combi 是针对恶劣的生产环境开发的。散热片之间的间距更宽,可以防止受到灰尘、冷却剂和润滑剂的污染。风扇位于设备顶部,因此不再会附着凝结在散热片上的润滑剂。风扇出风量可达290 m3/h,大大高于实际要求的 160 m3/h。这种大风量风扇一方面可吹去散热片上的异物,另一方面也可以更有效地降低设备顶部和顶部之间的温差,从而延长设备寿命。风扇是针对高温环境设计的,即使在 70 °C 的高温下寿命仍可达 35000个小时。风扇防护等级为IP54,电子元器件为硬质浇注料。轴承采用Nirosta滚珠轴承,即使在充满润滑剂油雾的环境下也能可靠工作。风扇功能由驱动器监控,在风扇失灵时驱动器会发出预警提示用户,此时用户仍能继续加工。

除了风扇外,整台Sinamics S120 Combi 设备也是为高温环境设计的。因此,在控制柜内温度达到 55°C时,设备仍可运行。在温度达到45 °C时甚至不会出现降容。内部风扇同样受到监控,防止设备内部出现热源,避免电解电容器提前变干。

Sinamics S120 Combi的所有电路板都喷有保护漆,确保设备在高湿环境和有害气体环境下仍坚固耐用。

在恶劣电网中仍能运行

除了环境条件外,在一些主要的机床使用国家中(比如:中国和印度),电网质量也很关键。印度采用的是3 AC 415 V TT 电网,即不设保护地的电网,最佳保护是通过剩余电流保护开关实现的。针对此条件,Sinamics S120 Combi 具有低放电电流的设计。同时在此类环境下,电源滤波器可能会降低生产效率,因此Sinamics S120 Combi的设计还应该适应没有滤波器的运行。此外,印度还经常停电(一天停电 10 次属于正常现象)、单相电压骤降或三相电压骤降,而能否迅速恢复电源对于整流IGBT的自振荡二极管非常关键。因此Sinamics S120 Combi上采用了非常坚固耐用的自振荡二极管。另外,电源模块的控制经过优化,只有出现危急硬件的故障时,电源模块才会关闭。因此,设备可在两相电源上短暂运行,而不会立即关闭。

在亚洲,电网电压的剧烈波动通常是用稳压器(Servo Voltage Stabilizer,SVS)来稳定的。稳压器实际上是一台马达式自耦变压器,可以用±100 V调节一天内的电压差。 在Sinamics S120 Combi设计之初,就考虑了和该设备的组合。其功能也在印度的稳压器上得到实际验证。

集成设计,但不失灵活性

在一些常规标准车床和铣床上,有时需要不止两个电机模块。因此,Sinamics S120 Combi上保留了久经验证的直流母线连接,可以备连接最多两个S120 书本型紧凑电机模块。因此,Sinamics S120 Combi 集成式驱动器也继承了模块式书本型S120 的部分灵活性。

连接S120 书本型紧凑电机模块时,该模块整个安装在控制柜内部,即使S120 Combi的散热器安装在控制柜外部。在小型电机模块上,损耗功率的影响非常小。

六种型号供货

Sinamics S120 Combi基本配置可驱动三根到四根进给轴,有六种型号供货(下表)。

Sinamics S120 Combi集成式驱动器的六种型号表

 

所有型号的尺寸相同[1, 2]。

西门子提供18 A以下的紧凑书本型S120 扩展模块。额定整流功率为16 kW 或20 kW,可为扩展模块提供足够裕量。

Sinamics S120 Combi可与Sinumerik 828D 和 840D sl BASIC数控系统完美配合应用。

CncProduct.Com(编辑:小朱)
本文标签(Tag)数控车床 铣床
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