针对五轴激光加工机床的强散热柜设计

郑欣茹 姜 扬 陈雨晴 余 凯 鲁旺辉

（哈尔滨理工大学 机械动力工程学院，哈尔滨 150080）

随着社会的发展，人工成本的增加和多元化市场的竞争，各企业面临着重重压力。制造业普遍需要技术进步和设备升级改造。机床有诸多精进方向，其中五轴数控机床是高档数控机床的代表，融合激光加工专业性强的特点，可有效解决现有国产五轴数控机床加工在运行过程中存在的故障率偏高、先进功能不能维持等问题。五轴激光加工的前景十分光明，但有关两者的结合仍存在一些问题。五轴激光加工的基础费用和维修更换频率，使得机床投入使用承担的经济负担较大，为此提出了一种完善机床使用性能和延长设备使用寿命的方案。

电气控制系统是保证数控系统实现电机驱动和自动化控制的关键，一旦出现故障，将影响机床的正常运行和生产活动的正常开展[1]，同时会增加时间成本和经济成本。电气柜温度一旦过高，不但会降低电气柜内电子电气元件的可靠性，也会影响电气元件的使用寿命[2]。

为了方便操作控制和后期维护，将五轴激光加工机床的数控系统的电器元件放置在同一处，设置专门安放电气元件的电气柜，通过对电气柜内部布局优化散热，减少因过热导致的电气元件失效，进而实现降低维修频率和延长机床使用寿命的目的。

1 强化散热的必要性

1.1 电气柜可靠性影响因素

数控技术日趋成熟，但仍存在一些不容忽略的可靠性影响因素，其中电气柜的散热通风设计就是一个重要环节。合适的温度是保证数控电气设备生产工作的必要条件之一。单独放置的电气柜包含了机床使用必需的发热元件，工作状态下会致使电气柜温度升高，而各电气部件都有各自的温度要求，因此应重视散热通风，避免电气柜过热带来负面影响。

1.2 电气柜过热损坏电气元件

电气元件在正常运行过程中不可避免会产生发热现象。电气柜过热将严重影响设备的可靠性，甚至导致事故的发生。一些机床自身的运动特性会对核心元件产生磨损热，严重影响机床的使用寿命，因此选用强散热电气柜非常必要。例如，激光切割中的激光发生器发出激光时会产生大量热量，一旦设备散热出现问题会增加故障率。使用散热性能良好的电气柜，能大大延长机床、数控系统电气元件的使用寿命，同时便于后期设备维护，减小外界对控制信号的干扰。针对五轴激光加工机床中元器件发热严重需要加强散热能力的问题，本文提出了一种新型强散热电气柜。

2 结构布局

2.1 内部布局

电气控制柜的内部布局布线十分重要。好的布局布线不仅可以提高数控系统的稳定性，也便于后期维护[3]。为保证电子元件的寿命，降低电柜内电磁场的互相干扰，同时兼顾强弱电分离，将各电气元件按照强弱电分区域布置，且各元件分别接地。电气柜内元件布置完成后，根据走线情况合理安排行线槽宽度，防止行线槽过满导致强电电缆从其他行线槽布设，影响预先考虑的强弱电分离[4]。电气柜的元件布局及模拟布局图，如图1所示。

图1 电气柜元件布局及模拟布局图

2.2 内部结构

五轴激光加工数控机床的电气柜由工业铝型材组成箱体框架。箱体的前侧装配有控制面板，内部设有安装背板和安装底板。步进电机驱动器、电源模块以及激光发生器合理安装在底板上，Mach3控制板和保护装置安装在背板上。根据电气元件安装空间需求及其设备整体结构的需要，最终确定电气柜的尺寸为392 mm×240 mm×145 mm（长×宽×高）。

为解决散热问题，柜内设备尽量选用功耗小、耐热性和稳定性好的元器件。电气柜两侧由于空间问题无法设置通风口，需要将风机安装在柜体后部，通过由内向外的方式进行排风，并且附带导风板调节吹出的空气方向，力求达到最佳的空气导流效果，使排风系统发挥最大的效益[5]。为利于电气柜的散热，电气元件排布设计时兼顾接线及装配的便利性，遵循高功率放上、低功率放下以及关键电气元器件放风口的原则。

在运行过程中，五轴激光加工机床的电气柜电机驱动器、电源模块以及激光发生器发热元件本身会产生大量热量造成柜内温度升高，使温度敏感的元件老化甚至失效。为避免造成安全事故和经济损失，必须优化电气柜内设备结构布局和散热方式，以保证电气柜的安全稳定运行。

3 散热设计

3.1 热载荷分析

电气柜的热量主要来源于功率单元和变压器，故散热设计可从选取合适的元件构成材料和选取合适的散热方式两方面考虑。电气柜内主要发热的电气元件包括Mach3控制板、步进电机驱动器、电源模块以及激光发生器等。五轴联动激光加工机床电气柜所处车间的环境温度为0～40 ℃，通过查询相应电气器件的技术手册，观察其使用工况和工作效率，经过计算得出电气柜内所有电气元件的总发热量约为52.5 W。

3.2 风机选型

电气柜主流的冷却方式主要有空调制冷、热交换器散、热强迫风冷以及自然对流等。根据电气柜的使用环境、稳定性、成本控制等因素，最终决定使用经济且使用广泛的强迫风冷作为电气柜的冷却方式。采用风机进行强迫风冷时，电气柜需要的通风量Qf的计算公式为

式中：Qf为电气柜需要的通风量，m3·s-1；ρ为空气密度，kg·m-3；Cp为空气比热容，J·kg-1·℃-1；ϕ为电气柜内热功耗，W；∆T为空气出口温度与进口温度之差，本文设计∆T取15 ℃。

根据式（1），计算得出电气柜散热所需的通风量Qf为6.9 m3·s-1。

风机选型时需要根据风机的风量、系统阻抗曲线和风压特性曲线进行合理选择。根据安全系数与理论通风量的乘积确定电气柜中的系统阻力，进而确定风机的风量，再根据风度形状和相关条件计算得出风机风量Q为20.7 m3·s-1。结合风机可靠性、运行噪声以及控制成本等需求，选择采用一个型号为AS6025B24P0、尺寸为70 mm×70 mm×29 mm、额定风量为24 m3·s-1、静压为33 Pa的风机安装在机柜后侧方，通过抽风的方式进行电气柜散热。此外，利用SolidWorks软件中Simulation和Flow Simulation模块作为辅助工具，高效率、低成本地进行可视化分析，有效进行结果验证。

4 仿真验证

4.1 仿真计算过程

仿真计算将物体的热仿真模型划分成网格，再对网格进行计算分析。需要注意，模型特征较复杂的地方需进行网格细化，避免仿真结果失真影响计算。该电气柜内组成较为复杂，采用精确的电气元件模型会大幅提高系统模型的计算复杂性。为了简化计算，对发热量很小的电气元件及影响风道的线槽等结构采用等尺寸不发热体积块进行等效。将电气柜模型导入SolidWorks软件的Simulation模块后，运行分析得出其热仿真模型。

4.2 仿真结果分析

将预设的材料、数据以及风机的技术手册输入风量-风压特性曲线，可以得到未进行风机强制风冷状态下电气柜内各电气元件的表面温度云图。安装在电气柜内部的电气元件表面最高温度为113 ℃，远大于电气柜中各电气元件理想工作温度，即现在电气柜内的温度并不满足设计需求。此外，步进电机驱动器实物表面带有散热翅片，还需要进行流体力学仿真，验证添加风机后电气柜各电气元件的温度是否满足需求。通过Flow Simulation模块计算得到电气柜内流体温度及流体流动轨迹，如图2所示。

图2 流体温度及流动轨迹

根据图2可以看出，电气柜内部的空气最高温度在50 ℃左右。风机的强制制冷使得电气柜内部温度降低至可满足各类电气元件使用时的理想温度。此外，根据流体运动轨迹分析可知，电气柜内电气元件的布局仍存在可优化空间，如可根据实际情况适当降低Mach3控制板高度。综上所述，在实际情况中，该电气柜的工作温度比仿真计算结果更小，强散热电气柜内各电气元件的温度满足工作需求。

5 结语

为减少电气柜中常出现的因温度过高导致的电气元件失效情况，提出了一种能满足机床日常生产的强散热电气柜。通过明确细化电气柜内部结构布局，优化散热方式，进行仿真和流体运动仿真分析。验证显示，设计的强散热电气柜工作温度能满足各电气元件的理想工作温度，有效减少了工作过程中电气元件的维修更换频率，延长了机床的使用寿命。