高度集成化的驅(qū)動(dòng)技術(shù)方案適用于單體式車-銑床，該高度集成化驅(qū)動(dòng)裝置有6種不同變型，適用于世界范圍內(nèi)近50%的單主軸刀具機(jī)床。
目前，世界上約有一半的刀具機(jī)床是主軸功率為14kW的車-銑床。最簡單的車床常常只有兩根幾何學(xué)主軸（X、Z）。對于機(jī)床的整個(gè)驅(qū)動(dòng)技術(shù)裝置來說，連同主軸在內(nèi)有3個(gè)電動(dòng)機(jī)組件（電動(dòng)機(jī)組件、連接電動(dòng)機(jī)的用于逆變器控制裝置）便已夠用。有時(shí)，人們在單體式車床上會(huì)看到一個(gè)驅(qū)動(dòng)式刀具，很少還會(huì)在單體式車床上看到電力驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)臺以及一根車床尾架軸。單體式車床用于主軸和進(jìn)給軸所需要的電動(dòng)機(jī)組件總共不超過6根。 單體式銑床通常有3根幾何主軸（X、Y、Z），有時(shí)還另有兩根幾何主軸（A、C）。在這種情況下，基本結(jié)構(gòu)有4個(gè)電動(dòng)機(jī)組件便已夠用；而如果還另有幾何主軸，則有6個(gè)電動(dòng)機(jī)組件便已夠用。
對于許多標(biāo)準(zhǔn)型機(jī)床，最佳供電的類型（基本-線-組件）是3個(gè)或4個(gè)電動(dòng)機(jī)組件以一個(gè)單元的形式供電。為了能夠?qū)C(jī)床再多拓展兩根軸，也可選擇連接附加的幾何軸（圖1）。那么，機(jī)床的最終用戶能夠從集成化驅(qū)動(dòng)技術(shù)方案得到哪些優(yōu)點(diǎn)呢？如果集成化驅(qū)動(dòng)技術(shù)方案的類型適合機(jī)床的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，那么與一個(gè)模塊化技術(shù)方案相比，該集成化驅(qū)動(dòng)技術(shù)方案便由一個(gè)單獨(dú)供電電動(dòng)機(jī)組件組成，其優(yōu)點(diǎn)是：由西門子公司研制的Sinamics S120 Combi集成化驅(qū)動(dòng)技術(shù)方案省去了多個(gè)端口，從而使結(jié)構(gòu)達(dá)到了最佳化。對于OEM來說，這就意味著簡化安裝且省去了中間電路，降低了最終用戶對配電箱內(nèi)裝置的費(fèi)用投入。
圖1 用于刀具-機(jī)床的整體式驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)置在一個(gè)外殼中，適用于在嚴(yán)苛的工業(yè)環(huán)境中和危險(xiǎn)電網(wǎng)條件下使用
所有部件的設(shè)置均實(shí)現(xiàn)最佳化
此外，由于省去了軸與軸間的端口，也進(jìn)一步提高了集成化驅(qū)動(dòng)技術(shù)裝置潛在的堅(jiān)固耐用性。西門子公司研制的集成化 S120 Combi驅(qū)動(dòng)裝置不是對模塊化Sinamics S120驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行簡單的改裝，而是將所有部件在印刷電路板上從安裝層面實(shí)現(xiàn)了最佳化平行設(shè)置。這樣，與模塊化部件連接相比，電力半導(dǎo)體可更好地與散熱器相連接，如果貫通式散熱器安裝在配電箱的外部（即外部散熱），那么內(nèi)部損失則降至最低，可不必為配電箱采取費(fèi)用昂貴的散熱措施，這樣，S120 Combi驅(qū)動(dòng)裝置的內(nèi)部損失僅占總損失的15%～19%。而采用模塊化、寬為50mm的S120-Booksize驅(qū)動(dòng)裝置的內(nèi)部損失約占總損失的50%。除了將電力半導(dǎo)體最佳化地連接在散熱器上之外，散熱器的高度和寬度的比例接近也有助于降低驅(qū)動(dòng)裝置內(nèi)部損失。散熱器這樣的外形幾何尺寸使得驅(qū)動(dòng)裝置能夠通過散熱器實(shí)現(xiàn)最佳散熱性能。
圖2 世界范圍內(nèi)不同電網(wǎng)分布圖：在不穩(wěn)定的電網(wǎng)區(qū)域必須使用調(diào)節(jié)裝置和驅(qū)動(dòng)裝置以實(shí)現(xiàn)安全供電
除了能夠降低驅(qū)動(dòng)裝置的內(nèi)部損失外，集成化S120 Combi驅(qū)動(dòng)裝置的所有部件的設(shè)置均達(dá)到了最佳化，從而降低了裝置的總損失。采用改善的Smart-Mode調(diào)節(jié)器特別有利于調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)技術(shù)裝置部分負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下的損失。與采用200V三相交流電的驅(qū)動(dòng)裝置相比，采用模塊化S120-Booksize驅(qū)動(dòng)裝置和集成化S120 Combi驅(qū)動(dòng)裝置的供電電壓為380～480V的三相交流電時(shí)，驅(qū)動(dòng)裝置的損失最多減少20%。世界上絕大多數(shù)主要使用刀具機(jī)床的國家（圖2）仍繼續(xù)使用電壓為380～480V的三相交流電供電。
當(dāng)中間電路電壓較高時(shí)，電動(dòng)機(jī)上的端電壓也較高，電動(dòng)機(jī)的電損耗變小。因?yàn)槭褂?00V三相交流電壓驅(qū)動(dòng)裝置時(shí)需要使用匹配的變壓器，而西門子研制的Sinamics S120驅(qū)動(dòng)裝置和電動(dòng)機(jī)均允許使用電壓最大為480V的三相交流電供電，所以不需要使用匹配的變壓器，這樣便再次節(jié)省了電損耗。由此，集成化S120 Combi驅(qū)動(dòng)裝置（模塊化S120-Booksize驅(qū)動(dòng)裝置也是如此）便能夠?qū)⒍嘤嗟碾娔苤匦螺斎腚娋W(wǎng)。
對于結(jié)構(gòu)緊湊的機(jī)床來說，特別重要的是配電箱必須要小。機(jī)床的配電箱外形尺寸高為380mm、寬為260mm、長為304mm，占位小，可以節(jié)省驅(qū)動(dòng)裝置背面的連接線纜。這樣，留有80mm高的散熱高度即可，不必提高供電線路的安裝高度；還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，這樣供電線路連接件可接近性好。電磁兼容（EMV）采取屏蔽設(shè)計(jì)方案，完全可以集成入驅(qū)動(dòng)裝置，不需要在驅(qū)動(dòng)裝置外部進(jìn)行屏蔽隔離（圖3）。
圖3 集成化屏蔽式的連接技術(shù)裝置堅(jiān)固緊湊，適用于在高電磁環(huán)境中使用
所使用的驅(qū)動(dòng)裝置外部散熱性達(dá)到了最佳化，為了滿足機(jī)床結(jié)構(gòu)緊湊的需要，必要時(shí)可將驅(qū)動(dòng)裝置安裝在配電箱里。但在這種情況下，需要一個(gè)匹配的安裝架。外部散熱的優(yōu)點(diǎn)是，僅有15%～19%的損失熱量存留在配電箱內(nèi)，絕大部分的損失熱量已經(jīng)排到配電箱外。配電箱的散熱器可設(shè)置得非常小，此時(shí)使用一個(gè)簡單的熱交換器便夠用，無需使用空調(diào)裝置（圖4）。
圖4 Sinamics S120 Combi驅(qū)動(dòng)裝置可以安裝在機(jī)柜外部或內(nèi)部，取決于空間和冷卻的條件
外部散熱的完備技術(shù)方案
西門子公司研制的Sinamics S120驅(qū)動(dòng)裝置的通風(fēng)結(jié)構(gòu)件設(shè)置在驅(qū)動(dòng)裝置的上側(cè)，高86mm，用剛性金屬板連在一起，對OEM來說，禁止使用整體式外部散熱方案，通風(fēng)結(jié)構(gòu)件的外部便不能再安裝金屬板。
西門子公司已經(jīng)研發(fā)出適合在嚴(yán)苛使用條件下使用的驅(qū)動(dòng)控制裝置，散熱體肋梁間距寬，可阻止灰塵和冷卻/潤滑劑對驅(qū)動(dòng)控制裝置的危害。為此，散熱器設(shè)置在驅(qū)動(dòng)裝置的上方，散熱器肋梁上不會(huì)粘上液化的潤滑劑，這樣，散熱器便可順暢地自由吹風(fēng)散熱，吹風(fēng)量為290m3/h。而冷卻器的吹風(fēng)量只有160m3/h。散熱器肋梁保持干凈，散熱能力較強(qiáng)；另外，只有散熱器的上方和下方的溫度差實(shí)現(xiàn)最小化，才能延長散熱器的使用壽命。
西門子公司研發(fā)的驅(qū)動(dòng)控制裝置可在溫度較高的條件下使用，在工作環(huán)境溫度為70℃的條件下，驅(qū)動(dòng)控制裝置的使用壽命為35000h。西門子公司研制的IP54散熱器的電子器件是澆注的，堅(jiān)固耐用，不上銹的滾珠軸承在充斥著霧狀潤滑劑的工作環(huán)境中能夠正常發(fā)揮功能。這樣便能夠進(jìn)行監(jiān)控，并對散熱器損壞情況進(jìn)行提前報(bào)警，以使操作人員能夠有時(shí)間繼續(xù)完成其正在加工的工件作業(yè)。
除了散熱器外，西門子公司研制的整個(gè)驅(qū)動(dòng)控制裝置均設(shè)置為適用于在溫度較高的工作環(huán)境中使用。驅(qū)動(dòng)控制裝置的配電箱在55℃的工作環(huán)境中仍可使用，甚至在45℃的工作環(huán)境中，驅(qū)動(dòng)控制裝置的配電箱的性能仍不會(huì)降低。由一個(gè)同樣受到監(jiān)控的驅(qū)動(dòng)控制裝置內(nèi)空間通風(fēng)裝置避免驅(qū)動(dòng)控制裝置內(nèi)空間過熱，以防止電解電容器的電解液提前變干。驅(qū)動(dòng)控制裝置的所有印刷電路板均涂有牢固的漆，這樣，驅(qū)動(dòng)控制裝置便不會(huì)受到工作環(huán)境中過高的空氣濕度和有害氣體的危害。
供電網(wǎng)的安全風(fēng)險(xiǎn)大幅增加
除了驅(qū)動(dòng)控制裝置不受工作環(huán)境的影響外，在一些典型的使用機(jī)床的國家如印度和中國，供電的安全性存在著很大的危險(xiǎn)。印度是電壓為415V的TT三相交流電供電網(wǎng)，也就是說沒有保護(hù)接地裝置。印度是通過使用故障電流保護(hù)開關(guān)來實(shí)現(xiàn)最好的供電安全保護(hù)方案的。在此，重要的是驅(qū)動(dòng)控制裝置需有一個(gè)漏電設(shè)計(jì)方案。在這種條件下，電源濾波器不利于生產(chǎn)，因此，該驅(qū)動(dòng)控制裝置在沒有電源濾波器的情況下方可實(shí)現(xiàn)運(yùn)行最佳化。印度供電網(wǎng)的特點(diǎn)是經(jīng)常“斷電”（一天斷電多達(dá)10次的情況絕非少見），且為節(jié)電供電網(wǎng)單相或多相“降低電壓”（電源受到損壞）的情況也常有發(fā)生；特別是供電網(wǎng)快速復(fù)原對于正在供電的絕緣柵雙極晶體管（IGBT）是危險(xiǎn)的。因此，在以前使用集成化S120 Combi驅(qū)動(dòng)裝置時(shí)便將雙極晶體管設(shè)置得很堅(jiān)固耐用，供電調(diào)節(jié)器也實(shí)現(xiàn)了最佳化。這樣做的結(jié)果是，一旦存在危險(xiǎn)，便立即切斷硬件供電。例如在設(shè)備短時(shí)間的雙相運(yùn)行時(shí)，不會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)差錯(cuò)斷路。
在亞洲，當(dāng)電壓出現(xiàn)大幅度變化時(shí)，通常是使用所謂的伺服穩(wěn)壓器（SVS）來調(diào)整電壓，即使用電動(dòng)的可調(diào)節(jié)的變壓器，該變壓器可在一日內(nèi)將電壓均衡在±100V。西門子研制的驅(qū)動(dòng)器也將用SVS調(diào)整電壓的地區(qū)使用條件考慮在內(nèi)，其研制的符合在印度使用的驅(qū)動(dòng)器的性能已經(jīng)得到證實(shí)。
一些標(biāo)準(zhǔn)型車-銑床需要4個(gè)以上的電動(dòng)機(jī)模塊。由于這樣的原因，西門子公司研制的模塊化S120-Booksize Compact驅(qū)動(dòng)裝置可通過中間電路的接口實(shí)現(xiàn)連接。這樣，一小部分模塊化S120-Booksize已適應(yīng)的靈活性也可為非模塊化S120 Combi型集成化驅(qū)動(dòng)裝置所接受。結(jié)構(gòu)緊湊型S120-Booksize驅(qū)動(dòng)裝置整體式安裝在配電箱里，即使驅(qū)動(dòng)控制器的散熱器安裝在配電箱外部的情況下也是如此。在采用小電動(dòng)機(jī)模塊的情況下，損耗功率只能起到一個(gè)從屬作用。
西門子公司研制的Sinamics S120 Combi驅(qū)動(dòng)裝置是一個(gè)能夠擴(kuò)展的基本型驅(qū)動(dòng)裝置，可用于3軸或4軸機(jī)床的6種不同變型（如表）。西門子公司研制的所有驅(qū)動(dòng)裝置的外形尺寸均一致。S120-Booksize模塊可使用最大設(shè)計(jì)電流強(qiáng)度為18A，供電功率為16kW和20kW，這樣便留有余地以便擴(kuò)展軸。西門子公司研制的Sinamics S120 Combi驅(qū)動(dòng)裝置可集成入Sinumerik 828D型和Sinumerik 840D sl型調(diào)節(jié)器設(shè)備包里，這便為緊湊型車-銑床采用西門子研發(fā)的驅(qū)動(dòng)裝置創(chuàng)建了基礎(chǔ)條件。
