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摘要：采用半导体照明组件创意设计空芯轴式光源来替代机床中直流白炽灯，能够有效地改善因照明方面带来的不便。文章将空芯轴式光源与机床上的普通光源进行对比，并针对机床照明的特点对空心轴式光源进行硬件应用设计，论证了空心轴式光源可以很好地应用在机床加工照明中。
关键词：空芯轴式光源；机床照明；LED灯；普通光源；照明灯具 文献标识码：A
中图分类号：TH184 文章编号：1009-2374（2016）08-0039-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.08.021
目前，市场上的机床工作照明灯大多采用直流白炽灯，该照明灯具存在诸多缺点。随着半导体技术及高效节能技术的不断创新，新式高效、高亮式半导体照明组件制造技术的成熟。经过比较采用半导体照明组件创意设计空芯轴式光源来替代机床中直流白炽灯，能够有效改善一些因照明方面带来的不便。
1 技术背景
1.1 传统机床照明灯的缺点
（1）传统机床照明灯具属于点光源，因结构及安装方式的原因，在光线投射到加工区域时形成一定的照射角度，使被照射物体形成明暗变化的光影条纹，不能真实显现被照射物体细节，影响操作人员对加工零件细节观察；（2）传统机床照明灯具安装位置固定，不能实时跟踪机床的加工轨迹，严重影响操作人员对零件加工细节效果的观察，影响零件加工质量；（3）传统照明灯具中的发光器件热损耗大、效率低、寿命短、维修成本高、维修更换繁琐、费时费力、制约生产效率的提高。
传统机床照明灯具光谱频谱窄，亮度不能调节，长时间工作易使操作员产生视觉疲劳。传统机床照明灯具发热量大，污染物易聚集在灯体及透光镜片上，长时间工作会造成镜片透光率下降，严重降低照射效果，同时污染物难以清除而影响机床外观。
1.2 空芯轴式光源的优点
（1）采用恒流源作为驱动电源，工作电压低，符合安全工作电压要求，效率高、能耗小、发热量小，适合机床复杂工作环境照明；（2）显色性高、稳定性好，使用寿命长达5万小时，维护成本低；（3）多点照明，无阴影及照射死区，利于现场工作；（4）绿色环保，符合国家节能减排要求。
由此可见，空心轴式光源的优点完全可以弥补传统机床的照明灯的缺点，为此研发一款适合机床加工照明的灯具势在必行。
2 设计方案
第一，空芯动轴式LED机床照明灯由偶数个大功率高亮式LED组成，以主轴轴心为中心成环状均布，形成多点环形面光源，因安装在主轴套筒上，光线投射角度与加工零件表面形成90°角，可在照射区域内形成照度均匀无明暗阴影变化的照射效果，能清晰显现被照射物体的细节纹理。
第二，空芯动轴式LED机床照明灯安装在机床主运动的主轴套筒上，可实时跟踪机床的加工轨迹，在整个加工过程都可以在加工区域形成照度均匀无明暗阴影照射效果，利于操作人员对加工过程和加工细节的观察，提高零件加工质量及机床加工效率。
第三，空芯动轴式LED机床照明灯采用内嵌涨套式胀紧结构，对原机床结构不作任何改变即可实现快速便捷的更换与安装。高亮式LED工作电压低、发热量低、效率高、使用寿命长，可降低维修及维护成本，提高设备生产效率。
第四，LED色温为5600K，接近中午太阳光的色温，长时间工作不会对操作员眼睛产生疲劳感，照度可通过PWM方式实现在25%～100%范围内无极调节。
第五，空芯动轴式LED机床照明灯发热量低，不易造成污染物凝结，照明灯表面喷涂疏水型纳米涂层，在灯具表面形成荷叶疏水效果，进一步降低污垢及水在灯具表面上的停留，达到自清洁效果。
3 硬件应用设计
3.1 高亮式LED驱动芯片及驱动电路设计
目前，最常见的白光LED是通过在蓝色的发光二极管上面涂上黄磷制成的。此外，还可以将红、绿、蓝三种光互相调配做成白色LED。LED的发展非常迅速，现在100～120L/W的白光LED已经可以大量生产了。
但是，LED驱动的发展也存在着很大的挑战，由于LED本身就是线性元件，因此目前主要面临的问题是：（1）正向电压随着电流和温度的变化而变化；（2）不同器件的正向电压会有差异；（3）“色点”会随着电流和温度的变化而漂移；（4）LED必须在规范要求的范围内工作，从而实现可靠工作。
3.2 LED恒流驱动芯片选择
依据空芯动轴式LED机床照明灯设计要求（输入工作电压DC24～DC36V，驱动6～8个3W350毫安白光LED），通过凌特公司提供的?Module LED驱动器选择器件，筛选出LT3518、LT3956两种芯片。依据其特性参数，选择LT3956作为空芯动轴式LED机床照明灯恒流驱动核心部件，该器件作为恒定电流和恒定电压稳压器工作而设计。它非常适用于驱动大电流LED。该部件具有如下特点：（1）4.5～80V输入电压范围使其非常适用于多种应用；（2）LT3956使用一个内部N沟道MOSFET，可以从标称值为12V的输入驱动多达18个350mA的白光LED，从而提供超过25W的功率；（3）采用高压侧电流检测，允许使用升压、降压、降压-升压或SEPIC和反激式拓扑；（4）LT3956在升压模式时提供超过94%的效率，从而无需外部散热措施。一个频率调节引脚允许用户在100kHz～1MHz范围设定频率，从而优化了效率，同时最大限度地减小外部组件的尺寸和成本；（5）结合5mm×6mmQFN封装，LT3956提供一个高度紧凑的25W LED驱动器解决方案；（6）LT3956采用真正色彩PWM（True Color PWM?）调光，以高达3000∶1的调光范围；（7）提供恒定LED色彩。就要求不太苛刻的调光需求而言，CTRL引脚提供10∶1的模拟调光范围；（8）LT3956的固定频率、电流模式架构确保在宽电源和输出电压范围内稳定工作。一个以地为基准电压的FB引脚作为几种LED保护功能的输入，从而使该转换器能够作为一个恒定电压源工作。LT3956EUHE采用36引脚5mm×6mm QFN封装。 4 空芯动轴式LED灯灯体结构设计
4.1 空芯动轴式LED灯体
如图1所示，空芯动轴式LED机床照明灯的灯体由空芯圆盘壳体5、耐油密封圈9及密封罩10构成。空芯圆盘壳体作为空芯动轴式LED机床照明灯的主体，其内部安装了PWM恒流电路板及高亮式LED颗粒，通过密封罩10及聚光透镜3形成一个密封防水的多点环型LED发光体。
4.2 PWM调制恒流源电路
空芯动轴式LED机床照明灯的PWM恒流源电路是由PWM恒流电路板7及高亮式LED发光颗粒11组成。降压型恒流LED驱动芯片驱动高亮式LED串11，通过调节调光电位器1改变芯片给定PWM管脚的频率实现LED的亮度调节；通过采样电阻采样LED灯串的电流，实现开路及短路保护，同时通过热敏电阻NTC采集高亮式LED结温，自动调节LED驱动电流对LED的结温保护来延长LED灯的工作寿命。
4.3 内嵌涨套式夹紧机构
内嵌涨套胀紧结构由一个一端均匀开口的带有锥度的内嵌胀套12及内嵌胀套锁紧螺钉6构成，通过胀套的胀力来实现灯具与机床主轴套筒之间的固定安装。
4.4 疏水型纳米涂层
在灯具表面喷涂3um厚度的疏水型纳米防污材料，提高灯具的耐污能力，同时提高灯具铝合金材料的表面硬度。
5 具体实施方式
空芯动轴式LED机床照明灯由调光电位器1、密封罩锁紧螺钉2、聚光透镜3、耐扭防水接头4、壳体5、内嵌胀套锁紧螺钉6、恒流源线路板7、线路板固定螺钉8、耐油密封圈9、密封罩10、高亮式LED颗粒11、内嵌胀套12组成。以壳体5、内嵌胀套12、内嵌胀套锁紧螺钉6为主体结构，将空芯动轴式LED机床照明灯安装到机床主轴套筒上，通过锁紧内嵌胀套锁紧螺钉6拉紧内嵌胀套12向里移动，在空芯动轴式LED机床照明灯壳体5与机床主轴套筒之间形成内胀力，将空芯动轴式LED机床照明灯固定到主轴套筒上。反之，通过松开内嵌胀套锁紧螺钉6推动内嵌胀套12向外移动，消除空芯动轴式LED机床照明灯壳体5与机床主轴套筒之间形成内胀力，即可拆卸空芯动轴式LED机床照明灯。
通过内嵌胀套12及内嵌胀套锁紧螺钉6，可以在不改动机床结构的前提下实现快速安装与拆卸，配以高亮式LED灯串，就可形成亮度均匀并跟随主轴移动的照明光源，通过调整调光电位器1改变灯的照度，方便机床的生产加工。空芯动轴式LED机床照明灯涂以纳米材料的疏水型涂料，能达到自清洁作用，更利于日常维护。
6 结语
随着机床在机械加工中应用的不断增加，空芯动轴式LED机床照明灯在设计上力求简洁和功能实用化，是替代传统机床照明灯的先进方案。为了更好地推广普及应用，还需要在今后的实际应用中不断发现不足并加以改进和完善。
参考文献
[1] 曹永盛，吴亚楠，赵安臻，等.16QAM/ASK正交调制光标记交换系统的设计与性能仿真[J].新型工业化，2014，（2）.
[2] 包小斌，张尚剑，张雅丽，等.电光强度调制器的非线性度失真分析方法[J].新型工业化，2013，（1）.
作者简介：王振宇（1986-），男，辽宁营口人，中航工业沈阳飞机工业（集团）有限公司机械设备管理处工程师，研究方向：数控机床维修。
（责任编辑：蒋建华）
关键词：空芯轴式光源；机床照明；LED灯；普通光源；照明灯具 文献标识码：A
中图分类号：TH184 文章编号：1009-2374（2016）08-0039-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.08.021
目前，市场上的机床工作照明灯大多采用直流白炽灯，该照明灯具存在诸多缺点。随着半导体技术及高效节能技术的不断创新，新式高效、高亮式半导体照明组件制造技术的成熟。经过比较采用半导体照明组件创意设计空芯轴式光源来替代机床中直流白炽灯，能够有效改善一些因照明方面带来的不便。
1 技术背景
1.1 传统机床照明灯的缺点
（1）传统机床照明灯具属于点光源，因结构及安装方式的原因，在光线投射到加工区域时形成一定的照射角度，使被照射物体形成明暗变化的光影条纹，不能真实显现被照射物体细节，影响操作人员对加工零件细节观察；（2）传统机床照明灯具安装位置固定，不能实时跟踪机床的加工轨迹，严重影响操作人员对零件加工细节效果的观察，影响零件加工质量；（3）传统照明灯具中的发光器件热损耗大、效率低、寿命短、维修成本高、维修更换繁琐、费时费力、制约生产效率的提高。
传统机床照明灯具光谱频谱窄，亮度不能调节，长时间工作易使操作员产生视觉疲劳。传统机床照明灯具发热量大，污染物易聚集在灯体及透光镜片上，长时间工作会造成镜片透光率下降，严重降低照射效果，同时污染物难以清除而影响机床外观。
1.2 空芯轴式光源的优点
（1）采用恒流源作为驱动电源，工作电压低，符合安全工作电压要求，效率高、能耗小、发热量小，适合机床复杂工作环境照明；（2）显色性高、稳定性好，使用寿命长达5万小时，维护成本低；（3）多点照明，无阴影及照射死区，利于现场工作；（4）绿色环保，符合国家节能减排要求。
由此可见，空心轴式光源的优点完全可以弥补传统机床的照明灯的缺点，为此研发一款适合机床加工照明的灯具势在必行。
2 设计方案
第一，空芯动轴式LED机床照明灯由偶数个大功率高亮式LED组成，以主轴轴心为中心成环状均布，形成多点环形面光源，因安装在主轴套筒上，光线投射角度与加工零件表面形成90°角，可在照射区域内形成照度均匀无明暗阴影变化的照射效果，能清晰显现被照射物体的细节纹理。
第二，空芯动轴式LED机床照明灯安装在机床主运动的主轴套筒上，可实时跟踪机床的加工轨迹，在整个加工过程都可以在加工区域形成照度均匀无明暗阴影照射效果，利于操作人员对加工过程和加工细节的观察，提高零件加工质量及机床加工效率。
第三，空芯动轴式LED机床照明灯采用内嵌涨套式胀紧结构，对原机床结构不作任何改变即可实现快速便捷的更换与安装。高亮式LED工作电压低、发热量低、效率高、使用寿命长，可降低维修及维护成本，提高设备生产效率。
第四，LED色温为5600K，接近中午太阳光的色温，长时间工作不会对操作员眼睛产生疲劳感，照度可通过PWM方式实现在25%～100%范围内无极调节。
第五，空芯动轴式LED机床照明灯发热量低，不易造成污染物凝结，照明灯表面喷涂疏水型纳米涂层，在灯具表面形成荷叶疏水效果，进一步降低污垢及水在灯具表面上的停留，达到自清洁效果。
3 硬件应用设计
3.1 高亮式LED驱动芯片及驱动电路设计
目前，最常见的白光LED是通过在蓝色的发光二极管上面涂上黄磷制成的。此外，还可以将红、绿、蓝三种光互相调配做成白色LED。LED的发展非常迅速，现在100～120L/W的白光LED已经可以大量生产了。
但是，LED驱动的发展也存在着很大的挑战，由于LED本身就是线性元件，因此目前主要面临的问题是：（1）正向电压随着电流和温度的变化而变化；（2）不同器件的正向电压会有差异；（3）“色点”会随着电流和温度的变化而漂移；（4）LED必须在规范要求的范围内工作，从而实现可靠工作。
3.2 LED恒流驱动芯片选择
依据空芯动轴式LED机床照明灯设计要求（输入工作电压DC24～DC36V，驱动6～8个3W350毫安白光LED），通过凌特公司提供的?Module LED驱动器选择器件，筛选出LT3518、LT3956两种芯片。依据其特性参数，选择LT3956作为空芯动轴式LED机床照明灯恒流驱动核心部件，该器件作为恒定电流和恒定电压稳压器工作而设计。它非常适用于驱动大电流LED。该部件具有如下特点：（1）4.5～80V输入电压范围使其非常适用于多种应用；（2）LT3956使用一个内部N沟道MOSFET，可以从标称值为12V的输入驱动多达18个350mA的白光LED，从而提供超过25W的功率；（3）采用高压侧电流检测，允许使用升压、降压、降压-升压或SEPIC和反激式拓扑；（4）LT3956在升压模式时提供超过94%的效率，从而无需外部散热措施。一个频率调节引脚允许用户在100kHz～1MHz范围设定频率，从而优化了效率，同时最大限度地减小外部组件的尺寸和成本；（5）结合5mm×6mmQFN封装，LT3956提供一个高度紧凑的25W LED驱动器解决方案；（6）LT3956采用真正色彩PWM（True Color PWM?）调光，以高达3000∶1的调光范围；（7）提供恒定LED色彩。就要求不太苛刻的调光需求而言，CTRL引脚提供10∶1的模拟调光范围；（8）LT3956的固定频率、电流模式架构确保在宽电源和输出电压范围内稳定工作。一个以地为基准电压的FB引脚作为几种LED保护功能的输入，从而使该转换器能够作为一个恒定电压源工作。LT3956EUHE采用36引脚5mm×6mm QFN封装。 4 空芯动轴式LED灯灯体结构设计
4.1 空芯动轴式LED灯体
如图1所示，空芯动轴式LED机床照明灯的灯体由空芯圆盘壳体5、耐油密封圈9及密封罩10构成。空芯圆盘壳体作为空芯动轴式LED机床照明灯的主体，其内部安装了PWM恒流电路板及高亮式LED颗粒，通过密封罩10及聚光透镜3形成一个密封防水的多点环型LED发光体。
4.2 PWM调制恒流源电路
空芯动轴式LED机床照明灯的PWM恒流源电路是由PWM恒流电路板7及高亮式LED发光颗粒11组成。降压型恒流LED驱动芯片驱动高亮式LED串11，通过调节调光电位器1改变芯片给定PWM管脚的频率实现LED的亮度调节；通过采样电阻采样LED灯串的电流，实现开路及短路保护，同时通过热敏电阻NTC采集高亮式LED结温，自动调节LED驱动电流对LED的结温保护来延长LED灯的工作寿命。
4.3 内嵌涨套式夹紧机构
内嵌涨套胀紧结构由一个一端均匀开口的带有锥度的内嵌胀套12及内嵌胀套锁紧螺钉6构成，通过胀套的胀力来实现灯具与机床主轴套筒之间的固定安装。
4.4 疏水型纳米涂层
在灯具表面喷涂3um厚度的疏水型纳米防污材料，提高灯具的耐污能力，同时提高灯具铝合金材料的表面硬度。
5 具体实施方式
空芯动轴式LED机床照明灯由调光电位器1、密封罩锁紧螺钉2、聚光透镜3、耐扭防水接头4、壳体5、内嵌胀套锁紧螺钉6、恒流源线路板7、线路板固定螺钉8、耐油密封圈9、密封罩10、高亮式LED颗粒11、内嵌胀套12组成。以壳体5、内嵌胀套12、内嵌胀套锁紧螺钉6为主体结构，将空芯动轴式LED机床照明灯安装到机床主轴套筒上，通过锁紧内嵌胀套锁紧螺钉6拉紧内嵌胀套12向里移动，在空芯动轴式LED机床照明灯壳体5与机床主轴套筒之间形成内胀力，将空芯动轴式LED机床照明灯固定到主轴套筒上。反之，通过松开内嵌胀套锁紧螺钉6推动内嵌胀套12向外移动，消除空芯动轴式LED机床照明灯壳体5与机床主轴套筒之间形成内胀力，即可拆卸空芯动轴式LED机床照明灯。
通过内嵌胀套12及内嵌胀套锁紧螺钉6，可以在不改动机床结构的前提下实现快速安装与拆卸，配以高亮式LED灯串，就可形成亮度均匀并跟随主轴移动的照明光源，通过调整调光电位器1改变灯的照度，方便机床的生产加工。空芯动轴式LED机床照明灯涂以纳米材料的疏水型涂料，能达到自清洁作用，更利于日常维护。
6 结语
随着机床在机械加工中应用的不断增加，空芯动轴式LED机床照明灯在设计上力求简洁和功能实用化，是替代传统机床照明灯的先进方案。为了更好地推广普及应用，还需要在今后的实际应用中不断发现不足并加以改进和完善。
参考文献
[1] 曹永盛，吴亚楠，赵安臻，等.16QAM/ASK正交调制光标记交换系统的设计与性能仿真[J].新型工业化，2014，（2）.
[2] 包小斌，张尚剑，张雅丽，等.电光强度调制器的非线性度失真分析方法[J].新型工业化，2013，（1）.
作者简介：王振宇（1986-），男，辽宁营口人，中航工业沈阳飞机工业（集团）有限公司机械设备管理处工程师，研究方向：数控机床维修。
（责任编辑：蒋建华）