機床照明燈功率的一種定量計算方法*

史佳兆

(廣州珠江機床廠有限公司研究院電氣部，廣東 廣州 511450)

1 引言

機床照明燈作為機床產品一個必須的輔件，在生產中發揮著重要的作用，但因其在機床產品成本中所占的比例較輕，及設計人員對機床照明效果的不重視，不少設計人員在進行機床照明燈功率選擇時比較“隨意”，大多數設計人員根據“經驗法”、“對比參照法”等進行選擇，很少通過定量的計算來確定對應產品的機床照明燈的功率，但隨著機床產品及機床燈具的發展，“經驗法”會慢慢失靈，真實的照明效果也會越來越偏離實際，以至于造成不同廠家機床設備的照明效果不同，及同一廠家不同機型的照明效果也不大相同，甚至同一廠家同一個系列的機床產品的照明效果都不相同。隨著機床行業標準化生產的發展，機床照明燈功率的選擇也急需定量化、標準化。筆者以具有代表性的立式加工中心所用管型照明燈功率的選擇為例，從定量計算的角度來說明機床照明燈功率如何進行合適的選擇。

2 基本概念

光通量:光通量Φ是指光源表面的客觀輻射通量對人眼所引起的視覺強度，它等于輻射通量與視見函數的乘積。

發光強度:發光體在給定方向上的發光強度I是指光體在該方向的立體角元dΩ內傳輸的光通量dΦ除以該立體角元所得的商。

照度:照度E是指單位被照面面積上的光通量，它是表征受照面被照明程度的物理量，即:

3 設計及計算過程

3.1 照明評定標準的確定

由以上基本概念可知，照度是表征受照面被照明程度的物理量，也是照明效果好壞的一個重要指標，筆者用照度值來作為評定照明效果的指標。首先確定機床照明需要達到什么樣的照明程度，也就是照度值的確定。對于普通加工機床工作面的照度規定各國都不相同［1］，聯邦德國和英國為500 LX(勒克斯)，法國為400 LX，我國建委規定照度標準分為20個等級，主要是通過被識別對象的最小尺寸來確定照明標準，但對于機床設備未做出明確規定，但可參照《照明設計手冊(第二版)》“表2-22，工業建筑一般照明標準值”，查到機械加工粗加工(公差＞0.1 mm)對照度的要求是300 LX，精密加工(公差＜0.1 mm)對照度的要求500 LX，精密機床的照度標準可以取:

3.2 照明燈的確定

首先在進行照明燈功率選擇之前必須確定照明燈的類型及基本參數，如圖1所示和表1所列。

圖1 管型照明燈外觀圖

表1 管型照明燈基本參數表

3.3 燈具布置空間安裝方式的確定

確定機床照明燈的安裝空間及照明燈的安裝方式如圖2所示。

圖2 機床照明燈布置圖

3.4 計算方法的確定

常用的照度計算方法有逐點計算法、利用系數法、單位容量法。由于利用系數法和單位容量發主要適用于均勻布置光源的一般照明計算［2］，而機床照明，從以上機床照明燈布置圖易見，屬于局部照明，所以不適用，而逐點計算法可以精確計算工作臺面上某一點的照度，對于機床來說工作臺面上的照度也是研究的重點，所以可以采用逐點計算法。

3.5 工作臺面研究對象P點的選擇

由于機床工作臺是一個大的面，所以不可能對于每一個點都進行計算，為簡化計算可選取一個代表點。由于機床在工作時候經常需要觀察的是走刀處的情況，即主軸中心在工作臺面工件上的投影點，當工作臺面處于工作區域中心時候主軸在工作臺面的投影中心點也是幾乎和工作臺面中心點重合的，故將P點照度作為代表點如圖2所示。

3.6 光源類型的確定

光源的分類:點光源、線光源、面光源，而不同光源類型的計算方法也不一樣。一般將燈具選定，安裝方式確定后，光源的類型也就隨即確定，例如管型照明燈，燈具的有效發光長度為L燈，通過燈具的安裝位置算出燈具中心距離工作臺面P點的距離LPQ，跟據(L燈＞LPQ/4)［3］可以判斷光源類型為線光源。

3.7 計算分析

根據《照明設計手冊(第二版)》“表5-4線光源在不同表面上的點照度計算公式”可得公式如下:

式中:Eh為P點水平面照度;I′θ·0為線光源光通量為1 000 lm的線光源在θ平面上垂直于軸線的單位長度光強，cd/m;AF為水平方位系數;h為線光源在計算水平面的計算高度，對于燈具方向調整到與P點對中的情況h即就為燈具至P點的垂直距離。

考慮到燈具的光通量并非1 000 lm及燈具的維護系數，則線光源在P點的照度為:

式中:Φ為所選燈具的光通量，K為燈具維護系數。

水平方位系數AF，可根據燈具安裝空間位置及式(5)求得角度α，查《照明設計手冊(第二版)》表5-2得出:

式中:光通量Φ和單位長度的光強根據燈具廠家樣本提供的特定距離的光照E0.7和線光源的計算方法求得，即:

式中:h0.7為照明燈樣本提供光照度為E0.7處點與燈具的垂直距離。

燈具維護系數K，可參考《照明設計手冊(第二版)》表2-24;cosθ，可根據燈具的安裝方位求得，對于可調節照射方向的燈具可直接調至對準P點，即就θ為0°。

根據機床照明燈布置圖如圖2所示，發現實際使用中的P點和燈具的位置關系與《照明設計手冊(第二版)》表5-4所示的情況不完全相同，不能直接套用，可將實際的照明燈分兩部分計算，如圖2所示，L燈=L1+L2;可以直接套用公式分別計算。

將式(6)、(7)代入式(5)中可得:

通過式(8)可分別求得燈具L1和L2部分對P點的照度值EhL1和EhL2，由光照度疊加即可求得P點光照度Eh=EhL1+EhL2，但考慮到機床內部反射光源的影響，計算結果應該再乘以修正系數K修，即E'h=EhK修。

與E標進行對比，若E′＜E標或E′＞E標，則說明選擇不合適，應該重新選擇大一些或者小一些功率的燈，直到Eh?E標(偏差可以定位±10%)時，即為完成。

K修的確定:對于不同結構的機床值是不同的，但對于同一系列機床，在某一特定狀態(需要人為規定，例如要求工作臺處于坐標中心)下值相差不大，所以可對某一型號的照明燈在某點的照度用照度計進行測量，然后與計算值進行比較，即可得出機床在某一特定環境及狀況下的修正系數。不同的機床分別測試，即可得出不同類型機床的照度計算修正系數，修正系數確定后，在以后計算中就可以直接代入，使計算更準確。

3.8 存在的問題分析

由以上計算分析可知，由于式(8)中的水平方位系數AF無法直接算出，需要查表，所以無法用標準值E標反推計算，照明燈功率的確定需大概確定一種功率的照明燈及安裝位置，然后通過分析計算與標準值進行比較對比，有時需要反復多次計算，計算過程較費時，但可通過計算技術解決這一問題，比如可以采用MATLAB，VB，LISP等計算機語言編制專用的計算程序或軟件，從而替代繁瑣的人工計算［4-5］。

4 結論

由以上計算分析可知對于安裝位置方式和燈具類型已經確定的照明燈，可通過定量計算來選擇合適照明燈功率，且針對目前機床行業照明燈照明標準的統一和規范化也是很有必要的，隨著機床制造行業的進步標準化制造業越來越重要，不管是企業標準還是行業標準，機床照明的的標準化無疑可以促進機床制造業的發展。

［1］ 陳 巖.機床設備照明裝置的設計［J］.機床設計與制造，1986(4):31-32.

［2］ 李 想.三種照度計算方法的比較［J］.上海電力學院學報，2011(2):83-85.

［3］ 北京照明學會照明設計專業委員會.照明設計手冊［M］.北京:中國電力出版社，2006.

［4］ 趙天宇，仇性啟.基于VB語言的熱管換熱器傳熱計算程序的研究與開發［J］.工業鍋爐，2009(1):30-32.

［5］ 趙延風，王正中.Matlab語言在梯形明渠水力計算中的應用［J］.節水灌溉，2008(4):38-40.