VMC850Q机床上的集成电器柜

辛忠权

（沈阳机床（集团）有限责任公司，辽宁 沈阳 110000）

1 背景技术

当前，依托于信息技术以及软件技术的飞速发展，集成电路技术在当今信息技术领域得到了广泛的发展，逐渐成为信息技术的发展基石，也是未来人工智能技术以及计算机网络技术发展的主要方向。随之而来的集成电器柜也在机床中逐渐广泛应用，电气集成模块代替了原有的电气散件，性能更加可靠，接线更加方便，更加节省电器柜空间。

近年来，我国集成电路设计、制造、材料、装备等产业链各部分均取得了不俗的业绩。根据中国半导体行业协会的统计数据：2016年全年产业销售4.34万亿元，同比增长20.1%；其中设计业销售额为1.65万亿元，同比增长24.1%。制造业销售额为1.1万亿元，同比增长25.1%。在当前我国高速发展的经济模式之下，电器柜集成技术在机床中的应用已经成为现代产业和科技发展中不可或缺的基本条件之一。

在传统的机床控制电路中，断路器、中间继电器、交流接触器、热继电器和灭弧器是控制电机不可缺少的电器件，尽管现在制造技术和结构不断更新换代，但是接触器主触头拉弧损坏问题仍然没有得到彻底解决；继电器在保护的过程中是根据内部的机械结构进行动作，时间不是太精确；交流接触器在易燃易爆场合还易引起火灾，触头闭合、断开时还伴有较大的噪声等等。因此现有电机控制器件存在接线复杂、使用寿命短、噪声大、故障率高、通用性差、对电机保护可靠性低、操作者在操作过程中接触的电压较高、人身不安全等不足因素[1]。

2 技术领域以及结构特点

本论文涉及一种集成电器柜，主要讲述的是应用在立加行业VMC850Q机床上的集成电器柜，用此集成电器柜代替了传统的普通电器柜。

VMC850Q机床上的集成电器柜，包括集成功率模块和供电模块；集成功率模块中包括有强电功率驱动板卡和弱电控制板卡，强电功率驱动板卡通过控制信号接口与弱电控制板卡连接；强电功率驱动板卡中包括有断路器模块、保护电路模块、光电隔离模块和电能检测模块。弱电控制板卡内部由可控硅模块电路、分线器模组和接线端子组成，内部逻辑按照电气原理图连接。实际设计电气柜的时候，要考虑弱电和强电之间走线互相干扰的问题。集成电源模块代替传统的伺服变压器和稳压电源，集成电源模块的原理实现了交流电压380伏变成交流220伏和直流24伏的功能。

集成功率模块的主控制板有带载电机缺相、短路、过载保护等功能，并且过载电流为可调范围，这样才能保护带载电机；短路保护响应速度快，2us内硬件输出关断信号。

机床厂里生产机床数量之多，必须要考虑成本，降低成本主要是原有的电气柜内电器元器件之价格大于集成模块价格，这样就会明显降低成本。传统电器柜改成集成模块后，电气柜内部结构简单，可减小电器柜体积，减少人工配线，辅料使用明显减少，从而降低工时成本，人工成本也随之大大降低。

3 集成模块的主要结构以及优点

VMC850Q机床集成电器柜的设计提高了机床电器柜的稳定性及装配效率，其集成的模块节省了电器柜的空间。集成功率模块替换原有的断路器、交流接触器、热保护继电器、中间继电器和灭弧器等电气设备，有效克服了电机控制及其保护器件接线复杂、体积庞大安装麻烦、使用寿命短，噪声大、故障率高、通用性差、对电机保护可靠性低、操作者接触器件电压高等不足。供电部分的变压器，稳压电源集成为供电模块，有效解决了电器柜内由伺服变压器引起的电器柜过热的问题[2]。

为了实现上述目的，850Q机床上的集成电器柜包括有集成功率模块和供电模块；所述的集成功率模块中包括有强电功率驱动板卡和弱电控制板卡，由两块PCBA组成，分成强电板和弱电板，并固定到钣金件上，整板模块化装配；走线方式分为强电线槽和信号线槽。具有PCBA模块化焊接组装，减少电气柜线槽及走线，从而提高生产效率，减少人工成本且避免弱电信号受到干扰等优点。850Q集成电器柜结构集成程度高，使用寿命长，且电器柜内部结构简单，也可减小电器柜体积，减少人工配线，辅料使用明显减少，从而降低工时成本和人工成本。

强电板由油阻尼断路器、电机保护模块电路、光电隔离模块电路、 阻容吸收模块电路、可控硅模块电路、大功率继电器和接线端子组成。所述的强电功率驱动板卡中包括有三相380V动力输出接口、单向220VAC动力输出接口、24VDC输出接口和数字量信号输入输出接口；三相380V动力输出接口连接外接的QF总断路器，控制总线路通断。

弱电板由继电器模组、分线器模组合并组成，并根据机床电气原理图进行内部逻辑连接，减少继电器模组间布局走线。接线端子采用弹簧压接方式，且符合电气原理图接口定义，便于快速接线，提高生产效率。强弱电板间通过排线、蓝色信号线和接线端子进行连接，便于信号控制检查及电路导通排查。

当电机发生相间短路时，电流值会超过设置的电流，芯片输出短路信号，过流短路模块会控制光电隔离模块，及时关断电机运转信号，并点亮短路报警指示灯，整个过程全部采用硬件电路实现，在2微秒内就可使电机停止旋转，从而保护电机, 可实现缺相保护、短路保护及过载保护功能。发生短路后，控制板下方短路警示灯（红灯）点亮，电机受到保护而停转，此时需切断控制信号， 清除短路故障，待集成电盘重新上电后才可正常运转。当电机正转与反转同时作用时，电机停转。

集成电源模块代替了变压器和稳压电源，此原理实现了变压器380伏变成220伏，稳压电源220伏变成24伏的功能。在同样的条件下，集成电源模块更加节省电器柜空间，柜内的温度大大降低，散热性大大好于柜内的伺服变压器；集成电源模块更加节约用电，输出电压更加稳定；电盘配线更加简单，大大提升电装配盘效率。

4 电机模块设置说明

4.1 功能说明

可实现缺相保护、短路保护及过载保护功能。

注：发生短路、过载、缺相后，电机受到保护而停转，此时需切断控制信号，清除故障，待电盘重新上电后才可正常运转。当电机正转与反转同时作用时，电机停转。

4.2 过载电流设置说明

（1）电盘通电后，数码管显示--。

（2）设置电机过载电流值。P1：电机1、P2：电机2、P3：电机3。

电盘通电后，第一次按下S2数码管显示P1。第二次按下S2切换至P1过载电流个位（某位闪烁表示该位被选中，按钮S1为电机过载电流设置的增量位），第三次按下S2切换至P1过载电流小数点位（某位闪烁表示该位被选中，按钮S1为电机过载电流设置的增量位）。

待电机1设置完，以此顺序再次按下S2可切换至P2、P3电机过载电流的设置（若只有一个电机只需设置P1参数，P2、P3为默认参数）。

待所用电机的过载电流设置完成后，按复位键即可退出设置界面，此时数码管界面显示--。

4.3 显示说明

（1）电机运转后，对应运行电机指示灯亮，数码管实时循环显示运行电机的当前电流值。

（2）数码管显示ES，说明短路报警。

（3）电机因过载停转时：

数码管显示E1，说明电机1过载报警。

数码管显示E2，说明电机2过载报警。

数码管显示E3，说明电机3过载报警。

注：如果电机过载而停止旋转，需首先切断控制信号，清除故障，等待一段时间后方可按复位键，电机才可运行。

5 具体实施方式

850Q机床上的集成电器柜，包括有集成功率模块1和供电模块2；所述的集成功率模块1包括有强电功率驱动板卡1-1和弱电控制板卡1-2，强电功率驱动板卡1-1通过控制信号接口与弱电控制板卡1-2连接；强电功率驱动板卡1-1中包括有断路器模块、保护模块电路、光电隔离模块和电能检测模块；电能检测模块由电流传感器组成；一个电流传感器的信号输出端连接光电隔离模块，光电隔离模块的信号输出端连接冷却电机；各个通道上分别设有独立的电流传感器，每个电流传感器的信号输出端依次连接保护模块电路和断路器模块电路，断路器模块的信号输出端连接各路外围设备；各外围电路包括冷却电机、伺服刀库、电柜冷却、润滑电机和主轴风扇等设备。

集成功率模块1的强电板1-1包含三相380VAC动力输出接口，单相220VAC动力输出接口，24VDC输出接口，数字量信号输入和输出接口。各电机端口直接连接总进线3～380V端口，此电气回路可通过外接QF1总断路器进行通断控制。图中动力线路上设置电流传感器，用于各个通道中的过载及缺相保护。使用时，当电机发生相间短路时，电流值会超过设置电流，霍尔电流传感器输出短路信号，过流短路模块会控制光电隔离模块，及时关断电机运转信号，并点亮短路报警指示灯，整个过程全部采用硬件电路实现，在2微秒内即可切断电机电源，从而保护电机。动力线路上设置电流传感器，用于各个通道中的过载及缺相保护。当相电流超过相应通道保护阈值，并且持续一段时间后，电路会执行保护动作，切断半导体开关，同时通过相应状态字反馈相应状态。过载电流越大，持续的时间就越小，同样具备反延时性特性。此原理适用于伺服刀架，电气柜门风扇/空调，润滑电机，主轴风扇，大电源供电KM1接触器线圈等外围设备。

集成功率模块1的弱电板1-2根据机床电气原理图进行内部逻辑连接，由可控硅模块电路、分线器模组和接线端子排合并组成，代替传统的继电器、继电器模组、接线端子等弱电设备，减少继电器模组间布局走线。供电口处可以设置有高灵敏度保险丝，当用电回路发生短路事故时能够在微秒级的时间内迅速切断故障电源，确保机器和人员的安全。输出信号采用晶体管驱动，其驱动电流来自24伏输出端口，参考电平为设备电源负极，驱动电压为24V，驱动电流每通道最大可达5A，可直接驱动电磁阀、照明等执行器工作。输出接口采用光耦隔离输出，各个输出通道相互隔离。端口可实现高电平信号的输出功能，比如刀架信号的定位点输入、模式选择等信号的输出。

集成电源模块2里面集成了伺服变压器和稳压电源，通过内部线路进行连接。代替了柜内伺服变压器和24伏稳压电源，此原理实现了变压器380伏变成220伏，稳压电源220伏变成24伏的功能，从而节省了伺服变压器和稳压电源以及控制以上功能的接线端子台[3]。

6 结语

总之，本文讲述了集成电器柜的设计和应用。电器柜的集成应用提高了机床电器柜的稳定性及装配效率，节省了电气柜的整体空间，有效解决了由伺服变压器引起的电器柜过热的问题，电器柜的故障率降低，稳定性大大增加。VMC850Q集成电器柜已经在沈阳机床电装装配车间批量生产，相应的机床也在立加装配车间和终端客户稳定使用。目前VMC850Q机床上用的电器柜都是集成的，后期在其它相应的产品上都会逐渐改成应用集成电器柜。