辛忠權

（沈陽機床（集團）有限責任公司，遼寧 沈陽 110000）

1 背景技術

當前，依托于信息技術以及軟件技術的飛速發(fā)展，集成電路技術在當今信息技術領域得到了廣泛的發(fā)展，逐漸成為信息技術的發(fā)展基石，也是未來人工智能技術以及計算機網(wǎng)絡技術發(fā)展的主要方向。隨之而來的集成電器柜也在機床中逐漸廣泛應用，電氣集成模塊代替了原有的電氣散件，性能更加可靠，接線更加方便，更加節(jié)省電器柜空間。

近年來，我國集成電路設計、制造、材料、裝備等產業(yè)鏈各部分均取得了不俗的業(yè)績。根據(jù)中國半導體行業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計數(shù)據(jù)：2016年全年產業(yè)銷售4.34萬億元，同比增長20.1%；其中設計業(yè)銷售額為1.65萬億元，同比增長24.1%。制造業(yè)銷售額為1.1萬億元，同比增長25.1%。在當前我國高速發(fā)展的經濟模式之下，電器柜集成技術在機床中的應用已經成為現(xiàn)代產業(yè)和科技發(fā)展中不可或缺的基本條件之一。

在傳統(tǒng)的機床控制電路中，斷路器、中間繼電器、交流接觸器、熱繼電器和滅弧器是控制電機不可缺少的電器件，盡管現(xiàn)在制造技術和結構不斷更新?lián)Q代，但是接觸器主觸頭拉弧損壞問題仍然沒有得到徹底解決；繼電器在保護的過程中是根據(jù)內部的機械結構進行動作，時間不是太精確；交流接觸器在易燃易爆場合還易引起火災，觸頭閉合、斷開時還伴有較大的噪聲等等。因此現(xiàn)有電機控制器件存在接線復雜、使用壽命短、噪聲大、故障率高、通用性差、對電機保護可靠性低、操作者在操作過程中接觸的電壓較高、人身不安全等不足因素[1]。

2 技術領域以及結構特點

本論文涉及一種集成電器柜，主要講述的是應用在立加行業(yè)VMC850Q機床上的集成電器柜，用此集成電器柜代替了傳統(tǒng)的普通電器柜。

VMC850Q機床上的集成電器柜，包括集成功率模塊和供電模塊；集成功率模塊中包括有強電功率驅動板卡和弱電控制板卡，強電功率驅動板卡通過控制信號接口與弱電控制板卡連接；強電功率驅動板卡中包括有斷路器模塊、保護電路模塊、光電隔離模塊和電能檢測模塊。弱電控制板卡內部由可控硅模塊電路、分線器模組和接線端子組成，內部邏輯按照電氣原理圖連接。實際設計電氣柜的時候，要考慮弱電和強電之間走線互相干擾的問題。集成電源模塊代替?zhèn)鹘y(tǒng)的伺服變壓器和穩(wěn)壓電源，集成電源模塊的原理實現(xiàn)了交流電壓380伏變成交流220伏和直流24伏的功能。

集成功率模塊的主控制板有帶載電機缺相、短路、過載保護等功能，并且過載電流為可調范圍，這樣才能保護帶載電機；短路保護響應速度快，2us內硬件輸出關斷信號。

機床廠里生產機床數(shù)量之多，必須要考慮成本，降低成本主要是原有的電氣柜內電器元器件之價格大于集成模塊價格，這樣就會明顯降低成本。傳統(tǒng)電器柜改成集成模塊后，電氣柜內部結構簡單，可減小電器柜體積，減少人工配線，輔料使用明顯減少，從而降低工時成本，人工成本也隨之大大降低。

3 集成模塊的主要結構以及優(yōu)點

VMC850Q機床集成電器柜的設計提高了機床電器柜的穩(wěn)定性及裝配效率，其集成的模塊節(jié)省了電器柜的空間。集成功率模塊替換原有的斷路器、交流接觸器、熱保護繼電器、中間繼電器和滅弧器等電氣設備，有效克服了電機控制及其保護器件接線復雜、體積龐大安裝麻煩、使用壽命短，噪聲大、故障率高、通用性差、對電機保護可靠性低、操作者接觸器件電壓高等不足。供電部分的變壓器，穩(wěn)壓電源集成為供電模塊，有效解決了電器柜內由伺服變壓器引起的電器柜過熱的問題[2]。

為了實現(xiàn)上述目的，850Q機床上的集成電器柜包括有集成功率模塊和供電模塊；所述的集成功率模塊中包括有強電功率驅動板卡和弱電控制板卡，由兩塊PCBA組成，分成強電板和弱電板，并固定到鈑金件上，整板模塊化裝配；走線方式分為強電線槽和信號線槽。具有PCBA模塊化焊接組裝，減少電氣柜線槽及走線，從而提高生產效率，減少人工成本且避免弱電信號受到干擾等優(yōu)點。850Q集成電器柜結構集成程度高，使用壽命長，且電器柜內部結構簡單，也可減小電器柜體積，減少人工配線，輔料使用明顯減少，從而降低工時成本和人工成本。

強電板由油阻尼斷路器、電機保護模塊電路、光電隔離模塊電路、 阻容吸收模塊電路、可控硅模塊電路、大功率繼電器和接線端子組成。所述的強電功率驅動板卡中包括有三相380V動力輸出接口、單向220VAC動力輸出接口、24VDC輸出接口和數(shù)字量信號輸入輸出接口；三相380V動力輸出接口連接外接的QF總斷路器，控制總線路通斷。

弱電板由繼電器模組、分線器模組合并組成，并根據(jù)機床電氣原理圖進行內部邏輯連接，減少繼電器模組間布局走線。接線端子采用彈簧壓接方式，且符合電氣原理圖接口定義，便于快速接線，提高生產效率。強弱電板間通過排線、藍色信號線和接線端子進行連接，便于信號控制檢查及電路導通排查。

當電機發(fā)生相間短路時，電流值會超過設置的電流，芯片輸出短路信號，過流短路模塊會控制光電隔離模塊，及時關斷電機運轉信號，并點亮短路報警指示燈，整個過程全部采用硬件電路實現(xiàn)，在2微秒內就可使電機停止旋轉，從而保護電機, 可實現(xiàn)缺相保護、短路保護及過載保護功能。發(fā)生短路后，控制板下方短路警示燈（紅燈）點亮，電機受到保護而停轉，此時需切斷控制信號， 清除短路故障，待集成電盤重新上電后才可正常運轉。當電機正轉與反轉同時作用時，電機停轉。

集成電源模塊代替了變壓器和穩(wěn)壓電源，此原理實現(xiàn)了變壓器380伏變成220伏，穩(wěn)壓電源220伏變成24伏的功能。在同樣的條件下，集成電源模塊更加節(jié)省電器柜空間，柜內的溫度大大降低，散熱性大大好于柜內的伺服變壓器；集成電源模塊更加節(jié)約用電，輸出電壓更加穩(wěn)定；電盤配線更加簡單，大大提升電裝配盤效率。

4 電機模塊設置說明

4.1 功能說明

可實現(xiàn)缺相保護、短路保護及過載保護功能。

注：發(fā)生短路、過載、缺相后，電機受到保護而停轉，此時需切斷控制信號，清除故障，待電盤重新上電后才可正常運轉。當電機正轉與反轉同時作用時，電機停轉。

4.2 過載電流設置說明

（1）電盤通電后，數(shù)碼管顯示--。

（2）設置電機過載電流值。P1：電機1、P2：電機2、P3：電機3。

電盤通電后，第一次按下S2數(shù)碼管顯示P1。第二次按下S2切換至P1過載電流個位（某位閃爍表示該位被選中，按鈕S1為電機過載電流設置的增量位），第三次按下S2切換至P1過載電流小數(shù)點位（某位閃爍表示該位被選中，按鈕S1為電機過載電流設置的增量位）。

待電機1設置完，以此順序再次按下S2可切換至P2、P3電機過載電流的設置（若只有一個電機只需設置P1參數(shù)，P2、P3為默認參數(shù)）。

待所用電機的過載電流設置完成后，按復位鍵即可退出設置界面，此時數(shù)碼管界面顯示--。

4.3 顯示說明

（1）電機運轉后，對應運行電機指示燈亮，數(shù)碼管實時循環(huán)顯示運行電機的當前電流值。

（2）數(shù)碼管顯示ES，說明短路報警。

（3）電機因過載停轉時：

數(shù)碼管顯示E1，說明電機1過載報警。

數(shù)碼管顯示E2，說明電機2過載報警。

數(shù)碼管顯示E3，說明電機3過載報警。

注：如果電機過載而停止旋轉，需首先切斷控制信號，清除故障，等待一段時間后方可按復位鍵，電機才可運行。

5 具體實施方式

850Q機床上的集成電器柜，包括有集成功率模塊1和供電模塊2；所述的集成功率模塊1包括有強電功率驅動板卡1-1和弱電控制板卡1-2，強電功率驅動板卡1-1通過控制信號接口與弱電控制板卡1-2連接；強電功率驅動板卡1-1中包括有斷路器模塊、保護模塊電路、光電隔離模塊和電能檢測模塊；電能檢測模塊由電流傳感器組成；一個電流傳感器的信號輸出端連接光電隔離模塊，光電隔離模塊的信號輸出端連接冷卻電機；各個通道上分別設有獨立的電流傳感器，每個電流傳感器的信號輸出端依次連接保護模塊電路和斷路器模塊電路，斷路器模塊的信號輸出端連接各路外圍設備；各外圍電路包括冷卻電機、伺服刀庫、電柜冷卻、潤滑電機和主軸風扇等設備。

集成功率模塊1的強電板1-1包含三相380VAC動力輸出接口，單相220VAC動力輸出接口，24VDC輸出接口，數(shù)字量信號輸入和輸出接口。各電機端口直接連接總進線3～380V端口，此電氣回路可通過外接QF1總斷路器進行通斷控制。圖中動力線路上設置電流傳感器，用于各個通道中的過載及缺相保護。使用時，當電機發(fā)生相間短路時，電流值會超過設置電流，霍爾電流傳感器輸出短路信號，過流短路模塊會控制光電隔離模塊，及時關斷電機運轉信號，并點亮短路報警指示燈，整個過程全部采用硬件電路實現(xiàn)，在2微秒內即可切斷電機電源，從而保護電機。動力線路上設置電流傳感器，用于各個通道中的過載及缺相保護。當相電流超過相應通道保護閾值，并且持續(xù)一段時間后，電路會執(zhí)行保護動作，切斷半導體開關，同時通過相應狀態(tài)字反饋相應狀態(tài)。過載電流越大，持續(xù)的時間就越小，同樣具備反延時性特性。此原理適用于伺服刀架，電氣柜門風扇/空調，潤滑電機，主軸風扇，大電源供電KM1接觸器線圈等外圍設備。

集成功率模塊1的弱電板1-2根據(jù)機床電氣原理圖進行內部邏輯連接，由可控硅模塊電路、分線器模組和接線端子排合并組成，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電器、繼電器模組、接線端子等弱電設備，減少繼電器模組間布局走線。供電口處可以設置有高靈敏度保險絲，當用電回路發(fā)生短路事故時能夠在微秒級的時間內迅速切斷故障電源，確保機器和人員的安全。輸出信號采用晶體管驅動，其驅動電流來自24伏輸出端口，參考電平為設備電源負極，驅動電壓為24V，驅動電流每通道最大可達5A，可直接驅動電磁閥、照明等執(zhí)行器工作。輸出接口采用光耦隔離輸出，各個輸出通道相互隔離。端口可實現(xiàn)高電平信號的輸出功能，比如刀架信號的定位點輸入、模式選擇等信號的輸出。

集成電源模塊2里面集成了伺服變壓器和穩(wěn)壓電源，通過內部線路進行連接。代替了柜內伺服變壓器和24伏穩(wěn)壓電源，此原理實現(xiàn)了變壓器380伏變成220伏，穩(wěn)壓電源220伏變成24伏的功能，從而節(jié)省了伺服變壓器和穩(wěn)壓電源以及控制以上功能的接線端子臺[3]。

6 結語

總之，本文講述了集成電器柜的設計和應用。電器柜的集成應用提高了機床電器柜的穩(wěn)定性及裝配效率，節(jié)省了電氣柜的整體空間，有效解決了由伺服變壓器引起的電器柜過熱的問題，電器柜的故障率降低，穩(wěn)定性大大增加。VMC850Q集成電器柜已經在沈陽機床電裝裝配車間批量生產，相應的機床也在立加裝配車間和終端客戶穩(wěn)定使用。目前VMC850Q機床上用的電器柜都是集成的，后期在其它相應的產品上都會逐漸改成應用集成電器柜。