VMC850Q機(jī)床上的集成電器柜

辛忠權(quán)

（沈陽(yáng)機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

1 背景技術(shù)

當(dāng)前，依托于信息技術(shù)以及軟件技術(shù)的飛速發(fā)展，集成電路技術(shù)在當(dāng)今信息技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛的發(fā)展，逐漸成為信息技術(shù)的發(fā)展基石，也是未來(lái)人工智能技術(shù)以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的主要方向。隨之而來(lái)的集成電器柜也在機(jī)床中逐漸廣泛應(yīng)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(xiàn)更加方便，更加節(jié)省電器柜空間。

近年來(lái)，我國(guó)集成電路設(shè)計(jì)、制造、材料、裝備等產(chǎn)業(yè)鏈各部分均取得了不俗的業(yè)績(jī)。根據(jù)中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：2016年全年產(chǎn)業(yè)銷(xiāo)售4.34萬(wàn)億元，同比增長(zhǎng)20.1%；其中設(shè)計(jì)業(yè)銷(xiāo)售額為1.65萬(wàn)億元，同比增長(zhǎng)24.1%。制造業(yè)銷(xiāo)售額為1.1萬(wàn)億元，同比增長(zhǎng)25.1%。在當(dāng)前我國(guó)高速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)模式之下，電器柜集成技術(shù)在機(jī)床中的應(yīng)用已經(jīng)成為現(xiàn)代產(chǎn)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(jī)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(jī)不可缺少的電器件，盡管現(xiàn)在制造技術(shù)和結(jié)構(gòu)不斷更新?lián)Q代，但是接觸器主觸頭拉弧損壞問(wèn)題仍然沒(méi)有得到徹底解決；繼電器在保護(hù)的過(guò)程中是根據(jù)內(nèi)部的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)作，時(shí)間不是太精確；交流接觸器在易燃易爆場(chǎng)合還易引起火災(zāi)，觸頭閉合、斷開(kāi)時(shí)還伴有較大的噪聲等等。因此現(xiàn)有電機(jī)控制器件存在接線(xiàn)復(fù)雜、使用壽命短、噪聲大、故障率高、通用性差、對(duì)電機(jī)保護(hù)可靠性低、操作者在操作過(guò)程中接觸的電壓較高、人身不安全等不足因素[1]。

2 技術(shù)領(lǐng)域以及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

本論文涉及一種集成電器柜，主要講述的是應(yīng)用在立加行業(yè)VMC850Q機(jī)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(jī)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(qiáng)電功率驅(qū)動(dòng)板卡和弱電控制板卡，強(qiáng)電功率驅(qū)動(dòng)板卡通過(guò)控制信號(hào)接口與弱電控制板卡連接；強(qiáng)電功率驅(qū)動(dòng)板卡中包括有斷路器模塊、保護(hù)電路模塊、光電隔離模塊和電能檢測(cè)模塊。弱電控制板卡內(nèi)部由可控硅模塊電路、分線(xiàn)器模組和接線(xiàn)端子組成，內(nèi)部邏輯按照電氣原理圖連接。實(shí)際設(shè)計(jì)電氣柜的時(shí)候，要考慮弱電和強(qiáng)電之間走線(xiàn)互相干擾的問(wèn)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(shí)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(jī)缺相、短路、過(guò)載保護(hù)等功能，并且過(guò)載電流為可調(diào)范圍，這樣才能保護(hù)帶載電機(jī)；短路保護(hù)響應(yīng)速度快，2us內(nèi)硬件輸出關(guān)斷信號(hào)。

機(jī)床廠(chǎng)里生產(chǎn)機(jī)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(nèi)電器元器件之價(jià)格大于集成模塊價(jià)格，這樣就會(huì)明顯降低成本。傳統(tǒng)電器柜改成集成模塊后，電氣柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可減小電器柜體積，減少人工配線(xiàn)，輔料使用明顯減少，從而降低工時(shí)成本，人工成本也隨之大大降低。

3 集成模塊的主要結(jié)構(gòu)以及優(yōu)點(diǎn)

VMC850Q機(jī)床集成電器柜的設(shè)計(jì)提高了機(jī)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(hù)繼電器、中間繼電器和滅弧器等電氣設(shè)備，有效克服了電機(jī)控制及其保護(hù)器件接線(xiàn)復(fù)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(duì)電機(jī)保護(hù)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(nèi)由伺服變壓器引起的電器柜過(guò)熱的問(wèn)題[2]。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，850Q機(jī)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(qiáng)電功率驅(qū)動(dòng)板卡和弱電控制板卡，由兩塊PCBA組成，分成強(qiáng)電板和弱電板，并固定到鈑金件上，整板模塊化裝配；走線(xiàn)方式分為強(qiáng)電線(xiàn)槽和信號(hào)線(xiàn)槽。具有PCBA模塊化焊接組裝，減少電氣柜線(xiàn)槽及走線(xiàn)，從而提高生產(chǎn)效率，減少人工成本且避免弱電信號(hào)受到干擾等優(yōu)點(diǎn)。850Q集成電器柜結(jié)構(gòu)集成程度高，使用壽命長(zhǎng)，且電器柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，也可減小電器柜體積，減少人工配線(xiàn)，輔料使用明顯減少，從而降低工時(shí)成本和人工成本。

強(qiáng)電板由油阻尼斷路器、電機(jī)保護(hù)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(xiàn)端子組成。所述的強(qiáng)電功率驅(qū)動(dòng)板卡中包括有三相380V動(dòng)力輸出接口、單向220VAC動(dòng)力輸出接口、24VDC輸出接口和數(shù)字量信號(hào)輸入輸出接口；三相380V動(dòng)力輸出接口連接外接的QF總斷路器，控制總線(xiàn)路通斷。

弱電板由繼電器模組、分線(xiàn)器模組合并組成，并根據(jù)機(jī)床電氣原理圖進(jìn)行內(nèi)部邏輯連接，減少繼電器模組間布局走線(xiàn)。接線(xiàn)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(xiàn)，提高生產(chǎn)效率。強(qiáng)弱電板間通過(guò)排線(xiàn)、藍(lán)色信號(hào)線(xiàn)和接線(xiàn)端子進(jìn)行連接，便于信號(hào)控制檢查及電路導(dǎo)通排查。

當(dāng)電機(jī)發(fā)生相間短路時(shí)，電流值會(huì)超過(guò)設(shè)置的電流，芯片輸出短路信號(hào)，過(guò)流短路模塊會(huì)控制光電隔離模塊，及時(shí)關(guān)斷電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)信號(hào)，并點(diǎn)亮短路報(bào)警指示燈，整個(gè)過(guò)程全部采用硬件電路實(shí)現(xiàn)，在2微秒內(nèi)就可使電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)，從而保護(hù)電機(jī), 可實(shí)現(xiàn)缺相保護(hù)、短路保護(hù)及過(guò)載保護(hù)功能。發(fā)生短路后，控制板下方短路警示燈（紅燈）點(diǎn)亮，電機(jī)受到保護(hù)而停轉(zhuǎn)，此時(shí)需切斷控制信號(hào)， 清除短路故障，待集成電盤(pán)重新上電后才可正常運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)同時(shí)作用時(shí)，電機(jī)停轉(zhuǎn)。

集成電源模塊代替了變壓器和穩(wěn)壓電源，此原理實(shí)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(nèi)的溫度大大降低，散熱性大大好于柜內(nèi)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(pán)配線(xiàn)更加簡(jiǎn)單，大大提升電裝配盤(pán)效率。

4 電機(jī)模塊設(shè)置說(shuō)明

4.1 功能說(shuō)明

可實(shí)現(xiàn)缺相保護(hù)、短路保護(hù)及過(guò)載保護(hù)功能。

注：發(fā)生短路、過(guò)載、缺相后，電機(jī)受到保護(hù)而停轉(zhuǎn)，此時(shí)需切斷控制信號(hào)，清除故障，待電盤(pán)重新上電后才可正常運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)同時(shí)作用時(shí)，電機(jī)停轉(zhuǎn)。

4.2 過(guò)載電流設(shè)置說(shuō)明

（1）電盤(pán)通電后，數(shù)碼管顯示--。

（2）設(shè)置電機(jī)過(guò)載電流值。P1：電機(jī)1、P2：電機(jī)2、P3：電機(jī)3。

電盤(pán)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(guò)載電流個(gè)位（某位閃爍表示該位被選中，按鈕S1為電機(jī)過(guò)載電流設(shè)置的增量位），第三次按下S2切換至P1過(guò)載電流小數(shù)點(diǎn)位（某位閃爍表示該位被選中，按鈕S1為電機(jī)過(guò)載電流設(shè)置的增量位）。

待電機(jī)1設(shè)置完，以此順序再次按下S2可切換至P2、P3電機(jī)過(guò)載電流的設(shè)置（若只有一個(gè)電機(jī)只需設(shè)置P1參數(shù)，P2、P3為默認(rèn)參數(shù)）。

待所用電機(jī)的過(guò)載電流設(shè)置完成后，按復(fù)位鍵即可退出設(shè)置界面，此時(shí)數(shù)碼管界面顯示--。

4.3 顯示說(shuō)明

（1）電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)后，對(duì)應(yīng)運(yùn)行電機(jī)指示燈亮，數(shù)碼管實(shí)時(shí)循環(huán)顯示運(yùn)行電機(jī)的當(dāng)前電流值。

（2）數(shù)碼管顯示ES，說(shuō)明短路報(bào)警。

（3）電機(jī)因過(guò)載停轉(zhuǎn)時(shí)：

數(shù)碼管顯示E1，說(shuō)明電機(jī)1過(guò)載報(bào)警。

數(shù)碼管顯示E2，說(shuō)明電機(jī)2過(guò)載報(bào)警。

數(shù)碼管顯示E3，說(shuō)明電機(jī)3過(guò)載報(bào)警。

注：如果電機(jī)過(guò)載而停止旋轉(zhuǎn)，需首先切斷控制信號(hào)，清除故障，等待一段時(shí)間后方可按復(fù)位鍵，電機(jī)才可運(yùn)行。

5 具體實(shí)施方式

850Q機(jī)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(qiáng)電功率驅(qū)動(dòng)板卡1-1和弱電控制板卡1-2，強(qiáng)電功率驅(qū)動(dòng)板卡1-1通過(guò)控制信號(hào)接口與弱電控制板卡1-2連接；強(qiáng)電功率驅(qū)動(dòng)板卡1-1中包括有斷路器模塊、保護(hù)模塊電路、光電隔離模塊和電能檢測(cè)模塊；電能檢測(cè)模塊由電流傳感器組成；一個(gè)電流傳感器的信號(hào)輸出端連接光電隔離模塊，光電隔離模塊的信號(hào)輸出端連接冷卻電機(jī)；各個(gè)通道上分別設(shè)有獨(dú)立的電流傳感器，每個(gè)電流傳感器的信號(hào)輸出端依次連接保護(hù)模塊電路和斷路器模塊電路，斷路器模塊的信號(hào)輸出端連接各路外圍設(shè)備；各外圍電路包括冷卻電機(jī)、伺服刀庫(kù)、電柜冷卻、潤(rùn)滑電機(jī)和主軸風(fēng)扇等設(shè)備。

集成功率模塊1的強(qiáng)電板1-1包含三相380VAC動(dòng)力輸出接口，單相220VAC動(dòng)力輸出接口，24VDC輸出接口，數(shù)字量信號(hào)輸入和輸出接口。各電機(jī)端口直接連接總進(jìn)線(xiàn)3～380V端口，此電氣回路可通過(guò)外接QF1總斷路器進(jìn)行通斷控制。圖中動(dòng)力線(xiàn)路上設(shè)置電流傳感器，用于各個(gè)通道中的過(guò)載及缺相保護(hù)。使用時(shí)，當(dāng)電機(jī)發(fā)生相間短路時(shí)，電流值會(huì)超過(guò)設(shè)置電流，霍爾電流傳感器輸出短路信號(hào)，過(guò)流短路模塊會(huì)控制光電隔離模塊，及時(shí)關(guān)斷電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)信號(hào)，并點(diǎn)亮短路報(bào)警指示燈，整個(gè)過(guò)程全部采用硬件電路實(shí)現(xiàn)，在2微秒內(nèi)即可切斷電機(jī)電源，從而保護(hù)電機(jī)。動(dòng)力線(xiàn)路上設(shè)置電流傳感器，用于各個(gè)通道中的過(guò)載及缺相保護(hù)。當(dāng)相電流超過(guò)相應(yīng)通道保護(hù)閾值，并且持續(xù)一段時(shí)間后，電路會(huì)執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作，切斷半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，同時(shí)通過(guò)相應(yīng)狀態(tài)字反饋相應(yīng)狀態(tài)。過(guò)載電流越大，持續(xù)的時(shí)間就越小，同樣具備反延時(shí)性特性。此原理適用于伺服刀架，電氣柜門(mén)風(fēng)扇/空調(diào)，潤(rùn)滑電機(jī)，主軸風(fēng)扇，大電源供電KM1接觸器線(xiàn)圈等外圍設(shè)備。

集成功率模塊1的弱電板1-2根據(jù)機(jī)床電氣原理圖進(jìn)行內(nèi)部邏輯連接，由可控硅模塊電路、分線(xiàn)器模組和接線(xiàn)端子排合并組成，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電器、繼電器模組、接線(xiàn)端子等弱電設(shè)備，減少繼電器模組間布局走線(xiàn)。供電口處可以設(shè)置有高靈敏度保險(xiǎn)絲，當(dāng)用電回路發(fā)生短路事故時(shí)能夠在微秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)迅速切斷故障電源，確保機(jī)器和人員的安全。輸出信號(hào)采用晶體管驅(qū)動(dòng)，其驅(qū)動(dòng)電流來(lái)自24伏輸出端口，參考電平為設(shè)備電源負(fù)極，驅(qū)動(dòng)電壓為24V，驅(qū)動(dòng)電流每通道最大可達(dá)5A，可直接驅(qū)動(dòng)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(gè)輸出通道相互隔離。端口可實(shí)現(xiàn)高電平信號(hào)的輸出功能，比如刀架信號(hào)的定位點(diǎn)輸入、模式選擇等信號(hào)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(guò)內(nèi)部線(xiàn)路進(jìn)行連接。代替了柜內(nèi)伺服變壓器和24伏穩(wěn)壓電源，此原理實(shí)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(xiàn)端子臺(tái)[3]。

6 結(jié)語(yǔ)

總之，本文講述了集成電器柜的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。電器柜的集成應(yīng)用提高了機(jī)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(guò)熱的問(wèn)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(jīng)在沈陽(yáng)機(jī)床電裝裝配車(chē)間批量生產(chǎn)，相應(yīng)的機(jī)床也在立加裝配車(chē)間和終端客戶(hù)穩(wěn)定使用。目前VMC850Q機(jī)床上用的電器柜都是集成的，后期在其它相應(yīng)的產(chǎn)品上都會(huì)逐漸改成應(yīng)用集成電器柜。