基本电路设计技巧分享

1.基本说明

目前，国内生产的数控机床以普及型或普通数控机床为主，由于产品价格、技术力量等方面的原因，除少数大型、合资合作企业生产的产品外，多数机床的CNC控制系统设计只是以保证基本动作为目的，其电路设计通常都比较简单和随意，特别对安全电路等方面的考虑甚少。但是，数控机床作为一种先进的机电一体化产品，为了提高其可靠性，实际上应该严格按照相关标准进行设计，这样才能有助于产品质量的提高。

本节将以国外某著名公司的数控机床产品为例，介绍CNC控制系统的电路设计要点。该机床是用于汽车零件柔性自动加工的多轴控制高速、高效加工中心，其电气控制系统以CNC为核心，PMC配套有分布式I/O单元，机床带有液压夹具、自动刀具交换装置（ATC）、交换工作台部件。

鉴于本书第6、7章将对FS-0iD的CNC、PMC、驱动器控制电路进行详细介绍，因此，本节将重点介绍CNC的强电控制电路，特别是与安全性、可靠性有关的电路设计方法。原控制系统部件众多、电路复杂，为了便于读者理解，本节将择要介绍其中的典型电路，并对原电路图进行了适当简化。

2.主电路设计

该机床的CNC控制系统的主电路（部分）设计如图5.3-1所示。设备总电源的通/断由电源总开关Q51进行控制。根据安全标准要求，安全防护门的紧急打开应能在机床总电源关闭时进行，因此，用于防护门控制的辅助电源G3直接连接于总开关Q51之前，并采用DC24V安全电压控制，辅助电源设计有独立的短路、过载保护断路器Q1。

图5.3-1 主电路设计

从Q51输入的机床总电源，在控制系统内部通过断路器Q52、Q4、F1分成三条独立的供电支路：一是驱动器的总电源2L1/2L2/2L3，它专门用于伺服、主轴驱动器的供电；二是控制电路总电源3L1/3L2/3L3，它用于强电控制电路、CNC及PMC的I/O单元供电；三是辅助电动机的动力电源4L1/4L2/4L3，用于液压、冷却、排屑等辅助电动机的主电路通断。

对于驱动器和控制电源支路，由于伺服驱动器、控制电路负载固定，故采用了带过载、短路保护的自动断路器Q52、Q4进行保护。用于辅助电动机的动力电源供电的主电路，由于大多数电动机都为间隙工作，负载的变动较大，且每一电动机均安装有独立的自动断路器进行过载、短路保护，如图中的Q5等，因此，该电路仅安装了断路器F1进行单独的通断控制及进行短路保护。

以上主电路的设计，可为调试、维修提供便利。例如，在调试时，只要断开断路器F1，即可切除全部辅助电动机的主电源，禁止机床的辅助部件动作；如断开自动断路器Q52，则可以切断驱动器的主电源，禁止伺服、主轴电动机工作。同样，如果需要利用接触器的手动操作机构进行辅助电动机的旋转试验，只需要断开控制支路的自动断路器Q4，便可切断全部控制电源，避免接触器触点手动接通所引起的误动作。

机床的接地系统通过截面积为16mm²的接地线与车间接地线连接，电气控制柜安装有接地母线PE。控制系统中的各主要部件，如CNC、驱动器、分布式I/O单元等，以及各独立操作部件，如电柜、操纵台、按钮台等，均用规定线径的接地线与接地母线连接；电柜内部器件、辅助电机等的接地线利用与电柜直接接触的接线端子接地，从而构成了良好的接地系统。(www.xing528.com)

3.DC24V电源电路设计

该机床的主要采用DC24V控制，控制电源由图5.3-2所示的3～AC400/DC24V稳压源G1统一供电。稳压源G1用于CNC基本单元、PMC-I/O单元、DC24V控制电路等的集中供电，输入侧安装有三相断路器F2。由于机床的DC24V电源容量较大，为了平衡三相负载，降低纹波，稳压电源采用了三相输入的AC400/DC24V标准稳压源，电源带有标准的稳压、滤波以及电子过载、过电流保护电路等，保证了DC24V电源的质量。

图5.3-2 电源回路设计

由于系统采用的是集中供电，DC24V需要根据重要度、负载类别进行了分时通断、分组供电设计，每组安装有独立的断路器保护。

1）分时通断。控制系统中直接与系统安全运行有关的控制电源，如CNC、PLC电源11L+，机床起停控制、紧急分断、安全控制电源13L+，PMC输入驱动电源135L+，安全防护门电源17L+，在总电源接通后便可直接加入。而指示灯驱动电源12L+、接触器驱动电源14L+、电机制动器电源16L+、电磁阀驱动电源18L+，则需要机床起动后加入。

CNC和PLC是控制系统的核心；机床起停控制、紧急分断、安全控制电路、安全防护门直接关系到机床的安全运行；PMC输入信号是机床监控的依据和起动的条件；因此，只要电路无短路、断路器处于正常合上位置，它们在总电源开关Q4接通后便可立即投入工作，对机床进行有效的监控。

指示灯、接触器、电机制动器、电磁阀等PMC输出，受机床紧急分断安全接触器K4（K4/1）的控制，只有在机床正常起动后才能加入。

2）分组供电。CNC、PMC和指示灯是与系统控制、监控相关的部件，且主要安装于操作台，归为一组，并通过断路器F10进行保护和通断控制。机床起停控制、紧急分断、安全控制与PMC的接触器控制输出，属于继电器-接触器控制的强电控制电路，归为一组，并通过断路器F11进行保护和通断控制。PMC输入起着监控机床工作状态的重要作用，且信号众多、相互关联，它们是PMC程序正常工作的前提，任何信号的不正常都可能导致PMC程序的出错，故需要独立成组，它们通过断路器F12进行保护和通断控制。电机制动器是大电流负载，根据CE标准的规定，在高速运动的机床上，即使是水平运动轴也需要安装制动器，因此也需要独立成组，它们通过断路器F13进行保护和通断控制。安全防护门主要是安全闭锁电磁铁的控制，关系操作者人身安全，需要独立成组，它们通过断路器F14进行保护和通断控制。机床正常工作时的辅助动作控制电磁阀是机床的执行元件，其数量众多、性质类似，它们需要在安全防护门关闭后才能工作，因此需要独立成组，并利用断路器F15进行保护和通断控制。

通过以上设计，保证了机床的开机时序为：总电源接通→安全电路工作→CNC与PMC电源接通→PMC输入有效→CNC工作、PMC程序运行；在此基础上，可通过机床启动按钮使得机床起动→指示灯有效→机床进入正常工作状态，从而确保了机床在安全、可靠起动。在调试、维修时则可以根据需要，分组切断相关的控制电路。