机床电气设计入门知识

1、机床设计的入门知识 本章介绍机床电气系统设计的一般规则性知识。第一节：常用机床电路逻辑一、驱动线圈与触点的关系（一）线圈与触点接触器、继电器等在机床控制电路中是最典型的参与控制的器件，它们都有自身的线圈和触点。外接电压线圈常开/常闭触点 图3-1：线圈及常开、常闭触点 器件触点又分常开（动合）触点和常闭（动断）触点，常开触点在线圈被送电激励的瞬间闭合（接通），常闭触点在线圈被送电激励的瞬间打开（分断）。 我们可以利用对线圈的通/断电来控制常开、常闭触点动作来实现局部电路的通断，并通过适当的触点互连关系来组成控制逻辑。（二）触点在电路图中的画法 触点在电路图中，有两种画法，一是竖着画，一是横着画

2、。 竖画时，遵行左开、右闭的原则，即常开点在左，常闭点在右。如图3-1。 横画时，遵行上开、下闭的原则，即常开点在上，常闭点在下。如图3-2。 图3-2：常开、常闭触点横画 实际项目使用中，国标符号的基本结构得到比较好的采用，但画法的方向性并不规范，更多的是受个人的制图习惯影响。二、触点的串联、并联、混联串联：两个触点的首尾相连的连接方式。图3-3：触点的串联串联的触点必须两个同时接通时，电路才形成通路。并联：两个触点的首端相连、尾端相连的连接方式。图3-4：触点的并联并联的触点只要有其中一个接通时，电路就形成通路。混联：串联、并联相混用的方式。123123图3-5：触点混联的例子图3-5中，

3、上面连结实际上是1、2串联，如果把1、2看做一个触点，它又和3并联；下面连接是1、3并联，如果看做一个触点，它又与2串联。事实上，无论如何混联，通过等效电路的方法，都可以最终变为串并联的基本连接关系。三、自锁、互锁、连锁（一）自锁 在线圈的控制电路中，使用该线圈本身的触点，保持线圈接通后不再掉电的连接方法叫做自锁。 如图3-6：线圈KM通过按钮SB1送电，接触器KM的辅助触点闭合，使电源被持续送到线圈，这时即使启动按钮SB1松开，线圈KM也持续供电。KM通过其辅助触点实现了自我锁定，即自锁。KMKMSB1 图3-6：自锁电路（二）互锁 互锁是通过两个对立的，不允许重复发生的事件互相连锁，形成有

4、你无我，有我无你的控制形式，以杜绝两个事件同时发生。 这类事件如工作台的前进/后退、升降机的上升/下降、电动机的正转/反转等等，都是不允许同时发生的事件。如果控制电路不可靠，造成同一时间内发生，轻则出现故障，重则诱发重大事故。 图3-7给出了互锁的控制逻辑。KA2KM1KA1KM2电路等效点2电路等效点1KM2KM1 图3-7：互锁电路 上图中，KA1、KA2被看做是KM1、KM2控制回路的等效电路。当KM1的控制条件满足而得电时，其辅助触点强行断开KM2线圈，使KM2线圈无法在同一时间内送电，KM1的辅助触点锁住了KM2线圈。同理，KM2线圈送电时，KM1线圈也无法送电。以上图中，KM1、K

5、M2通过辅助触点彼此形成互相锁定，以避免两个对立的事件同时发生。这就是所谓的“互锁”。（三）连锁 连锁是指一个事件的发生作为另一个事件允许或不允许发生的条件，两个事件之间不形成对立，只形成单向锁定关系。 这样的连锁关系在现实生活和设备控制中非常多见：如砂轮不旋转时，不允许工作台工进；吊具不打开到位时，不允许升降机下降；夹具不夹紧时，不允许加工开始等等。我们可以用前一个事件的发生，作为后一个事件的连锁条件。 图3-7中，如果去掉KM2的辅助触点，那么KM1对KM2就形成了单向的连锁关系，即KM1得电时，KM2不允许得电。四、启动/停止、点动 启动/停止和点动电路是最简单也最常用的电路。（一）启动

6、/停止电路 启动/停止电路需要两个按钮、一个接触器（继电器）来完成。 下图是启动/停止电路图。KMKMSB1SB2 图3-8：启动/停止电路 如图3-8：线圈KM通过按钮SB1送电，接触器KM的辅助触点闭合，使电源被持续送到线圈，这时即使启动按钮SB1松开，线圈KM也持续供电，除非通过按钮SB2分断一次，KM线圈才掉电。这里的SB1为启动按钮，SB2为停止按钮。（二）点动电路 点动也叫寸动，一般是指对运动机构的控制，即按下按钮时，输出动作，抬起按钮时，输出停止。KMSB1 图3-9：点动电路 上述电路中，即实现了点动的规定动作。KMKMSB1SB2SB3 图3-10：启动/停止、点动电路 上述

7、电路是启动停止、点动的合成电路，即可以完成启动/停止的持续运转，又可以点动。 点动电路一般用于设备的调试、调整、修理作业。五、自动/手动工作方式设备控制电路常需要设置若干控制方式，最普遍用到的是自动/手动方式，有的设备为方便维修，还设有维修方式、标定方式等。 工作方式一般用主令开关（两位或三位）来选择。当选择自动时，其自动条件被加到只有自动循环时才允许的动作逻辑中；选择手动时，其手动条件被加到只有手动调整时才允许的动作逻辑中。KA1KA1SA1SB1KA2SA1SB1自动手动KA2KA1KA2 图3-11：自动/手动电路 上图中，SA1为自/手动选择开关，SB1为自动/手动复位按钮，KA1、K

8、A2分别为自动、手动方式继电器，自动、手动回路通过辅助触点彼此互锁，并实现自锁。后续电路中，可以引用KA1、KA2的辅助触点进行控制。 实际上，现在的电路中，这类逻辑普遍使用PLC来实现，除非比较简单的硬线盘，很少有用硬线做逻辑的了。六、正、反转电路 下面是一个正反转控制电路。 图3-12：正/反转控制电路 SB2、SB3分别用于启动正、反转KM1、KM2，同时正、反转通过自身辅助触点自锁和互锁。互锁控制还通过SB2、SB3实现。FR为电动机的保护热继电器，其下的按钮为停止按钮。第二节：机床电路基本结构 传统的机床电路本身又分为主电路和控制电路，前者用于分配电源、驱动电动机，是传输功率比较大的

9、电路；后者用于完成控制逻辑，不用于传输功率。一、主电路 最典型的主电路是电动机驱动电路，同时也包含电子半导体器件电路。（一）供电体制三相四线制主电路包含A、B、C三相火线和一根零/地线（接在一起），三相五线制主电路包含A、B、C三相火线和一根零线N、一根地线PE。目前轿车公司采用的是三相五线制。UAUBUC图3-13：三相火线相电压A、B、C之间的电压叫做线电压，为380VAC；A、B、C对零线的电压叫相电压，为220VAC。三相电压之间相位依次相差120°。（二）火线相序 主电路配线需要注意的一个问题是，如果机床上有电动机等对火线相序有要求的电器，ABC三相顺序就有严格要求。以三相

10、异步电动机为例。相序不同时，将造成电机反转，如果一旦接错，可能引发设备事故。（三）主电路 下图是一个晶体管整流、逆变主电路。交流电通过二极管整流电路得到直流电，再通过IGBT功率管逆变电路得到脉动交流电。这是典型的变频器电路的主电路。图3-14：变频器主电路图3-15：正、反转电路的主电路 上面电路中，FU2左侧为电动机正/反转电路的主电路，反转时，通过KM1进行火线相序的改变，从而获得反转。控制电路与前面介绍相同。 下图是一个带有变频器的电动机驱动主电路，即可以实现两台电动机的直接启动（KM1、KM3通），又可以实现变频启动（KM2、KM4通）。图3-16：比较复杂的主电路实例二、控制电路

11、控制电路指机床逻辑控制部分。如前面提到的启动/停止、点动、正/反转电路等都是。 相对于晶体管功率电路（主电路）来讲，控制功率器件（如IGBT、SCR等）工作逻辑的电子线路也可以叫做控制电路，这属于电子技术专门课程，此处略。 图3-15中，FU2及其右侧部分即为控制电路。 复杂的机床控制电路可以做到非常复杂，不过，由于PLC技术的普及，现在复杂的机床控制逻辑已经被PLC程序取代。三、PLC电路 PLC是计算机技术发展的产物，由于有了该项技术，机床电气控制变得越来越容易实现，并大幅度节省了硬件配线，降低了故障率。（一）输入/输出电路 PLC电路实际上是控制电路的一部分。 下面是PLC输入/输出电路

12、图。PLC上边为输入电路，外部开关、按钮等器件被接到PLC输入点，把控制信号传送给PLC；下边为输出电路，PLC的输出控制通过输出点送给外部指示灯、接触器、变频器等执行电器。 图3-17：PLC输入/输出电路（二）程序梯形图 PLC程序图是PLC的控制软件部分，是PLC控制设备图纸必不可少的组成，对维修故障时分析设备故障原因非常重要。它包括梯形图、逻辑图、语句表等形式，后续课程将详细介绍，此处略。四、机床电路的功率放大作用 所谓机床电路的功率放大作用，是指机床动作逻辑不直接被输出到大功率执行电器，如电磁阀、接触器，而是先由普通的继电器等进行逻辑运算，再输出给电磁阀、接触器等大功率控制电器，通过

13、这类电器去驱动更大负载。KAKVPLC 图3-18：通过中间继电器间接控制电磁阀、接触器等 如上图，PLC输出信号直接驱动KA继电器（几十毫安），继电器驱动电磁阀（1000毫安左右），避免了PLC直接驱动比较大电流的电磁阀，造成接口损坏。维修工通常把这个方法叫做“继电器隔离”，其实就是一种功率放大过程。 这和半导体电子线路的控制放大类似，控制逻辑也是由小功率的晶体管（几个、几十个毫安）去驱动大功率晶体管（几安到几千安），最后去驱动电动机等大功率负载。 通过功率放大作用，实现了小功率逻辑信号对大功率负载的控制。第三节：机床电路设计规划要合理设计机床电路，就要按如下过程进行。一、了解工艺要求 电路

14、设计前的第一步，是要了解机床的工艺要求，这些要求包括： 1、机床用来做什么？ 2、所生产产品的精度要求，决定了对零部件的选择。 3、节拍要求，影响到后期逻辑或程序设计。 4、加工顺序（工艺顺序），影响到后期逻辑或程序设计。 5、对操作的要求，影响到后期逻辑或程序设计，器件选型、布置。 等。二、了解设备结构 了解机械工程师设计出来的设备结构，包括：1、机械构成和大致的装配关系。2、哪些部分为固定部分、哪些是运动部分。3、驱动动力源选择（电动机、气、液）及力矩要求。4、机床结构的限制，如行程、正反转、保险构件等。等。电路相当于为人的躯体匹配思维和神经系统，因此必须对机械结构有详细的了解，才能正确控

15、制机床工作，并保证不损害设备。例3-1：从机械工程师给出的转矩、转速要求选择电动机：依据电动机功率：P=M计算电动机的名牌功率，其中P为功率（瓦）、M为转矩（N.m）、为角速度（弧度/秒）。由于电动机的名牌功率P使用千瓦（KW），转速n使用转/分（RPM），所以上面公式要进行转换。P=(M×2n/60)/1000三相交流异步电动机的转速和极对数有关（后续课程），分别为1000RPM（6极电机）、1500RPM（4极电机）、3000RPM（2极电机），不是可以连续选择的，如果要得到任意转速，还需要加机械减速机、离合器或变频器等。算得的功率也要靠标准的功率等级，如0.55、0.75、1、

16、1.1、1.5、2.2、3.7、5.5、7.5（KW）等。一般留取余量为30-40%。三、了解气/液/润滑工作时序 液压、气动、润滑等部分，机械工程师会在设计时根据自己的要求给出控制时序图，即要求电器设计时，按照他要求的动作逻辑去驱动电磁阀，以满足最终动作过程。 这个时序图一定要读懂，才能正确地设计控制电路去完成这个逻辑过程。 表3-1：工作台进给的时序表进给阀（KV1）后退阀（KV2）节流阀（KV3）快进+-工进+-+光刀+-+快退-+-停止- 如上表就是一个工作台完成快进工进光刀快退停止循环过程的时序。四、熟悉外购件使用方法 现代的产品系列中，有大量的功能电器可供选择。如PLC、变频器、过

17、程仪表、拧紧控制器、数控系统等，这些系统的设计有自身不同的要求，电气工程师必须详细地阅读外购产品的资料，按照其要求进行匹配设计。 需要说明的是，这些产品应用设计往往不比机床整体设计简单，大部分产品的应用设计既包括硬件线路，又包括软件设计，需要投入比较大的人力。 后面有专门的章节对这部分进行介绍。五、组合设计 在了解了工艺要求、机械结构等细节后，可以进行组合设计。大致过程为：1、规划主、控制电路方案，进行功能分配，确定各部分大致设计思路。2、确定使用的零部件，选择零部件型号、规格等，列出选型表。3、进行器件编号、地址分配等，列出分配表，在设计过程中边设计边完善。如各器件在图纸中的编号、作用，PL

18、C软元件地址分配、作用（后续课程）。表3-2：PLC地址分配表（部分）4、分开设计主、控制电路。5、设计功能器件电路，如PLC、变频器电路。6、设计功能电器程序、参数。7、设计保护电路、匹配保护器件参数，这些电路包括短路、过载、超程等对设备的保护，及对人身伤害的保护等。比较典型的如保护设备的空气开关、热元件、保险器设置，保护人身安全的紧急制动、门禁开关、光幕等。8、各部分电路关联、完善。六、故障、隐患分析 真正完善的设计应该包含一个容易忽略的细节，就是从设备实际使用经验，特别是反面教训的收集中去完善设计。 很多重复采购的设备品种，在使用中积累了大量经验教训，应该反馈到前期设计中，这是我们项目管

19、理人员必须做的一门功课。 这些经验包括：1、 操作工人反馈的操作不轻便；2、 维修工人反馈的重复性故障和零部件早期劣化；3、 维修工人反馈的维修手段方面的困难；4、 设备发生过的安全事故；5、 设备重复发生的影响产品质量的问题；6、 其它可以预见的，可能发生的事故。所以，我们在研讨方案时，要多汲取其它部门意见，所谓的技术要求会签，其实就是这个意思，而不是分散项目责任。七、电路原理图电路原理图是表示机床控制原理，详尽表达控制逻辑关系的图纸。有了原理图，就可以正确理解设备的工作原理。电器原理图是电气设计最重要的图纸，维修工往往凭借一张原理图，就可以独立完成维修过程。工艺人员应该学会设计简单的原理图

20、。原理图要画清楚所有电器、连线之间的关系，一个器件的不同部分（如线圈、触点）可以画在图纸中的不同位置，甚至不同页，它关注的是如何正确画出控制逻辑关系。所有的连线要有唯一的编号，我们把这叫做“线号”。线号要用不脱色的颜料打印或手写在线号管上，然后套在接线的端部。具体的图纸实例见第二章第三节读图举例，不再列出。第四节：安装结构设计 电路设计完成后，要进行安装结构设计，拿出布置图和接线图。一、电气系统安装结构构成 一般电器系统的安装结构从外观直接看，包括1、电柜2、操作台3、分线盒4、过线盒5、金属桥架6、管线7、直接敷设电缆8、外部安装器件二、电柜 电柜内主要包含主、控制电路的继电器件、变压器、保

21、护电器、电源等，这些器件被集中安装在主电柜中。 规模比较大的设备，有些电器集中的位置，也布置分电柜，如升降机等。 一般来讲，主电柜内的元件布置要求强弱电分离，即强电器件和弱电器件在区域上分开布置，必要时要加隔离屏蔽板或分置在不同电柜中。所以我们经常会看到多个电柜拼在一起，组成整机的主电柜组。 电柜和外部导线的进出有两种方式：1、通过端子板进行转接，这样的连接方式比较牢靠，是用户喜欢的方式；2、通过插头在柜壁上插接，这样的连接方式容易松动，但拆解容易，便于搬运和重新安装，是设备供应商喜欢的方式。图3-19：电柜布置图电柜内元件间的接线及出柜线是通过线槽走线的，要求露线最短，横平竖直。为了方便配线

22、工配线，一般设计工程师要给出电柜布置图和接线图。现在大部分电柜采用标准电柜，而不需要非标设计。三、操作台 操作台用于集中布置操作元件，一台机床根据操作位置的便捷性需要，可以有多个操作台，但一般都有一个主操作台。 主操作台上一般包括总系统的工作模式、送电、总启动、总急停、系统操作、系统状态等集中的操作器件和设备状态信息。 操作台的布置有立式和斜面式两种，按照国家标准，各有具体要求（后续课程），总体以操作方便，肢体最小疲劳为宜。 操作台与电柜之间的接线同样可以采用插头和内部端子板两种形式。 图3-20：操作台 操作台设计同样需要给出布置图和接线图。四、分线盒、过线盒 分线盒用于外部集中安装元件超过

23、1个的区域，用于把来自电柜的一捆线分散连接到各分散安装器件。如液压站的多个电磁阀区域。 图3-21：分线盒 图3-22：过线盒 分线盒内部一般使用端子板接线。标准和非标设计的分线盒都有。 过线盒相当于多通，用于在布线中途，把一捆线分拆成两捆（含）以上的线束，分别去不同的区域。五、金属桥架和管线 金属桥架用于大量导线的外部集中敷设，公司的控制标准，一般建议长于3米的导线敷设使用桥架。金属无缝镀锌管用于较少量导线的外部敷设（几十根内），公司控制标准建议1-3米以内的导线敷设采用。蛇皮管、编织软管、电缆直敷建议使用场合为1米以内，不建议长距离敷设。 比较正规的厂商，线路安装相对规范，但很多皮包商线路

24、敷设喜欢电缆直接敷设，整个机床线路做得像蜘蛛织网一样。六、外部安装器件与防护等级（一）防护等级电动机、行程开关、电磁阀及远程I/O模块等，都是外部安装电器部件，这些部件之所以可以外部直接安装，是因为它们的防护等级符合了现场使用要求。事实上，不仅外部安装器件，电柜、桥架等也有相应防护要求。防护等级的采用，要看使用环境，和设备对防护自身的要求。那么如何定义防护等级（IP）呢？IP等级是针对电气设备外壳对异物侵入的防护等级，来源是国际电工委员会的标准IEC 60529，这个标准在2004年也被采用为美国国家标准。IP等级的格式为IPXX，其中XX为两个阿拉伯数字，第一个表示接触保护和外来物保护等级，

25、第二个表示防水保护等级。数字越大表示其防护等级越佳。 1、防尘等级0 无防护：无特殊的防护；1 防止大于50mm之物体侵入：防止人体因不慎碰到电器内部零件，防止直径大于50mm之物体侵入；2 防止大于12mm之物体侵入：防止手指碰到电器内部零件；3 防止大于2.5mm之物侵入：防止直径大于2.5mm的工具，电线或物体侵入；4 防止大于1.0mm之物侵入：防止直径大于1.0的蚊蝇、昆虫或物体侵入；5 防尘：无法完全防止灰尘侵入，但侵入灰尘量不会影响电器正常运作；6 防尘：完全防止灰尘侵入。2）防水等级0 无防护：无特殊的防护；1 防止滴水侵入：防止垂直滴下之水滴；2 倾斜15度时仍防止滴水侵入：

26、当电器倾斜15度时，仍可防止滴水；3 防止喷射的水侵入：防止雨水、或垂直入夹角小于50度方向所喷射之水；4 防止飞溅的水侵入：防止各方向飞溅而来的水侵入；5 防止大浪侵入：防止大浪或喷水孔急速喷出的水侵入；6 防止大浪侵入：电器侵入水中一定时间或水压条件下，仍可确保正常运作；7 防止浸水侵入：电器无期限沉没水中在一定水压条件下，可确保正常运作；8 防止沉没的影响。 普通的工业环境，IP54应该已经可以满足一般使用要求。（二）安装位置要求外部安装器件的安装位置一般有如下要求：1、一定要安装在易于维修的位置，以缩短维修时间；2、安装点还要有好的稳定性，不容易变形、受震动；3、要兼顾布线的简单、节省

27、和美观。七、电气安装布置图/布（接）线图 电器布置图和接线图是设备安装必须的。（一）电气布置图 布置图是进行电器外部器件安装的示意图，用于确定所有外部敷设电器及布线位置、结构。 如下场合需要提供布置图： 1、主电柜、分电柜； 2、操作台、分线盒； 3、整体机床布置； 4、局部安装结构比较复杂的部位。 图3-23：沈阳新松公司AGV（自动导航车）布置图（二）电气布（接）线图 电气接线图是布线工正确布线的必要图纸，它指导各电器之间的正确接线方法，对复杂的设备只凭原理图是不可能完成布线的。1、电柜类布线图 电柜、操作台等柜体布线图一般是按实际器件摆放位置画的，并标明每个出线端子在器件本身的编号，相同

28、器件相同端子出线号码是重复的，用于识别元件的接线位置。而电路原理图的线号是统一编号的，不可以重复，每根线的号码是唯一的。2、外部敷设布线图 外部敷设线路的器件往往不能按实际位置画，但要画出彼此间的连接关系。 图3-24：AGV后驱动轮部分电气布（接）线图 上图给出的是AGV系统的整机布线图第五节：机床电路设计的基本要求一个好的设计，除了满足工艺、机械要求外，应该同时考虑如下辅助要求：一、安全性合理的电气设计，必须设计可靠的保护电路。既要包括对人的保护，也要保护对设备的保护。（一）典型的电气保护1、对设备 1）短路保护：使用保险器 2）过载保护：使用空气开关、热继电器 3）过电压保护：过压继电器

29、、压敏元件 4）行程保护：形成开关 5）流量保护：如液压、润滑，使用流量开关 6）压力保护：如液压、过滤系统堵塞保护，使用压力开关 等等。2、对人员 1）触电保护：漏电保护器 2）区域机械伤害保护：光栅、光电 3）旋转工具伤害保护：能耗制动系统 4）碰撞保护：超声检测、保险杠开关 5）误送电保护：钥匙开关 等等。3、综合性保护 如急停装置等。（二）本质安全机床的保护系统设计，必须从机械、电气方面综合考虑，尽量做到完善，零风险。但再好的保护系统设计，即使可以防范危险的伤害，也是在风险发生后采取的措施。不如在设计上采取措施，让危险源没有机会发生。这种从设计上杜绝危险发生的方法，叫做本质安全设计。显

30、然，本质安全是最好的安全措施。二、可维修性 电气系统设计要便于维修，表现在一旦出现故障，或进行检修，可以在最短的时间内完成。 具体表现在： 1、作业高度：可能拆卸器件的高度要便于人站立或蹲下处理，使维修工最少体力消耗下可以修理。位置不能太高太低。 2、维修空间：所有可能拆卸的位置、电柜门开度、电柜门附近空间大小等要便于操作。一般电柜门1米空间内不允许有干涉物。 3、器件安装：器件的安装位置要考虑方便拆卸，尽量不设置在隐蔽区域、盖板下、作业空间狭小、落脚点不稳定的位置。 4、固定方式：非标性固定方式要便于拆卸，尽量少使用或不使用特殊工具。 等。三、可操作性 电气设计要考虑便于操作工人操作，如： 1、操作台的高度、角度； 2、显示系统的位置、高度、角度、亮度； 3、操作点的布置、拆分； 4、操作器件的选择（影响操作手感、力量、习惯）； 5、硬、软操作元件的分配合理性：最常用的操作元件一定要使用实体元件，比较少使用的可以使用触摸屏幕设计； 6、机床工作照明； 7、操作流程设计要最简单，最少的动作可以完成必须的操作；8、必要的声、光提示，充分利用人的感官。 等等。四、高可靠性 高可靠性包括诸多方面：1、电器件的耐用性；2、系统的抗干扰能力；3、系统的接地性能；4、程序设计的最少BUG；5、最