教学型数控车床电气设计机电一体化毕业论文

1、. . . . “中央广播电视大学人才培养模式改革和开放教育”机电一体化专业专科毕业论文（设计）论文题目：教学型数控车床电气设计学校名称： 呼和浩特市广播电视大学 指导教师：康 俐 学生： 梁 志 军学号： 20 专业： 机电一体化入学时间：呼和浩特市广播电视大学毕业设计（论文）开题报告表课题名称教学型数控车床电气设计课题来源现场课题类型导师康 莉学生梁志军学号专业机电一体化一.选题背景与意义数控技术是以数字量编程实现控制机械或其他设备自动工作的技术。如果一种设备的控制过程是以数字形式来描述的，其工作过程是可编程序的并能在程序控制下自动进行，那么这种设备就称为数控设备。作者根据数控工作要求编制

2、数控程序，并将数控程序记录在控制介质上。数控程序经数控设备的输入接口输入数字控设备，控制系统按程序控制设备完成工作任务。数控机床是典型的数控设备，它的生产和发展是数控技术产生和发展的重要标志。数控技术是以数字量编程实现控制机械或其他设备自动工作的技术。当前，社会经济也科学技术的发展与竞争，使机械产品趋精密、复杂，而且产品的生命周期缩短，改型频繁。这不仅对机床设备提出精度与效率的要求，也提出了通用性与灵活性的要求。特别是航空、造船、武器、模具生产等工业部门，所加工零件具有精度高、形状复杂、经常变动的特点。使用普通机床加工这类零件，不仅劳动强度大、生产效率低，而且还难以保证精度，有些零件甚至无法加

3、工。机床数控系统的出现较好的解决了复杂、精密、多变的零件加工问题，它是机床控制技术的一个重要发展方向。随着电子、自动化、计算机、精密机械、测量与人工智能技术的发展，机床的数控系统也在迅速发展和演变，以适应社会生产的需要。二.设计目的本方案用于实验所需的数控机床。主要用于学校、工厂、以与科研所用，可用于数控机床，数控编程，数控原理实验与培训。本课题是要求在指导的情况下通过查阅相关的容的资料并进行总体方案的设计（包括机械总体结构，电气控制系统总体结构和控制软件总体结构设计）进而最终完成适合实验使用的数控机床。三.基本要求1掌握数控车床的设计方法；2掌握装配图的画法；3了解数控机床的基本工作原理；4

4、掌握各种元器件的选用方法；5. 熟悉机床常用控制电路的结构、工作原理与用途，并能正确选用；6. 熟悉机床控制电路的基本环节与其应用和分析方法。四.设计容教学型数控车床是针对数控技术课程实验和数控加工实训所开发研制的，本课题要求设计教学型数控车床；本文要求完成教学型数控车床的电气部分的设计。1确定电力设备的拖动方案并选择电动机；2设计电气控制电路；3选择各种控制电器；4施工设计确定电气设备的布局，绘制安装接线图等。五.技术路线与方法1. 完成原理分析与设计说明书；2. 完成电气原理图；3. 完成主要电器元件组装图； 4. 元件明细表；六.主要容细化1.电气元件的具体选择方法(1)接触器的选择(a

5、)接触器按其主触点通过电流的种类不同，分为直流、交流两种，机床上应用最多的是交流接触器。(b)根据接触器所控制负载的为一般任务（控制中小功率笼型电动机等），选用AC3类接触器。(c)交流接触器的额定电压一般为500V或380V两种，应大于或等于负载电路的电压。(d)根据电动机的功率和操作情况来确定接触器主触点的电流等级。(e)接触器线圈的电流种类和电压等级应与控制电路一样。(f)触电数量和种类应满足电路和控制电路的要求。 (2)继电器的选择 (a)在机床电气控制系统中，用得较多的电流继电器有JL14、JL15、JL3等型号，主要根据主电路的电流种类和额定电流来选择。 (b)在机床电气控制系统中

6、，常用的有JT3、JT4型号的电压继电器。 (c)中间继电器主要依据被控制电路的电压等级，触电数量、种类与容量来选用。 (3)直流稳压电源的选择选择电源时需要考虑的问题主要有：电源的输出功率输出路数；电源的尺寸；电源安装方式和安装孔位；电源的冷却方式；电源在系统中的位置与走线；环境温度；绝缘强度；电磁兼容性；环境条件。 (4)控制变压器的选择(a)在选用控制变压器时，首先应满足副边线圈的个数和电压值以与原边电源电压的数值。(b)在继电器接触器控制电路中，控制变压器的负载，主要是交流接触器和继电器的吸引线圈,它们的启动电流一般要比吸持电流大几倍，一般情况下，可将副边连续负载的总量，乘以1.21.

7、5的系数，选用额定容量大于或等于这个数值的控制变压器即可。2.电气原理图分析的方法与步骤电气控制电路一般由主电路、控制电路和辅助电路等部分组成。了解电气控制系统的总体结构、电动机和电气元件的分布状况与控制要求等容之后，便可以阅读分析电气原理图。（1）分析主回路。从主回路入手，要根据伺服电动机、辅助机构电动机和电磁阀等执行电器的控制要求，分析它们的控制容，控制容包括启动、方向控制、调速和制动。（2）分析控制电路。根据主回路中各伺服电动机、辅助机构电动机和电磁阀等执行电器的控制要求，逐一找出控制电路中的控制环节，按功能不同划分成若干个局部控制线路来进行分析而分析控制电路的最基本方法是查线读图法。（

8、3）分析辅助电路。辅助电路包括电源显示、工作状态显示、照明和故障报警等部分，它们大多由控制电路中的元件来控制的，所以在分析时，还要回头来对照控制电路进行分析。（4）分析互锁与保护环节。机床对于安全性和可靠性有很高的要求，实现这些要求，除了合理地选择元件和控制方案外，在控制线路中还设置了一系列电气保护和必要的电气互锁。 (5)总体检查。经过“化整为零”，逐步分析了每一个局部电路的工作原理以与各部分之间的控制关系之后，还必须用“集零为整”的方法，检查整个控制线路，看是否存在遗漏，特别要从整体的角度去进一步检查和理解各控制环节之间的联系，理解电路中每个元器件所起的作用。七.重点研究问题 1.数控车床

9、的伺服驱动元件的选择 2.数控车床的主轴驱动元件的选择 3.数控系统的选择 4.接口电路的设计八.条件因素认真做好毕业设计，必须按计划执行，必须按老师要求去做，按时出勤，面对困难要积极应对，向老师积极答辩。指导教师意见签名：年月日论 文 目 录一、绪论3（一）机床电气自动控制系统31电气控制系统的组成32机床电力拖动自动控制系统4（二）机床电气自动控制系统的作用与发展趋势51机床电气自动控制系统的作用52机床电气自动控制系统的发展5二、车床电气设计的一般原则7（一）机床电气设计的基本容7（二）机床电气设计的基本要求7（三）电气设计的技术条件8（四）电气控制电路的设计原则8三、电气传动形式与控制

10、方案的确定9（一）电气传动形式的确定91传动方式92调速性能93负载特性104起动、制动和反向要求105结构要求10（二）控制方案的确定111控制方案的选择原则112控制方案的确定12四、电动机和驱动装置的选择13（一）电动机的选择131电动机容量的选择132电动机的种类、电压、转速和结构形式的种类15（二）驱动装置的选择181进给驱动装置的选型182主轴驱动装置的选型19五、电气控制原理图20（一）电气原理图绘制的基本规则20（二）控制线路电源的选择20（三）主电路的设计21（四）主电路的设计分析22（五）控制线路的经验设计法23（六）控制线路的逻辑设计法231逻辑设计法基本概念232逻辑设

11、计法的一般步骤24（七）控制电路的设计分析24（八）车床电源线路27六、电气元件的选择28（一）低压电器元件选择的基本原则28（二）低压断路器（QF）的选择28（三）熔断器（FU）的选择301熔断器的基本结构302选择方法30（四）接触器（KM）的选择32（五）继电器（KA）的选择34（六）变压器（TC）的选择35（七）开关电器的选择361行程开关（SQ）的选择362按钮的选择373指示灯的选择374导线和电缆38结论39参考文献40附录元件明细表41一、 绪 论（一） 机床电气自动控制系统机床要运行，一是需要动力，二是需要控制。现代机床的动力主要是由电动机来提供的，即由电动机来拖动机床的主轴

12、和进给系统。机床的控制任务是实现对主轴转速和进给量的控制，有时还要完成诸如各种保护、冷却、照明等系统的控制。机床的电气控制系统就是用电气手段为机床提供动力，并实现上述控制任务的系统。1电气控制系统的组成电气自动控制对于现代机床、其他机械设备与生产过程，有着与其主要的作用。通常，电气控制系统主要包括以下三个主要环节。（1）动力部分：是整个系统的电源供给环节，是整个系统的主干，是电能转换为其他能量的通道部件，包括动力电源开关、电气控制部件、电动机等。（2）生产过程自动控制部件：是生产过程自动化的核心，也是间接控制、指挥动力电器与系统工作的部件，包括继电器和各种控制仪表、智能仪表等。（3）传动装置：

13、是生产机械的连接与传动环节，位于电动机和工作机械之间，如减速箱、皮带、联轴器等。2机床电力拖动自动控制系统生产机械一般是由三个基本部分组成的，即工作机构、传动机构和原动机。当原动机为电动机时，也就是说由电动机通过传动机构带动工作机构进行工作时，这种拖动方式就称为电力拖动。电力拖动系统主要分为直流拖动和交流拖动两大类，直流拖动是以直流电动机为动力，交流拖动是以交流电动机为动力。（二） 机床电气自动控制系统的作用与发展趋势1机床电气自动控制系统的作用过去，生产机械由工作机构、传动机构、原动机三部分组成。自从电气元件与计算机应用在机械上后，现代化生产机械已包含第四个组成部分：以电气为主的自动控制系统

14、，它使机器的性能不断提高，使工作机构、传动机构的结构大为简化。机床经过一百多年的发展，机构不断改进，性能不断提高，在很大程度上取决于电力拖动与电气系统的更新。电力拖动在速度调节方面具有无可比拟的优越性和发展前途，采用直流或交流无级调速电动机驱动机床，使机构复杂的变速箱变的十分简单，简化了机床机构，提高了效率和刚度，也提高了精度。现代化机床在电气自动控制方面综合应用了许多先进的科学技术成果，如计算技术、电子技术、自动控制理论、精密测量技术、传感技术等，特别是当今信息时代，微型计算机已广泛应用于各行各业，机床是最早应用电子计算机的设备之一，早在20世纪40年代末期，电子计算机与机床有机的结合产生了

15、新型机床数控机床，选择价廉可靠地微机在机床行业中的应用日益广泛，由微机控制的数控机床与数显装置越来越多地在中国各类工厂中获得使用和推广。这些新的科学技术的应用，使机床电气设备不断实现现代化，从而提高了机床自动化程度和机床加工效率，扩大了工艺围，缩短了新产品试制周期，加速产品更新换代。现代化机床还可提高产品加工质量，减少工人劳动强度，降低产品成本等。近20年来出现的各种机电一体化产品、数控机床、机器人、柔性制造单元与系统等均是机床电气设备实现现代化的成果，总之，电气自动控制在机床中占有与其重要的地位。2机床电气自动控制系统的发展在机床电气自动控制方面，最初采用手动控制，如少数容量小、动作单一的机

16、床（小型台钻、砂轮机等），使用手动直接控制。后来由于切削工具、机床结构的改进、切削功率的增大，机床运动的增多，手动控制已不能满足要求，于是出现了以继电器、接触器为主的控制电路所组成的控制装置和控制系统；这种控制系统，可实现对机床的各种运动的控制，如启停、反转、改变速度等的控制。它们的控制方法简单直接、工作稳定可靠、成本低，使机床自动化向前迈进了一大步。近年来，可编程控制器（PLC）在工业过程自动化系统中应用日益广泛。可编程控制器是以硬接线的继电器接触器控制为基础的，逐步发展为既有逻辑控制、计时、计数，又有运算、数据处理、模拟量调节、联网通信等功能的控制装置。可编程控制器与有关外部设备，都按既易

17、于与工业控制系统连成一整体，又易于扩充其功能的原则设计。可编程控制器将成为生产机械设备中开关量控制的主要电气控制装置。在一般数控机床的基础上，近年来加工中心机床（MC）有了很大发展它可以自动选刀、换刀，自动连续地对各个加工面完成铣削、镗削、铰孔与攻螺纹等多工序加工。改变了过去一小批量生产中一人、一机、以刀的局面，而把许多相关的分散工序集中在一起，形成一个以工件为中心的多工序自动加工机床。随着微电子技术的发展，由小型或微型计算机再加上通用或专用大规模集成电路组成的计算机数控装置（CNC）性能更为完善，几乎所有的机床品种都实现了数控化。自20世纪70年代以来，电气控制相继出现了直接数字控制（DDC

18、）系统，柔性制造系统（FMS），计算机集成制造系统（CIMS），综合运用计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、智能机器人、集散控制系统（DCS）、现场总线控制系统等多项高技术，形成了从产品设计与制造和生产管理的智能化生产地完整体系，将自动制造技术推进到更高的水平。二、 车床电气设计的一般原则（一） 机床电气设计的基本容在生产实际中，无论是批量生产地机械装备，还是在老设备上进行技术改造，或是用动力部件组合成的专用机床，在进行机械设计的同时，都必须进行相应的电气设计。通常，机床电气设计的基本容应包括：1拟定电气设计的技术条件（任务书）；2选择并确定电气传动形式与控制方案；3根据拖动方

19、案选择电动机；4设计电气控制原理图；5选择各种电气元件，制定电机和电气元件明细表；6画出电动机、执行电磁铁、电气控制部件以与检测元件的总布置图；7设计电器柜、操作台、电气安装板以与非标准电器和专用安装零件；8施工设计确定电气设备的布局，绘制安装接线图等；9编写设计计算说明书和使用说明书。根据机械设备的总体技术要求和大气系统的复杂程度不同，以上步骤可以有增有减，某些图纸和技术文件也可适当合并或增减。（二） 机床电气设计的基本要求1熟悉所设计的机械设备的总体技术要求与工作过程。弄清其他系统对电气控制系统的技术要求；2了解所设计机械设备的现场工作条件、电源与测量仪表种类等情况；3依据总体技术要求，通

20、过技术经济分析，选择出最佳的传动方案和控制方案；4设计机构简单、技术先进、工作可靠、维护方便、经济耐用的大气控制电路，进行模拟试验，验证其能满足所设计机床的工艺要求；5保证使用安全，贯彻最新的国家标准。（三） 电气设计的技术条件电气设计的技术条件通常是以设计技术任务书的形式表达的，它是整个电气设计的依据。在任务书中，除了简要说明所设计的机械设备的型号、用途、工艺过程、技术性能、传动参数以与现场工作条件外还必须说明以下容：1用户供电电网的种类（直流或交流）、电压、频率与容量；2有关电气传动的基本特性，如运动部件的数量和用途、负载特性、调速围和平滑性，电动机的起动、反向和制动的要求等；3有关电气控

21、制的特性，如电气控制的基本方式，自动工作循环的组成，自动控制的动作程序，电气保护与联锁条件等；4有关操作方面的要求，如操作台的布置，操作按钮的设置和作用，测量仪表的种类以与显示、报警和照明要求等；5机械设备主要电气设备（如电动机、执行电器和行程开关等）的布置草图。电气设计的技术条件，是由参与设计的各方面人员根据所设计机械设备的总体技术要求共同讨论拟定的。（四） 电气控制电路的设计原则1最大限度地实现机械设计和工艺的要求；数控机床是机电一体化产品，数控机床的主轴、进给轴伺服控制系统绝大多数是机电式的，其输出都包含有某种类型的机械环节和元件，它们是控制系统的重要组成部分，其性能直接影响数控机床的品

22、质。2保证数控机床能稳定、可靠地运行；数控机床运行的稳定性、可靠性在某种程度上决定于电气控制部分的稳定性、可靠性。数控机床在加工车间，其使用的条件、环境比较恶劣，极易造成数控系统的故障。尤其在工业现场，因各种设备产生的电磁干扰，造成电磁环境恶劣，所以就要求数控系统对电磁干扰应有足够的抗干扰水平，否则设备就无常运行。3便于组织生产、降低生产成本、保证产品质量；电气控制电路设计时就应该充分考虑元器件的品质、供应，并便于安装、调试和维修，以便于保证产品质量和组织生产。4安全。三、 电气传动形式与控制方案的确定（一） 电气传动形式的确定电气传动形式的选择是电气设计的主要容之一，也是以后各部分设计容的基

23、础和先决条件。1传动方式（1）单电机拖动。用一台电动机拖动一台生产机械，通过机械传动链将动力传送到每个工作机构。当一台生产机械的运动部件较多时，这种拖动方式的机械传动机构十分复杂。（2）多电机拖动。一台设备由多台电动机分别驱动各个工作机构。例如，数控机床，除必需的在联系外，主轴、每个刀架、工作台与其他辅助运动机构，都分别由单独的电动机驱动。这种拖动方式不仅大大简化了生产机械的传动机构，而且控制灵活，为生产机械的自动化提供了有利的条件，所以，现代化机电传动基本上均采用这种拖动形式。2调速性能金属切削机床的主运动和进给运动，起吊设备、机械手的某些运动机构，以与要求具有快速平稳的动态性能和准确定位的

24、设备（如龙门刨床、镗床、数控机床等），都要求一定的调速围。为了达到一定的调速围，可采用齿轮变速箱、液压调速装置、双速或多速电动机以与电气的无级调速传动方案。在选择调速方案时，可参考以下几点：（1）重型或大型设备。主运动与进给运动，应尽可能采用无级调速。这有利于简化机械结构，缩小齿轮箱体积，降低制造成本，提高机床利用率。（2）精密机械设备。坐标镗床、精密磨床、数控机床以与某些精密机械手，为了保证加工精度和动作的准确性，便于自动控制，也应采取电气的无级调速传动方案。3负载特性不同机械设备的各个工作机构，具有各部一样的负载特性；。例如，一般机床的主运动为恒功率负载，而进给运动为恒转矩负载。在选择电动

25、机调速方案时，要使电动机的调速特性与负载特性相适应，以求得电动机充分合理的应用。例如/YY双速鼠笼式异步电动机，当定子绕组由三角形连接改成双星形连接时，转速增加一倍，功率却增加很少，因此它适用于恒功率传动。而Y/YY双速鼠笼式异步电动机，对于低速为星形连接改接成高速为双星形连接后，转速和功率都增加一倍，而电动机所输出的转矩却保持不变，适用于恒转矩传动。4起动、制动和反向要求一般说来，由电动机完成机床的起动、制动和反向要比机械方法简单、容易，因此机床主轴的起动、停止、正反转运动和调速操作，只要条件允许最好由电动机完成。 机床主运动传动系统的起动转矩一般都比较小，因此，原则上可采用任何一种起动方式

26、。对于机床的辅助运动，在起动时往往要克服较大的静转矩，所以在必要时也可选用高起动转矩的电动机，或采用提高起动转矩的措施。另外，还要考虑电网容量。对于电网容量不大而起动电流较大的电动机一定要采取限制起动电流的措施，如在定子电路中串入电阻或电抗降压起动等，以免电网电压波动较大而造成事故。 电动机的频繁起动、制动或反向会使过度过程中的能量损耗增加，导致电动机过热。因此，在这种情况下，必须限制电动机的起动或制动电流，或者在选择电动机的类型时加以考虑。5结构要求电动机的结构形式应当适应机械结构的要求。应用凸缘或联式电动机可以在一定程度上改善机械结构。考虑到现场环境，可选用防护式、封闭式、防腐式甚至是防爆

27、式的电动机结构形式。（二） 控制方案的确定随着近代电子技术、计算技术、自动控制、精密测量以与机械机构与工艺的发展，机床等各种机械设备的控制方式发生了深刻的变革。各种新型控制系统不断出现，可供选择的控制方案也越来越多。因此，合理选择电气控制方案是简便、可靠、经济地实现工艺要求的重要步骤。控制方案的选择与上述传动形式的选择紧密相关。在现在传动形式时，要预先考虑到如何实现控制；而现在控制方案时，一定要在传动形式现在之后才能进行。1控制方案的选择原则选择控制方案所要遵循的原则如下：（1）控制方式应与设备通用化和专用化的程度相适应。以金属切削机床为例，对于一般普通机床和专用机床，其工作程序往往是固定的，

28、使用中并不需要经常改变原有的程序。因此，可采用继电器接触器控制系统，将控制线路在结构上接成固定式的。（2）控制系统的工作方式应在经济、安全的前提下最大限度地满足工艺要求。作为控制方案，应考虑采用自动循环或半自动循环、手动调整、动作程序的变更、控制系统的检测，各个运动之间的联锁、各种保护、故障诊断、信号指示、照明以与操作方便等问题。（3）控制线路的电源。当控制系统所用电器的数量较多时，可采用直流低压供电。这样，可节省安装空间，便于与无触点元件连接，动作平稳，检修操纵安全等。在电气控制线路比较简单，电气元件不多的情况下，应尽可能用主回路电源作为控制回路电源，即可直接用交流380V或220V，简化供

29、电设备。对于比较复杂的控制线路，控制电路应采用控制电源变压器，将控制电压由交流380V或220V降至110V或48V、24V等，这是从安全角度考虑的。一般机床照明电路为36V以下电源。一般这些不同的电压等级，都是由一个控制变压器实现的。直流控制线路多用220V或110。对于直流电磁铁、电磁离合器，常用24V直流电源供电。2控制方案的确定（1）车床的功能概况；卧式车床用途广、种类多。其中CA6140型卧式车床是我国自行设计、制造的机床。该机床通用性强适用于加工各种轴类、套筒类、轮盘类零件的回转表面。可车外圆、车端面、切槽和切断、转中心孔、镗孔、铰孔、车各种螺纹、车外圆锥面、车特型面，滚花和盘绕弹

30、簧等。CA6140型车床因加工围广、结构复杂、自动化程度不高，所以一般用于单件、小批量生产。（2）车床的主要结构与运动形式；教学型数控车床的工作原理与普通车床CA6140的工作原理一样，车床主要由床身、主轴变速箱、进给变速箱、溜板箱、溜板与刀架、尾架、光杠和丝杠等几部分组成。切削时，车床有3种运动形式：主轴通过卡盘或顶尖带动工件的旋转运动，称为主运动；刀具与滑板一起随溜板箱实现进给运动；其他运动称为辅助运动。电动机的动力由三角皮带通过主轴变速箱传给主轴。主轴的旋转运动由主轴电动机拖动，经传动机构实现。切削加工时，要求车床主轴能在较大围变速。通常根据被加工零件的材料性能、车刀材料、零件尺寸精度要

31、求、加工方式与冷却条件等来选择切削速度，采用机械变速方法。变速主轴变速箱外的手柄位置，可以改变主轴转速。主轴一般只要求单方向旋转，只有在车螺纹时才需要反转来退刀。它是用操纵手柄通过机械的方法来改变主轴旋转方向的。由于进给运动消耗的功率很小，所以也由主轴电动机拖动，不再另加单独的电机拖动。（3）车床的电力拖动要求与控制特点；车削加工近似于恒功率负载，主轴电动机M1通常选用笼型异步电动机，完成主轴主运动和刀具进给运动的驱动。电动机采用直接起动的方式起动，可正反两个方向旋转，并可实现正反两个旋转方向的电气停车制动。为加工调整方便，还具有点动功能。车削螺纹时，刀架移动与主轴旋转运动中间必须保持准确的比

32、例关系，因此，车床主轴运动和进给运动由一台电动机拖动，刀架移动主轴箱通过机械传动链来实现。车削加工中，为防止刀具和工件的温度过高、延长刀具使用寿命、提高加工质量，车床附有一台单方向旋转电动机M2，与主轴电动机实现顺序起停，也可单独操作。必要的保护环节、联锁环节、照明和信号电路。四、 电动机和驱动装置的选择（一） 电动机的选择正确选择电动机具有重要的意义，要在了解电动机发热和冷规律的基础上，重点掌握电动机容量的选择，熟悉电动机种类、电压、转速和形式的选用原则。合理的选择电动机是从驱动机械设备的具体对象、加工规，也就是要从机械设备的使用条件出发，经济、合理、安全等多方面考虑，使电动机能够安全可靠地

33、运行。1电动机容量的选择如果电动机容量选的过大，虽然能保证正常工作，但电动机长期不能满负载工作，得不到充分利用，用电效率和功率因数下降，从而增加设备投资和运行费用；如果电动机容量选的过小，生产效能不能充分发挥，长期过载将导致电动机烧毁。因此，必须合理的选择电动机容量。但是准确选择电动机容量是比较困难的，因为机械设备负载情况比较复杂，传动系统损失也难于计算得十分准确。因此，电动机容量的选择通常采用调查统计类比或采用分析与计算相结合的方法。选择电动机容量应根据以下三项基本情况进行：（1）发热。电动机在运行时，必须保证电动机的实际最高工作温度等于或略小于电动机绝缘的允许最高工作温度，即。（2）过载能

34、力。电动机在运行时必须具有一定得过载能力。特别是在短期工作时，由于电动机的热惯性很大，电动机在短期承受高于额定功率的负载功率时仍可保证，故决定电动机容量的主要因素不是发热而是电动机的过载能力。所选电动机的最大转矩（对于异步电动机）或最大允许电流（对于直流电动机）必须大于运行工程中可能出现的最大负载转矩和最大负载电流。（3）起动能力。调查统计类比法。确定电动机功率前，首先应进行广泛调查研究，分析确定所需要的切削用量，然后用已确定的较常用的切削用量的最大值，在同类同规格的机床上进行切削实验并测出电动机的输出功率，以此测出的功率为依据，再考虑到机床最大负载情况，以与采用先进切削方法与新工艺等，然后类

35、比国外电动机的功率，最后确定所设计的机床电动机功率来选择电动机。这种方法有实用价值，以切削实验为基础进行分析类比，符合实际情况。目前我国机床设计制造部门，往往采用这种方法来选择电动机容量。这种方法就是对机床主拖动电动机进行实测、分析，找出了电动机容量与机床主要数据的关系，以这种关系作为选择电动机容量的依据。卧式车床主电动机的功率： (4.1)式中 主拖动电动机功率，kW；工件最大直径，m。分析计算法。可根据机械设备总体设计中对机械传动功率的要求，确定机械设备拖动用电动机功率。即可知道机械传动的功率，可计算出所需电动机功率： (4.2)式中 电动机功率；机械传动轴上的功率；生产机械效率；电动机与

36、生产机械之间的传动效率。计算出电动机的功率，仅仅是初步确定的数据，还要根据实际情况，进行分析，对电动机进行校验，最后确定其容量。另外，电动机铭牌上的额定功率是在一定得工况下电动机允许的最大输出功率，如果工况变了，也应作适当的调整。如常年环境温度偏离+40较多时，电动机容量可作相应修正。一般地，变化，所选电动机的可修正%左右；风扇冷式电动机长期处于低速运行时，散热条件恶劣，电动机的功率必须降低使用；海拔高于1000m的高原地区，空气稀薄，散热条件差，电动机的功率也应降低使用。2电动机的种类、电压、转速和结构形式的种类除了正确选择电动机的容量外，还需要根据生产机械的要求、技术经济指标和工作环境等条

37、件，来正确选择电动机的种类、电压、转速和电动机的结构形式。（1）根据生产机械的负载性质选择电动机的类型。电动机类型选择的基本依据是在满足生产机械对拖动系统静态和动态特性要求的前提下，力求结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉。对于不要求调速、对起动性能亦无过高要求的生产机械，应优先考虑使用一般鼠笼式异步电动机（如YL系列、JS系列、Y系列等）。若要求起动转矩较大，则可选用高起动转矩的鼠笼式异步电动机（如JS21××型、JQ2和JQO2系列等）。对于要求经常起动、制动，且负载转矩较大、又有一定调速要求的生产机械，应考虑选用线绕式异步电动机（如YR、YZR系列等）；对于周期性波

38、动负载的生产机械，为了削平尖峰负载，一般都采用电动机带飞轮工作，这种情况下也应选用线绕式异步电动机。对于只需要几种速度，而不要求无级调速的生产机械，为了简化变速机构，可选用多速异步电动机（如YD系列小型多速异步电动机等）。对于要求恒速稳定运行的生产机械，且需要补偿电网功率因数的场合，应优先考虑选用同步电动机（如TD系列等）。对于需要大的启动转矩又要求恒功率调速的生产机械，常选用直流串励或复励电动机。目前应用比较广泛的驱动装置主要有步进电动机驱动和交流伺服驱动两大类，步进电动机一般采用对加工精度和进给速度要求不高的经济型数控机床，采用步进电动机的数控机床分辨率一般在0.01mm，最高快移速度则在

39、5m/min以下，步进电动机一般在1000r/min以下工作。交流伺服电动机则用于中高档的数控机床，分辨率可以达到0.001mm，最高快移速度则在10m/min以下，交流伺服电动机的额定转速一般2000r/min左右。 所以此设计题目所选择的为步进电动机。（2）电动机电压等级的选择。交流电动机额定电压主要根据电动机运行场所供电电网的电压等级而定的。我国工厂的交流供电电压，低压一般为380V，高压一般为10kV。中等功率以下的交流电动机，额定电压一般为380V；100kW以上大功率交流电动机额定电压一般为10kV。直流电动机一般由单独电源供电，选择电动机额定电压时只需考虑供电电源电压配合恰当即可

40、。直流电动机额定电压一般为110V、220V和440V，最常用的电压等级为220V。当交流电源为380V时，若采用无整流变压器的三相桥式可控整流电路供电，则直流电动机的额定电压应选为440V；若采用无整流变压器的三相半波可控整流电路供电，则直流电动机的额定电压应选为220V。（3）电动机额定转速的选择。选择电动机额定转速时要全面进行考虑，如：对于不需要调速的高转速与中转速的机械，一般应选相应额定转速的异步电动机或同步电动机，直接与机械相连接；对于不需要调速的低速运转的机械，一般是选用适当转速的电动机通过减速机构来传动，但电动机额定转速也不宜太高，否则减速机构会很庞大；对于需要调速的机械，电动机

41、的最高转速应与生产机械的最高转速相适应，采用直接传动或通过减速机构来传动；对于经常起动、制动和反转的生产机械，要着重考虑缩短过度过程，减少起动、制动时间，提高生产率，而决定起动、制动时间的主要因素是电动机的飞轮转矩和额定转矩。（4）电动机结构式的选择.。生产机械安装的位置和场所不同，电动机的工作环境就不一样。在多数情况下，电动机工作地周围大气中含有不同分量的灰尘和水分，有的还含有腐蚀性气体甚至含有易爆炸的混合物，有的电动机还处在水下工作状态。灰尘会很快玷污电动机绕组，恶化散热条件。为了保证电动机能在这样或那样的环境中安全运行，外壳的结构就有多种形式，要根据实际环境条件加以选择。开启式。开启式电

42、动机仅适用于干燥和清洁的工作环境。防护式。防护式电动机适用于比较干燥、灰尘不多、无腐蚀性气体得场所。封闭式。封闭式电动机适用于尘土多、潮湿、易引起火灾和有腐蚀性气体得场所。防爆式。防爆式电动机适用于易燃、易爆气体的场所。根据以上的原则，我们知道普通车床CA6140的主轴电动机M1的型号为Y132M-4，额定功率为7.5 kW，额定电流为15.4A,额定转速为1500r/min；冷却泵电动机M2的型号为AOB-25，额定功率为90W,额定电流为0.32A，额定转速为30000r/min。而教学型数控车床加工的零件毛坯多为蜡块，所以选定主轴电动机的额定功率为2.5 kW，额定电流为5.1A，额定转

43、速为1500r/min，型号为Y100L2-4；冷却泵电动机M2的型号为AOB-25，额定功率为90W,额定电流为0.32A，额定转速为30000r/min，刀架电动机M3的型号为AOB-25，额定功率为45W,额定电流为0.16A，额定转速为30000r/min。X轴步进电动机M4的型号为130BYG3502，其相数为3，步距角为，最大静扭矩为37N.m；Z轴步进电动机M5的型号为130BYG5501，为五相混合式，最大静转矩为20N.m，十拍驱动时的步距角为。（二） 驱动装置的选择1进给驱动装置的选型进给驱动装置的选型是以数控机床的设计要求为基础，与数控装置的选型紧密联系的。数控机床的设计

44、要求包括各轴的进给速度、整机加工精度、加工围、传动方式等，它直接对进给驱动系统的性能提出了要求因此是进给驱动装置选型的基础。如图4-1所示，为进给驱动装置的基本接口(以SH-50806A五相步进驱动器为例)。图4-2 进给驱动装置的基本接口2主轴驱动装置的选型主轴驱动装置的选型与进给驱动装置等其他设备一样，需要遵循经济实用、稳定可靠和易于操作维护的原则，以整机设计对主轴系统的要求和不同类型的主轴系统的特点为依据。（1）普通笼型异步电动机配齿轮变速箱。（2）普通笼型异步电动机配简易型变频器。（3）普通笼型异步电动机配通用变频器。（4）专用变频电动机配通用变频器。（5）伺服主轴驱动系统。（6）电主

45、轴。五、 电气控制原理图电气控制线路的设计是在前述的传动形式与控制方案选择的基础上进行的，其中，电气原理图的设计是大气设计中的一个十分重要的环节。（一） 电气原理图绘制的基本规则1原理图中，所有电动机、电器等元件都采用国家统一规定的图形符号和文字符号来表示。属于同一电器的线圈和触点，都要用同一文字符号表示。当使用一样类型电器时，可在文字符号后加注阿拉伯数字序号来区分。2原理图一般分为主电路和辅助电路两部分画出。主电路就是从电源到电动机绕组的大电流通过的路径。辅助电路包括控制回路、照明电路、信号电路与保护电路等，一般由继电器的线圈和触点、接触器的线圈和触点、按钮、照明灯、信号灯、控制变压器等电气

46、元件组成。一般主电路用粗实线表示，画在左边（或上部）；辅助电路用细实线表示，画在右边（或下部）。3原理图中，各电气元件的导电部件如线圈和触点的位置，应根据便于阅读和分析的原则来安排，绘在它们完成作用的地方。同一电气元件的各个部件可以不画在一起。4原理图中，所有电器触点都按没有通电或没有外力作用时的开闭状态画出。如继电器、接触器的触点，按线圈未通电时的状态画；按钮、行程开关的触点按不受外力作用时的状态画；控制器按手柄处于零位时的状态画等。5原理图中，有直接电联系的交叉导线的连接点，要用黑圆点表示。无直接电联系的交叉导线，交叉处不能画黑圆点。6原理图中，无论是主电路还是辅助电路，各电气元件一般应按

47、动作顺序从上到下，从左到右依次排列，可水平或垂直布置。（二） 控制线路电源的选择选择控制线路的电源，可根据经验和有关手册进行选择。表5-1列出了常用的电源电压。表5-1 电气控制线路常用的电源电压控制线路的类型常用的电压值（V）电源设备交流电力传动的控制系统中控制线路较简单交流380、220直接采样动力电源交流电力传动的控制系统中控制线路较复杂220、110采用控制变压器照明与信号指示线路48、36、24、6采用电源变压器直流电力传动的控制系统直流220、110整流器直流电磁铁与离合器的控制线路24整流器（三） 主电路的设计对于三相鼠笼式异步电动机，主要是根据工艺要求来选择动力线路，包括电动机

48、的起动、制动、正反转控制与动力线路的保护环节。设计时应注意以下问题。1确定电动机是全压起动还是降压起动。对于一般地小容量的电动机，其容量不超过供电变压器容量的20%，一般可采用直接起动。也可以根据经验公式进行判断。全压起动的条件为： (5.1)式中 电动机全压起动电流（A）；电动机额定电流（A）；电动机额定功率（kW）；电源变压器额定容量（kVA）；2对于正反转控制方式，应防止误操作而引起的电源相间短路，必须在控制线路中考虑互锁保护。3必须注意主线路中的熔断器保护、过载保护、过流保护与其他安全保护等元件的选择与设置。4主线路与控制线路应保持严格的对应关系。（四） 主电路的设计分析图5-1为车床

49、的主电路。采用经验设计方法进行教学型数控车床电气控制电路的设计。先设计主电路，主电路有两台电动机，根据电气传动的特点与控制要求，由交流接触器KM1用来控制伺服变压器TC1；交流接触器KM2、KM3用来控制主轴电动机M1的正反转；交流接触器KM4用来控制冷却泵电动机M2的启动和停止；交流接触器KM5、KM6用来控制刀架电动机M3的正反转；灭弧器RC1、RC2 、RC3与RC4用来保护交流接触器的主触点，防止当主触点断开时，在动静触点间产生强烈电弧，烧坏主触点。车床的三相电源由低压断路器QF引入。低压断路器QF1对整个动力线路进行过载与短路保护。低压断路器QF2对伺服强电电路作短路保护。主电动机M

50、1的过载保护与短路保护可由断路器QF3担任。断路器QF4作为冷却泵电动机M2的过载与短路保护。刀架电动机M3的过载保护与短路保护可由断路器QF5担任。另外，为防止电动机外壳漏电伤人，电动机外壳均与地线连接。图5-1 车床的主电路（五） 控制线路的经验设计法电气控制线路的设计一般分为经验设计法和逻辑设计法。国家设计研究院通常采用逻辑设计方法，这种方法设计的控制线路不仅完全满足机械设备的工艺要求，而且是最简单的。在工业企业现场，通常采用经验设计方法。经验设计方法的基本步骤如下：1收集分析国外现有的同类设备的相关资料，使所设计的控制系统合理，满足设计要求。2控制线路设计。一般的电气控制线路设计包括主

51、电路、控制电路和辅助电路的设计。（1）首先进行主电路设计。主要是考虑从电源到执行元件（例如电动机）之间的线路设计。（2）然后进行控制线路设计。本部分主要考虑如何满足电动机的各种运动功能与生产工艺要求，包括实现加工过程自动化或半自动化的控制等。即本部分就是正确地“选择”和有机的“组合”的任务。（3）最后考虑如何完善整个控制电路的设计、各种保护、联锁以与信号、照明辅助电路的设计。3全面检查所设计电路，有条件时，进行模拟试验，以进一步完善设计。4合理选择各电器元件。经验设计方法的基本特点是：（1）其设计过程是逐步完善的，一般不易获得最佳设计方案。但该方法简单易行，使用很广。（2）需反复修改，影响设计

52、速度。（3）需要一定得经验，设计中往往会因考虑不周而影响电路的可靠性。（4）一般需要进行模拟试验。（六） 控制线路的逻辑设计法1逻辑设计法基本概念逻辑设计法，主要是根据生产工艺的要求（工作循环、液压系统图等），将控制线路中的接触器、继电器线圈的通电与断电，触头的闭合与断开，以与主令元件的接通和断开等，看成逻辑变量，并将这些逻辑变量关系表示为逻辑函数的关系式，再运用逻辑函数基本公式和运算规律，对逻辑函数式进行简化，然后由简化的逻辑函数式画出相应的线路原理图，最后再进一步检查、化简和完善，以期获得既满足工艺要求，又经济合理的最佳设计方案。2逻辑设计法的一般步骤（1）按工艺要求做出工作循环图。（2）

53、确定执行元件与检测元件，并做出执行元件节拍表和检测元件状态表。（3）根据检测元件状态表写出各程序的特征数，并确定分组，设置中间记忆元件，使各分组所有程序能区分开。（4）列出中间记忆元件开关逻辑函数与其执行元件动作逻辑函数式，并画出相应的电路图。（5）对按逻辑函数式画出的控制电路进行检查、化简和完善。逻辑设计法与经验设计法相比，采用逻辑设计法设计的电路较为合理，能节省所用元件的数量，能求得某逻辑功能的最简电路，但逻辑设计法整个设计过程较复杂，对于一些复杂的控制要求，还必须设计许多新的条件，同时对电路竞争问题也较难处理。因此，在一般工厂企业的电气控制线路设计中，逻辑设计法仅为经验设计法的辅助和补充

54、。（七） 控制电路的设计分析1.主轴电动机的控制。图5-2、图5-3为车床的交流控制回路图和直流控制回路图。在图5-1中，先将QF2、QF3空气开关合上，在图5-3中，当机床未压限位开关、伺服未报警、急停未压下、主轴未报警时，KA2、KA3继电器线圈通电，继电器触点吸合，并且PLC输出点Y00发出伺服允许信号，KA1继电器线圈通电，继电器触点吸合，在图5-2中，KM1交流接触器线圈通电，交流接触器触点吸合，KM3主轴交流接触器线圈通电，在图5-1中，交流接触器主触点吸合，主轴变频器加上AC380V电压；若有主轴正转或主轴反转与主轴转速指令时（手动或自动），在图5-3中，PLC输出主轴正转Y10

55、或主轴反转Y11有效、主轴转速指令输出对应于主轴转速的直流电压值（010V）直主轴变频器上，主轴按指令值的转速正转或反转；当主轴速度达到指令值时，主轴变频器输出主轴速度到达信号给PLC，主轴转动指令完成。主轴的启动时间、制动时间由主轴变频器部参数设定。图5-2 车床的交流控制回路图5-3 车床的直流控制回路2.刀架电动机的控制。当有手动换刀或自动换刀指令时，经过系统处理转变为刀位信号，这时在图5-3中，PLC输出Y06有效，KA7继电器线圈通电，继电器触点闭合，在图5-2中，KM5交流接触器线圈通电，交流接触器主触点闭合，刀架电动机正转；当PLC输入点检测到指令刀具所对应的刀位信号时，PLC输出Y06有效撤销，刀架电动机正转停止；接着PLC输出Y07有效，KA8继电器线圈通电，继电器触点闭合，在图5-2中，KM6交流接触器线圈通电，交流接触器主触点闭合，刀架电动机反转，延时一定时间后（该时间由参数设定，并根据现场情况作调整）PL