王振臣主编-机床电气控制技术第5版完整课件-第二章

1、第二章第二章 机床电气控制线路的分析及设计机床电气控制线路的分析及设计前言 专业技术课程的显著特点是其实践性强。本章将就常用机床控制线路的工作原理、构成特点等问题进行分析，并以此为基础，力求使读者获得机床控制系统分析与设计的基本技能。图2-0为卧式车床实物图，它的工作离不开电气控制。图2-0 卧式车床n卧式车床的电气控制线路分析n机床电气设计的一般内容n机床电气控制线路的设计n机床常用电器的选择n机床电气控制线路设计举例本章主要内容分析电气控制系统时要注意以下几个问题： n要了解机床的主要技术性能及机械传动、液压和气动的工作原理。n弄清各电动机的安装部位、作用、规格和型号。n初步掌握各种电器的

2、安装部位、作用以及各操纵手柄、开关、控制按钮的功能和操纵方法。n注意了解与机床的机械、液压发生直接联系的各种电器的安装部位及作用。如：行程开关、撞块、压力继电器、电磁离合器、电磁铁等。n分析电气控制系统时，要结合说明书或有关的技术资料将整个电气线路划分成几个部分逐一进行分析。例如：各电动机的起动、停止、变速、制动、保护及相互间的联锁等。2.1卧式车床的电气控制线路分析卧式车床的电气控制线路分析 卧式车床是机床中应用最广泛的一种，它可以用于切削各种工件的外圆、内孔、端面及螺纹。 主电动机有两种起动方式，即直接起动和降压起动。 主电动机的制动也有两种方式，即电气方法实现的能耗制动和反接制动，以及机

3、械的摩擦离合器制动。2.1.1 CW6163B型万能卧式车床的控制线路型万能卧式车床的控制线路 图2-1为CW6163B型万能卧式车床的电气原理图。表2-1为该机床的电气元件目录表。CW6163B型万能卧式车床影像图图2-l CW6163B型万能卧式车床电气原理图 M1 3M2 3M3 3主电动机冷却泵电动机QFKR1KM1KM2KR2FU1KR1SAFU3KM3KM1SB2SB1KR2KM1KM1KM2KM2KM3FU2FU4TCHL1HL2ELST110V36V6.3VSB3SB4SB5SB6SB7快速移动电动机33A符 号 名 称 及 用 途 符 号 名 称 及 用 途 Q自动开关作电源

4、引入及短路保护用 KR1热继电器 作主电动机过载保护用FU1-FU4 熔断器作短路保护 KR2 热继电器 作冷却泵电动机过载保护用 Ml主电动机（主轴及进给） KM1 接触器作主电动机起动、停止用 M2冷却泵电动机 KM2 接触器 作冷却泵电动机起动、停止用 M3快速电动机 KM3 接触器 快速电动机起动、停止用 SBl-SB4主电动机起停按钮 SB7 快速电动机点动按钮SB5-SB6冷却泵电动机起停按钮 TC 控制与照明变压器 HLl主电动机起停指示灯 ST 行程开关 与操作开关联动 HL2电源接通指示灯SA 照明控制开关表2-1 CW6163B型卧式车床电器元件目录表1. 主电路主电路 整

5、机的电气系统由M1、M2、M3三台电动机组成，它们均为直接起动，主轴采用液压制动器。2控制、照明及显示电路控制、照明及显示电路 控制变压器TC二次侧110V电压作为控制回路的电源。为 便于操作和事故状态下的紧急停车，主电动机M1采用双 点控制。冷却泵电动机的起动和停止由装在床头操纵板 上的按钮SB5和SB6控制。 SA 为照明控制开关，HL1、 HL2、 EL、 为一些照明及指示灯。行程开关ST作进给限位保护用。C616卧式车床实物影像图1.2.2 C616卧式车床的电气控制线路卧式车床的电气控制线路 图2-2 为C616卧式车床电气原理图。 图22 C616卧式车床电气原理图 M13M23M

6、3 3E主电动机润滑电动机冷却泵电动机Q1Q2KR1KM1KM2KM3KR2KR3FU1FU2KR1KR2KR3KAELHLSA1-1SA1-2SA1-3SA2TC24675311113KA101102103104EFU3KM1KM1KM2KM2KM3KM3333 1主电路主电路 该机床有M1、 M2、 M3三台电动机，三相交流电源通过组合开关Q1引入。2.1.3 C650卧式车床的电气控制线路卧式车床的电气控制线路 C650卧式车床属于中型车床，图2-3是它的电气原理图。 1主电路主电路 该机床有M1、 M2、 M3三台电动机，三相交流电源通过组合开关Q引入。2控制电路控制电路主电动机的点动

7、调整控制：图2-4为点动环节的控制电路图。 图2-4 C650卧式车床点动控制线路KM3KMM13 RSB4SB6SB1KKM4KM3KR1KM3KKMKMK 主电动机的正反转控制电路 图2-5为主电动机正反转控制电路。KM3KM4KR1KMM13 SB4SB1KKM4KM3KR1KM3KSB2KMKM3KM4KKM4KMK图2-5 C650卧式车床正反转控制线路3.主轴电动机的反接制动控制主轴电动机的反接制动控制 C650卧式车床采用了反接制动方式。当电动机的转速接近到零时，用速度继电器的触点给出信号切断电动机的电源。图2-6是C650卧式车床正转、反转与反接制动的控制线路。 速度继电器与被

8、控电动机是同轴连结的，当电动机正转时，速度继电器的正转常开触点KS1闭合；电动机反转时，速度继电器的反转动合触点KS2闭合。 图2-6 C650卧式车床正反向与反接制动控制线路KSKM3KM4KR1KMM13SB4 n nRSB1KKM4KM3KR1KS2KS1KM3KKSB2KMKM3KM4KKM4KMK 刀架的快速移动是由转动刀架手柄压动行程开关ST来实的。 4.刀架的快速移动和冷却泵控制刀架的快速移动和冷却泵控制 冷却泵电动机的起、停控制由按钮SB3、SB5完成。2.2 机床电气设计的一般内容机床电气设计的一般内容 机床一般都是由机械与电气两大部分组成的，设计一台机床，首先要明确该机床的

9、技术要求，拟定总体技术方案。机床的电气设计是机床设计的重要组成部分，机床的电气设计应满足机床的总体技术方案要求。 在这一节将就机床电气设计涉及的主要内容，以及电气控制系统如何满足机床的主要技术性能加以讨论。 (1)机床主要技术性能机床主要技术性能即机械传动、液压和气动系统的工作特性，以及对电气控制系统的要求。 (2)机床的电气技术指标机床的电气技术指标 即电气传动方案，要根据机床的结构、传动方式、调速指标，以及对起制动和正反向要求等来确定。 (3)机床电动机的调速性质应与机床的负载特性相适应机床电动机的调速性质应与机床的负载特性相适应 调速性质是指转矩、功率与转速的关系。设计任何一 个机床电力

10、拖动系统都离不开对负载和系统调速性质的研 究，它是选择拖动和控制方案及确定电动机容量的前提。 (4)正确合理的选择电气控制方式是机床电气设计的主要内容正确合理的选择电气控制方式是机床电气设计的主要内容 电气控制方式应能保证机床的使用效能和动作程序、自动循环等基本动作要求。 (5)明确有关操纵方面的要求，在设计中施实明确有关操纵方面的要求，在设计中施实 (6)设计应考虑用户供电电网情况设计应考虑用户供电电网情况 如电网容量、电流种类、电压及频率。 综上所述，机床电气设计应包括以下内容：综上所述，机床电气设计应包括以下内容： n拟定电气设计任务书 (技术条件)n确定电气传动控制方案，选择电动机n设

11、计电气控制原理图n选择电气元件，并制定电气元件明细表n设计操作台、电气柜及非标准电气元件n设计机床电气设备布置总图、电气安装图，以及电气接线图n编写电气说明书和使用操作说明书2.3 机床电器控制线路的设计机床电器控制线路的设计 一般中小型机床电气传动控制系统并不复杂，大多数都是由继电器接触器系统来实现的，因此在设计时，第二节所讲述的机床电气设计的某些内容可以省略。其重点就是设计继电器接触器控制线路及选择电气元件。 当机床的控制方案确定后，可根据各电动机的控制任务不同，参照典型线路逐一分别设计局部线路，然后再根据各部分的相互关系综合成完整的控制线路。 1.电气控制线路的电源电气控制线路的电源 在

12、电器控制线路较简单、电器元件不多的情况下，控制回路电源应尽可能与主回路电源相同，也就是直接采用交流380V或220V，这样可以简化供电设备。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、48V或24V。这是从安全角度考虑的。一般机床照明电路为36 V以下电源。这些不同的电压等级，一般可由同一个控制变压器提供。 直流控制线路多用220 V或110V。对于直流电磁铁、电磁离合器，常用24V直流电源供电。 继电器控制线路有一个共同的特点，就是通过触点的“通和“断来控制电动机或其他电气设备进而使运动机构动作的。即使是复杂的控制线路，很大一部分也

13、是动合和动断触点组合而成的。为了设计方便把它们的相互关系归纳为以下几个方面。 (1)(1)动合触点串联动合触点串联 当要求几个条件同时具备时，才使电器线圈得电动作，可用几个常开触点与线圈串联的方法实现。如图2-7a中，K1、K2、K3都动作时接触器KM才动作，这种关系在逻辑线路中称“与”逻辑。 图2-7b是一条自动线上各动力头加工完成后退回原位且夹具拔销松开的监控线路。 所有动力头加工完成K0动作，动力头都退到原位K10动作，各夹具松开到位则K12动作。图2-7 动合触点串联及自动线各动力头控制的部分监控线路a)b)K1K2K3KMK1K2K3KnST01ST03ST02ST0nST1ST3S

14、T2STnK0K10K12 (2)(2)动合触点并联动合触点并联 当在几个条件中，只要求具备其中任一条件，所控制的继电器线圈就能得电，这时可用几个动合触点并联来实现。这种关系在逻辑线路中叫“或”逻辑。如图2-8a，只要K1、K2、K3其中之一动作，KM就得电动作。图2-8b中SB2、SB4为两地控制起动按钮，只要其中之一动作，接触器KM就动作，具备条件之一即可。图2-8 动合触点并联及两地控制电路KMSB2SB1KMSB3K1K2K3KMSB4b)a) (3)(3)动断触点串联动断触点串联 当几个条件仅具备一个时，继电器线圈就断电，可用几个动断触点与控制电器线圈串联的方法来实现。如图2-8b中

15、SB1、SB3两个停止按钮，其中一个动作，接触器就断电；图2-9中的SB0各停止按钮也是如此。 K M0SB0K3b)H0SB1 “ 送 电 ”SB2SB3“ 预 停 ”“ 预 停 撤 销 ”“ 紧 急 停 止 ”K3K10K12K M0K3K1K2K3K1K2Ka)K1K2K3K1K图29 自动线预停控制线路 图210 触点的合理使用a)不适当 b) 适当 (4)动断触点并联动断触点并联 当要求几个条件都具备时，电器线圈才断电，可用几个动断触点并联，再与控制电器线圈串联的方法来实现。图2-9中自动线预停时，可按“预停”按钮SB3，由动断触点K3、K10和K12所组成的并联电路与接触器KM0线

16、圈串联来保证。以实现当所有动力头已经退回原位、夹具拔销松开、并在原来已发出“预停”信号基础上，才能使KM0断电释放，将控制电路的电源切断。 (5)保护电路保护电路 一般保护电器应既能保证控制线路长期正常运行，又能起到保护电动机及其它电器设备的作用。一旦线路出故障，它的触点就由“通”转为“断”。 3.控制线路设计的一般问题控制线路设计的一般问题 在设计控制电路时，电器线圈的一端应接在电源的同一端，如图2-11b。交流电器线圈不能串联使用，如图2-11a。a)KM1SB2KM2KM1KM2nKSKM1SB1）KM1K1K2K2K1K2K2KMKM1SB2KM2KM1KM2nKSKM1SB1KM1K

17、1K2K2K1K2K2KM图211 触点和线圈的正确连接（具有反接制动功能的线路）a) 正确 b) 错误 （3）在控制线路中应尽量减少电器触点数 可提高线路的可靠性。图2-12中例举一些触点简化的例子。 图2-12 触点简化与合并K1K2KK1KK1K2K3KK1K1K2K3KK1K2K3KK1K1K2K3KK1K3K1K3K2K1K3K2K1K1（4）应尽量减少两地间（接线长）联接导线的数量 如图2-13所示，c、d是不适当的接线方式，a、b是适当的。图中粗线代表长的接线。（操作点与电气柜距离较远、两点操作的两点间距离也较远） 图213 电气元件的合理接线b)KM1KM1SB2KM2SB1K

18、M1KM1SB2KM2SB1a)c)d)KMSB1KMSB3SB4SB2KMSB2SB1KMSB3SB4（5）设计控制线路时应考虑各种联锁关系，以及电气系统具有的各种电气保护措施，例如过载、短路、欠压、零压、限位等保护措施。（6）在设计控制线路时也应考虑有关操纵、故障检查、检测仪表、信号指示、报警，以及照明等要求。2.4 机床常用电器的选择机床常用电器的选择 完成电器控制线路的设计之后，应开始选择所需要的控制电器。机床电器的选择，主要是根据电器产品目录上的各项技术指标(数据)来进行。 （1）按钮）按钮n按钮是用来短时接通或断开小电流的控制电路的开关。按钮在结构上有多种形式：旋钮式-用手扭动旋转

19、进行操作；指示灯式-按钮内可装入信号灯显示信号；紧急式-装有蘑菇形钮帽，以便于紧急操作。 n按钮的选用：按钮主要是根据所需要的触点数、触点形式、使用的场合及颜色来选择。机床常用的按钮为LA系列。n （2）刀开关的选用刀开关的选用n 又称闸刀，用来接通和切断长期工作设备的电源。它主要根据电源种类、电压等级、电动机容量、所需极数及使用场合来选用。（3）开启式负荷开关（铁壳开关）及选用）开启式负荷开关（铁壳开关）及选用 n 用途：作不频繁带负荷操作和短路保护用。用途：作不频繁带负荷操作和短路保护用。n 结构：由刀开关和熔断器组合成。瓷底板上装有进结构：由刀开关和熔断器组合成。瓷底板上装有进线座、静触

20、头、熔丝、出线座及刀片式动触头，工线座、静触头、熔丝、出线座及刀片式动触头，工作部分用胶木盖罩住，以防电弧灼伤人手。作部分用胶木盖罩住，以防电弧灼伤人手。n 分类：单相双极和三相三极两种分类：单相双极和三相三极两种选用：额定电压、额定电流和极数n（5）组合开关的选用）组合开关的选用n 主要作为电源引入开关，所以也称电源隔离开关。它主要根据电源种类、电压等级、所需触点数及电动机容量进行选择。常用的有HZ-10系列。 （6）电源开关联锁机构选用）电源开关联锁机构选用 它与相应的断路器和组合开关配套使用，用于电源接通与断开电源和柜门开关联锁。电源开关锁有DJL系列和JDS系列。 用于供电线路和电气设

21、备的短路保护的电器。结构用于供电线路和电气设备的短路保护的电器。结构简单、使用方便、价格低廉。简单、使用方便、价格低廉。n对于如照明线路等没有冲击电流的负载，应使熔体的额定电流IR 等于或稍大于线路的工作电流I，即 IRI n对于单台异步电动机，熔体可按下列关系选择： IR =（1.52.5)Ied 或 IR = Ist /2.5 (2-1) 式中: Ied -电动机的额定电流； Ist -电动机的起动电流。n对于多台电动机由一个熔断器保护，熔体按下列关系选择: IRIm /2.5 (2-2) 式中: Im -可能出现的最大电流。 如果几台电动机不同时起动，则Im 为容量最大一台电动机起动电流

22、，加上其它各台电动机的额定电流。 2.4.3热继电器及选用热继电器及选用 1、热继电器保护特性2、电动机的过载特性 电动机过载特性的配合例如，对于例如，对于20kW20kW、380V380V的三相笼型电动机，其额定电的三相笼型电动机，其额定电流为流为30A30A，根据电动机为连续工作制的特点，可选用，根据电动机为连续工作制的特点，可选用JRl660JRl660型热继电器和型热继电器和1515号发热元件号发热元件( (其电流整定范围其电流整定范围为为2828363645A)45A)。先整定在。先整定在36A36A挡上。若使用中发现电挡上。若使用中发现电动机温升较高，而热继电器却延迟动作，说明整定

23、电动机温升较高，而热继电器却延迟动作，说明整定电流过高。这对可旋动调整旋钮，重新将电流整定在流过高。这对可旋动调整旋钮，重新将电流整定在28A28A挡上。挡上。举例2.4.4 接触器的选用接触器的选用 选择接触器主要考虑以下技术数据：n电源种类：交流或直流（指主触点控制的负载的电源）；n主触点额定电压、额定电流；n辅助触点的种类、数量及触点的额定电流；n电磁线圈的电源种类，频率和额定电压；n额定操作频率（次/小时）。 它的选择主要是根据控制电路的电压等级、触点的数量、种类以及容量来决定的。机床中常用的有JZ7系列、JZ8系列两种。2.4.6 时间继电器的选用时间继电器的选用2.4.7速度继电器

24、的选用速度继电器的选用 主要考虑额定转速要大于电动机的额定转速，触点的种类和数量满足要求等。当控制线路所用电器较多，线路较为复杂时，一般需采用经变压器降压的控制电源，提高线路的安全可靠性。 控制变压器主要根据所需要变压器容量及一次侧、二次侧的电压等极来选择。控制变压器可根据下面两种情况来选择其容量：n依据控制线路最大工作负载所需要的功率计算 一般可根据下式计算： PTKTPxc (2-5) 式中:PT -所需变压器容量(V.A)； KT -变压器容量储备系数，一般取KT =1.11.25； Pxc-控制线路最大负载时工作的电器所需的总功率(V.A)。 显然对于交流电器(交流接触器、交流中间继电

25、器及交流电磁铁等)，Pxc 应取吸持功率值。n变压器的容量还应满足已吸合的电器在又起动另一些电器时仍能保持吸合 可依据下面公式计算： PT0.6Pxc+1.5PST (2-6) 式中：PST -同时起动的电器的总吸持功率(V.A)。 最后所需变压器容量，应由式（2-5）和（2-6）中所计算出的最大值决定。 表2-2是常用交流电器的起动与吸持功率的数值。 电 器 型 号 起动功率Pqd /(V.A) 吸持功率Pxc /(V.A) Pqd/Pxc JZ775126.3 CJ 10-5 CJ 10-10 CJ 10-20 CJ 10-40356514023061122325.85.96.47.2 C

26、J0-10 CJ0-20 CJ0-40771562801433335.54.758.5 MQl -5101 MQ1 -5111 MQ1 -5121 MQ1 -5131 MQl -514145010001700220010000508095130480912.518172l表2-2 常用交流电器的起动与吸持功率(均为有效功率)2.5 机床电气控制线路设计举例机床电气控制线路设计举例n机床主运动和进给运动由电动机M1集中传动，主轴运动的正反向靠两组摩擦片离合器完成。n主轴制动采用液压制动器。n冷却泵由电动机M2拖动。n刀架快速移动由单独的快速电动机M3拖动。n进给运动的纵向、横向和快速移动集中由一

27、个手柄操纵。 设计CW6163型卧式车床的电气控制线路。 电动机型号： 主电动机M1 Y160M-4 11 kW 380V 23.0A 1460 r/min冷却泵电动机M2 JCB-22 0.15kW 380V 0.43A 2790 r/min快速移动电动机M3 Y90S-4 1.1kW 380V 2.8 A 1400 r/min（1 1）主回路设计）主回路设计 根据电气传动的要求，由接触器KM1、KM2、KM3分 别控制电动机M1、M2及M3，如图2-14所示。 机床的三相电源由电源引入开关Q引入。主电动机 M1的过载保护，由热继电器KR1实现。主电动机的短路 保护可由机床的前一级配电箱中的

28、熔断器充任。冷却 泵电动机M2的过载保护由热继电器KR2实现。快速移动 电动机M3由于是短时工作，不设过载保护。电动机M2、 M3共同设短路保护熔断器FU1。 2、电气控制线路设计、电气控制线路设计 M1 3M2 3主电动机冷却泵电动机QKR1KM1KM2KR2FU1KM3M3 3快速移动电动机SB2SB1KM1KM1KM2KM2KM3SB3SB4SB5SB6SB7主电动机 M1冷却泵电动机 M2快速移动电动机 M3图2-14 主电路与控制电路设计33 考虑到操作方便，主电动机M1可在床头操作板上和刀架拖板上分别设起动和停止按钮 SB1、SB2、SB3、SB4进行操纵。如图2-14所示。接触器

29、KM1与控制按钮组成带自锁的起停控制线路。 冷却泵电动机M2由SB5、SB6进行起停操作，装在床头板上。 快速移动电动机M3工作时间短，为了操作灵活由按钮SB7与接触器KM3组成点动控制线路，如图2-17所示。（2）控制电路设计）控制电路设计 可设电源指示灯HL2 (绿色)，在电源开关Q接通后，立即发光显示，表示机床电气线路已处于供电状态。设指示灯HL1 (红色) 显示主电动机是否运行。这两个指示灯可由接触器KM1的动合和动断两对辅助触点进行切换显示。如图2-15右上方所示。 在操作板上设有交流电流表A，它串联在电动机主回路中(图2-15)，用以指示机床的工作电流。这样可根据电动机工作情况调整

30、切削用量使主电动机尽量满载运行，提高生产率，并能提高电动机功率因数。 设照明灯FL安全照明(36V安全电压)。 （3）信号指示与照明电路）信号指示与照明电路 M1 3M2 3 M3 3主电动机冷却泵电动机Q1KR1KM1KM2KR2FU1KR1Q2FU3KM3KM1SB2SB1KR2KM1KM1KM2KM2KM3FU2TCHL1HL2EL127V36V6.3VSB3SB4SB5SB6SB7快速移动电动机KM1A33图2-15 CW6163型卧式车床电气原理图 考虑安全可靠及满足照明指示灯的要求，采用变压 器供电，控制线路127V，照明36V，指示灯6.3V。 （4）控制电路电源）控制电路电源

31、（5）绘制电气原理图）绘制电气原理图 根据各局部线路之间互相关系和电气保护线路，画成电气原理图，如图2-15所示。 3、选择电气元件、选择电气元件（1）电源引入开关）电源引入开关Q Q主要作为电源隔离开关用，并不用它来直接起停电动机，可按电动机额定电流来选。显然应该根据三台电动机来选。在中小型机床常用组合开关中，可选用HZ10-25/3型，额定电流为25A，三极组合开关。 主电动机M1额定电流23.0A，KR1可选用JR0-40型热继电器，热元件电流为25A，电流整定范围为1625A，工作时将额定电流调整为23.0A。 同理，KR2可选用JR10-10型热继电器，选用1号元件，电流整定范围是0

32、.400.64A，整定在0.43A。 （2）热继电器）热继电器KR1、KR2（3）熔断器）熔断器FU1、FU2、FU3 FU1是对M2、M3两台电动机进行保护的熔断器。熔体电流为： 可选用RL1-15型熔断器，配用10 A的熔断体。 FU2、FU3选用RL1-15型熔断器，配用最小等级的熔断体2A。R2.677+0.43A7.6A2.5I 接触器KM1，根据主电动机M1的额定电流Ie=23.0A，控制回路电源127V，需主触点三对，动合辅助触点两对，动断辅助触点一对，根据上述情况，选用CT0-40型接触器，电磁线圈电压为127V。 由于M2、M3电动机额定电流很小，KM2、KM3可选用JZ7-44交流中间继电器，线圈电压为127V，触点电流5A，可完全满足要求。对小容量的电动机常用中间继电器充任接触器。 （4）接触器）接触器KM1、KM2及及KM3 其它各元件的选用见表2-3所示。 可知变压器容量应大于68.4VA。考虑到照明灯等其它