机床电气控制与PLC机床继电接触器基本控制电路

1、机床电气控制第二章 机床继电接触器基本控制电路及逻辑表示授课：梁发云 机电工程学院2013年 金属切削机床和机械设备般均由电动机拖动，大多采用继电接触器控制方式。 继电接触器控制电路是由继电器、接触器、按钮、开关等元件组成。这些电器元件均属于开关元件，它们一般只有两种工作状态，即触头的通和断；电磁线圈的得电和失电.这与逻辑代数中的“1”和“0”相对应，可以采用逻辑代数来描述、分析和设计机床电气控制电路。 对三相异步电动机的控制主要有起动、正反转、制动及变速控制等，这些控制电路是组成机床电气控制电路的基本环节。 2.1 常用低压电器电器：是指能自动或手动接通和断开电路，以及对电路或非电路现象能进

2、行切换、控制、保护、检测、变换和调节的元件。低压电器：通常是指交流1000V及以下与直流1200V及以下电路中起通断、控制、保护和调节作用的电气元件及设备 。低压电器的分类按控制作用分类执行电器 完成动作或传递功率。例如：电磁铁。控制电器 控制电路的通断。例如：开关、继电器。主令电器 控制其它自动电器的动作，发出 “指令”。 例如：按钮、转换开关等。保护电器 保护电源、电路及用电设备，使它们不致在短路、过载状态下运行免遭损坏。例如：熔断器、热继电器等。 按动作方式分类 自动切换电器 按照信号或某个物理量的变化而自动动作的电器。例如：接触器、继电器等。非自动电器 通过人力操作而动作的电器。例如：

3、开关、按钮等 。按动作原理分类 电磁式电器 根据电磁铁的原理工作的。例如：接触器、继电器等。非电磁式电器 依靠外力（人力或机械力）或某种非电量的变化而动作的电器。例如：行程开关、按钮、速度继电器、热继电器等。 低压电器的基本结构电磁机构 电磁机构是电器元件的感受部件，它的作用是将电磁能转换成为机械能并带动触点闭合或断开。它通常采用电磁铁的形式，由电磁线圈、静铁心（铁心）、动铁心（衔铁）等组成，其中动铁心与动触点支架相连。 触头系统 触头系统属于执行部件 。它的作用是通过触点的开、闭来通、断电路的 。灭弧装置 电弧：是指触头在闭合和断开（包括熔体在熔断时）的瞬间，都会在触头间隙中由电子流产生弧状

4、的火花，这种由电气原因造成的火花. 电磁机构电磁铁的工作原理 电磁铁的分类电磁铁按励磁电流可分为：直流电磁铁和交流电磁铁 按接入电路的方式可以分为：电压线圈和电流线圈 短路环 交流电磁铁的磁通是交变的，交流电流过零时，衔铁产生释放趋势，从而产生振动和噪音，加速动、静铁心接触面积的磨损，引起结合不良，严重时还会使触点烧蚀。通常在铁心柱面的一部分，嵌入一只铜环，名为短路环 。触头系统分类按功能分：主触头和辅助触头。主触头用于接通和分断主电路；辅助触头用于接通和分断二次电路，还能起互锁和联锁作用。 按形状分：桥式触头和指形触头 。桥式触头又分为点接触桥式触头和面接触桥式触头。触头按位置可分为：静触头

5、和动触头 。触头按其初始位置可分为：常闭触头和常开触头。a）、b）机械性拉长电弧 c）双触点灭弧 d）磁吹灭弧 e）纵缝灭弧 f）金属栅片灭弧 g）纵缝陶土灭弧罩灭弧装置 电弧的危害1. 使电路仍然保持导通状态，延迟了电路的开断2. 会烧损触点，缩短电器的使用寿命。 开关主要用作隔离、转换以及接通和分断电路。 常作为机床电路的电源开关，或用于局部照明电路的控制及小容量电动机的起动、停止和正反转控制等。 一 、 开关电器和熔断器1.刀开关 普通刀开关是一种手控低压电器，广泛用在照明电路和小容量（5.5kW）、不频繁起动的动力电路中。 符号结构注意事项 刀开关安装时，瓷底应与地面垂直，手柄向上，易

6、于灭弧，不得倒装或平装。倒装时手柄可能因自重落下而引起误合闸，危及人身和设备安全。HR5熔断器式刀开关HD10、HD11、HD12、HD13、HD14系列刀开关双投开关2.组合开关 是一种特殊刀开关，一般刀开关的操作手柄是在垂直安装面的平面内向上或向下转动，而组合开关的操作手柄则是平行于安装面的平面内向左或向右转动。 用途 多用在机床电气控制线路中，作为电源的引入开关，也可以用作不频繁地接通和断开电路、换接电源和负载以及控制5KW以下的小容量电动机的正反转和星三角起动等。符号组合开关的结构a）外形图 b）内部结构1手柄 2转轴 3弹簧 4凸轮 5绝缘垫板6动触点 7静触点 8绝缘方轴 9接线柱

7、3.自动开关(断路器）用途 能完成接通和分断电路，对电路或电气设备发生的短路、过载、失压等故障进行保护。 工作原理 脱扣器是自动开关的主要保护装置， 电磁脱扣器（作短路保护）、 热脱扣器（作过载保护）、失压脱扣器以及由电磁和热脱扣器组合而成的复式脱扣器等种类。原理图1、9弹簧 2触点 3锁键 4搭钩 5轴 6过电流脱扣器 7杠杆 8、10衔铁 11欠电压脱扣器 12双金属片 13电阻丝断路器 4.熔断器用途 主要用作短路保护。 结构 熔断器:熔体（俗称保险丝）和安装熔体的熔管。 熔体由易熔金属材料铅、锡、锌、银、铜及其合金制成. 熔管是装熔体的外壳，由绝缘体制成，有灭弧作用。 工作原理 当电路

8、发生短路或严重过载时，熔体熔断切断电路，从而实现保护目的。分类 插入式、螺旋式、封闭管式 、快速熔断式符号螺旋式熔断器圆筒形帽熔断器螺栓连接熔断器5.漏电保护器用途 主要用于当发生人身触电或漏电时，能迅速切断电源，保障人身安全，防止触电事故。有的漏电保护器还兼有过载、短路保护，用于不频繁起、停的电动机。工作原理 当正常工作时，不论三相负载是否平衡，通过零序电流互感器主电路的三相电流相量之和等于零，故其二次绕组中无感应电动势产生，漏电保护器工作于闭合状态。如果发生漏电或触电事故，三相电流之和便不再等于零，而等于某一电流值Is。Is会通过人体、大地、变压器中性点形成回路，这样零序电流互感器二次侧产

9、生与Is对应的感应电动势，加到脱扣器上，当Is达到一定值时，脱扣器动作，推动主开关的锁扣，分断主电路。5.万能转换开关 万能转换开关是一种多档式，控制多回路的主令电器，一般可作为多种配电装置的远距离控制，也可作为电压表、电流表的换相开关，还可作为小容量电动机的起动、制动、调速及正反向转换的控制。其触头档数多、换接线路多、用途广泛，故有“万能”之称。 万能转换开关主要由操作机构、面板、手柄及数个触点座等部件组成，并用螺栓组装成为一个整体。万能转换开关的图形符号及文字符号如图所示。图中水平方向的数字 13 表示触点编号，垂直方向的数字及文字“左”、“ 0 ”、“右”表示手柄的操作位置（档位），虚线

10、表示手柄操作的联动线。在不同的操作位置，各对触点的通、断状态的表示方法为：在触点的下方与虚线相交位置有黑色圆点表示在对应操作位置时触点接通，没涂黑色圆点表示在该操作位置不通。 万能转换开关二、接触器用途 接触器是一种用来频繁接通和断开交、直流主电路及大容量控制电路的自动切换电器。它具有低压释放保护功能，可进行频繁操作，实现远距离控制，是电力拖动自动控制线路中使用最广泛的电器元件。 分类 按电流种类通常分为交流接触器和直流接触器两类 交流接触器：交流线圈、有短路环、采用双断口触头直流接触器：直流线圈、滚动指型触头交流接触器的结构和工作原理结构 交流接触器的主要部分是电磁系统、触点系统和灭弧装置，

11、其外形和结构如图所示 a）外形 b）结构示意图工作原理 交流接触器有两种工作状态：得电状态和失电状态。接触器主触头的动触头装在与衔铁相连的绝缘连杆上，静触头固定在壳体上。线圈得电后产生磁场，使静铁心产生电磁吸力，将衔铁吸合。衔铁带动动触头动作，使常闭触头断开，常开触头闭合，分断或接通相关电路。当线圈失电时，电磁吸力消失，衔铁在反作用弹簧的作用下释放，各触头随之复位。 接触器三、按钮 行程开关1、按钮 按钮又称控制按钮或按钮开关，是一种手动控制电器。它只能短时接通或分断5A以下的小电流电路，向其它电器发出指令性的电信号，控制其它电器动作。由于按钮载流量小，不能直接用于控制主电路的通断。结构及工作

12、原理符号注意事项 选择使用时应从使用场合、所需触点数及按钮帽的颜色等因素考虑。一般红色表示停止，绿色表示起动，黄色表示干预。结构工作原理 在按下按钮帽令其动作时，首先断开动断触点，再通过一定行程后才接通动合触点；松开按钮帽时，复位弹簧先将动合触点分断，通过一定行程后动断触点才闭合。2、行程开关用途 行程开关又称限位开关或位置开关，它利用生产机械运动部件的碰撞，使其内部触点动作，分断或切换电路，从而控制生产机械行程、位置或改变其运动状态。 滚轮式行程开关 符号3、接近开关 接近式位置开关是一种非接触式的位置开关，简称接近开关。它由感应头、高频振荡器、放大器和外壳组成。当运动部件与接近开关的感应头

13、接近时，就使其输出一个电信号。 接近开关包括电感式和电容式两种。 电感式接近开关的感应头是一个具有铁氧体磁心的电感线圈，只能用于检测金属体。振荡器在感应头表面产生一个交变磁场，当金属块接近感应头时，金属中产生的涡流吸收了振荡的能量，使振荡减弱以至停振，因而存在振荡和停振两种信号，经整形放大器转换成二进制的开关信号，从而起到“开”、“关”的控制作用。 四、热继电器用途 热继电器是利用电流的热效应原理工作的保护电器，在电路中用作电动机的过载保护。 工作原理 主双金属片与加热元件串接在接触器负载端，（电动机电源端）的主回路中。当电动机正常运行时，热元件产生的热量虽能使双金属片弯曲，但还不足以使继电器

14、动作。当电动机过载时，流过热元件的电流增大，热元件产生的热量增加，使双金属片产生的弯曲位移增大，主双金属片推动导板，并通过补偿双金属片与推杆将触点（即串接在接触器线圈回路的热继电器常闭触点）分开，以切断电路保护电动机。符号 热继电器应用最广泛的是双金属片热继电器，主要由热元件、双金属片和触头三部分组成。热继电器的常闭触点串联在被保护的二次回路中，它的热元件由电阻值不高的电热丝或电阻片绕成，串联在电动机或其他用电设备的主电路中。靠近热元件的双金属片，是用两种不同膨胀系数的金属用机械辗压而成，为热继电器的感测元件。1-电流整定装置 2主电路接线柱 3复位按钮 4常闭触头 5动作机构 6热元件 31

15、常闭触头接线柱32公共动触头接线柱 33常开触头接线柱 热继电器五、时间继电器用途 时间继电器是利用电磁原理或机械原理实现触点延时闭合或延时断开的自动控制电器。 分类 常用的种类有电磁式、空气阻尼式、电动式和晶体管式。 延时方式 通电延时和断电延时 a）外形图 b）结构图1线圈 2反力弹簧 3衔铁 4静铁心 5弹簧片 6、8微动开关 7杠杆 9调节螺钉 10推杆 11活塞杆 12宝塔弹簧断电延时时间继电器六、速度继电器用途 速度继电器主要用于笼型异步电动机的反接制动控制。 符号a）外形 b）结构图结构及工作原理七、继电器定义 继电器：是一种根据电量（电流、电压）或非电量（时间、速度、温度、压力

16、等）的变化自动接通和断开控 制电路，以完成控制或保护任务的电器。 与接触器的区别 继电器可以对各种电量或非电量的变化作出反应，而接触器只有在一定 的电压信号下动作。 继电器用于切换小电流的控制电路，而接触器则用来控制大电流电路，因此，继电器触头容量较小（不大于5A），且无灭弧装置。分类 按反应的参数可分为：电压继电器、电流继电器、中间继电器、热继电器、时间继电器和速度继电器等。 按动作原理可分为：电磁式、电动式、电子式和机械式等。 JS系列高精度时间继电器辅助继电器（中间继电器 NR3(JR29)系列热过载继电器电压继电器 过流继电器 JY1速度继电器时间继电器 JYB-714型晶体管液位继电

17、器信号继电器JS型晶体管时间继电器 2.2 机床电气原理图的画法规则 机床电气控制系统是由许多电气元件按照一定要求联接而成，从而实现对机床的电气自动控制。为了便于设计、研究分析、安装调试、使用和维修，需要对电气控制系统中各电气元件及其相互连接关系按国家规定的统一符号，文字和图形表示出来。这种图就是电气控制系统图，它有三种形式：电气原理图、电器布置图，电气安装接线图。 绘制电气原理图应按 GB4728-84、GB7159-87、GB86988-86等规定的标准绘制。 根据简单清晰的原则，原理图采用电气元件展开的形式绘制。它包括所有电气元件的导电部件和接线端点，但并不按照电气元件的实际位置来绘制，

18、也不反映电气元件的大小。一、绘制原理图的原则和要求 1.原理图一般分主电路、控制电路、信号电路、照明电路及保护电路等。 主电路(动力电路)指从电源到电动机大电流通过的电路，其中电源电路用水平线绘制， 受电动力设备(电动机)及其保护电器支路，应垂直于电源电路画出。 控制电路、照明电路、信号电路及保护电路等，应垂直地绘于两条水平电源线之间，耗能元件(如线圈、电磁铁、信号灯等)的一端应直接连接在接地的水平电源线上，控制触头连接在上方水平线与耗能元件之间。 2.图中所有电器触头，都按没有通电和没有外力作用时的开闭状态画出。对于继电器、接触器的触头，按吸引线圈不通电状态画，控制器按手柄处于零位时的状态画

19、，按钮、行程升关触头按不受外力作用时的状态画。3.无论主电路还是辅助电路，各元件一般应按动作顺序从上到下、从左到右依次排列。4.原理图中，各电气元件和部件在控制线路中的位置，应根据便于阅读的原则安排。同一电气元件的各个部件可以不画在一起。5.原理图中有直接电联系的交叉导线连接点，用实心圆点表示；可拆接或测试点用空心圆点表示；无直接电联系的交叉点则不画圆点。6.对非电气控制和人工操作的电器，必须在原理图上用相应的图形符号表示其操作方式及工作状态。由同一机构操作的所有触头，应用机械连杆符号表示其联动关系。各个触头的运动方向和状态，必须与操作件的动作方向和位置协调一致。 7.对与电气控制有关的机、液

20、、气等装置，应用符号绘出简图，以表示其关系。CY6140车床电气原理图 二、图面区域的划分 图区的编号写在图的下部。图的上方设有用途栏三、符号位置的索引 在接触器、继电器线圈的下方画出其触头的索引表。接触器索引表含义：继电器索引表含义例如在图2-21中，接触器KM1及KM2下的索引表分别为： KM1 KM22.3机床电路的逻辑表示一、机床电器的逻辑表示1.用KA、KM、SQ、SB分别表示继电器、接触器、行程开关的动合触头；用 /KA、/KM、/SQ、/SB表示相应的动断触头。 2.电路中开关元件的受激状态为“l”状态；开关元件的原始状态为“0”状态。触头的闭合状态为“1”状态，触头的断开状态为

21、“0”状态。 KA=1继电器线圈得电 KA=0继电器线圈失电 KA=1继电器常开触头闭合 KA=0继电器常开触头断开 /KA=1继电器常闭触头闭合 /KA=0继电器常闭触头断开 开关元件本身状态的“1”(线圈得电)、“0”取值和它的动合触头的“1”、“0”取值一致，而和其动断触头的取值相反。 二、基本逻辑关系及串、并联电路的逻辑表示 在逻辑代数中，常用大写字母A、B、C表示逻辑变量。 基本逻辑关系有三种：逻辑或、逻辑与、逻辑非。 1.逻辑或 其公式为：f=A十B，与并联电路相对应 2.逻辑与 其公式为：f =AB，与串联电路相对应 3逻辑非 若令/A =1，则A=0，反之，A=0，则/A=l。

22、如A表示电器的动合触头，那么/A 表示它的动断触头。三、机床电路的逻辑表示 可以应用逻辑代数这一工具对电路进行描述和分析。 以控制电器的线圈为对象，写出与此对象有关的电路中各控制元件、信号元件、执行元件、保护元件等触头间相互联接关系的逻辑函数表达式(均以未受激时的状态来表示)。 CY6140电动机M1控制电路中，接触器线圈KM1的逻辑表达式为 也可表示为 四、逻辑代数的基本性质及应用举例例题2.4异步电动机起动、正反转、制动电路一、异步电动机的起动电路l.直接起动控制电路 (1)对小型台钻、冷却泵、砂轮机等，可用开关直接起动(图2-25)。 (2)对中小型普通车床的主电动机采用接触器直接起动(

23、图2-26)。 按下SB2按钮，接触器线圈KM得电，其主触头(图区3)闭合，使电动机直接起动。其辅助常开触头(图区6)闭合，保持KM线圈一直处于得电状态，此控制电路称为自锁电路，触头的自锁作用在电路中叫做“记忆功能”。 按下SB1按钮时，KM线圈断电，切断电动机电源，并消除自锁电路，电动机停止。用开关直接起动电路 用接触器直接起动 2. 降压起动控制电路 降压起动，就是起动时降低加在电动机定子绕组上的电压，当电动机起动到接近额定转速时，再将电压恢复到额定值。对容量较大的异步电动机，一般都采用降压起动的方式起动。机床中最常见的降压起动有星-三角形降压起动和定子串电阻降压起动两种。（1）星-三角形

24、降压起动控制电路 电动机正常运行时，其定子绕组接成形，此时每相绕组所承受的电压为电源的线电压(380V)；起动时接成Y形，每相绕组所承受的电压为电源的相电压(220V)，起动完毕时再自动换接成形运行。 异步电动机星-三角形降压起动电路 控制电路的逻辑表达式为 互锁： 在控制电路中，KM2、KM3两个常闭触头分别串接在KM3、KM2线圈的控制电路中，使KM2、KM3线圈不能同时得电，以防止主电路可能造成的短路故障。这种利用两个接触器的常闭辅助触头互相控制的方法称为互锁，两对起互锁作用的触头称为互锁触头。（2）定子串电阻降压起动控制电路 电动机起动时在三相定子电路中串接电阻，使电动机定子绕组电压降

25、低，起动结束后再将电阻短接，电动机在额定电压下正常运行。这种起动方式不受电动机接线形式的限制，设备简单因而在小型机械中应用较广。机床中也常用这种串电阻降压方式限制点动及制动时的电流。定子串电阻降压起动电路 2 按时间原则的自动控制 降压起动控制电路，都采用了时间继电器延时动作来完成降压起动到全压运行的自动切换，这种控制方式称为按时间原则的自动控制，它在机床自动控制中得到广泛应用。KT延时时间长短可根据起动过程所需时间整定。二、异步电动机正反转控制电路 实现电动机正反转的原理很简单，只要将电动机的三相电源中的任意两相对调，就可使电动机反向运转。 用按钮控制和用行程开关控制的两种异步电动机正反转控

26、制电路。1.电动机正反转的按钮控制 在主电路中，两个接触器KM1、KM2触头接法不同，故可改变电机电源的相序，从而改变电机转向。 用复合按钮代替单触头按钮，即可不使用停止按钮过渡而直接控制正反转。异步电动机正反转控制电路-按钮控制 异步电动机正反转控制电路 复合按钮控制2.电动机正反转的行程开关控制 行程开关控制的正反转电路增加了行程开关的复合触头SQ1、SQ2。 这种电路适用于铣床、龙门刨床、组合机床工作台的正反行程控制。这种利用运动部件的行程来实现的控制称为按行程原则的自动控制。 在控制电路中，行程开关SQ3、SQ4用作极限位置保护，以防止SQ1、SQ2可能失效而引起的事故。电动机正反转的

27、行程开关控制1电动机正反转的行程开关控制2三、异步电动机的制动电路 异步电动机从切除电源到停转要有一个过程，需要一段时间。对于要求停车时精确定位或尽可能减少辅助时间的机床，如万能铣床、卧式镗床、组合机床等，必须采取制动措施。 机床上制动停车的方式有两大类机械制动和电气制动。 机械制动是用电磁铁操纵机械进行制动，如电磁抱闸制动器，电磁离合制动器等。 电气制动是使电动机产生一个与转子原来转动方向相反的力矩来实现制动。机床常用的电气制动方式有能耗制动和反接制动。 1.能耗制动 能耗制动：在异步电动机刚切除三相电源之际，立即在定子绕组中接入直流电源。由于转子切割固定磁场产生制动力矩，使电机的动能转变为

28、电能并消耗在转子的制动上，故称能耗制动。当转子转速为零时，切除直流电源。 可以用复合按钮手动控制和用时间继电器自动控制来设计的能耗制动电路。 复合按钮手动控制中，按下停止按钮SB1时，KM1接触器断电，同时KM2接触器得电，使电机切除交流电源，接入直流电源，电机能耗制动。当转速为零时，手松开SB1按钮，KM2断电，电机脱离直流电源，制动过程结束。能耗制动控制电路-复合按钮 能耗制动控制电路-时间继电器方式 时间继电器自动控制：使用时间继电器自动完成制动结束时直流电的切除，使操作更为简便。 在控制电路中，当按下SB1时，KM1断电，KM2得电自锁，KT得电，电动机能耗制动。制动后，KT延时时间到

29、，其延时触头断开，KM2断电，解除自锁，KT断电，电动机脱离直流电源，制动过程结束。 能耗制动作用的强弱与通入直流的大小和电动机转速有关，在同样的转速下，电流越大制动作用越强，一般取直流电流为电动机空载电流的3-4倍左右，电流过大将使定子绕组过热。 能耗制动比较缓和、平稳、准确、功耗小，但在低速时制动不十分迅速。适用于电动机容量不太大，要求制动平稳和起制动频繁的场合，需要配置一套整流设备。 2.反接制动控制电路 反接制动是利用改变异步电动机定子绕组上三相电源的相序，使定子产生反向旋转磁场作用于转子上而产生的强力制动。 反接制动时，转子与旋转磁场的相对转速接近转子转速的两倍，因此，制动力大，对设

30、备冲击大，通常仅适用于l0kW以下的小容量电动机。为减小制动电流，通常要求在电动机主电路中串接一定的电阻，这个电阻称为反接制动电阻。另外，当反接制动到转子转速接近于零时，必须及时切除电源，以防止反向再起动。 下图为使用速度继电器BV实现这种控制的典型电路。 电动机正常运转时，BV触头闭合。按下停止按钮SB1时，电动机串接电阻反接制动。当制动到电动机转子转速小于100rmin时，BV触头断开，KM2断电，制动过程结束。 2.5 其他基本控制电路 一、连续工作(长动)与点动控制 机床连续运转即是长动。但在试车调整及快速移动时，需要点动。 长动可用自锁电路实现，取消自锁触头或使自锁触头不起作用就是点动。a)图用按钮实现长动与点动；b)图为用开关SA实现长动与点动；c)图为用中间继电器实现长动与点动。长动与点动控制电路 按钮实现转换二、多地点控制 在较大型的机床及设备上，为操作方便，常要求能在机床的多个地点进行控制。 实现的方法是将分散在各操作站上的起动按钮引线并联起来，停止按钮引线作串联连接。右图为三地点控制，图中，SB1为急停按钮，用于紧急情况下停车操作。多地点控制电路 多地点控制电路 三、联锁控制 联锁控制是机床控制中十分重要的环节，例如有两台电动机不准同