第四章控制線路設計及元件選擇

——第四章控制線路設計及元件選擇機床電氣控制技術第四章：機床電氣控制線路的設計及電氣元件的選擇第一節(jié)：機床電氣設計的一般內(nèi)容第二節(jié)：機床電力拖動電動機的選擇第三節(jié)：機床電氣控制線路的設計第四節(jié)：機床常用電器的選擇第五節(jié)：機床電氣控制線路設計舉例第一節(jié)機床電氣設計的一般內(nèi)容機床的電氣設計與機床的機械結構設計是分不開的，尤其是現(xiàn)代機床的結構以及使用效能與電氣自動控制的程度密切相關。（1）機床主要技術性能，即機械傳動、液壓和氣動系統(tǒng)的工作特性，以及對電氣控制系統(tǒng)的要求；（2）機床的電氣技術指標，即電氣傳動方案，要根據(jù)機床的結構、傳動方式、調(diào)速指標，以及對起制動和正方向要求等來確定；中小型機床，一般采用單速或雙速鼠籠式異步電動機，通過變速箱傳動；對傳動功率較大，主軸轉速較低的機床，為了降低成本，簡化變速機構，可選用轉速較低的異步電動機；對調(diào)速范圍、調(diào)速精度、調(diào)速的平滑性要求較高的機床，可考慮采用交流變頻調(diào)速和直流調(diào)速系統(tǒng)，滿足無級調(diào)速和自動調(diào)速的要求。對于由電動機實現(xiàn)正反向的機床，對制動無特殊要求時，一般采用反接制動，可使控制線路簡化。在電動機頻繁起制動或經(jīng)常正反向的情況下，必須采取措施限制電動機起制動電流。（3）機床電動機的調(diào)速性質(zhì)應與機床的負載特性相適應；調(diào)速性質(zhì)是指轉矩、功率與轉速的關系。電機的調(diào)速性質(zhì)必須與機床的負載特性相適應。雙速異步電機，定子繞組由三角形改成星形聯(lián)結時，轉速由低速升為高速，功率增加的很小，因此適用于恒功率傳動。定子繞組低速為星形聯(lián)接，而告訴為雙星形聯(lián)接的雙速電機，轉速改變時，電動機所輸出的轉矩保持不變，因此適用于恒轉矩調(diào)速。他勵直流電機改變電壓的調(diào)速方式則屬于恒轉矩調(diào)速；改變勵磁的調(diào)速方法是屬于恒功率調(diào)速。（4）正確合理的選擇電氣控制方式是機床電氣設計的主要內(nèi)容；在一般普通機床中，其工作程序往往是固定的，使用中并不需要經(jīng)常改變原有程序，可采用有觸電的繼電器系統(tǒng)，控制線路在結構上接成“固定”的。程序控制器是介于繼電器系統(tǒng)的固定接線裝置與電子計算機控制之間的一種新型的通用控制部件。隨著電子技術的發(fā)展，數(shù)字程序控制系統(tǒng)在機床上的應用越來越廣泛，已經(jīng)發(fā)展成為數(shù)控機床。（5）明確有關操縱方面的要求，在設計中實施；（6）設計應考慮用戶供電電網(wǎng)情況，如電網(wǎng)容量、電流種類、電壓及頻率。綜上所述，機床電氣設計應包括以下內(nèi)容：（1）擬定電氣設計任務書（技術條件）；（2）確定電氣傳動控制方案，選擇電動機；（3）設計電氣控制原理圖；（4）選擇電氣元件，并制定電氣元件明細表；（5）設計操作臺、電氣柜及非標準電氣元件；（6）設計機床電氣設備布置總圖、電氣安裝圖，以及電氣接線圖；（7）編寫電氣說明書和使用操作說明書。第二節(jié)機床電力拖動電動機的選擇一、機床用電動機容量的選擇

根據(jù)機床的負載功率（例如切削功率）就可選擇電動機的容量，然而機床的載荷是經(jīng)常變化的，而每個負載的工作時間也不盡相同，這就產(chǎn)生了使電動機功率如何最經(jīng)濟的滿足機床負載功率的問題。機床電力拖動系統(tǒng)一般分為主拖動及進給拖動。1.機床主拖動電動機容量選擇多數(shù)機床負載情況比較復雜，切削用量變化很大，因此通常采用調(diào)查統(tǒng)計類比或采用分析與計算相結合的方法來確定電動機的功率

（1）調(diào)查統(tǒng)計類比法首先進行廣泛調(diào)查研究，分析確定所需要的切削用量，然后用以確定的較常用的切削用量的最大值，在同類同規(guī)格的機床上進行切削實驗，并測出電動機的輸出功率，以此測出的功率為依據(jù)，再考慮到機床最大負載情況，以及采用先進切削方法及新工藝等，然后類比國內(nèi)外同類機床電動機的功率，最后確定所設計的機床電動機功率來選擇電動機臥式車床主電動機的功率：P=36.5D1.54P——主拖動電機功率D——工件最大直徑立式車床主電動機的功率：P=20D0.88D——工件最大直徑搖臂鉆床主電動機的功率：P=0.0646D1.19D——最大鉆孔直徑臥式鏜床主電動機的功率：P=0.004D1.7D——鏜桿直徑龍門銑床主電動機的功率：P=1/166B1.15B——工作臺寬度（mm）（2）分析計算法根據(jù)機床總體設計中對機械傳動功率的要求，確定機床拖動用電動機功率P=P1/η1η2P——電動機功率P1——機械傳動軸上的功率η1——生產(chǎn)機械功率η2——電動機與生成機械之間的傳動功率P=P1/η總；η總=η1η2η總——機床總效率一般主運動為回轉運動的機床η總＝0.7～0.85；主運動為往復運動的機床η總＝0.6～0.7（結構簡單的取大值，復雜的取小值）2.機床進給運動電動機容量選擇機床進給運動的功率也是由有效功率和損失功率兩部分組成。一般進給運動的有效效率是比較小的，如通用車床進給有效功率僅為主運動功率的0.0015~0.0025，銑床為0.015~0.025，但由于進給機構傳動效率很低，實際需要的進給功率，車床、鉆床的有效功率約為主運動功率的0.03~0.05，而銑床則為0.2~0.25。一般，機床進給運動傳動效率為0.15~0.2，甚至還低。車床和鉆床，當主運動和進給運動采用同一電動機時，只計算主運動電動機功率即可?？焖僖苿铀枰墓β剩话阌山?jīng)驗數(shù)據(jù)來選擇機床類型運動部件移動速度所需電動機功率（kW）臥式車床Dm=400mm溜板6～90.6～1.0Dm=400mm溜板4～60.8～1.2Dm=400mm溜板3～43.2搖臂鉆床dm＝35～75mm搖臂0.5～1.51～2.8升降臺銑床工作臺4～60.8～1.2升降臺1.5～2.01.2～1.5龍門銑床橫梁0.25～0.502～4橫梁上的銑頭1.0～1.51.5～2立柱上的銑頭0.5～1.11.5～2二、電動機轉速和結構型式的選擇電動機的轉速愈低，價格也愈高，功率因數(shù)和效率也就低，因此電動機轉速要根據(jù)機械的要求和傳遞裝置的具體情況而定。異步電動機的電壓等級為380V。但要求寬范圍而平滑的無級調(diào)速時，可采用交流變頻調(diào)速或直流調(diào)速。金屬切削機床一般都采用通用系列的普通電動機，電動機的結構型式按其安裝位置的不同分為臥式（軸為水平）、立式（軸為垂直）等。為了使拖動系統(tǒng)更加緊湊，使電動機盡可能地靠近機床的相應工作部位。對易產(chǎn)生懸浮飛揚的鐵屑或廢料，或冷卻液、工業(yè)用水等有損于絕緣的介質(zhì)能侵入電動機的場合，選用封閉式結構為宜；煤油冷卻切削刀具的機床或加工易燃合金材料的機床應采用防爆式電動機。第三節(jié)機床電器控制線路的設計一般中小型機床電氣傳動控制系統(tǒng)并不復雜，大多數(shù)都是由繼電器接觸器系統(tǒng)來實現(xiàn)其控制的。重點就是設計繼電器接觸器控制線路及選擇電氣元件。一、電器控制線路的電源在電器控制線路比較簡單，電器元件不多的情況下，應盡可能用主回路電源作為控制回路電源，即可直接用交流380V或220V，簡化供電設備。SB1SB2KMKRKMKMuvwFU1Q×××M～FU2KR(a)未通電時的狀態(tài)對于比較復雜的控制線路，應采用控制電源變壓器，將控制電壓由交流380V或220V降至110V或48V、24V，機床照明電路為36V以下電源。KR1M13～Q1KM1uvwKM3EL1KM1EL2ELSB3KM1KR1SB4KM1SB2SB1KM2SB6SB5KM2SB7KM3FU46.3VFU336V110VSATCSTKR2主電動機M23～M33～KR2KM2FU1冷卻電動機快速電動機圖2-1CW6163B型萬能臥式車床電氣原理圖FU2A二、控制線路的設計規(guī)律繼電器接觸器控制線路有一個共同特點，是通過觸點的“通”和“斷”控制電動機或其他電氣設備來完成運動機構的動作的。1.動合觸點串聯(lián)當要求幾個條件同時具備時，才使電器線圈得電動作，可用幾個常開觸點與線圈串聯(lián)的方法實現(xiàn)。這種關系在邏輯線路中稱“與”邏輯。2.動合觸點并聯(lián)當在幾個條件中，只要求具備其中任一條件，所控制的繼電器線圈就能得電，這時可采用幾個動合觸點并聯(lián)來實現(xiàn)，這種關系在邏輯線路中叫“或”邏輯3.動斷觸點串聯(lián)當幾個條件僅具備一個時，繼電器線圈就斷電，可用幾個動斷觸點與控制的電器線圈串聯(lián)的方法來實現(xiàn)4.動斷觸點并聯(lián)

當幾個條件都具備時，電器線圈才斷電，可用幾個動斷觸點并聯(lián)，再與控制的繼電器線圈串聯(lián)的方法來實現(xiàn)。5.一般保護電器應既能保證控制線路長期正常運行，又能起到保護電動機及其他電器設備的作用。一旦線路出故障，他的觸點就應以“通”轉為“斷”。三、控制線路設計的一般問題1.應盡量避免許多電器依次動作才能接通另一個電器的現(xiàn)象。②交流電器線圈不能串聯(lián)使用。2.設計電路時，應正確連接電器的線圈。①在設計控制線路時，電器線圈的一端應接在電源的同一端。3.在控制線路中應盡量減少觸點數(shù)。4.在設計控制線路時，應盡量避免減少連接導線的數(shù)量與長度。5.在設計控制線路時應考慮各種聯(lián)鎖關系以及電氣系統(tǒng)具有的各種電氣保護措施，例如過載、短路、欠壓、零位、限位等保護措施。6.在設計控制線路時也應考慮有關操縱、故障檢查、檢測儀表、信號指示、報警，以及照明等要求。第四節(jié)機床常用電器的選擇一、按鈕、低壓開關的選用1.按鈕按鈕通常是用來短時接通或斷開小電流的控制電路的開關。常用：旋鈕式、指示燈式、緊急式；機床上常用的按鈕為LA系列。2.刀開關主要作用是接通和切斷長期工作設備的電源，也用于不經(jīng)常起制動的容量小于7.5kW的異步電動機，這時其額定電流不要小于電動機額定電流的三倍。一般，刀開關的額定電壓不超過500V，額定電流由10A到上千安培的多種等級。不帶熔斷器式刀開關主要有HD型及HS型，帶熔斷器式刀開關有HR3系列。3.自動空氣開關又稱自動空氣斷路器，能接通或分斷正常工作電流，也能自動分斷過載或短路電流，分斷能力大，有欠壓和過載保護作用。選擇參數(shù)：額定電壓、額定電流和允許切斷的極限電流等。①自動空氣開關脫扣器的額定電流應等于或大于負載允許的長期平均電流；②自動開關的極限分斷能力要大于，至少等于電路最大短路電流③自動開關脫扣器電流整定應按下面原則：欠電壓脫扣器額定電壓應等于主電路額定電壓；熱脫扣器的整定電流應與被控對象（負載）額定電流相等；電磁脫扣器的瞬時脫扣整定電流應大于負載正常工作時的尖峰電流；保護電動機時，電磁脫扣器的瞬時脫扣整定電流為電動機起動電流的1.7倍。機床常用：DZ系列、DW系列4.組合開關可以起停5kW以下的異步電動機，但每小時的接通次數(shù)不宜超過10~20次，開關的額定電流一般取電動機額定電流的1.5~2.5倍。組合開關主要根據(jù)電源種類、電壓等級、所需觸點數(shù)及電動機容量進行選用。常用的有HZ-10系列，額定電流為10、25、60和100A四種。適用于交流380V以下，直流220V以下的電氣設備中。5.電源開關聯(lián)鎖機構電源開關聯(lián)鎖機構與相應的斷路器和組合開關配套使用，用于電源接通與斷開電源和柜門開關聯(lián)鎖，以達到在切斷電源后才能開門，將門關閉后才能接通電源的效果。有DJL系列和JDS系列。二、熔斷器的選用選擇熔斷器，主要是選擇熔斷器的種類、額定電壓、熔斷器額定電流等級和熔體的額定電流。額定電壓是根據(jù)所保護電路的電壓來選擇的；熔體電流的選擇：①對于如照明線路等沒有沖擊電流的負載，應使熔體的額定電流等于或稍大于線路工作電流I，即IR≥IIR——熔體額定電流；I——工作電流②對于一臺異步電動機，熔體可按下列關系選擇：IR=（1.5～1.7）Ied或IR=Ist/2.5Ied——電動機的額定電流Ist——異步電動機起動電流③對于多臺電動機，有一個熔斷器保護，可按下列關系選擇：IR=Im/2.5Im——可能出現(xiàn)的最大電流如果幾臺電動機不同是起動，則Im為容量最大一臺電動機起動電流，加上其他臺電動機的額定電流三、熱繼電器的選用熱繼電器的選擇主要是根據(jù)電動機的額定電流來確定其型號與規(guī)格。熱繼電器元件的額定電流IRT應接近或略大于電動機的額定電流Ied，即IRT=（0.95～1.05）Ied熱繼電器的整定電流值是指熱元件通過的電流超過此值的20%時，熱繼電器應當在20min內(nèi)動作。選用時整定電流應與電動機額定電流一致。一般情況下，可選用兩相結構的熱繼電器，對在電網(wǎng)電壓嚴重不平衡、工作環(huán)境惡劣條件下工作的電動機，可選用三相結構的熱繼電器，對于三角形接線的電動機，為了實現(xiàn)斷相保護，則可選用帶斷相保護裝置的熱繼電器。如遇到下列情況，熱繼電器元件的整定電流要比電動機額定電流高一些，以便來進行保護：1）電動機負載慣性轉矩非常大，起動時間長；2）電動機所帶動的設備，不允許任意停電；3）電動機拖動的為沖擊性負載，府沖床、剪床等設備l。常用的熱繼電器有JR1、JR2、JR0、JR16、JR16B等系列。四、接觸器的選用接觸器用于帶有負載電路的自動接通或切斷，分直流、交流兩種，主要考慮以下技術數(shù)據(jù)：1）電源種類：交流或直流；2）主觸點額定電壓、額定電流；主觸點額定電流一般根據(jù)電動機容量Pd計算觸點電流Ie，即Ic≥Pd*103/KUdK—經(jīng)驗常數(shù)，一般取1.1～1.4；Pd—電動機功率（kW）Ud—電動機額定線電壓（V）；Ic—接觸器主觸點電流（A）Uea－線路額定電壓，接觸器觸點額定電壓Uc≥Uea。3）輔助觸點種類、數(shù)量機及觸點額定電流；4）電磁線圈的電源種類、頻率和額定電壓；當控制線路簡單，所用電器不多，可選380V、220V。5）額定操作頻率（次/h），即允許的每小時接通的最多次數(shù)。機床常用的接觸器有CJ10、CJ12、CJ20等交流接觸器和CZ0系列直流接觸器五、中間繼電器的選用選用中間繼電器，主要依據(jù)控制電路的電壓等級，同時還要考慮觸點的數(shù)量、種類及容量滿足控