机电一体化系统设计

一．电气控制系统与电气控制系统图
电器与电气的区别？
电气就是以电能、电器设备和电气技术为研究内容，是一门技术，也指相应的系统。

电器泛指所有用电的器具。

一方面指用于对电路进行接通、分断，对电路参数进行变换，以实现对电路或用电设备的控制、调节、切换、检测和保护等作用的电工装置、设备和元件，另一方面也指具体的产品，如家用电器。

机电一体化生产机械的运动需要执行元件（电动机）的拖动，但执行元件（电动机）的启动、调速、正反转、制动等需要一定的电器装置进行电气控制。

电气控制系统：实际的生产机械系统用继电器、接触器、按钮、行程开关等电器元件，按一定的接线方式组织而成的系统。

电气控制系统的主要元件都安装在电控柜内。

电气控制系统图：指根据国家电气制图标准，用规定的电气符号、图线来表示系统中各电气设备、装置、元器件的连接关系的电气工程图。

电气控制系统图包括：
1）电气原理图
2）电器安装图
3）电气接线图
1 电气原理图：
用图形符号（～）和文字符号（KM）表示电路各个电器元件连接关系和工作原理的图，而不考虑各电器元件实际安装的位置和实际连线情况。

便于阅读和设计较复杂的控制电路。

它是生产机械电气设备设计的基本和重要的技术资料。

电气原理图绘制原则
1）电气原理图应按主电路、控制电路、照明电路、信号电路分开绘制。

电源电路用水平线画出，电源相序自上而下排列，中性线（N）和保护接地线（PE）放在相线之下。

2）主电路用粗线条垂直画在左边；控制电路用细线条垂直画在右边。

3）电器元件，采用国家标准规定的图形符号和文字符号表示。

耗电元件（如继电器的线圈，电磁铁，信号灯等）直接与下方水平线连接。

4）需要测试和拆、接外部引线的端子，应用图形符号“空心圆”表示。

电路的连接点用“实心圆”表示。

5）将图分成若干图区，上方为该区电路的用途和作用，下方为图区号。

6）同一电器元件的各部件可不画在一起，但文字符号要相同。

若有多个同一种类的电器元件，可在文字符号后加上数字符号来区别，如KM1、KM2等。

7）元件的相关触点位置的索引用图号、页次和区号组合表示。

8）所有按钮、触点均按没有外力作用和没有通电时的原始状态画出。

9）控制电路的分支电路，原则上按动作顺序和信号流自上而下或自左至右的原则绘制。

10）当图形垂直放置时，各元器件触点图形符号以“左开右闭”绘制。

当图形为水平放置时以“下开上闭” 绘制。

11）在继电器、接触器线圈下方列有触点表以说明线圈和触点的从属关系。

接触器和继电器的触点位置可采用下面的方式表示。

2．电气安装图
表示电气原理图中各电器元件的实际位置。

电气安装图详细绘制出电气设备、零件的安装位置。

图中各电器代号应与有关电路和电器清单上所有元器件代号相同。

CW6132型车床电器安装图示例：
方框内器件在电控柜中；
圆圈内器件在机床上；
电器安装图绘制原则
1）体积大和较重的电器元件应安装在电器安装板的下方，而发热元件应安装在电器安装板的上面。

2）强电、弱电应分开，弱电应屏蔽，防止外界干扰
3）需要经常维护、检修、调整的电器元件安装位置不宜过高或过低。

4）电器元件布置不宜过密，应留有一定间距。

如用走线槽，应加大各排电器间距，以利布线和维修。

5）电器元件的布置应考虑整齐、美观、对称。

外形尺寸与结构类似的电器安装在一起，以利安装和配线。

3 电气连接图：
表明了电器设备外部元件的相对位置及它们之间的电气连接，是实际安装接线的依据。

电气连接图绘制原则：
1）各电器元件的图形符号、文字符号和回路标记均以电气原理图为准，并保持一致。

2）各电气元件均按实际安装位置绘出。

3）一个元件中所有的带电部件均画在一起，并用点划线框起来，即采用集中表示法。

4）各电气元件上凡是需接线的部件端子都应绘出，并予以编号，各接线端子的编号必须与电气原理图上的导线编号相一致。

5）绘制安装接线图时，走向相同的相邻导线可以绘成一股线。

6）对于控制装置的外部连接线应在图上或用接线表表示清楚，并注明电源的引入点。

二．电气控制系统中常用低压电器
工作在交流电压1200V，或直流电压1500V及以下的电路中起通断、保护、控制或调节作用的电器产品叫做低压电器。

如刀开关、熔断器、低压断路器等。

低压断路器又称自动开关或空气开关。

它相当于刀开关、熔断器、热继电器和欠电压继电器的组合，是一种既有手动开关作用又能自动进行欠压、失压、过载和短路保护的电器。

主要用于在不频繁操作的低压配电线路或开关控制柜（箱）中作为电源开关使用或用来作电动机的过载与短路保护。

主要选择参数有极数，额定工作电压、额定工作电流（或额定控制功率），欠压脱扣器额定电压。

实物及符号如图。

接触器由触点系统、电磁机构和灭弧装置等部分组成。

主触点用以通断电流较大的主电路，辅助触点用来通叫小电流的控制电路，具有欠压失压保护作用。

是一种用于中远距离频繁地接通与断开交直流主电路及大容量控制电路的一种自动控制电器。

接触器的主要技术参数有极数和电流种类，额定工作电压、额定工作电流（或额定控制功率），额定通断能力等。

实物及电气符号如图
它是一种根据电气（I,U等）或非电气量（热、时间、转速、压力等）的变化，接通或断开控制电路，以完成控制或保护任务的电器。

继电器与接触器的区别：
（１）继电器触点无主辅之分，一般用于控制小电流的电路，触点额定电流不大于５A，没有灭弧装置，而接触器一般用于控制大电流的电路，主触点额定电流不小于５A，有的加有灭弧装置。

（２）接触器只能对电压作出反应，而继电器可在电量或非电量作用下动作，如时间继电器、速度继电器、压力继电器等。

电压继电器：根据电压信号而动作，具有保护作用。

一般并于电路中,分为过电压、欠电压继电器。

欠电压继电器：当电压小于某值时，衔铁释放。

用于电压过小时切断电路。

过电压继电器：当电压大于某值时，衔铁吸合。

用于电压过大时切断电路。

中间继电器：本质上是电压继电器，但还具有触头多，触头承受电流大（5－10A）、动作灵敏（动作时间小于0.05S）等特点。

用作中间传递信号或同时控制多条线路。

热继电器：是一种常见的保护电器。

利用电流的热效应而动作，主要用来对连续运行的电动机进行过载保护。

热继电器的主要参数：热元件的额定电流（指热元件能够长期通过而不致于引起热继电器动作的最大电流值）。

时间继电器：它是从得到输入信号(线圈通电或断电)起，经过一段时间延时后触头才动作的继电器。

按延时方式有通电延时和断电延时两种。

通电延时继电器：当线圈通电时触点延时动作，线圈断电时触点瞬时动作。

断电延时继电器：当线圈断电时触点延时动作，线圈通电时触点瞬时动作。

速度继电器：它的结构上包括定子、转子和触头，原
理上与异步电动机类似，它的套有永久磁铁的轴与被控电动机的轴相联，用以接受转速信号。

当转速达到规定值时动作，与接触器配合，可以实现对电动机的反接制动。

参数：
动作转速：>120rpm
复位转速：<100rpm
其它继电器：
常用低压电器-主令电器－按钮：
主令电器是用来闭合和断开控制回路，以发出命令改变控制系统工作状态的电器。

常用的主令电器有：按钮、万能转换开关、行程开关、接近开关等。

按钮:按钮帽的颜色有红、绿、黑、黄、白、蓝、灰等。

红色—“停止”和“急停”；
绿色—“启动”；
黑色—“点动”
蓝色—“复位”
黑色、白色或灰色—“启动”与“停止”交替动作
常用低压电器-主令电器－转换开关：
转换开关：常用在机床的控制电路中，作为电源的引入开关或是自我控制小容量电动机的直接起动、反转、调速和停止的控制开关等。

常用低压电器-主令电器-行程开关：
行程开关：用来控制某些机械部件的运动行程和位置或限位保护。

行程开关结构与按钮类似，但其动作要由机械撞击。

常用低压电器-主令电器-接近开关：
接近开关：又称无触点行程开关，它是一种非接触型的检测装置。

可以代替行程开关完成传动装置的位移控制和限位保护，还广泛用于检测零件尺寸、测速和快速自动计数以及加工程序的自动衔接等。

常用低压电器-熔断器：
熔断器串接于被保护电路中，是一种当电流超过规定值一定时间后,以它本身产生的热量使熔体熔化而分断电路的电器.广泛应用于低压配电系统及用电设备中作短路和过电流保护.
三、电气控制系统举例1—电机正反转及停止
SB1是正转按钮， SB2是反转按钮， SB3是停止按钮。

电机互锁是由控制电路中交叉串连接触器辅助触点完成的。

正反转相互切换时必须先停止！如何解决?
电气控制系统举例2—工作台自动往返
图示为某万能铣床的工作台利用行程开关在一定距离内实现自动往返， SB1是正转按钮， SB2是反转按钮， SB3是停止按钮。

电气控制系统举例3—伺服电机控制
电气控制系统举例4—PLC控制系统
PLC通过输入／输出接口与被控对象相连接。

控制系统的具体要求，通过编程器预先把程序写入到存储器中，然后执行此程序，完成控制任务。

当系统或被控对象改变时，只需相应变化输入／输出接口与被控对象的连线，重新编程，即可形成一个新的控制系统。

2．PLC程序的执行过程
PLC应用系统的等效电路如图所示
输入采样阶段：PLC在输入采样阶段以扫描方式顺序读人所有输入端子的状态，存人输人寄存器，接着转入程序执行阶段。

程序执行阶段：PLC在程序执行阶段中顺序对每条指令进行扫描。

先从输人寄存器读人所有输入端子的状态。

若程序中规定要读人某输出状态，则也在此时读入。

然后进行逻辑运算，最后将结果送人输出寄存器。

输出刷新阶段：所有指令执行完毕后，将输出寄存器中所有的输出状态送到输出电路，成为PLC的实际输出。

顺序程序由PLC编程器写入EPROM中的。

编程方法包括：
便携式简易编程器：一般的应用场合选它较多，特别是当控制规模小，程序简单的情况下，使用较为合适。

图形(GP)编程器：此种编程方法适用于中、大型PLC，此方法除具有输入、调试程序功能外，还具有打印程序等功能。

但价较高，一般情况不必采用。

PC机及编程软件包：这是PLC的一种很好的编程方法，具有功能强、成本低(因为很普及)以及使用方便等特点。

用到的基本指令如表
钻孔工序的PLC控制系统
钻孔工序的动作过程如下：起动后，夹紧装置动作，延时10s后，控制冷却油的电磁阀吸合。

与此同时，钻头快进，当接近工件时，限位开关S1动作，钻头开始工进，钻削到预定深度时，限位开关S2闭合，钻头快速退回。

回到原位
时S3动作，钻头停止移动，钻削工序结束。

可采用PLC控制上述钻削工序的钻削过程，步骤如下：
1．分析输入/输出信号：
输入信号：起动、停止信号;限位开关S1、S2、S3信号。

输出信号：夹紧装置夹紧信号、控制冷却油信号、快进信号、工进信号、快退信号、停止结束信号。

2．按实际加工工艺要求绘制加工过程流程
3．根据流程图画出逻辑控制电路。

4．绘制PLC梯形图
将外部输入信号连接到PLC的输入口的接线端，即与PLC的输入继电器线圈连接，通常将这些输入信号源画在梯形图的左边。

再将PLC的输出信号与外部执行元件相连，并将其画在梯形图的右边。