第六章 机床电气控制电路设计

四、机床电力传动方案的确定
1、确定机床传动的调速方式 机床传动的调速方式一般可分为： 机械调速 ：通过电动机驱动变速机构或液压装置，对机 床的主运动和进给运动进行调速。 电气控制调速 ：采用直流电动机或交流电动机以及步进 电动机的调速系统，以达到机床无级和自动调速的目的。 A. 对于一般无特殊调速指标要求的机床，电力拖动系统 应有限采用三相鼠笼式异步电动机； B. 若要求简化传动机构，减少传动链，提高传动效率， 扩大调速范围，则可采用双速或多速的鼠笼式异步电动 机； C. 对于调速范围、调速精度、调速的平滑性要求较高以 及起动频繁的机床，则采用直流或交流调速系统。
六、控制方式的选择
控制方式： 时间控制、速度控制、电流控制及行程控制 时间控制方式：利用时间继电器或PC的延时单元，它将 感测系统接受的输入信号经过延时一段时间后才发出输 出信号，从而实现电路切换的时间控制。 速度控制方式：利用速度继电器或测速发电机，间接或 直接地检测某机械部件的运动速度，来实现按速度原则 的控制。 电流控制方式：借助于电流继电器，它的动作反映了某 一电路中的电流变化，从而实现按电流原则的控制。 行程控制方式：利用生产机械运动部件与已固定位置的 行程开关或接近开关相互配合而实现位置控制的功能。
表6-9热继电器技术参数续表
三、电器元件的选择
6、熔断器选用
对电气设备起短路瞬时保护作用。 其主要类型有：插入式、螺旋式、填料封闭管式等。机床 上常用螺旋式，其主要技术参数见表6-10。
(1)对负载电流较平稳的电气设备，按额定电流进行选用。
(2)对具有冲击电流的电气设备，则应采用经验计 算方法选用。 对单台电动机长期工作(不经常起动)，则
三、电器元件的选择
1、各种按钮、开关的选用 (3)组合开关 组合开关主要用于电源引入与隔离，也叫电源 隔离开关。 根据电源种类、电压等级、所需极数及电气设备 额定容量选取。
三、电器元件的选择
1、各种按钮、开关的选用 (4)行程开关——霍尔开关 根据控制功能、安装位置、电压电流等级、触头 种类及数量来选择结构和型号。
机床上常用的有 LX2 、 LX19 、 JLXK1 型行程开 关及JXW-11，JLXK1-11型微动开关。
三、电器元件的选择
1、各种按钮、开关的选用 (5)自动开关(自动空气开关) 自动开关又称低压断路器。常作为机床电路电源 引入开关，并对电源设备有过载、短路、欠压保 护作用； 根据额定电流和额定电压，以及用于短路保护的 电磁瞬时脱扣器电流整定值(应略大于电路最大短 路电流)。 常用的有 DZ10 系列 ( 额定电流分 10 ， 100 ， 200 ， 600A 四个等级 ) 。小容量的有 DZ4 ， DZ5( 额定电 流25A，50A两级)。
表6-4CJ10系列交流接触器技术数据
表6-5CZD系列直流接触器基本数据表
表6-6LC1、CJX（3TB）系列基本技术数据表
三、电器元件的选择
3、中间继电器的选用 主要根据触点的数量及种类确定型号，同时注意吸引线 圈的额定电压应等于控制电路的电压等级。 机床上常用 JZ7 系列中间继电器，新产品有 JDZ1 系列、 CA2-DN1 系列及仿西门子 3TH 的 JZC1 系列等，表 6-7 是 几种中间继电器的主要技术 数据。
三、电器元件的选择
2、接触器选用
选用时主要考虑主触头的额定电流、额定电压、吸引线 圈的电压等级，其次考虑辅助触头的数量和种类、操作 频率等，以及吸引线圈的电压等级(应等于控制电路的电 压 )。 根据电动机的容量 Pe ，用以下经验公式计算主触头的额 定电流：
式中：
Pe——被控电机功率(kW)； K——经验常数，一般取1～1.4； Ue——电动机额定线电压(V)； Uex——线路额定电压； Uec——被选定接触器的额定电压； Iec——被选定接触器的额定电流；IC——接触器主触头电流；
式中： Sb——变压器所需容量(VA)； ΣSxc—— 控制电路在最大负载时工作的电器所需要的 功率 (VA) ，对于交流电器 ( 交流接触器、交流中间继电器 及交流电磁铁等)。Sxc应取该电器的吸持功率值，一般认 为这些电器功率因素近似相等； Kb——变压器容量的储备系数，一般取1.1～1.25。
8. 编写设计计算说明书及使用说明书。包括顺序说明、维 修说明及调整方法。
三、电气设计的技术条件
电气设计的技术条件通常以设计任务书的形式表达。 依据所设计机床 (设备)的总体技术方案任务书内容应包 括：
1. 简要说明所设计机床 ( 设备 ) 型号、用途、工艺过程、技术性 能、传动参数及现场工作条件； 2. 用户供电电网的种类、电压、频率及容量； 3. 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、调速指标、电动机起动、反转和制动要求等； 4. 有关电气控制的特性，如电气控制的基本方式、自动工作循 环的组成、自动控制的动作顺序、电气保护及联锁条件等； 5. 有关操作方面的要求，如操作台的布置、测量显示、故障报 警及照明等要求； 6. 机床主要电气设备 ( 如电动机、执行电器和行程开关等 ) 的参 数及布置框图。
对于频繁起动的电动机，上式系数为3～4。
式中： Ir——熔体额定电流； Ied——电动机额定电流； Iemax——容量最大的电动机之额定电流； ΣIed——除容量最大的电动机之外，其余电动 机额定电流之和。
三、电器元件的选择
7、控制变压器的选择
(1)根据控制电路在最大工作负载时所需要的功率进行 选择，以保证变压器在长期工作时不致超过允许温升。
四、机床电力传动方案的确定
2、传动方式与其负载特性相适应 在确定机床电力传动方案时， ① 必须对电力传动的调速性质、和负载特性进行分析； ② 找出电动机在整个调速范围内转矩、功率和转速的关 系[M=f(n);P=f(n)]； ③ 确定负载需要恒功率传动，还是恒转矩传动； 这是为合理确定传动方案、控制方案及电动机容量的选 择，提供必要的依据。
五、机床电气控制方案的确定
1、机床电气控制方案的可靠性 一个系统或产品的质量， 一般包括技术性能指标和 可靠性指标。 当需要确定采用何种控制方案时，应根据实际情况， 实事求是地进行设计。 要提高系统的可靠性，则应尽可能简化系统； 利用可靠性设计的方法，提高系统的可靠程度。 2、电气控制方案的确定 控制方案应与机床的通用性和专用型的程序相应。 普通机床可采用有触头的继电接触器控制系统。 对于在控制中需要进行模拟量处理及数学运算的，输 入输出信号多，控制要求复杂或控制要求经常变动的， 控制系统要求体积小、动作频率高、响应时间快的、可 根据情况采用可编程控制、数控及微机控制方案。
机床电气自动控制 （修订版）
陈远龄 主 编
ISBN 978-7-5624-1039-3
第六章 机床电气控制电路设计
机械设备的设计工作，包括机械设计和电 气设计两个主要部分，两者是同时开始，交 叉进行的。
6-1 6-2 6-3 6-4
机床电气设计的基本原则 机床常用电气元件选择 机床电气电路设计 电气位置图的绘制
电机在不同工治下的发热校验计算主要有平均损耗 法、等效发热法等计算方法。
最后，校验其过载能力与起动转矩是否满足拖动 要求。
电机节能查表法
当电动机的机械特性很硬，以致电动机的转速 在整个工作过程中可以认为近似不变时，电动机 的功率近似与转矩成正比。此时，等效负载P为：
P
Pt t
i 1 2 i i i 1 i
3、确定元器件预期的工作环境及供应情况。
4、确定元器件在应用时所需的可靠性等。
三、电器元件的选择
1、各种按钮、开关的选用 (1)按钮 按钮是短时切换小电流控制电路的开关。 根据控制功能选择按钮的结构型式及颜色等。 根据同时控制的路数，选择触头对数及类型。 (2)刀开关 刀开关主要用于接通和切断长期工作设备的电 源。 根据电源种类、电压等级、用电设备容量、所需 极数及使用场合选取。
否则： 将会引起电力传动的工作不正常，电动机不能得到合 理的使用。
四、机床电力传动方案的确定
3、电动机的起制动和正反转的要求 在机床的传动控制中，采用电气控制电动机起制动和正 反转是较为简单的一种控制方式。 A. 对于一般容量不超过供电变压器容量的20%的电动机， 可直接起动。 B. 对于超过电网电压允许压降的电动机起动或对机床运 动部件产生过大动态应力的电动机起动，必须采用限制 起动电流或起动转矩的措施。 C. 常用方法：降压起动 传动电动机是否需要制动，根据机床工作需要而定。 对于其他一些要求起制动频繁、转速平稳、定位准确的 精密机床设备，除必须采用限制电动机起制动电流以外， 还需要采用反馈控制系统、高转差电动机、步进电动机系 统或其他较复杂的控制方式。
n
n
( 6 1 )
例：某机床负载如图 6-2 ，试 选一台四极Y系列电动机。 等效负载P=5.4kW 查 表 6-1 ， 选 用 Y132M-4 型 7.5kW电动机。
图6-2 某机床负载图
表6-1电机节能选择表
电机节能查表法
对不同电机的数据进行分析处理，可以得到PLV 与P2的关系(图6-1)。 由关系图可看出：当 P2较小时，小容量电机 损耗小。 P2 增大时， 小电机 PLV 上升比大电 机快，曲线出现了交点。 这说明：在某一区间 内，大电机的 PLV 损耗 比小电机还少。
表6-7三种系列中间继电器技术参数
三、电器元件的选择
4、时间继电器的选用 选用时间继电器主要考虑延时方式(通电延时或断电延时)、 延时范围、延时精度要求、瞬时触头数目等。 时间继电器的类型：空气阻尼式(延时精度要求不高)、电 磁式(直流断电延时) 、晶体管式和电动机式(延时范围大， 精度要求高)等。
图6-1 PLV与P2关系 P2—电动机实际输出功率 PLV—考虑到有功及无功总损 耗功率的当量损耗功率
6-2 机床常用电器元件选择
一、电器元件的可靠性 局部影响整体 二、电器元件选择的基本原则 1、根据对控制元件功能的要求，确定电器元 件类型。主要根据电器控制的电压、电流及 功率大小来确定元件的规格。 2、确定元器件承载能力的临界值及使用寿命。
一、机床电气设计的基本要求
1. 熟悉所设计机床(设备)的总体技术要求及工作过程，弄 清其他系统对电气控制系统的技术要求。
2. 了解机床(设备)现场工作条件，供电情况及测量仪表的 种类； 3. 通过技术经济分析，选择性能价格比最佳的传动方案 和控制方案； 4. 设计简单合理、技术先进、工作可靠、维修方便的电 气控制电路。进行模拟试验，验证控制电路能否满足机 床的工艺要求； 5. 保证使用的安全性，贯彻ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ新的国家标准。
二、机床电气设计的内容及设计步骤
1. 拟定电气设计的技术条件(任务书)； 2. 确定电力传动方案和控制方案； 3. 确定电动机容量； 4. 设计电气控制原理图；
5. 选择电气元器件及装置；制定电气设备装置、元件、器 件的清单及备件，易损件的清单；
6. 绘制电气安装图、位置图、互连图；
7. 设计电气柜、操作台、配电板及非标准器件与零件；
三、电器元件的选择
5、热继电器的选用
热继电器主要对异步电动机进行过载保护。有双金属片
式和电子式(适用于重要电机)两种。 选择热继电器主要根据电动机的额定电流来确定热继电 器的额定电流及热元件的电流等级。 热元件的额定整定电流值 ，一般按电动机额定电流的
0.95～1.05倍选用。
表6-9热继电器技术参数
七、确定电动机容量
电动机容量计算的基本步骤：
首先，根据生产机械提供的功率负载图P=f(t)或 转矩负载图Ml=f(t)预选一台电动机； 其次，根据负载进行发热校验，将检验结果与预 选电动机参数进行比较，若发现预选电动机的额 定容量太大或太小，再重新选择，直到电动机容 量得到充分利用(电动机的稳定温升接近其额定 温升)；