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机床电气控制技术（第4版）普通高等教育“十一五”国家级规划教材主讲教师:刘志刚机械工业出版社机电工程系主编：齐占庆电气控制技术是以各类电动机为动力的传动装置或者系统为对象，以实现生产过程自动化的控制技术。本门课程就是将电气控制系统作为研究对象，结合常见机床的电气控制线路，进行理论的学习和探讨。《机床电气控制技术》专业课程的性质：《机床电气控制技术》是机械设计制造及其自动化等专业的一门专业技术课。《机床电气控制技术》课程的学习内容：第一章机床继电器控制线路的基础第二章机床电气控制线路的分析及设计第三章PLC的结构及工作原理第四章PLC系统分析、设计及应用第六章交流电动机调速控制系统第五章直流电动机调速控制系统《机床电气控制技术》课程的基本要求：1、熟悉常用电器元件的结构、用途、型号、图形和文字符号，并能够正确选用。2、熟悉机床电气控制线路的基本环节，对一般的机床电气控制线路具有独立分析能力。3、初步具有对相对比较简单的电气控制系统进行设计的能力。4、熟悉可编程序控制器的结构、工作原理、编程元件及编程语言。5、初步了解可编程序控制器系统设计的基本过程。2.机床电气控制系统的发展在控制方法上：手动操纵发展到自动控制在控制功能上：从单一功能发展到多功能在操作上：从紧张、繁重发展到轻巧自如一、机床电气控制的发展概况绪论1.机床电力拖动系统的发展成组拖动单独拖动多电动机拖动交流电动机拖动直流电动机拖动二、机床电力拖动自动控制的基本概念1.生产机械的三个基本部分（工作机构、传动机构、原动机）2.电力拖动：电动机通过传动机构带动工作机构进行工作。3.电力拖动系统的组成4.电力拖动系统的分类电力拖动部分（电动机及传动机构）电气控制部分交流拖动系统直流拖动系统电气控制部分：满足加工工艺要求是电动机起动、制动、反向、调速等电气控制和电气操纵部分。第1章机床继电器控制线路的基本环节1.1电气原理图的画法及阅读方法1.2笼型电动机的起动控制电路1.3电动机正反转控制线路1.4电动机制动控制线路1.5双速电动机高低速控制线路1.6电液控制1.7控制线路的其他基本环节1.7电动机的保护第1章机床继电器控制线路的基本环节电力拖动电气控制线路主要由各种电器元件（如接触器、继电器、电阻器、开关）和电动机等用电设备组成。电器按其工作电压等级可分为高压电器和低压电器。低压电器：指工作在交流1200V、直流1500V电压以下的各种电器以及电气设备。低压电器在工业电气控制系统电路中的作用主要是对所控制的电路或电路中其他的电器进行通断、保护、控制或调节。低压电器根据控制对象的不同，分配电电器和控制电器两大类。一、低压配电电器：低压配电电器用于低压配电系统和动力回路。常用的有：刀开关、转换开关、熔断器、自动开关、接触器等。1.刀开关：广泛应用于照明电路、小容量（5.5KW及以下）的动力电路且不频繁启动的控制电路中。2.转换开关（组合开关）：可以用作电源引入开关、也可以用作5.5KW以下的电动机的直接启动、停止、反转和调速的控制开关。3.自动开关（自动空气开关或自动空气断路器）：一种可以自动切断电路故障的组合型保护电器，用于低压动力线路中，用于分断和接通负荷电路。装置式自动开关4.熔断器：用低熔点的金属丝（铅锡合金和锌或银、铜）或者金属薄片制成的熔体，熔体与绝缘底座或者融管组合而成熔断器总成。熔断器的图形及文字符号（1）插入式熔断器：主要应用于额定电压380V以下的电路末端，作为供配电系统中对导线、及电气设备（如电动机、负荷电器）以及220V单相电路（例如民用照明电路及电气设备）的短路保护电器。（2）螺旋式熔断器：主要应用于交流电压380V电流强度200A以内的电力线路和用电设备中作短路保护。特别是在机床电路中应用的比较广泛。5.接触器：一种通过触点系统的动作过程或状态可以频繁地自动接通或者分断大电流主电路的远距离控制电器。电磁式接触器交流接触器结构示意图1-动触头2-静触头3-衔铁4-弹簧5-线圈6-铁心7-垫毡8-触头弹簧9-灭弧罩10-触头压力弹簧接触器的图形与文字符号a）常开主触点b）常闭主触点c）常开辅助触点d）常闭辅助触点二、低压控制电器—用于电力传输系统和电气自动控制系统中。常用的有：主令电器、继电器、启动器、控制器、电阻器、变阻器、万能转换开关等。1.主令电器：一种机械操作的控制电器，可对各种电气系统发出控制指令，使继电器和接触器动作，从而改变电器设备的工作状态（如电动机的起动、停止、变速等），以获得远距离控制。最常见的有:按钮开关、行程开关、接近开关、转换开关和主令控制器等。（1）按钮开关按钮开关实物图片机床按钮开关实物图片（2）行程开关：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。符号STST①直动式行程开关动合触点动断触点②滚轮式行程开关③微动开关2.继电器：一种根据电量（电压、电流等）或者非电量（温度、时间、转速、压力）等信号的变化带动触点动作，来接通或断开所控制的电路或者电器，实现自动控制和保护电路或电器设备的电器。热继电器、过电流继电器、欠电压继电器属于保护型继电器；时间继电器、速度继电器、中间继电器属于控制型继电器。（1）热继电器：用于电动机的过载保护以及断相保护，也适用于对其他电气设备的过载保护。（2）时间继电器：当吸引线圈通电或断电以后其触点经过一定时间延时后再动作的继电器。通电延时型断电延时型一、电气原理图电气原理图表明电气控制线路的工作原理以及各电器元件的作用和相互关系，而不考虑各电路元件安装位置和实际连线情况。绘制电气原理图，一般遵循下面的规则：1.电气控制线路分为主电路和控制电路。主电路用粗线绘出，而控制电路用相对较细线画。一般主电路画在左侧，控制电路画在右侧。2.电气控制线路中，同一电器的各导电部件如线圈和触点，常常不画在一起，但必须用统一文字标明。3.电气控制线路的全部触点都按“平常”状态绘出。1.1电气原理图的画法及阅读方法电气安装图表示各种电气设备在机械设备和电气控制柜中的实际安装位置。电气设备接线图表明各电气设备之间的实际接线情况。电气设备安装图和电气设备接线图主要用于安装、接线、检查维修和工程施工。二、电气设备安装图三、电气设备接线图对于相对简单的系统，常常将安装图与接线图画到一起，下图是小型卧式车床的电气安装与接线图。卧式车床电气安装、接线图作业：1.绘制图1-1，写出图中字母的电器元件名称。2.熟悉低压电器的基础知识。1.2笼型电动机的起动控制线路笼型异步电动机有直接起动和降压起动两种方式。一、直接起动控制线路对于控制要求不高的简单机械如小型台钻、砂轮机、冷却泵等都直接用开关起动，如图1-2所示。对于中小型卧式车床主电机都采用接触器直接起动线路，如图1-3所示。图中KM是自锁触点。自锁环节：利用接触器自身的触点使起线圈保持通电。工作原理先合上电源开关Q启动：按下启动按钮SB2KM线圈得电KM自锁触头闭合KM主触头闭合电动机M启动连续运转停止：按下停止按钮SB1KM线圈失电KM自锁触头分断KM主触头分断电动机M停转二、降压起动控制线路较大容量的笼型异步电动机一般都采用降压起动的方式起动。1.星～三角降压起动控制工作原理：在正常运行时，电动机定子绕组联成三角形，在起动过程中，将电动机定子绕组接成星形，使电动机每相绕组承受的电压为额定电压的，起动电流为三角形接法时起动电流的1/3，起动即将完毕再恢复成三角形。Y△31W’U’V’UVW星形连接：W’、U’、V’由短路连接片相连接。即：电动机三相绕组的“尾端”相联接。角形连接：分别将W’与U、U’与V、V’与W用短路连接片相连接即为电动机三相绕组“角”形连接。电动机接线端子星角接线示意图图1-4是一种起动线路，适用于电动机容量较大(一般为13kW以上)的场合。其中动断触点KM2与KM3保证接触器KM2与KM3线圈不会同时通电，以防电源短路。动断触点KM2同时也使时间继电器KT断电。互锁环节：利用接触器的动断触点互相控制的方法。图1-5是当电动机的容量较小（4-13kW）时，用两个接触器和一个时间继电器进行星—三角转换的降压起动控制线路。电动机连成星或三角都是由接触器KM2完成的。随着电力电子技术、计算机技术的发展，已经生产出各种性能优越的软起动器，能按要求平滑起动，彻底的解决了起动电流冲击问题，不过价钱稍高。２.定子串电阻降压起动控制线路图1-6是定子串电阻降压起动控制线路。电动机起动时在三相定子电路中串接电阻可降低绕组电压，起动后再将电阻短路掉，电动机即可在全压下运行。这种起动方式由于不受电动机接线方式的限制，设备简单，因而得到广泛应用。机床中常用这种串接电阻的方法限制点动调整时的起动电流。作业：绘制图1-4，简述控制线路的工作过程。许多生产机械都有可逆运行的要求，由电动机的正反转来实现生产机械的可逆运行是很方便，只需使拖动电动机可以两个方向运行就可以了。如果用KM1和KM2分别完成电动机的正反向控制，那么由正转与反转起动线路组合起来就成了正反转控制线路。一、电动机正反转控制线路图1-7为异步电动机正反转控制线路。1.3电动机的正反转控制线路互锁从图1-7中的主电路部分可知，若KM1和KM2分别闭合，则电动机的定子绕组所接U、W两相电源对调，结果电动机转向不同。若KM1和KM2同时闭合，就会造成主回路短路，如图1-7a。图1-7b需要先停止正转（反转），然后再按反转（正转），才能实现反转（正转），显然操作不方便。图1-7c解决了这种问题。二、正反转自动循环线路图1-8是机床工作台往返循环的控制线路。实质上是用行程开关来自动控制电动机正反转的。组合机床、龙门刨床、铣床的工作台常用这种线路实现往返循环。用行程开关按照机械运动部件的位置或位置的变化所进行的控制，称作按行程原则的自动控制，或称行程控制。工作原理先合上电源，按下SB2KM1线圈得电KM1联锁触头分断对KM2联锁KM1自锁触头闭合自锁KM1主触头闭合电动机M正转工作台前进至限定位置挡铁2碰ST2ST2-1先分断KM1线圈失电KM1自锁触头分断解除自锁电动机停止正转工作台停止左移ST2-2后闭合KM2线圈得电KM2联锁触头分断对KM1联锁KM2自锁触头闭合自锁KM2主触头闭合电动机M反转工作台后退（ST2触头复位）限定位置挡块1碰ST1ST1-1先分断KM2线圈失电ST1-2后闭合KM2自锁触头分断解除自锁KM2主触头分断工作台停止后退KM2联锁触头恢复闭合KM1线圈得电KM1联锁触头分断对KM2联锁KM1自锁触头闭合自锁KM1主触头闭合电动机M又正转工作台又前进（ST1触头复位）…，以后重复上述过程。KM1主触头分断KM1联锁触头恢复闭合作业：P231-1，1-2，1-61.4电动机制动控制线路许多机床都要求能迅速停车或准确定位，这就要求对机械进行制动，强迫其迅速停车。制动停车的方式有机械制动和电气制动。机械制动是采用机械抱闸制动；电气制动实质是使电动机产生一个与转子原来的转动方向相反的制动转矩。机床中常用的电气制动是能耗制动和反接制动。无论哪种制动方式，在制动过程中，电流、转速、时间三个参量都在变化，因此可以取某一变化参量作为控制信号，要在制动结束时及时取消制动转矩。机械制动控制电磁抱闸结构示意图电磁抱闸电控原理图一、能耗制动控制线路能耗制动是在三相笼型异步电动机切断三相电源的同时，给定子绕组接通直流电源，在转速为零时再切除直流电源的制动过程。制动过程中机械能转为电能消耗在转子电阻上。复合按钮时间继电器反接制动实质上是改变接在电动机定子绕组上的三相电源相序，产生与转子转动方向相反的转矩，因而起制动作用。反接制动过程为：当想要停车时，首先将三相电源切换，然后当电动机转速接近零时，再将三相电源切除。二、反接制动控制线路图1-10为反接制动控制线路及工作流程图。1-10a、b都为反接制动的控制线路。1-10a有这样一个问题：在停车期间如为调整工件，需要用手转动机床主轴时，速度继电器的转子也将随着转动，其动合触点闭合