数控机床强电控制电路

第五讲数控机床强电控制电路在这一讲，我们一起学习机床常用低压电器的工作原理机床强电控制系统的基本环节一、机床常用低压电器的工作原理1.开关电器1）组合开关组合开关又称转换开关，实质上也是一种刀开关，主要用作电源的引入开关。与普通刀开关不同的是，组合开关的刀片是旋转式的，比刀开关轻巧，是一种多触点，多位置，可控制多个回路的电器。①组合开关的结构组成和工作原理组合开关由动触点、静触点、转轴、手柄、定位机构及外壳等部分组成。根据动触片和静触片的不同组合，组合开关有多种接线方式，其结构示意图及外形图如图2.5所示。②组合开关的主要技术参数和电气符号组合开关的主要技术参数有额定电压、额定电流、极数等。组合开关一般有单极、双极和三极。图2.5组合开关的结构示意图、组合开关的图形符号及外形照片2）低压断路器低压断路器又称自动空气开关，它不但能用于正常工作时不频繁接通和断开的电路，而且当电路发生过载、短路或失压等故障时，能自动切断电路，有效地保护串接在它后面的电气设备。因此，低压断路器在机床上使用得越来越广泛。机床上常用的低压断路器有DZ10、DZ5-20和DZ5-50系列。①低压断路器的结构组成和工作原理低压断路器主要由触点系统、操作机构和脱扣器等部分组成。图2.7所示为低压断路器的结构示意图。开关的主触头是靠操作机构手动或电动合闸的，并由自动脱扣机构将主触头锁在合闸位置上。如果电路发生故障，自由脱扣机构在有关脱扣器的推动下动作，使钩子脱开。于是主触头在弹簧作用下迅速分断。图2.7低压断路器工作原理过流脱扣器5的线圈和热脱扣器6的热元件与主电路串联，欠压脱扣器7的线圈与电路并联。当电路发生短路或严重过载时，过流脱扣器的衔铁被吸合，使自由脱扣机构4动作。当电路过载时，热脱扣器的热元件产生的热量增加，使双金属片向上弯曲，推动自由脱扣机构动作。当电路电压过低时，欠压脱扣器7的衔铁释放，也使自由脱扣机构动作。②低压断路器的主要技术参数和电气符号a)额定电压低压断路器额定电压包括额定工作电压，额定绝缘电压和额定脉冲电压。b)额定电流断路器额定电流指额定持续电流，即脱扣器能长期通过的电流。c)通断能力通断能力也称作额定短路通断能力，指断路器在给定电压下接通和分断的最大电流值。d)分断能力分断能力指切断故障电流所需要的时间，包括固有的断开时间和燃弧时间。低压断路器型号繁多、品种复杂，按其用途和结构形式分为框架式和塑壳式两大类。低压断路器的图型符号和文字符号如图2.8所示。图2.8低压断路器的图形符号和文字符号2.主令电器自动控制系统中用于发送控制指令的电器称为主令电器。常用的主令电器有控制按钮开关、行程开关、接近开关等。1）按钮开关按钮开关通常用作短时接通或断开小电流控制电路的开关，通常用于控制电路中发出起动或停止等指令，再通过接触器、继电器来控制电器接通或断开主电路。按钮开关的结构组成和工作原理按钮开关是由按钮帽、复位弹簧、桥式触头、静触头和外壳组成。通常制成具有常开触头和常闭触头的复合结构，其结构示意图如2.9所示。图2.9按钮结构示意图,按钮的图形及外形照片按钮的结构形式很多。紧急式按钮装有突出的蘑茹形钮帽，用于紧急操作；旋钮式按钮用于旋转操作；指示灯式按钮在透明的钮帽内装有信号灯显示信号；钥匙式按钮须插入钥匙方可操作。按钮帽有多种颜色，一般红色用作停止按钮，绿色用作起动按钮。2）行程开关行程开关又称限位开关，是根据运动部件位置而切换电路的自动控制电器。动作时，由挡块与行程开关的滚轮相碰撞，使触头接通或断开来控制运动部件的运动方向、行程大小或位置保护。行程开关种类很多，按结构可分为直动式、滚动式和微动式。机床上常使用微动式行程开关。如图2.11所示，为微动式行程开关的结构示意图。图2.11微动式行程开关图2.12行程开关的图形符号和文字符号3）接近开关接近开关又称无触点行程开关。当运动着的物体在一定范围内与之接近时，接近开关就会发生物体接近而“动作”的信号，以不直接接触方式控制运动物体的位置。接近开关按工作原理来区分，有高频振荡型、电容型、感应电桥型、永久磁铁型、霍尔效应型等多种，其中以高频振荡型最为常用。高频振荡型接近开关的电路由振荡器、晶体管放大器和输出电路三部分组成。其基本原理是：当装在运动部件上的金属物体接近高频振荡器的线圈L时，由于该物体内部产生涡流损耗，使振荡回路等效电阻增大，能量损耗增加，使振荡器减弱直至终止,开关输出控制信号。接近开关应根据其使用目的、使用场所的条件以及与控制装置的相互关系等来选择。检测距离也称为动作距离，是接近开关刚好动作时感辨头与检测体之间的距离。如图3.13所示。接近开关多为三线制。三线制接近开关有二根电源线（通常为24V）和一根输出线。输出有常开、常闭两种状态。图3.13接近开关的检测距离、接近开关的图形符号和文字符号接近开关具有工作稳定可靠、使用寿命长、重复定位精度高、操作频率高等优点，其主要参数有：工作电压、输出电流、动作距离、重复精度及工作响应频率等。3.交流接触器接触器是一种用来频繁地接通或分断带有负载（如电动机）的主电路自动控制电器。接触器按其主触头通过电流的种类不同，分为交流、直流两种，机床上应用最多的是交流接触器，下面我们仅介绍交流接触器。1）交流接触器的结构和工作原理交流接触器的外形与结构组成如图2.17所示，它由电磁机构、触头系统、灭弧装置及其他部件等四部分组成。图2.17交流接触器的外形与结构示意图①电磁机构电磁机构由吸引线圈、铁心及衔铁组成。它的作用是将电磁能转换成机械能带动触点使之闭合或断开。②触点系统是接触器的执行元件，用来接通和断开电路。接触器触点系统包括主触点和辅助触点，主触点容量大，用于接通或断开主电路，根据其容量大小，有桥式触点和指形触点两种形式。辅助触点容量小，用在控制电路中起电气自锁或互锁作用。③灭弧装置当主触点分断大电流时，在动、静触点间产生强列的电弧。电弧一方面会烧坏触点，另一方面会使电路切断时间延长，甚至会引起事故，为了使接触器可靠工作，必须采用灭弧装置使电弧迅速熄灭。容量在10A以上的接触器都有灭弧装置。10A下的接触器，常采用双断口桥形触点以利于灭弧。④其它部件包括反作用弹簧、触点压力弹簧、传动机构及外壳等。交流接触器是这样工作的：当电磁线圈通电后，铁心被磁化产生磁通，由此在衔铁气隙处产生电磁力，将衔铁吸合，主触点在衔铁的带动下闭合，接通主电路，同时衔铁还带动辅助触点动作，动断辅助触点首先断开，接着动合辅助触点闭合。当线圈断电或外加电压显著降低时，在反力弹簧的作用下衔铁释放，主触点、辅助触点又恢复到原来的状态。图2.18接触器的图形及文字符号2）接触器的主要技术参数和电气符号交流接触器的主要技术参数有额定电压、额定电流、额定操作频率、接通与分断能力等。接触器的图形符号和文字符号如图2.18所示。接触器的额定电压是指主触头的额定电压。交流接触器的额定电压，一般为500V或380V两种。接触器的额定电流是主触头的额定电流，有5，10，20，40，60，150A等几种。额定操作频率是指接触器每小时允许的接通次数，一般为300次/小时、600次/小时和1200次/小时。接触器的接通和分断能力是指主触头在规定条件下，能可靠地接通和分断的电流值。在此电流值下，接通时主触点不应发生熔焊，分断时应能可靠灭弧。4.继电器继电器是一种根据某种输入信号的变化，而接通或断开控制电路，实现控制目的的电器。继电器的输入信号可以是电流、电压等电学量，也可以是温度、速度、时间、压力等非电量，而输出通常是触头的动作（断开或闭合）。继电器的种类很多，按工作原理可分电磁式继电器、热继电器、压力继电器、时间继电器、速度继电器等。在机床电气控制中，应用最多的是电磁式继电器。图2.19电磁式继电器结构示意图1）电磁式继电器①电磁式继电器的结构组成和工作原理电磁式继电器的结构和工作原理与电磁式接触器相似，也是由电磁机构、触点系统和释放弹簧等部分组成。触点有动触点和静触点之分，在工作过程中能够动作的称为动触点，不能动作的称为静触点。如图2.19为电磁式继电器的结构示意图。当线圈通电后，铁心被磁化产生足够大的电磁力，吸动衔铁并带动簧片，使动触点和静触点闭合或分开；当线圈断电后，电磁吸力消失，衔铁返回原来的位置，动触点和静触点又恢复到原来闭合或分开的状态。应用时只要把需要控制的电路接到触点上，就可利用继用器达到控制的目的。电流继电器与电压继电器在结构上的区别主要是线圈不同。电流继电器的线圈匝数少、导线粗，与负载串联以反映电路电流的变化。电压继电器的线圈匝数多、导线细，与负载并联以反映其两端的电压。中间继电器实际上也是一种电压继电器，只是它具有数量较多、容量较大的触点，起到中间放大的作用。图2.20电磁式继电器的图形符号和文字符号②电磁式继电器的主要技术参数和电气符号电磁继电器的主要参数有以下几个：额定工作电压或额定工作电流：这是指继电器工作时线圈需要的电压或电流。为了适应不同电压的电路应用，一种型号的继电器通常有多种额定工作电压或额定工作电流，并用规格型号加以区别。直流电阻：这是指线圈的直流电阻。有些产品说明书中给出额定工作电压和直流电阻，这时可根据欧姆定律求出额定工作电流。吸合电流：它是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。在实际使用中，要使继电器可靠吸合，给定电压可以等于或略高于额定工作电压。但是，给定电压一般不要大于额定工作电压的1.5倍。否则会烧毁线圈。释放电流：它是指继电器产生释放动作的最大电流。如果减小处于吸合状态的继电器的电流，当电流减小到一定程度时，继电器恢复到未通电时的状态，这个过程称为继电器的释放动作。释放电流比吸合电流小得多。图2.24双金属片热继电器结构示意图2）热继电器热继电器是利用电流的热效应原理来切断电路的保护电器，主要用于电动机或其他负载的过载保护。①热继电器的结构组成和工作原理热继电器主要由双金属片、加热元件、动作机构、触点系统、整定调整装置及温度补偿元件等组成。如图2.24所示为热继电器的结构示意图。图2.24中，双金属片由两种膨胀系数不同的金属碾压而成，当双金属片受热膨胀时会弯曲变形。实际应用时，将双金属片与发热元件串接于电动机的控制电路中。当负载电流超过整定电流值并经过一定时间后，发热元件所产生的热量使双金属片受热弯曲，带动动触点与静触点分断，切断电动机的控制回路，使接触器线圈断电释放，从而断开主电路，实现对电动机的过载保护。电源切断后，电流消失，双金属片逐渐冷却，经过一段时间后恢复原状，动触点在失去作用力的情况下，靠自身弹簧的弹性自动复位。由此可见，热继电器由于热惯性，当电路短路时不能立即动作使电路立即断开，因此不能作短路保护。图2.25热继电器的图形符号和文字符号②热继电器的主要技术参数和电气符号热继电器的主要技术数据有：整定电流、额定电压、额定电流、相数及热元件编号等。所谓整定电流是指长期通过发热元件而不动作的最大电流。热继电器的图形符号和文字符如图2.25所示二、机床强电控制系统的基本环节机床的种类繁多，加工工艺各异，因此所要求的控制线路也多种多样、千差万别。但它们一般都是由一些基本控制环节组成的，只要分析研究这些基本控制线路的特点，掌据其规律，就能够阅读和设计电气控制线路。1.电气控制线路的绘制电气控制系统图有三类：电气原理图、电器元件布置图和电气安装接线图。1）电气控制系统图中的图形符号和文字符号在电气控制系统中必须使用国家统一规定的电气元件图形符号。国家规定从1990年1月1日起，电气系统图中的图形符号和文字符号必须符合最新的国家标准。2）电气原理图电气原理图是表达所有电器元件的导电部件和接线端子之间的相互关系。根椐便于阅读和分析线路及简单清晰的原则，电气原理图应该采用标准电气元件图形符号绘制。电气原理图一般分为主电路和辅助电路两部分。主电路是从电源到电动机等通过大电