第四章控制线路设计及元件选择

——第四章控制线路设计及元件选择第四章：机床电气控制线路的设计及电气元件的选择•第一节：机床电气设计的一般内容•第二节：机床电力拖动电动机的选择•第三节：机床电气控制线路的设计•第四节：机床常用电器的选择•第五节：机床电气控制线路设计举例第一节机床电气设计的一般内容•机床的电气设计与机床的机械结构设计是分不开的，尤其是现代机床的结构以及使用效能与电气自动控制的程度密切相关。•（1）机床主要技术性能，即机械传动、液压和气动系统的工作特性，以及对电气控制系统的要求；•（2）机床的电气技术指标，即电气传动方案，要根据机床的结构、传动方式、调速指标，以及对起制动和正方向要求等来确定；•中小型机床，一般采用单速或双速鼠笼式异步电动机，通过变速箱传动；对传动功率较大，主轴转速较低的机床，为了降低成本，简化变速机构，可选用转速较低的异步电动机；对调速范围、调速精度、调速的平滑性要求较高的机床，可考虑采用交流变频调速和直流调速系统，满足无级调速和自动调速的要求。•对于由电动机实现正反向的机床，对制动无特殊要求时，一般采用反接制动，可使控制线路简化。在电动机频繁起制动或经常正反向的情况下，必须采取措施限制电动机起制动电流。•（3）机床电动机的调速性质应与机床的负载特性相适应；•调速性质是指转矩、功率与转速的关系。•电机的调速性质必须与机床的负载特性相适应。双速异步电机，定子绕组由三角形改成星形联结时，转速由低速升为高速，功率增加的很小，因此适用于恒功率传动。定子绕组低速为星形联接，而告诉为双星形联接的双速电机，转速改变时，电动机所输出的转矩保持不变，因此适用于恒转矩调速。•他励直流电机改变电压的调速方式则属于恒转矩调速；改变励磁的调速方法是属于恒功率调速。•（4）正确合理的选择电气控制方式是机床电气设计的主要内容；•在一般普通机床中，其工作程序往往是固定的，使用中并不需要经常改变原有程序，可采用有触电的继电器系统，控制线路在结构上接成“固定”的。•程序控制器是介于继电器系统的固定接线装置与电子计算机控制之间的一种新型的通用控制部件。•随着电子技术的发展，数字程序控制系统在机床上的应用越来越广泛，已经发展成为数控机床。•（5）明确有关操纵方面的要求，在设计中实施；•（6）设计应考虑用户供电电网情况，如电网容量、电流种类、电压及频率。•综上所述，机床电气设计应包括以下内容：•（1）拟定电气设计任务书（技术条件）；•（2）确定电气传动控制方案，选择电动机；•（3）设计电气控制原理图；•（4）选择电气元件，并制定电气元件明细表；•（5）设计操作台、电气柜及非标准电气元件；•（6）设计机床电气设备布置总图、电气安装图，以及电气接线图；•（7）编写电气说明书和使用操作说明书。第二节机床电力拖动电动机的选择一、机床用电动机容量的选择根据机床的负载功率（例如切削功率）就可选择电动机的容量，然而机床的载荷是经常变化的，而每个负载的工作时间也不尽相同，这就产生了使电动机功率如何最经济的满足机床负载功率的问题。机床电力拖动系统一般分为主拖动及进给拖动。1.机床主拖动电动机容量选择多数机床负载情况比较复杂，切削用量变化很大，因此通常采用调查统计类比或采用分析与计算相结合的方法来确定电动机的功率（1）调查统计类比法首先进行广泛调查研究，分析确定所需要的切削用量，然后用以确定的较常用的切削用量的最大值，在同类同规格的机床上进行切削实验，并测出电动机的输出功率，以此测出的功率为依据，再考虑到机床最大负载情况，以及采用先进切削方法及新工艺等，然后类比国内外同类机床电动机的功率，最后确定所设计的机床电动机功率来选择电动机•卧式车床主电动机的功率：P=36.5D1.54P——主拖动电机功率D——工件最大直径•立式车床主电动机的功率：P=20D0.88D——工件最大直径•摇臂钻床主电动机的功率：P=0.0646D1.19D——最大钻孔直径•卧式镗床主电动机的功率：P=0.004D1.7D——镗杆直径•龙门铣床主电动机的功率：P=1/166B1.15B——工作台宽度（mm）•（2）分析计算法•根据机床总体设计中对机械传动功率的要求，确定机床拖动用电动机功率•P=P1/η1η2•P——电动机功率P1——机械传动轴上的功率•η1——生产机械功率η2——电动机与生成机械之间的传动功率•P=P1/η总；η总=η1η2•η总——机床总效率•一般主运动为回转运动的机床η总＝0.7～0.85；主运动为往复运动的机床η总＝0.6～0.7（结构简单的取大值，复杂的取小值）2.机床进给运动电动机容量选择•机床进给运动的功率也是由有效功率和损失功率两部分组成。一般进给运动的有效效率是比较小的，如通用车床进给有效功率仅为主运动功率的0.0015~0.0025，铣床为0.015~0.025，但由于进给机构传动效率很低，实际需要的进给功率，车床、钻床的有效功率约为主运动功率的0.03~0.05，而铣床则为0.2~0.25。一般，机床进给运动传动效率为0.15~0.2，甚至还低。•车床和钻床，当主运动和进给运动采用同一电动机时，只计算主运动电动机功率即可。快速移动所需要的功率，一般由经验数据来选择机床类型运动部件移动速度所需电动机功率（kW）卧式车床Dm=400mm溜板6～90.6～1.0Dm=400mm溜板4～60.8～1.2Dm=400mm溜板3～43.2摇臂钻床dm＝35～75mm摇臂0.5～1.51～2.8升降台铣床工作台4～60.8～1.2升降台1.5～2.01.2～1.5龙门铣床横梁0.25～0.502～4横梁上的铣头1.0～1.51.5～2立柱上的铣头0.5～1.11.5～2二、电动机转速和结构型式的选择•电动机的转速愈低，价格也愈高，功率因数和效率也就低，因此电动机转速要根据机械的要求和传递装置的具体情况而定。•异步电动机的电压等级为380V。但要求宽范围而平滑的无级调速时，可采用交流变频调速或直流调速。•金属切削机床一般都采用通用系列的普通电动机，电动机的结构型式按其安装位置的不同分为卧式（轴为水平）、立式（轴为垂直）等。为了使拖动系统更加紧凑，使电动机尽可能地靠近机床的相应工作部位。•对易产生悬浮飞扬的铁屑或废料，或冷却液、工业用水等有损于绝缘的介质能侵入电动机的场合，选用封闭式结构为宜；煤油冷却切削刀具的机床或加工易燃合金材料的机床应采用防爆式电动机。第三节机床电器控制线路的设计•一般中小型机床电气传动控制系统并不复杂，大多数都是由继电器接触器系统来实现其控制的。重点就是设计继电器接触器控制线路及选择电气元件。一、电器控制线路的电源•在电器控制线路比较简单，电器元件不多的情况下，应尽可能用主回路电源作为控制回路电源，即可直接用交流380V或220V，简化供电设备。SB1SB2KMKRKMKMuvwFU1Q×××M～FU2KR(a)未通电时的状态对于比较复杂的控制线路，应采用控制电源变压器，将控制电压由交流380V或220V降至110V或48V、24V，机床照明电路为36V以下电源。KR1M13～Q1KM1uvwKM3EL1KM1EL2ELSB3KM1KR1SB4KM1SB2SB1KM2SB6SB5KM2SB7KM3FU46.3VFU336V110VSATCSTKR2主电动机M23～M33～KR2KM2FU1冷却电动机快速电动机图2-1CW6163B型万能卧式车床电气原理图FU2A二、控制线路的设计规律•继电器接触器控制线路有一个共同特点，是通过触点的“通”和“断”控制电动机或其他电气设备来完成运动机构的动作的。•1.动合触点串联•当要求几个条件同时具备时，才使电器线圈得电动作，可用几个常开触点与线圈串联的方法实现。这种关系在逻辑线路中称“与”逻辑。2.动合触点并联当在几个条件中，只要求具备其中任一条件，所控制的继电器线圈就能得电，这时可采用几个动合触点并联来实现，这种关系在逻辑线路中叫“或”逻辑3.动断触点串联当几个条件仅具备一个时，继电器线圈就断电，可用几个动断触点与控制的电器线圈串联的方法来实现•4.动断触点并联当几个条件都具备时，电器线圈才断电，可用几个动断触点并联，再与控制的继电器线圈串联的方法来实现。5.一般保护电器应既能保证控制线路长期正常运行，又能起到保护电动机及其他电器设备的作用。一旦线路出故障，他的触点就应以“通”转为“断”。三、控制线路设计的一般问题1.应尽量避免许多电器依次动作才能接通另一个电器的现象。②交流电器线圈不能串联使用。2.设计电路时，应正确连接电器的线圈。①在设计控制线路时，电器线圈的一端应接在电源的同一端。3.在控制线路中应尽量减少触点数。4.在设计控制线路时，应尽量避免减少连接导线的数量与长度。5.在设计控制线路时应考虑各种联锁关系以及电气系统具有的各种电气保护措施，例如过载、短路、欠压、零位、限位等保护措施。6.在设计控制线路时也应考虑有关操纵、故障检查、检测仪表、信号指示、报警，以及照明等要求。第四节机床常用电器的选择一、按钮、低压开关的选用1.按钮•按钮通常是用来短时接通或断开小电流的控制电路的开关。常用：旋钮式、指示灯式、紧急式；机床上常用的按钮为LA系列。2.刀开关•主要作用是接通和切断长期工作设备的电源，也用于不经常起制动的容量小于7.5kW的异步电动机，这时其额定电流不要小于电动机额定电流的三倍。•一般，刀开关的额定电压不超过500V，额定电流由10A到上千安培的多种等级。不带熔断器式刀开关主要有HD型及HS型，带熔断器式刀开关有HR3系列。3.自动空气开关•又称自动空气断路器，能接通或分断正常工作电流，也能自动分断过载或短路电流，分断能力大，有欠压和过载保护作用。•选择参数：额定电压、额定电流和允许切断的极限电流等。•①自动空气开关脱扣器的额定电流应等于或大于负载允许的长期平均电流；•②自动开关的极限分断能力要大于，至少等于电路最大短路电流•③自动开关脱扣器电流整定应按下面原则：•欠电压脱扣器额定电压应等于主电路额定电压；热脱扣器的整定电流应与被控对象（负载）额定电流相等；电磁脱扣器的瞬时脱扣整定电流应大于负载正常工作时的尖峰电流；保护电动机时，电磁脱扣器的瞬时脱扣整定电流为电动机起动电流的1.7倍。•机床常用：DZ系列、DW系列•4.组合开关•可以起停5kW以下的异步电动机，但每小时的接通次数不宜超过10~20次，开关的额定电流一般取电动机额定电流的1.5~2.5倍。•组合开关主要根据电源种类、电压等级、所需触点数及电动机容量进行选用。常用的有HZ-10系列，额定电流为10、25、60和100A四种。适用于交流380V以下，直流220V以下的电气设备中。•5.电源开关联锁机构•电源开关联锁机构与相应的断路器和组合开关配套使用，用于电源接通与断开电源和柜门开关联锁，以达到在切断电源后才能开门，将门关闭后才能接通电源的效果。有DJL系列和JDS系列。二、熔断器的选用•选择熔断器，主要是选择熔断器的种类、额定电压、熔断器额定电流等级和熔体的额定电流。•额定电压是根据所保护电路的电压来选择的；•熔体电流的选择：•①对于如照明线路等没有冲击电流的负载，应使熔体的额定电流等于或稍大于线路工作电流I，即•IR≥I•IR——熔体额定电流；I——工作电流•②对于一台异步电动机，熔体可按下列关系选择：•IR=（1.5～1.7）Ied或IR=Ist/2.5•Ied——电动机的额定电流Ist——异步电动机起动电流•③对于多台电动机，有一个熔断器保护，可按下列关系选择：•IR=Im/2.5•Im——可能出现的最大电流•如果几台电动机不同是起动，则Im为容量最大一台电动机起动电流，加上其他台电动机的额定电流三、热继电器的选用•热继电器的选择主要是根据电动机的额定电流来确定其型号与规格。热继电器元件的额定电流IRT应接近或略大于电动机的额定电流Ied，即•IRT=（0.95～1.05）Ied•热继电器的整定电流值是指热元件通过的电流超过此值的20%时，热继电器应当在20min内动作。选用时整定电流应与电动机额定电流一致。•一般情况下，可选用两相结构