1、第三章 机床电气控制系统的设计,第一节 机床电气控制系统设计的基本原则和步骤（课时1）第二节 电力拖动方案的确定和电动机的选择（课时1） 第三节 机床电气控制线路设计的一般要求（课时1） 第四节 机床电气控制线路的设计方法及实例（课时2) 第五节 机床电气控制系统的工艺设计（课时1）,（1）了解机床电气控制系统设计的基本原则、基本内容。 （2）正确理解和选择电力拖动方案。 （3）掌握机床电气原理图的设计以及机床电气工艺设计的方法和步骤。,本章重点：,通过本章的学习，要求读者具有机床电气控制系统的设计能力。,本章的能力要求:,第一节 机床电气控制系统设计的 基本原则和步骤,一、机床电气控制系统设
2、计的基本原则,1）最大限度满足机床和工艺对电气控制的要求。 2）在满足控制要求的前提下，设计方案应力求简单、经济和实用。 3）妥善处理机械与电气的关系。 4）考虑电气系统的安全性和可靠性。 5）正确合理地选用电器元件。,二、机床电气控制系统设计的基本内容,1. 原理设计内容 1）拟定电气控制系统设计任务书。 2）选择拖动方案、控制方式和电动机。 3）设计并绘制电气原理图和选择电器元件，制订元器件明细表。 4）对原理图各连接点进行编号。 5）编写设计说明书。,2. 工艺设计,1）根据电气原理图及选定的电器元件，绘制电气设备总装接线图。 2）设计并绘制电器元件布置图。 3）设计并绘制电器元件的接线
3、图。 4）设计并绘制电气箱及非标准零件图。 5）列出所用各类元器件及材料清单。 6）编写设计说明书和使用维护说明书。,三、机床电气控制系统设计的一般步骤,（1）拟定设计任务书 说明所设计的机械设备的型号、用途、工艺过程、技术性能、传动要求、工作条件、使用环境等。 （2）选择电力拖动方案与控制方式电力拖动方案是指根据生产工艺要求、生产机械的结构、运动要求、负载性质、调速要求以及投资额等条件去确定电动机的类型、数量、拖动方式，并拟定电动机起动、运行、调速、转向、制动等控制要求。,（3）选择电动机 选择电动机的类型、数量、结构形式以及容量、额定电压、额定转速等。 （4）设计电气原理图并合理选用元器件
4、，编制元器件目录清单。 （5）设计电气设备制造、安装、调试所必须的各种施工图纸。 （6）编写说明书。,第二节 电力拖动方案的确定与电动机的选择,一、电力拖动方案的确定,1. 拖动方式的选择 电力拖动方式有单独拖动和分立拖动两种。,2. 调速方案的选择 主运动和进给运动都要求具有一定的调速范围，可采用机械调速、液压调速或电气调速方案。,1）重型或大型设备的主运动及进给运动，应尽可能采用电气无级调速。 2）精密机械设备如坐标镗床、精密磨床、数控机床等，也应采用电气无级调速方案。 3）一般中小型设备如普通机床没有特殊要求时，可选用经济、简单、可靠的三相笼型感应电动机，配以适当级数的齿轮变速箱。也可采
5、用多速感应电动机。,3. 电动机调速性质应与负载特性相适应,机床设备的各个部件具有不同的负载特性，如机床的主运动为恒功率负载，而进给运动为恒转矩负载。在选择电动机调速方案时，要使电动机的调速性质与生产机械的负载特性相适应。,二、拖动电动机的选择,1. 电动机选择的基本原则 1）电动机的机械特性应满足生产机械的要求，要与负载特性相适应，并具有一定的调速范围与良好的起动、制动性能。 2）电动机的结构形式应满足机械设计提出的安装要求，并适应周围环境的工作条件。 3）工作过程中电动机容量能得到充分利用。,2. 根据生产机械调速要求选择电动机的种类,在满足生产需要的场合应首先选用交流笼型异步电动机，若在
6、起动和调速等方面不能满足要求时，才考虑选用直流电动机。,1）对于一般无特殊调速指标要求的机床，应优先采用笼型异步电动机。 2）对于要求电气调速的机床，应根据调速技术要求，选择电动机的种类。,若调速范围D=23（这里D=nmax /nmin ,额定负 载下），调速级数24，一般采用可变极数的双速或多速笼型异步电动机。 若D=310，且要求平滑调速时，在容量不大的情况下，应采用带滑差离合器的笼型异步电动机。 若D=10100，可采用晶闸管直流或交流调速电动机拖动。,3. 根据工作环境选择电动机的结构形式,1）一般采用防护式电动机或开启式电动机。 2）在空气中存在较多粉尘的场所，宜用封闭式电动机。
7、3）在较潮湿的场所，应尽量选用带防潮措施的电动机。 4）在高温场所，应尽量选用相应绝缘等级的电动机。 5）在易燃、易腐蚀的场所，应相应地选用防爆型及防腐型电动机。,4. 根据设备的速度选择电动机的额定转速,笼型感应电动机的同步转速有3000r/min、1500r/min、1000r/min、750r/min、600r/min等几种 。 对应一定容量，转速选得越低，则电动机的体积就越大，价格也越高，且功率因数和效率也越低。但选太高，则增加了机械部分的复杂程度。,5. 根据工作方式选择电动机的容量,电动机容量选择的原则是： 1）对于恒定负载长期工作制的电动机，电动机的额定功率大于等于负载所需要的功
8、率。 2）对于变动负载长期工作制的电动机，当负载变到最大时，电动机仍能给出所需要的功率。 3）对于短时工作制的电动机，按照电动机的过载能力来选择。 4）对于重复短时工作制的电动机，按照电动机在一个工作循环内的平均功耗来选择。,电动机容量选择的依据是机床的负载功率。若机床总体设计中确定的机械传动功率为P1，则所需电动机的功率为： P = P1/ 机械传动效率，=0.60.85 。,6.笼型电动机的系列和技术参数,一般电动机的铭牌上有名称、型号、功率、电压、电流、频率、转速、接法、工作方式、绝缘等级、产品编号、重量、生产厂和出厂年月等。,第三节 机床电气控制线路设计的一般要求,在控制线路比较简单的
9、情况下，可直接采用电网电压（交流220V、380V供电）。对于具有5个以上电磁线圈（例如：接触器、继电器等）的控制线路，应采用控制变压器降低电压。 交流标准控制电压等级为：380V、220V、127V、110V、48V、36V、24V、6.3V。 直流标准控制电压等级为：220V、110V、48V、24V、12V。,一、合理选择控制线路电流种类与控制电压数值,二、正确选择电器元件,在电器元件选用中，尽可能选用标准电器元件，同一用途尽可能选用相同型号。,三、合理布线，力求使控制线路简单、经济 （1）合并同类触点,（2）利用转换触点的方式,（3）尽量缩短连接导线的数量和长度,（4）正常工作中，尽可
10、能减少通电电器的数量 。,四、保证电气控制线路工作的可靠性,（1）电器元件触点位置的正确画法,（2）电器元件线圈位置的正确画法,在直流控制电路中，对于电感较大的电磁线圈，如电磁阀、电磁铁或直流电动机励磁线圈等不宜与相同电压等级的继电器直接并联工作。,（3）防止出现寄生电路,正常工作时，能完成正反向起动、停止和信号指示。但当热继电器FR动作时，会出现如图中虚线所示的寄生电路，使正向接触器不能释放，起不到保护作用。如果将指示灯与其相应接触器线圈并联，则可防止寄生电路。,说明：,复杂控制电路中，在某一控制信号作用下，电路从一个稳定状态转换到另一个稳定状态，常常会引起几个电器的状态变化。对一个时序电路
11、来说，就会得到几个不同的输出状态。,竞争：,冒险：,对于开关电路，由于电器元件的释放延时作用，也会出现开关元件不按要求的逻辑功能输出的可能性。,（4）防止出现“竞争”与“冒险”,KT延时到后，其延时常闭触点总是由于机械运动原因先断开而延时常开触点晚闭合，当延时常闭触点先断开后，KT线圈随即断电，由于磁场不能突变为零和衔铁复位需要时间，故有时候延时常开触点来得及闭合，但有时侯因受到某些干扰而不能闭合。将KT延时常闭触点换成KM2常闭触点以后，就绝对可靠了。,说明：,（5）在频繁操作的可逆线路中，正反向接触器之间要有电气联锁和机械联锁。,（6）在设计电器控制线路时，应充分考虑继电器触点的接通和分断
12、能力。若要增加接通能力，可用多触点并联；若要增加分断能力，可用多触点串联。,五、保证电气线路工作的安全性,电气控制线路应具有完善的保护环节，来保证整个生产机械的安全运行，消除在其工作不正常或误操作时所带来的不利影响，避免事故的发生。,（1）机床电气控制系统设计的基本原则和内容。 （2）机床电气控制系统设计的步骤。 （3）电力拖动方案的确定和电动机的选择。 （4）机床控制线路的基本环节。 （5）机床常用电器的选择。,知识回顾：,第四节 机床电气控制线路的设计方法及实例,一、电气原理图设计的方法经验设计法与逻辑设计法。 1. 经验设计法,根据生产机械的工艺要求和生产过程，选择 适当的基本环节或典型
13、电路综合而成的电气控制 线路。,（1）主电路设计主要考虑电动机的起动、点动、 正反转、制动和调速。,设计步骤：,（2）控制电路设计主要考虑如何满足电动机的各 种运转功能和生产工艺要求。选择控制参量。,（3）联锁保护环节设计主要考虑如何完善整个控 制线路的设计，包含各种联锁环节以及短路、过载、 过流、失压等保护环节。,（4）反复审查所设计的控制线路是否满足设计原 则和生产工艺要求。,2. 逻辑设计法,根据生产机械的拖动要求及工艺要求，将控 制线路中的接触器、继电器等电器元件线圈的通 电与断电，触点的闭合与断开以及主令元件的接 通与断开等均看成逻辑变量，并根据控制要求将 它们之间的关系用逻辑函数关
14、系式来表达，然后 再运用逻辑函数基本公式和运算规律进行简化， 获得需要的控制线路。,二、CW6163卧式车床电气控制原理线路设计举例,1. 设计要求（1）机床主运动和进给运动由电动机集中传动，其主轴运动的正反转依靠两组机械式摩擦片离合器完成，主轴的制动采用液压制动器，主轴运动的起、停要求两地操作。进给运动的纵向左右运动、横向前后运动以及快速移动都集中由一个手柄操作。,2. 电动机的选择,（2）一台刀架快速运动电动机。 （3）一台普通冷却泵电动机。 （4）一套局部照明装置以及一定的工作状态指示灯。,（1）主轴电动机M1（Y160M-4）：11kW、380V、22.6A、1460r/min。 （2
15、）冷却泵电动机M2（JCB-22）：0.125kW、380V、0.43A、2790r/min。 （3） 快速移动电动机M3（Y90S-4）：1.1kW、380V、2.7A、1400r/min。,3. 电气控制线路图的设计,（1）主电路设计 M1的功率较大，超过10kW，但是由于车削在机器起动以后才进行，并且主轴的正反转通过机械方式进行，所以M1采用单向直接起动，用接触器KM进行控制。在设计时还应考虑到过载保护，并采用电流表PA监视车削量。,冷却泵电动机M2过载保护FR2。 快速电动机M3短时运行，故不设过载保护。 M2和M3共设短路保护。 由于电动机M2和M3的额定电流分别为0.43A和2.7
16、A，可分别用交流中间继电器KA1和KA2（额定电流都为5A，常开常闭触点都为4对）替代接触器进行控制 。,（2）控制电源的设计 采用控制变压器TC供电，其一次侧为交流380V，二次侧为交流127V、36V、6.3V，其中，127V提供给接触器KM和中间继电器KA1及KA2的线圈，36V交流安全电压提供给局部照明电路，6.3V提供给指示灯电路。,（3）控制电路的设计M1：在机床床头操作板上和刀架拖板上分别设置起动和停止按钮SB3及SB1和SB4及SB2进行操纵，实现两地控制。M2：采用单向起停控制方式M3：采用点动控制方式,（4）局部照明与信号指示电路的设计SA控制照明灯EL，照明回路熔断器FU
17、3。电源开关QS接通三相电源指示灯HL2，表示机床电气线路已处于供电状态。指示灯HL1表示主轴电动机是否运行。指示灯HL1和指示灯HL2分别由接触器KM的常开和常闭触点进行切换通电显示。,4. 电器元件的选择,（1）电源开关的选择在控制变压器二次侧的电器在变压器一次侧产生的电流相对较小,因此电源开关QS主要用于给M1、M2、M3电动机提供电源，已知M1、M2、M3的额定电流分别为22.6A、0.43A和2.7A，易计算额定电流之和为25.73A，由于功率最大的主轴电动机M1为轻载起动，并且M3为短时工作，因而电源开关的额定电流就选25A左右，具体为：三极组合开关,HZ1025/3型，额定电流2
18、5A。,（2）接触器的选择,根据接触器所控制负载回路的电压、电流及所需触点的数量来选择接触器。接触器KM的额定电流为22.6A，线圈电压127V，需主触点三对，辅助常开触点两对，辅助常闭触点一对。选择CJ10-40型接触器，主触点电流为40A，线圈电压为127V。,（3）中间继电器的选择,KA1和KA2的额定电流分别为0.43A和2.7A，常开常闭触点各有4个，线圈电压127V。选用普通型JZ744交流中间继电器，每个中间继电器常开常闭触点各有4对，额定电流为5A，线圈电压为127V。,（4）按钮的选择,据需要的触点数目、动作要求、使用场合、颜色等进行按钮的选择。三个起动按钮SB3、SB4和S
19、B6选择LA18型按钮，其颜色为黑色；三个停止按钮SB1、SB2和SB5选择LA18型按钮，其颜色为红色；点动按钮SB7型号相同，绿色。,（5）热继电器的选择,根据电动机 M1和 M2的额定电流选择。FR1选用JR040型热继电器，额定电流调节范围为1625A，工作时调整在22.6A。FR2选用JR040型热继电器，额定电流调节范围为0.400.64A，整定在0.43A。,（6）熔断器的选择,熔断器 FU1对 M2和 M3（额定电流分别为0.43A和2.7A）进行短路保护，故选用RT1832型熔断器，配用10A熔体。 熔断器FU2和FU3的选择将同控制变压器的选择结合进行。,（7）照明灯的选择
20、,EL可选用JC2型，交流36V，40W。,（8）电流表的选择,PA可选用62T2型，050A。,（9）指示灯的选择,HL1和HL2都选ZSD0型，6.3V，0.25A，分别为红色和绿色。,控制变压器的容量P可根据由它供电的最大工作负载所需要的功率来计算，并留用一定的余量。接触器KM以及中间继电器KA1和KA2的吸持功率为都12W，照明灯EL的功率为40W，指示灯HL1和HL2的功率为1.575W，易算得总功率为79.15W，若取K=1.25，则P = KPi = 99W，因此控制变压器可选用BK100VA，380V/127V、36V、6.3V。KM、KA1、KA2线圈电流及HL1、HL2电流
21、之和小于2A，EL的电流也小于2A，故熔断器FU2和FU3均选RT1832型，熔体2A。,（10）控制变压器的选择,第五节 机床电气控制系统的工艺设计,一、电气设备总装接线图的设计与绘制由于各种电器元件安装位置不同，必须划分组件，同时要解决组件之间、控制柜之间以及控制柜与被控装置之间的连线问题。电气设备总装接线图中应以示意形式反映出各部分主要组件的位置及各部分接线关系、走线方式及使用管线要求等。总体设计要使整个系统集中、紧凑，操作台置于操作方便、综观全局的位置，总电源紧急停止控制应安放在方便而明显的位置。,电器元件布置图是某些电器元件按一定原则的组合。 一般通过实物排列来确定各电器元件的位置，
22、进而绘制出控制柜的电器布置图。 三、电器元件接线图的设计与绘制电器元件接线图是根据电气原理图和电器元件布置图进行绘制的。,二、电器元件布置图的设计与绘制,四、电气控制柜及非标准零件图的设计,在电气控制比较简单时，控制电器可以附在生产机械内部，而在控制系统比较复杂，或生产环境及操作的需要时通常都带有单独的电气控制柜，以利制造、使用和维护。 非标准的电器安装零件，如开关支架、电气安装底板、控制柜的有机玻璃面板、扶手、装饰零件等，应根据机械零件设计要求，绘制其零件图，凡配合尺寸应注明公差要求并说明加工要求等。,六、编写设计说明书及使用说明书1）拖动方案选择依据及本设计的主要特点。2）主要参数的计算过程。3）设计任务书中要求各项技术指标的核算与评价。4）设备调试要求及调试方法。5）使用、维护要求及注意事项。,根据各种图纸，对本设备需要的各种零件及材料进行综合统计，按类别划出外购成件总清单表，标准件清单表等。,五、各类元器件及材料清单的汇总,本章较为全面地介绍了机床电气控制系统的设计内容、方法、步骤，电气原理图的设计以及电气控制系统的工艺设计。生产机械的电气设计是实践性较强的教学内容，仅仅掌握设计理论基础是不够的，必须在实践中不断摸索、充实与提高。,本章小结：,
