机床电气控制技术课程设计教程正文.doc

1. 机床电气控制系统设计的基本原则与基本内容常用的生产机械广泛应用继电接触式控制。随着计算科学和通信科学的发展，诞生了工业控制计算机的一种典型产品 可编程控制器（简称：PLC），随之应用在对生产机械的自动控制中，构成了新型的生产机械可编程控制器控制系统。在学习了继电接触式典型控制环节、PLC的硬、软件基本知识和一些典型的机床电气设备的控制系统之后，应该能对一般生产机械电力装备控制线路进行分析。更为重要的是，应能举一反三，对一些生产机械的电气控制系统进行设计并提供一套完整的技术资料。1.1 机床电气控制系统设计的基本原则设计工作的首要问题是必须树立正确的设计思想和群众观点，树立工程实践的观点。要虚心地向有经验的工人、工程技术人员请教。由于近代机床的生产效率高，结构型式与机床电气化程度有密切的关系。因此，机床电气控制系统的设计应与机械部分的设计同时进行并密切配合，共同拟定机床电气控制方案，协同解决在设计中出现的问题。设计的继电接触式控制系统和PLC控制系统，应同时遵循以下基本原则：1最大限度地满足被控制对象和用户的控制要求，包括功能要求、性能要求；2在满足控制要求的前提下，力求控制系统简单、经济、使用时节约能源；3力求控制系统安全、可靠、使用与维修方便。但是，PLC控制系统又具有自身的特点，内部具有程序存储器，故其还应遵循今后的发展和工艺流程的改进，在配置硬件设备时应留有一定的裕量，使其具有可扩展性。1.2 机床电气控制系统设计的基本内容1.2.1 继电接触式控制系统设计的基本内容继电接触式控制系统设计的基本内容包括：1. 确定继电接触式控制系统设计的技术条件和任务书；电气设计的技术条件是整个电气设计的依据，通常以设计技术任务书的形式表示，由有关设计人员根据设备的总体技术方案讨论决定。在任务书中，除了简要说明所设计的机电设备的名称、型号、用途、工艺过程、技术性能、传动参数以及现场工作条件外，还必须说明以下几点：1） 用户供电电网的种类、电压、频率及容量。2） 有关电力拖动的基本特性，如运动部件的数量和用途、负载特性、调速范围和平滑性，电动机的起动、反向和制动的要求等。3） 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，自动控制的动作程序，电气保护及联锁条件等。4） 有关操作方面的要求，如操作台的布置，操作按钮的设置和作用，测量仪器的种类以及显示、报警和照明要求等。5）机电设备主要电器元件（如电动机、执行电器和行程开关等）的布置草图。2. 选择电力拖动与控制方案；3. 设计电气控制原理图；4. 选择电动机及其其它电器元件，制定电器元件明细表；5. 绘制机电设备的电气装配图和接线图；1）绘制电气控制装置的电器布置图 电器元件在控制板 ( 或柜 ) 上的布置原则a. 体积大和较重的电器应安装在控制板的下面。b. 发热元件应安装在控制板的上面, 并注意使感温元件与发热元件隔开。c. 弱电部分应加屏蔽和隔离, 防止强电部分以及外界干扰。d. 需要经常维护检修操作调整用的电器( 例如, 插件部分、可调电阻、熔断器等)，安装位置不宜过高或过低。e. 应尽量把外形及结构尺寸相同的电器元件安装在一排, 以利于安装和补充加工，而且宜于布置整齐美观。f. 考虑电气维修, 电器元件的布置和安装不宜过密, 应留有一定的空间位置，以利于操作。g. 电器布置应适当考虑对称, 可从整个板考虑对称, 也可从某一部分布置考虑对称，具体应根据机床结构特点而定。电器元件的相互位置各电器元件在控制板上的大体安装位置确定之后, 就可着手具体确定各电器之间的距离，它们之间的距离应从如下几方面去考虑。a. 电器之间的距离应便于操作和检修。b. 应保证各电器的电气距离, 包括漏电距离和电气间隙。这些数据可从 JB86266、 JB61665 、JB61765等部颁标准中查阅。c. 应考虑有些电器的飞弧距离, 例如自动开关、接触器等在断开负载时形成电弧将使空气电离。所以在这些地方其电气距离应增加。具体的电器飞弧距离由制造厂家提供, 若由于结构限制不能满足时, 则相应的接地或导电部分要用耐弧绝缘材料加以保护。机床电气控制柜、操纵台、悬挂操纵箱有标准的结构设计, 可根据要求进行选择, 但要进行补充加工。如果标准设计不能满足要求, 可另行设计。这时可将所有电器元件按上述原则排在一块板上, 移动各个电器元件求出一个最佳排列方案, 然后确定控制柜的尺寸。这种实物排列比用电器元件外形尺寸来考虑排列图更为方便与迅速。2) 绘制电气控制装置的接线图 根据电气原理图和各电气控制装置的电器布置图, 绘制电气控制装置的接线图。绘制机床电气接线图的要求如下： 电气接线图所有电器元件图形, 应按实物, 依照左右对称、上下对称的原则绘制。 电气接线图所有电器元件, 应该注明与电气原理图一致的文字符号； 接线端子应标注出与电气原理图一致的接线号。 电气接线图一律采用细线条。 要清楚地表示出接线关系和接线去向。目前接线图接线关系的画法有两种：第一种, 直接接线法： 直接画出两个元件之间的联线。对简单的电气系统, 电器元件少、接线关系不复杂的情况下采用。第二种, 间接标注接线法：对复杂的电气系统、电器元件多, 接线关系比较复杂的情况下采用较多。接线关系采用符号标注, 不直接画出两元件之间的联线。 按现定清楚地标注出配线用的不同导线的型号、规格、截面积和颜色。对于同一张图中数量较多而导线的型号、规格、截面积、颜色相同的标注符号可以省略, 待数量较少的其它导线标注清楚后, 用“其余用 线”字样注明即可。 电气接线图上各电器元件的位置, 应按装配图位置绘制，偏差不要太大。 对于板后配线的接线图, 应按装配图翻转后的方位绘制, 电器元件图形符号应随之翻转，但触头方向不能倒置, 以便于施工配线。 控制板、控制柜的进线和出线, 除大线外, 必须经过接线板。接线图中各元件的出线应用箭头注明。 接线板的排列要清楚, 便于查找。可按线号数字大小顺序排列, 或按动力线、交流控制线、直流控制线分类后, 再按线号顺序排列。6. 设计电气柜、操作台、电气安装板以及非标准电器和专用安装零件；7. 编写设计计算说明书和使用说明书。根据机电设备对电气系统复杂程度的要求不同，这些步骤可能全有也可能只有部分。1.2.2 PLC控制系统设计的基本内容1. 系统设计1） 分析工艺要求，首先对被控制对象的工艺过程、工作特点、环境条件、用户要求及其它相关情况，进行仔细的全面的分析，然后绘制供设计时用的必要图表。2）控制方案的选定，在分析被控制对象及其控制要求的基础上，根据PLC的技术特点，在与继电接触控制系统和计算机控制系统及电子控制系统等进行综合比较后，优选控制方案。如果被控制系统具有以下特点，则宜优先选用PLC控制。（1）输入输出以开关量为主。（2）输入输出点数较多，一般有20点左右就可选用PLC控制。（3）控制系统使用环境条件较差，对控制系统可靠性要求高。（4）系统工艺流程复杂，用常规的继电接触式控制难以实现。（5）系统工艺有可能改进或系统的控制要求有可能扩充。选定PLC控制后，就要着手PLC控制的整体及其各个组成部分的设计。2. 硬件设计1） PLC的选择主要考虑以下几个因素：（1）PLC功能与控制要求相适应对于开关量控制的及对控制速度要求不高的项目，应选用一般的低档机。对于以开关量控制为主，带有少量模拟量控制的项目，可选用带有A/D，D/A转换、加减运算的PLC。对于控制比较复杂、功能要求较高的项目，如要求实现PID调节，闭环控制、通信联网等，应选用中型或大型PLC。PLC功能少了，不能满足要求，多了则投资大。（2）PLC结构合理、机型统一对于工艺过程比较稳定，使用环境条件比较好的场合，宜选用结构简单、体积小、价格低的整体式结构的PLC。对于工艺过程变化较多，使用环境较差，尤其是用于大型的复杂的工业设备上，应选用模块式结构的PLC，这便于维修更换和扩充，但价格较高。对于应用PLC较多的单位，应尽可能选用统一的几型，这有利于购置备件，也便于维修和管理。（3）在线编程或离线编程离线编程的PLC，主机和编程器共用一个CPU，在编程器上有一个“编程/运行”选择开关。选择编程状态时，CPU只为编程器服务，不在对现场进行控制，这就是“离线”编程。程序编好后，当选择运行状态时，CPU只为现场控制服务，这时不能进行编程，这种离线编程方式可以降低系统的成本，而且又能满足大多数PLC控制系统的要求，因此现今中小型PLC常采用离线编程。对于在线编程方式，主机和编程器各有一个CPU。编程器的CPU可以随时处由键盘输入的编程指令。主机的CPU负责对现场控制，并在一个扫描周期的末尾和编程器通信，编程器把编号的或修改好的程序发送给主机，从下一个扫描周期开始，主机将按新送入的程序运行，控制现场，这就是“在线”编程。在线编程的PLC增加了硬件和软件，价格高，但使用方便，能满足某些应用场合的要求。大型PLC采用在线编程。对于定型设备和工艺不常变动的设备，应选用离线编程的PLC；反之，可考虑选用在线编程的PLC。（4）存储器容量根据系统大小和控制要求的不同，选择用户存储器容量不同的PLC。厂家一般提供1K、2K、4K、8K、16K程序步等容量的存储器用户程序占用多少内存与许多因素有关，目前只能作粗略估算，估算方法有下面两种，供参考用： PLC内存容量（指令条数）约等于I/O总点数的1015倍。 指令条数6（I/O）+2（T+C）。式中T为定时器总数，C为计数器个数。还应增加一定的裕量。（5）I/O点数统计出被控设备对输入和输出总点数的需求量,据此确定 PLC 的 I/0点数。必要时增加一定裕量。（6）PLC 的输入输出方式根据实际情况选定合适的输入输出方式的PLC。（7）PLC 处理速度 PLC以扫描方式工作，从接收输入信号到输出信号控制外围设备，存在着滞后现象，但能满足一般控制要求。如果某些设备要求输出响应快 , 可采用快速响应的模块，优化软件缩短扫描周期或中断处理等措施。（8）是否要选用扩展单元。2） 外围设备的选择包括对外围输入设备和外围输出设备两部分的选择。从现场向PLC 输入控制信号的外围设备，例如按钮、开关、传感器等；由 PLC 输出信号直接驱动的接触器或电磁阀的线圈，指示器件等。对这些外围设备应按控制要求，从实际出发，选定合适的类别，型号和规格。3） 其它硬件的设计或选择包括设计或选定控制柜(台)；选定有关的仪表、熔断器、导线等元器件和材料；选定电源模块等。3. 软件设计这是设计PLC控制系统中工作量最大的一项工作。其主要内容包括：对复杂的控制系统应绘制工艺流程图或控制功能图；编制梯形图，这是最关键也是较难的一步；根据梯形图编写程序单；选择合适的编程工具将PLC程序送入PLC的程序存储器里；一般选择Windows环境下的PLC编程软件，输入、编辑梯形图，将其转化为PLC内部指令并下载到PLC的程序存储器，进行监控、调试和修改。对复杂的程序首先进行分段调试，然后进行总调试，并作必要的修改，直到满足要求为止。4. 施工设计和一般电气控制系统施工设计一样，PLC控制系统的电气控制系统施工设计也应包括以下主要内容：1) 画出完整的电路图 , 必要时还要画出控制环节(单元)电气原理图。2) 画出 PLC 的输入输出端子接线图。3) 画出 PLC 的电源进线接线图和输出执行电器的供电接线图。4) 电气柜内元器件布置图，相互间接线图。5) 控制柜(台)面板元器件布置图。6) 如果大的系统有多个电气柜时，应画出各个电气柜间连接线图。7) 其它必须的施工图。施工时应特别注意安装要安全、正确、可靠、合理、美观，特别要注意提高系统的抗干扰能力。5. 系统调试PLC控制系统设计和安装好了以后，就可进行系统总调试了。在检查接线等无差错后，先对各单元环节和各电柜分别进行调试，然后再按系统动作顺序，模拟输入控制信号，逐步进行调试，并通过各种指示灯显示器，观察程序执行和系统运行是否满足控制要求。如果有问题，先修改软件，必要时再调整硬件，直到符合要求为止。接着进行模拟负载，到空载或轻载调试，没有问题时，最后进行额定负载调试，并投入运行考验。6. 将程序固化在程序调试好并投入运行考验成功后，一般都将程序固化在有永久性记忆功能的EPROM中。7. 编写技术文件系统调试和运行考验成功后，整理技术资料，编制技术文件(包括控制系统的电气原理图、电器元件明细表、PLC梯形图或者PLC指令清单、电气控制柜的电器位置图、电气安装图、操作面板布置图、接线端子图以及穿管电线表)及使用说明书、维护说明书等。2 电力拖动方案的确定原则由于交流电动机特别是笼型异步电动机结构简单、运行可靠、价格低廉、维修方便，所以应用广泛。在选择电力拖动方案时，首先应尽量考虑笼型异步电动机，只有那些要求调速范围大和频繁起制动的生产机械，才考虑采用直流或交流调速系统。所以，应依生产机械对调速的要求来考虑电力拖动方案。2.1 对于不要求电气调速的生产机械 当不需要电气调速和起制动次数不频繁时，应采用笼型异步电动机拖动。仅在负载静转矩很大或有飞轮的拖动装置中，若笼型异步电动机的起动转矩或转差率不能满足要求时，才考虑用绕线型异步电动机拖动。当负载很平稳、容量大且起制动次数很少时 , 可采用同步电动机拖动。因为这时可充分发挥同步电动机的优点，即效率高、功率因数高，调节激磁可工作在过激情况下，并可提高电网的功率因数。2.2 对于要求电气调速的生产机械这时，应根据生产机械提出的一系列调速技术要求如调速范围，调速平滑性，转速调 节级数，机械特性硬度及工作可靠性等来选择拖动方案，然后在满足技术指标前提下，再作经济比较(如设备初投资，调速效率，功率因数及维修费用等)，最后确定最优拖动方案。1. 若调速范围 D = 2 3, 调速级数 2 4，一般采用可变极数的双速或多速笼型异步电动机。2. 若调速范围 D 3，且不要求平滑调速时，采用绕线型异步电动机较为合适，但这种调速只适用于短时负载和重复短时负载，如桥式起重机移行机构的拖动电动机。3. 调速范围 D = 3 10，且要求平滑调速时，在容量不大情况下，采用带滑差离合器的异步电动机拖动系统较为合理。若需长期运转在低速，也可考虑采用晶闸管电源的直流拖动系统。4. 当调速范围 D = 10 100 时，可采用 F一D 系统或晶闸管电源的直流拖动系统。2.3 电动机的调速性质应与生产机械的负载特性相适应 调速性质主要是指电动机在整个调速范围内转矩、功率与转速的关系，是容许恒功率输出还是恒转矩输出。设计任何一个生产机械的电力拖动系统都应对负载性质和系统调速性质 进行研究，这是选择拖动和控制方案及确定电动机容量的前提。电动机的调速性质必须与生产机械的负载特性相适应。以车床为例，其主运动需要恒功 率传动，进给运动则要求恒转矩传动。若采用双速异步电动机，当定子绕组由三角形改成星形联接时，转速由低速升为高速，功率却增加很少，适用于恒功率传动。而定子绕组由星形改成双星形联接时，电动机所输出的转矩保持不变，适用于恒转矩调速。再如，他励直流电动机改变电压的调速方法属于恒转矩调速，而改变激磁的调速方法为恒功率调速。若恒转矩负载采用恒功率不对应调速或恒功率负载采用恒转矩调速，都将使电动机的额 定功率增大D倍，且使部分转矩未得到充分利用。所以采用不对应调速方法，对电动机容量的选择不利。因此，选用调速方法，应尽可能使其与负载性质相同。3 拖动电动机的选择3.1 根据环境条件选择电动机的结构形式1. 在正常环境条件下，一般采用防护式电动机；在人员和设备安全有保证的条件下，也可采用开启式电动机。2. 在空气中存在较多粉尘的场所，宜用封闭式电动机。3. 在湿热带地区或比较潮湿的场所，应尽量选用湿热带型电动机，若用普通型电动机，应采取相应的防潮措施。4. 在露天场所，宜选用户外型电动机，若有防护措施也可采用封闭式或防护式电动机。5. 在高温车间，应根据周围环境温度，选用相应绝缘等级的电动机，并加强通风，改善电动机的工作条件，并提高电动机的工作容量。6. 在有爆炸危险及有腐蚀性气体的场所，应相应地选用防爆式及防腐式电动机。3.2 根据生产机械负载性质来选择电动机的类型 电动机的类型是指电动机的电压级别、电流种类、转速和工作原理。确定类型的主要依据是电动机应在经济条件下满足生产机械在工作速度、机械特性硬度、速度调节、起制动特性等方面所提出的要求。1. 不需要调速的机械应首先考虑采用异步电动机。2. 对于周期性波动负载的长期工作机械，为了消平尖峰负载，一般都采用电动机带飞轮工作，这时应考虑起动条件和充分利用飞轮的作用而选用绕线型异步电动机。3. 需要补偿电网功率因数及稳定的工作速度时，应优先考虑采用同步电动机。4. 对于只需要几种速度，但不要求调节速度的生产机械，选用多速异步电动机。5. 需要大的起动转矩和恒功率调速的机械如电车、牵引车等常用直流串励电动机。6. 对于起动、调速及制动有较高要求的生产机械，可选用直流电动机或带调速装置的交流电动机7. 要求调速范围很宽的机械，最好从机械变速和电气调速二者结合起来考虑，这样易于收到技术和经济指标较高的效果。3.3 电动机转速的选择1. 对于不需要调速的高转速或中转速的机械，一般应选用相应转速的异步电动机或同步电动机直接与机械相连接。2. 对于不调速的低速运转的生产机械，一般是选用适当转速的电动机通过减速机构来传动，但电动机转速不宜过高，以免增加减速器的制造和维修。3. 对于需要调速的机械，电动机的最高转速应与生产机械的最高转速相适应，连接方式可以采用直接传动或者通过减速机构来传动。总之，选择电动机的类型应从技术及经济指标两方面综合考虑。3.4 电动机的容量选择3.4.1 调查统计类比法我国机床制造厂对不同类型机床目前采用的主电动机容量的统计分析公式如下：车 床：P = 36.5 D1.54 单位为 kW。 （4-1）D 车削最大工件直径 单位为 m 。立式车床： P = 20 D0.88 单位为kW。 （4-2）D 车削最大工件直径 单位为 m 。摇臂钻床：P = 0.0646 D1.10 单位为 kW。 （4-3）D 最大钻孔直径 单位为 mm 。卧式镗床：P = 0.004 D1.7 单位为 kW。 （4-4）D 镗杆直径 单位为 mm 。 龙门刨床：P = D1.16 /1.66 单位为 kW。 （4-5） B 工作台宽度 单位为 mm 。按上式结果，选用稍大于或等于计算值的标准容量电动机。另一种实用方法为类比法，它是调查研究经过长期运行考验的同类生产机械的电动机容量，然后采用主要参量、工作条件类比的方法来确定电动机的容量。表4.1 列出了国产普通车床主轴电动机的使用情况。型 号机床加工最大直径值(mm)刀架最大纵向进给值(mm)主 轴 转 速 等 级主轴电动机容量值(kW)C616C6181C6203C6301C65032036040065010203.344.744.161.333.16正反转相同12级451980r/min正反转相同8级42980r/min23级12.52000r/min正转18级14750r/min 反转9级22945 r/min正反转相同12级4.25192r/min4.5（4）37.51020表4.1 国产普通车床主轴电动机一览表对于机床，当主运动和进给运动由同一电动机驱动时，可依主运动电动机功率选择。若进给运动由单独电动机并驱动快速移动时，电动机功率由快速移动来选择，而快速移动所需要的功率，一般由经验数据来选择。表4.2 列出了其经验数据值。机 床 型 号运动部件移动速度值（V/min）所需电动机功率值(kW) Dm= 400mm普通车床 Dm= 600mm Dm= 1000mm溜 板6946340.61.00.81.23.2摇臂钻床 dm= 3575mm摇 臂0.51.512.8升 降 台 铣 床工作台升降台461.52.00.81.21.21.5龙 门 铣 床横 梁横梁上的铣头立柱上的铣头0.250.501.01.50.51.0241.521.52表4.2 机床运动部件驱动电动机功率经验数据3.4.2 分析计算法1电动机的温升方程式电动机负载时，温度的升降具有一定的规律。电动机温度上升的根源是其损耗（铜耗、铁耗、机械损耗）所产生的热量。这些热量一部分使电动机温度升高，一部分被电动机散发到周围空气。电动机的散热能力因其散热面积和它与周围空间的温差而不同。这两个因素愈大，散热能力愈强。电动机开始运转时，电动机温升由零开始，损耗产生的热量散出的很少，大部分使电动机温度升高，这时，电动机温度迅速上升。随着温度的升高，散热能力逐渐增强，用于电动机温度上升的热量随之减少，电动机温度的上升速度变慢。当电动机达到一定温升后 , 每个瞬时损耗所产生的热量与电动机散出热量完全平衡时，电动机的温升不再升高，达到稳定温 室。负载不变时稳定温度也不改变，负载增、减时，温度将升、降至新的稳定值。这就是温升变化的物理过程。其数学表达式见式（4-6）。 （4-6）式中 一一电动机的温升值，单位为；Q 一一电动机在单位时间内产生的热量，单位为 J/s；A 一一散热量，即电动机温度比周围空间每高1 , 在1s内电动机散出的热量，单位为 J/( s) ,c 一一电动机的热容量，即使电动机温度升高1所需的热量 , 单位为 J/ ；0一一初始温升，单位为。当0 = 0 时， （4-7） 它表示电动机自温升为零时开始的温度上升过程，这是一条指数曲线，图中T = C/A (4-8)单位为S，它表示温升的快慢，称为发热时间常数。T 值愈大，电动机达到稳定温升所需的时间愈长。一般认为，经过 4T，电动机温升已经稳定。由式 (4-8) 可知 ,T 的数值与电动机热容量成正比，与电动机的散热量成反比。而这二者又与电动机的尺寸与结构有直接关系。一般T值随其容量的增大而增大。电动机冷却时，温升的变化情况和上升情况相似。当电动机停车冷却时 (4-9）这是一条按指数衰减的曲线。图4-1为电动机升温、冷却曲线。图4-1电动机升温冷却曲线按照负载温升的特点 , 电动机可有三种运转状态：连续运转。电动机工作时间tg (34)T的运转状态，电动机在工作时间内能够达到稳定温升。短时运转。电动机工作时间tg (34) T的运转状态。这时，电动机在工作时间内达不到稳定温升，但在停歇时间内，却完全能够冷却，使温升为零。断续运转。电动机工作时间tg (34) T, 电动机在工作时间内达不到稳定温升，在停歇时间内也来不及完全冷却，使温升在工作，停歇时间里周期地波动。运转状态不同，按发热条件校验电动机容量的方法也就不同。下面以连续运转电动机容量的选择为例来说明。2. 连续运转电动机容量的选择 连续运转电动机其负载有恒定不变与变动两种，在选择电动机容量时方法有些不同。（1）负载为恒值电动机在恒定负载下长期工作时，它所达到的稳定温升应当等于电动机所允许的最高温升，只有这样对电动机的利用才是最充分的。4 机床电气控制系统设计的基本方法4.1 继电接触式控制系统设计的基本方法4.1.1 继电接触式控制系统的经验设计法在生产机械的电力拖动方案及拖动电动机容量确定之后，在明确了控制系统设计一般要 求基础上，就可开始进行电气控制系统的设计，通过对电气控制线路的操作与控制来实在生产机械的工艺要求。为此，首先要确定电气控制方案，然后再进行电气控制原理图的设计。1. 电气控制方案的选择 机床的电气控制系统应能保证机床的使用效能和正确的动作程序。在设计机床的电气原理图之前应当首先确定电气控制方案，在控制方案中要考虑并确定以下内容。1) 控制方式机床的控制方式应当与机床的通用化和专用化的程度相适应。对于专用机床，其工作程序往往是固定的，使用中并不需要经常改变原有的程序。因此，控制线路在结构上往往做成“固定”式的。 对于万能机床，为了适应不同的工艺过程的需要，机床的工作程序往往需要在一定的范围内加以更改。在这种情况下，就宜采用程序预选控制和顺序控制的方式。在机床自动线中，可根据控制要求和联锁条件的复杂程度不同采用分散控制或集中控制的方式。但是各台单机的控制方式和基本控制环节则应尽量一致，以便简化设计和制造过程。2）自动工作循环的组成在控制方案中可列出有关机床自动工作循环的简图或说明、行程开关的布置与作用简图或说明，以及执行电器（如电磁铁或电磁阀）的通断状态与所执行动作的关系表。对于机床自动线还应列出自动线的循环周期表。这些都为控制线路原理图设计提供了具体要求和条件。3) 控制系统的工作方式 说明控制系统应当具备的不同工作方式，如自动循环、手动调整、动作程序更换或控制系统的检测测试等等。4) 联锁条件及电气保护机床的各种运动和操作，都是相互联系的。为了保证这些运动和操作的相互协调和正常执行，在机床的电气控制系统中必须严格保证各有关控制线路的电气联锁。这些联锁条件应当在制定控制方案时根据机床的运动规律和各种动作的相互制约关系，全面和妥善地予以考虑。如果联锁条件不足，可能导致某些错误的动作或事故的发生。如果联锁条件重复，又会使控制线路趋于复杂。因此，在复杂的控制系统中，对于每一工步都应列出有关的联锁条件，以便设计和检查。在控制方案中，还应当指出电气系统所应具有的各种电气保护措施。控制电器的电源种类和工作电压，按实际电气控制线路的电流种类和工作电压来决定。此外，在控制方案中还应当提出有关机床操纵、信号指示、故障检查、仪表检测以及局部照明等设计要求。2. 继电接触式控制系统的经验设计方法继电接触式控制线路设计中往往采用经验设计法。它是根据生产机械对电气控制电路的要求，先设计各个独立环节的控制电路，然后根据生产机械的工艺要求拟定各部分控制电路的联锁与联系，最后再考虑减少电器与触头数目，努力取得较好的技术经济效果。在具体的设计过程中通常有两种作法： 第一种是根据生产机械的工艺要求与工作过程，将现有的典型环节集聚起来，加以补充修改，综合成所需要的控制线路；第二种是在找不到现成的典型环节时，则根据生产机械的工艺要求与工作过程自行设计，边分析边画图，将输入的主令信号经过适当的转换，得到执行元件所需要的工作信号。 这种方法在设计过程中，要随时增加电器元件和触头，以满足所给定的工作条件。这种方法易于拿握，但不易获得最佳方案，设计出来后还要反复审核电路的动作情况，有条件者可进行模拟试验，直至电路动作准确无误，完全满足控制原求为止。这种设计方法有以下缺点：1）在发现试画出来的线路达不到要求时，往往用增加电器元件或触头数量的方法加以解决，所以设计的线路不一定是最简单、最经济的。2）设计中可能因为考虑不周发生差错，影响线路的可靠性或工作性能。3）设计过程中需要反复修改草图，设计速度慢。4) 设计程序不固定。3. 经验设计法设计举例 下面以龙门刨床横梁升降控制线路为例来说明经验设计法。1）横梁升降机构的工艺要求 由于机床加工工件位置的高低不同，要求横梁能作上升、下降的调整运动。 为保证机床能够进行加工，横梁在立柱上必须有夹紧装置。在移动前首先将横梁放松，然后再移动到所需位置，移动到位后，随即自动夹紧。所以，横梁的上升、下降以及横梁的夹紧与放松分别由横梁升降电动机和横梁夹紧放松电动机来驱动。 动作配合上，当横梁上升时，应能自动按照放松横梁横梁上升夹紧横梁的顺序动作。横梁下降时，为防止横梁歪斜，保证加工精度，消除横梁的丝杆与螺母的间隙，横梁下降以后应有回升装置，为此要求横梁下降时能自动按照放松横梁横梁下降横梁回升 夹紧横梁的顺序动作。 横梁在上升与下降时应有限位保护。2) 控制线路设计步骤 根据工艺要求可知，横梁升降需由两台电动机(横梁升降电动机D1和夹紧放松电动机D2)来驱动，而且都具有正、反转，其中横梁升降为调整运动，故升降电机采用点动控制。 由于横梁的上升运动是按照工艺要求第3条来动作的，所以在发出“横梁上升”指令后，应先使夹紧放松电动机工作，将横梁放松，待横梁放松后，发出信号，使横梁夹紧放松电动机停止工作，同时使升降电动机起动工作，驱动横梁向上移动。横梁放松信号由复合限位开关SQ1来完成。横梁夹紧时SQ1不受压处于原始状态，当横梁放松到一定程度时，夹紧装置经杠杆将SQ1压下，发出放松信号。 当横梁移动至所需位置时，撤除“横梁上升”指令，使升降电动机D1停止工作，同时接通夹紧放松电动机D2，使 D2 反向工作，通过夹紧装置使横梁夹紧。在夹紧过程中SQ1复原，为下次放松作准备，当夹紧到一定程度时，发出夹紧信号，切断夹紧放松电动机。这个夹紧信号由接于夹紧放松电动机主回路某一相的过电流继电器发出。当夹紧横梁时，夹紧电动机电流逐渐增大，当超过电流继电器整定值时，继电器动作，发出夹紧信号，切断夹紧电动机电路，上升过程结束。 横梁下降若暂不考虑回升装置的工作过程，其动作过程与横梁上升相同。由上四点出发，可设计出图4-1 所示控制线路草图。图4-1 横梁升降机构控制线路草图一在图4-1控制线路中尚未考虑横梁下降时的回升运动，并考虑到一般不采用两个常开触头的复合式按钮。在图4-1控制线路中加入一个中间继电器KA，用按钮来控制KA，再由KA来控制横梁的上升、下降、放松，并且用按钮的常闭触头来作为上升、下降的互锁触头。进一步考虑横梁下降后的回升运动。由于回升时间短，故采用断电延时的时间继电器 KT 来控制。将KT通电瞬时闭合、断电延时断开的常开触头与夹紧接触器KM4常开触头串联，再并联在上升电路中KA常开触头两端。KT 时间继电器由下降接触器KM2常开触头控制。考虑控制线路的各种保护和联锁：SQ2一一横梁与侧刀架运动的限位保护；SQ3一一横梁上升极限保护；SQ4一一横梁下降极限保护； 横梁上升与下降的互锁； 横梁夹紧与放松的互锁； FU1、FU2 一一短路保护。横梁升降机构控制线路设计完毕，最后形成图 4-2 所示控制线路。图4-2 横梁升降机构控制电路 线路的校核。控制线路设计完毕后, 往往还有不合理之处, 或有进一步简化之处，须认真仔细地校核。特别应反复校核控制线路是否满足生产机械的工艺要求；分析线路是否会出现误动作, 是否会产生设备事故和危及人身安全, 要保证安全可靠地工作。一般不太复杂的继电接触式控制线路都按此法进行设计。掌握较多的典型环节和具有较丰富的实践经验对设计工作大有益处，通过不断设计实践是能较快掌握经验设计法的。4.1.2 继电接触式控制系统的逻辑设计法 （略）详见其它参考资料。4.2 PLC控制系统设计的基本方法PLC控制系统的主电路设计原理、方法与继电接触式控制系统的主电路设计相同。以PLC核心的控制电路硬件设计方法采用经验设计法；究其控制程序的编写方法可分为：翻译法、状态转换图法和逻辑设计法。4.2.1 翻译设计法参见电子教案第7章。4.2.2 状态转换法参见电子教案第7章。4.2.3 逻辑设计法参见电子教案第7章。5 低压电器及PLC的选择5. 1 低压电器的选择在继电接触式控制线路设计完成之后, 就应着手选择各种控制电路。正确地选用控制电器是控制线路安全、可靠工作的重要保证。下面仅对常用控制电器的选用一一介绍。5.1.1 接触器的选用接触器用途广泛, 其额定工作电流或额定控制功率是随使用条件不同而变化的, 只有根据不同使用条件正确选用, 才能保证接触器在控制系统中长期可靠运行，充分发挥其技术经济效果。1. 交流接触器的选用1） 根据不同使用类别选用产品系列交流接触器共有五种使用类别, 不同的使用类别，接触器的工作条件差异很大。JK0 类用于无感或微感负载, 电阻炉负载。接通和分断额定电压下的额定电流。JK1 类用于起动和运转中断开绕线型电动机。在额定电压下, 接通和分断4倍额定电流。JK2 类用于起动、反接制动、反向与密接通断绕线型电动机。在额定电压下，接通和分断4倍额定电流。JK3 类用于起动和运转中断开笼型感应电动机。在额定电压下接通8倍额定电流, 在额定电压下分断6倍额定电流。JK4类用于起动、反接制动、反向与密接通断笼型感应电动机。在额定电压下接通和分断6倍额定电流。 目前的几个产品系列, 都是按照一定的使同类别设计的, 如CJ10系列交流接触器就是按JK3 使用类别设计的。在选择时, 首先根据接触器所控制负般的工作任务来选择相应使用类别的接触器。生产上广泛使用中、小容量的笼型感应电动机, 而且其中大部分电动机的负载是一般任务, 它相当于JK3使用类别。对于控制机床电动机的接触器来说, 负载情况比较复杂, 有JK4 类负载,也有JK3类与JK4类混合的负载, 这些都属重任务的范畴。如果负载明显地属重任务类, 自然应选用JK4使用类别的接触器, 至于负载为一般任务与重任务混合的情况, 应据实情选JK3类或JK4类接触器, 如已确定选用JK3类接触器, 它的容量应降级使用。即使如此, 其电寿命仍将有不同程度的降低。表5-1列出了CJ10系列所控制的电动机的最大容量。最大操作频率（次/h）型号额定电流（A）可控制的鼠笼式电动机的最大容量（KW）220V380V500V600CJ10-5CJ10-10CJ10-20CJ10-40CJ10-60CJ10-805102040601001.22.25.51117302.24.010.020.030.0502.24.010.020.030.050表5-1 CJ10系列交流接触器所能控制的电动机的最大容量2） 根据电动机(或其他负载)的功率和操作情况确定接触器的容量等级接触器的容量一般是按产品使用说明书提供的数据来选择。但当选用按JK3设计的接触器来控制与JK4混合类负载时往往降级使用。表 5一2 列出了CJ10-10 型交流接触器降级使用情况, 由表可知，当用 CJ10-10 型交流接触器控制 JK3 类负载的380V、4KW笼型感应电动机时 , 其电寿命可达六十万次。如果用它来控制混合类负载, 由于电寿命降低, 只能降级使用。所以, 是否降级使用, 取决于对电寿命的要求, 而电寿命又决定于生产机械的工艺要求, 也就是操作频率的要求, 若操作频率很低时, 也可不降级使用。反过来说, 降级使用后, 其操作频率也不是可以任意提高的, 因为一方面灭弧有困难, 再则电磁线圈也会因过热而损坏。倘若接触器控制的不是电动机, 而是电容器或白炽灯时, 则应以“接通”方面来考虑,因为这时接通时的冲击电流可达额定电流的十几倍, 这时，宜选用JK4使用类别的接触器,如果选用 JK3 类的接触器, 建议降低 7080 % 额定容量来使用。但要注意, 对于 JK2 类使用类别的接触器, 一般不宜用来控制 JK4 类负载, 因为它的接通能力较低，在反复接通 JK4 类负载时易发生触头熔焊现象。JK4类负载在混合类负载中所占百分数降级使用情况可控制电动机功率值P/KW电寿命/万次0%46010%2.230100%2.26.7%60100%42%60表5-2 CJ10-10 型交流接触器降级使用情况3）根据控制回路的要求选择接触器的线圈参数接触器线圈的额定电压由控制回路电压决定。4）根据使用地点的周围环境选择有关系列或特殊规格的接触器2. 直流接触器的选用直流接触器有四种工作类别：ZKl 类用于起动和运转中断开并励直流电动机。在额寇电压下接通2.5倍额定电流,在额定电压下分断4倍额定电流。ZK2 类用于起动、反接制动、反向与密接通断并励直流电动机。在额定电压下接通与分断2.5及4倍额定电流。ZK3 类用于起动和运转中断开串励直流电动机。在额定电压下接通与分断2.5及4倍额定电流。ZK4 类用于起动、反接制动、反向与密接通断串励直流电动机。在额定电压下接通与分断2.5及4倍额定电流。具体选用方法与交流接触器相同。5.1.2 继电器的选用1 电磁式控制继电器的选用 控制继电器主要按其被控制或被保护对象的工作特性来选择使用。电磁式控制继电器选用时, 除线圈电压或线圈电流满足要求外, 还应按被控制对象的电压、电流和负载性质及要求来选择, 如果控制电流超过继电器额定电流, 可将触头并联使用, 以提高长期允许通过电流。在需要提高分断能力时(一定范围内)可用触头串联方法, 但触头有效数量将减少。电流继电器具有瞬时动作、反时限动作、反时限与瞬时动作特性, 可按不同要求选取。 2 时间继电器的选用通过对各种时间继电器工作原理和典型线路的分析可知, 每一种时间继电器都有其各自的特点, 所以要合理选用以发挥它们的特长。可从以下几个方面来选择时间继电器。1） 时间继电器按其延时方式分为通电延时型和断电延时型两种, 所以选择时应当考虑一下, 选用哪一种延时方式的继电器对组成控制线路更为方便。2）凡是对延时要求不怎么高的场合, 一般宜采用价格较低的电磁式或气囊式时间继电器, 反之, 如对延时要求较高, 则宜采用电动机式或晶体管式时间继电器。3） 要考虑电源参数变化的影响, 如在电源电压波动大的场合, 采用气囊式或电动机式时间继电器就比采用晶体管式为好，而在电源频率波动大的场合, 则不宜采用电动机式继电器。4） 应考虑温度变化的影响, 通常, 在温度变化较大处, 采用气囊式和晶体管式时间继电器是不适宜的。5） 此外还应注意, 时间继电器动作过后需要一个复位时间, 它应当比固有动作时间长一些, 不然会有延时误差增大甚至不能产生延时的危险。同时, 对操作频率也要加以考虑，当操作频率过高时, 不仅影响电寿命, 还会导致延时动作失调。表5-3列出了空气阻尼式时间继电器的技术参数。型 号触点容量延时触点数量瞬时动作触点数量线圈电压（V）延时整定范围（S）操作频率（次/h）电压（V）额定电流（A）线圈通电后延时线圈断电后延时常开常闭常开常闭常开常闭S7-1AJS7-2AJS7-3AJS7-4A380380380380555511111111111136272203800.460及0.4180600表5-3 JS7-A空气阻尼式时间继电器的技术参数3 热继电器的选用热继电器选择是否得当, 往往是决定它能否可靠地对电动机进行过载保护的关键因素。应按电动机的工作环境要求、起动情况、负载性质等方面来考虑。1) 原则上