五邑大学机电传动控制第5章

1、第第5章章 机床电气控制电路设计机床电气控制电路设计 郝晓曦 电气控制系统是机床重要组成部分，它对机床能否正 确与可靠的工作起着决定性的作用。 近代机床高效率的生产方式使得机床的结构与电气控 制密切相关，因此机床电气控制系统的设计应与机械部分 的设计同步进行、紧密配合，拟订出最佳的控制方案。 机床的控制系统绝大多数属于电力拖动控制系统，因 此机床电力装备设计的基本内容如下： 确定电力传动方案 设计机床电力传动自动控制线路 选择拖动电动机及电器元件，制定电器明细表 进行机床电力装备施工设计 编写机床电气控制系统的电气说明书与设计文件 机床电气控制系统设计概述机床电气控制系统设计概述 机床电气系统

2、设计机床电气系统设计 l机床电力传动方案的确定 l机床电气控制方案的确定 l控制方式的选择 l机床电器元件选择 l机床电气电路具体设计 l电气位置图的绘制 机床电力传动方案的确定机床电力传动方案的确定 l确定机床传动的调速方式 l确定电力传动的具体方案 l确定电动机起动、制动停止、正反转的要求 返回返回 电力拖动方案确定的原则电力拖动方案确定的原则 l机床及各类生产机械电气控制系统的设 计，首要的是选择和确定合适的拖动方 案（即拖动电机），它依生产机械的调 速要求来确定。 l不要求电气调速的生产机械，且启动不频繁，用 鼠笼式异步机。 l在负载启动转矩很大时，用绕线式异步机。 l负载很平稳、容量

3、 大、且启、制动次数很少时， 用同步电动机。 l要求电气调速的生产机械， 依生产机械的调速要求 （调速范围D）进行经济性比较(设备投资、调速效率、 功率因数及维修费用等)，最后确定最佳拖动方案。 lD=23，调速级数24，一般采用改变极对数的双速 或多速鼠笼式异步电动机拖动。 lD3，且不要求平滑调速时，采用绕线转于感应电动机 拖动，但只适用于短时负载和重复短时负载的场合。 lD=310，且要求平滑调速时，在容量不大情况下，可 采用带滑差离合器的异步电动机。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。 lD=10100时，可采用（发电机-电动机组系统）或晶闸 管电源的直流拖动系

4、统。 l三相异步电动机的调速，以前主要依靠变更定于绕组的 极数和改变转子电路的电阻来实现。现阶段由于电力电 子技术和控制理论的发展而出现了新的前景，变频调速 和串级调速等已得到较为广泛的应用 电动机是机床电力拖动系统的拖动元件，在电动机的选择内容中，功率 首要，转速、型式、电压等也是必要的。功率选大，设备投资大（浪费）， 电动机欠载运行，效率和功率因数（交流电动机）降低，运行费用提高。相 反，功率小，电动机过载运行，寿命降低。 电动机容量的选择的原则电动机容量的选择的原则 电动机在满足生产机械要求的条件下，合理地确定电动机的功率。 电动机容量的选择方法电动机容量的选择方法 l分析计算法：分析计

5、算法是根据生产机械负载图，电动机的负载图比较从发 热方面进行检验此法计算工作量较大，负载图的绘制较困难，详细方法可参 阅有关资料。 l统计类比法：调查统计类比法是在不断总结经验的基础上，选择电动机容量 的一种实用方法，根据我国实际情况得出相应的计算公式。 返回 机床电气控制方案的确定机床电气控制方案的确定 l机床电气控制方案的可靠性 l电气控制方案的确定 l有触头的继电接触器控制系统 l可编程控制、数控及微机控制方案 l分散控制、集中控制 l机床电器控制方案中需考虑的其它问题 返回返回 控制方式的选择控制方式的选择 l时间控制：利用PC的延时单元或时间继电器，将感 测系统接受的输入信号经过延时

6、后发出输出信号，从 而实现电路切换的时间控制。 l速度控制：利用速度继电器或测速发电机，间接或直 接地检测某机械部件的运动速度，以实现按速度控制 的原则。 l电流控制：借助于电流继电器，其动作反映了某一电 路中的电流变化，从而实现按电流原则的控制。 l行程控制：利用生产机械运动部件与事先安排好位置 的行程开关或接近开关进行配合，实现位置控制。 返回返回 机床常用电器元件选择机床常用电器元件选择 l电器元件选择的基本原则 l根据对控制元件功能的要求，确定电器元件类型 l确定元器件承载能力的临界值以及使用寿命 l确定元器件预期的工作环境以及供应情况 l确定元器件在应用时所需的可靠性 电器元件的选择

7、电器元件的选择 l按钮、开关的选用 l按钮：短时切换小电流控制电路。根据同时控制的路数，选 择触头对数及类型 l刀开关：接通和切断长期工作设备的电源。可根据电源种类、 电压等级、用电设备容量、所需级数及使用场合选用 l组合开关：用于电源引入与隔离。可根据电源种类、电压等 级、用电设备容量、所需级数及电气设备容量选用 l行程开关：控制运动机构的行程、讯号转换、连锁等。根据 控制功能、安装设置、电压电流等级、触头种类及数量选用 型号和结构 l自动开关：机床电路的电源引入开关，对电源设备有过载、 短路、欠压保护作用 l接触器的选用 l考虑主触头的额定电流、额定电压、吸引线圈的电压等 级 l考虑辅助触

8、头的数量和种类、操作频率 l吸引线圈的电压等级应等于控制电路的电压 l主触头额定电压应满足 l主触头的额定电流可以用经验公式计算： exec UU )( 10 3 A KU P II e e Cec l中间继电器的选用 l用于控制电路中传递与转换信号，扩大控制路数， 将小功率控制信号转换为大容量的触头控制，扩充 交流接触器及其他电器的控制作用 l根据触电的数量及种类确定型号，同时注意吸引线 圈的额定电压应等于控制电路的电压等级 l时间继电器 l选用时主要考虑延时方式、延时范围、延时精度要 求、延时触头数目等 l热继电器的选用 l根据电动机的额定电流来确定热继电器的额定电流及热元 件的电流等级。

9、对星形接线的电动机可选两相或三相结构 式的热继电器；对三角形接线的电动机应选用带断相保护 的热继电器 l熔断器的选用 l根据电路的特点及参数求出熔断体电流，再根据电流大小 选择熔断器的额定电流来确定规格型号 l额定电流经验计算公式 单台电动机长期工作 多台电动机共用一组熔断器保护时 ed ed r I I I )43( )32( eder III max ) 32( l控制变压器的选择 l根据控制电路在最大工作负载时所需要的功率进行选择，以 保证变压器在长期工作时不致超过允许温升： l变压器的容量应能保证部分已吸合的电器在起动时，仍能可 靠的保持吸合，同时又能保证将要起动的电器也能起动吸合：

10、xcbb SKS dqLjqxcb SKSSS125. 025. 06 . 0 l控制电路中某些电阻的计算 l鼠笼式异步电动机起动限流电阻的计算 l加限流电阻后，起动转矩Tqr可由下式估算： l鼠笼式异步电动机反接制动电阻计算 l电动机转速在反接制动到零的瞬时，其制动转矩的估算 式为： qe qrq q KI KK R 1)/(220 et q qr q q qr qr TK K K T K K T2, 22 q zrq zr K KK R 5 . 34110 etqzrqqzrzr TKKKTKKT 22 )()( 返回返回 机床电气电路设计机床电气电路设计 l原理图设计的一般原则 l控制系

11、统应满足生产机械的工艺要求 l力求控制电路安全可靠、简单经济 l合理选择各种电器元件 l符合人机关系、便于维修 控制线路设计的一般要求控制线路设计的一般要求 先要了解生产工艺自动控制线路提出的要求，其次要了解 生产 机械的结构、工作环境和操作人员的要求等。在进行具体线路的设计 时，一般先设 计主电路，后设计控制电路、信号电路及照明电路等。 并尽可能使简化，最后进行电器型号和规格的选择。 l应能满足生产机械的工艺要求，能按照工艺的顺序准确而可靠地工作 l线路力求简单，尽量选用标准的常用的且经过实际考验过的线路 l操作、调整和检修方便 l具有各种必要的保护装置和联锁环节，即使在误操作时也不会发生重

12、 大事故 控制电路电源选择及主回路设计控制电路电源选择及主回路设计 l控制电路电源选择 l主电路设计 l确定电动机是全压起动还是降压起动。全压起动的条件： l对于正反转控制方式，应防止误操作而引起的电源相间短路， 必须在控制电路中考虑互锁保护 l必须注意电路中的过载保护、熔断保护及其他保护元件的选 择与设置 l主电路与控制电路应保持严格的对应关系 e eb e q P S I I 44 3 电气电路的经验设计法电气电路的经验设计法 l分析国内外同类型机床的电气控制电路，使控制系统 满足设计要求 l分别设计机床控制电路中的各种基础控制环节电路， 如主电路、控制电路、辅助电路等 l主电路设计需要考

13、虑起动、正反转、自动、电动、调速等 l控制电路设计应考虑如何满足电动机的各种运动功能以及工 艺要求 l辅助电路设计考虑如何完善整个控制电路的设计，如短路、 过载、超程、零压、连锁等环节 l合理选择电气元件 l全面检查所设计电路，并对其进行调试、测试、故障 检测等 例 ：某机床有左、右两个动力头，用以铣削加工，各由 一台交流电动机拖动，另外有一滑台，用一交流电动 机拖动。 工艺要求：开始滑台先快速移动到加工位置，后自动变 为慢速进给，进给到指定位置自动停止。再由操作者 发出指令使滑台快速返回，当回到原位时自动停车。 两动力头电动机在滑台电动机正向起动后起动，而在 滑台电动机正向停车时亦停车。 电

14、路设计举例电路设计举例 主电路设计主电路设计：动力头拖动电动机要单方向旋转，两台电动 机同步起停，可用一个接触器KM3控制。滑台拖动电动机正、反 转，因而，用两个接触器KM1、KM2控制。滑台的快速移动由电 磁铁YA改变机械传动实现，由接触器KM3来控制。 控制电路设计控制电路设计： 滑台电动机的正、反转用SB1与SB2控制，停车用SB3与SB4控制。 用KM1的常开辅助触点控制KM3的线圈，如图(a)所示。滑台的快速移动 用电磁铁YA通电时，改变凸轮的变速比实现。滑台在前进和返回时都要 快速，所以分别用KM1与KM2的辅助触点控制KM4的线圈，从而控制电 磁铁YA通断。由于滑台快速前进到加工

15、位置时，要慢速进给，因而在 KM1触点控制KM4的支路上，串联行程开关SQ3的常闭触点。此部分的 辅助电路如图(b)所示。 图b 图a 联锁与保护设计：联锁与保护设计： 1）用行程开关SQ1的常闭触点控制滑台慢速进给终了 时的停车；用行程开关SQ2的常闭触点控制滑台快速返 回至原位时的自动停车。 2）KM1与KM2联锁。 3）三台电动机热保护。 线路的完善线路的完善： 线路初步设计完毕后，可能有不合理地方，因此须仔细校正。如 在图a中，用了三个KM1的常开辅助触点，接触器只有两个辅助常开触 点，必须修改。从线路的工作情况可以看出KM3常开辅助触点完全可 代替KM1的常开触点去控制磁铁YA，更改

16、后的辅助电路如图b 图a图b 控制电路的逻辑设计法控制电路的逻辑设计法 逻辑设计法是利用逻辑代数 数学公式进行线路的设计 “1”和“0”： “通”和“断” A、B、C：常开触点： A、B、C的非： 常闭触点 化简例题： 一个复杂的电器线路写成逻辑表达式，应用逻辑代数 化简和设计 KAB KAEEADKAKAZKAKBAK )()()()( 设计例题：设计例题： 某电动机只有继电器K1、K2、K3中任何一个 得电或两个得电，才运转，其它情况不运转。 )()( 321321 321321321321321321 KKKKKK KKKKKKKKKKKKKKKKKKK 设计线路时应注意的问题设计线路时

17、应注意的问题 l简化电路，减少触头，提高可靠性 l合并同类触头 l利用转换触头 l在直流电路中利用半导体二极管的单向导电性减少 触头数 l利用逻辑代数进行电路化简 合并同类触头利用转换触头 利用半导体二极管 l正确连接电器的线圈 l交流电器的线圈不能串联使用，即使两个线圈额定 电压之和等于外加电压，也不允许串联使用 l在控制线路中应避免出现寄生电路(或假回路) l根据实际情况合理安排原理图中元件的位置 l尽量减少电器不必要的通电时间 l在误操作情况下应具有必要的保护环节，如漏电保护、 短路保护、过载、过流、过压、失压保护等，还应设有合 闸、断开、事故、安全等必须的指示信号 返回返回 例：两条皮带运输机分别由两台鼠笼异步电动机拖动，由一套起停按钮控 制它们的起停。为避免物体堆积在运输机上，要求电动机按下述顺序起动 和停止： 起动时: M1起动后 M2才能起动； 停车时: M2停车后M1才能停车。应如何实现控制？ SB FR1 SB FR2 断开 断开 KMF断电 12 3 M FU Q . . . . . . FR KMR 电气位置图的绘制电气位置图的绘制 l电器布线原则 l体积大和较重的电器应安装在控制板的下面 l发热元件必须隔离安装 l灵敏元件需隔离安装、屏蔽或分开加屏蔽 l元件的安排必须遵守规定的时间间隔和爬电距离 l布线时要适当、匀称、整齐、美观 l常用配线方