机床控制与PLC线路设计及元件选择

1、教案首页课程名称 机床电气控制技术 任课教师：韩红彪第四章 机床电控系统的设计 计划学时：4教学目的和要求：通过讲述机床电控系统设计的一般原则、基本内容、设计程序、方法步骤、电气控制电路设计的主要参数计算和元器件选择、电气控制装置的工艺设计等，使学生掌握机床电气控制线路的设计过程，掌握电气元器件的选择。重点：机床电气控制线路设计过程和电气元器件的选择难点： 根据电气原理图和实际情况选择电气元器件思考题：1、如何提高机床电控系统工作的可靠性？2、机床电控系统设计时主要包括哪些保护环节？3、电器元件选择时电气参数是否选择越大越好？参考书：电气控制与可编程控制器，陈立定，华南理工大学出版社电气控制与

2、可编程序控制器应用技术，郁汉琪，东南大学出版社机床电气控制技术，齐占庆，机械工业出版社教案首页课程名称 机床电控与PLC 任课教师：韩红彪第四章第一节 机床电控系统设计的一般原则、基本内容和设计程序第四章第二节 机床电控系统设计的方法和步骤 计划学时： 2教学目的和要求：讲授机床电控系统设计的一般原则、基本任务和内容、设计程序等，电路设计的基本设计方法与基本步骤。要求学生掌握机床电气设计的一般内容和基本步骤。重点：机床电控系统设计的基本任务、内容、设计方法与基本步骤难点：机床电控系统设计的一般原则、设计方法与步骤思考题：机床电控系统设计时的编制设计任务书的依据是什么？参考书：电气控制与可编程控

3、制器，陈立定，华南理工大学出版社电气控制与可编程序控制器应用技术，郁汉琪，东南大学出版社第四章 机床电控系统的设计 主要包括原理设计和工艺设计第一节 机床电控系统设计的原则、内容和设计程序一.机床电控系统设计的一般原则和基本要求(1)熟悉所设计机床(设备)的总体技术要求及工作过程。弄清其它系统对电气控制系统的技术要求。(2)了解所设计机床(设备)的现场工作条件，电源及测量仪表种类等情况。(3)依据总体技术要求、通过技术经济分析，选择出最佳的传动方案和控制方案。(4)设计结构简单、技术先进、工作可靠、维护方便、经济耐用的电气控制电路。进行模拟试验，验证其能满足所设计机床的工艺要求。(5)保证使用

4、安全。贯彻最新国家标准，按“GB522685”规定进行设计。电气控制方案的确定为满足生产工艺的某些需要，在机床电气控制方案中还应考虑以下诸方面的问题：采用自动循环或半自动循环，手动调整，工序变更，系统的检测、各个运动之间的联锁，各种安全保护，故障诊断、信号指示，照明及人机关系等。控制方式的选择控制方式主要有时间控制、速度控制、电流控制及行程控制。二. 机床电控系统设计的基本任务和内容三、机床电控系统设计的一般步骤(1)拟定电气设计的技术条件(任务书)；(2)确定动力传动方案和控制方案；(3)设计电气控制原理图；(4)选择电气元器件及装置；制订电气设备、装置、元件、器件的清单及备件、易损件的清单

5、；(5)绘制电气安装图、位置图、互连图；(6)设计电气柜、操作台、配电板及非标准器件与零件；(7)编写设计计算书及使用说明书。包括操作顺序、调试方法、维护保养等说明。据实际情况，以上内容步骤可作适当调整。四、机床电控系统设计的技术条件 机床电气设计的技术条件通常以任务书的形式表达。它是整个电气设计的依据。在任务书中，除了简要说明所设计的机床(设备)型号、用途、工艺过程、技术性能、传动参数及现场工作条件外，还必须说明：(1)用户供电电网的种类(AC或DC)、电压、频率及容量；(2)有关传动的基本特性：如运动部件的数量及用途；负载特性，调速指标；电动机的起动、制动、反向要求等；(3)有关电气控制的

6、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，测量显示、故障报警及照明等要求；(5)机床主要电气设备(电动机、执行电器及行程开关等)的参数及布置框图。该技术任务书是依据机床设计总体技术方案拟定的。 第二节 机床电控系统设计的方法与步骤一、原理图的设计方法电器控制线路的设计方法有两种，一种是分析设计法或经验设计法，它是根据生产工艺的要求，按照电动机的控制方法与典型环节线路直接进行设计。这种方法比较简单，但对比较复杂的线路，设计人员必须具有丰富的工作经验，需绘制大量的线路图并经多次修改后才能得到符合要求的线路，而

7、所得到的方案却并非是最佳方案。另一种为逻辑设计法，它是利用逻辑代数进行设计的。按此方法设计的线路结构合理，可节省所用元件的数量，方案将是最佳的。但这冲方法难度较大，因而一般电气设计人员并不用此方法。本节对逻辑设计法只作一般介绍，读者有兴趣可参阅有关书籍阅读。1、经验设计法的基本步骤(1) 收集分析现有国内外同类型机床的电气控制电路，使控制系统满足设计原则。(2) 根据生产机械对电气控制电路的要求，首先设计各个独立环节的控制电路，然后由各个控制环节之间的关系进一步拟定联锁电路及辅助电路的设计。一般的机床电气控制电路设计包括动力电路、控制及辅助电路的设计。动力电路设计主要考虑电动机的起动、正反转、

8、制动、点动及多通电动机的调速等。控制电路设计主要考虑如何满足电动机的各种运动功能及生产工艺要求，包括实现加工过程自动或半自动化的控制等。辅助电路设计主要考虑如何完善整个控制电路的设计，包括短路、过载、超程、零压、联锁、光电测试、信号、照明等各种保护环节。(3) 合理选择各种电器元件。符合人机关系，便于使用和维修。(4) 全面检查所设计电路，在条件允许情况下，进行模拟试验、克服在工作道程中因误动作而产生的事故因素，逐步完善整个电气控制电路的设计。2、经验设计法的基本特点(1) 其设计过程是逐步完善的，一般不易获得最佳设计方案。但该方法简单易行。（2）需反复修改草图。故会影响设计速度。（3）需要有

9、一定的经验才能进行设计，在设计中往往会刚考虑不周而影响电路的可靠性。（4）一般需进行模拟试验。二、电气原理图设计的基本步骤三、原理图设计中的一般要求1电气控制原理应满足工艺的要求2控制电路电源种类与电压数值的要求3确保控制电路工作的可靠性和安全性（1）元器件的工作要稳定可靠。（2）符合国家标准注意事项：正确连接电器线圈；合理安排电器元件和触头的位置；防止出现寄生电路；尽量减少连接导线的数量，缩短连接导线的长度；控制电路工作时尽量减少通电电器的数量，以降低故障的可能性并节约电能。4应有必要的保护环节5操作维修方便6控制电路力求简单经济教案首页课程名称 机床电控与PLC 任课教师：韩红彪第四章第三

10、节 电气控制电路设计的主要参数计算和元器件选择第四章第四节 电气控制装置的工艺设计 计划学时： 2教学目的和要求：通过举例讲授电气控制电路设计的主要参数计算和元器件的选择、讲述电气控制装置的工艺设计的内容。要求学生掌握电路设计的主要参数计算和元器件的选择方法、电气控制装置的工艺设计的内容。重点：电路设计的主要参数计算和元器件的选择方法难点：电路设计的主要参数计算和元器件的选择方法思考题：如何根据实际情况选择合适的低压电器的型号、参数？参考书：电气控制与可编程控制器，陈立定，华南理工大学出版社电气控制与可编程序控制器应用技术，郁汉琪，东南大学出版社第三节 电控电路设计的参数计算和元器件选择一、电

11、器元件的可靠性随着工业生产和科学技术的发展，自动化控制系统的规模越来越大、一个大型的自动化控制系统往往需要几万个元件。因此，整个系统的可靠性与其所用元件的可靠性有着密切的关系。若某一个串联系统，其中只要有一个元件失效，就会使整个系统发生故障，致使整个设备停工所造成的损失要远远超过该元件本身的价值。可见，如何正确选用好元件，对控制系统电路的设计是很重要的。二、电器元件选择的基本原则1、根据对控制元件功能的要求，确定电器元件类型。以继电接触器控制系统为例，当元件用于通、断功率较大的动力电路时，应选交流接触器；若元件用于切换功率较小的电路(控制电路或微型电机的主电路)时，则应选择中间继电器；若还伴有

12、延时要求，则应选用时间继电器；伴有限位控制，则应选用行程开关等。2、确定元器件承载能力的临界值及使用寿命主要是根据电器控制的电压、电流及功率的大小来确定元件的规格。3、确定元器件预期的工作环境及供应情况。如防油、防尘、防爆及货源等。4、确定元器件在应用时所需的可靠性等。确定用以改善元器件失效率用的老炼或其它筛选试验失效率。采用与可靠性预计相适应的降额系数。进行一些必要的计算或校核。三、电器元件的选择四、机床电气控制线路设计举例一）CW6163型卧式车床控制要求(1)机床主运动和进给运动由电动机M1集中传动，主轴运动的正反向(满足螺纹加工要求)是靠两组摩擦片离合器完成的。(2)主轴制动采用液压制

13、动器。(3)刀架快速移动由单独的快速电动机M3拖动。(4)冷却泵由电动机M2拖动。(5)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纵。电动机型号：主电动机M1：Y160M-4，11kW，380V ，23.0A ，1460 r/min冷却泵电动机M2：JCB-22，0.15kW，380V ，0.43A ，2790 r/min快速移动电动机M3：Y90S-4，1.1kW，380V ，2.8A ，1400 r/min二）CW6163型卧式车床电气原理图设计三）选择电气元件 1、电源引入开关Q为电源隔离开关，不用来直接起停电动机，可按三台电动机的额定电流之和26.23A来选

14、择。最大启动电流23×70.432.8164.23A组合开关的选择主要依据：电源种类、电压等级、相数、电气设备的额定容量进行选用。开关的额定电压应大于被控电气设备的额定电压等级、额定电压500V的开关适用于交流380V，额定电压250V的开关适用于交、直流220V的控制。开关的额定电流一般取机床设备额定电流的1.53倍。常用产品有HZ系列：HZl、HZ2NZ10等。额定电流有10A,25A,35A,60A等。所以可选择HZ10-35/3型。断路器选择：(1) 额定工作电压应大于或等于线路或设备的额定工作电压。 (2) 主电路额定工作电流大于或等于负载工作电流。(3) 过载脱扣整定电流

15、应大于或等于负载工作电流。(4) 额定通断能力应大于或等于电路的最大短路电流。(5) 欠电压脱扣器额定电压等于主电路额定电压。(6)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。(7)保护电动机时，电磁脱扣器的瞬时脱扣整定电流应为电动机起动电流的1.7倍。所以可选择DZ10-100/30A2、热继电器KR1、KR2热继电器的选择主要根据电动机的额定电流来确定。对星形接线的电动机可选两相或三相结构式的，对三角形接线的电动机，最好选择带断相保护的热继电器。所选用的热继电器的整定电流通常与电动机的额定电流相等。对过载能力差的电动机，其整定电流可调节在下限值或更小一些。热继电器的额定电流

16、值，一般按被保护电动机额定电流的0.91.05倍选用。老产品常用JR0系列；新产品有LR1-D系列及西门子3UA系列。对主电动机M1额定电流为23A，KR1应选择JR0-40型热继电器，热元件电流为25A，整定电流调节范围为1625A，工作时将额定电流调整为23A。同理，对冷却泵电动机M2额定电流为0.43A，KR2应选择JR10-10型热继电器，热元件电流为0.64A，整定电流调节范围为0.400.64A，工作时将额定电流调整为0.43A。3、熔断器FU1、FU2、FU3熔断器的选择方法是，据电路的特点及参数求出熔体电流，再据熔体电流大小选择熔断器的额定电流来确定其规格型号。(1)负载电流平

17、稳的电气设备，如照明信号、电阻炉等，熔体电流略大于线路的额定电流，IRI(2)具有冲击电流的电气设备，如感应电动机，起动电流为额定电流的57倍，则应按经验公式计算选用。在确定熔断器额定电流时还应考虑接触器触头的承受能力。对单台长期工作(不频繁起动)电动机，则有 Ir=(23)Iem对单台频繁起动的电动机，则有 Ir=(34)Iem Iem为电动机的额定电流；对多台电动机长期共用一组熔断器保护，则有IrIm/2.5Im为容量最大一台电动机启动电流，加上其它电动机的额定电流。FU1是对M2、M3两台电动机进行保护的熔断器。熔体电流为：可选用RL1-15型熔断器，配10A的熔体。FU2、FU3选用R

18、L1_15型熔断器，配最小等级的熔体2A。4、接触器KM1、KM2、KM3一般接触器的选用,主要考虑：1)电源种类，选交流接触器或直流接触器2)主触头的额定电流、额定电压；3)辅助触头的数量、种类、触点额定电流；4)吸引线圈的电源种类、频率、额定电压等。值得注意的是：吸引线图的电压等级应等于控制电路的电压。 据被控电动机的容量Pe，用经验公式来计算主触头的额定电流。式中K经验常数，一般取11.4；Pe电动机功率(kW)；Ue电动机额定线电压(V)；Ic接触器主触点电流(A);Iec应选定的接触器主触点额定电流(A);Uea线路额定电压； Uec应选定的接触器额定电压；接触器主触头的额定电压应满

19、足 UecUea对KM1,由于M1的Ie=23.0A，控制回路电源127V，需主触点三对，动合辅助触点两对，动断辅助触点一对，所以选用CJ0-40型接触器，电磁线圈电压为127V。由于M2,M3电动机额定电流很小，KM2,KM3可选用JZ7-44交流中间继电器，线圈电压为127V,触点电流5A，可完全满足要求。5、控制变压器TC控制变压器是用来降低控制和信号电路电压，满足电气元件电压要求，保证控制电路安全可靠的控制电器。可从两方面考虑进行选用。(1)由控制电路在最大工作负载时所需要的功率进行选择。PTKTPxc式中 PT -变压器所需的容量(VA)； KT变压器容量储备系数(1.11.25)；

20、Pxc控制电路在最大负载时工作的电器所需要的功率(VA)，对于交流电器(交流接触器、交流中间继电器及交流电磁铁等)Pxc应取吸持功率值，一般认为这些电器功率因数近似相等；(2) 变压器的容量应满足以下条件：若部分电器已吸合后又起动吸合另一些电器时，要保证已吸合电器仍能吸合。此时PT按下式计算。PT 0.6Pxc1.5PSTPST所有同时起动的电器的总吸持功率(VA)；最后所需变压器容量，应由以上两式所计算出的最大容量决定。变压器最大负载时是KM1,KM2,KM3同时工作，PTKTPxc=1.2(12×233)=68.4 VAPT 0.6Pxc1.5PST=0.6×(12&#

21、215;233)1.5×12=52.2 VA考虑到照明等其它电路容量，可选用BK-100型变压器或BK-150型变压器，电压等级：380V/127-36-6.3V，可满足辅助回路的各种电压需要。四）CW6163车床电气元件明细表 符号名称型号规格数量M1异步电动机Y160M-411kW,380V,23.0A,1460r/min1M2冷却泵电动机JCB-220.15kW,380V,0.43A,2790r/min1M3异步电动机Y90S-41.1kW,380V,2.8A,1400r/min1Q组合开关HZ10-25/133极,500V,25A1KM1交流接触器CJ0-4040A,线圈电压127V1KM2,KM3交流中间继电器JZ7-445A,线圈电压127V2KR1热继电器JR0-40额定电流25A,整定电流19.9A1KR2热继电器JR10-10热元件1号,整定电流0.43A1FU1熔断器RL1-15500V,熔体