8数控机床电气控制线路设计

第8章数控机床电气控制线路设计8.1普通机床电气控制线路设计8.2数控机床电气控制线路设计原则8.3数控机床电气控制线路设计一般问题8.4数控机床设计相关内容8.1普通机床电气控制线路设计

机床的电气设计是机床设计的重要组成部分，机床的电气设计应满足机床的总体技术方案要求。机床的电气设计涉及的内容很广泛，本小节将概括地介绍继电接触器控制线路设计的一般规律及设计方法。（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。以上电气设计各项内容，必须以有关国家标准为纲领。

机床电气设计内容8.2数控机床电气控制线路设计原则1.最大限度地实现机械设计和工艺的要求2.保证数控机床稳定、可靠地运行3.便于组织生产、降低生产成本、保证产品质量4.电气控制电路的设计应高度重视保证人身安全，要符合有关安全的规范和标准。各种指示信号易识别，操纵机构易操作，易切换。电气控制线路设计原则1.加工轨迹显示功能2.软盘驱动器3.DNC-B通信功能4.刚性加工螺纹功能5.网络数控功能数控系统功能的选择

数控系统除基本功能外，其生产厂家还为机床制造厂家提供了多种多样的可选功能，下面介绍几个可选功能供读者参考。8.3数控机床电气控制线路设计一般问题8.3.1电气控制线路设计注意事项1.电气控制柜应该采用冷轧钢板制作，为了保证控制柜的电磁一致性，应采用一体结构或焊接。2.控制柜安装板采用镀锌钢板，以提高系统的接地性能。3.控制柜内各个部件按照强、弱电分开安装、布线。4.各屏蔽电缆进控制柜的入口处，屏蔽层要接地。

5.各进给驱动电动机、主轴驱动电动机的动力线和反馈线直接接入驱动单元，不得经过端子转接。6.各位置反馈线、指令给定线、通信线等弱电信号线必须采用屏蔽电缆，单股线直径不低于0.2mm

，若采用双绞双屏蔽电缆则更佳。7.开关量端子板、编码盘反馈屏蔽电缆中电源线采用多芯绞合共用，以提高信号电源和这些部件的抗干扰能力。8.各部件外壳必须可靠接地。9.各结构间应可靠接地、共地。21.必须对系统提供可靠接地，接地电阻小于4Ω，并在控制柜内最近的位置接入PE接地排。2.电源线进入控制柜的位置（总空气开关前）三相对地接高压（2000V）瓷片电容，可非常明显地减少电源线进入的干扰（脉冲、浪涌）。3.各线在磁环上绕4～5圈。4.接地排采用厚度不低于3mm的铜板制作，保证良好接触、导通。在图8-1中，综合设计的注意事项集中做如下说明:8.3.2电气控制线路设计实例图8-1电气控制线路设计实例5.大电感负载（交流接触器线圈、三相异步电动机、交流电磁阀线圈等）要采用RC灭弧器吸收高压反电势，抑制干扰信号。6.伺服、控制、数控系统电源采用隔离变压器供电。7.各部件外壳、屏蔽层可靠接地，重要部件及控制柜之间的接地线截面积应不低于2mm

。8.重要部件如数控系统的交流电源应采用低通滤波器，减少工频电源上的高频干扰信号。29.若数控单元的电源采用直流24V，则可与输入输出开关量共用一个电源，建议采用开关电源;直流阀、抱闸线圈的直流电源应与前者分别采用独立的电源。10.各信号屏蔽电缆特别是码盘反馈与指令给定电缆在两端加穿过式铁氧体磁芯，可有效提高信号传输的可靠性。11.屏蔽电缆的屏蔽层应厚而密实，不应有空隙，每单根线应为多芯绞线，截面积不低于0.2mm

，信号电源线应采用多根并用（一般电源与电源地各用3根）。若采用双绞双屏蔽电缆则效果更好。28.4数控机床设计相关内容8.4.1数控机床设计的基本要求

1.工艺范围数控机床的工艺范围是指该机床适应不同生产要求的能力。

2.加工精度要保证能加工出一定精度的工件，作为工作母机的数控机床必须满足更高的精度要求。

3.柔性数控机床的柔性是指其适应加工对象变化的能力，包括空间上的柔性和时间上的柔性。4.开放性开放性是指机床与物流系统之间进行物料（工件、刀具、切屑等）交接的方便程度。5.噪声数控机床在工作中振动会产生的噪声。6.生产率和自动化机床的生产是用单位时间内机床所能加工的工件数量来表示的。数控机床的切削效率越高，辅助时间越短，其生产效率就越高。7.成本成本概念贯穿在产品的整个生命周期内，包括设计、制造、包装、运输、使用维护和报废处理等的费用，是衡量产品市场竞争力的重要指标。

8.生产周期生产周期（包括设计和制造）是衡量产品市场竞争力的重要指标，应尽可能缩短机床的生产周期。这就要求数控机床设计应尽可能采用现代设计方法。9.可靠性可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。10.机床宜人性机床宜人性是指为操作者提供舒适、安全、方便、省力等劳动条件的程度。11.绿色工程的要求所谓绿色工程是一个注重环境保护，节约资源，保证可持续发展的工程。

8.4.2机床设计方法和理论

1.设计方法计算机技术的飞速进步，为机床设计方法的发展提供了有力的技术支撑。机床的设计方法是根据其设计类型而定。

2.设计步骤

(1)主要技术指标设计主要技术指标设计是后续设计的前提和依据。包括下面几项：①用途②生产率③性能指标④主要参数⑤驱动方式⑥成本及生产周期（2）总体方案设计总体方案设计包括以下几项内容：①运动功能设计②基本参数设计③传动系统设计④总体结构布局设计⑤控制系统设计（3）总体方案综合评价与选择（4）总体方案的设计修改或优化（5）详细设计

①技术设计②施工设计（6）机床整机综合评价

3.机床设计的基本理论机床不同于一般的机械，它是用来生产其他机械的工作母机，因此在刚度、精度及运动特性方面有其特殊要求。

（1）精度机床精度分为机床加工精度和机床静态精度。机床加工精度是指被加工零件达到的尺寸精度、形态精度和位置精度。机床静态精度是指机床的几何精度、运动精度、传动精度、定位精度等在空载条件下检测的精度。

①几何精度是指机床在不运转时部件间相互位置精度和主要零件的形状精度、位置精度。机床的几何精度对加工精度有重要的影响，因此是评定机床精度的主要指标。

②运动精度是指机床在以工作速度运转时主要零部件的几何位置精度，几何位置的变化量越大，运动精度越低。

③传动精度是指机床传动链各末端执行件之间运动的协调性和均匀性。

④定位精度指零件或刀具等实际位置与标准位置(理论位置、理想位置)之间的差距，差距越小，说明精度越高。是零件加工精度得以保证的前提。

（2）刚度

机床的刚度指机床在外力作用下抵抗变形的能力，机床的刚度越大，动态精度越高。机床的刚度包括机床构件本身的刚度和构件之间的接触刚度。

①机床构件本身的刚度主要取决于构件本身的材料性质、截面形状、大小等。

②构件之间的接触刚度不仅与接触材料、接触面的几何尺寸和硬度有关，而且还与接触面的表面粗糙度、几何精度、加工方法、接触面介质、预压力等因素有关。

K=F/yK--机床的刚度,μm；F—作用在机床上的载荷，N；y—在载荷作用下，机床或主要零、部件的变形，N/μm

。

静载荷下抵抗变形的能力称为静刚度。动载荷下抵抗变形的能力称为动刚度，即引起单位振幅所需的动态力。如果干扰力变化很慢（即干扰力的频率远小于结构的固有频率），动刚度与静刚度基本相同。干扰力变化极快（即干扰力的频率远大于结构的固有频率时），结构变形比较小，即动刚度比较大。当干扰力的频率与结构的固有频率相近时，有共振现象，此时动刚度最小，即最易变形，其动变形可达静载变形的几倍乃至十几倍。

（3）抗振性

抗振性是指机床在交变载荷的作用下抵抗变形的能力。它包括抵抗受迫振动的能力和抵抗自激振动的能力两个方面。前者习惯上称为抗振性，后者常称为切削稳定性。

①受迫振动：物体在驱动力作用下的振动叫受迫振动，共振是受迫振动中的一个特例。

②自激振动：自激振动是在不受任何外力、激振力干扰的情况下，由切削过程内部产生的持续振动。在激振力的持续作用下，系统被迫引起的振动为受迫振动。

③振动影响因素

（4）热变形由于机床各部位的温升不同，不同材料的热膨胀系数不同，机床各部分材料产生的热膨胀量也就不同，导致机床床身、主轴和刀架等构件产生变形，称之为机床热变形。它不仅会破坏机床的原始几何精度，加快运动件的磨损，甚至会影响机床的正常运转。

（5）噪声物体振动是产生噪声的源头。机床工作时各种振动频率不同，振幅也不同，它们将产生不同频率和不同强度的声音。这些声音无规律地组合在一起即成为噪声。减少噪声的主要途径是控制噪声的生成和隔音。

（6）低速运动平稳性机床上有些运动部件，需要低速或微小位移。当运动部件低速运动时，主动件匀速运动，被动件往往出现明显的速度不均匀的跳跃式运动，即时走时停或者时快时慢的现象，这种现象称为爬行。机床运动部件产生爬行，会影响工件的加工精度和表面粗糙度。[本节作业]P2008-18-28-3

1．简述数控机床电气控制线路设计原则。答：1)最大限度地实现机械设计和工艺的要求。

2)保证数控机床能稳定、可靠地运行。

3)便于组织生产、降低生产成本、保证产品质量。

4)电气控制电路的设计应高度重视保证人身安全，要符合有关安全规范和标准。各种指示信号易识别，操纵机构易操作、易切断。2．数控机床电气控制线路设计注意事项有哪些？答：1）电气控制柜应该采用冷轧钢板制作，为了保证电柜的电磁一致性，应采用一体结构或焊接。

2)电柜安装板采用镀锌钢板，以提高系统的接地性能。

3)控制柜内各个部件按照强、弱电分开安装、布线。

4)各屏蔽电缆进控制柜的人口处，屏蔽层要接地。5)各进给驱动电动机、主轴驱动电动机的动力线和反馈线直接接入驱动单元，不得经过端子转接。6)各位置反馈线、指令给定线、通信线等弱电信号线必须采用屏蔽电缆，单股线直径不低于0．2mm

，若采用双绞双屏蔽电缆则更佳。7)开关量端子板、编码盘反馈屏蔽电缆中电源线采用多芯绞合共用，以提高信号电源和这些部件的抗干扰能力。8)各部件外壳必须可靠接地。9)各结构间应可靠接地、共地。23．数控系统应如何选择?答:1）动画／轨迹显示功能

2）软盘驱动器

3）DNC-B通信功能

4）刚性加工螺纹功能

5）网络数控功能1.PLC的工作状态有：停止STOP、运行RUN。2.数控机床的控制可分为两大部分：①是坐标轴运动的位置控制；②是数控机床加工过程的顺序控制。3.

主传动的变速有：1）无级变速2）分段无级变速3）液压拨叉变速机构4）电磁离合器变速5）内装电动机主轴变速等方式。4.一般来说，最终受控对象的数量和顺序控制程序的复杂程度从低到高依次为CNC车床、CNC铣床、加工中心、FMC（柔性制造单元）和FMS（柔性制造系统）。复习题一、填空

5.数控机床系统中常用的检测装置按信号转换方式可分为光电效应、光栅效应、电磁感应、压电效应、压阻效应和磁阻效应等类检测装置。6.CNC在工作过程中完成的任务：①加工程序的输入②数据的译码和计算③刀具补偿计算④插补计算⑤位置控制处理。7.数控机床由编程及程序载体、输入装置、CNC装置及强电控制装置、伺服驱动系统及位置检测装置、机床的机械部件组成。8.电动机正反转控制电路必须有互锁，使换相时不发生相间短路。9.三角形接法的三相异步电动机，应选用三相

的热继电器做过载保护和断相保护。10.我们可以通过改变直流电动机的主磁场和电枢绕组中电流的方向来改变电动机的转向。11.笼型异步电机的降压起动方法有：定子回路串电阻，星-三角降压起动，自耦变压器降压起动。12.刀开关又称闸刀开关，在电路中起电源引入用，当和断路器配合使用时，接通电路应先合刀开关后合断路器；分断电路时反之。13.电气原理图中，各电器的触头都按没有通电或不受外力作用时的正常状态画出。14.电器型号LA20-22D表示的低压电器是按钮开关，其中“-”前的20代表设计序号，“-”后的第一个D代表带指示灯式结构。15.机床电器维护的基本要求有：性能可靠、安全保护装置齐全、外观整洁。16.现代机床的动力主要由主轴电机来提供。17.电器是用于接通和断开电路或对电路和电气设备进行控制、操作和调节的电工器件。18.机床电气控制的主要任务是实现对机床主轴和给进控制，有时还要完成各种保护、冷却和照明等控制。19.低压隔离开关是重要的机床电源控制部件，在有电压无电流的情况下作接通或隔离电源之用。20.现代机床采用的调速系统有直流调速系统、交流调速系统等。21.低压电器按照控制对象的不同，可以划分为配电电器和控制电器。22.电气控制系统图主要有电气原理图、电气安装图、电气接线图三种。23.接触器按通电类型分为交流接触器、直流接触器两种。24.电路图中KA、SQ、SB、KM、FR、KV、KT、FU、QF分别是什么电器元件的文字符号KA电磁式继电器、SQ行程开关、SB控制按钮、KM交流接触器、FR热继电器、KV速度继电器、KT时间继电器、FU熔断器、QF低压断路器。

25.S7-200系列PLC的指令含义：LDN将常闭触点接在母线上、A串联常开触点、LPS逻辑入栈指令、ON并联常闭触点、NOT逻辑运算结果取非、ALD触点块的串联连接。26.

低压断路器主要用于

控制电路，用于接通和

分断

负荷电路。所以，又被称之为自动空气开关。27.

电流继电器按照用途不同可分为过电流继电器和欠电流继电器。28.PLC的工作方式为周期循环扫描，其程序执行过程分为输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。29.长动与点动运行方式的主要区别就是在控制过程中实施的控制电器能否自锁。

30.电路图中对按钮的颜色规定是：“停止”和“急停”按钮必须是红色，“起动”按钮的颜色是绿色，点动按钮必须黑色，“复位”必须是蓝色。1、电磁机构由吸引线圈、铁心、衔铁等几部分组成。

（√）2、因为交流电磁继电器的触点工作电流较小，所以其铁心端面上不需要安装短路环。

（×）3、交流接触器的灭弧罩如果损坏，一时又找不到零件更换，可以先去掉灭弧罩使用。（√）4、为了避免误操作，通常将控制按钮的按钮帽用红色表示停止按钮，绿色表示启动按钮。（√）5、安装刀开关时，刀开关在合闸状态下手柄应该向上，不能倒装和平装，以防止闸刀松动落下时误合闸。

（√）二、判断6、单相电机多用于家电方面。

（√）7、直流电磁铁与交流电磁铁的区别之一是是否有振动和噪声。

（√）8、电动机的额定功率，既表示输入功率也表示输出功率。

（×）9、西门子S7系列可编程序控制器分为S7-400、S7-300、S7-200三个系列，其中S7-400是小型机。

（×）10、异步电机只有转子转速和磁场转速存在差异时，才能运行。

（√）11、可以用过电流继电器来做电动机的过载保护。（×）12、在用户程序中，每个线圈可以多次使用。

（×）13、梯形图程序设计语言（LAD）是最常用的一种程序设计语言。

（√）14、变压器在原边外加额定电压不变的情况下，副边电流大，导致原边电流也大，因此变压器的主磁通也大。

（×）15、只要操作人员不违章操作，就不会发生电气故障。

（×）16、一台直流发电机若把电枢固定，而电刷与磁极同时旋转，则在电刷两端仍能得到直流电压。

（√）17、直流电动机的人为特性都比固有特性软。

（×）18、低压断路器又称为自动空气开关。（√）19、顺序功能图的三要素是：步、转换和动作。

（√）20、电动机的接地装置因为不影响电动机的正常使用，所以有的时候可以不接。

（×）

三、选择

1、交流接触器的（B

）发热是主要的。

A.线圈B.铁心

C.触头2、直流接触器通常采用的灭弧方法是（C

）。

A.栅片灭弧B.电动力灭弧C.磁吹灭弧3、由于电弧的存在将导致（A

）。

A.电路分断时间加长

B.电路分断时间缩短

C.电路分断时间不变4、某交流接触器在额定电压380V时的额定工作电流为100A，故它能控制的电机功率约为（

A）。（1KW约为2A电流）

A.50KWB.20KWC.100KW5、在延时精度要求不高，电源电压波动较大的场合，应使用（C

）时间继电器。

A.空气阻尼式B.电动式C.晶体管式6、下列电器中不能实现短路保护的是（B

）。

A.熔断器

B.热继电器

C.空气开关

D.过电流继电器7、按下复合按钮时（A

）。

A.动断点先断开

B.动合点先闭合

C.动断动合点同时动作8、热继电器过载时双金属片弯曲是由于双金属片的（B

）。

A.机械强度不同

B.热膨胀系数不同

C.温差效应9、在螺旋式熔断器的熔管内要填充石英沙，石英沙的作用是（A

）。

A.灭弧

B.导电C.固定熔体使其不摇动绝缘10、在下列型号中，行程开关的型号为（B

）。

A.LA19—2HB.LX19—111C.LW6—311、用来分断或接通主电路的是交流接触器的（B）。A.辅助触点B.主触点12、以下不属于保护电器的是（A

）。

A.行程开关

B.空气开关

C.热继电器D.熔断器13、OUT指令不可用在对（

C）的输出。A.QB.MC.ID.S14、空气开关不具有（C

）保护。

A.短路

B.过载

C.欠流

D.欠压15、三相带断路保护、额定电流是20A的热继电器，其型号应为（B

）。

A.JR3—30/2DB.JR3—20/3D

C.JR3—30/2D.JR3—20/316、自动空气开关中的电磁脱扣器承担（C

）保护作用。

A.短路

B.过载

C.失压

D.欠压17、熔断器保护特性是当电路电流越大时，其熔断时间（B

）。

A.越长

B.越短

C.不变

D.无法判断18、热保护器的热元件（C

）接于电动机定子绕组。

A.并联B.串、并联C.串联19、AN指令的作用是：（A）

A.用于单个常闭触点与前面的触点串联连接

B.用于单个常闭触点与上面的触点并联连接

C.用于单个常开触点与前面的触点串联连接

D.用于单个常开触点与上面的触点并联连接20、数控机床进给伺服系统的负载不大，加工精度不高时，可采用（

B

）控制。

A.全闭环B.半闭环

C.开环21、下列关于世界第一台数控机床的描述正确的是（

B

）。

A.1946年在美国研制成功的

B.它是一台3坐标数控铣床

C.用它来加工直升机叶片

D.它用晶闸管-直流电机驱动22、数控机床半闭环控制系统的特点是（

B

）。

A.结构简单、价格低廉、精度差

B.结构简单、维修方便、精度不高

C.调试与维修方便、精度高、稳定性好

D.调试较困难、精度很高23、热继电器是一种利用（

A

）进行工作的保护电器。

A.电流的热效应原理

B.监测导体发热的原理

C.监测线圈温度D.测量红外线24、使用闭环测量与反馈装置的作用是为了（

C

）。

A.提高机床的安全性

B.提高机床的使用寿命

C.提高机床的定位精度、加工精度

D.提高机床的灵活性25、A指令的作用是：（C）

A、用于单个常闭触点与前面的触点串联连接

B、用于单个常闭触点与上面的触点并联连接

C、用于单个常开触点与前面的触点串联连接

D、用于单个常开触点与上面的触点并联连接26、（

C

）原点通常由厂家确定。

A.程序

B.工件坐标系

C.机床坐标系

D.编程坐标系27、具有自动换刀功能的机床是（

C

）。

A.数控车床

B.数控铣床

C.加工中心

D.数控线切割机床28、数控装置的作用是（

C

）。

A.开关量控制

B.存储加工程序

C.轨迹插补

D.驱动主轴运动29、在现代数控系统中系统都有子程序功能，并且子程序（

B

）嵌套。

A.只能有一层

B.可以有限层

C.可以无限层

D.不能。30、下列哪种数控机床不控制点与点之间的运动轨迹（

A

）。

A.数控钻床

B.数控车床

C.数控铣床

D.加工中心1.简述电压负反馈的工作原理。

答：给定电压不变，系统的输入信号经放大，可控整流器输出端电压使电动机运行在某一转速n。当某种扰动使负载增加，n下降时，电枢电流增大，晶闸管主回路中的电阻压降增大，使电枢电压减小。与此同时反馈电压随之减小，则比较增大，使输出电压回升到接近原值，部分地补偿由于负载增加而下降的转速。

四、简答

2.熔断器在电路中的作用是什么？它有哪些主要组成部件？

答：（1）在低压线路和机床电器控制系统中，是最简单、最常用的短路保护电器。

（2）熔断器是由熔断管和熔体及导电