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第十章机床电气控制线路的设计1 第九章机床电气控制线路的设计机床一般都是由机械与电气两大部分组成的，设计一台机床，首先要明确该机床的技术要求，拟订总体技术方案。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。机床电气设计涉及的内容广泛，主要是设计电气原理图，正确选择低压控制电器及编制电气元件一览表等。2 第九章机床电气控制线路的设计要求：了解机床电气设计的基本内容，重点掌握继电器―接触器控制线路设计的一般规律及设计方法，掌握普通机床电气原理图设计的一般方法，正确选择电动机、接触器、继电器、熔断器和主令电器等低压控制电器。3 9.1电气设计的一般原则9.1电气设计的一般原则9.1.1机床电气设计的基本要求(1)熟悉设计机床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。4 9.1电气设计的一般原则9.1电气设计的一般原则9.1.1机床电气设计的基本要求(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)设计机构简单、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 9.1电气设计的一般原则(5)保证使用安全，贯彻执行最新的国家标准。1.1.2机床电气设计的基本内容(1)拟订电气设计的技术条件(任务书)。(2)选择并确定电气传动形式与控制方案。6 9.1电气设计的一般原则(3)确定电动机容量。(4)设计电气控制原理图。(5)选择电气元件，制定电动机和电气元件明细表。7 9.1电气设计的一般原则(6)画出电动机、执行电磁铁、电气控制部件以及检测元件的总布置图。(7)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。(8)绘制装配图和接线图。8 9.1电气设计的一般原则(9)编写设计计算说明书和使用说明书。根据机械设备的总体技术要求和电气系统的复杂程度不同，以上步骤可增可减，某些图纸和技术文件也可适当合并或增删。9 9.1电气设计的一般原则9.1.3电气设计的技术条件电气设计的技术条件通常是以设计技术任务书的形式表达，它是整个电气设计的依据。在任务书中，除了需简要说明所设计的机械设备的型号、用途、工艺过程、技术性能、传动参数以及现场工作条件外还必须说明以下几点：10 9.1电气设计的一般原则(1)用户供电电网的种类(直流或交流)、电压、频率及容量。(2)有关电气传动的基本特性，如运动部件的数量和用途、负载特性、调速范围和平滑性，电动机的启动、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。11 9.1电气设计的一般原则(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，测量仪表的种类以及显示、报警和照明要求等。(5)机床主要电气设备(如电动机、执行电器和行程开关等)的布置草图。电气设计的技术条件，是由参与设计的各方面人员根据所设计机械设备的总体技术要求共同讨论拟订的。12 9.1电气设计的一般原则9.1.4电气传动形式的确定电气传动形式的确定是电气设计的主要内容之一，也是以后各部分设计内容的基础和先决条件。1.传动形式13 9.1电气设计的一般原则1.传动形式单电动机拖动：指用一台电动机拖动一台生产机械，通过机械传动链将动力传送到每个工作机构。当一台生产机械的运动部件较多时，这种拖动方式的机械传动机构十分复杂。多电动机拖动：指一台设备由多台电动机分别驱动各个工作机构。例如，数控机床，除必需的内在联系外，主轴、每个刀架、工作台及其他辅助运动机构，都分别由单独的电动机驱动。14 9.1电气设计的一般原则这种拖动方式不仅大大简化了生产机械的传动机构，而且控制灵活，为生产机械的自动化提供了有利的条件，现代化机械传动机构基本上采用这种拖动形式。15 9.1电气设计的一般原则2.调速性能有快速平稳的动态性能和准确定位的设备(如龙门刨床、镗床、数控机床等)，都要求一定金属切削机床的主运动和进给运动，起吊设备、机械手的某些运动机构，以及要求具有快速平稳的动态性能和准确定位的设备（如龙门刨床、镗床、数控机床等），都要求一定的调速范围。为了达到一定的调速范围，可采用齿轮变速箱、液压调速装置、双速或多速电动机以及电气的无级调速传动方案。16 9.1电气设计的一般原则重型或大型设备：主运动及进给运动，应尽可能采用电气无级调速。这有利于简化机械结构，缩小齿轮箱体积，降低制造成本，提高机床利用率。精密机械设备：坐标镗床、精密磨床、数控机床以及某些精密机械手，为了保证加工精度和动作的准确性，便于自动控制，应采取电气无级调速方案。17 9.1电气设计的一般原则电气无级调速，一般应用较先进的晶闸管一直流电动机调速系统。但直流电动机与交流电动机相比，体积大、造价高、维护困难。随着交流调速技术的发展，通过全面经济技术指标分析，可以考虑选用交流调速系统。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、可靠的三相笼型异步电动机，配以适当级数的齿轮变速箱。为了简化结构，扩大调速范围，可采用双速或多速的笼型异步电动机。18 9.1电气设计的一般原则在选用三相笼型异步电动机的额定转速时，应满足工艺条件要求，选用二极(极对数P=1)的(同步转速3000r／rain)、四极(极对数P=2)的(同步转速1500r／min)或更低的同步转速，以简化机械传动链，降低齿轮变速箱的制造成本。负载特性不同机械设备的各个工作机构，具有各不相同的负载特性T=f(n),P=f(n)。如机床的主运动为恒功率负载，进给运动为恒转矩负载。19 9.1电气设计的一般原则在选择电动机调速方案时，要使电动机的调速特性与负载特性相适应，以使电动机得到充分合理的应用。例如：双速笼型异步电动机，当定子绕组由△连接改接成双星形连接时，转速增加一倍，功率却增加很少，因此它适用于恒功率传动。20 9.1电气设计的一般原则对于低速为丫形连接的双速电动机改接成丫丫形连接后，转速和功率增加一倍，而电动机所输出的转矩却保持不变，适用于恒转矩传动。他励直流电动机的调磁调速属于恒功率调速，而调压调速则属于恒转矩调速。21 9.1电气设计的一般原则4.启动、制动和反向要求一般说来，由电动机完成机床的启动、制动和反向要比机械方法简单、容易，因此机床主轴的启动、停止、正反转运动和调速操作，只要条件允许最好由电动机完成。22 9.1电气设计的一般原则机床主运动传动系统的启动转矩一般都比较小，因此，原则上可采用任何一种启动方式。对于机床的辅助运动，在启动时往往要克服较大的静转矩，所以在必要时也可选用大启动转矩的电动机，或采用增大启动转矩的措施。23 9.1电气设计的一般原则还要考虑电网容量。对于电网容量不大而启动电流较大的电动机一定要采取限制启动电流的措施，如在定子电路中串入电阻或电抗器降压启动等，以免电网电压波动较大而造成事故。传动电动机是否需要制动，应视机械设备工作循环的长短而定。对于某些高速高效金属切削机床，为了便于测量和装卸工件或者更换刀具，宜采用电动机制动。24 9.1电气设计的一般原则如果对于制动性能无特殊要求而电动机又不需反转时，则采用反接制动可使线路简化。在要求制动平稳、准确，即在制动过程中不允许有反转可能性时，宜采用能耗制动方式。25 9.1电气设计的一般原则在起吊运输设备中常采用具有联锁保护功能的电磁机械制动(俗称电磁抱闸)，有些场合也采用再生发电制动(反馈制动)。电动机的频繁启动、反向或制动会增加过渡过程中的能量损耗，从而导致电动机过热。26 9.1电气设计的一般原则在这种情况下，必须限制电动机的启动或制动电流，或者在选择电动机的类型时加以考虑。如龙门刨床、电梯等设备常要求启动、制动、反向快速而平稳。有些机械手、数控机床、坐标镗床除要求启动、制动、反向快速而平稳外，还要求准确定位。27 9.1电气设计的一般原则这类高动态性能的设备需采用反馈控制系统、步进电动机系统、交流或直流伺服系统以及其他较复杂的控制手段来满足上述要求。结构要求电动机的结构形式应当与机械结构的要求相匹配。应用凸缘或内连式电动机可以在一定程度上改善机械结构。考虑到现场环境，可选用防护式、封闭式、防腐式甚至是防爆式的电动机结构形式。28 9.1电气设计的一般原则9.1.5控制方案的确定随着近代电子技术、计算技术、自动控制、精密测量以及机械结构与工艺的发展，机床等各种机械设备的控制方式发生了深刻的变革，各种新型控制系统不断出现，可供选用的控制方案越来越多。29 9.1电气设计的一般原则合理选择电气控制方案是简便、可靠、经济地实现工艺要求的重要步骤。控制方案的确定与上述传动形式的选择紧密相关。在选择传动形式时，要考虑如何实现控制；选择控制方案时，要在传动形式选择之后才能进行。30 9.1电气设计的一般原则选择控制方案要遵循以下三条原则。1.控制方式应与设备通用化和专用化的程度相适应以金属切削机床为例，对于一般普通机床和专用机床，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。可采用继电器一接触器控制系统，将控制线路在结构上接成固定式。31 9.1电气设计的一般原则对于万能机床，为了适应不同工艺过程的需要，其工作程序往往需要在一定范围内加以更改，在这种情况下，宜采用可编程序控制器。可编程序控制器在机械制造行业的应用已有很大发展，它是介于继电器－接触器控制系统的固定接线控制装置与电子计算机控制装置之间一种新型通用控制器。32 9.1电气设计的一般原则应用可编程序控制器可大大缩短机床、自动线、机械手的电气设计、安装和调试周期，并且可使工作程序易于变更。采用可编程序控制器可使控制器系统具有较大的灵活性和较强的控制功能，在设计时应尽量予以选用。33 9.1电气设计的一般原则微处理机现已进入机床、自动线、机械手的控制领域，而且发展速度异常迅猛。微处理机在控制功能、灵活性、可靠性和体积小巧等方面已显示出了突出的优越性。随着电子技术的发展，数字程序控制系统在机床上的应用越来越广泛。34 9.1电气设计的一般原则数控机床有较高的生产率、较短的生产周期、较高的加工精度，能够加工普通机床根本加工不了的复杂曲面零件。2.控制系统的工作方式应在经济、安全的前提下最大限度地满足工艺要求。控制方案，应考虑采用自动循环或半自动循环、手动调整、动作程序的变更、控制系统的检测，各个运动部件之间的联锁、各种保护、故障诊断、信号指示、照明以及操作方便等问题。35 9.1电气设计的一般原则3.控制线路的电源当控制系统所用电器的数量较多时，可采用直流低压供电。这样，可节省安装空间，便于与无触点元件连接，动作平稳，检修操作安全。在电气线路比较简单、电器元件不多的情况下，应尽可能用主回路电源作为控制回路电源，即可直接用交流380V或220V，简化供电设备。36 9.2电气控制线路设计对于比较复杂的控制线路，控制线路应采用控制电源变压器，将控制电压由交流380V或220V降至110V或48V、24V等，这是从安全角度考虑的，一般机床照明为36V以下电源。一般这些不同的电压等级，都是由一个控制变压器实现的。直流控制线路多用220V或110V电源。电源对于直流电磁铁、电磁离合器，常用24V直流电源供电。37 9.2电气控制线路设计9.2电气控制线路设计电气控制线路设计是在前述的传动形式及控制方案选择的基础上进行的，其中，电气原理图的设计是机床电气设计中的一个重要环节。38 9.2电气控制线路设计9.2.1电气控制线路设计遵循的原则(1)应最大限度地满足生产机械的工艺要求。(2)力求控制线路安全、可靠、简单、经济。(3)合理选择各种电气元件。(4)便于操作和维修，符合人机关系。39 9.2电气控制线路设计9.2.2控制线路电源的选择及动力线路设计1.控制线路电源的选择可根据经验和有关手册进行选择。表9-1列出了机床控制线路常用的电源电压。40 9.2电气控制线路设计控制线路的类型常用的电压值／V电源设备交流电力传动的控制系统中控制线路较简单、交流380、220直接采用动力电源交流电力传动的控制系统中控制线路较复杂220、110采用控制变压器照明及信号指示线路48、36、24、6采用电源变压器直流电力传动的控制线路直流220、110整流器直流电磁铁及离合器的控制线路24整流器41 9.2电气控制线路设计2.动力线路的设计对于三相笼型异步电动机，主要问题是根据工艺要求来选择动力线路电动机的启动、制动、正反转控制及动力线路的保护环节。42 9.2电气控制线路设计2.动力线路的设计对于三相笼型异步电动机，主要问题是根据工艺要求来选择动力线路电动机的启动、制动、正反转控制及动力线路的保护环节。43 9.2电气控制线路设计(1)确定电动机是全压启动还是降压启动。对于小容量的电动机，当其容量不超过供电变压器容量的20％时，一般可采用直接启动，也可以根据经验公式进行判断。全压启动的条件为44 9.2电气控制线路设计式中：Ist——电动机全压启动电流(A)；IN——电动机额定电流(A)；PN——电动机额定功率(kW)；SN.B——电源变压器额定容量(kVA)。45 9.2电气控制线路设计(2)对于正反转控制方式，应防止误操作引起的电源相间短路，必须在控制线路中采取互锁保护的措施。(3)必须注意动力线路中的熔断器保护、过载保护、过流保护及其他安全保护等元器件的选择与设置。(4)动力线路与控制线路应保持严格的对应关系。46 9.2电气控制线路设计9.2.3控制线路的经验设计法1.经验设计法的基本步骤(1)收集分析国内外现有同类设备的相关资料，使所设计的控制系统合理，满足设计要求。(2)控制线路设计。一般的机床电气控制线路设计包括主电路、控制电路和辅助电路等的设计。47 9.2电气控制线路设计首先进行主电路设计：主要是考虑从电源到执行元件(例如电动机)之间的线路设计。然后进行控制电路设计：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化或半自动化的控制。48 9.2电气控制线路设计最后考虑如何完善整个控制电路的设计、各种保护、联锁以及信号、照明等辅助电路的设计。(3)全面检查设计电路，有条件时，可进行模拟试验，以进一步完善设计。(4)合理选择各电气元件。49 9.2电气控制线路设计2.经验设计法的基本特点(1)设计过程是逐步完善的，一般不易获得最佳的设计方案。但该方法简单易行，应用广。(2)需反复修改，影响设计速度。(3)需要一定的经验，设计中往往会因考虑不周而影响电路的可靠性。(4)一般需要进行模拟试验。50 9.2电气控制线路设计3.提高经验设计法可靠性的注意事项(1)应尽量避免许多电器依次动作才能接通另一个电器的现象。如图9.1所示，图(a)中继电器1K得电动作后，2K才动作，而后3K才能接通得电。因此3K的动作要通过lK和2K两个继电器的动作；但图(b)中3K的动作只需lK继电器动作，而且只需经过一对触点，工作可靠。51 9.2电气控制线路设计(2)设计线路时，应正确连接电器的线圈。①在设计控制线路时，电器线圈的一端应接在电源的同一端，如图9.2(a)所示，继电器、接触器以及其他电器的线圈一端统一接在电源的同一侧，使所有电器的触点在电源的另一侧。这样当某一电器的触点发生短路故障时，不至于引起电源短路，同时安装接线也方便。52 9.2电气控制线路设计53 9.2电气控制线路设计②交流电器线圈不能串联使用。两个交流电器的线圈串联使用，一个线圈最多得到1/2的电源电压，由于吸合的时间不尽相同，只要有一个电器吸合动作，它的线圈上的电压降也就增大，从而使另一电器得不到所需要的动作电压。如图9.2(b)所示，1KM与2KM串联是错误的。54 9.2电气控制线路设计③在控制线路中应尽量减少电器触点数量。在控制线路中，应尽量减少触点，以提高线路的可靠性。在简化、合并触点过程中，着眼点应放在同类性质触点的合并，或一个触点能完成的动作，不用两个触点。在简化过程中注意触点的额定电流是否允许，也应考虑对其他回路的影响。在图9-3中，列举了一些触点简化的例子。55 9.2电气控制线路设计56 9.2电气控制线路设计④在设计控制线路时，应尽量减少连接导线的数量与长度。如图9.4(c)、图9.4(d)是不适当的接线方法，而图9.4(a)、图9.4(b)是适当的接线方法。因为按钮在按钮站(或操作台)，电器在电器柜里，在图9.4(a)中向按钮站的实际引线是三条，而图9.4(c)中则是四条。57 9.2电气控制线路设计至于图9.4(b)、图9.4(d)考虑到1SB与3SB和2SB与4SB分别两地操作，则图9.4(b)就比图9.4(d)少用了连接导线。⑤在设计控制线路时应考虑各种联锁关系，以及电气系统具有的各种电气保护措施，例如过载、短路、欠压、零位、限位等保护措施。⑥在设计控制线路时也应考虑有关操纵、故障检查、检测仪表、信号指示、报警以及照明等要求。58 9.2电气控制线路设计59 9.2电气控制线路设计9.2.4控制线路的逻辑设计法1.逻辑设计法的基本概念逻辑设计法，根据生产工艺的要求(工作循环、液压系统图等)，将控制线路中的接触器、继电器线圈的通电与断电，触点的闭合与断开，以及主令元件的接通和断开等看成逻辑变量，并将这些逻辑变量关系表示为逻辑函数的关系式，再运用逻辑函数基本公式和运算规律，对逻辑函数式进行简化，然后根据简化的逻辑函数式画出相应的线路原理图，最后再进一步检查、化简和完善，以获得既满足工艺要求，又经济合理的最佳设计方案。60 9.2电气控制线路设计2.逻辑设计法的一般步骤(1)按工艺要求作出工作循环图。(2)确定执行元件与检测元件，并作出执行元件节拍表和检测元件状态表。61 9.2电气控制线路设计(3)根据检测元件状态表写出各程序的特征数，并确定分组，设置中间记忆元件，使各分组所有程序能区分开。(4)列写中间记忆元件开关逻辑函数及其执行元件动作逻辑函数表达式，并画出相应的电路图。(5)对按逻辑函数表达式画出的控制电路进行检查、化简和完善。62 9.2电气控制线路设计逻辑设计法与经验设计法相比，采用逻辑设计法设计的电路较为合理，能节省所用元件的数量，能获得某逻辑功能的最简电路，但逻辑设计法整个设计过程较复杂，对于一些复杂的控制要求，必须设计许多新的条件，同时对电路竞争问题较难处理。在一般的电器控制线路设计中，逻辑设计法仅作为经验设计法的辅助和补充。63 9.2电气控制线路设计9.2.5电器布置图的绘制1.电器布置原则(1)体积大和较重的电器应安装在控制板的下面。(2)安装发热元件时，注意电柜内所有元件的温升应保持在它们的允许极限内，对散热量很大的元件，必须隔开安装，必要时可采用风冷措施。64 9.2电气控制线路设计(3)为提高电子设备的抗干扰能力，除采取接参考电位电路或公共连接等措施外，还必须把灵敏的元件分开、屏蔽或分开屏蔽。(4)元件的安排必须遵守规定的间隔和爬电距离，并考虑有关的维修条件，经常需要维护检修操作调整的电器，安装位置要适中。(5)尽量把外形尺寸相同的电气元件安装在一起，布置要适当、匀称、整齐、美观。65 9.2电气控制线路设计2.常用配线方式(1)根据机床电器布置位置，绘制机床内部接线图。对于简单的电气系统，可直接画出两个元件之间的连线；对于复杂的电气系统，接线关系采用符号标准，不直接画出两元件之间的连线。(2)分线盒进线和出线的接线关系要表示清楚，接线板的线号要排列清晰，且便于查找及配线施工。66 9.2电气控制线路设计3、电气元件位置图的绘制电气元件位置图上必须明确电气元件(如接线板、插接件、部件和组件等)的安装位置。代号必须与有关电路图和清单上所用的代号一致，并注明有关接线安装的技术条件。电气元件位置图一般还应留出为改进设计所需要的空间及导线槽的位置。67 9.2电气控制线路设计(1)各种需要的技术文件是否齐全，是否无差错。(2)各种安全保障措施是否安全。(3)控制电路能否满足机床操作的各种功能。68 9.3低压电器及电动机的选择(9)各个电气元件安装是否正确和牢靠。(5)做绝缘试验、耐压试验、保护导线连续性试验、机床的空载例行试验。9.3低压电器及电动机的选择电气控制系统是由各电气元件组成的，大型的自动控制系统所需电气元件有几千个甚至几万个。正确选用电气元件，对电气控制系统的设计很重要。69 9.3低压电器及电动机的选择9.3.1电气元件选择的基本原则选择电气元件时应考虑以下几点。(1)根据对控制元件功能的要求，确定电气元件类型。如继电器与接触器，当元件用于通、断功率较大的主电路时，应选交流接触器；若元件用于切换功率较小的电路(如控制电路)时，应选中间继电器；若伴有延时要求时，应选用时间继电器。70 9.3低压电器及电动机的选择（2）根据控制电压、电流及功率的大小来确定元件的规格，满足元器件的负载及使用寿命。(3)掌握元器件预期的工作环境及供应情况，如防油、防尘等。(4)为了保证一定的可靠性，采用相应的降额系数，进行一些必要的计算和校核。71 9.3低压电器及电动机的选择9.3.2按钮、低压开关的选用1.按钮按钮是用来短时间接通或断开小电流控制电路的开关。按钮在结构上有多种形式：旋钮式——手动旋转进行操作；指示灯式——按钮内装入了信号指示灯；紧急式——装有蘑菇形旋帽，用于紧急操作；等等。一般来说，停止按钮采用红色。72 9.3低压电器及电动机的选择按钮根据所需要的触点数、使用场合及颜色来选择。目前，在机床中常用的按钮为LA系列，见表4-3。73 9.3低压电器及电动机的选择2．低压开关低压开关主要包括如下几种:1)刀开关刀开关主要用于接通或切断长期工作设备的电源。一般刀开关的额定电压不超过500V，额定电流为l0A到上千安多种等级。有些刀开关附有熔断器。不带熔断器式刀开关主要有HD型及HS型，带熔断器式刀开关有HK、HR3系列等。表4－4列出了HR3系列刀开关的主要技术参数。74 9.3低压电器及电动机的选择75 9.3低压电器及电动机的选择刀开关根据电源种类、电压等级、电动机容量、所需极数及使用场所来选择。2)组合开关组合开关主要作为电源引入开关，也称电源隔离开关。它可以启停5kw以下的异步电动机，但每小时的接通次数不宜超过10次，开关的额定电流一般取电动机额定电流的1.5～2.5倍。76 9.3低压电器及电动机的选择组合开关主要根据电源种类、电压等级、所需触点数及电动机容量进行选用。常用的组合开关为HZ-10系列，额定电流有l0A、25A、60A和100A四种，适用于交流电压380V以下，直流电压220V以下的电气设备中。表4-5列出了组合开关的主要技术参数。77 9.3低压电器及电动机的选择78 9.3低压电器及电动机的选择3)限位开关(行程开关)限位开关是依据生产机械运动的行程位置而动作的小电流开关。它的选用主要根据机械位置对开关形式的要求，对触点数目、电压种类、电压与电流等级的要求来确定。机床常用的有LX2型、LXl9型、JLXKl型、LXWl1型和JLXK—111型微动开关等。79 9.3低压电器及电动机的选择对于要求动作快、灵敏度高的行程控制，可采用接近开关。接近开关也称为无触点限位开关，它是通过运动部件引起的电磁场变化而动作的。接近开关寿命长、可靠性好，但精度和价格不如限位开关。表9-6列出了JLXKl系列限位开关的主要技术参数。表9-6JLXKl系列限位开关的主要技术参数80 9.3低压电器及电动机的选择81 9.3低压电器及电动机的选择4)自动开关自动开关又称自动空气断路器。自动开关在机床上应用很广泛。因为自动开关既能接通或分断正常工作电流，也能自动分断过载或短路电流，分断能力强，有欠压和过载短路保护作用。选择自动开关应考虑其主要技术参数：额定电压、额定电流和允许切断的极限电流等。82 9.3低压电器及电动机的选择自动开关脱扣器的额定电流应等于或大于负载允许的长期平均电流；自动开关的极限分断能力要大于，至少要等于电路最大短路电流；自动开关脱扣器电流整定应按下面的原则：欠电压脱扣器额定电压应等于主电路额定电压；热脱扣器的整定电流应与被控对象(负载）额定电流相等；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；保护电动机时，电磁脱扣器的瞬时脱扣整定电流为电动机启动电流的1.7倍。83 9.3低压电器及电动机的选择机床常用的自动开关有DW系列、DZ系列等，表9-7列出了其主要技术参数。84 9.3低压电器及电动机的选择9.3.3熔断器的选用熔断器对电气设备的电流起过载延时和短路瞬时保护作用。熔断器的种类很多，其结构也不同，主要有插入式、螺旋式、填料封闭管式等。机床电气线路中常用的是RLl系列，其技术参数列于表9-8中。85 9.3低压电器及电动机的选择熔断器的主要元件是熔体(熔丝或熔片)。每一种电流等级的熔断器都可选配多种不同电流的熔体，如RLl-100型有60A、80A、100A三种熔体电流等级。选择熔断器，主要是选择种类、额定电压、熔断器额定电流等级及熔体的额定电流。而熔体电流是选择熔断器的关键，熔体的选择又与负载性质有关。一般按两种方法选用。86 9.3低压电器及电动机的选择(1)负载较平稳，无尖峰电流，如照明、信号、电阻炉等，按额定电流选用，即IR≥I(9-2)式中：IR—熔体额定电流；I—负载工作电流。87 9.3低压电器及电动机的选择(2)负载有尖峰电流，如异步电动机，其启动电流为额定电流的5~7倍。这样不能按其额定电流来选，应采用经验计算方法选用。对单台长期工作(不经常启动)的电动机，可用式(4-3)来选择：IR=(1.5～2.5)Ie或(9-3]式中：Ie——电动机的额定电流；88 9.3低压电器及电动机的选择(2)负载有尖峰电流，如异步电动机，其启动电流为额定电流的5~7倍。这样不能按其额定电流来选，应采用经验计算方法选用。对单台长期工作(不经常启动)的电动机，可用式(4-3)来选择：IR=(1.5～2.5)Ie或(9-3]式中：Ie——电动机的额定电流；89 9.3低压电器及电动机的选择Ist―异步电动机启动电流。对于频繁启动的电动机，式(9.3)系数应增为3～3.5。对于多台电动机长期共用一个熔断器保护的情况，则用式(9-4)来选择：IR≥(1.5～2.5)Iemax+∑Ied(9-4)90 9.3低压电器及电动机的选择式中：Iemax—容量最大的电动机的额定电流；∑Ie—除容量最大的电动机之外，其余电动机额定电流之和。也可用下式(9–5)选择：91 9.3低压电器及电动机的选择(9–5)式中：Im—可能出现的最大电流。如果几台电动机不能同时启动，则，Im为容量最大的电动机的启动电流，加上其它各电动机的额定电流，即(4–6)92 9.3低压电器及电动机的选择9.3.4接触器的选用接触器用于带有负载主电路的自动接通或切断，分交流和直流，机床中应用最多的是交流接触器。93 9.3低压电器及电动机的选择选择接触器主要考虑以下技术参数。(1)电源种类：交流或直流。(2)主触点额定电压、额定电流。(3)辅助触点种类、数量及触点额定电流。(4)电磁线圈的电源种类、频率和额定电压。(5)额定操作频率(次／h)，即每小时允许接通最多的次数。94 9.3低压电器及电动机的选择主触点额定电流一般是根据电动机容量Pd来计算，即(9-7)式中：K—经验常数，一般取l~1.4；Pd—电动机功率(kW)；Ud——电动机额定线电压(V)；Ic——接触器主触点额定电流(A)。机床常用的是CJ10系列交流接触器，它的基本技术参数见表95 9.3低压电器及电动机的选择主触点额定电流一般是根据电动机容量Pd来计算，即(9-7)式中：K—经验常数，一般取l~1.4；Pd—电动机功率(kW)；Ud——电动机额定线电压(V)；Ic——接触器主触点额定电流(A)。96 9.3低压电器及电动机的选择97 9.3低压电器及电动机的选择9.3.5继电器的选用1.热继电器的选用热继电器用于电动机的过载保护。热继电器的选择主要是根据电动机的额定电流来确定其型号与规格。热继电器元件的额定电流IN应接近或略大于电动机的额定电流Ied,即IRT=(0.95～1.05)Ied98 9.3低压电器及电动机的选择一般情况下，可选用两相结构的热继电器，对在电网电压严重不平衡，工作环境恶劣条件下工作的电动机，可选用三相结构的热继电器，对于三角形接线的电动机，为了实现断相保护，可选带断相保护装置的热继电器。99 9.3低压电器及电动机的选择如遇到下列情况，选择的热继电器的整定电流要比电动机额定电流高一些，以便进行保护。(1)电动机负载惯性转矩非常大，启动时间长。(2)电动机所带动的设备，不允许任意停电。(3)电动机拖动的为冲击性负载，如冲床、剪床等设备。100 9.3低压电器及电动机的选择常用的热继电器有JRl、JR2、JR0、JR]6等系列。JRl6B系列双金属片式热继电器，它电流整定范围广，并有温度补偿装置，适用于长期工作或间歇工作的交流电动机的过载保护，而且具有断相运转保护装置。JRl6B系列是由JR0改进而来的。该系列产品用来代替JR0的三极和带断相保护的热继电器。JRl6B系列热继电器的基本技术参数见表4－10。101 9.3低压电器及电动机的选择102 9.3低压电器及电动机的选择2.中间继电器的选用中间继电器在电路中主要起信号传递与转换作用，用它可实现多路控制，可将小功率的控制信号转换为大容量的触点动作，以驱动电气执行元件工作。可以扩充其他电器的控制作用。选用中间继电器的主要依据是控制电路的电压等级，同时还要考虑触点的数量、种类及容量满足控制线路的要求。机床上常用的中间继电器有JZ7系列、JZ8系列两种。JZ8系列为交、直流两用继电器。其基本技术参数见表4－11103 9.3低压电器及电动机的选择104 9.3低压电器及电动机的选择3.时间继电器的选用时间继电器是机床控制线路中常用电器之一。它的类型有：电磁式、空气阻尼式、电动式及电子式等。应用较多的是空气阻尼式时间继电器，它的特点是工作可靠，结构简单，延时整定范围较宽(可达0.4s～180s)。其型号有JS7-A，JSl6系列。JS7-A系列时间继电器的技术参数见表9–12。时间继电器的选择，考虑控制电路所需要的延时触点的延时方式、延时范围及瞬时触点的数目，同时要注意线圈电压等级能否满足控制电路的要求。105 4.3低压电器及电动机的选择106 9.3低压电器及电动机的选择9.3.6控制变压器的选择当机床的控制电器较多，线路又比较复杂时，最好采用经变压器降压的控制电源，以提高工作的可靠性。控制变压器的容量，可根据以下两个条件选择。107 9.3低压电器及电动机的选择控制变压器的容量，可根据以下两个条件选择。(1)根据控制电路在最大工作负载时需要的功率进行选择，以保证变压器在长期工作时不至于超过允许温升。Pb≥Kb∑PXC。(9-9)式中：Pb—变压器所需的容量(VA)；108 9.3低压电器及电动机的选择∑Pxc—控制电路在最大负载时的电器所需要的功率(VA)，对于交流电器，PXC应取该电器的吸持功率；Kb——变压器的储备系数，一般取1.1~1.25。(2)变压器的容量应能保证部分已吸合的电器在启动其他电器时，仍能可靠地保持吸合，同时又能保证将要启动的电器也能启动吸合。109 9.3低压电器及电动机的选择此时Pb按式(9-10)计算：Pb≥0.6∑PXC+1.5∑PST(9-10)式中：∑PST—所有同时启动的电磁铁在启动时所需要的总功率(VA)。式(9-10)中的∑PXC按启动时已经吸合的电器进行计算。变压器所需容量，由以上式(4-9)、式(4-10)中所算出的最大容量决定。110 9.3低压电器及电动机的选择9.3.7电动机的选择正确选择电动机具有重要意义。合理选择电动机是指从驱动机床的具体对象、加工规范，也就是要从机床的使用条件出发，从经济、合理、安全等多方面考虑，使电动机能够安全可靠地运行。1.机床用电动机容量的选择根据机床的负载功率(例如切削功率)可选择电动机的容量。然而机床的负载是经常变化的，而每个负载的工作时间也不尽相同，这就产生了使电动机功率如何最经济地满足机床负载功率的问题。111 9.3低压电器及电动机的选择机床电力拖动系统一般分为主拖动及进给拖动。1)机床主拖动电动机容量选择多数机床负载情况比较复杂，切削用量变化很大，尤其通用机床负载种类更多，不易准确地确定其负载情况。因此通常采用调查统计类比或采用分析与计算相结合的方法来确定电动机的功率。112 9.3低压电器及电动机的选择(1)调查统计类比法。在确定电动机功率前，首先要进行广泛的调查研究，分析确定所需要的切削用量，然后用已确定的较常用切削用量的最大值，在同类同规格的机床上进行切削实验并测出电动机的输出功率，以此测出的功率为依据，再考虑机床最大负载情况，以及采用先进切削方法及新工艺等，类比国内外同类机床电动机的功率，最后确定所设计的机床电动机功率，并以此选择电动机。113 9.3低压电器及电动机的选择这种方法有实用价值，且以切削实验为基础进行分析类比，符合实际情况。我国机床设计制造部门，往往采用这种方法来选择电动机容量，即对机床主拖动电动机进行实测、分析，找出电动机容量与机床主要数据的关系，以这种关系作为选择电动机容量的依据。114 9.3低压电器及电动机的选择卧式车床主电动机的功率：P=36.5D1.54(9-11)式中：P—主拖动电动机功率(kW)；D—工件最大直径(m)。立式车床主电动机的功率：P=20D0.88(4-12)式中：D——工件最大直径(mm)。115 9.3低压电器及电动机的选择摇臂钻床主电动机的功率：P=0.0646D1.19(9–13)式中：D——最大钻孔直径(mm)。卧式镗床主电动机的功率：P=0.0046D1.7(9—14)式中：D——镗杆直径(mm)。116 9.3低压电器及电动机的选择龙门铣床主电动机的功率：式中：B—工作台宽度(mm)。(2)分析与计算法。可根据机床总体设计中对机械传动功率的要求，确定机床拖动电动机功率。即知道机械传动的功率，可计算出所需电动机的功率：117 9.3低压电器及电动机的选择式中：P——电动机功率；P1——机械传动轴上的功率；η1——生产机械效率；η2——电动机与生产机械之间的效率；118 9.3低压电器及电动机的选择式中：η总—机床总效率，一般主运动为回转运动的机床取0.7～0.85；主运动为往复运动的机床取0.6～0.7(结构简单的取大值，复杂的取小值)。计算出的电动机功率，仅仅是初步确定的数据，还要根据实际情况，进行分析，对电动机进行校验，最后确定其容量。119 9.3低压电器及电动机的选择2)机床进给运动电动机容量选择机床进给运动的功率也是由有效功率和功率损失两部分组成的。一般进给运动的有效功率比较小，如通用车床进给有效功率仅为主运动功率的0.0015～0.0025，铣床为0.015～0.0025，但由于进给机构传动效率很低，实际需要的进给功率，车床、钻床的有效功率为主运动功率的0.03～0.05，而铣床为0.2～0.25。一般地，机床进给运动传动效率为0.15～0.2，甚至还低。120 9.3低压电器及电动机的选择车床和钻床，当主运动和进给运动采用同一电动机时，只计算主运动电动机功率即可。对主运动和进给运动没有严格内在联系的机床，如铣床，为了使用方便和减少电能的消耗，进给运动一般采用单独电动机传动，该电动机除传动进给外还传动工作台的快速移动。由于快速移动所需的功率比进给大得多，因此电动机功率常常是由快速移动的需要决定的。121 9.3低压电器及电动机的选择2.电动机转速和结构形式的选择电动机功率的确定是选择电动机的关键，但也要对转速、使用电压等级及结构形式进行选择。异步电动机由于结构简单坚固、维修方便、造价低廉，在机床中使用最为广泛。122 9.3低压电器及电动机的选择电动机的转速越低则体积越大，价格越高，功率因数和效率也越低，因此电动机的转速要根据机械的要求和传动装置的具体情况加以选定。异步电动机的同步转速有3000r／min、1500r／min、1000r／min、750r/min等几种，这是由电动机磁极对数不同决定的。123 9.3低压电器及电动机的选择电动机转子转速由于存在着转差率，一般比同步转速低2％～5％。一般情况下，可选用同步转速为1500r／min的电动机，这个转速下的电动机适应性较强，而且功率因数和效率也较高。若电动机的转速与该机械的转速不一致，可选取转速稍高的电动机通过机械变速装置使其一致。异步电动机的电压等级为380V。当要求宽范围而平滑的无级调速时，可采用交流变频调速或直流调速。124 9.3低压电器及电动机的选择一般来说，金属切削机床都采用通用系列的普通电动机。电动机的结构形式按其安装位置的不同可分为卧式(轴为水平)、立式(轴为垂直)等。为了使拖动系统更加紧凑，电动机应尽可能地靠近机床的相应工作部位。如立铣、龙门铣、立式钻床等机床的主轴都是垂直于机床工作台的，这时选用垂直安装的立式电动机，就不需要锥齿轮等机构来改变转动轴线的方向。又如装入式电动机，电动机的机座是床身的一部分，它安装在床身的内部。125 9.3低压电器及电动机的选择在选择电动机时，应考虑机床的转动条件。对易产生悬浮飞扬的铁屑或废料，或冷却液、工业用水等有损于绝缘的介质能侵入电动机的场合，选用封闭式结构较为适宜。煤油冷却切削刀具的机床或加工易燃合金材料的机床应选用防爆式电动机。按机床电气设备通用技术条件的规定，机床应采用全封闭扇冷式电动机。机床上推荐使用防护等级段低的IP44交流电动机。在某些场合下，还必须强迫通风。126 9.4机床电气控制线路设计举例Y系列三相异步电动机是机床上常用的三相异步电动机。Y系列电动机是全封闭自扇冷式笼型三相异步电动机，安装尺寸和功率等级符合IEC标准和DIN42673标准。本系列采用B级绝缘，外壳防护等级为IP44。YD系列三相异步电动机的功率等级和安装尺寸与国外同类型先进产品相当，因而具有互换性，便于机床配套出口。127 9.4机床电气控制线路设计举例9.4机床电气控制线路设计举例以CW6163型卧式车床的电气控制线路设计过程为例，介绍机床电气控制线路的设计方法。1.机床电气传动的特点及控制要求(1)机床主运动和进给运动由电动机1M集中传动，主轴运动的正反向(满足螺纹加工要求)是通过两组摩擦片离合器完成的。(2)主轴制动采用液压制动器。128 9.4机床电气控制线路设计举例(3)刀架快速移动由单独的快速电动机3M拖动。(4)冷却泵由电动机2M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。129 9.4机床电气控制线路设计举例电动机型号如下。主电动机1M：Y160M-411kW380V23.0A1460r／min冷却泵电动机2M:JCB-220.125kW380V0.43A2790r／min快速移动电动机3M：JO2-2l-41.1kw380V2.67A1410r／min130 9.4机床电气控制线路设计举例2.电气控制线路设计(1)主回路设计。根据电气传动的要求，由接触器1KM、2KM、3KM分别控制电动机1M、2M及3M，如图9.5所示。机床的三相电源由电源引入开关Q引入。主电动机1M的过载保护，由热继电器1FR实现，由机床前一级配电箱中的熔断器进行短路保护。冷却泵电动机2M的过载保护，由热继电器2FR实现。快速移动电动机：3M由于是短时工作，不设过载保护。电动机2M、3M设有短路保护熔断器1FU。131 9.4机床电气控制线路设计举例132 9.4机床电气控制线路设计举例(2)控制电路设计。考虑到操作方便，主电动机1M可在操作板上和刀架上分别设启动和停止按钮lSB、2SB、3SB、4SB进行操纵，如图9.5所示。接触器lKM与控制按钮组成自锁的起停控制线路。冷却泵电动机2M由5SB、6SB进行起停操作，装在操作板上。快速电动机3M工作时间短，为了操作灵活，由按钮7SB与接触器3KM组成点动控制线路，如图9.5所示。133 9.4机床电气控制线路设计举例(3)信号指示与照明电路。可设电源指示灯2HL(绿色)，在电源开关Q接通后，立即发光显示，表示机床电气线路已处于供电状态；设指示灯1HL(红色)表示主电动机运行。这两个指示灯可由接触器1KM的动合和动断两对辅助触点进行切换通电显示，如图9.5所示。在操作板上设有交流电流表A，它串联在电动机主回路中(图9.5)，用以指示机床的工作电流。这样可根据电动机工作情况调整切削用量使主电动机尽量满载运行，提高生产率，并能提高电动机功率因数。134 9.4机床电气控制线路设计举例设照明灯HL为安全照明(36V安全电压)。(4)控制电路电源。考虑安全可靠及满足照明指示灯的要求，控制线路电压为127V，照明电压为36V，指示灯电压为6.3V。(5)绘制电气原理图。根据各局部线路之间的相互关系和电气保护线路，完成电气原理图，如图9.5所示。135 9.4机床电气控制线路设计举例3.选择电气元件(1)电源引入开关Q。Q主要作为电源隔离开关用，并不用它来直接启停电动机，可按电动机额定电流来选。中、小型机床常用组合开关，选用HZl0-25/3型，额定电流为25A，为三极组合开关。136 9.4机床电气控制线路设计举例(2)热继电器1FR、2FR。主电动机1M额定电流为23.0A，1FR应选用JR0-40型热继电器热元件电流为25A，整定电流调节范围为16～25A，工作时将额定电流调整为23.0A。同理，2FR应选用JRl0-10型热继电器，选用1号元件，整定电流调节范围是0.40-0.64A，整定在0.43A。(3)熔断器1FU、2FU、3FU。1FU是对2M、3M两台电动机进行保护的熔断器，其熔体电流为137 9.4机床电气控制线路设计举例可选用RL1-15型熔断器，配10A的熔体。2FU、3FU选用RL1-15型熔断器，配2A的熔体。(4)接触器1KM、2KM、3KM。接触器1KM，根据主电动机1M的额定电流Ie=23.0A，控制回路电源为127V，需主触点三对，动合辅助触点两对，动断辅助触点一对等情况，选用CJl0-40型接触器，电磁线圈电压为127V。138 9.4机床电气控制线路设计举例由于2M、3M电动机额定电流很小，2KM、3KM可选用JZ7–44型交流中间继电器，其线圈电压为127V，触点电流为5A，可完全满足要求，对小容量的电动机可用中间继电器做接触器。5)控制变压器TC。变压器最大负载时1KM、2KM及3KM同时工作，根据式(9–9)和表9–13得Pb≥Kb∑Pxc=1.2x(12x2+3.3)VA=32.76VA139 9.4机床电气控制线路设计举例由式(9-11)得Pb=0.6∑Pxc+1.5∑PST=0.6x(12x2+3.3)+1.5x12VA=34.38VA可知变压器容量应大于32.76VA。考虑到照明灯等其他电器容量，可选用BK–100型变压器，电压等级为380V／127-36-6.3V，可满足辅助回路的各种电压需要。其他各元件的选用见表9-13。140 9.4机床电气控制线路设计举例141 9.4机床电气控制线路设计举例142 9.4机床电气控制线路设计举例4．制定电气元件明细表电气元件明细表要注明各元器件的型号、规格及数量等，见表9-135.绘制电气接线图机床的电气接线图是根据电气原理图及各电气设备安装的布置图来绘制的。安装电气设备或检查线路故障都要依据电气接线图。电气接线图要表示出各电气元件的相对位置及各元件的相互接线关系，因此要求电气接线图中各电气元件的相对位置与实际安装的位置一致，并且同一个电气的所有元件画在一起，还要求各电气元件的文字符号与原理图一致。143 9.4机床电气控制线路设计举例对各部分线路之间接线和对外部接线都应通过端子板进行，而且应该注明外部接线的去向。为了看图方便，对导线走向一致的多根导线合并画成单线，可在元件的接线端标明接线的编号和去向。接线图还应标明接线用导线的种类和规格，以及穿管的管子型号、规格尺寸。成束的接线应说明接线根数及其接线号，如图9.6所示。图9.6CW6163型卧式车床电气接线图144 9.4机床电气控制线路设计举例145