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1、第4章 电气控制线路设计生产机械种类繁多，电气控制设备各不相同，本章将以生产机械电力装置设计的基本原则及内容为主线，叙述电力拖动方案的确定，电气控制线路设计的一般要求。电气控制线路的设计以及生产机械电气设备的施工设计等。以求通过本章的学习能让学生举一反三，掌握电气控制线路的设计方法和常用控制电器的选择，掌握生产机械电气设备的施工设计、安装和调试。第一节 生产机械电力装备设计的基本原则和内容生产机械的机械结构、加工工艺、操作方式与其电气化程度密切相关，故生产机械电力装置的设计应与机械设计同时进行密切配合，并应树立工程实践的观点，最大限度地满足生产机械及工艺流程对电气控制的要求，使设计的产品经济实
2、用、安全可靠、性能先进、使用及维修方便等。机床电力装备设计的基本内容：（1）确定电力拖动方案；（2）选择电动机种类、结构形式和容量；（3）设计机床电气控制电路图；（4）选择机床电器，制订电器元件一览表；（5）进行机床电力装备施工设计；（6）编写设计计算说明书和使用说明书。第二节 电力拖动方案确定原则和电动机选择一、电力拖动方案的确定原则确定电力拖动方案时，首先应根据机床工艺要求及结构来选择电力拖动方式，确定电动机的数量，然后根据机床各运动机构要求的调速范围来选择调速方案，使电动机能得到充分合理的利用。(一)拖动方式的选择电力拖动方式有单独拖动与分立拖动两种。电气传动发展的趋向是电动机逐步接近工
3、作机构，形成多电动机的拖动方式。在具体选择时，应根据工艺及结构具体情况决定电动机的数量。（二）调速方案的选择一般金属切削机床的主运动和进给运动，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，都要求具有一定的调速范围。为此，可采用齿轮变速箱、液压调速装置、双速或多速电动机及电气的无级调速方案。在选择调速方案时，可参考以下几点：（1）重型或大型设备的主运动及进给运动，应尽可能采用无级调速。（2）精密机械设备如坐标镗床、精密磨床、数控机床等，为了保证加工精度，便于自动控制，也应采用电气无级调速方案。（3）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
4、相笼型感应电动机，配以适当级数的齿轮变速箱。为简化结构，扩大调速范围，也可采用双速或多速笼型感应电动机。（三）电动机调速性质应与负载特性相适应机械设备的各个工作机构，具有各自不同的负载特性，如机床的主运动为恒功率负载，而进给运动为恒转矩负载。在选择电动机调速方案时，要使电动机的调速性质与生产机械的负载特性相适应，以使电动机获得充分合理的使用。二、拖动电动机的选择电动机的选择包括电动机种类、结构形式、额定转速、额定电压和额定功率的选择。1根据生产机械调速要求选择电动机种类感应电动机结构简单、价格便宜、维护工作量小，但起动及调速等方面不能满足要求时才考虑选用直流电动机。具体选择原则是：（1）不需调
5、速的机械应首先考虑采用感应电动机。（2）对于周期性波动负载的长期工作机械，为消平尖峰负载，一般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采用绕线转子感应电动机。（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）对于只需几种速度，但不要求调速的生产机械，选用多速感应电动机。（5）要求大的起动转矩和恒功率调速时，常选用直流串励电动机，如电车、牵引车等。（6）对起动、调速及制动要求较高的机械，常选用直流电动机或带调速装置的感应电动机。（7）对于要求调速范围大的场合，常采用机械与电气联合调速。2根据工作环境选择电动机结构型式GB/T5226-1985机床
6、电气设备通用技术条件中规定：应根据工作环境选择电动机的结构型式。（1）在正常环境条件下，一般采用防护式电动机；在人员及设备安全有保证的前提下，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，若有防护措施的也可采用封闭型或防护型电动机。（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，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，应相应地选用隔爆型及防腐型电动机。3电动
7、机额定转速的选择对于额定功率相同的电动机，额定转速越高的电动机成本越小，越经济，但电动机转速越高，传动机构转速比愈大，传动机构愈复杂。因此，应综合考虑电动机的工作特点及生产机械结构两方面多种因素来确定电动机的额定转速。4电动机额定电压的选择电动机额定电压应与供电电源电压相一致。5电动机额定功率的选择 依据生产实践验证，选择电动机容量时，电动机的额定功率一般比拖动的机械所需之功率大10%左右为宜。第三节电气控制线路设计的一般要求电气控制系统是生产机械的重要组成部分，对生产机械能否正确可靠地工作起着决定性的作用。因此必须正确设计电气控制电路，合理选择电器元件，使电气控制系统满足以下要求：一、电气控
8、制线路要满足生产机械的工艺要求设计前，应充分了解生产机械的工作性能、基本结构、运动情况、实际加工工艺过程，然后再考虑控制方式、启动、制动、正反转及调速等控制方案设计，并设置必要的保护联锁环节，以保证生产机械工艺要求的实现。二、 控制电路中对电压的要求应符合国家标准根据GB/T52261985机床电气设备通用技术条件规定：对于具有5个以上的电磁线圈（例如：接触器、继电器、电磁阀等）或电柜外还具有控制器件或仪表的机床，必须采用分离绕组的变压器给控制和信号电路供电。当机床有几个控制变压器时，每个变压器尽可能只给机床一个单元的控制电路供电。只有这样，才能使得不工作的那个控制电路不会危及人身、机床和工件
9、的安全。如果电源具有接地中线时，在不要求专门保护措施情况下，可以把控制电路直接接到电源上，在此情况下，控制电路必须联接在相线和接地中线之间。对于电磁线圈5个以下的电气设备，控制电路可以直接接到电源上，即接在两相线之间或相线与中性线之间，这种控制电路电压不作规定，由电源电压而定。由变压器供电的交流控制电路，二次电压为：24V或48V，50Hz。对于触点外露在空气中的电路，由于电压过低而使电路工作不可靠时，应采用48V或更高的电压：110V（优越值）和220V，50Hz。直流控制电路的电压为：24V、48V、110V、220V。只能使用低电压的电子电路和电子装置可以采用其它的低电压。对于大型机床线
10、路长，串联的触点多，压降大，故不推荐使用24V或48V。三、 控制线路工作的可靠性控制线路工作的可靠性主要包括以下方面：（1）电器元件应完好无损且符合有关国家标准中的规定，工作时应稳定可靠，符合使用环境条件的要求。（2）电器元件在实际运行中，由于电磁线圈的电磁惯性、机械惯性、机械位移量等因素，使接触器或继电器线圈从通电（断电）到触点的动作有一段吸引（释放）时间，称其为电器元件的动作时间。要求电器元件的动作时间要小（需延时的除外），不影响电路正常工作。（3）电器元件的线圈和触点的连接要符合GB/T52261985的规定：每个电磁动作器件的线圈、信号灯或向信号灯供电的变压器的一次线圈，必须连接在控
11、制电路接地的一边，各个器件的触点应接在线圈和控制电路的另一边之间。如果保护继电器的触点与被它所控制的器件线圈之间的导线是在同一个电柜或壁龛内，则该保护继电器的触点可以连接在控制电路接地边和线圈之间。图4-1 错误的线圈连接凡触点不同于上述接法且能使外部控制附件（触轮、卷线机构、多路插件等）简化时，可以接在线圈和控制电路另一边之间，但必须设法避免出现故障时所产生的危险。在实际连接时，应注意正确连接电器的电磁线圈：交流电压线圈通常不能串联使用，即使是两个同型号电压线圈也不能采用串联后接在两倍线圈额定电压的交流源上，如图4-1所示。因电器动作有先有后，若KM1先动作，KM2后动作，造成KM1磁路气隙
12、先减小，使该线圈电感量增大，阻抗加大，KM1线圈分配到的电压增大，而KM2线圈电压将低于其额定电压，若低于吸动电压时，KM2将不能吸合，影响电路正常工作；同时电路电流增大，可能烧毁接触器线圈。 （4）在电器控制电路中，应尽量将所有电器的联接触点接在线圈的左端，线圈的右端直接接到电源，这样可以减少在线路内产生虚假回路，防止产生寄生电路。（5）应考虑电器触点的接通与分断能力，如果触点容量不够，可加大继电器容量或增加中间继电器。（6）尽量减少电器数量，合理安排触点位置，减少导线的数目和缩短导线的长度，以减少故障可能性节约电能。四、 保证电气控制线路工作的安全性电气控制线路在正常工作和事故情况下，应能
13、保障操作人员、电气设备、生气机械的安全，并能有效地制止事故的扩大。常用的保护措施有漏电开关保护、过载、短路、欠（失）压、过压、过流、联锁与行程保护等。五、 保证操作和维修方便电气控制线路应从操作与维修人员工作出发，力求操作简单，维修方便。第四节电气控制线路的设计生产机械电力拖动方案及拖动电动机确定以后，在明确控制系统设计要求的基础上，就可进行电气控制线路的设计。设计方法通常有：一、经验设计法经验设计法又称分析设计法，是根据生产机械的工艺要求和生产过程，参考各种电气控制电路的基本环节，或将比较成熟的电路设计按其联锁条件组合起来，加以修改和完善，最后得出最为合理的方案。1经验设计法的基本步骤：（1
14、）设计主电路。主要考虑电动机的启动、调速、制动等。（2）设计控制电路。主要考虑实现电动机的各种运转功能和生产工艺要求。（3）设计联锁保护环节。主要考虑如何完善整个控制线路的设计。（4）线路的综合审查。反复审查设计或进行模拟实验来检验。2经验设计法举例例4-1 龙门刨床横梁升降电气控制电路图的设计（1）横梁升降机构的工艺要求 。横梁升降机构的工艺要求包括：随加工工件位置高低的变化，横梁应能沿立柱作升降移动。横梁升降与横梁夹紧之间按顺序进行操作并能自动转换。横梁升降设有限位保护，夹紧电动机通过过电流继电器KOC来实现夹紧力保护。.横梁夹紧与移动以及其它相关动作之间的联锁保护。（2）电气控制线路图的
15、设计过程 设计主电路：从横梁运动要求出发，需两台异步电动机M1和M2，且都具有正反转，来实现横梁的上升与下降、夹紧与放松。所以分别用接触器KM1、KM2控制横梁升降电动机M1的正反转。因为横梁升降为短时调整运动，所以M1可采用点动控制；M2则按一定的顺序自动控制。设计控制电路：根据工艺要求，用点动按钮SB1和SB2控制横梁的上升与下降。按下SB1或SB2后，电动机M2启动并开始松开横梁。当横梁完全松开后，经机械传动机构压下行程开关SQ1以发出横梁松开完成信号，则电动机M2停转，M1开始启动并拖动横梁移动。当横梁移动到所需位置时，松开按钮，则电动机M1停转，M2反方向运转并拖动夹紧机构将横梁夹紧，夹紧的同时SQ1复位。当横梁夹紧到一定程度时，M2主电路电流升高，过电流继电器KOC动作，切断M2电路，则横梁移动操作结束。应当注意的是横梁升降移动时，不能进行夹紧工作，应采用将接触器KM1、KM2的各一对常闭触头串接在接触器KM4的线圈电路中来保证。控制电路的改进与完善：图中，控制按钮SB1、SB2均需具有两对动合触点，而正规按钮为一对动合触点和一对动断触点。为此引入一个中间继电器KA，用按钮的动合触点控制KA，再由KA来控制横梁的放松和升降；用按钮的动断触点来
