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机床电气设计入门知识汇总
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机床电气设计入门知识汇总
机床设计的入门知识
本章介绍机床电气系统设计的一般规则性知识。
第一节：
常用机床电路逻辑
一、驱动线圈与触点的关系
（一）线圈与触点
接触器、继电器等在机床控制电路中是最典型的参与控制的器件，它们都有自身的线圈和触点。
图3-1：
线圈及常开、常闭触点
器件触点又分常开（动合）触点和常闭（动断）触点，常开触点在线圈被送电激励的瞬间闭合（接通），常闭触点在线圈被送电激励的瞬间打开（分断）。
我们可以利用对线圈的通/断电来控制常开、常闭触点动作来实现局部电路的通断，并通过适当的触点互连关系来组成控制逻辑。
（二）触点在电路图中的画法
触点在电路图中，有两种画法，一是竖着画，一是横着画。
竖画时，遵行左开、右闭的原则，即常开点在左，常闭点在右。
如图3-1。
横画时，遵行上开、下闭的原则，即常开点在上，常闭点在下。
如图3-2。
图3-2：
常开、常闭触点横画
实际项目使用中，国标符号的基本结构得到比较好的采用，但画法的方向性并不规范，更多的是受个人的制图习惯影响。
二、触点的串联、并联、混联
串联：
两个触点的首尾相连的连接方式。
图3-3：
触点的串联
串联的触点必须两个同时接通时，电路才形成通路。
并联：
两个触点的首端相连、尾端相连的连接方式。
图3-4：
触点的并联
并联的触点只要有其中一个接通时，电路就形成通路。
混联：
串联、并联相混用的方式。
图3-5：
触点混联的例子
图3-5中，上面连结实际上是1、2串联，如果把1、2看做一个触点，它又和3并联；下面连接是1、3并联，如果看做一个触点，它又与2串联。
事实上，无论如何混联，通过等效电路的方法，都可以最终变为串并联的基本连接关系。
三、自锁、互锁、连锁
（一）自锁
在线圈的控制电路中，使用该线圈本身的触点，保持线圈接通后不再掉电的连接方法叫做自锁。
如图3-6：
线圈KM通过按钮SB1送电，接触器KM的辅助触点闭合，使电源被持续送到线圈，这时即使启动按钮SB1松开，线圈KM也持续供电。
KM通过其辅助触点实现了自我锁定，即自锁。
图3-6：
自锁电路
（二）互锁
互锁是通过两个对立的，不允许重复发生的事件互相连锁，形成有你无我，有我无你的控制形式，以杜绝两个事件同时发生。
这类事件如工作台的前进/后退、升降机的上升/下降、电动机的正转/反转等等，都是不允许同时发生的事件。
如果控制电路不可靠，造成同一时间内发生，轻则出现故障，重则诱发重大事故。
图3-7给出了互锁的控制逻辑。
图3-7：
互锁电路
上图中，KA1、KA2被看做是KM1、KM2控制回路的等效电路。
当KM1的控制条件满足而得电时，其辅助触点强行断开KM2线圈，使KM2线圈无法在同一时间内送电，KM1的辅助触点锁住了KM2线圈。
同理，KM2线圈送电时，KM1线圈也无法送电。
以上图中，KM1、KM2通过辅助触点彼此形成互相锁定，以避免两个对立的事件同时发生。
这就是所谓的“互锁”。
（三）连锁
连锁是指一个事件的发生作为另一个事件允许或不允许发生的条件，两个事件之间不形成对立，只形成单向锁定关系。
这样的连锁关系在现实生活和设备控制中非常多见：
如砂轮不旋转时，不允许工作台工进；吊具不打开到位时，不允许升降机下降；夹具不夹紧时，不允许加工开始等等。
我们可以用前一个事件的发生，作为后一个事件的连锁条件。
图3-7中，如果去掉KM2的辅助触点，那么KM1对KM2就形成了单向的连锁关系，即KM1得电时，KM2不允许得电。
四、启动/停止、点动
启动/停止和点动电路是最简单也最常用的电路。
（一）启动/停止电路
启动/停止电路需要两个按钮、一个接触器（继电器）来完成。
下图是启动/停止电路图。
图3-8：
启动/停止电路
如图3-8：
线圈KM通过按钮SB1送电，接触器KM的辅助触点闭合，使电源被持续送到线圈，这时即使启动按钮SB1松开，线圈KM也持续供电，除非通过按钮SB2分断一次，KM线圈才掉电。
这里的SB1为启动按钮，SB2为停止按钮。
（二）点动电路
点动也叫寸动，一般是指对运动机构的控制，即按下按钮时，输出动作，抬起按钮时，输出停止。
图3-9：
点动电路
上述电路中，即实现了点动的规定动作。
图3-10：
启动/停止、点动电路
上述电路是启动停止、点动的合成电路，即可以完成启动/停止的持续运转，又可以点动。
点动电路一般用于设备的调试、调整、修理作业。
五、自动/手动工作方式
设备控制电路常需要设置若干控制方式，最普遍用到的是自动/手动方式，有的设备为方便维修，还设有维修方式、标定方式等。
工作方式一般用主令开关（两位或三位）来选择。
当选择自动时，其自动条件被加到只有自动循环时才允许的动作逻辑中；选择手动时，其手动条件被加到只有手动调整时才允许的动作逻辑中。
图3-11：
自动/手动电路
上图中，SA1为自/手动选择开关，SB1为自动/手动复位按钮，KA1、KA2分别为自动、手动方式继电器，自动、手动回路通过辅助触点彼此互锁，并实现自锁。
后续电路中，可以引用KA1、KA2的辅助触点进行控制。
实际上，现在的电路中，这类逻辑普遍使用PLC来实现，除非比较简单的硬线盘，很少有用硬线做逻辑的了。
六、正、反转电路
下面是一个正反转控制电路。
图3-12：
正/反转控制电路
SB2、SB3分别用于启动正、反转KM1、KM2，同时正、反转通过自身辅助触点自锁和互锁。
互锁控制还通过SB2、SB3实现。
FR为电动机的保护热继电器，其下的按钮为停止按钮。
第二节：
机床电路基本结构
传统的机床电路本身又分为主电路和控制电路，前者用于分配电源、驱动电动机，是传输功率比较大的电路；后者用于完成控制逻辑，不用于传输功率。
一、主电路
最典型的主电路是电动机驱动电路，同时也包含电子半导体器件电路。
（一）供电体制
三相四线制主电路包含A、B、C三相火线和一根零/地线（接在一起），三相五线制主电路包含A、B、C三相火线和一根零线N、一根地线PE。
目前轿车公司采用的是三相五线制。
图3-13：
三相火线相电压
A、B、C之间的电压叫做线电压，为380VAC；A、B、C对零线的电压叫相电压，为220VAC。
三相电压之间相位依次相差120°。
（二）火线相序
主电路配线需要注意的一个问题是，如果机床上有电动机等对火线相序有要求的电器，ABC三相顺序就有严格要求。
以三相异步电动机为例。
相序不同时，将造成电机反转，如果一旦接错，可能引发设备事故。
（三）主电路
下图是一个晶体管整流、逆变主电路。
交流电通过二极管整流电路得到直流电，再通过IGBT功率管逆变电路得到脉动交流电。
这是典型的变频器电路的主电路。
图3-14：
变频器主电路
图3-15：
正、反转电路的主电路
上面电路中，FU2左侧为电动机正/反转电路的主电路，反转时，通过KM1进行火线相序的改变，从而获得反转。
控制电路与前面介绍相同。
下图是一个带有变频器的电动机驱动主电路，即可以实现两台电动机的直接启动（KM1、KM3通），又可以实现变频启动（KM2、KM4通）。
图3-16：
比较复杂的主电路实例
二、控制电路
控制电路指机床逻辑控制部分。
如前面提到的启动/停止、点动、正/反转电路等都是。
相对于晶体管功率电路（主电路）来讲，控制功率器件（如IGBT、SCR等）工作逻辑的电子线路也可以叫做控制电路，这属于电子技术专门课程，此处略。
图3-15中，FU2及其右侧部分即为控制电路。
复杂的机床控制电路可以做到非常复杂，不过，由于PLC技术的普及，现在复杂的机床控制逻辑已经被PLC程序取代。
三、PLC电路
PLC是计算机技术发展的产物，由于有了该项技术，机床电气控制变得越来越容易实现，并大幅度节省了硬件配线，降低了故障率。
（一）输入/输出电路
PLC电路实际上是控制电路的一部分。
下面是PLC输入/输出电路图。
PLC上边为输入电路，外部开关、按钮等器件被接到PLC输入点，把控制信号传送给PLC；下边为输出电路，PLC的输出控制通过输出点送给外部指示灯、接触器、变频器等执行电器。
图3-17：
PLC输入/输出电路
（二）程序梯形图
PLC程序图是PLC的控制软件部分，是PLC控制设备图纸必不可少的组成，对维修故障时分析设备故障原因非常重要。
它包括梯形图、逻辑图、语句表等形式，后续课程将详细介绍，此处略。
四、机床电路的功率放大作用
所谓机床电路的功率放大作用，是指机床动作逻辑不直接被输出到大功率执行电器，如电磁阀、接触器，而是先由普通的继电器等进行逻辑运算，再输出给电磁阀、接触器等大功率控制电器，通过这类电器去驱动更大负载。
图3-18：
通过中间继电器间接控制电磁阀、接触器等
如上图，PLC输出信号直接驱动KA继电器（几十毫安），继电器驱动电磁阀（1000毫安左右），避免了PLC直接驱动比较大电流的电磁阀，造成接口损坏。
维修工通常把这个方法叫做“继电器隔离”，其实就是一种功率放大过程。
这和半导体电子线路的控制放大类似，控制逻辑也是由小功率的晶体管（几个、几十个毫安）去驱动大功率晶体管（几安到几千安），最后去驱动电动机等大功率负载。
通过功率放大作用，实现了小功率逻辑信号对大功率负载的控制。
第三节：
机床电路设计规划
要合理设计机床电路，就要按如下过程进行。
一、了解工艺要求
电路设计前的第一步，是要了解机床的工艺要求，这些要求包括：
1、机床用来做什么
2、所生产产品的精度要求，决定了对零部件的选择。
3、节拍要求，影响到后期逻辑或程序设计。
4、加工顺序（工艺顺序），影响到后期逻辑或程序设计。
5、对操作的要求，影响到后期逻辑或程序设计，器件选型、布置。
等。
二、了解设备结构
了解机械工程师设计出来的设备结构，包括：
1、机械构成和大致的装配关系。
2、哪些部分为固定部分、哪些是运动部分。
3、驱动动力源选择（电动机、气、液）及力矩要求。
4、机床结构的限制，如行程、正反转、保险构件等。
等。
电路相当于为人的躯体匹配思维和神经系统，因此必须对机械结构有详细的了解，才能正确控制机床工作，并保证不损害设备。
例3-1：
从机械工程师给出的转矩、转速要求选择电动机：
依据电动机功率：
P=Mω
计算电动机的名牌功率，其中P为功率（瓦）、M为转矩（）、ω为角速度（弧度/秒）。
由于电动机的名牌功率P使用千瓦（KW），转速n使用转/分（RPM），所以上面公式要进行转换。
P=（M×2лn/60）/1000
三相交流异步电动机的转速和极对数有关（后续课程），分别为1000RPM（6极电机）、1500RPM（4极电机）、3000RPM（2极电机），不是可以连续选择的，如果要得到任意转速，还需要加机械减速机、离合器或变频器等。
算得的功率也要靠标准的功率等级，如、、1、、、、、、（KW）等。
一般留取余量为30-40%。
三、了解气/液/润滑工作时序
液压、气动、润滑等部分，机械工程师会在设计时根据自己的要求给出控制时序图，即要求电器设计时，按照他要求的动作逻辑去驱动电磁阀，以满足最终动作过程。
这个时序图一定要读懂，才能正确地设计控制电路去完成这个逻辑过程。
表3-1：
工作台进给的时序表
进给阀（KV1）
后退阀（KV2）
节流阀（KV3）
快进
+
-
-
工进
+
-
+
光刀
+
-
+
快退
-
+
-
停止
-
-
-
如上表就是一个工作台完成快进——工进——光刀——快退——停止循环过程的时序。
四、熟悉外购件使用方法
现代的产品系列中，有大量的功能电器可供选择。
如PLC、变频器、过程仪表、拧紧控制器、数控系统等，这些系统的设计有自身不同的要求，电气工程师必须详细地阅读外购产品的资料，按照其要求进行匹配设计。
需要说明的是，这些产品应用设计往往不比机床整体设计简单，大部分产品的应用设计既包括硬件线路，又包括软件设计，需要投入比较大的人力。
后面有专门的章节对这部分进行介绍。
五、组合设计
在了解了工艺要求、机械结构等细节后，可以进行组合设计。
大致过程为：
1、规划主、控制电路方案，进行功能分配，确定各部分大致设计思路。
2、确定使用的零部件，选择零部件型号、规格等，列出选型表。
3、进行器件编号、地址分配等，列出分配表，在设计过程中边设计边完善。
如各器件在图纸中的编号、作用，PLC软元件地址分配、作用（后续课程）。
表3-2：
PLC地址分配表（部分）
4、分开设计主、控制电路。
5、设计功能器件电路，如PLC、变频器电路。
6、设计功能电器程序、参数。
7、设计保护电路、匹配保护器件参数，这些电路包括短路、过载、超程等对设备的保护，及对人身伤害的保护等。
比较典型的如保护设备的空气开关、热元件、保险器设置，保护人身安全的紧急制动、门禁开关、光幕等。
8、各部分电路关联、完善。
六、故障、隐患分析
真正完善的设计应该包含一个容易忽略的细节，就是从设备实际使用经验，特别是反面教训的收集中去完善设计。
很多重复采购的设备品种，在使用中积累了大量经验教训，应该反馈到前期设计中，这是我们项目管理人员必须做的一门功课。
这些经验包括：
1、操作工人反馈的操作不轻便；
2、维修工人反馈的重复性故障和零部件早期劣化；
3、维修工人反馈的维修手段方面的困难；
4、设备发生过的安全事故；
5、设备重复发生的影响产品质量的问题；
6、其它可以预见的，可能发生的事故。
所以，我们在研讨方案时，要多汲取其它部门意见，所谓的技术要求会签，其实就是这个意思，而不是分散项目责任。
七、电路原理图
电路原理图是表示机床控制原理，详尽表达控制逻辑关系的图纸。
有了原理图，就可以正确理解设备的工作原理。
电器原理图是电气设计最重要的图纸，维修工往往凭借一张原理图，就可以独立完成维修过程。
工艺人员应该学会设计简单的原理图。
原理图要画清楚所有电器、连线之间的关系，一个器件的不同部分（如线圈、触点）可以画在图纸中的不同位置，甚至不同页，它关注的是如何正确画出控制逻辑关系。
所有的连线要有唯一的编号，我们把这叫做“线号”。
线号要用不脱色的颜料打印或手写在线号管上，然后套在接线的端部。
具体的图纸实例见第二章第三节《读图举例》，不再列出。
第四节：
安装结构设计
电路设计完成后，要进行安装结构设计，拿出布置图和接线图。
一、电气系统安装结构构成
一般电器系统的安装结构从外观直接看，包括
1、电柜
2、操作台
3、分线盒
4、过线盒
5、金属桥架
6、管线
7、直接敷设电缆
8、外部安装器件
二、电柜
电柜内主要包含主、控制电路的继电器件、变压器、保护电器、电源等，这些器件被集中安装在主电柜中。
规模比较大的设备，有些电器集中的位置，也布置分电柜，如升降机等。
一般来讲，主电柜内的元件布置要求强弱电分离，即强电器件和弱电器件在区域上分开布置，必要时要加隔离屏蔽板或分置在不同电柜中。
所以我们经常会看到多个电柜拼在一起，组成整机的主电柜组。
电柜和外部导线的进出有两种方式：
1、通过端子板进行转接，这样的连接方式比较牢靠，是用户喜欢的方式；
2、通过插头在柜壁上插接，这样的连接方式容易松动，但拆解容易，便于搬运和重新安装，是设备供应商喜欢的方式。
图3-19：
电柜布置图
电柜内元件间的接线及出柜线是通过线槽走线的，要求露线最短，横平竖直。
为了方便配线工配线，一般设计工程师要给出电柜布置图和接线图。
现在大部分电柜采用标准电柜，而不需要非标设计。
三、操作台
操作台用于集中布置操作元件，一台机床根据操作位置的便捷性需要，可以有多个操作台，但一般都有一个主操作台。
主操作台上一般包括总系统的工作模式、送电、总启动、总急停、系统操作、系统状态等集中的操作器件和设备状态信息。
操作台的布置有立式和斜面式两种，按照国家标准，各有具体要求（后续课程），总体以操作方便，肢体最小疲劳为宜。
操作台与电柜之间的接线同样可以采用插头和内部端子板两种形式。
图3-20：
操作台
操作台设计同样需要给出布置图和接线图。
四、分线盒、过线盒
分线盒用于外部集中安装元件超过1个的区域，用于把来自电柜的一捆线分散连接到各分散安装器件。
如液压站的多个电磁阀区域。
图3-21：
分线盒图3-22：
过线盒
分线盒内部一般使用端子板接线。
标准和非标设计的分线盒都有。
过线盒相当于多通，用于在布线中途，把一捆线分拆成两捆（含）以上的线束，分别去不同的区域。
五、金属桥架和管线
金属桥架用于大量导线的外部集中敷设，公司的控制标准，一般建议长于3米的导线敷设使用桥架。
金属无缝镀锌管用于较少量导线的外部敷设（几十根内），公司控制标准建议1-3米以内的导线敷设采用。
蛇皮管、编织软管、电缆直敷建议使用场合为1米以内，不建议长距离敷设。
比较正规的厂商，线路安装相对规范，但很多皮包商线路敷设喜欢电缆直接敷设，整个机床线路做得像蜘蛛织网一样。
六、外部安装器件与防护等级
（一）防护等级
电动机、行程开关、电磁阀及远程I/O模块等，都是外部安装电器部件，这些部件之所以可以外部直接安装，是因为它们的防护等级符合了现场使用要求。
事实上，不仅外部安装器件，电柜、桥架等也有相应防护要求。
防护等级的采用，要看使用环境，和设备对防护自身的要求。
那么如何定义防护等级（IP）呢
IP等级是针对电气设备外壳对异物侵入的防护等级，来源是国际电工委员会的标准IEC60529，这个标准在2004年也被采用为美国国家标准。
IP等级的格式为IPXX，其中XX为两个阿拉伯数字，第一个表示接触保护和外来物保护等级，第二个表示防水保护等级。
数字越大表示其防护等级越佳。
1、防尘等级
0无防护：
无特殊的防护；
1防止大于50mm之物体侵入：
防止人体因不慎碰到电器内部零件，防止直径大于50mm之物体侵入；
2防止大于12mm之物体侵入：
防止手指碰到电器内部零件；
3防止大于2.5mm之物侵入：
防止直径大于2.5mm的工具，电线或物体侵入；
4防止大于1.0mm之物侵入：
防止直径大于的蚊蝇、昆虫或物体侵入；
5防尘：
无法完全防止灰尘侵入，但侵入灰尘量不会影响电器正常运作；
6防尘：
完全防止灰尘侵入。
2）防水等级
0无防护：
无特殊的防护；
1防止滴水侵入：
防止垂直滴下之水滴；
2倾斜15度时仍防止滴水侵入：
当电器倾斜15度时，仍可防止滴水；
3防止喷射的水侵入：
防止雨水、或垂直入夹角小于50度方向所喷射之水；
4防止飞溅的水侵入：
防止各方向飞溅而来的水侵入；
5防止大浪侵入：
防止大浪或喷水孔急速喷出的水侵入；
6防止大浪侵入：
电器侵入水中一定时间或水压条件下，仍可确保正常运作；
7防止浸水侵入：
电器无期限沉没水中在一定水压条件下，可确保正常运作；
8防止沉没的影响。
普通的工业环境，IP54应该已经可以满足一般使用要求。
（二）安装位置要求
外部安装器件的安装位置一般有如下要求：
1、一定要安装在易于维修的位置，以缩短维修时间；
2、安装点还要有好的稳定性，不容易变形、受震动；
3、要兼顾布线的简单、节省和美观。
七、电气安装布置图/布（接）线图
电器布置图和接线图是设备安装必须的。
（一）电气布置图
布置图是进行电器外部器件安装的示意图，用于确定所有外部敷设电器及布线位置、结构。
如下场合需要提供布置图：
1、主电柜、分电柜；
2、操作台、分线盒；
3、整体机床布置；
4、局部安装结构比较复杂的部位。
图3-23：
沈阳新松公司AGV（自动导航车）布置图
（二）电气布（接）线图
电气接线图是布线工正确布线的必要图纸，它指导各电器之间的正确接线方法，对复杂的设备只凭原理图是不可能完成布线的。
1、电柜类布线图
电柜、操作台等柜体布线图一般是按实际器件摆放位置画的，并标明每个出线端子在器件本身的编号，相同器件相同端子出线号码是重复的，用于识别元件的接线位置。
而电路原理图的线号是统一编号的，不可以重复，每根线的号码是唯一的。
2、外部敷设布线图
外部敷设线路的器件往往不能按实际位置画，但要画出彼此间的连接关系。
图3-24：
AGV后驱动轮部分电气布（接）线图
上图给出的是AGV系统的整机布线图
第五节：
机床电路设计的基本要求
一个好的设计，除了满足工艺、机械要求外，应该同时考虑如下辅助要求：
一、安全性
合理的电气设计，必须设计可靠的保护电路。
既要包括对人的保护，也要保护对设备的保护。
（一）典型的电气保护
1、对设备
1）短路保护：
使用保险器
2）过载保护：
使用空气开关、热继电器
3）过电压保护：
过压继电器、压敏元件
4）行程保护：
形成开关
5）流量保护：
如液压、润滑，使用流量开关
6）压力保护：
如液压、过滤系统堵塞保护，使用压力开关
等等。
2、对人员
1）触电保护：
漏电保护器
2）区域机械伤害保护：
光栅、光电
3）旋转工具伤害保护：
能耗制动系统
4）碰撞保护：
超声检测、保险杠开关
5）误送电保护：
钥匙开关
等等。
3、综合性保护
如急停装置等。
（二）本质安全
机床的保护系统设计，必须从机械、电气方面综合考虑，尽量做到完善，零风险。
但再好的保护系统设计，即使可以防范危险的伤害，也是在风险发生后采取的措施。
不如在设计上采取措施，让危险源没有机会发生。
这种从设计上杜绝危险发生的方法，叫做本质安全设计。
显然，本质安全是最好的安全措施。
二、可维修性
电气系统设计要便于维修，表现在一旦出现故障，或进行检修，可以在最短的时间内完成。
具体表现在：
1、作业高度：
可能拆卸器件的高度要便于人站立或蹲下处理，使维修工最少体力消耗下可以修理。
位置不能太高太低。
2、维修空间：
所有可能拆卸的位置、电柜门开度、电柜门附近空间大小等要便于操作。
一般电柜门1米空间内不允许有干涉物。
3、器件安装：
器件的安装位置要考虑方便拆卸，尽量不设置在隐蔽区域、盖板下、作业空间狭小、落脚点不稳定的位置。
4、固定方式：
非标性固定方式要便于拆卸，尽量少使用或不使用特殊工具。
等。
三、可操作性
电气设计要考虑便于操作工人操作，如：
1、操作台的高度、角度；
2、显示系统的位置、高度、角度、亮度；
3、操作点的布置、拆分；
4、操作器件的选择（影响操作手感、力量、习惯）；
5、硬、软操作元件的分配合理性：
最常用的操作元件一定要使用实体元件，比较少使用的可以使用触摸屏幕设计；
6、机床工作照明；
7、操作流程设计要最简单，最少的动作可以完成必须的操作；
8、必要的声、光提示，充分利用人的感官。
等等。
四、高可靠性
高可靠性包括诸多方面：
1、电器件的耐用性；
2、系统的抗干扰能力；
3、系统的接地性能；
4、程序设计的最少BUG；
5、最简单的设计满足必须的功能。
等等。
五、经济性
经济性主要是指降低一次性采购成本和服役期使用成本。
最好的设计是什么满足使用要求的情况下，做到最简单就是最好的设计。
经济性要考虑：
1、在满足使用要求的基础上，使用
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