数控机床地电气安全系统.docx

数控机床地电气安全系统.docx

《数控机床地电气安全系统.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数控机床地电气安全系统.docx（13页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

数控机床地电气安全系统

***学院

电气安全课程设计

设计题目:

数控机床的电气安全

学生姓名：

学号：

系别：

城市与环境科学系

专业班级：

安全工程

指导教师：

摘要1

Abstract1

1.数控机床电气安全的基本介绍2

2.数控机床电气装置组成2

3.数控机床常见电气故障3

3.1硬件故障3

3.2软件故障3

3.3电源故障3

4.数控机床电气安全问题3

4.1直接电击3

4.1.1短路、过载保护3

4.1.2漏电保护4

4.1.3接地保护4

4.2间接电击5

4.2.1数控机床电气安全5

4.2.2数控机床剩余电流6

4.2.3数控机床电气隔离和特低电压7

4.2.4数控机床电气系统中性线的处理7

4.3人员操作8

5.结束语9

6.参考文献9

摘要

依据电气安全通用标准《GB5226.1－2008》，并结合数控机床电气结构特点，为提升数控机床电气装置安全而进行的研究，主要是从保护性接地、电气隔离特低电压、剩余电流保护等方面进行深入分析，根据分析结果用以指导设计和安装数控机床电气装置时电气安全需要，并给出在数控机床中的实际应用中解决措施。

关键词:

保护接地数控机床电气安全绝缘

Abstract

Accordingtothegeneralstandardonelectricalsafety《GB5226.1-2008》，andcombiningwiththecharacteristicsofelectricalstructureinNCmachine，ThisstudyinordertoimprovethesafetyofCNCmachinetoolelectricaldevice,ismainlycarriedoutin-depthanalysisofgrounding,electricalisolationofextralowvoltage,residualcurrentprotectionfromtheaspectsofprotection,accordingtotheresultsoftheanalysiswereusedtoguidethedesignandinstallationofCNCmachinetoolelectricaldeviceelectricalsafetyneeds,andgivesthesolutionstopracticalapplicationinNC.machinetool.

Keywords：

protectiveearthingCNCmachinetoolselectricalsafetyinsulation

1.数控机床电气安全的基本介绍

数控机床在加工运行的过程中，它的电气安全问题关系到操作人员的人身安全以及机床运行的可靠性和加工精度，因此处理好数控机床的电气安全问题就显得十分重要。

但是许多数控机床生产厂家及使用企业并未对此引起足够的重视，以至于数控机床在运行的过程中，因发生安全事故造成重大损失，出现机床加工精度不足、稳定性差等很多问题。

特别是数控机床现场安装调试人员，在施工过程中存在许多不合适的做法，造成机床电气安全问题，留下隐患。

由此可见，加强数控机床电气安全具有重要意义，业符合“安全第一，预防为主”的方针。

数控机床电气安全主要目的是保护操作人员的人身安全和数控机床中各个电气部件的安全可靠。

造成电气安全问题主要有直接电击、间接电击和人员操作三个方面：

直接电击事故的发生主要由于数控机床防护措施不好，人体不慎接触到带电部分引起的电击事故，它主要的解决措施是物理防护。

间接接触是当数控机床电气装置因破损或者其他原因发生接地故障，使原本不带电电气设备外露导电部分因此带对地故障电压，人体如果接触此故障电压而遭受电击。

根据研究结果，为了防止这类事故的发生，必须在机床电气装置设计和电气工程安装时，采取必要措施，提升数控机床的电气安全。

有资料统计显示，电力施工中的各种事故，绝大多数不是施工技术能力低造成的，而是由于其没有安全意识所造成的，这表明提高施工人员的安全意识是防止事故的关键。

由此可见，对建筑施工人员进行安全教育的必要性和重要性，在员工中树立安全意识，着力制定并完善企业的事故防机制及长效管理机制。

监督部门要做好自己的本职工作，加强对施工人员的监督，加大行政执法力度，杜绝一切安全隐患的存在，确保生产的安全性。

2.数控机床电气装置组成

数控机床是制造业中精密和高效的加工设备，数控机床电气系统主要由数控系统、电源模块、伺服驱动器、伺服电机、伺服主轴驱动器（或变频器）、伺服主轴电机（或变频主轴电机）、控制变压器、PLC输入输出模块、强电柜的机床电器元器件、各种电动机、电磁阀和机床操作面板等组成。

数控机床电气装置控制机床各部件完成相应功能并协调各部件的运行，是数控机床能够完成复杂零件加工和实现自动化生产的保障，是数控机床的核心和中枢部分。

3.数控机床常见电气故障

数控机床的电气故障可按硬件故障、软件故障、电源故障进行分类。

3.1硬件故障

硬件故障通过是由于机械或元器件质量等原因造成的，数控机床的电子、电器件、印刷电路板、电线电缆、接插件等产生不正常状态甚至损坏的故障，这种故障往往具有不可自修复性，硬件故障需要修理甚至更换才能有效排除。

3.2软件故障

软件故障一般是由于数控机床的PLC逻辑控制程序中产生的故障，需要输入或修改某些数据甚至修改PLC程序方可排除的故障。

有时进行程序归零也不失为解决软件故障的有效方法。

零件加工程序故障也属于软件故障。

有时机床在自动加工时，出现程序突然中断，CNC系统死机的故障。

最严重的软件故障则是数控系统软件的缺损甚至丢失，一旦发生这种故障就只有与生产厂商或其服务机构联系解决了。

3.3电源故障

电源是整个机床正常工作的能量来源，我们常用的数控和伺服系统，如西门子系统、海德汉系统等是由德国等西方国家设计制造的，由于他们国家的电力充足，电网质量高，因此其电气系统的电源设计考虑较少，这对于我国有较大波动和高次谐波的电力供电网来说就略显不足，再加上某些人为的因素，难免出现由电源而引起的故障。

轻者会造成数据丢失、系统死机，重者会毁坏系统局部甚至全部。

4.数控机床电气安全问题

4.1直接电击

4.1.1短路、过载保护

线路发生短路时，线路中的电流将增加到正常时的几倍甚至几十倍。

在配电设备中常用熔断器以达到短路保护功能。

熔断器不仅要标明额定电流，还应标明额定电压。

根据配电系统中可能出现的最大故障电流，选择具有相应分断能力的熔断器。

熔件的额定电流一般为用电设备额定电流的1.5倍左右。

过载保护一般由自动开关（或小型断路器）完成。

根据实际需要，自动开关可配备过电流脱扣器、失压脱扣器、分励脱扣器。

为了起到自动开关过载保护的作用，自动开关的额定电流要与负载电流相匹配，并小于导线的载流量。

4.1.2漏电保护

电流通过人体部，对人体伤害的严重程度与通过人体电流的大小、通过人体的持续时间、通过人体的途径、电流的频率以及人体的状况等多种因素有关。

特别是电流的大小和通过时间之间有着十分密切的关系。

目前，我国和西欧及日本一样，对于漏电保护器取30毫安/秒作为设计依据。

根据各国经验，这样的漏电保护器，可以满足触电保护的要求，具有足够的安全性。

在数控机床中漏电保护方式一般采用分支线保护和末端保护相结合的分级保护方式，并以末端保护为主。

这样，可尽量缩小发生人身触电及故障时所引起的停电围，不影响其他设备或用户的用电，便于查找故障，提高供电系统的可靠性。

漏电保护器不同于其他电气产品，由于它关系到人身安全，因此选用时必须注意以下原则：

（1）必须符合国家标准GB6829—86《漏电电流动作保护器》的要求，并具有中国电工产品认证委员会（缩写为CCEE）的认证标志；

（2）应经有关专业部门检测并试验合格的报告证明文件；

（3）应符合漏电保护方式对其额定漏电动作电流及分断时间的要求，并满足分级保护的级间协调原则。

4.1.3接地保护

设备的某部分与土壤之间作良好的电气连接，叫做接地。

与土壤直接接触的金属物件，叫做接地体或接地极。

当电气设备发生接地故障时，电流就通过接地体向作半球形散开，这一电流叫做接地短路电流。

试验证明，在距单根接地体或接地短路点20m左右的地方，实际上流散电阻已趋近于零，也就是这里的电位己趋近于零。

凡电位趋近于零的地方，即距接地体或接地短路点20m以上的地方，就叫做电气的“地”或“”。

接地电阻并不是一成不变的，是随着时间的推移、地下水位的变化以及土壤导电率的变化而变化。

所以规要求接地装置必须在地面以上按设计要求位置设测试点。

按接地作用的不同可分为：

（1）工作接地。

为了保证电气设备在正常和事故情况下可靠地工作而进行的接地，叫做工作接地，如变压器中性点直接接地。

（2）保护接地。

为了保证人身安全，防止触电事故，把在故障情况下可能呈现危险的对地电压的金属部分同紧密地连接起来，叫做保护接地。

对电力系统来说，保护接地的方法一般只适用于中性点不接地的电网中，只有在这种电网中，凡有金属外壳及构件的用电设备才可以采用保护接地来保证人身安全。

（3）重复接地。

在中性点直接接地的低压系统中，为确保零线安全可靠，除在电源（如变压器）中性点进行工作接地外，还必须在零线的其他地方进行必要的重复接地。

比如电缆和架空线在引入到建筑物处，零线应重复接地，如果不进行重复接地，则在零线发生断线并有一相碰壳时，接在断线后面的所有设备的外壳都将呈现接近于相电压的对地电压，这是很危险的。

（4）防雷接地。

为了防止雷电的危害而进行的接地，叫做防雷接地。

防雷接地作用不言而喻，不接地就无法对地泄放雷电流。

规对利用建筑物基础和主体钢筋做接地极和引下线以及人工接地装置、接闪器的安装作了具体要求。

设计对防雷接地阻值都给出了参数，接地体和引下线完成后要测试，接闪器完成后整个系统才能测试。

人工接地引下线要顺直，不存在死角，引下线金属保护管要与引下线做电气连通。

避雷带形成等电位可防静电危害。

人工接地装置接地体间距不小于5m是为了降低接地体屏蔽作用。

4.2间接电击

4.2.1数控机床电气安全

数控机床保护性接地研究与应用在数控机床电气系统中，保护接地是数控机床本体及电气装置外外露部分接地，保护接地对于电气安全非常重要。

现在我国多数加工企业、厂家配电系统采用TN-S系统，如图1所示。

图1TN-S系统接地故障分析

当发生相线碰数控机床外壳接地故障后，如果没有机床外壳接到保护地线PE上，设备外壳的对地电压Ut即为L1相电压220V，远远超过安全电压50V，人体如果接触到此电压，电击致死的危险性非常大。

所以在数控机床中必须要有保护性接地。

当做保护性接地后，即机床或电气装置外壳接在PE线上，外壳电压建有很大程度的降低。

当发生相线碰机床外壳的故障时，故障的电流值

Id为：

式中：

U——系统L1相电压；

ZL——相线阻抗；

ZPE——保护零线阻抗；

ZT——变压器计算阻抗；

Id——故障电流。

因为在故障过程中接地电阻Ro上无电流通过，系统中性点依然保持地电位，故机床设备外壳预期电压Ut为:

通过以上公式可见，在保护接地状态下，数控机床故障预期电压的大小取决于相线和保护地线（PE）的阻抗大小。

在TN-S系统中一般情况下，PE线的面积不会大于相线面积，因此ZPE≥ZL，当线路较长时ZT可以忽略不计，所以（ZL+ZT）/ZPE≤1，所以在数控机床发生电气故障时，人体的预期接触电压大约在110V左右，因此远远低于没有接地保护时的预期电压220V。

尽管保护接地在数控机床发生相线碰壳故障时有降低接触电压的作用，但是不能将预期接触电压降至安全电压50V以，仍会发生人身触电发生危险事故。

为消除此种危险，在TN-S系统中，采用过电流保护器来消除电击危险。

因此在数控机床电气装置中，需安装断路器来实现保护。

其工作原理就是当机床发生相线碰外壳短路故障时，故障电流Id较大，引用其作用于断路器，使其能够在规定的时间可靠的切断电源，防止事故的发生。

在选用断路器是要满足以下条件：

ZS·Ia≤U，Id≥Ia，

式中：

ZS——故障回路阻抗，及ZL+ZPE+ZT；

Ia——短路器在规定时间动作时的最小电流；Id——故障电流。

从上式可得出，数控机床的电气装置中，每部分的电气装置需要设置合适的断路器，断路器的选择要合适，特别是Ia的选择至关重要，否则即保护接地系统多么完善，也起不到根本的保护作用。

同时可以看到如果降低线路的阻抗，这样对电击防护是有利，会使Id故障电流增大，有利于机床电气装置断路器的动作，因此在设计线路时，尽量在经济的条件下加大PE线和相线的面积。

4.2.2数控机床剩余电流

尽管数控机床电气装置TN-S系统中，断路器多数情况下能够在规定时间切断电气故障，确保人身安全。

但是在设计和装配调试数控机床电气系统时，不可能逐一校验每部分电气设备发生接地故障时过电流保护能够满足电气防护的要求，即便校验也不一定正确，因为每个现场环境的线路阻抗是不同的，且当接地线（PE）发生断线时，短路器回路没有电流存在，断路器保护相线碰壳故障不再起作用。

因此在数控机床电气装置需要增加剩余电流保护装置，也就是漏电保护措施，对完善数控机床电击防护有很大的益处。

一般情况下，整个数控机床电气装置采用一个剩余电流保护（RCD）装置即可，如图2。

其原理是只要接地故障电流Id大于剩余电流保护电器（RCD）额定动作电流，便及时切断电路。

采用RCD后，能够极大的提升系统的电击防护灵敏度。

根据不同的数控机床电气装置要合理的采用剩余电流保护电器（RCD）。

图2数控机床剩余电流保护装置安装位置

4.2.3数控机床电气隔离和特低电压

数控机床重要的组成部分数控系统对电压的波动以及电磁的干扰非常灵敏，且在机床床身处有好多位置行程开关和电磁阀来检测机床的状态、控制机床的动作，工作人员在操作和维修的过程中，很容易接触到这些开关。

为了不发生电气安全危险，在数控机床电气系统采用电气隔离措施和特低电压，防止电击事故的发生。

在数控电气装置中，最好将控制线路、伺服系统、数控系统以及相应的输入输出线路都采用变压器供电。

这样变压器两侧通过磁路来传递能量，在电气系统中没有直接的联系，即便是变压器一次侧发生故障，也不至于将故障引入变压器二次侧部分，使上述多个系统不至于受到侵害。

在机床容易接触到的电气部分，在设计电气系统时采用24V的特低电压，控制线路、数控系统、输入输出部分都采用特低电压。

这样工作人员即便接触到这些部分，也不至于发生电击危险。

4.2.4数控机床电气系统中性线的处理

在数控机床供电系统中，一般不会使用中性线（N）。

因为如果使用中性线，在中性线断线的情况下，会使中性点数值发生偏移，造成三相电压不平衡，这样设备即便能够运转，但在不正常状态下运行，极有可能发生电气事故和烧毁设备。

特别数控机床许多电机，因为不管电压的升高还是降低，都会引起电机的发热，这样使电机绝缘老化加速而缩短使用寿命，极端情况下还能引起火灾。

而且更为不利的是发生故障时设备能够运转，其危险性不容易被发现，故障难以很快的解除，更容易引发其他电气故障。

所以在设计数控机床电气系统中，一般情况下不允许使用中性线。

4.3人员操作

提高操作人员的综合素质数控机床的使用比使用普通机床的难度要大，因为数控机床是典型的机电一体化产品，它牵涉的知识面较宽，即操作者应具有机、电、液、气等更宽广的专业知识；再有，由于其电气控制系统中的CNC系统升级、更新换代比较快，如果不定期参加的专业理论培训学习，则不能熟练掌握新的CNC系统应用。

因此对操作人员提出的素质要很高的。

为此，必须对数控操作人员进行培训，使其对机床原理、性能、润滑部位及其方式，进行较系统的学习，为更好的使用机床奠定基础。

同时在数控机床的使用与管理方面，制定一系列切合实际、行之有效的措施：

1.严格培训要求，明确培训容。

员工安全生产培训的主要容包括：

安全生产法律法规；安全生产基本常识；安全生产操作规程；从业人员安全生产的权利和义务。

2.工作时，请穿好工作服、及防护镜，不允许戴手套操作数控机床，也不允许扎领带。

3.开车前，操作者应按机床使用说明书的规定给相关部位加油，并检查油标、油量并检查数控机床各部件机构是否完好、各按钮是否能自动复位。

4.不要在数控机床周围放置障碍物，工作空间应足够大，应熟悉数控机床的操作说明书，数控车床的开机、关机顺序，一定要按照机床说明书的规定操作。

5.在每次电源接通后，必须先完成各轴的返回参考点操作，然后再进入其他运行方式，以确保各轴坐标的正确性，主轴启动开始切削之前一定要关好防护门，程序正常运行中严禁开启防护门。

6.机床在正常运行时不允许打开电气柜的门，加工程序必须经过严格检查方可进行操作运行。

7.加工过程中，如出现异常危机情况可按下“急停”按钮，以确保人身和设备的安全。

8.机床工作开始工作前要有预热，认真检查润滑系统工作是否正常，如机床长时间未开动，可先采用手动方式向各部分供油润滑；

9.不要移动或损坏安装在机床上的警告标牌，某一项工作如需要俩人或多人共同完成时，应注意相互间的协调一致。

10.任何人员违反上述规定或学院的规章制度，实习指导人员或设备管理员有权停止其使用、操作，并根据情节轻重，报学院相关部门处理。

5.结束语

通过深入的了解，认识到电气安全问题：

直接电击、间接电击和人员操作三个方面对数控机床电气装置设计和安装中的重要性。

只有在数控机床电气装置设计中很好的遵守电气安全措施，才能保证在不同的电气环境下下，减小甚至杜绝电气事故的发生。

特别在数控机床的安装调试过程中，不同企业的安装环境条件不同，安装调试人员更要熟悉和理解数控机床的电气安全措施，才能有效的保护设备和操作人员的安全。

通过本文的研究和在数控机床上的应用，可以提高数控机床的电气安全，防止事故的发生，同时能够提升数控机床的高干扰性、加工精度，保持机床的稳定性，从而提高数控机床的加工效率。

6.参考文献

［1］岳.电气安全［M］.机械工业，2010.

［2］郁汉琪.机床电气控制技术［M］.高等教育，2010.

［3］颖翰．数控机床的电气故障诊断与维修[J].中国新技术新产品，2009．

［4］王厚余.低压电气装置的设计安装和检验［M］.中国电力，2007.

［5］王爱玲.数控机床故障诊断与维修[M].机械工业,2006.

［6］俊生.数控机床电气控制技术基础[M].电子工业，2005.

［7］克冲.数控机床电气控制[M].华中科技大学,2005.

［8］钦志．机械电气设备安全标准使用手册［M］.中国标准，2004.