工业机床电气控制系统的设计分析报告.docx

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工业机床电气控制系统的设计分析报告

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摘要

车床是机械加工中使用最广泛的金属切削机床，它可以用于切削各种工件的外圆.内孔.端面.螺纹.螺杆以及车削定型表面等。

现代生产机械多采用机械.电气.液压.气动相结合的控制技术。

其中电气控制技术起联接中枢作用，应用最为广泛。

电气控制系统是生产机械设备的重要组成部分，是保证机械设备按生产工艺要求，完成各种运动状态与协调工作，并保证机械设备安全可靠工作以及实现操作自动化。

本设计的主要任务是依据车床的工作情况确定其传动形式和控制报告，从而选择所用的电动机和电气元件，进一步设计其电气控制线路，并能对控制线路进行分析维护。

本文通过对电气控制的概述.数字电路（组合逻辑电路设计）概述.Multisim9应用的概述，介绍了在设计中用到的常用低压电器（包括电器符号），其中有：

组合开关.按钮.交流接触器.中间继电器，熔断器的功能与工作原理。

还有在设计数字电路中所用到得与门.或门.非门（电路符号.逻辑功能.真值表.逻辑表达式）.与非门.或非门.集成逻辑门电路TTL的介绍，设计中所用到Multisim9应用的。

还有对整个零件加工生产流水线及安全监控电路的设计说明。

第一章电气控制与电气技术

1.1常用低压电器元件的选择

1.1.1低压电器的分类

1.按用途分类

（1）控制电器：

用于各种控制电路和控制系统的电器，如接触器、继电器等。

（2）主令电器：

用于自动控制系统中发送控制指令的电器，如按钮、行程开关等。

（3）保护电器：

用于保护电路及用电设备的电器，如熔断器、热继电器等。

（4）配电电器：

用于电能的输送和分配的电器。

如低压断路器、隔离器等。

（5）执行电器：

用于完成某种动作或传动功能的电器，如电磁铁、电磁离合器等。

2.按工作原理分类：

（1）电磁式电器：

依据电磁感应原理来工作的电器，如交直流接触器、各种电磁式继电器等。

（2）非电量控制器：

电器的工作是靠外力或某种非电物理量的变化而动作的电器，如刀开关、行程开关、按钮、速度继电器压力继电器、温度继电器等。

3.按操作方式分类：

（1）自动电器：

时间继电器、速度继电器等。

（2）手动电器：

按钮、刀开关、转换开关等。

4.按触点类型：

（1）有触点电器：

继电器、接触器、行程开关等。

（2）无触点电器：

固态继电器、接近开关等。

5.低压电器的发展方向

目前正沿着体积小、重量轻、安全可靠、使用方便的方向发展，大力发展电子化的新型控制电器，如接近开关、光电开关、电子式时间继电器、固态继电器与接触器等以

适应控制系统迅速电子化的需要。

1.1.2低压电器介绍

电器是接通和断开电路或调节.控制和保护电路及电气设备用的电工器具。

由控制电器组成的自动控制系统，称为继电器—接触器控制系统，简称电器控制系统。

低压电器用于交流50Hz（或60Hz），额定电压为1200V以下；直流额定电压1500V及以下的电路中的电器。

例如接触器.继电器等。

1.低压电器的作用

低压电器能够依据操作信号或外界现场信号的要求，自动或手动地改变电路的状态.参数，实现对电路或被控对象的控制.保护.测量.指示.调节。

低压电器的作用有：

（1）控制作用如控制电梯的上下移动.快慢速自动切换与自动停层等。

（2）保护作用能根据设备的特点，对设备.环境.以及人身实行自动保护，如电机的过热保护.电网的短路保护.漏电保护等。

（3）测量作用利用仪表及与之相适应的电器，对设备.电网或其他非电参数进行测量，如电流.电压.功率.转速.温度.湿度等。

（4）调节作用低压电器可对一些电量和非电量进行调整，以满足用户的要求，如柴油机油门的调整.房间温湿度的调节.照度的自动调节等。

（5）指示作用利用低压电器的控制.保护等功能，检测出设备运行状况与电气电路工作情况，如绝缘监测.保护指示等。

（6）转换作用在用电设备之间转换或对低压电器.控制电路分时投入运行，以实现功能切换，如励磁装置手动与自动的转换，供电的市电与自备电的切换等。

当然，低压电器器的作用远不止这些，随着科学技术的发展，新功能.新设备会不断出现。

1.1.3继电器

继电器是一种利用电流、电压、时间、温度等信号的变化来接通或断开所控制的电路，以实现自动控制或完成保护任务的自动电器。

继电器和接触器的工作原理一样。

主要区别在于，接触器的主触头可以通过大电流，而继电器的触头只能通过小电流。

所以，继电器只能用于控制电路中。

继电器的种类很多，按输入量可分为中间继电器、电压继电器、电流继电器、时间继电器、速度继电器。

1.中间继电器

中间继电器和接触器的结构和工作原理大致相同。

主要区别：

接触器的主触点可以通过大电流；

继电器的体积和触点容量小，触点数目多，且只能通过小电流。

所以，继电器一般用于机床的控制电路中。

中间继电器JZ7系列-1如图1-1所示

图1-1中间继电器列-1

中间继电器JZ7系列-3如图1-2所示

图1-2中间继电器JZ7系列-3

中间继电器JZ14系列-1如图1-3所示

JZ14系列交直流中间继电器，适用于交流50赫兹电压380伏及以下；直流电压220伏及以下的控制电路中作为增加信号大小及数量之用。

图1-3中间继电器JZ14系列-1

2.时间继电器

时间继电器是从得到输入信号（线圈通电或断电）起，经过一段时间延时后触头才动作的继电器。

适用于定时控制。

按工作原理分空气阻尼式、电磁式、电动式、电子式等。

按延时方式分通电延时型、断电延时型。

时间继电器的文字符号和图形符号如图1-4所示。

图1-4时间继电器的文字符号和图形符号

a）一般线圈符号b）通电延时线圈c）断电延时线圈d）延时闭合的动断触点e）延时断开的动断触点f）延时断开的动合触点g）延时闭合的动断触点h）瞬时动合触点i）瞬时动断触点

时间继电器JS11系列-1如图1-5所示。

JS11系列数字式时间继电器

JS11系列数字式时间继电器是JS11系列电动式时间继更新换代产品。

它采用先进的数控技术，用集成电路和LED显示器件取供电动机和机械传动系统。

JS11系列时间继电器相比。

除兼有电动式长延时的优点外，交具有无机械磨损、工作稳定、可靠、精度高；计数清晰悦目、准确直观和结构新颖等优点，广泛用于自动程序控制系统，及各种生产工艺过程的自动控制系统，作为时间控制器件使用。

图1-5时间继电器JS11系列-1

3.速度继电器电器符号KS

速度继电器是测量转速的元件。

它能反映转动的方向以及是否停转、因此广泛用于异步电动机的反接制动中。

其结构和工作原理与笼型电动机类似，主要有转子、定子和触点三部分。

其中转子是圆柱形永磁铁，与被控旋转机构的轴连接，同步旋转。

定子是笼形空心圆环，内装有笼形绕组、它套在转子上，可以转动一定的角度。

当转子转动时，在绕组内感应出电动势和电流，此电流和磁场作用产生扭矩使定子柄向旋转方向转动、拨动簧片使触点闭合或断开。

当转子转速接近零（约100r/min），扭矩不足于克服定子柄重力．触点系统恢复原态。

JYl速度继电器结构原理图

1.1.4接触器

1.接触器结构及工作原理

接触器主要由电磁系统、触头系统、灭弧装置及辅助部件等组成。

1－常开触头；

2－常闭辅助触头；

3－常开辅助触头；

4－衔铁；

5－吸引线圈；

6－铁芯

图1-6交流接触器外形和结构示意图

（1）电磁系统。

交流接触器的电磁机构由线圈、动铁心（衔铁）和静铁心组成，其作用是利用电磁线圈的通电或断电，产生电磁吸力，使衔铁和铁心吸合或释放，从而带动动触头与静触头闭合或分断，实现接通或断开电路的目的。

（2）触头系统。

触点是接触器的执行部分，根据用途的不同，触头可以分为动合触点和动断触头；按功能不同可分为主触点和辅助触点；按照结构型式，可分为桥式和指式触头。

（3）灭弧装置。

接触器的触头在分断电路时，触头间隙中由电子流产生弧状的火花，称为电弧。

电弧会烧伤触头，并使电路的切断时间延长，严重时甚至会引起短路、触电或其他事故。

10A以上的接触器都有灭弧装置，一般采用半封式纵缝陶土灭弧罩，并配有强磁吹弧回路。

（4）其他部件。

包括反作用弹簧、缓冲弹簧、触点压力弹簧、传动机构及外壳等。

交流接触器工作原理、各部件的电气符号如图1-7、1-8所示。

图1-7交流接触器工作原理图

图1-8接触器电气符号

（a）线圈；（b）主触头；（c）辅助触头

2．交流接触器的型号和参数

常用的交流接触器有CJ0、CJ10及CJ20等系列，有国外引进的B系列、3TB系列。

另外，还有CJK1系列真空接触器及CJW1-200A/N型晶闸管接触器。

（1）额定电压和额定电流。

额定电压指主触点额定工作电压，应等于负载的额定电压。

额定电流指接触器触点在额定工作条件下的电流值。

（2）额定工作制。

长期工作制、间断长期工作制、反复短时工作制、短时工作制。

（3）通断能力。

可分为最大接通电流和最大分断电流。

最大接通电流是指触点闭合时不会造成触点熔焊时的最大电流值；最大分断电流是指触点断开时能可靠灭弧的最大电流。

一般通断能力是额定电流的5～10倍。

（4）动作值。

可分为吸合电压和释放电压。

吸合电压是指接触器吸合前，缓慢增加吸合线圈两端的电压，接触器可以吸合时的最小电压。

释放电压是指接触器吸合后，缓慢降低吸合线圈的电压，接触器释放时的最大电压。

（5）操作频率。

一般为每小时允许操作次数的最大值。

3．接触器的选择

（1）根据接触器所控制的负载性质来选择接触器的类型，如交流负载选用交流接触器，直流负载选用直流接触器。

（2）接触器的触头数量和种类应满足主电路和控制线路的要求。

（3）根据被控对象和工作参数如电压、电流、功率、频率及工作制等确定接触器的额定参数。

1.1.5低压开关

1.刀闸开关如图1-9所示

控制对象：

380V，5.5kW以下小电机

图1-9电路符号

图1-9开启式负荷开关结构和电路符号

2.组合开关

①功能：

常用在机床的控制电路中，作为电源的引入开关或是自我控制小容量电动机的直接起动、反转、调速和停止的控制开关等。

②类型：

组合开关有单极、双极和多极之分。

③结构：

它由动触片、静触片、转轴、手柄、凸轮、绝缘杆等部件组成。

当转动手柄时，每层的动触片随转轴一起转动，使动触片分别和静触片保持接通和分断。

为了使组合开关在分断电流时迅速熄弧，在开关的转轴上装有弹簧，能使开关快速闭合和分断。

3.按钮开关

一般用：

红色表示停止和急停；绿色表示起动；黑色表示点动；蓝色表示复位；另外还有黄、白等颜色，供不同场合使用。

按钮LA19系列-1如图1-10所示

LA19系列按钮适用于交流50Hz电压至380V及直流电压至220V的磁力起动器、接触器、继电器及其它电气线路中作遥远控制之用。

图1-10按钮开关的符号说明及实物图

表1.1LA19系列-1按钮参数表

1.1.6低压断路器

低压断路器简称断路器，又叫自动空气开关。

低压断路器具有多种保护功能，故障动作后不需要更换元件，动作电流可按需要整定，工作可靠，安装方便，分断能力强。

如图1-11所示。

1－按钮

2－电磁脱扣器

3－自由脱扣器

4－动触头

5－静触头

6－接线柱

7－热脱扣器

图1-11低压断路器的结构和符号

1.1.7熔断器

1.熔断器的结构

熔断器主要包括熔体和熔座两部分。

2.熔断器分类

（1）瓷插式熔断器。

多用于低压分支电路的短路保护。

（2）螺旋式熔断器。

多用于机床电气控制线路的短路保护。

（3）密闭管式熔断器。

封闭管式熔断器可分为有填料、无填料、快速和自复式。

3.熔断器的选择

（1）类型。

根据电气控制系统的线路要求、使用场合和安装条件等选择熔断器的类型。

（2）额定电压。

熔断器的额定电压应不小于线路的工作电压。

（3）额定电流。

熔断器的额定电流大于或等于所装熔体的额定电流。

（4）熔体额定电流。

熔体额定电流的选择应遵循以下原则：

①保护一台电动机时，熔体的额定电流要求

②保护多台电动机时，熔体应在出现尖峰电流时不致于熔断。

通常将容量最大电动机的起动，其他电动机正常运行时出现的电流视为尖峰电流。

熔体的额定电流要求

③电路上下级都设短路保护时，两级熔体额定电流的比值不小于1.6：

1。

④照明、电阻等电阻性负载时，熔体额定电流要求

1.1.8主令电器

1.控制按钮

控制按钮简称为按钮，是最常用的主令电器，是一种手动控制电器。

只能短时接通和分断5A以下的小电流电路，控制其他电器动作。

带灯按钮钮帽内装有指示灯，可以显示按钮的通断。

如图1-12所示。

1－按钮帽

2－复位弹簧

3－动触头

4－常闭触头

5－常开触头

图1-12按钮的结构及实物图

2.控制按钮结构示意图

按钮的结构示意图图形符号、文字符号如图1-13所示。

（a）常开触头（b）常闭触头（c）复式触头

图1-13按钮的图形和文字符号

3.按钮的颜色规定

（1）停止和急停按钮：

红色。

（2）起动按钮：

绿色。

（3）点动按钮：

黑色。

（4）起动/停止交替按钮：

黑色、白色或灰色，不能是红色和绿色。

（5）复位按钮：

蓝色，当兼有停止作用时，必须用红色。

1.2电气控制系统知识简介

1.2.1电气控制系统

1.图形符号

图形符号通常用于图样或其它文件，用以表示一个设备或概念的图形.标记或字符。

电气控制系统图中的图形符号必须按国家标准绘制，附录一绘出了电气控制系统的部分图形符号。

图形符号含有符号要素.一般符号和限定符号。

（1）符号要素

它是一种具有确定意义的简单图形，必须同其他图形组合才构成一个设备或概念的完整符号。

如接触器常开主触点的符号就由接触器触点功能符号和常开触点符号组合而成。

（2）一般符号

用以表示一类产品和此类产品特征的一种简单的符号。

如电动机可用一个圆圈表示。

（3）限定符号

用于提供附加信息的一种加在其他符号上的符号。

运用图形符号绘制电气系统图时应注意：

1）符号尺寸大小.线条粗细依国家标准可放大与缩小，但在同一张图样中，同一符号的尺寸应保持一致，各符号间及符号本身比例应保持不变。

2）标准中示出的符号方位，在不改变符号含义的前提下，可根据图面布置的需要旋转，或成镜象位置，但文字和指示方向不得倒置。

3）大多数符号都可以附加上补充说明标记。

4）有些具体器件的符号由设计都根据国家标准的符号要素.一般符号和限定符号组合而成。

5）国家标准未规定的图形符号，可根据实际需要，按突出特征.结构简单.便于识别的原则进行设计，但需报国家标准局备案。

当采用其他来源的符号或代号时，必须在图解和文件上说明其含义.

2.文字符号

文字符号适用于电气技术领域中技术文件的编制，用以标明电气设备.装置和元器件的名称及电路的功能.状态和特征。

文字符号分为基本文字符号和辅助文字符号。

常用文字符号见附录一。

（1）基本文字符号

基本文字符号有单字母符号与双字母符号两种。

单字母符号按拉丁字母顺序将各种电气设备.装置和元器件划分为23大类，每一类用一个专用单字母符号表示，如“C”表示电容器类，“R”表示电阻器类等。

双字母符号由一个表示种类的单字母符号与另一个字母组成，且以单字母符号在前，另一字母在后的次序列出，如“F”表示保护器件类，“FU”则表示为熔断器。

（2）辅助文字符号

辅助文字符号是用来表示电气设备.装置和元器件以及电路的功能.状态和特征的。

如“RD”表示红色，“L”表示限制等。

辅助文字符号也可以放在表示种类的单字母符号之后组成双字母符号，如“SP”表示压力传感器，“YB”表示电磁制动器等。

为简化文字符号，若辅助文字符号由两个以上字母组成时，允许只采用其第一位字母进行组合，如“MS”表示同步电动机。

辅助文字符号还可以单独使用，如“ON”表示接通，“M”表示中间线等。

（3）补充文字符号的原则

规定的基本文字符号和辅助文字符号如不够使用，可按国家标准中文字符号组成规律和下述原则予以补充。

1）在不违背国家标准文字符号编制原则的条件下，可采用国家标准中规定的电气技术文字符号。

2）在优先采用基本和辅助文字符号的前提下，可补充国家标准中未列出的双字母文字符号和辅助文字符号。

3）使用文字符号时，应按电气名词术语国家标准或专业技术标准中规定的英语术语缩写而成。

4）基本文字符号不得超过两位字母，辅助文字符号一般不超过三位字母。

文字符号采用拉丁字母大写正体字，且拉丁字母中“I”和“O”不允许单独作为文字符号使用。

3.主电路各接点标记

三相交流电源引入线采用L1.L2.L3标记。

电源开关之后的三相交流电源主电路分别按U.V.W顺序标记。

分级三相交流电源主电路采用三相文字代号U.V.W的前边加上阿拉伯数字1.2.3.等来标记，如1U.1V.1W；2U.2V.2W等。

各电动机分支电路各接点标记采用三相文字代号后面加数字来表示，数字中的个位数表示电动机代号，十位数字表示该支路各接点的代号，从上到下按数值大小顺序标记。

如U11表示M1电动机的第一相的第一个接点代号，U21为第一相的第二个接点代号，以此类类推。

电动机绕组首端分别用U.V.W标记，尾端分别用U′.V′.W′标记。

双绕组的中点则用U″.V″.W″标记。

控制电路采用阿拉伯数字编号，一般由三位或三位以下的数字组成。

标注方法按“等电位”原则进行，在垂直绘制的电路中，标号顺序一般由上而下编号，凡是被线圈.绕组.触点或电阻.电容等元件所间隔的线段，都应标以不同的电路标号。

4.电气原理图

用图形符号和项目代号表示电路各个电器元件连接关系和电气工作原理的图称为电气原理图。

由于电气原理图结构简单.层次分明.适用于研究和分析电路工作原理，在设计部门和生产现场得到广泛的应用，其绘制原则是：

（1）电器应是未通电时的状态；二进制逻辑元件应是置零时的状态；机械开关应是循环开始前的状态。

（2）原理图上的动力电路.控制电路和信号电路应分开绘出。

（3）原是图上应标出各个电源电路的电压值.极性或频率及相数；某些元.器件的特性（如电阻.电容的数值等）；不常用电器（如位置传感器.手动触点等）的操作方式和功能。

（4）原理图上各电路的安排应便于分析.维修和寻找故障，原理图应按功能分开画出。

（5）动力电路的电源电路绘成水平线，受电的动力装置（电动机）及其保护电器支路，应垂直电源电路画出。

（6）控制和信号电路应垂直地绘在两条或几条水平电源线之间。

耗能元件（如线圈.电磁铁.信号灯等），应直接接在接地的水平电源线上。

而控制触点应连在另一电源线。

（7）为阅图方便，图中自左至右或自上而下表示操作顺序，并尽可能减少线条和避免线条交叉。

（8）在原理图上将图分成若干图区，标明该区电路的用途与作用；在继电器.接触器线圈下方列有触点表以说明线圈和触点的从属关系。

1.2.2.三相异步电动机的正反转控制

按钮控制的正反转控制电路如图1-14所示。

图1-14按钮控制的正反转控制电路

图1-14为两个按钮分别控制两个接触器来改变电动机相序，实现电动机可逆旋转的控制电路。

图1-14a最为简单，按下正转起动按钮SB2时，KM1线圈通电并自锁，

接通正序电源，电动机正转。

此时若按下反转起动按钮SB3，KM2线圈也通电，由于KM1.KM2同时通电，其主触点闭合，将造成电源两相短路，因此，这种电路不能采用。

图1-14b是在图1-14a基础上扩展而成，将KM1.KM2常闭辅助触点串接在对方线圈电路中，形成相互制约的控制，称为互锁或联锁控制。

这种利用接触器（或继电器）常闭触点的互锁又称为电气互锁。

该电路欲使电动机由正转到反转，或由反转到正转必须先按下停止按钮，而后再反向起动。

对于要求频繁实现正反转的电动机，可用图1-14c控制电路控制，它是在图图1-14b电路基础上将正转起动按钮SB2与反转起动按钮SB3的常闭触点串接在对方常开触点电路中，利用按钮的常开.常闭触点的机械联接，在电路中互相制约的接法，称为机械互锁。

这种具有电气.机械双重互锁的控制电路是常用的.可靠的电动机可逆旋转控制电路，它既可实现正转-停止-反转-停止的控制，又可实现正转-反转-停止的控制。

1.2.3.三相异步电动机的降压启动控制

星形—三角形降压起动控制线路。

如图1-15所示。

星形—三角形（Y—△）降压起动是指电动机起动时，把定子绕组接成星形，以降低起动电压，减小起动电流；待电动机起动后，再把定子绕组改接成三角形，使电动

图1-15Y—△降压起动控制线路

机全压运行。

Y—△起动只能用于正常运行时为△形接法的电动机。

1.按钮.接触器

控制Y—△降压起动控制线路

图1-15（a）为按钮.接触器控制Y—△降压起动控制线路。

线路的工作原理为：

按下起动按钮SB1，KM1.KM2得电吸合，KM1自锁，电动机星形起动，待电动机转速接近额定转速时，按下SB2，KM2断电.KM3得电并自锁，电动机转换成三角形全压运行。

2.时间继电器控制Y—△降压起动控制线路

图1-15（b）为时间继电器自动控制Y—△降压起动控制线路，电路的工作原理为：

按下起动按钮SB1，KM1.KM2得电吸合，电动机星形起动，同时KT也得电，经延时后时间继电器KT常闭触头打开，使得KM2断电，常开触头闭合，使得KM3得电闭合并自锁，电动机由星形切换成三角形正常运行。

1.2.4电气控制系统中的保护环节

电动机常用的保护环节有短路保护，过电流保护，过热保护，零电压和欠电压保护，弱磁场保护及超速保护等。

1.短路保护电路中产生短路电流，或在数值上出现接近短路电流的情况，将产生强大的电动力破坏绝缘和机械设备，此时应迅速.可靠地切断电路进行保护，这种保护装置不应受起动电流的影响而误动作。

常用的短路保护装置为熔断器。

2.过电流保护过电流一般比短路电流要小得多，它主要是由于不正确起动和过大的负载转矩引起电动机出现过电流。

如电动机频繁起动.正反转运行等都会使电动机出现过电流短时过电流会引起电动机和机械传动系统的机械性损坏。

常用过电流继电器来进行过电流保护。

对于限流起动的直流电动机和绕线型异步电动机的过电流继电器，其整定值一般为起动电流的1.2倍，对于笼型异步电动机不采用过电流继电器。

3.过热保护电动机的过负荷保护，因电动机处于长期过载运行；将使电机绕组温升过高而损坏电动机。

常用的过热保护装置为热继电器。

4.零电压和欠电压保护当某种原因电源电压突然消失，使电动机停转，一旦电压恢复后电动机将自行起动，往往将造成人身及设备事故。

因此，在电网电压消失时，要立即切断电源，实现零压保护。

由于外部原因引起电源电压过分降低，会引起电动机转速下降，甚至停转；在负载转矩不变的情况下，电动机电流增大，造成绕组过热而损坏；此外，还将使控制电器不能正常吸合，甚至发生误动作造成故障。

当电压降低到一定值时切断电源的保护为欠电压保护。

5.弱磁场保护对于直流电动机，其在运行时若磁场减弱或消失，会引起电动机转速迅速升高，换向恶化，损坏机械，甚至发生飞车现象。

直流电动机在起动时，若发生弱磁场，将会出现很大的起动电流。

为此，必须设置弱磁场保护，及时切断电源。

常用的弱磁场保护装置为欠电流继电器。

6.超速保护生产机械设备运行速度超过允许的规定速度时，将造成设备损坏和不安全，为此，必设置超速保护装置来控制转速或切断电源。

电力拖动系统中根据不同的工作情况，对电动机设置一种或几种保护措施。

第二章