教学配套课件:机床电气控制技术.ppt
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- 教学 配套 课件 机床 电气控制 技术
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1、机床电气控制技术第1章 交直流电机基础 1.1机床电气控制概述 1.2直流电机基础 1.3交流电机基础下一页返回第2章机床常用电器及选择 2.1常用电工工具介绍 2.2低压电器的基本知识 2.3开关电器 2.4主令电器 2.5熔断器上一页 下一页返回第2章机床常用电器及选择 2.6低压断路器 2.7接触器 2.8继电器 2.9电动机的保护环节 2.10低压电器常见故障分析上一页 下一页返回第3章机床电气控制的基本环节 3.1 机床电气原理图及绘制 3.2 三相笼型异步电动机的启动控制电路 3.3 三相笼型异步电动机的正反转控制电路 3.4 三相笼型异步电动机的制动控制电路 3.5 直流电动机控
2、制电路 3.6 电液控制上一页 下一页返回第4章 普通机床电气控制电路 4.1 普通车床电气控制电路 4.2 普通铣床的电气控制电路 4.3普通镗床电气控制电路 4.4 M7130型卧轴矩台平面磨床电气控制电路 4.5摇臂钻床的电气控制 4.6组合机床电气控制电路 4.7机床电气控制电路的设计上一页 下一页返回第5章 可编程序控制器 5.1 PLC概述 5.2 PLC的组成及工作原理 5.3可编程序控制器的指令系统 5.4 OMRON系列PLC介绍 5.5西门子S7-200系列PLC介绍 5.6 PLC组成的控制系统设计 5.7PLC应用举例上一页 下一页返回第6章 数控机床电气控制电路分析
3、6.1数控机床控制系统的组成 6.2数控机床控制系统 6.3进给运动控制(插补)6.4数控机床的发展 6.5 TK1640数控车床电气控制电路的特点分析 6.6 XK714A数控铣床电气控制电路特点分析 6.7 XH714立式加工中心电气控制电路特点分析上一页返回第1章 交直流电机基础 1.1机床电气控制概述 1.2直流电机基础 1.3交流电机基础返回1.1 机床电气控制概述 1.1.1本课程的性质和基本要求 机床电气控制是机械专业的一门专业基础课程。本课程的主要内容是介绍机床电气控制系统中电器元件的基本结构和工作原理、机床电气线路图分析、电气线路设计和应用的基础理论和基本知识。本课程内容涉及
4、面较广,不仅局限于金属切削机床,也适用于其他机械设备。机床是机械制造中的主要加工设备,它的质量、自动化程度以及应用先进技术的状况直接反映了机械工业的发展水平,机床加工自动化对提高生产效率、保证产品质量和减轻体力劳动起着重要的作用。现代科学技术的发展进步为生产过程自动化的进一步发展创造了有利的条件。下一页返回1.1 机床电气控制概述 控制技术、微电子技术和计算机技术等领域中的一些最新研究成果在机床控制系统中得到了广泛的应用。从采用的电气控制系统的先进性、复杂性来看,机床是机械制造行业的各种机械设备中最典型的代表。作为一个机械工程技术人员,必须要掌握与机床电气控制有关的基本理论。通过学习本门课程,
5、学生应达到下列各项基本要求:熟悉机床电气控制的基础理论及控制方法;熟悉机床常用的电器元件及其选用;熟悉机床控制电路的基本环节、控制逻辑及其基本的设计方法;熟悉常用的机床电路,并具备一定的机床电路故障分析及处理能力;上一页 下一页返回1.1 机床电气控制概述 初步掌握可编程序控制器的工作原理、指令系统、编程特点和方法,能合理选择控制设置,能根据用户生产工艺过程控制的要求编制控制程序,经调试后可应用于生产过程。1.1.2机床电气控制的发展 随着科学技术的发展,对生产工艺过程不断提出新的要求,机床电气控制装置也不断更新。在控制方法上,主要是从手动控制到自动控制;在控制功能上,从简单到复杂;在操作上,
6、由笨重到轻巧;从控制原理上,由单一的有触点硬接点的继电控制系统转为以微处理器为中心的软控制系统。新的控制理论和新的电器及电子器件的出现,不断地推动着机床电气控制技术的发展。上一页 下一页返回1.1 机床电气控制概述 在20世纪20年代至30年代,主要采用继电器接触器的控制方式。这种控制方式的优点是结构简单、价格低廉、维护方便、抗干扰能力强。因此被广泛地应用于各类机床和机械设备,采用这种控制方式不仅可以方便地实现生产工艺过程自动化,而且还可以实现集中控制和远程控制。目前,继电器一接触器控制仍然是我国机床和其他机械设备最基本的电气控制方式之一。继电器一接触器控制系统的缺点是:由于采用固定接线方式,
7、所以在进行程序控制时,不易改变控制逻辑程序,灵活性差;由于继电控制采用有触点开关方式,所以动作频率不允许过高,触点寿命短、易损坏。上一页 下一页返回1.1 机床电气控制概述 20世纪40年代至50年代,出现了磁放大器电动机控制系统,这是一种闭环反馈控制系统,通过反馈作用可以自动进行调整,对偏差进行纠正,系统的控制精度、控制速度等性能指标都有提高。20世纪60年代出现了晶体管晶闸管控制,发展到20世纪70年代形成了集成电路放大器一晶闸管控制。由晶闸管供电的直流调速系统和交流调速系统不仅使调速性能得到较大改善,而且减少了机电设备和占地面积,减少了损耗,提高了经济性。在20世纪70年代后期,随着大规
8、模集成电路和微处理器技术的发展和运用,出现了采用软件手段来实现各种程序控制的功能,以微处理器为核心的新型工业控制器可编程序控制器利用微处理器的基本逻辑运算功能来进行控制编程,这种器件完全能适应恶劣的工业环境。上一页 下一页返回1.1 机床电气控制概述 由于它兼备了计算机控制系统和继电控制系统两方面的优点,目前在工业控制中展现出了强劲的发展势头,已被世界各国作为一种标准化通用装置普遍用于工业控制。为了解决占机械加工总量80%左右的单件和小批量生产自动化,以提高生产效率、提高产品质量和降低劳动强度,在20世纪50年代出现了数控机床,它是一种具有广泛通用性的高效率自动化机床。如今它综合应用了电子技术
9、、检测技术、计算机技术、自动控制和机床结构设计等技术领域内的最新技术成果,在一般数控机床的基础上,发展成为附带自动换刀和自适应等功能的复杂数控系列产品。上一页 下一页返回1.1 机床电气控制概述 它能对多道工序的工件进行连续加工,节省了夹具,缩短了定位,对刀等辅助时间,提高了工作效率和产品质量,成功地取代了以往靠模板、凸轮、专用夹具、刀具等来实现顺序加工的自动机床、组合机床和专用机床。随着计算机应用技术地迅速发展,数控机床的应用日益广泛,进一步推动了数控系统的发展,因此产生了自动编程系统、计算机控制系统(CNC)、计算机群控系统(DNC)和柔性制造系统(FMS)。上一页 下一页返回1.1 机床
10、电气控制概述 FMS是把一组数控机床与工件、刀具、夹具等用自动传递连接起来,并在计算机的统一控制下形成一整套管理和制造相结合的生产体系。这就组成了计算机群控自动线,或称柔性制造系统。当今的计算机集成制造系统(CIMS)和设计制造一体化(CAD/CAM)代表了机械制造自动化的一个新的发展阶段,实现了从产品设计到制造的全部自动化。上一页返回1.2直流电机基础 直流电机是一种能将直流电能与机械能进行相互转换的电气装置,包括直流电动机与直流发电机两大类。能将直流电能转换成机械能的称直流电动机;能将机械能转换成直流电能的则称直流发电机。直流电机的主要优点是调速范围广,平滑性、经济性及启动性能好,抗过载能
11、力较大,广泛用于对调速性能要求较高的生产机械。因此在冶金、船舶、纺织、高精度机床加工等大中型工业企业中都大量地采用直流电机拖动。直流电机的主要缺点是存在换向问题。因此其制造工艺复杂、价格昂贵、维护技术要求较高。下一页返回1.2直流电机基础 1.2.1直流电机结构及其原理 直流电机是一种旋转电器,主要完成直流电能与机械能的转换。能将直流电能转换成机械能的旋转电器称直流电动机或称其工作于直流电动状态;而将机械能转换成电能的旋转电器,则称为直流发电机或称其工作于直流发电状态。直流电动机和直流发电机在结构上没有根本区别,只是由于工作原理不同,从而得到相反的能量转换过程。1.直流电机的结构(1)直流电机
12、的基本结构 直流电机在结构上可概括地分为静止和转动两大部分。上一页 下一页返回1.2直流电机基础 其静止的部分称为定子;转动的部分称为转子(电枢),这两部分由空气隙分开,其结构如图1-1所示。定子部分。定子由主磁极、机座、换向极、端盖及电刷等装置组成。主磁极:其作用是产生恒定的主磁场,由主磁极铁芯和套在铁芯上的励磁绕组组成。铁芯的上部叫极身,下部叫极靴。极靴的作用是减小气隙磁阻,使气隙磁通沿气隙均匀分布。铁芯通常用低碳钢片冲压叠成。其目的是为了减小励磁涡流损耗。机座:其作用有两个,一是作为各磁极间的磁路,这部分称为定子的磁扼;二是作为电机的机械支撑。上一页 下一页返回1.2直流电机基础 换向极
13、:换向极的作用是改善直流电机的换向性能,消除直流电机带负载时换向器产生的有害火花。换向极的数目一般与主磁极数目相同,只有小功率的直流电机不装换向极或装设只有主磁极数一半的换向极。电刷装置:其作用有两个,一是使转子绕组与电机外部电路接通;二是与换向器配合,完成直流电机外部直流电与内部交流电的互换。转子部分。转子是直流电机的重要部件。由于感生电动势和电磁转矩都是在转子绕组中产生的,是机械能和电磁能转换的枢纽,因此直流电机的转子也称为电枢。电枢主要由电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴等组成。上一页 下一页返回1.2直流电机基础 电枢铁芯:其作用有两个,一是作为磁路的一部分;二是将电枢绕组安放在铁芯的槽
14、内。为了减小由于电机磁通变化产生的涡流损耗,电枢铁芯通常采用0.350.5 mm硅钢片冲压叠成。电枢绕组:电枢绕组的作用是产生感生电动势和电磁转矩。从而实现电能和机械能的相互转换。它是由许多形状相同的线圈按一定的排列规律连接而成。每个线圈的两个边分别嵌在电枢铁芯的槽里,在槽内的这两个边,称为有效边。换向器:换向器是直流电机的关键部件,它与电刷配合,在直流电机中能将电枢绕组中的交流电动势或交流电流转变成电刷两端的直流电动势或直流电流。上一页 下一页返回1.2直流电机基础 2.直流电动机工作原理 直流电动机是根据载流导体在磁场中受力这一基本原理工作的。直流电动机的工作原理是建立在电磁力基础理论上的
15、,通过电磁关系,将电能转换成机械能。这一理论有两个基本的条件,一是要有恒定的磁场,二是在磁场中的导体要有电流。直流电动机要想将电能转换成机械能,拖动负载工作,首先要在励磁绕组上通入直流励磁电流,产生所需要的磁场,再通过电刷和换向器向电枢绕组通入直流电流,提供电能,于是电枢电流在磁场的作用下产生电磁转矩,驱动电机转动。图1-2所示为直流电动机工作原理模型。上一页 下一页返回1.2直流电机基础 把电刷A,B接到一直流电源上,电刷A接电源的正极,电刷B接电源的负极,此时在电枢线圈中将有电流流过。根据毕-萨电磁力定律可知导体每边所受电磁力的大小为 其中:I为导体中流过的电流,单位为A;f为电磁力,单位
16、为N。导体受力方向由左手定则确定。在图1-2(a)所示情况下,位于N极下的导体ab的受力方向为从右向左,而位于S极下的导体cd的受力方向为从左向右。该电磁力与转子半径之积即为电磁转矩,该转矩的方向为逆时针。上一页 下一页返回1.2直流电机基础 当电磁转矩大于阻力矩时,线圈按逆时针方向旋转。当电枢旋转到图1-2 (b)所示位置时,原来位于S极下的导体cd转到N极下,其受力方向变为从右向左;而原来位于N极下的导体ab转到S极下,导体ab受力方向变为从左向右,该转矩的方向仍为逆时针方向,线圈在此转矩作用下继续按逆时针方向旋转。这样虽然导体中流通的电流为交变的,但N极下的导体受力方向和S极下导体所受力
17、的方向并未发生变化,电动机在此方向不变的转矩作用下转动。实际直流电动机的电枢并非单一线圈,磁极也并非一对。电动机的启动是指电动机接通电源后,由静止状态加速到稳定运行状态的过程。上一页 下一页返回1.2直流电机基础 电动机启动瞬间(n=0)的电磁转矩称为启动转矩,此时所对应的电流称为启动电流,分别用Tst、Ist表示。启动转矩为 如果他励直流电动机在额定电压下直接启动,由于启动瞬间n=0,电枢电动势E =0,故启动电流为上一页 下一页返回1.2直流电机基础 对直流电动机的启动,一般有如下要求:要有足够大的启动转矩;启动电流要限制在一定的范围内;启动设备要简单、可靠。为了限制启动电流,他励直流电动
18、机通常采用电枢回路串入电阻启动或降低电枢电压的启动方式。1.2.2电枢回路串电阻启动 1.启动过程上一页 下一页返回1.2直流电机基础 启动前应使励磁回路的调节电阻Rsf=0,这样励磁电流If和磁通最大,电枢回路串入启动电阻Rst,在额定电压下的启动电流为 启动电阻Rst的值应保证Ist 不大于允许值,对于普通直流电动机,一般要求Ist(1.52)IN。在Tst的作用下,电动机开始转动并逐渐加速,随着转速的逐渐升高,电枢电动势(反电动势)Ea逐渐增大,电枢电流逐渐减小,电磁转矩也随之减小,转速上升的加速度逐渐变缓。上一页 下一页返回1.2直流电机基础 为了缩短启动时间,随着电动机转速的提高,应
19、逐级切除启动电阻,最后使电动机的转速达到额定值。一般串入的启动电阻为25级,在启动过程中逐级切除。启动电阻的级数越多,启动过程就越平稳。但级数越多,所需的设备投资越大,设备维护的工作量越大。图1-3是采用三级电阻启动时电动机的电路原理及其机械特性。分级启动电阻的计算。现以图1-3为例,推导各级启动电阻的计算公式。设图中对应于转速为n1,n2,n3时的电枢电动势分别为Ea1、Ea2、Ea3,则图1-3中b,c,d,e,f,g各点的电压平衡方程式如式(1-5)所示。上一页 下一页返回1.2直流电机基础 比较式(1-5)中的六式可得上一页 下一页返回1.2直流电机基础 将启动过程中的最大电流 I1与
20、切换电流I2之比定义为启动电流比(也称启动转矩比),则在已知和电枢电阻Ra的前提下,各级串联电阻值可按式(1-7)中各式计算。上一页 下一页返回1.2直流电机基础 若已知启动电阻的级数m,启动电流比可按式(1-8)计算。若已知启动电流比,也可利用式(1-8)求出启动电阻的级数m,必要时应修改值使m为整数。计算各级启动电阻的步骤如下:估算或查出电枢电阻Ra;根据过载倍数选取最大转矩T1对应的最大电流 I1;选取启动级数m;上一页 下一页返回1.2直流电机基础 计算启动电流比 计算转矩T2=T1/,检验T2(1.11.3)TL是否成立,如果不满足,应另选T1或m值,并重新计算,直至满足该条件为止。
21、电枢电阻Ra可用实测的方法求得,也可用式(1-9)进行估算 过载倍数T用于描述电动机的过载能力,对于直流电动机过载倍数T为最大电流与额定电流之比上一页 下一页返回1.2直流电机基础 2.降压启动 当直流电源电压可调时,可以采用降压方法启动。启动时,以较低的电源电压启动电动机,启动电流便随电压的降低而减小。随着电动机转速的上升,反电动势逐渐增大,再逐渐提高电源电压,使启动电流和启动转矩保持在一定的数值上,从而保证电动机按需要的加速度升速。可调压的直流电源,在过去多采用直流的发电机一电动机组,现正被晶闸管整流电源取代。降压启动虽然需要专用电源,设备投资较大,但启动平稳,启动过程中能量损耗小,因而得
22、到了广泛应用。上一页 下一页返回1.2直流电机基础 1.2.3直流电动机的制动 根据电磁转矩Tem和转速n方向之间的关系,可以把电机分为两种运行状态。当Tem与n同方向时,称为电动运行状态,简称电动状态;当Tem与n反方向时,称为制动运行状态,简称制动状态。电动状态时,电磁转矩为驱动转矩;制动状态时,电磁转矩为制动转矩。他励直流电动机的制动有能耗制动、反接制动和回馈制动三种方式。1.能耗制动 图1-4是能耗制动的接线图。上一页 下一页返回1.2直流电机基础 开关S接电源侧为电动状态运行,此时电枢电流Ia、电枢电动势Ea、转速n及驱动性质的电磁转矩Tem的方向如图1-4所示。初始制动时,因为磁通
23、保持不变、电枢存在惯性,其转速,*不能马上降为零,而是保持原来的方向旋转,于是n和Ea,的方向均不改变。制动运行时动能转换成电能,并消耗在电阻(Ra+RB)上,直到电动机停止转动为止,所以这种制动方式称为能耗制动。能耗制动时的机械特性,就是在U=0、条件下的一条人为机械特性,即 (1-11)上一页 下一页返回1.2直流电机基础 可见,能耗制动时的机械特性是一条通过坐标原点的直线,其理想空载转速为零,其斜率与电动状态下电枢串电阻RB时人为特性的斜率相同,如图1-5中直线BC所示。能耗制动时,电动机工作点的变化情况可用机械特性曲线说明。设制动前工作点在固有特性曲线A点处,其n 0,Tem 0,Te
24、m 为驱动转矩。开始制动时,因n不突变,工作点将沿水平方向跃变到能耗制动特性曲线上的B点。在B点,n0,Tem U,电枢电流反向,电磁转矩的方向也随之改变,由驱动转矩变成制动转矩。从能量传递方向看,此时电动机处于发电状态,将机械能变换成电能回馈给电网,因此称这种状态为回馈制动状态。回馈制动时的机械特性方程式与电动状态时相同,只是运行在特性曲线上不同的区段而已。正向回馈制动时的机械特性曲线位于第二象限,反向回馈制动时位于第四象限,如图1-9中的n0DA段和-n0D B段。电力拖动系统出现回馈制动状态有以下几种情况。上一页 下一页返回1.2直流电机基础(1)电压反接制动时的回馈制动(2)电车下坡时
25、的回馈制动(3)降低电枢电压调速时的回馈制动(4)调磁调速过程中出现的回馈制动 如图1-11所示。回馈制动时,由于有功率回馈到电网,因此与能耗制动和反接制动相比,回馈制动是比较经济的。4.直流电动机的反转 直流电动机的转向是由电枢电流方向和主磁场方向确定的,要改变其转向,一是改变电枢电流的方向,二是改变励磁电流的方向(即改变主磁场的方向)。上一页 下一页返回1.2直流电机基础 如果同时改变电枢电流和励磁电流的方向,则电动机的转向不会改变。改变直流电动机的转向,通常采用改变电枢电流方向的方法,具体就是改变电枢两端的电压极性,或者说把电枢绕组两端换接,而很少采用改变励磁电流方向的方法。1.2.4直
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