机床电气设计入门知识汇总(DOC 24页).doc
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1、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。外接电压线圈常开/常闭触点 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
2、。 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。123123图3-5:触点混联的例子图3-5中,
3、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。KMKMSB1 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
4、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。KA2KM1KA1KM2电路等效点2电路等效点1KM2KM1 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、K
5、M2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
6、/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。KMKMSB1SB2 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。KMSB1 图3-9:点动电路 上述电路中,即实现了点动的规定动作。KMKMSB1SB2SB3 图3-10:启动/停止、点动电路 上述
7、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。KA1KA1SA1SB1KA2SA1SB1自动手动KA2KA1KA2 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、K
8、A2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
9、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。UAUBUC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
10、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
11、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
12、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
13、动更大负载。KAKVPLC 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
14、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,
15、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=M计算电动机的名牌功率,其中P为功率(瓦)、M为转矩(N.m)、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=(M2n/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0.55、0.75、1、1.1、1.5、2.2、
16、3.7、5.5、7.5(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
17、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(
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