数控机床电气控制基础.docx
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数控机床电气控制基础
模块一数控机床电气控制基础
[模块教学内容]
1、介绍数控机床主电路常用电器元件包括低压断路器、开关、熔断器、接触器、热继电器以及变压器的结构、原理、功能、技术参数、选型和应用。
2、介绍数控机床控制电路常用电器元件包括继电器、按钮、开关、信号灯和直流稳压电源的结构、原理、功能、技术参数、选型和应用。
3、介绍图形文字符号及选择方法；数控机床电气原理图的画法规则。
[模块学习目标]
1、了解数控机床主要电器的结构。
2、掌握数控机床主要电器的基本应用技术。
3、掌握组成电气控制线路的基本规律和绘图方法。
单元一数控机床主电路常用电器元件
数控机床是在通用机床基础之上发展而来的，至今很多方面还保留着通用机床的痕迹，在电气系统主电路方面二者仍然是统一的。
本单元介绍数控机床主电路常用的电器元件，如低压断路器、开关、熔断器、接触器等，同时介绍其工作原理及选用原则，以便学会正确选择和合理使用，为分析和设计数控机床电气控制线路打下基础。
一、电器的作用与分类
根据外界特定的信号和要求自动或手动接通或断开电路，断续或连续改变电路参数，实现对电路或非电对象的接通、切换、保护、检测、控制、调节作用的装置称为电器。
工作在交流1200V、直流1500V额定电压以下的电路中，能根据外界信号（机械力、电动力和其他物理量），自动或手动接通和断开电路的电器称为低压电器。
其作用是实现对电路或非电对象的切换、控制、保护、检测和调节。
数控机床电气控制系统中采用了低压电器作为基本组成元件，而且控制系统的优劣与所用的低压电器直接相关，因此掌握低压电器的基本知识和常用低压电器的结构及工作原理，并能准确选用、检测和调整常用低压电器元件，才能够分析数控机床电气控制系统的工作原理，处理及维修一般故障。
低压电器种类繁多、功能各样、构造各异，工作原理各不相同，常用低压电器的分类方法有：
1．按操作方式分类
（1）自动电器依靠自身参数的变化或外来信号的作用，自动完成接通或分断等动作，如接触器、继电器等。
（2）手动电器用手动操作来进行切换的电器，如组合开关、转换开关、按钮等。
2．按用途分类
（1）配电电器主要用于低压配电系统中。
要求系统发生故障时准确动作、可靠工作，在规定条件下具有相应的动稳定性与热稳定性，使电器不会被损坏。
常用的配电电器有断路器、转换开关、熔断器、断路器等。
（2）控制电器主要用于电气传动系统中。
要求寿命长、体积小、重量轻且动作迅速、准确、可靠。
常用的控制电器有接触器、继电器、电磁铁等。
3．按工作原理分类
（1）电磁式电器根据电磁感应原理动作的电器，如接触器、继电器、电磁铁等。
（2）电子式电器利用电子元件的开关效应，即导通和截止来实现电路的通、断控制。
如接近开关、霍尔开关、电子式时间继电器、固态继电器等。
（3）非电量控制电器依靠外力或非电量信号（如速度、压力、温度等）的变化而动作的电器，如转换开关、行程开关、速度继电器、压力继电器、温度继电器等。
以上这些电器很多在机床电路中得到广泛应用，因此有时也称之为“机床电器”，或者说机床电器类属于低压电器。
二、低压断路器
低压断路器通常称自动开关或空气开关，具有控制电器和保护电器的复合功能，可用于数控机床主电路及分支电路的通断控制。
当电路发生短路、过载或欠电压等故障时能自动分断。
在正常情况下也可用做不频繁地直接接通和断开电动机控制电路。
低压断路器的种类繁多，按其用途和结构特点分为DW型框架式（或称万能式）断路器、DZ型塑料外壳式（或称装置式）断路器、DS型直流快速断路器和DWX型/DWZ型限流式断路器等。
框架式断路器规格、体积都比较大些，主要用作配电线路的保护开关，而塑料外壳式断路器相对要小，除用作配电线路的保护开关外，还可用作电动机、照明电路及电热电路的控制，因此数控机床主要使用塑料外壳式断路器。
下面以塑料外壳式断路器为例，简要介绍其结构、工作原理、使用与选用方法。
1．断路器的结构与工作原理
断路器主要由3个基本部分组成，即触头、灭弧系统和各种脱扣器，脱扣器又包括过电流脱扣器、欠电压脱扣器、热脱扣器、分励脱扣器和自由脱扣器。
图1-1是断路器工作原理示意图及图形符号。
断路器合闸或分断操作是靠操作机构手动或电动进行的，合闸后自由脱扣机构将触头锁在合闸位置上，使触头闭合。
当电路发生故障时，通过各自的脱扣器使自由脱扣机构动作，以实现起保护作用的自动分断。
1-分闸弹簧2-主触头3-传动杆4-锁扣5-轴6-过电流脱扣器
7-热脱扣器8-欠压失压脱扣器9-分励脱扣器
图1-1断路器工作原理示意图及图形符号
过流脱扣器、欠压脱扣器和热脱扣器实质都是电磁铁。
在正常情况下，过流脱扣器的衔铁是释放着的，电路一旦发生严重过载或短路故障时，与主电路相串联的线圈将产生较强的电磁吸力吸引衔铁，从而推动杠杆顶开锁钩，使主触点断开。
失压脱扣器的工作情况恰恰相反，在电压正常时，吸住衔铁才不影响主触点的闭合，一旦电压严重下降或断电时，电磁吸力不足或消失，衔铁被释放而推动杠杆，使主触点断开。
热脱扣器是在电路发生轻微过载时，过载电流不立即使脱扣器动作，但能使热元件产生一定的热量，促使双金属片受热向上弯曲，当持续过载时双金属片推动杠杆使搭钩与锁钩脱开，将主触点分开。
注意，低压断路器由于过载而分断后，应等待2min～3min热脱扣器复位才能重新操作接通。
分励脱扣器可做为远距离控制断路器分断之用。
断路器因其脱扣器的组装不同，其保护方式、保护作用也不同。
一般在图形符号中标注其保护方式，图1-1所示的断路器图形符号中标注了失压、过载、过电流3种保护方式。
2．低压断路器的型号含义和主要技术参数
（1）低压断路器的型号含义
（2）主要技术参数
1）额定电压
①额定工作电压断路器的额定工作电压是指与能断能力及使用类别相关的电压值。
对多相电路是指相间的电压值。
②额定绝缘电压断路器的额定绝缘电压是指设计断路器的电压值，电气间隙和爬电距离应参照这些值而定。
除非型号产品技术文件另有规定，额定绝缘电压是断路器的最大额定工作电压。
在任何情况下，最大额定工作电压不超过绝缘电压。
2）额定电流
①断路器壳架等级额定电流用尺寸和结构相同的框架或塑料外壳中能装入的最大脱扣器额定电流表示。
②断路器额定电流断路器额定电流就是额定持续电流。
也就是脱扣器能长期通过的电流。
对带可调式脱扣器的断路器指可长期通过的最大电流。
3．低压断路器的保护特性
断路器的保护特性主要是指断路器过载和过流保护特性，即断路器动作时间与过载和过流脱扣器的动作电流关系。
图中ab段为过载保护曲线，具有反时限。
df段为瞬时动作曲线，当故障电流超过d点对应电流时，过电流脱扣器便瞬时动作。
bce段为定时限延时动作曲线，当故障电流超过c点对应电流时，过电流脱扣器经短时延时后动作，延时长短由c点与d点对应的时间差决定。
根据需要，断路器的保护特性可以是两段式，如abdf曲线，既有过载延时，又有短路瞬时保护；而abce曲线保护则为过载长延时和短路短延时保护。
另外还可有三段式的保护特性，如abcghf曲线，既有过载长延时，短路短延时，又有特大短路的瞬时保护。
为达到良好的保护作用，断路器的保护特性应与被保护对象的允许发热特性有合理的配合，即断路器保护特性2位于被保护对象的允许发热特性1的下方，并以此来合理选择断路器的保护特性。
1-被保护对象的发热特性2-低压断路器保护特性
图1-2低压断路器的保护特性
4．低压断路器典型产品
（1）塑料外壳式断路器塑料外壳式断路器外壳是绝缘的，内装触点系统、灭弧室及脱扣器等，可手动或电动（对大容量断路器而言）操作。
有较高的分断能力和动稳定性，有较完善的选择性保护功能，用途广泛。
目前数控机床常用的有DZ5、DZ20、DZXl9、DZ108和C45N（目前已升级为C65N）等系列产品。
其中C45N（C65N）断路器具有体积小，分断能力高、限流性能好、操作轻便，型号规格齐全、可以方便地在单极结构基础上组合成二极、三极、四极断路器的优点，广泛使用在60A及以下的支路中。
以DZ5系列断路器为例其主要技术数据见表1-1。
表1-1DZ5系列低压断路器主要技术数参数
型号
额定
电压
（V）
额定
电流
（A）
极数
脱扣器
类别
热脱扣器
额定电流
（A）
电磁脱扣器
瞬时动作整定值
（A）
DZ5-20/200
交流
380
20
2
无脱扣器
—
—
DZ5-20/300
3
DZ5-20/210
2
热脱扣器
0.15（0.10~0.15）
0.20（0.15~0.20）
为热脱扣器额定电流的8~12倍（出厂时整定于10倍）
DZ5-20/310
3
DZ5-20/220
直流
220
2
电磁脱扣
0.30（0.20~0.30）
0.45（0.30~0.45）
1（0.65~1）
1.5（1~1.5）
3（2~3）
4.5（3~4.5）
10（6.5~10）
15（10~15）
为热脱扣器额定电流的8-12倍（出厂时整定于10倍）
DZ5-20/320
3
DZ5-20/230
2
复式脱扣
DZ5-20/330
3
（2）漏电保护型低压断路器漏电保护型低压断路器又称为漏电保护自动开关。
常用它作为低压交流电路中配电，电动机过载、短路、漏电保护使用。
漏电保护型低压断路器主要由三部分组成：
自动开关、零序电流互感器和漏电脱扣器。
实际上，漏电保护型低压断路器就是在一般的低压断路器的基础上增加了零序电流互感器和漏电脱扣器来检测漏电情况。
当有人身触电或设备漏电时能够迅速切断故障电路，避免人身和设备受到危害。
常用的漏电保护型低压断路器有电磁式和电子式两大类。
电磁式漏电保护型低压断路器又分为电压型和电流型。
电流型的漏电保护型低压断路器比电压型的性能较为优越，所以目前使用的大多数漏电保护型低压断路器为电流型。
以电磁式电流型漏电保护型低压断路器为例：
1）三相漏电保护型低压断路器图1-3所示为电磁式电流型的三相漏电保护型低压断路器的原理图。
电路中的三相电源线穿过零序电流互感器1的环形铁心，零序电流互感器的输出端与漏电脱扣器2相联结，漏电脱扣器的衔铁被永久磁铁吸住，拉紧了释放弹簧。
当电路正常时，三相电流的向量和为零，零序电流互感器的输出端无输出，漏电保护自动开关处于闭合状态。
图1-3电磁式电流动作型的三相漏电保护型低压断路器原理图
当有人触电或设备漏电时，触电电流或漏电电流从大地流回变压器的中性点，此时，三相电流的向量和不为零，零序电流互感器的输出端有感应电流Is输出，当Is足够大时，该感应电流使得漏电脱扣器产生的电磁吸力抵销掉永久磁场所产生的对衔铁的电磁吸力，漏电脱扣器释放弹簧的反力就会将衔铁释放，漏电闭合自动开关触点动作，切断电路使触电的人或漏电的设备与电源脱离，起到漏电保护的作用。
2）单相漏电保护型低压断路器单相电路的漏电保护型低压断路器，其保护原理类似于三相漏电保护型低压断路器。
不同的是，单相漏电保护自动开关穿过零序电流互感器的导线是相线和中线。
当线路正常时，相线和中线电流的向量和为零，因此零序电流互感器的铁心中的磁通也为零，互感器的二次回路无输出，漏电保护自动开关的触电处于闭合状态；而当出现人身触电或设备漏电时，相线和中线的矢量和不为零，互感器的二次侧有输出，如该输出电流大于漏电脱扣器的动作电流，则漏电脱扣器动作，使漏电保护自动开关的触点断开，从而切断电路，保护人身和设备的安全。
单相漏电保护型低压断路器一般其额定电压为交流220V，额定电流为15～16A或32A左右，额定动作电流为30mA，漏电脱扣器动作时间小于0.1s。
（3）智能型低压断路器智能型断路器的特征是采用了以微处理器或单片机为核心的智能控制器（智能脱扣器），它不仅具备普通断路器的各种保护功能，同时还具备实时显示电路中的各种电气参数（电流、电压、功率、功率因数等），对电路进行在线监视、自行调节、测量、试验、自诊断、通信等功能，能够对各种保护功能的动作参数进行显示、设定和修改，保护电路动作时的故障参数能够存储在非易失存储器中以便查询，国内DW45、DW40、DW914（AH）、DWl8（AE-S）、DW48、DWl9（3WE）、DWl7（ME）等智能化框架断路器和智能化塑壳断路器，都配有ST系列智能控制器及配套附件，它采用积木式配套方案，可直接安装于断路器本体中，无需重复二次接线，并可多种方案任意组合。
5．低压断路器的选用与维护
（1）断路器的选用
1）根据线路对保护的要求确定断路器的类型和保护形式。
2）断路器的额定电压UN应等于或大于被保护线路的额定电压。
3）断路器欠压脱扣器额定电压应等于被保护线路的额定电压。
4）断路器的额定电流及过流脱扣器的额定电流应大于或等于被保护线路的计算电流。
5）断路器的极限分断能力应大于线路的最大短路电流的有效值。
6）线路中的上、下级断路器的保护特性应协调配合，下级的保护特性应位于上级保护特性的下方且不相交。
7）断路器的长延时脱扣电流应小于导线允许的持续电流。
（2）断路器的维护
1）在安装低压断路器时应注意把来自电源的母线接到开关灭弧罩一侧（上口）的端子上，来自电气设备的母线接到另外一侧（下口）的端子上。
2）低压断路器投入使用时应按照要求先整定热脱扣器的动作电流，以后就不应随意旋动有关的螺钉和弹簧。
3）发生断路、短路事故的动作后，应立即对触点进行清理，检查有无熔坏，清除金属熔粒、粉尘等，特别要把散落在绝缘体上的金属粉尘清除干净。
4）在正常情况下，每六个月应对开关进行一次检修，清除灰尘。
（3）断路器常见故障及修理方法
低压断路器在使用时有可能出现一些故障，表1-2列出了一些常见故障、故障原因和修理方法。
表1-2低压断路器常见故障及修理方法
故障现象
产生原因
修理方法
手动操作断路器不能闭合
1.电源电压太低
2.热脱扣的双金属片尚未冷却复原
3.欠电压脱扣器无电压或线圈损坏
4.储能弹簧变形，导致闭合力减小
5.反作用弹簧力过大
1.检查线路并调高电源电压
2.待双金属片冷却后再合闸
3.检查线路，施加电压或调换线圈
4.调换储能弹簧
5.重新调整弹簧反力
电动操作断路器不能闭合
1.电源电压不符
2.电源容量不够
3.电磁铁拉杆行程不够
4.电动机操作定位开关变位
1.调换电源
2.增大操作电源容量
3.调整或调换拉杆
4.调整定位开关
电动机起动时断路器立即分断
1.过电流脱扣器瞬时整定值太小
2.脱扣器某些零件损坏
3.脱扣器反力弹簧断裂或落下
1.调整瞬间整定值
2.调换脱扣器或损坏的零部件
3.调换弹簧或重新装好弹簧
分励脱扣器不能使断路器分断
1.线圈短路
2.电源电压太低
1.调换线圈
2.检修线路调整电源电压
欠电压脱扣器噪声大
1.反作用弹簧力太大
2.铁心工作面有油污
3.短路环断裂
1.调整反作用弹簧
2.清除铁心油污
3.调换铁心
欠电压脱扣器不能使断路器分断
1.反力弹簧弹力变小
2.储能弹簧断裂或弹簧力变小
3.机构生锈卡死
1.调整弹簧
2.调换或调整储能弹簧
3.清除锈污
三、开关
1．组合开关
组合开关又称转换开关，控制容量比较小，结构紧凑，常用于交流380V以下，直流220V以下的电气线路中，手动不频繁地接通或分断电路，也可控制小容量交、直流电动机的正反转、星—三角起动和变速换向等。
常用的产品有HZ5、HZ10和HZ15系列。
HZ5系列是类似万能转换开关的产品，其结构与一般转换开关有所不同；组合开关种类很多，有单极、双极和多极之分。
常用的是三极的组合开关，其外形、符号如图1-4所示。
a）外形b）符号
图1-4组合开关的外形和符号
（1）组合开关的结构
组合开关的结构由三个分别装在三层绝缘件内的双断点桥式动触片、与盒外接线柱相连的静触点、绝缘方轴、手柄等组成。
动触片装在附有手柄的绝缘方轴上，方轴随手柄而转动，于是动触片随方轴转动并变更与静触片分、合的位置。
组合开关常用来作电源的引入开关，起到设备和电源间的隔离作用，在小型数控机床上应用普遍。
（2）组合开关的选用
1）用于机床电路时，组合开关的额定电流应等于或大于被控制电路中各负载电流的总和。
2）用于电动机控制时，组合开关的额定电流一般取电动机额定电流的1.5～2.5倍。
3）组合开关的通断能力较低，当用于控制电动机作可逆运转时，必须在电动机完全停止转动后，才能反向接通。
4）当操作频率过高或负载的功率因数较低时，转换开关要降低容量使用，否则会影响开关寿命。
（3）组合开关的型号含义及技术参数
1）型号含义
2）技术参数
HZ型组合开关的主要技术参数见表1-3
表1-3HZ型组合开关的主要技术参数
型号
额定电压（V）
额定电流（A）
极数
极限操作
电流（A）
可控制电动机最大容量和额定电流
接通
分断
容量（KW）
额定电流（A）
HZ10-10
交流380
6
单极
94
62
3
7
10
HZ10-25
25
5.5
12
HZ10-60
60
2、3
155
108
HZ10-100
100
2．万能转换开关
万能转换开关是由多组相同结构的触头组件叠装而成的多档位多回路的手动控制电器。
它具有多个操作位置和触点、能进行多个电路的换接的手动控制电器。
它可用于机床电气控制线路的换接以及小容量电动机的起动、制动、调速和换向的控制，其触头档数多、换接线路多、用途广泛，故有“万能”之称。
如图1-5所示为万能转换开关单层的结构示意图。
图1-5能转换开关单层的结构示意图
典型的万能转换开关由触点座、凸轮、转轴、定位机构、螺杆和手柄等组成，并由1～20层触点底座叠装而成，每层底座可装三对触点，由触点底座中且套在转轴上的凸轮来控制此三对触点的接通和断开。
由于各层凸轮的形状可制成不同，因此用手柄将开关转到不同的位置，使各对触点按需要的变化规律接通或断开，达到满足不同线路的需要的目的。
由于其触点的分合状态与操作手柄的位置有关，所以，除在电路图中画出触点图形符号外，还应画出操作手柄与触点分合状态的关系。
触点号
1
0
2
1
×
×
2
×
×
3
×
×
4
×
×
5
×
×
3
×
×
万能转换开关主要由接触系统、操作机构、转轴、手柄、定位机构等部件组成，并用螺栓组装成为一个整体。
万能转换开关的图形符号及文字符号如图1-6所示。
a）图形符号b）触头分合表
图1-6万能转换开关的图形符号
图中竖的虚线代表手柄的位置，垂直方向的数字1~6表示触点编号，水平方向的数字及文字“1”、“0”、“2”表示手柄的操作位置（档位）。
在不同的操作位置，各对触点的通、断状态的表示方法为：
在触点的下方与虚线相交位置有黑色圆点表示在对应操作位置时触点接通，没涂黑色圆点表示在该操作位置不通。
触头的通断也可以用触头分合表来表示，表中“×”表示触头闭合，空白表示触头分断。
万能转换开关的常用产品有LW5和LW6系列。
LW5系列可控制5.5kW及以下的小容量电动机；LW6系列只能控制2.2kW及以下的小容量电动机。
用于可逆运行控制时，只有在电动机停车后才允许反向起动。
LW5系列万能转换开关按手柄的操作方式可分为自复式和自定位式两种。
所谓自复式是指用手拨动手柄于某一档位时，手松开后，手柄自动返回原位；定位式则是指手柄被置于某档位时，不能自动返回原位而停在该档位。
3.组合开关和万能转换开关的常见故障及修理方法
组合开关和万能转换开关在使用时有可能出现一些故障，表1-4列出了HZ型组合开关一些常见故障、故障原因和修理方法。
表1-4HZ型组合开关常见故障及修理方法
故障现象
产生原因
修理方法
手柄转动后，内部触头未动作
1.手柄的转动连接部件磨损
2.操作机构损坏
3.绝缘杆变形
4.轴与绝缘杆装配不紧
1.调换手柄
2.修理操作机构
3.更换绝缘杆
4.紧固轴与绝缘杆
手柄转动后，三副触头不能同时接通或断开
1.开关型号不对
2.修理开关时触头装配得不正确
3.触头失去弹性或有尘污
1.更换开关
2.重新装配
3.更换触头或清除污垢
开关接线柱相间短路
因铁屑或油污附在接线柱间形成导电将胶木烧焦或绝缘破坏形成短路
清扫开关或调换开关
四、熔断器
熔断器是一种结构简单、使用方便、应用广泛、价格低廉的保护电器。
主要用作电路或用电设备的短路保护，有时对严重过载也可起到保护作用。
它串联在电路中，当通过的电流大于规定值时，使熔体熔化而自动分断电路。
1．熔断器的结构及保护特性
（1）熔断器的结构熔断器由熔体（俗称保险丝）和安装熔体的熔管（或熔座）两部分组成。
其中熔体是关键部分，它既是感测元件又是执行元件，熔体是由低熔点的金属材料（如铅、锡、锌、铜、银及其合金等）制成，其形状有丝状、带状、片状等；熔管的作用是安装熔体及在熔体熔断时熄灭电弧，多由陶瓷、绝缘钢纸或玻璃纤维材料制成。
熔断器的熔体串联在被保护电路中，当电路正常工作时，熔体中通过的电流不会使其熔断；当电路发生短路或严重过载时，熔体中通过的电流很大，使其发热，当温度达到熔点时熔体瞬间熔断，切断电路，起到保护作用。
熔断器的图形及文字符号如图1-7所示。
图1-7熔断器的图形及文字符号
（2）熔断器的保护特性
电流通过熔体时产生的热量与电流的平方及通过电流的时间成正比，即Q=I2Rt，由此可见，电流越大，熔体熔断的时间越短，这一特性称为熔断器的保护特性（或称安秒特性），其特性曲线如图1-8所示，由图可见它是一反时限特性。
图1-8熔断器的安秒特性曲线
在安秒特性中有一熔断与不熔断电流的分界线，与此相应的电流就是最小熔断电流Ir。
当熔体通过电流小于Ir时，熔体不应熔断。
根据对熔断器的要求，熔体在额定电流Ire时绝对不应熔断。
最小熔断电流Ir与熔体额定电流Ire之比称为熔断器的熔断系数，即Kr=Ir/Ire。
从过载保护来看，Ｋr值较小时对小倍数过载保护有利，但Ｋr也不宜接近于1，当Ｋr为1时，不仅熔体在Ire下的工作温度会过高，而且还有可能因为安秒特性本身的误差而发生熔体在Ire下也熔断的现象，影响熔断器工作的可靠性。
熔断电流与熔断时间之间的关系如表1-5所示。
表1-5熔断电流与熔断时间之间的关系
熔断电流
1.2～1.3IN
1.6IN
2IN
2.5IN
3IN
4IN
熔断时间
∞
1h
40s
8s
4.5s
2.5s
当熔体采用低熔点的金属材料（如铅、锡、铅锡合金及锌等）时，熔断时所需热量少，故熔断系数较小，有利于过载保护；但它们的电阻率较大，熔体截面积较大，熔断时产生的金属蒸气较多，不利于电弧熄灭，故分断能力较低。
当熔体采用高熔点的金属材料（如铝、铜和银）时，熔断时所需热量大，故熔断率大，不利于过载保护，而且可能使熔断器过热；但它们的电阻率低，熔体截面积较小，有利于电弧熄灭，故分断能力较高。
由此来看，不同熔体材料的熔断器在电路中起保护作用的侧重点是不同的。
2．熔断器的主要技术参数
（1）额定电压是指熔断器
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