机床电气控制系统设计步骤

　　机床电气控制系统是机床不可缺少的重要组成部分，它对机床能否正确、可靠的工作起着决定性的作用。近代机床高效率的生产方式使得机床的结构与电气控制密切相关，因此机床电气控制系统的设计应与机械部分的设计同步进行、紧密配合，拟订出最佳的控制方案。

　　机床控制系统绝大多数属于电力拖动控制系统，电气设计内容一般包括：

　　1．拟定电气设计任务书（技术条件）

　　2．确定电气传动控制方案，选择电动机。

　　3．设计电气控制原理图。

　　4．选择电气元、器件，制订电气设备、元件、器件清单及备件、易损件清单。

　　5．设计电气柜、操作台、配电板及非标准电气元件。

　　6．设计电气设备布置总图、电气安装图以及电气接线图。

　　7．编写电气说明书和使用操作说明书，包括操作顺序、调试方法、维护保养等说明。

　　根据实际情况，以上内容步骤可作适当调整。

1、拟定电气设计任务书

　　依据机械设备设计总体技术方案拟定的电气设计任务书是整个电气设计的依据。在任务书中，除了简要说明所设计的机械设备的型号、用途、工艺过程、技术性能、传动参数及现场工作条件外，还必须说明：

　　1）用户供电电网的种类（AC或DC）、电压、频率及容量。

　　2）有关传动的基本特性：如运动部件的数量及用途；负载特性，调速指标；电动机的起动、制动、反向要求等。

　　3）有关电气控制的特性：如电气控制的基本方式，自动工作循环的组成，自动控制的动作程序，电气保护及联锁条件等。

　　4）有关操作方面的要求：如操作台的布置、测量显示、故障报警及照明等要求。

　　5）主要电气设备（电动机、执行电器及行程开关等）的参数及布置框图。

2、电力拖动方案的确定

　　设计电气控制系统，首先要做的是：根据生产机械的调速要求，选择和确定合适的拖动方案。

　　在勿需电气调速和启动不频繁的场合，应首先考虑采用笼形异步电动机，仅在负载静转矩很大的拖动装置中，才考虑采用绕线式异步电动机。当负载很平稳、功率大且启制动次数很少时，采用同步电动机更为合理，这样可充分发挥同步电动机效率高、功率因数高的优点，若通过调节激磁使它工作在过激情况下，还能提高电网的功率因数。

　　1．确定调速方式

　　机械设备的调速方式一般可分为机械调速和电气调速。前者是通过电动机驱动变速机构或液压装置，对机床的主运动和进给运动进行调速。后者是采用直流电动机、交流电动机及步进电机的调速系统，以达到机床无级和自动调速的目的。

　　对一般无特殊调速指标要求的机床，应优先采用三相笼形异步电动机作电力拖动。因为这类电动机结构简单、运行可靠、价格经济、维修方便，若配以适当级数的齿轮变速箱或液压调速系统，便能满足一般机床的调速要求。

　　当调速范围D=2～3、调速级数≤2～4时，可采用双速或多速鼠笼式异步电动机，从而简化传动机构，提高传动效率，扩大调速范围；D＜3且不要求平滑调速时，可采用绕线转子感应电动机拖动，但只适用于短时负载和重复短时加载的场合；D=3～10，且要求平滑调速时，在容量不大情况下，可采用带滑差离合器的异步电动机拖动系统，若需长期运转在低速，也可考虑采用晶闸管电源的直流拖动系统；D=10～100时，可采用发电机--电动机组系统或晶闸管电源的直流拖动系统。

　　2．传动方式与负载特性相适应

　　电动机调速性质是指电动机在整个调速范围内转矩、功率与转速的关系：

，

　　电动机的调速性质应与生产机械的负载特性相适应。以车床为例，其主轴运动需恒功率传动，进给运动则要求恒转矩传动。对于电动机，若采用双速鼠笼式异步电动机拖动，当定子绕组由Δ联接改为YY接法时，转速由低速升为高速，功率变化不大，适用于恒功率传动；由Y联接改为双YY接法时，电动机输出转矩不变，适用于恒转矩传动。对于直流他激电动机，改变电枢电压调速为恒转矩调速，而改变激磁调速为恒功率调速。

　　若采用不对应调速，即恒转矩负载采用恒功率调速或恒功率负载采用恒转矩调速。都将使电动机额定功率增大D倍（D为调速范围），且使部分转矩不能得到充分利用。为此，在选择调速方法时，应尽可能使它与负载性质相同。

　　3．电机启动、制动和正、反转的要求

　　在机床的传动控制中，采用电气控制电动机起动、制动和正反转是较为简单的一种控制方式。对于—般较小容量的电动机，其容量不超过供电变压器容量的20％时，一般可采用直接起动。

　　对于超过电网允许压降的电动机起动或对机床运动部件产生过大的动态应力的电动机起动，必须采取限制起动电流或起动转矩的措施（参见）。常用的方法有：在定子电路中串入电阻或电抗，自耦变压器降压，Y--Δ起动和延边三角形起动等。若在电网允许的压降内，为提高电动机的起动转矩，有时可采取某些措施，如对绕线式异步电机转子串接对称电阻的起动。

　　传动电动机是否需要制动，要根据机床工作需要而定。若无持殊要求，一般采用反接制动，可使控制线路简化。若要求制动过程平稳、准确，且不允许有反转情况发生，则必须采取其它可靠的制动措施，如能耗制动、电磁制动器制动、锥形转子电动机等。

　　对于一些要求起制动频繁、转速平稳、定位准确的精密机床设备，除必须限制电动机起动电流外，还需要采用反馈控制系统、高转差电动机、步进电机或其它较复杂的控制方式，以满足机床的控制要求。

3、电气控制方案的确定

　　在考虑机床电力拖动方案的同时，还应考虑电气控制的方案，因为两者具有密切的关系。只有通过这两个方面方案的相互实施，才能实现生产机械的工艺要求。

　　随着生产工艺要求的不断提高，机床的使用功能、动作程序、自动化程度也相应复杂。为满足这些控制要求，各项先进技术已逐渐渗透到机床控制的各个领域。各种新型的控制系统不断出现，如可编程控制器、数控装置及微机控制等。因此，如何使电气控制方案设计既能满足生产技术指标和可靠性、安全性的要求，又能提高经济效益，是一个值得探讨的问题。

　　1．机床电气控制方案的可靠性

　　一个系统或产品的质量，一般包括技术性能指标和可靠性指标。如果不在产品设计阶段考虑产品的可靠性问题，没有一些具体的可靠性指标或者设计师不懂得可靠性的设计方法，那么保证一个产品的可靠性是困难的。

　　第一前对继电器--接触器控制、可编程控制器、数控及微机控制等各自的特点已作了介绍。因此，在确定采用何种控制方案时，应根据实际情况。既要防止脱离现实的设计，也应避免陈旧保守的设计。要提高系统的可靠性，则应把系统的复杂性降至保持功能所需要的最低限度。也就是说，系统应尽可能简单。非工作所需的元件及不必要的复杂结构尽量不用，否则会增加系统失效的概率。虽然数控及微机控制是机床电气控制的一个发展方向，并且具有许多优点，但我们也必须看到，这些控制装置比较复杂，制造成本高，使用和维修都还有一定的困难。目前我国控制元件可靠性较低，因此，在确定这些控制方案时，就更应该注重系统的可靠性问题。利用可靠性设计的方法，来提高系统的可靠程度。

　　2．电气控制方案的确定

　　机床的控制方案应与机床的通用性和专用性的程度相适应。

　　在一般的普通机床中，需要的控制元件数很少，其工作程序往往是固定的，使用中一般无需经常改原有程序，因此，可采用有触点的继电器--接触器控制系统。虽然这种控制系统接线“固定”，但它能控制的功率大，简单、价廉，可靠性好。目前仍使用很广。

　　控制过程中需要进行模拟量处理及数学运算的、输入输出信号多、控制要求复杂或经常要求变动的，控制系统要求体积小、动作频率高、响应时间快的，可视情况采用可编程控制、数控及微机控制方案。

　　在机床自动线中，可根据控制要求和联锁条件的复杂程度不同，采用分散控制或集中控制的方案。但是各台单机的控制方案和基本控制环节应尽量一致，以便简化设计和制造过程。

　　在机床电气控制方案中还应考虑以下诸方面的问题：采用自动循环或半自动循环，手动调整，工序变更，系统的检测，各个运动之间的联锁，各种安全保护，故障诊断，信号指示，照明及人机关系等。

4、控制方式的选择

　　控制方式主要有时间控制、速度控制、行程控制及电流控制。

　　时间控制方式利用时间继电器或PLC（可编程控制器）的延时单元，将感测系统接受的输入信号延时一段时间后才发出输出信号，从而实现电路切换的时间控制。速度控制方式利用速度继电器或测速发电机，间接或直接地检测某机械部件的运动速度，来实现按速度原则的控制。行程控制方式利用生产机械运动部件与事先安排好位置的行程开关或接近开关进行相互配合，而达到位置控制的目的。电流控制方式借助于电流继电器，它的动作反映了某一电路中的电流变化，从而实现按电流原则的控制。如何正确选用这些控制方式，这是电气控制电路设计中一个重要方面。

　　某些物理量既可用行程也可用时间控制。但究竟哪种控制方式好，就要根据实际工作情况来决定。若在控制过程中，由于工作条件不允许安放行程开关，那么只能将行程位置物理量转换成时间物理量，从而采用时间控制方式。又如压力、切削力、转矩等物理量，通过转换可变成电流物理量，可采用电流控制方式来控制。因此，实际上只要通过物理量的相互转换，便可以灵活地使用各种控制方式。

　　在确定控制方式时，还必须注意因负载变化而出现的问题。例如，时间控制方式是一种恒速控制，负载与电流电压的扰动都不会加快或延缓动作的时间。因此，若对于制动采用时间控制，则由于不同负载转速降不同，尤其是在反接制动中，时间继电器不能精确地控制转速到零的切断，所以一般时间控制方式不用于反接制动控制，但适用于能耗制动控制。

　　一般来说，对组合机床和自动线等的自动工作循环，为了保证加工精度而常用行程控制；对反接制动和速度反馈环节用速度控制；对Y--Δ降压起动或多速电动机的变速控制则采用时间控制；对过载保护、电流保护等环节则采用电流控制。