--机械设备电气控制系统的设计实例

——机械设备电气控制系统的设计实例
设计龙门刨床横梁升降的电气控制线路
1.横梁升降机构的工艺要求 (1)由于刨床工件加工位置高低不同，要求横梁沿立柱能作上升、
下降的调整运动。 (2)为确保切削加工的进行，正常情况下横梁应夹紧在立柱上，夹
紧装置由夹紧电动机拖动，而横梁的上、下移动由另一台横梁 升降电动机拖动。 (3)在动作配合上，当横梁升降时应该按照下列顺序进行： 横梁上升：横梁松开→上升移动→横梁夹紧 横梁下降：横梁松开→下降移动→横梁夹紧并回升
夹紧放松电动机M2拖动，且都有正反转。 Ⅱ、夹紧电动机需要的夹紧力保护，用过电流继电器KI来实现。
②控制电路的设计: Ⅰ、由于横梁升降运动为调整运动，所以对M1采用点动控制。M2则
按一定的顺序自动控制。 Ⅱ、根据横梁移动时的控制程序要求，M2与M1之间有一定的顺序关
系：当发出“上升”指令后，M2电动机起动工作，将横梁松 开，待横梁完全松开后，发出信号，使M2电动机停止工作，并 使M１电动机起动，拖动横梁上升。 横梁松开信号的发出由复合行程开关SQ1完成，当横梁处于夹紧 状态时，SQ1不受压，当横梁完全松开时，夹紧机构经杠杆将SQ1压 下，于是发出“松开”信号。
要求在任意位置都可起动或停止。
6.画出三台电动机的自动控制电路，要求电动机M1起动后经 10秒电动机M2自动起动，再经5秒后电动机M3自动起动， 又经100秒后三台电动机同时自动停止。
7.试按下述各种要求画出三相笼型异步电动机的控制线路； （1）既能点动又能连续运转； （2）能正反转控制； （3）有过载保护； （4）能在两处起停。
图8-2-9
【作业】
1.作一个双重联锁正反转点动控制线路图。
2.作两台三相交流异步电动机的顺序控制线路，要求其中一台电动机 M1起
动后另一台电动机M2才能起动，M1如果停止，则M2一定停止。
3.作两台三相交流异步电动机的顺序控制线路，要求电动机M1和M2可 以分
别起动，但M2停止后M1才能停止。
电气控制线路常用的电压等级如表8-2-1所示。 表8-2-1常用控制电压等级
尽量减少电器元件的品种、规格与数量。在电器元件选用中 ，尽可能选用性能优良、价格便宜的新型器件，同一用途尽 可能选用相同型号。电气控制系统的先进性总是与电器元件 的不断发展、更新紧密联系在一起的，因此，设计人员必须 密切关注电机、电器技术、电子技术的新发展，不断收集新 产品资料，以便及时应用于控制系统设计中，使控制线路在 技术指标、稳定性、可靠性等方面得到进一步的提高。
Ⅲ、当横梁上升到位时，撤除“上升”指令，M１电动机立即停止 工
作，同时接通M2电动机，使M2反向运转，拖动夹紧机构使横 梁夹紧。
在夹紧过程中，开关行程开关SQ1复原，为下次发出放松信号 作准备。当横梁夹紧到一定程度时，夹紧电动机M2主电路的电流 升高，借助于M2定子电路中的过电流继电器发出“夹紧”信号，切 断M2电动机的电路，使夹紧过程结束。
②用SB1、SB2按钮的常闭触点完成横梁上升与下降的 机械互锁。
综上所述，修改后的设计草图之二，如图8-2-2所示： 图8-2-2
(3)横梁升降电气控制线路中的控制电路部分的优化 进一步考虑横梁下降时的回升控制。由于回升时间短，所以可
采用时间继电器来控制，选择断电延时时间继电器KT，将其通电瞬 时闭合、断电延时断开的触点与夹紧接触器KM4的常开触点串联后， 再与KA常开触点并联，去控制上升接触器KM1。而KT则由下降接 触器KM2触点控制，构成设计草图之三，如图8-2-3所示：
2、减少通电电器的数量 正常工作过程中，尽可能减少通电电器的数量，以利
节能，延长电器元件寿命以及减少故障。
3、合理使用电器触点 在复杂的继电接触控制线路中，各类接触器、继电器数量较
多，使用的触点也多，线路设计应注意以下问题。 (1)主副触点的使用量不能超过限定对数，因为各类接触器、
继电器的主副触点数量是一定的。设计时应注意尽可能减少触点使 用数量，如图8-2-6（b）比（a）就节省了一对触点。因控制需要触 点数量不够时，可以采用逻辑设计化简方法，改变触点的组合方式， 以减少触点使用数量，或增加中间继电器来解决。
4.某机床的主轴和润滑油泵分别由两台三相笼型异步电动机拖动，要 求：
（1）油泵电动机起动后主轴电动机才能起动；
（2）主轴电动机能正反转，并能单独停车；
（3）具有短路、过载、欠压及失压保护。
试画出其控制线路。
5.作出一台小车运行的控制线路，其动作要求各为： （1）小车由一端开始前进，到终端后自动停止； （2）在终端停留2分钟后自动返回原位停止；
1、选择控制电源
尽量减少控制线路中电源的种类，控制电源用量，控制电 压等级应符合标准等级。在控制线路比较简单的情况下，可直接 采用电网电压，以省去控制变压器。当控制系统使用电器数量比 较多时，应采用控制变压器降低控制电压，或用直流低电压控制， 既节省安装空间，又便于采用晶体管无触点器件，具有动作平稳 可靠、检修操作安全等优点。对于微机控制系统应注意弱电控制 与强电电源之间的隔离，不能共用零线，避免引起电源干扰。照 明、显示及报警等电路应采用安全电压。
图8-2-6
（2）检查触点容量是否满足控制要求，避免因使用不当而出现 触点烧坏、熔焊的故障，要合理安排接触器主副触点的位置， 避免用小容量继电器去切断大容量负载。总之，要计算触点断 流容量是否满足被控制负载的要求，还要考虑负载性质（阻性 、容性、感性等），以保证触点工作寿命和可靠性。
5、正确连线 具体应注意以下几个方面。
Ⅳ、横梁下降在不考虑短时回升时，其动作过程与上升时相同。
综上所述，设计出草图之一，如图8-2-1所示： 图8-2-1
(2)横梁升降电气控制线路中的控制电路部分的修改
①图１所示的设计草图之一中，控制电路需要具有两组常开触点的 按钮，而常用按钮为一组常开触点、一组常闭触点，为此可引入 一个中间继电器KA，用按钮SB1、SB2去控制KA，再由KA来控制横 梁的升、降和放松。
图8-2-3
（4)横梁升降电气控制线路中的控制电路部分的进一步完善考虑电路 各种保护与联锁，有必要设置如下环节： ① SQ2――横梁与侧刀架运动的极限保护； ② SQ3――横梁上升极限保护； ③ SQ4――横梁下降极限保护； ④ KM1 和KM2的常闭触点――横梁上升与下降的电气互锁； ⑤ KM3 和KM4的常闭触点――横梁放松与夹紧的电气互锁；
至此，龙门刨床横梁升降的电气控制线路设计完成， 电气原理图如图8-2-4所示。
图8-2-4
(4)对电气原理图进行校核
设计完成后，必须认真进行校核，看其是否满足生产工艺 要求，电路是否合理，有无需要进一步简化之处，是否存在寄 生电路，电路工作是否安全可靠等。
原理图设计中应注意的问题
电气控制设计中应重视设计、使用和维护人员在长期实 践中总结出来的许多经验，使设计线路简单、正确、安全、 可靠、结构合理、使用维护方便。通常应注意以下问题。
8.按下按钮SB，电动机M正转，松开该按钮，电动机M反转， 过1分钟后电动机M自动停止。试画出其控制电路。
（1）正确连接电器线圈电压线圈通常不能串联使用，即使 用两个同型号电压线圈也不能采用串联施加额定电压之和的 电压值，因为电器动作总有先后之差，如图8-2-7（a）所示。 若KM1先动作，KM2后动作，就可能由于动作过程中阻抗变 化造成电压分配不均匀。当需要两个电器同时工作时，其线 圈应采用如图8-2-7（b）所示的并联接法。
图8-2-8
（3）注意避免出现寄生回路在控制电路的动作过程中，如果出现 不是由于误操作而产生的意外接通的电路，称为寄生回路。图8-29所示为电动机可逆运行控制线路，为了节省触点，指示灯RHL和 LHL采用图中所示的接法。此线路在电动机正常工作情况下能完成 启动、正反转及停止操作。如果电动机在正转中（KMR 吸合）发生 过载，FR触点断开时会出现图中虚线所示的寄生回路。由于RHL电 阻较小，接触器在吸合状态下的释放电压较低，因而寄生回路的电 流有可能使KMR无法释放，电动机在过载时得不到保护而烧毁。
图8-2-7
对于电感较大的电器线圈，例如电磁阀、电磁铁或直流电 机励磁线圈等则不宜与相同电压等级的接触器或中间继电器 直接并联工作，否则在接通或断开电源时会造成后者的误动作。
（2）合理安排电器元件及触点位置对一个串联回路，各电器元 件或触点位置互换，并不影响其工作原理，但从实际连线上却 影响到安全、节省导线等各方面的问题。如图所示两种接法， 两者工作原理相同，但是采用图8-2-8（a）接法既不安全而且 浪费导线。因为限位开关SQ的常开、常闭触点断开时，由于电 弧可能造成电源短路，很不安全，而且采用这种接法电气箱到 现场要引出四种线，很不合理，图8-2-8（b）所示的接法较合 理。
由此可知横梁下降时，多了一个短时回升动作，其目的在于消除 多动螺母上端面与丝杠下端面的间隙，防止加工过程中将横梁上 抬，造成横梁歪斜，影响加工精度。 (4)横梁升降应设有限位保护，而夹紧电动机应设有夹紧力保护。
2.电气控制线路的设计过程 (1)初步设计 ①主电路的设计: Ⅰ、从横梁运动要求出发, 横梁移动由横梁升降电动机M1和横梁