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第十篇机床电力传动及控制系统设计1

第一章一般设计资料1

一、机床电力装备的额定值1

（一）额定电压及频率（根据GB 156-59）1

（二）低压电器额定电流1

（三）电机的额定功率、电压、转速2

1．0.6～100kW三相异步电动机（根据GB 761-65）2

2．100～250kW三相异步电动机［根据电（D）96-60］2

3．J 2、JO2系列三相异步电动机额定参数（根据JB 742-66）2

4．JS、JR系列三相异步电动机额定参数（根据JB 563-64和JB 564-64）4

5．ZD系列中型直流电动机（根据JB 624-65）5

6．Z2系列小型直流电机（根据JB 1104-68）5

二、机床电气控制系统常用的符号和标号9

（一）机床电气系统图图形符号（根据GB 312-64）9

（二）机床电气系统图文字符号（根据GB 315-64）33

1．常用基本符号33

2．常用辅助符号33

3．常用电器文字符号34

4．物理量符号36

（三）机床电气系统图回路标号（根据GB 316-64）36

三、电工产品通用技术条件38

（一）普通电工产品基本使用环境条件38

（二）电器绝缘的电气强度和绝缘电阻38

（三）电器的电气间隙和漏电距离39

（四）电器的允许温升39

（五）电机的允许温升40

（六）电机、电器和变压器用绝缘材料的耐热等级（根据JB 794-66）41

四、特殊气候对机床电力装备的要求44

（一）气象、地理资料44

1．空气的湿度44

2．大气压力、温度与海拔高度的关系（见表10.1-62）44

3．我国主要地区的海拔高度（见表10.1-63）44

4．热带用电工产品的环境条件44

5．热带国家和地区（见表10.1-65）44

（二）用于热带地区的机床电力装备的设计要求44

五、常用的电工计算资料53

（一）常用的电工计量单位53

（二）三相每千瓦功率在不同功率因数下的线电流53

（三）常用的电工计算式53

第二章继电接触式控制系统61

一、机床控制系统设计的一般要求61

（一）机床控制系统必须满足机床加工工艺的要求61

（二）机床控制线路的电流种类与电压数值61

（三）控制线路工作的可靠性61

（四）控制线路工作的安全性63

（五）机床控制系统电气原理图的绘制63

二、机床常用保护线路的设计与元件选择63

（一）机床常用的保护线路63

（二）保护线路电器元件的选择63

三、机床用鼠笼型异步电动机的控制线路70

（一）方案的选择70

1．起动方案的比较70

2．制动方案的比较71

3．低速运行方案的比较72

（二）机床用鼠笼型异步电动机的起动、制动、正反转和变速的控制线路72

（三）线路参数的选择与设计注意事项82

1．能耗制动线路元件参数的计算82

2．控制线路设计中应注意的问题84

（四）交流接触器的选择84

（五）机床用电动机起动控制设备一览表85

四、机床常用的其他控制线路85

（一）机床常用的行程、电磁铁、电磁离合器、检测与信号控制线路85

（二）电磁铁的主要特点102

（三）电磁离合器的技术数据102

（四）自动测量仪的技术数据103

1．电动测量仪103

2．气动测量仪103

（五）电磁吸盘的控制线路104

1．电磁吸盘的励磁电路104

2．可控硅退磁线路104

3．其他退磁线路110

（六）机床控制线路电源变压器的计算与选择112

五、机床典型控制系统举例113

（一）MB 8240A型半自动曲轴磨床113

（二）龙门刨床横梁移动控制线路115

六、电磁吸盘的设计116

（一）电磁吸盘的工作特点116

（二）电磁吸盘的结构设计118

1．磁路的计算118

2．绕组的计算119

3．盘面磁极的决定120

（三）设计举例121

附录控制线路图解设计法125

（一）问题的提出125

（二）图解设计法125

1．确定控制系统的主令信号126

2．执行元件工作信号的组成126

3．转换元件输入信号的组成128

（三）应用举例128

第三章直流电机组调速系统132

一、机床传动系统的特点与调速方案的选择132

（一）机床传动系统的特点132

（二）选择机床调速方案的原则132

（三）机床无级调速方案的选择132

1．机床常用的调速方案132

2．恒转矩调速和恒功率调速132

3．机床无级调速方案134

4．调速方案与电机容量的关系134

（四）机床调速方案选择的实例137

1．铣镗床调速方案的选择137

2．龙门刨床调速方案的选择137

二、他励直流电动机调速系统138

（一）机械特性的计算138

（二）常用的反馈环节140

三、交磁放大机-直流电动机调速系统142

（一）交磁放大机的工作特性142

1．性能特点及主要参数142

2．调整试验及时间常数的测取142

3．空载特性144

4．负载特性144

（二）交磁放大机-直流电动机典型调速系统的比较146

（三）具有转速负反馈调速系统的静特性146

（四）调速系统中主要元件的选择150

1．交磁放大机及控制绕组150

2．测速发电机150

3．调速电位器150

（五）具有转速负反馈及半导体放大器的交磁放大机-直流电动机调速系统设计举例151

1．结构原理151

2．主要元件的选择152

3．系统的动特性及校正装置154

4．系统的调整158

四、交磁放大机-直流发电机-电动机调速系统159

（一）系统反馈结构的选择159

（二）具有电压负反馈、电流正反馈的调速系统静特性计算160

1．系统静特性方程160

2．主要系数值的确定162

3．交磁放大机控制绕组的选择162

4．电位器的选择163

5．静特性计算举例163

（三）系统常用的校正环节167

1．动态特性指标167

2．系统常用的稳定校正环节170

3．校正环节及其参数170

第四章可控硅整流器-直流电动机调速系统172

一、可控硅整流元件172

（一）可控硅额定电压和额定电流的选择172

（二）可控硅元件的串并联连接174

（三）可控硅元件的过电压保护178

（四）可控硅元件的过电流保护179

（五）可控硅整流装置的失压保护182

（六）防止可控硅误动作的方法182

（七）可控硅元件的故障检测183

二、可控硅整流电路186

（一）可控硅整流电路的类型186

（二）单相半波可控整流电路186

（三）单相桥式半控整流电路188

（四）用一只可控硅的单相桥式整流电路193

（五）三相桥式半控整流电路195

（六）单相全控整流电路198

（七）三相零式半波整流电路202

（八）三相桥式全控整流电路206

三、可控硅触发电路212

（一）可控硅对触发电路的要求212

（二）单结晶体管触发电路212

（三）具有阻容移相特性的触发电路216

（四）同步信号为锯齿波的触发电路218

（五）密勒积分式锯齿波触发电路220

（六）正弦同步电压垂直控制的触发电路224

（七）带尖脉冲的正弦同步电压垂直控制的触发电路225

（八）正弦同步电压的触发电路226

（九）可控硅串并联时的触发电路228

（十）带脉冲分配器的触发电路231

（十一）同步信号与主电源的同步问题234

四、单相可控硅整流器-直流电动机调速系统235

（一）采用电压电流反馈的调速系统235

（二）采用速度反馈的调速系统237

1．采用内同步式触发电路的调速系统237

2．采用外同步式触发电路的调速系统237

五、三相半控桥式整流电路-直流电动机调速系统240

（一）结构原理240

（二）参数的选择242

（三）系统静态放大系数的计算245

六、可控硅整流器-直流电动机可逆调速系统246

（一）可逆系统的最佳控制问题246

（二）采用三相桥式反并联有环流整流电路的可逆调速系统248

1．有环流可逆控制系统的主回路248

2．环流及限制环流方法248

3．有环流控制系统的特点252

4．三相桥式反并联有环流可逆调速系统的设计252

（三）采用三相反并联无环流整流电路的可逆调速系统257

1．无环流控制的要求和特点257

2．采用三相零式反并联无环流整流电路的可逆调速系统258

3．脉冲切换式反并联无环流可逆调速系统273

（四）主回路换接的可逆调速系统276

七、可控硅整流元件与互感器的技术参数277

（一）可控硅整流元件277

（二）LQG系列交流互感器278

（三）BLZ系列直流互感器278

（四）DS9型直流快速自动开关281

附录整流变压器、电抗器及脉冲变压器设计计算284

（一）整流变压器284

1．主要参数的计算284

2．三相整流变压器结构计算285

（二）电抗器291

1．对电抗器的要求及安排291

2．电感量的计算292

3．结构计算293

4．空心电抗器的计算296

（三）脉冲变压器297

1．一般要求297

2．窄脉冲用的脉冲变压器297

3．宽脉冲用的脉冲变压器298

4．计算举例299

第五章电动机容量计算300

一、确定机床电动机容量的依据300

（一）概述300

（二）机床电力传动系统的运行条件300

（三）电动机容量受发热的限制300

（四）电动机容量受过载能力和起动转矩的限制301

二、电动机的有关技术标准（根据GB 755—65）301

（一）电动机的定额标准301

（二）电动机的一般技术要求301

三、各种负载下电动机容量的计算方法303

四、电动机容量的校验305

五、电动机容量的计算实例308

（一）龙门刨床工作台传动电动机在不同切削条件下所允许的最大切削力的计算308

（二）C5250立车主传动电动机容量的计算310

（三）X3932铣镗床主传动电动机容量的计算311

第六章仿形机床随动系统314

一、仿形机床进给系统的工作原理及特点314

（一）连续控制式双座标不对称随动系统仿形机床的工作原理314

（二）连续控制式双座标对称随动系统仿形机床的工作原理315

（三）断续控制式仿形机床的工作原理316

（四）各种仿形机床的特点317

二、仿形机床随动系统的主要参量317

（一）仿形机床进给机构的变速范围317

（二）控制信号对随动系统的快速性提出的要求318

（三）仿形误差、随动系统的静差与随动系统开环放大系数间的关系319

三、仿形机床随动系统的构成320

（一）仿形机床随动系统的分类320

（二）仿形机床电随动系统的结构320

（三）连续控制式仿形铣床进给控制系统介绍324

1．XB 4450型连续控制卧式立体仿形铣床的进给控制系统324

2．连续控制式平面电液仿形铣床的控制系统327

3．XDF-4450型连续控制立式仿形铣床的进给控制系统332

4．日本仿形铣床MELDAS 2200型双座标控制系统337

四、仿形机床随动系统调节器的设计339

（一）双座标对称随动系统调节器的设计339

1．电流调节器的设计341

2．速度调节器的设计343

3．确定速度控制系统的变速方式345

4．位移调节器的设计345

（二）双座标不对称随动系统调节器的设计350

（三）仿形机床双座标对称随动系统调节器设计举例350

1．已知条件350

2．设计电流调节器351

3．确定调速方式和各种方式下的调速范围D1和D2351

4．设计速度调节器352

5．设计位移调节器353

五、断续控制式仿形机床随动系统的特点和构成353

（一）断续控制随动系统的稳定性354

（二）断续控制式仿形铣床进给控制系统介绍355

附录Ⅰ双座标对称随动系统的分析358

附录Ⅱ 利用描述函数法近似地求非线性自振荡的周期解362

附录Ⅲ 双座标不对称随动系统的分析363

附录Ⅳ 摩擦片电磁离合器传递函数的求取364

第七章机床数字控制系统366

一、机床数字控制系统的基本类型与特点366

（一）机床数字控制系统的基本类型366

（二）机床数字控制系统的特点366

（三）连续式机床数字控制系统常用的插补器367

二、机床数字控制系统中数的表示方法367

（一）二进制数的表示法367

1．二进制数的表示法367

2．十进制与二进制的互相转换368

3．数的原码、补码、反码370

（二）十进制数的二进制编码371

（三）二进制数的四则运算371

三、逻辑代数372

（一）基本逻辑电路372

（二）逻辑代数的应用373

1．逻辑函数的性质373

2．开关电路的设计375

3．常用的逻辑代数运算式376

四、机床数字控制系统的基本单元376

（一）常用的逻辑电路符号376

（二）集成电路基本单元377

1．集成门电路377

2．固体触发器386

3．集成电路使用中应注意事项390

（三）分立元件组成的基本单元391

1．常用的门电路391

2．双稳态触发器392

3．单稳态触发器393

4．射极耦合触发器396

5．射极跟随器396

6．脉冲信号发生器397

五、机床数字控制系统常用的逻辑部件399

（一）寄存器和移位寄存器399

1．触发器组成的寄存器399

2．集成电路组成的寄存器400

3．镍延迟线寄存器401

（二）计数器402

（三）半加器402

（四）全加器403

（五）加法器405

（六）减法器407

（七）乘法器407

（八）除法器407

（九）译码器408

（十）脉冲环形分配器409

（十一）机械传动链间隙补偿信号发生器410

六、机床数字控制系统常用的机电部件410

（一）光电输入机410

（二）步进电机413

1．步进电机的结构原理413

2．步进电机的主要参数413

3．常用的步进电机的技术数据414

4．常用的步进电机功率放大器414

（三）电液伺服阀417

（四）检测反馈装置417

1．光栅检测装置417

2．感应同步器422

3．磁尺431

4．旋转变压器434

5．光电盘检测装置434

（五）机床数控系统的执行机构435

（六）滚珠丝杠螺距误差补偿装置437

（七）自动回原点装置438

七、点位直线式机床数字控制系统440

（一）方案比较440

1．工件对点位直线式数控系统的要求440

2．点位直线式数字控制系统的方案440

（二）逻辑结构441

1．补码计数式三座标闭环点位直线数控系统441

2．补码计数式三座标开环点位直线数控系统444

3．可逆计数式三座标闭环点位直线数控系统444

4．用拨码盘手动送数式闭环点位直线数控系统444

5．工作寄存器445

6．指令寄存器与译码器445

7．主控制器446

八、比例乘法式直线插补器448

（一）插值原理448

（二）逻辑结构449

1．总体逻辑方框图449

2．分频器449

3．输入寄存器450

（三）关于进给速度保持恒定问题450

1．问题的提出450

2．进给速度调制器451

3．脉冲发生器的工作频率452

九、逐点比较式直线与圆弧插补器454

（一）总体逻辑方框图454

（二）插值原理454

1．逐点比较式直线插补运算454

2．逐点比较式圆弧插补运算455

3．刀具半径的偏移计算及R2的计算455

4．象限的处理457

5．直线与圆弧插补运算的专用指令457

（三）运算器的逻辑结构460

1．运算器的逻辑方框图460

2．寄存器的容量和运算信号460

3．变补与×10以及偶数位校验逻辑电路462

4．全加器与补偶逻辑电路463

（四）主控制器464

1．运算信号发生器464

2．插补器的运算次序465

3．O循环计数器466

4．S循环计数器469

5．C循环计数器470

6．运算终点的判别470

7．运算方向的判别与运算脉冲的分配472

8．光电阅读机与O、S计数器的起动以及寄存器的清除信号473

9．进给脉冲发生器475

（五）输入寄存器及译码器475

1．程序代码475

2．刀具半径R值的放数方法475

3．R值的读入与R2计算的控制信号476

4．输入移位寄存器478

5．纸带孔的奇偶校验479

6．数字代码的特征码与隔离代码479

7．速度、座标平面及指令代码481

8．曲线代码482

9．刀具半径分量的符号代码483

10．座标轴互换信号的译码483

（六）子程序信号及运算门与输出门的控制信号484

1．子程序信号的产生484

2．运算门控制信号的产生484

3．输出门控制信号的产生486

（七）逐点比较式直线与圆弧插补器逻辑结构的改进方案488

1．运算器的逻辑结构490

2．主控制器492

3．子程序信号的产生495

十、数字积分式直线插补器496

（一）总体逻辑方框图496

（二）空间直线的插值原理496

（三）数字积分式直线插补器的逻辑结构497

1．逻辑结构的主要特点497

2．自循环式左移的逻辑结构499

3．直接串行左移的逻辑结构500

4．进给速度的调制与输出通道的选择501

十一、机床数字控制系统的可靠性503

（一）在系统设计方面应采取的措施503

（二）对元件进行筛选处理505

（三）提高制造与焊接工艺水平506

（四）加强测试与调整工作506

附录Ⅰ．国外常用的代码506

（一）代码表506

（二）纸带程序安排形式506

附录Ⅱ．二次曲线插补器方案509

（一）DDA式圆弧插补器509

（二）二进制比例乘法式圆弧插补器510

（三）二次曲线插补器510

附录Ⅲ．直线插补器的数据输入型式510

（一）输入数据的传递时间510

（二）数据输入的型式511

第八章电加工机床电气系统512

一、电火花加工基本特征512

（一）基本原理512

（二）主要特点及应用512

（三）对电气系统要求513

二、电火花加工机床的脉冲电源513

（一）弛张式脉冲电源513

1．RLCL弛张式脉冲电源513

2．RLC-LC弛张式脉冲电源514

（二）双闸流管独立式脉冲电源514

1．简要工作原理514

2．典型线路及其工艺指标516

3．主要参数的确定516

（三）四电子管独立式脉冲电源518

1．简要工作原理518

2．典型线路及其主要工艺指标518

3．脉冲变压器设计518

（四）晶体管脉冲电源521

1．自振式脉冲电源521

2．复式脉冲电源527

3．等脉冲式脉冲电源533

（五）可控硅脉冲电源534

1．350A可控硅脉冲电源534

2．200A可控硅脉冲电源536

3．80A可控硅脉冲电源538

4．小功率精加工脉冲电源539

三、电火花加工机床的控制系统541

（一）电液压伺服控制系统541

1．工作原理541

2．典型系统举例541

3．电-机械转换器主要参数计算举例541

（二）线电极电火花加工机床的控制系统543

1．电仿形控制系统543

2．光电跟踪控制系统544

3．数字控制系统546

四、电解加工机床直流稳压电源的设计547

（一）可控硅调压稳压系统547

1．工作原理547

2．典型线路举例548

3．主要参数的确定549

（二）饱和电抗器控制的直流稳压电源552

1．扼流式饱和电抗器调压稳压系统552

2．自饱和式电抗器调压稳压系统552

第九章机床电力装备施工设计557

一、机床电力装备施工设计的一般步骤557

（一）机床电力装备总体布置方案的拟定557

（二）机床电气控制装置的结构设计557

（三）绘制电气控制装置的电器布置图557

（四）绘制电气控制装置的接线图557

（五）绘制各部件的电器布置图557

（六）绘制机床内部接线图557

（七）绘制机床外部接线图557

（八）编制机床电力装备技术资料557

二、机床电力装备施工设计与安装的一般要求558

（一）总则558

（二）机床电力装备施工设计和安装的一般要求558

（三）设计和绘制机床电气装配图的要求560

（四）设计和绘制机床电气接线图的要求560

（五）电线管路的设计与安装562

（六）弱电元件的安装工艺要求564

（七）机床电力装备明细表的编制566

（八）机床电力装备的总装验收566

三、机床电气控制装置的结构设计567

（一）装在床身上的控制板与操纵面板567

（二）操纵台与悬挂操纵箱567

1．操纵台的结构特点及外形尺寸567

2．悬挂操纵箱的结构特点及外形尺寸（见表10.9-13）571

3．操纵台、悬挂操纵箱面板的布置（见表10.9-14）571

4．现有统一设计的操纵台与悬挂操纵箱的结构579

（三）电气控制柜582

1．机床电气控制柜（台）发展的主要特点582

2．现有统一设计的控制柜结构582

3．DK系列电气控制柜590

4．其他控制柜结构592

5．机床数字控制装置597

（四）可控硅的安装及通风冷却599

1．可控硅的安装结构599

2．可控硅的通风冷却599

（五）插件结构与印刷电路的设计602

1．设计的一般原则602

2．插件结构形式611

3．印刷电路板611

（六）辅助设备结构设计615

1．门锁615

2．拉手617

3．起动电阻箱617

四、机床电力装备施工设计常用的图形617

符号及零部件617

（一）机床操纵面板的图形及像形符号617

（二）机床电气设备接线图图形符号622

（三）机床电气设备常用的紧固件及标准件629

1．螺钉螺母629

2．管接头636

3．管夹647

4．其他零件650

五、机床电力装备施工设计举例654

（一）机床电力装备施工设计的依据654

（二）施工设计656

第十章常用直流稳压电源与半导体直流放大器662

一、直流稳压电源的设计662

（一）直流稳压电源的类型与主要参数662

1．稳压电源的特性指标（见表10.10-1）662

2．稳压电源的质量指标（见表10.10-2）662

（二）并联式直流稳压电源的设计662

1．并联式直流稳压电源元件的选择662

2．设计举例666

（三）串联式直流稳压电源666

1．提高稳定度的方法666

2．串联式稳压电源的过电流保护668

3．串联式稳压电源的实用电路670

（四）串联式直流稳压电源的设计678

1．确定输入电压678

2．基准电压和取样环节679

3．比较放大器679

4．调整环节680

5．设计计算举例681

二、半导体直流放大器683

（一）晶体管直流放大器683

1．F-2I型六管直流放大器683

2．F-2J型八管直流放大器684

（二）集成电路运算放大器690

1．集成电路运算放大器的结构特点690

2．BG301型集成电路运算放大器691

3．8FC2型集成电路运算放大器693

4．集成电路运算放大器技术指标的含义和测试方法693

5．在使用集成电路运算放大器时常遇到的几个问题693

三、比例、积分、微分（PID）调节器699

（一）比例（P）调节器700

（二）积分（I）调节器700

（三）比例积分（PI）调节器700

（四）比例微分（PD）调节器701

（五）比例、积分、微分（PID）调节器702

（六）比例、积分、微分（PID）调节器应用举例703

1．用PD调节器补偿惯性703

2．用PI调节器补偿惯性704