第3章 电气控制系统的分析、设计与检修
电气控制系统是机械设备的重要组成部分，其正常工作是保证机械设备准确协调运行、生产工艺得以满足、工作安全可靠及操作自动化的主要前提。掌握电气控制系统的分析、设计与检修的相关知识与技能对机械设备的正确安装、调试、运行与维护都是必不可少的。
3.1 电气控制系统的分析方法
电气控制系统的分析是在掌握了机械设备及电气控制系统的构成、运行方式、相互关系以及各电动机和执行电器的用途和控制等基本条件之后，才可对电气控制线路进行具体分析。分析的一般原则是：化整为零、顺藤摸瓜、先主后辅、集零为整、安全保护和全面检查。分析电气控制系统时，通常要结合有关技术资料，将控制线路“化整为零”，即以某一电动机或电器元件（如接触器或继电器线圈）为对象，从电源开始，自上而下，自左而右，逐一分析其接通及断开的关系（逻辑条件），并区分出主令信号、联锁条件和保护要求等。根据图区坐标标注的检索可以方便地分析出各控制条件与输出的因果关系。分析电气线路图常用的方法有：查线读图法和逻辑代数法。
3.1.1 查线读图法
查线读图法（又称为直接读图法或跟踪追击法）是按照电气控制线路图，根据生产过程的工作步骤依次读图，一般按照以下步骤进行。
1．了解生产工艺与执行电器的关系
在分析电气线路之前，应该熟悉生产机械的工艺情况，充分了解生产机械要完成哪些动作，这些动作之间又有什么联系；然后进一步明确生产机械的动作与执行电器的关系，必要时可以画出简单的工艺流程图，为分析电气线路提供方便。
2．分析主电路
主电路一般要容易些，可以看出有几台电动机，各有什么特点，是哪一类的电动机，采用什么方法启动，是否要求正反转，有无调速和制动要求等。
3．分析控制电路
一般情况下，控制电路较主电路要复杂一些。如果比较简单，根据主电路中各电动机或电磁阀等执行电器的控制要求，逐一找出控制电路中的控制环节，即可分析其工作原理，从而掌握其动作情况；如果比较复杂，一般可以按控制线路将其分成几部分来分析，采取“化整为零”的方法，分成一些基本的熟悉的单元电路，然后将各单元电路进行综合分析，最后得出其动作情况。
4．分析辅助电路
辅助电路中的电源显示、工作状态显示、照明和故障报警显示等，大多由控制电路中的元器件来控制。所以，对辅助电路进行分析也是很有必要的。
5．分析联锁和保护环节
机床对于安全性和可靠性有很高的要求，为了实现这些要求，除了合理地选择拖动和控制方案外，在控制线路中还设置了一系列电气保护和必要的电气联锁，这些联锁和保护环节必须弄清楚。
6．总体检查
经过“化整为零”的局部分析，逐步分析了每一个局部电路的工作原理以及各部分之间的控制关系之后，还必须用“集零为整”的方法，检查整个控制线路，看是否有遗漏，特别要从整体角度去进一步分析和理解各控制环节之间的联系，以理解电路中每个电气元件的名称及其作用。
查线读图法的优点是直观性强、容易掌握，因而得到广泛采用。其缺点是分析复杂线路时容易出错，叙述也较长。
3.1.2 逻辑代数法
逻辑代数法（又称为间接读图法）是通过对电路的逻辑表达式的运算来分析电路的，其关键是正确写出电路的逻辑表达式。
1．电器元件的逻辑表示
当电气控制系统由开关量构成控制时，电路状态与逻辑函数式之间存在对应关系，为将电路状态用逻辑函数式的方式描述出来，通常对电器作出如下规定。
① 用KM、KA、SQ等分别表示接触器、继电器、行程开关等电器的动合（常开）触点，用、
、
等表示动断（常闭）触点。
② 触点闭合时，逻辑状态为“1”；触点断开时，逻辑状态为“0”；线圈通电时为“1”状态；线圈断电时为“0”状态。常用的表达方式如下。
- 线圈状态。
KM=1，接触器线圈处于通电状态。
KM=0，接触器线圈处于断电状态。
- 触点处于非激励或非工作的状态。
KM=0，接触器常开触点状态。
=1，接触器常闭触点状态。
SB=0，常开按钮触点状态。
=1，常闭按钮触点状态。
- 触点处于激励或工作的状态。
KM=1，接触器常开触点状态。
=0，接触器常闭触点状态。
SB=1，常开按钮触点状态。
=0，常闭按钮触点状态。
2．电路状态的逻辑表示
电路中触点的串联关系可用逻辑“与”即逻辑乘（·）的关系表达；触点的并联关系可用逻辑“或”即逻辑加（+）的关系表达。图3-1所示为启保停控制电路，其接触器KM线圈的逻辑函数式可写成：。
图3-1 启保停控制电路
线圈KM的通断电控制由停止按钮SB1、启动按钮SB2和自锁触点KM控制。SB1为线圈KM的停止条件，SB2为启动条件，触点KM则具有自保功能。
逻辑代数法读图的优点是：各电气元器件之间的联系和制约关系在逻辑表达式中一目了然，通过对逻辑函数的运算，一般不会遗漏或看错电路的控制功能，而且为电气线路的计算机辅助分析提供了方便。逻辑代数法读图的主要缺点是：对于复杂的线路，其逻辑表达式很烦琐。
3.2 典型设备电气控制系统分析
生产中使用的机械设备种类繁多，其控制线路和拖动控制方式各不相同。本节通过分析典型机械设备的电气控制系统，一方面进一步学习并掌握电气控制线路的组成以及基本控制电路在机床中的应用，掌握分析电气控制线路的方法与步骤，培养读图能力；另一方面通过几种有代表性的机床控制线路分析，使读者了解电气控制系统中机械、液压与电气控制配合的意义，为电气控制系统的设计、安装、调试、维护打下基础。分析机械设备的电气控制系统，应掌握以下几点。
① 能阅读设备说明书。说明书是一台机械设备完整的档案资料，涉及该设备机械和电气的操作、技术说明及维护方面的相关内容及图样。
② 能结合典型线路进行分析。利用前面的基本控制电路将控制系统化整为零，即按功能的不同分成若干局部电路。如果控制线路较复杂，则可先将与控制系统关系不大的照明、显示和保护等电路暂时放在一边，采用“查线法”或“逻辑代数法”先分析线路的主要功能，然后再集零为整。
③ 能结合基础理论进行分析。任何电气控制系统无不建立在所学的基础理论之上。如电动机的正反转、调速等是同电机学相联系的；交直流电源、电气元器件以及电子线路部分又是和所学的电路理论及电子技术相联系的。总之，要学会应用所学的基础理论分析控制系统的工作原理。
④ 掌握一般的分析步骤。第一，看电路的说明和备注，有助于了解该电路的具体作用。第二，分清电气控制线路中的主电路、控制电路、辅助电路、交流电路和直流电路。第三，从主电路入手，根据每台电动机和执行器件的控制要求去分析控制功能。分析主电路时，可采用从下往上看，即从用电设备开始，经控制元件，顺次往电源看；再采用从上而下，从左往右的原则分析控制电路，依据前面的基本控制电路，将线路化整为零，分析局部功能；最后分析辅助控制电路、连锁保护环节等。第四，将电气原理图、接线图和布置安装图结合起来，进一步研究电路的整体控制功能。
3.2.1 车床电气控制系统分析
车床在机械加工中被广泛使用，根据其结构和用途不同，可分成普通车床、立式车床、六角车床和仿形车床等。车床主要用于加工各种回转表面（内外圆柱面、圆锥面、成型回转面等）和回转体的端面。下面以CA6140普通车床为例进行车床电气控制系统的分析。
1．车床的主要结构及控制要求
普通车床主要由床身、主轴箱、进给箱、溜板箱、刀架、光杠、丝杠和尾座等部件组成，如图3-2所示。主轴箱固定地安装在床身的左端，其内装有主轴和变速传动机构。床身的右侧装有尾座，其上可装后顶尖以支承长工件的一端，也可安装钻头等孔加工刀具以进行钻、扩、铰孔等工序。工件通过卡盘等夹具装夹在主轴的前端，由电动机经变速机构传动旋转，实现主运动并获得所需转速。刀架的纵横向进给运动由主轴箱经挂轮架、进给箱、光杠、丝杠、溜板箱传动。
图3-2 普通车床结构示意图
控制要求如下。
① 主轴电动机M1完成主轴主运动和刀具的纵横向进给运动的驱动，电动机为不调速的笼型异步电动机，采用直接启动方式，主轴采用机械变速，正反转采用机械换向机构。
② 冷却泵电动机M2加工时提供冷却液，防止刀具和工件的温升过高，采用直接启动方式和连续工作状态。
③ 电动机M3为刀架快速移动电动机，可根据使用需要随时手动控制启停。
2．电气控制线路分析
CA6140型普通车床的电气控制线路如图3-3所示，其工作原理分析如下。
图3-3 CA6140型车床电气控制线路
（1）主电路分析。主电路共有3台电动机：M1为主轴电动机，带动主轴旋转和刀架作进给运动；M2为冷却泵电动机；M3为刀架快速移动电动机。三相交流电源通过隔离开关QS引入，接触器KM1的主触点控制M1的启动和停止；接触器KM2的主触点控制M2启动和停止；接触器KM3的主触点控制M3启动和停止。
（2）控制电路分析。控制电路的电源由控制变压器TC次级输出110 V电压。
① 主轴电动机M1的控制。按下启动按钮SB2，接触器KM1的线圈得电，位于7区的KM1自锁触点闭合，位于2区的KM1主触点闭合，主轴电动机M1启动；按下停止按钮SB1，接触器KMl失电，电动机M1停止运行。
② 冷却泵电动机M2的控制。主轴电动机M1启动后，即在接触器KM1得电吸合的情况下，合上开关SA1，使接触器KM2线圈得电吸合，冷却泵电动机M2才能启动。
③ 刀架快速移动电动机M3的控制。按下按钮SB3，KM3通电，位于4区的KM3主触点闭合，对M3电动机实行点动控制。M3电动机经传动系统，驱动溜板箱带动刀架快速 移动。
3．保护环节分析
热继电器FR1和FR2分别对电动机M1、M2进行过载保护，由于M3为短时工作，故未设过载保护；熔断器FUl～FU4分别对主电路、控制电路和辅助电路进行短路保护。
4．辅助电路分析
控制变压器TC的次级分别输出24 V和6 V电压，作为机床照明灯和信号灯的电源；EL为机床的低压照明灯，由开关SA2控制；HL为电源的信号灯。
3.2.2 钻床电气控制系统分析
钻床是一种用途广泛的机床，可进行钻孔、扩孔、铰孔、攻螺纹及修刮端面等多种形式的加工。按钻床的结构形式可分为：立式钻床、卧式钻床、台式钻床和摇臂钻床等。其中摇臂钻床的主轴可以在水平面上调整位置，使刀具对准被加工孔的中心而工件则固定不动，因而应用较广，是机械加工中常用的机床设备。下面以Z3040摇臂钻床为例分析其控制系统。
1．主要结构与运动形式
摇臂钻床一般由底座、内外立柱、摇臂、主轴箱和工作台等部件组成，如图3-4所示。内立柱固定在底座的一端，外立柱套在内立柱上，并可绕内立柱回转360°。摇臂3的一端为套筒，套在外立柱上，借助于升降丝杆的正、反向旋转，摇臂3可沿外立柱上下移动。由于升降螺母固定在摇臂3上，所以摇臂3只能与外立柱一起绕内立柱回转。主轴箱4是一个复合的部件，它由主电动机、主轴5和主轴传动机构、进给和变速机构以及机床的操作机构等部分组成。主轴箱4安装在可绕垂直轴线回转的摇臂3的水平导轨上，通过主轴箱在摇臂上的水平移动及摇臂的回转，可以很方便地将主轴5调整至机床尺寸范围内的任意位置。为了适应加工不同高度工件的需要，摇臂3可沿外立柱上、下移动以调整上下高度。
图3-4 Z3040摇臂钻床示意图
1—底座；2—立柱；3—摇臂；
4—主轴箱；5—主轴；6—工件
摇臂钻床具有下列运动：主轴的旋转运动（为主运动）和主轴纵向运动（为进给运动），即钻头一边旋转一边作纵向进给；摇臂、立柱、主轴箱的夹紧与放松运动（由液压装置实现）；主轴箱沿摇臂导轨的水平移动；摇臂沿外立柱的升降运动和绕内立柱的回转运动。在Z3040钻床中，主轴箱沿摇臂的水平移动和摇臂的回转运动为手动调节。
2．钻床的控制要求
Z3040型摇臂钻床是机、电、液的综合控制。机床有2套液压系统：一套是由单向旋转的主轴电动机拖动齿轮泵送出压力油，通过操作手柄来操纵机构实现主轴正、反转和停车制动、空挡、预选与变速的液压系统；另一套是由液压泵电动机拖动液压泵送出压力油来实现摇臂、立柱、主轴箱的夹紧与放松的液压系统。
整台机床由4台异步电动机（分别是主轴电动机、摇臂升降电动机、液压泵电动机及冷却泵电动机）驱动，主轴的旋转运动及轴向进给运动由主轴电动机驱动，分别经主轴传动机构和进给传动机构来实现主轴的旋转和进给，旋转速度和旋转方向则由机械传动部分实现，电动机不需变速。钻床的控制要求如下。
① 4台异步电动机的容量均较小，故采用直接启动方式。
② 主轴的正、反转要求采用机械方法实现，主轴电动机只作单向旋转。
③ 摇臂升降电动机和液压泵电动机均要求实现正、反转。
④ 摇臂的移动严格按照“摇臂松开→摇臂移动→移动到位摇臂夹紧”的程序动作。
⑤ 钻削加工时需提供冷却液进行钻头冷却。
⑥ 电路中应具有必要的保护环节，并提供必要的照明和信号指示。
3．电气控制线路分析
Z3040型摇臂钻床的电气控制线路如图3-5所示，其工作原理分析如下。
图3-5 Z3040摇臂钻床电气控制线路
（1）主电路分析。主电路中有4台电动机：M1是主轴电动机，带动主轴旋转和使主轴作轴向进给运动，作单方向旋转；M2是摇臂升降电动机，作正反向运行；M3是液压泵电动机，其作用是供给夹紧、放松装置压力油，实现摇臂和立柱的夹紧和松开，电动机M3作正反向运行；M4是冷却泵电动机，供给钻削时所需的冷却液，作单方向旋转，由组合开关QS2控制；机床的总电源由组合开关QS1控制。
（2）控制电路分析。
① 主轴电动机M1的控制。M1的启动：按下启动按钮SB2，接触器KM1的线圈得电，位于15区的KM1自锁触点闭合，位于3区的KM1主触点接通，电动机M1旋转。M1的停止：按下SBl，接触器KM1的线圈失电，位于3区的KM1主触点断开，电动机M1停转。在M1的运行过程中如发生过载，则串在M1主电路中的过载元件FR1动作，使其位于14区的常闭触点FR1断开，同样也使KM1的线圈失电，电动机M1停止运行。
② 摇臂升降电动机M2的控制。摇臂升降的启动原理如下：按上升（下降）按钮SB3（SB4），时间继电器KT线圈得电，位于19区的KT瞬时动合触点和位于23区的延时断开的动合触点闭合，接触器KM4和电磁铁YA同时得电，液压泵电动机M3旋转，供给压力油。压力油经2位6通阀进入摇臂松开油腔，推动活塞和菱形块，使摇臂松开。松开到位压限位开关SQ2动作，位于19区的SQ2的动断触点断开，接触器KM4断电释放，电动机M3停止运行。同时位于17区的SQ2动合触点闭合，接触器KM2（或KM3）得电吸合，摇臂升降电动机M2启动运行，带动摇臂上升（或下降）。
摇臂升降的停止原理如下。当摇臂上升（或下降）到所需位置时，松开按钮SB3（或SB4），接触器KM2（或KM3）和时间继电器KT失电，M2停止运行，摇臂停止升降。位于21区的KT动断触点经1～3 s延时后闭合，使接触器KM5得电吸合，电动机M3反转，供给压力油。压力油经2位6通阀进入摇臂夹紧油腔，反方向推动活塞和菱形块，将摇臂夹紧。摇臂夹紧后，位于21区的限位开关SQ3常闭触点断开，使接触器KM5和电磁铁YA失电，YA复位，液压泵电动机M3停止运行，摇臂升降结束。
摇臂升降中各器件的作用如下：限位开关SQ2及SQ3用来检查摇臂是否松开或夹紧，如果摇臂没有松开，位于17区的SQ2常开触点就不能闭合，因而控制摇臂上升的KM2或下降的KM3就不能吸合，摇臂就不会上升或下降。SQ3应调整到保证夹紧后能够动作，否则会使液压泵电动机M3处于长时间过载运行状态。时间继电器KT的作用是保证升降电动机完全停止旋转后（即摇臂完全停止升降）才能夹紧。限位开关SQ1是摇臂上升或下降至极限位置的保护开关。SQ1与一般限位开关不同，其两组常闭触点不同时动作。当摇臂升至上极限位置时，位于17区的SQ1动作，接触器KM2失电，升降电动机M2停止运行，上升运动停止。但位于18区的SQ1另一组常闭触点仍保持闭合，所以可按下降按钮SB4，接触器KM3动作，控制摇臂升降电动机M2反向旋转，摇臂下降。当摇臂降至下极限位置时，其控制过程与上述分析过程类似。
③ 立柱、主轴箱的夹紧与放松。立柱、主轴箱的夹紧与放松均采用液压操纵来实现，且两者同时动作，当进行夹紧或松开时，要求电磁阀YA处于断开状态。
按松开按钮SB5（或夹紧按钮SB6），接触器KM4（或KM5）得电闭合，液压泵电动机M3正转（或反转），供给压力油。压力油经2位6通阀（此时电磁阀YA处于释放状态）到另一油路，进入立柱液压缸的松开（或夹紧）油腔和主轴箱液压缸的松开（或夹紧）油腔，推动活塞和菱形块，使立柱、主轴箱分别松开（或夹紧）。松开后行程开关SQ4复位（或夹紧后动作），松开指示灯HL1（或夹紧指示灯HL2）亮。当立柱、主轴箱松开后，可以手动操作摇臂沿内立柱回转，也可以手动操作主轴箱在摇臂的水平导轨上移动。
3.2.3 镗床电气控制系统分析
镗床主要用于加工精确的孔和各孔间相互位置要求较高的零件，它是冷加工中使用较普遍的机械加工设备。按用途不同，可分为卧式镗床、立式镗床、坐标镗床和金钢镗床等。它可以进行钻孔、镗孔、扩孔、铰孔、加工端面等，使用一些附件后，还可以车削圆柱表面、螺纹，装上铣刀可以进行铣削。下面以T68卧式镗床为例分析其控制系统。
1．主要结构
T68卧式镗床主要由床身、前立柱、镗头架（即主轴箱）、镗轴（即主轴）、工作台、后立柱、尾架等部分组成，如图3-6所示。镗床在加工时，工件固定在工作台上，而工作台安置在床身中部的导轨上，由下溜板、上溜板和回转工作台3层组成。下溜板可沿床身的水平导轨作纵向移动；上溜板可沿下溜板顶部的导轨作横向移动；回转工作台可以在上溜板的环形导轨上绕垂直轴线旋转，使工件在水平面内调整至一定角度。工作台的两边分别是前立柱和后立柱，在前立柱的导轨上装有主轴箱，主轴箱上装有镗轴、花盘、主运动和进给运动的变速传动机构及操纵机构，主轴箱可沿前立柱的导轨上下移动。切削刀具固定在镗轴前端的锥形孔里，或装在花盘的刀具溜板上。在镗削加工时，镗轴一面旋转，一面沿轴向做进给运动。花盘只做旋转运动，装在其上的刀具溜板做径向进给运动。镗轴和花盘轴经各自的传动链传动，因此可以独自以各自的速度旋转。后立柱可沿床身水平导轨在主轴的轴线方向调整位置，而尾架则装在后立柱的导轨上用来支撑镗轴的末端，它与主轴箱同时升降，保证两者的轴线始终在一直线上。
图3-6 T68卧式镗床的结构简图
2．运动形式
T68卧式镗床的主运动与进给运动由同一台双速电动机M1拖动，运动方向由相应手柄选择各自的传动链来实现；而主轴箱的上下、工作台的前后左右及镗轴的进出运动，除工作进给外，还有快速移动，由快速移动电动机M2拖动。其运动形式有下述3种。
① 主运动——镗轴和花盘的旋转运动。
② 进给运动——镗轴的轴向运动、花盘刀具溜板的径向进给运动、主轴箱的垂直进给、工作台的横向进给和纵向进给。
③ 辅助运动——工作台的旋转、后立柱的轴向水平移动、尾架的垂直移动及各部分的快速移动。
3．控制要求
T68卧式镗床的控制要求如下。
① 为了适应各种工件的加工要求，主轴运动和进给运动都有较大的调速范围，在机械调速的基础上又采用双速电动机，这样既扩大了调速范围，又使机床传动机构简化。
② 进给运动(包括主轴轴向、花盘径向、主轴垂直方向、工作台横向、工作台纵向)、主轴及花盘的旋转采用同一台主电动机拖动，要求主电动机能正、反转。
③ 为适应调整的需要，要求主拖动电动机能正、反向点动。
④ 为适应准确、迅速停车的需要，主拖动电动机应采用反向制动。
⑤ 主轴变速和进给变速可在主电动机停车或运行时进行，为保证变速时的齿轮啮合，应有变速时的低速冲动过程。
⑥ 主拖动为双速电动机，有高、低两种速度选择，高速运行应先经低速启动。
⑦ 为缩短辅助时间和各进给方向均能快速移动，应配一台快速拖动电动机。
⑧ 由于运动部件多，各种运动之间应有联锁与保护环节。
4．电气控制线路分析
（1）主电路分析。如图3-7所示，T68卧式镗床的主电路处于1～7区，其中，M1为主轴电动机，M2为快速移动电动机。主电路由以下几部分组成。
图3-7 T68卧式镗床电气控制线路
① 主轴电动机M1的主电路。主轴电动机M1的主电路处于1～4区，由接触器KM1～KM5控制。KM1为主轴电动机M1的正转接触器，KM2为M1的反转接触器，KM4为M1的低速接触器，KM5为M1的高速接触器，KM3为限流电阻R的短接接触器，电阻R为M1的反接制动控制和点动控制时的限流电阻，FR为M1的过载保护。当KM1、KM3、KM4同时闭合时，M1作低速正向运行；当KM1、KM3、KM5同时闭合时，M1作高速正向运行；当KM2、KM3、KM4同时闭合时，M1作低速反向运行；当KM2、KM3、KM5同时闭合时，M1作高速反向运行；当KM1、KM4闭合时，M1串电阻正向低速运行；当KM2、KM4闭合时，M1串电阻反向低速运行。
② 快速移动电动机M2的主电路。快速移动电动机M2的主电路位于5～6区，由接触器KM6、KM7控制，其中KM6为M2的正转接触器，KM7为M2的反转接触器。M2是短时工作，所以不设置热继电器。
③ 其他主电路。1区的QS1为机床的总电源开关，2区的熔断器FU1为机床的总短路保护，4区的熔断器FU2为快速移动电动机M2和控制电路的短路保护。7区的TC为变压器，经降压后输出交流110 V/24 V/6.3 V电压作为控制电路的电源，其中，110 V为控制电路的电源，24 V为机床工作照明电源（EL），6.3 V为功能信号指示电源（HL）。
（2）控制电路分析。控制电路包括了M1的点动控制、M1的低速正反转控制、M1的高速正反转控制、M1的反接制动控制、M1的速度变换控制及M2的正反转控制。
① 器件的分布及功能。从图3-7可以看出，主轴电动机M1的控制电路位于11～18区。其控制器件的分布及功能如下：11区的SB2为M1的正转启动按钮；12区的SB3为M1的反转启动按钮；11区、14区的SB1为M1的制动停止按钮；14区的SB4为M1的正转点动按钮；15区的SB5为M1的反转点动按钮；13区、14区的SQ3为主轴变速行程开关；13区、16区的SQ4为进给变速行程开关，SQ3、SQ4在正常情况下是被主轴变速操作手柄和进给变速操作手柄压合的；13区的SQ7为高低速转换行程开关，由主轴电动机M1的高、低速变速手柄来控制它闭合或断开；14区的SQ5为进给变速行程开关；14区的SQ6为主轴变速行程开关；19区、20区的SQ8为反向快速移动行程开关；SQ9为正向快速移动行程开关；11区的SQ1和20区的SQ2互为联锁保护行程开关，它们的作用是为了防止在工作台或主轴箱机动进给时又误将主轴或花盘刀具溜板也扳到机动进给的操作；14区的速度继电器的常开触点SR1为M1反转制动触点；14区的速度继电器的常闭触点SR2为主轴变速和进给变速时的速度限制触点；16区的速度继电器的常开触点SR2为M1的正转制动触点。
② 主电动机M1的点动控制。主轴电动机M1的点动控制包括正转点动控制和反转点动控制，由正反转接触器KM1、KM2及正反转点动按钮SB4、SB5组成M1的正反转点动控制电路。当需要M1正转点动时，按下14区的M1正转点动按钮SB4，KM1线圈通电吸合，KM1在17区的常开触点闭合，接通KM4线圈的电源，KM1与KM4的主触点闭合将M1的绕组接成△联结，且串联电阻R作正向低速运行；松开按钮SB4，则KM1、KM4线圈失电，M1停止正转，完成正转点动。同理，当需要M1反转点动时，按下15区的M1反转点动按钮SB5，KM2线圈通电吸合，KM2在18区的常开触点闭合，接通KM4线圈的电源，KM2与KM4的主触点闭合将M1的绕组接成△联结，且串联电阻R作反向低速运行；松开按钮SB5，则KM2、KM4线圈失电，M1停止反转，完成反转点动。
③ 主轴电动机M1的低速正转控制。将机床高、低变速手柄扳至“低速”挡，此时，13区的SQ7断开，而主轴变速与进给变速手柄处于推合状态，因此，SQ3、SQ4是压合的。按下11区的正转启动按钮SB2，KA1线圈得电并自锁，13区及15区的KA1常开触点闭合。由于此时13区的SQ3、SQ4的常开触点是压合的，所以KM3线圈得电（KT线圈因SQ7断开而不能得电）。KM3在2区、3区的主触点闭合，短接限流电阻R；KM3在15区的常开触点闭合，KM1线圈得电，其在3区的主触点接通M1的正转电源；KM1在17区的常开触点闭合，KM4线圈得电。KM4的主触点闭合，将M1绕组接成△连接，即低速正转运行。
④ 主轴电动机M1的低速反转控制。该控制过程与上述的低速正转控制相似。
⑤ 主轴电动机M1的高速正转控制。将机床高、低速变速手柄扳至“高速”挡，此时，13区的SQ7压合，而主轴变速与进给变速手柄处于推合状态，因此，SQ3、SQ4是压合的。按下11区的M1的正转启动按钮SB2，中间继电器KA1线圈得电并自锁，KA1在13区及15区的常开触点闭合。由于此时13区的SQ3、SQ4的常开触点是压合的，所以接触器KM3和时间继电器KT线圈得电。KM3在2区、3区的主触点闭合，短接限流电阻R；KM3在15区的常开触点闭合，接触器KM1线圈得电。KM1在3区的主触点接通主轴电动机M1的正转电源，KM1在17区的常开触点闭合，KM4线圈得电。KM4的主触点闭合将M1的绕组接成△连接，即低速正转启动。经过一段时间后，通电延时继电器KT在17区的常闭触点通电延时断开，切断KM4线圈电源，KM4在3区的主触点断开；而KT在18区的常开触点通电延时闭合，接通KM5线圈的电源。KM5在2～4区的触点闭合将M1接成YY联结，即高速正转运行，M1由低速启动变为高速运行。由此可知，M1的高速挡为两级启动控制，以减少电动机高速挡启动时的冲击。
⑥ 主轴电动机M1的高速反转控制。该控制过程与上述高速正转控制相似。
⑦ 主轴电动机M1的正转停车制动控制。主轴电动机M1处于正向低速（或高速）运行时，KA1、KM1、KM3、KM4（或KM5、KT）及16区的速度继电器的常开触点SR2是闭合的。当需要M1正向运行制动停止时，按下M1的制动停止按钮SB1，SB1在11区的常闭触点首先断开，切断KA1线圈的电源。KA1在13区的常开触点断开，切断KM3和KT线圈的电源（KT在18区的触点断开使KM5线圈失电）；KA1在15区的常开触点断开，切断KM1线圈电源，KM1主触点断开M1的正转电源。同时，KT在17区的通电延时断开触点闭合，KM1在16区的常闭触点闭合，为M1正转反接制动作好准备。继而SB1在14区的常开触点被压下闭合，接通KM2、KM4线圈的电源。此时KM2、KM4的主触点闭合将M1接成△连接，并串电阻R反向启动，因此，M1的正转速度迅速下降。当M1的正转速度下降至100 r/min时，速度继电器在16区的常开触点SR2断开，KM2、KM4线圈失电释放，完成M1的正转反接制动。
⑧ 主电动机M1的反转停车制动控制。当主轴电动机M1处于反向低速（或高速）运行时，KA2、KM2、KM3、KM4（或KM5、KT）及11区的速度继电器的常开触点SR1是闭合的。当需要M1反向运行制动停止时，按下M1的制动停止按钮SB1，SB1在11区的常闭触点首先断开，切断KA2线圈的电源。KA2在13区的常开触点断开，切断KM3和KT线圈的电源（KT在18区的触点断开使KM5线圈失电）；KA2在15区的常开触点断开，切断KM2线圈电源，KM2主触点断开M1的反转电源。同时，KT在17区的通电延时断开触点闭合，KM2在14区的常闭触点闭合，为M1反转反接制动作好准备。继而SB1在14区的常开触点被压下闭合，接通KM1、KM4线圈的电源。此时KM1、KM4的主触点闭合将M1接成△连接，并串电阻R正向启动，因此，M1的反转速度迅速下降。当M1的反转速度下降至100 r/min时，速度继电器在14区的常开触点SR1断开，KM1、KM4线圈失电释放，完成M1的反转反接制动。
⑨ 主轴变速控制。主轴变速可以在停车时进行，也可以在运行中进行。变速时拉出主轴变速操作盘的操作手柄，转动变速盘，选择速度后，再将变速操作手柄推回。拉出变速手柄时，相应的变速行程开关（即SQ3）不受压；推回变速操作手柄时，相应的变速行程开关压合。具体操作过程如下。
主轴停车变速。将主轴变速操作盘的操作手柄拉出（此时进给变速操作手柄未拉出，因此，SQ4、SQ5受压），此时行程开关SQ3复位，14区的SQ3常闭触点闭合，13区的SQ3常开触点断开，14区的SQ6未受压而闭合，14区的速度继电器的常闭触点SR2因M1未运行而闭合，因此，KM1、KM4线圈得电吸合，M1串电阻R低速正转。当正转速度达到120 r/min时，速度继电器在14区的SR2断开，KM1线圈失电释放，而16区的SR2闭合，KM2线圈得电吸合，M1进行正转反接制动。M1正转速度迅速下降，待速度降至100 r/min时，速度继电器在16区的常开触点SR2断开，KM2线圈失电释放，而14区的SR2闭合，KM1线圈又得电吸合，M1又开始正转，如此反复（这种低速正转启动，而后又反接制动的缓慢转动有利于齿轮啮合），直到新的变速齿轮啮合好为止（期间KM4一直吸合）。此时将主轴变速手柄推回原位，14区的SQ6断开，主轴冲动电路被切断，SQ3被重新压合。若按下SB2，则KA1、KM3、KM1、KM4线圈得电，M1低速正转启动并以新的主轴速度运行。若按下SB3，则KA2、KM3、KM2、KM4线圈得电，M1低速反转启动并以新的主轴速度运行。若选择了高速正（反）转运行，则有KA1（KA2）、KM3、KM1（KM2）、KM5线圈得电，其动作过程与上述相似。
主轴低速正转运行中变速。主轴低速正转运行时，KA1、KM1、KM3、KM4线圈得电，其余不得电。当主轴电动机M1在加工过程中需要进行变速时，将主轴变速操作盘的操作手柄拉出（此时进给变速操作手柄未拉出，因此，SQ4、SQ5受压），此时行程开关SQ3复位， 14区的SQ3常闭触点闭合，13区的SQ3常开触点断开，14区的SQ6未受压而闭合，速度继电器在16区的常开触点SR2已闭合（因M1的转速超过120 r/min）。因此，KM3、KM1线圈断电释放，而KM2线圈得电吸合（KM4一直吸合），M1串电阻R正转反接制动，M1正转速度迅速下降。待速度降至100 r/min时，速度继电器在16区的常开触点SR2断开，而14区的常闭触点SR2闭合，使得KM2线圈断电释放，而KM1线圈又得电吸合，M1又开始正转，如此反复，直到新的变速齿轮啮合好为止（期间KM4一直吸合）。此时将主轴变速手柄推回原位，SQ6断开，主轴冲动电路被切断，SQ3被重新压合，KM3、KM1线圈得电（期间KA1一直吸合），M1正转启动，以新的主轴速度运行。主轴低速反转运行中变速及高速正（反）转运行中变速与上述过程相似。
⑩ 进给变速控制。进给变速时，操作的是进给变速操作手柄，其控制的是SQ4、SQ5，其余的与主轴变速过程相似。
⑪ 快速移动电动机M2的控制电路。快速移动电动机M2的控制电路位于19区和20区。从19区和20区的电路中很容易看出，当快速移动操作手柄扳至“正向”位置时，操作手柄压合行程开关SQ9，KM6线圈通电吸合，M2正向启动运行；当快速移动操作手柄扳至“反向”位置时，操作手柄压合行程开关SQ8，KM7线圈通电吸合，M2反向启动运行；将快速移动操作手柄扳至中间位置时，M2停止运行。
实训6 车床、钻床、镗床的线路连接与操作
1．实训目的
① 了解车床、钻床、镗床的基本结构及基本操作。
② 掌握车床、钻床、镗床电气控制系统的工作原理。
③ 能看懂车床、钻床、镗床的电气控制线路，并能进行线路连接。
④ 掌握机床电路实训装置的使用方法。
2．实训器材
① 实训基地或真实的工厂（含车床、钻床、镗床）1个。
② 机床电路实训装置1台。
③ 电工常用工具1套。
④ 导线若干。
3．实训步骤与要求
（1）工厂现场观摩，掌握车床、钻床、镗床等机床的使用。
① 观察操作师傅对机床的操作，了解机床的各种工作状态。
② 在操作师傅的指导下对机床进行操作，掌握操作方法及操作手柄的作用。
③ 在教师的指导下掌握机床电器元件的安装位置及走线情况。
④ 结合机械、电气、液压等几方面的相关知识，掌握机床电气控制的特殊环节。
⑤ 总结操作要领，写出操作步骤及注意事项。
（2）机床电路实训装置介绍，掌握机床电路实训装置的使用。
① 机床电路实训装置采用模块化设计，将各种机床的电路设计成标准化的实训挂箱，可以随意更换。每种模块都包含该种机床电路所用到的电器元件，这些元件合理地分布在实训挂箱的面板上，如图3-8所示。
图3-8 机床电路实训装置
② 机床电路实训装置设计了8个经典机床电路的实训挂箱，可进行T68型卧式镗床（见图3-9）、Z3050型摇臂钻床、M7120型平面磨床、M1432型万能外圆磨床、Z35型摇臂钻床、CA6140型卧式车床、X62 W型万能铣床、电动葫芦等实训。
图3-9 T68 型卧式镗床实训挂箱
③ 8个经典机床均配有多媒体仿真软件。通过仿真软件，可以了解和掌握机床的基本结构、操作方法及电气控制的工作原理。
④ 同一实训挂箱均可以进行机床电路排故实训和PLC变频器改造实训。排故实训时，各种电器元件按照该种机床的电路工作，老师可以通过电脑或手动设置故障点，学员通过测量各个元器件及其线路进行诊断工作，这样可以训练及考核学员对电路的掌握和对综合电工知识的运用情况；PLC变频器改造实训时，各有关输入、输出元器件都会脱离原机床电路，其控制点均引到插线端子上，学员只需通过迭插线将元器件与PLC变频器进行连接，然后通过自行设计的PLC程序控制机床工作。
⑤ 对照机床电路实训装置，认真学习设备使用手册，然后按照手册进行动手操作。
（3）T68型卧式镗床的操作，掌握镗床的操作和工作原理。
① 断开实训装置的总电源，在教师的指导下由两位学员配合换上T68型卧式镗床的实训挂箱，注意挂箱后面的连接电缆线。
② 确认挂箱固定好及电缆线连接好后，将钥匙锁开关置于排故考核位置，然后合上总电源开关，确认实训装置工作正常。
③ 教师通过计算机或手动故障设置装置清除所有故障设置，恢复到正常工作状态。
④ 断开实训挂箱的电源开关，按图3-7所示连接好线路，在自检和同学的互检正确后，申请试车。
⑤ 在教师的监护下合上挂箱电源开关，确认系统无异常。
⑥ 主电动机M1的点动控制：合上SQ1（或SQ2）行程开关，点动SB4（或SB5），KM1（或KM2）动作，M1电动机低速点动运行。其余的请参照3.2.3小节“控制电路分析”中的③～⑪的叙述进行操作。
⑦ 操作完毕，断开所有电源，清理现场。
（4） 写出车床、钻床的操作步骤，并在教师的监护下完成机床的相关操作。
3.3 电气控制系统设计
电气控制系统设计包括电气原理图设计和电气工艺设计两部分。电气原理图设计是为满足生产机械及其工艺要求而进行的电气控制设计；电气工艺设计是为电气控制装置本身的制造、使用、运行及维修的需要而进行的生产工艺设计。电气原理图设计直接决定着设备的实用性、先进性和自动化程度的高低，是电气控制系统设计的核心；电气工艺设计决定着电气控制设备制造、使用、维修的可行性，直接影响电气原理图设计的性能目标和经济技术指标的实现。现以电力拖动控制系统为例说明设计内容。
3.3.1 设计的原则、程序和内容
1．设计的基本原则
在电气控制系统的设计中，一般应遵循以下原则。
① 最大限度地满足生产机械和生产工艺对电气控制的要求，这是电气控制设计的依据。因此，在设计前应深入现场进行调查，搜集资料，并与生产现场有关人员、实际操作者以及机械部分的设计人员密切配合，明确控制要求，共同拟订电气控制方案，协同解决设计中的各种问题，使设计成果满足生产工艺要求。
② 在满足控制要求的前提下，设计方案力求简单、经济、合理，控制系统力求操作简易，使用与维护方便。
③ 正确、合理地选用电器元件，确保控制系统安全可靠地工作。
④ 为适应生产的发展和工艺的改进，在选择控制设备时，设备能力应留有适当余量，同时要考虑技术进步和造型美观。
2．设计的一般程序
在电气控制系统的设计中，通常按以下程序进行。
（1）拟订设计任务书。设计任务书是整个系统设计的依据，也是工程竣工验收的依据，必须认真对待。设计任务书往往只对系统的功能要求和技术指标提出一个粗略的轮廓，而涉及设备应达到的各项具体技术指标和各项具体要求时，则是由技术领导部门、设备使用部门及承担机电设计任务的部门等几个部门共同讨论协商，最后以技术协议的形式予以确定。在设计任务书中，除简要说明所设计设备的型号、用途、工艺过程、动作要求、传动参数、工作条件等外，还应说明以下主要技术指标和要求。
① 对控制精度和生产效率的要求。
② 电气传动基本特性，运动部件数量、用途，动作顺序，负载特性，调速指标，启动、制动要求等。
③ 对自动化程度、稳定性及抗干扰的要求。
④ 连锁条件及保护要求。
⑤ 设备布局、安装要求，操作台布置、照明、信号指示、报警方式等。
⑥ 验收标准及验收方式。
⑦ 其他要求。
（2）选择拖动方案。电力拖动方案是指根据设备加工精度和加工效率要求以及生产机械的结构、运动要求、负载性质、调速要求等条件确定电动机的类型、数量、传动方式，拟定电动机启动、调速、反向、制动等控制要求。因此，在设计任务书下达后，要认真做好调查研究工作，要注意借鉴类似设备或生产工艺，拟定多种方案，经分析比较后再作决定。
（3）选择电动机。拖动方案确定后，可进一步选择电动机的类型、型式、容量、额定电压、额定转速等。
（4）选择控制方式。拖动方案已确定，电动机已选好后，采用什么方法来实现这些控制要求就是控制方式的选择。随着传统的继电接触器控制、可编程控制、计算机控制及各种新型的工业控制器不断出现，提高了控制方式选择的难度。
（5）设计控制原理图。设计电气（气动、液压）控制原理图，合理选用元器件，在此基础上编制元器件目录清单。
（6）设计施工图。设计电气设备制造、安装、调试所必需的各种施工图，并以此为依据编制各种材料定额清单。
（7）编写说明书。编写设计说明书和使用说明书。
3．设计的基本内容
电气控制系统设计中的电气原理图设计和电气工艺设计，其基本任务是根据控制要求，设计和编制出设备制造和使用维修过程中所必备的图样、资料等。图样包括电气原理图、元器件布置图、安装接线图、控制面板图、元器件安装底板图和非标准件加工图等；资料有外购件清单、材料消耗清单及设备说明书等。
3.3.2 电气原理图设计
电气控制原理图是电气控制设计的核心，是电气工艺设计和编制各种技术资料的依据，在总体方案确定后，首先要设计的就是进行电气控制原理图的设计。
1．设计的基本原则
在电气控制原理图的设计中，通常要遵循以下原则。
（1）在满足生产工艺要求的前提下，力求使控制线路简单、经济。
① 尽量选用标准电器元件，尽量减少电器元件的数量，尽量选用相同型号的电器元件以减少备用品的数量。
② 尽量选用标准的、常用的、经过实践考验的基本控制电路，如图3-10所示。
图3-10 选用标准的基本控制电路
③ 尽量减少不必要的触点。电气控制电路中所涉及的触点数量越少，控制电路就越简单，同时还可以提高控制电路工作的可靠性，降低故障率，如图3-11所示。
图3-11 减少不必要的触点
④ 尽量压缩连接导线的数量和长度。在设计电气控制电路时，应根据实际环境情况，合理考虑并安排各种电气设备和电器元件的位置及实际连线，以保证各种电气设备和电器元件之间的连接导线的数量最少，导线的长度最短，如图3-12所示。
图3-12 压缩连接导线的长度
⑤ 尽量减少电器元件的通电时间。控制电路工作时，要尽量减少电器元件的通电时间，以节约电能和延长电器元件的使用寿命，如图3-13所示。
图3-13 减少电器元件的通电时间
（2）保证电气控制电路工作的可靠性。保证电气控制电路工作的可靠性，最主要的是选择可靠的电器元件。此外，在具体的电气控制电路设计上要注意以下几点。
① 正确连接电器元件的触点。在控制电路设计时，应使分布在电路不同位置的同一电器触点尽量接到同一个极或尽量共接同一等电位点上，这样既节省了导线，又避免在电器触点上引起短路，如图3-12所示。
② 正确连接电器的线圈。在交流控制电路中不允许串联接入两个电器元件的线圈（即使外加电压是两个线圈额定电压之和），若需要两个电器元件同时工作，应将其线圈并联连接。
③ 避免出现寄生电路。在控制电路的动作过程中，出现不是由于误操作而产生的意外接通的电路称为寄生电路。图3-14所示为一个具有指示灯和过载保护的电动机正反转电路，在正常工作时，能实现正反向启动、停止和信号指示。但当热继电器FR动作时，FR的常闭触点断开后就出现了寄生电路，使接触器不能可靠释放而得不到过载保护。若将FR的常闭触点移到SB1的前面就可以避免寄生电路的产生。
图3-14 寄生电路
④ 在电气控制电路中应尽量避免许多电器元件依次动作才能接通另一个电器元件的控制电路。
⑤ 在频繁操作的可逆电路中，正反向接触器之间要有必要的电气联锁和机械联锁。
⑥ 设计的电气控制电路应能适应所在电网的情况，并据此来决定电动机的启动方式是直接启动还是间接启动。
⑦ 在设计电气控制电路时，应充分考虑继电器触点的接通和分断能力。若要增加接通能力，可用多触点并联；若要增加分断能力，可用多触点串联。
（3）保证电气控制电路工作的安全性。电气控制电路应具有完善的保护环节来保证整个生产机械的安全运行，消除在其工作不正常或误操作时所带来的不利影响，避免事故的发生。在电气控制电路中常设的保护环节有短路、过电流、过载、失压、弱磁、超速、极限保护等。
① 短路保护。众所周知，在电路发生短路时，强大的短路电流容易引起各种电气设备和电器元件的绝缘损坏及机械损坏。因此，当电路发生短路时，应迅速而可靠地切断电源。
② 过电流保护。在电动机运行过程中，有各种各样的情况会引起电动机产生很大的电流，从而造成电动机或生产机械设备的损坏。例如，不正确的启动和过大的负载会引起电动机的过电流；过大冲击负载会引起电动机的冲击电流，损坏电动机或机械设备；过大的转矩会使生产机械的机械转动部分受到损坏。因此，常采用过电流继电器保护电动机和机械设备。
③ 过载保护。如果电动机长期超载运行，其绕组的温升将超过允许值，而损坏电动机。因此，常采用具有反时限特性的热继电器作保护环节。
④ 失压保护。在电动机正常工作时，由于电源电压消失而使电动机停止运行，当电源电压恢复后，电动机就会自行启动，从而造成人身伤亡和设备毁坏的事故。因此，为防止电压恢复时电动机自动启动，在控制电路中常采用失压保护措施。一般通过并联在启动按钮上的接触器的动合触点来进行失压保护。
⑤ 弱磁保护。直流并励电动机、复励电动机在励磁磁场减弱或消失时，会引起电动机的“飞车”现象，此时，必须在控制电路中采用弱磁保护环节。一般用弱磁继电器，其吸合值一般整定为额定励磁电流的0.8倍。
⑥ 极限保护。对于做直线运动的生产机械常设有极限保护环节。如上、下极限，前、后极限保护等，一般用行程开关的动断触点来实现。
⑦ 其他保护。除以上保护之外，可按生产机械在其运行过程中的不同工艺要求和可能出现的各种现象，根据实际情况来设置，如温度、水位、欠压等保护环节。
（4）应力求操作、维护、检修方便。对电气控制设备而言，电气控制电路应力求维修方便，使用简单。为此，在具体进行电气控制电路的安装与配线时，电器元件应留有备用触点，必要时留有备用元件；为检修方便，应设置电气隔离，避免带电检修工作；为调试方便，控制方式应操作简单，能迅速实现从一种控制方式到另一种控制方式的转变，如从自动控制转换到手动控制等；设置多点控制，便于在生产机械旁边进行调试。
2．设计的基本步骤
在电气控制原理图的设计中，通常要按以下步骤进行。
① 根据选定的拖动方案和控制方式设计系统的原理框图，拟订出各部分的主要技术要求和主要技术参数。
② 根据各部分的要求，设计出原理框图中各个部分的具体电路。对于每一部分电路的设计都是按照主电路—控制电路—连锁与保护—总体检查—反复修改与完善的步骤来进行。
③ 绘制系统总原理图。按系统框图结构将各部分电路连成一个整体，完善辅助电路，绘成系统原理图。
④ 合理选择电气原理图中每一电器元件，制订出元器件目录清单。
对于比较简单的控制电路，如普通机械或非标设备的电气配套设计、技术改造的电气配套设计，可以省略前两步，直接进行电气原理图的设计和选用电器元件。但对于比较复杂的电气自动控制电路，如新产品开发设计、新上工程项目的配套设计，就必须按上述步骤按部就班地进行设计，有时还需对上述步骤进一步细化，分步进行。只有各个独立部分都达到技术要求，才能保证总体技术要求的实现。
3．设计的内容
原理图是整个设计的中心环节，是工艺设计和编写其他技术资料的依据，其设计内容包括如下几方面。
① 拟订电气设计任务书。
② 选择电力拖动方案和控制方式。
③ 确定电动机的类型、型号、容量及转速。
④ 设计电气控制框图，确定各部分之间的关系，拟订各部分技术指标与要求。
⑤ 设计并绘制电气控制原理图，计算主要技术参数。
⑥ 选择电器元件，制定元器件目录清单。
⑦ 编制设计说明书。
4．设计方法
（1）分析设计法。分析设计法是根据生产工艺的要求，选择适当的基本控制电路或将比较成熟的电路，按各部分的联锁条件组合起来，并经补充和修改，将其综合成满足控制要求的完整电路。当没有现成典型电路可运用时，可根据控制要求边分析边设计。由于这种设计方法是以熟练掌握各种电气控制的基本电路和具备一定的阅读分析电气控制电路的经验为基础，故又称经验设计法。分析设计法的步骤如下。
① 设计各控制单元中拖动电动机的启动、正反向运行、制动、调速、停车等的主电路或执行元件的电路。
② 设计满足各电动机的运行功能和与工作状态相对应的控制电路，以及与满足执行元件实现规定动作相适应的控制电路。
③ 连接各单元环节，构成满足整机生产工艺要求，实现加工过程自动或半自动化调整的控制电路。
④ 设计保护、连锁、检测、信号和照明等环节的控制电路。
⑤ 全面检查、审核所设计的电路，力求控制电路更完善。在设备工作过程中，除非由于误操作或突然失电等异常情况，机械设备不应发生事故，或所造成的事故不应扩大。
这种设计方法简单，容易为初学者所掌握，在电气控制中被普遍采用。其缺点是不易获得最佳设计方案；当经验不足或考虑不周时会影响电路工作的可靠性。因此，应反复审核电路的工作情况，有条件时应进行模拟试验，发现问题及时修改，直至电路动作准确无误，满足生产工艺要求为止。
（2）逻辑设计法。逻辑设计法是利用逻辑代数这一数学工具来进行电路设计。它是从工艺资料（工作循环图、液压系统图等）出发，将控制电路中的接触器、继电器线圈的通电与断电，触点的闭合与断开，以及主令元件的接通与断开等看成逻辑变量，并根据控制要求，将这些逻辑变量关系表示为逻辑函数关系式；再运用逻辑函数的基本公式和运算规律对逻辑函数式进行化简，然后按化简后的逻辑函数式画出相应的电路结构图；最后再做进一步的检查和完善，以期获得最佳设计方案，使设计出来的控制电路既符合工艺要求，又达到线路简单、工作可靠、经济合理的要求。利用该方法设计控制电路时，其步骤如下。
① 按工艺要求作出工作循环图。
② 决定执行元件与检测元件，并作出执行元件动作节拍表和检测元件状态表。
③ 根据检测元件状态表写出各程序的特征数，并确定待相区分组，设置中间记忆元件，使各待相区分组所有程序区分开。
④ 列写中间记忆元件开关逻辑函数式及其执行元件动作逻辑函数式，并画出相应的电路结构图。
⑤ 对按逻辑函数式画出的控制电路进行检查、化简和完善。
逻辑设计法的优点是，能获得理想、经济的设计方案，但设计难度较大、设计过程较复杂，在一般常规设计中很少单独使用。
3.3.3 电气工艺设计
电气工艺设计必须在电气原理图设计完成之后进行。首先进行电气控制设备总体配置即总装配图、总接线图设计；然后再进行各部分电气装配图与接线图的设计，列出各部分的元件目录、进出线号以及主要材料清单；最后编写使用说明书。其主要内容有以下几个方面。
1．总体配置设计
总体配置设计是以电气系统的总装配图与总接线图的形式来表达，图中应反映出各部分主要组件的位置及各部分的接线关系、走线方式及使用管线等要求。
总装配图和接线图是进行分部设计和协调各部分组成一个完整系统的依据。总体设计要使整个系统集中、紧凑，同时应将有发热、噪声、振动的电气部件安放在离操作者较远的位置，电源紧急停止应安放在方便而明显的位置，且对于多工位加工的大型设备，应考虑多处操作等。
一台设备往往由若干台电动机来拖动，而各台电动机又由许多电器元件来控制，这些电动机与各类电器元件都有一定的装配位置。例如，电动机与各种执行元件（如电磁铁、电磁阀、电磁离合器、电磁吸盘等）、各种检测元件（如行程开关、传感器、温度继电器、压力继电器、速度继电器等）必须安装在生产机械的相应部位。各种控制电器（如各种接触器、继电器、电阻、断路器、控制变压器、放大器等）以及各种保护电器（如熔断器、电流保护继电器、电压保护继电器等）则安放在单独的电器箱内，而各种控制按钮、控制开关，各种指示灯、指示仪表、需经常调节的电位器等则必须安装在控制台面板上。由于各种电器元件安装位置不同，所以在构成一个完整的自动控制系统时，必须根据实际情况将整个控制系统划分为若干个组件，并解决好组件之间、电器箱之间以及电器箱与被控制装置之间的连线问题。
（1）组件的划分原则。
① 将功能类似的元件组合在一起，可构成控制面板、电气控制盘、电源等组件。
② 将接线关系密切的电器元件置于同一组件中，尽可能减少组件之间的连线数量。
③ 将强电与弱电控制器分离，以减少干扰。
④ 将外形尺寸相同、重量相近的电器组合在一起，力求整齐美观。
⑤ 将需经常调节、维护和易损元件组合在一起，便于检查与调试。
（2）电气控制设备的各部分及组件之间的接线方式。
① 电器板、控制板、机床电器的进出线一般采用接线端子。
② 被控制设备与电器箱之间采用多孔接插件，便于拆装、搬运。
③ 印刷电路板与弱电控制组件之间宜采用各种类型接插件。
2．元器件布置图的设计
元器件布置图是指某些电器元件按一定的原则组合，如电气控制箱中的电器板、控制面板、放大器等，元器件布置图的设计依据是部件原理图。同一组件中的电器元件的布置应注意以下几点。
① 体积大和较重的元器件安装在电器板的下方，发热元器件安放在电器板的上方。
② 强电、弱电应分开并加以屏蔽，以防干扰。
③ 需要经常维护、检修、调整的元器件安装高度要适宜。
④ 外形尺寸与结构类似的元器件应安放在一起，以利加工、安装和配线。
⑤ 元器件之间应有一定间距，若采用板前线槽配线，应加大各排间距，以利布线和维护。
⑥ 元器件的布置应考虑整齐、美观、对称。
各元器件位置确定以后，便可绘制元器件布置图。布置图是根据元器件的外形尺寸按比例绘制，并标明各元器件间距尺寸；同时，还要根据本部件进出线的数量和导线规格来选择适当的接线端子板和接插件，并按一定顺序标上进出线的接线号。
3．电气部件接线图的绘制
电气部件接线图是根据部件电气原理图及元器件布置图来绘制的，它表示了成套装置的电路连接关系，是电气安装接线和查线的依据。接线图应按以下要求绘制。
① 接线图和接线表的绘制应符合《电气技术用文件的编制 第3部分：接线图和接线表》 （GB 6988.3—1997）的规定。
② 电气元件按外形绘制，并与布置图一致，偏差不要太大。
③ 所有电气元件及其引线均应标注与电气原理图相一致的文字符号及接线号。
④ 在接线图中同一电器元件的各个部分（触点、线圈等）必须画在一起。
⑤ 接线图一律采用细实线，走线方式有板前与板后走线两种，一般采用板前走线。
⑥ 对于简单电气控制部件，元器件数量较少，接线关系不复杂，可直接画出元件内的连线；但对于复杂部件，元器件数量多，接线较复杂时，只要在各电器元件上标出接线号，不必画出各元件之间连线。
⑦ 接线图中应标明所配导线的型号、规格、截面积及颜色等，应标明所穿管子的型号、规格等，并标明电源的引入点。
⑧ 部件的进出线除大截面导线外，都应经过接线端子板，不得直接进出。
4．电气箱及非标准零件图的设计
在电气控制比较简单时，电气控制板往往附在生产机械上；而在控制系统比较复杂、生产环境或操作需要时，采用单独的电气控制箱，以便于制造、使用和维护。电气控制箱的设计要考虑以下几方面的问题。
① 根据控制面板及箱内各电气部件的尺寸来确定电气箱总体尺寸及结构方式。
② 结构紧凑，外形美观，与生产机械相匹配。
③ 根据控制面板及箱内电气部件的安装尺寸，设计箱内安装支架。
④ 从方便安装、调整及维修的需要，设计控制箱开门方式。
⑤ 为利于箱内电器的通风散热，在箱体适当部位设计通风孔或通风槽。
⑥ 为利于电气箱的搬动，设计合适的起吊钩、起吊孔、扶手架或箱体底部带活动轮等。
外形确定以后，再按上述要求进行各部分的结构设计，绘制箱体总装图及门、控制面板、底板、安装支架、装饰条等零件图，并注明加工尺寸。
非标准的电器安装零件，如开关支架、电气安装底板、控制箱的有机玻璃面板等，应根据机械零件设计要求，绘制其零件图。
5．各类元器件及材料清单的汇总
在电气控制原理图及工艺设计结束后，应根据各种图纸，对设备需要的各种零件及材料进行综合统计，列出外购件清单表、标准件清单表、主要材料消耗定额表及辅助材料消耗定额表，供有关部门备料。同时，这些资料也是成本核算的依据。
6．编写设计说明书及使用说明书
设计说明及使用说明是设计审定及调试、使用、维护过程中不可缺少的技术资料，应包含以下主要内容。
① 拖动方案选择依据及本设计的主要特点。
② 主要参数的计算过程。
③ 设计任务书中要求的各项技术指标的核算与评价。
④ 设备调试要求与调试方法。
⑤ 设备使用、维护要求及注意事项。
3.3.4 设计实例
现以CW6163型普通车床为例说明电气控制系统设计的主要内容。设计要求如下：该车床属于普通的小型车床，可完成工件最大车削直径为630 mm，工件最大长度为1 500 mm；主轴的正反转运动由两组机械式摩擦片离合器控制，主轴的制动采用液压制动器，进给运动的纵向左右运动、横向前后运动及快速移动均由一个手柄操作控制；要求配3台电动机，1台为主轴电动机，1台为刀架快速移动电动机，1台为冷却泵电动机，且主轴电动机能进行两地控制；机床要求有必要的保护措施、局部照明和工作状态指示。
1．机床传动的总体方案
机床控制系统的总体方案如下。
① 主运动和进给运动由电动机M1控制（型号Y160M-4，11 kW，380 V，22.6 A，1 480 r/min）。
② 主轴的制动采用液压制动器完成。
③ 冷却泵由电动机M2拖动（JCB-22，0.125 kW，0.43 A，2 790 r/min）。
④ 刀架快速移动由单独的快速电动机M3拖动（Y90S-4，1.1 kW，2.7 A，1 400 r/min）。
⑤ 进给运动的纵向左右运动、横向前后运动以及快速移动集中由一个手柄操纵。
2．电气控制原理图的设计
（1）主电路设计。根据控制要求，电动机M1采用单向直接启动控制方式，由接触器KM进行控制，设FR1为过载保护，并用电流表监视车削时的工作电流；冷却泵M2和快速移动电动机M3的功率较小，可采用中间继电器KA1、KA2（也可用KM2、KM3）分别控制，并设FR2为M2的过载保护，M3属于短时工作，不需过载保护。机床电源由漏电断路器QF引入，并作为机床漏电、短路、过载保护，熔断器FU1对小电动机M2、M3进行短路保护。因此，可以绘出机床的主电路，如图3-15所示。
图3-15 CW6163车床电气原理图
（2）控制电路设计。考虑操作安全，控制电路采用变压器供电，控制回路110 V，照明36 V，指示灯6.3 V。考虑操作方便，主电动机M1可在床头操作板上和刀架拖板上分别设启动和停止按钮SB1、SB2及SB3、SB4进行操纵，接触器KM1与控制按钮组成自锁的起停控制电路。根据设计要求，M2由SB5和SB6在床头板上进行起停操纵，而M3工作时间短，为了操作灵活由按钮SB7与接触器组成点动控制电路。因此可以绘出机床的电气控制原理图，如图3-15所示。
3．电气元件的选择
（1）电源开关（QF）的选择。根据QF的作用，QF的选择应考虑电动机M1～M3的额定电流，QF的额定电流≥1.3Ijs＝1.3×（22.6＋0.43＋2.7）≈33.4A。同时考虑到M2、M3虽为满载启动，但功率较小，M1虽功率较大，但为轻载启动，因此，QF可选DZL25-100/3N901 40A 30 mA型的漏电断路器，即额定电流为40 A，漏电动作电流为30 mA。
（2）热继电器（FR）的选择。根据电动机的额定电流进行热继电器的选择。FR1选用JRO-40型热继电器，热元件额定电流为25 A，过载动作电流整定在22.6 A。FR2选用JRO-40型热继电器，热元件额定电流为0.64 A，过载动作电流整定在0.43 A。
（3）接触器的选择。根据负载电路的电压、电流及控制电路的电压与所需触点的数量等来进行选择。KM主要对M1进行控制，而M1的额定电流为22.6 A，控制电路电源为110 V，主触点3对，辅助动合触点2对，辅助动断触点1对。因此，KM选择CJ10-40型接触器，主触点额定电流为40 A，线圈电压为110 V。
（4）中间继电器的选择。由于M2和M3的额定电流都很小，因此，可用交流中间继电器代替接触器进行控制。这里，KA1和KA2均选择JZ7-44型交流中间继电器，动合、动断触点各4对，额定电流为5 A，线圈电压为110 V。
（5）熔断器的选择。根据熔断器的额定电压、额定电流和熔体的额定电流等进行熔断器的选择。FU1主要对M2和M3进行短路保护，熔体的额定电流≥(1.5～2.5)INmax+∑IN＝(1.5～2.5)×2.7+0.43，因此，FU1选择RL1-15型熔断器，熔体为10 A。
（6）按钮的选择。根据需要的触点数目、动作要求、使用场合、颜色等进行按钮的选择。因此，可选择L A-18型按钮，其中SB3、SB4、SB6、SB7为绿色，SB1、SB2为红色。
（7）照明及指示灯的选择。照明灯EL选择JC2型，交流36 V、40 W，与灯开关S成套配置；指示灯HL1和HL2选择ZSD-0型，交流6.3 V，0.25 A，颜色分别为绿色和红色。
（8）控制变压器的选择。控制变压器可选BK-100 VA，380/110/36/6.3。
通过上述选择，可列出CW6163型车床的电器元件明细表，如表3-1所示。
表3-1 CW6163型车床的电器元件明细表
符 号 |
名 称 |
型 号 |
规 格 |
数量 |
|---|---|---|---|---|
Ml |
三相异步电动机 |
Y160M-4 |
11 kW，380 V，22.6 A，1 480 r/min |
1 |
M2 |
冷却泵电动机 |
JCB-22 |
0.125 kW，0.43 A，2 790 r/min |
1 |
M3 |
三相异步电动机 |
Y90S-4 |
1.1 kW，2.7 A，1 400 r/min |
l |
QF |
低压断路器 |
DZL25-100 |
3极，500 V，40 A |
1 |
KM |
交流接触器 |
CJ10-40 |
40 A．线圈电压110 V |
l |
KA1，KA2 |
交流中间继电器 |
JZ7-44 |
5 A，线圈电压110 V |
2 |
FR1 |
热继电器 |
JRO-40 |
热元件额定电流25 A，整定电流22.6 A |
1 |
FR2 |
热继电器 |
JRO-40 |
热元件额定电流0.64 A，整定电流0.43 A |
1 |
FU1 |
熔断器 |
RL1-15 |
500 V，熔体10 A |
3 |
FU2，FU3 |
熔断器 |
RC1-15 |
500 V，熔体2 A |
2 |
TC |
控制变压器 |
BK-100 |
100 VA，380 V/110 V /36 V /6.3 V |
1 |
SB3，SB4，SB6 |
控制按钮 |
LA-18 |
5 A，绿色 |
3 |
SB1，SB2，SB5 |
控制按钮 |
LA-18 |
5 A，红色 |
3 |
SB7 |
控制按钮 |
LA-18 |
5 A，绿色 |
1 |
HL1,HL2 |
指示灯 |
ZSD-0 |
6.3 V，绿色1，红色l |
2 |
EL，S |
照明灯及灯开关 |
|
36 V，40 W |
1 |
PA |
交流电流表 |
直接接入 |
0～50A |
1 |
4．布置图的绘制
依据电气原理图的布置原则，并结合机床的可操性，可绘出其电器元件的布置图，如图3-16所示。
图3-16 CW6163型车床电气布置图
5．接线图的绘制
电器元件的布置图绘好后，再依据电气安装接线图的绘制原则及相应注意事项，可以绘出电气安装接线图，如图3-17所示，管内敷线明细表如表3-2所示。
图3-17 CW6163车床电气安装接线图
表3-2 接线图中管内敷线明细表
| 代号 | 穿线用管(或电缆类型)内径/mm | 电 线 | 接线号 | |
|---|---|---|---|---|
| 截面/mm2 | 根数 | |||
| #1 | 内径15聚氯乙烯软管 | 6 | 3 | U1，V1，W1 |
| #2 | 内径15聚氯乙烯软管 | 6 | 2 | U12，U13 |
| 1 | 8 | 1，3，5，9，11，19，20，21 | ||
| #3 | 内径15聚氯乙烯软管 | 1 | 14 | U2，V2，W2，U3，V3，W3 1，3，5，7，13，18，21，22 |
| #4 | 3/4(in)螺纹管 | |||
| #5 | 15金属软管 | 1 | 11 | U3，V3，W3，1，3，5，7，13，18，21，22 |
| #6 | 内径15聚氯乙烯软管 | 1 | 8 | U3，V3，W3 1，3，5，7，13 |
| #7 | (18×16)mm2铝管 | |||
| #8 | 11金属软管 | 1 | 3 | 18，21，22 |
| #9 | 内径8聚氯乙烯软管 | 1 | 2 | l，13 |
| #10 | YHZ橡套电缆 | 1 | 3 | U3，V3，W3 |
6．控制柜的安装配线
（1）制作安装底板。CW6163型卧式车床电气线路较复杂，根据电气安装接线图，其制作的安装底板有柜内电器板（配电盘），床头操作显示面板和刀架拖动操作板共3块，对于柜内电器板，可以采用4 mm的钢板或其他绝缘板作其底板。
（2）选配导线。根据车床的特点，其电气控制柜的配线方式选用明配线。根据CW6163型卧式车床的电气接线图中管内敷线明细表中已选配好的导线进行配线。
（3）规划安装线和弯电线管。根据安装的操作规程，首先在底板上规划安装的尺寸以及电线管的走向，并根据安装尺寸锯电线管，根据走线方向弯管。
（4）安装电器元件。根据安装尺寸进行钻孔，并固定电器元件。
（5）电器元件的编号。根据车床的电气原理图给安装完毕的各电器元件和连接导线进行编号，给出编号标志。
（6）接线。根据接线的要求，先接控制柜内的主电路、控制电路，再接柜外的其他电路和设备，特殊的、需外接的导线接到接线端子排上，引入车床的导线需用金属导管保护。
7．电气控制柜的调试
电气控制柜经安装配线后，应对照原理图、接线图进行认真检查，检查无误后，方可进行通车试车。
（1）空操作试车。断开图3-15中M1主电路接在QF之后的3根电源线U11、V11、W11和M2、M3主电路接在FU1之后的3根电源线U21、V21、W21，合上电源开关QF，使得控制电路得电。按下启动按钮SB3或SB4，KM应吸合并自锁，指示灯HL1应亮；按下SB2或SB1，KM应断电释放，指示灯HL2应亮；合上开关S，局部照明灯EL应亮，断开S，照明灯则灭。KA1、KA2的检查类似。
（2）空载试车。第1步通过之后，断电接上U11、V11、W11，然后送电，合上QF，按下SB3或SB4，观察主轴电动机M1的转向、转速是否正确；再接上U21、V21、W21，按下SB6和SB7观察冷却泵电动机M2和快速移动电动机M3的转向、转速是否正确。空载试车时，应先拆下连接主轴电动机和主轴变速箱的皮带，以免转向不正确损坏传动机构。
（3）带负荷试车。在机床电器线路和所有机械部件安装调试后，按照CW6163型卧式车床的各项性能指标及工艺要求，进行逐项试车。
3.4 电气控制系统检修
电气控制系统在运行中会发生各种故障，造成停机而影响生产，严重时还会造成事故，如机械故障、电气故障。常见的电气故障有：断路性故障、短路性故障、接地故障等。电气设备的故障检修包括检测和修理，检测主要是判断故障产生的确切部位，修理则是对故障部分进行修复。下面就电气控制线路的检修进行介绍。
3.4.1 检修工具
电气控制线路的故障检修范围包括电动机、电器元件及电气线路等。电气线路检修时常用的工具有：试电笔、试灯、电池灯、万用表、兆欧表等。
1．试电笔
试电笔（俗称电笔）是检验导线、电器和电气设备是否带电的一种电工常用测试工具，只要带电体与大地之间的电位差超过60 V时，电笔中的氖管就会发光，低压试电笔的测试电压范围为60～500 V。使用试电笔时应以手指触及笔尾的金属体，使氖管小窗背光朝向自己。试电笔仅需要很小的电流就能使氖管发亮，一般绝缘不好而产生的漏电流及处在强电场附近都能使氖管发亮，这些情况要与所测电路是否确实有电加以区分。试电笔除用来测试相线（火线）与中性线（地线）之外，还可以根据氖管发光的强弱来估计电压的高低，根据氖管一端还是两端发光来判断是直流还是交流等。
2．试灯
试灯又叫“校灯”。利用试灯可检查线路的电压是否正常、线路有否断路或接触不良等故障。使用试灯时要注意使灯泡的电压与被测部位的电压相符，被测部位的电压过高会烧坏灯泡，过低时灯泡不亮。检查时将试灯接在被测线路两端，如果试灯亮说明线路两端有电压，同时根据灯泡的明亮程度可以进一步估计电压的高低。一般检查线路是否断路时采用10～60 W小容量的白炽灯，而查找接触不良的故障时应采用150～200 W的白炽灯，这样可以根据灯泡的明亮程度来分析故障情况。
3．电池灯
电池灯又称“对号灯”，由两节1号电池和1个2.5 V的小灯泡组成，常用来检查线路的通断及线号等。测量时将电池灯接在被测电路两端，如果线路开路（或线路中有接触器线圈等较大电阻）则电池灯不亮，如果线路通则灯泡亮。如果线路中接有电感元件（如接触器、继电器及变压器线圈等），则用电池灯测试时，测试者应与被测回路隔离，防止在通电的瞬间因电动势过高而使测试者产生触电的感觉。
4．万用表
万用表可以测量交、直流电压及直流电流及电阻，有的万用表还可以测量交流电流、电感及电容等。电气线路检修时通常使用万用表的电压挡及电阻挡。使用时应注意选择合适的挡位及量程，使用完毕应及时将选择开关放到空挡或交流电压量程的最高挡。长期不用应将万用表中的电池取出。
5．兆欧表
兆欧表可以用来测量电气设备的绝缘电阻。使用时应注意兆欧表的额定电压必须与被测电气设备或线路的工作电压相适应，在低压电气设备的维修中，通常选择额定电压为500 V的兆欧表。
3.4.2 检修步骤
1．故障调查
当发生电气故障后，切忌盲目随便动手检修。在检修前，应通过“问、嗅、看、听、摸”来了解故障前后的操作情况和故障发生后出现的异常现象，以便根据故障现象迅速地判断出故障发生的部位，进而准确地排除故障。
① 问：即向操作者详细了解故障发生的前后情况。一般询问的内容是：故障是经常发生还是偶尔发生？有哪些现象？故障发生前有无频繁启动、停车或过载？是否经历过维护、检修或改动线路等。
② 嗅：即要注意电动机和电器元件运行中是否有异味出现。若发生电动机、电器绕组烧损等故障，就会出现焦臭味。
③ 看：即观察电动机运行中有否异常现象（如电动机是否抖动、冒烟、接线处打火等），检查熔体是否熔断，电器元件有无发热、烧毁、触点熔焊接线松动、脱落及断线等。
④ 听：即要注意倾听电动机、变压器和电器元件运行时的声音是否正常，以便帮助寻找故障部位。电动机电流过大时，会发出嗡嗡声；接触器正常吸合时声音清脆，有故障时常听不到声音或听到哒哒抖动声。
⑤ 摸：即在确保安全的前提下，用手摸测电动机或电器外壳的温度是否正常，温度过高就是电动机或电器绕组烧损的前兆。
“问、嗅、看、听、摸”是寻找故障的第一步，有些故障还应作进一步检查。
2．电路分析
分析电路时，通常先从主电路入手，了解工业机械各运动部件和机构采用了几台电动机，与每台电动机相关的电器元件有哪些，采用了何种控制，然后根据电动机主电路所用电器元件的文字符号、图区号及控制要求，找到相应的控制电路。在此基础上，结合故障现象和线路工作原理，进行认真分析排查，即可迅速判定故障发生的可能范围。当故障的可疑范围较大时，不必按部就班地逐级进行检查，这时可在故障范围内的中间环节进行检查，来判断故障究竟是发生在哪一部分，从而缩小故障范围，提高检修速度。分析故障时应有针对性，如接地故障一般先考虑电器柜外面的电气装置，后考虑电器柜内的电气元件，断路和短路故障应先考虑动作频繁的元件，后考虑其余元件。
3．断电检查
检查前先断开机床总电源，然后根据电路分析的结果，即故障可能产生的部位，逐步找出故障点。检查时应先检查电源进线处有无碰伤而引起的电源接地、短路等现象，螺旋式熔断器的熔断指示器是否跳出，热继电器是否动作等；然后检查电器外部有无损坏，连接导线有无断路、松动，绝缘有无过热或烧焦等。
4．通电检查
在外部检查发现不了故障时，可对电气线路作通电试验检查。一般情况下先检查控制电路，具体做法是：操作某一只按钮或开关时，线路中有关的接触器、继电器将按规定的动作顺序进行工作。若依次动作至某一电气元件时，发现动作不符合要求，即说明该电器元件或其相关电路有问题，再在此电路中进行逐项分析和检查，一般便可发现故障。待控制电路的故障排除恢复正常后，再接通主电路，检查控制电路对主电路的控制效果，观察主电路的工作情况有无异常等。在通电试验时，必须注意人身和设备的安全，要遵守安全操作规程，不得随意触动带电部分。此外，检查时请注意以下几方面。
① 通电试验检查时，应尽量使电动机和传动机构脱开，调节器和相应的转换开关置于零位，行程开关还原到正常位置。若电动机和传动机构不易脱开时，可将主电路熔体或开关断开，先检查控制电路，待其正常后，再接通电源检查主电路。开动机床时，最好在操作者配合下进行，以免发生意外。
② 通电试验检查时，应先用校灯或万用表检查电源电压是否正常，有无缺相或严重不平衡情况。
③ 通电试验检查，应先易后难、分步进行。每次检查的部位及范围不要太大，范围越小，故障情况越明显。检查的顺序是：控制电路后主电路；辅助系统后主传动系统；开关电路后调整电路；重点怀疑部位后一般怀疑部位。检查较为复杂的机床控制线路时，应拟定一个检查步骤，即将复杂线路划分成若干简单的单元或环节，按步骤、有目的地进行检查。
④ 通电试验检查，也可采用分片试送电法。即先断开所有的开关，取下所有的熔体；然后按顺序逐一插入要检查部位的熔体；合上开关，观察有无冒烟、冒火及熔断器熔断现象，如无异常现象，给以动作指令；观察各接触器和继电器是否按规定的顺序动作，即可发现故障。
3.4.3 检修方法
电气控制线路是多种多样的，它们的故障又往往和机械、液压、气动系统交错在一起，较难分辨。不正确的检修甚至会造成人为事故，因此必须掌握正确的检修方法。一般的检查和分析方法有通电检查法和断电检查法等。通常应根据故障现象，先判断是断路性故障还是短路性故障，然后再确定具体的检修方法。
1．通电检查法
通电检查法主要用来检修断路性故障。如果按下启动按钮后接触器不动作，用万用表测量线路两端电压正常，则可断定为断路性故障。检修时合上电源开关通电，适当配合一些按钮等的操作，用试电笔、校灯、万用表电压挡、短接法等进行检修。
① 试电笔检修法。试电笔检修断路故障的方法如图3-18所示，检修时用试电笔依次测试1，2，3，4，5，6各点，并按下SB2，测量到哪一点试电笔不亮即为断路处。在机床控制线路中，经常直接用380 V或经过变压器供电，用试电笔测试断路故障应注意防止由于电源通过另一相熔断器而造成试电笔亮，影响故障的判断。同时应注意观察试电笔的亮度，防止由于外部电场、泄漏电流造成氖管发亮而误认为电路没有断路。
图3-18 试电笔检修断路故障
② 校灯检修法。用校灯检修断路故障的方法如图3-19所示，检修时将校灯一端接在0点上，另一端按照l，2，3，4，5，6次序逐点测试，并按下SB2，如接至4号线上校灯亮，而接至5号线上校灯不亮，则说明KM2的动断触点（4—5）或连接导线断路。用校灯检修故障时应注意白炽灯的额定电压和容量要合适。
图3-19 校灯检修断路故障
③ 电压的分阶测量法。电压的分阶测量法如图3-20所示，检查时把万用表旋到交流电压500 V挡位上。检查时，首先用万用表测量7—l之间的电压，若电路正常应为380 V，然后按下按钮SB2不放，依次测7—2，7—3，7—4，7—5，7—6间的电压，正常情况下各阶的电压值均为380 V，如测到7—2电压为380 V，而7—3无电压，则说明按钮SB1的动断触点(2—3) 或连接导线断路。这种测量方法像台阶一样，所以称为分阶测量法。
图3-20 电压的分阶测量法
④ 电压的分段测量法。电压的分段测量法如图3-21所示，检查时把万用表旋到交流500 V挡位上，如按下启动按钮SB2，接触器KM1不吸合，说明发生断路故障，用电压表逐段测试各相邻两点间的电压。检查时，先用万用表测1—7两点电压，看电压是否正常，然后依次测量1—2，2—3，3—4，4—5，5—6，6—7间的电压。如电路正常，按下SB2后，除6—7间电压为380 V外，其余相邻各点之间的电压均应为零。
图3-21 电压的分段测量法
⑤ 短接法。短接法是接通电源，用一根绝缘良好的导线，把所怀疑的断路部位短接，如短接过程中电路被接通，就说明该处断路。这种方法便于快速寻找断路性故障，缩小故障范围。
⑥ 局部短接法。局部短接法如图3-22所示，检查时，先用万用表电压挡测量1—7两点间电压值，若电压正常，可按下启动按钮SB2不放，然后用一根绝缘良好的导线，分别短接1—2，2—3，3—4，4—5，5—6。当短接到某两点时，若接触器KM1吸合，说明断路故障就在这两点之间。
图3-22 局部短接法
⑦ 长短接法。长短接法检修断路故障如图3-23所示，长短接法是指一次短接两个或多个触点来检查断路故障的方法。当FR的动断触点和SB1的动断触点同时接触不良，如用上述局部短接法短接1—2点，按下启动按钮SB2，KM1仍然不会吸合，故可能会造成判断错误。而采用长短接法将1—6短接，如KM1吸合，说明1—6段电路中有断路故障，然后再短接1—3和3—6等，进一步判断故障部位。
图3-23 长短接法
短接法检查断路故障时应注意以下几点：首先，短接法是用手拿绝缘导线带电操作的，所以一定要注意安全，避免触电事故发生；其次，短接法只适用于检查压降极小的导线和触点之间的断路故障。对于压降较大的电器，如电阻、接触器和继电器的线圈等断路故障，不能采用短接法，否则会出现短路故障；最后，对于机床的某些要害部位，必须保障电气设备或机械部位不会出现事故的情况下才能使用短接法。
2．断电检查法
断电检查法既可检修断路性故障又可检修短路性故障。合上电源开关，操作时发生熔断器熔断、接触器自行吸合或吸合后不能释放等都表明控制线路中存在短路性故障。采用断电检查法检修短路性故障可以防止故障范围的扩大。断电检查法必须先切断电源，并保证整个电路无电，然后用万用表电阻挡、电池灯等判断故障点。
① 电阻法。对断路性故障一般可以采用电阻的分阶测量法和分段测量法，而短路性故障采用直接测量可疑线路两端的电阻并配合适当的操作（断开某些线头等）进行分析。测量时通常使用万用表的“R×1”挡。
② 分阶测量法。电阻的分阶测量法如图3-24（a）所示，先断开电源，然后按下SB2不放，测量1—7间的电阻，如阻值为无穷大，说明1—7间的电路断路。然后分阶测1—2，l—3，l—4，1—5，1—6各点间电阻值，若电路正常，则两点间的电阻值为“0”，当测量到某标号间的电阻值为无穷大，则说明表笔刚跨过的触点或连接导线断路。
图3-24 电阻的分阶测量法
③ 分段测量法。电阻的分段测量法如图3-24（b）所示，检查时先切断电源，按下启动按钮SB2，然后依次逐段测量相邻两点1—2，2—3，3—4，4—5，5—6，6—7间的电阻。如测得两点间电阻为无穷大，说明这两点间的元件或连接导线断路。
电阻测量法的优点是安全；缺点是测得的电阻值可能是回路电阻，容易造成判断错误，为此必要时应注意将该电路与其他电路断开。
④ 用电阻法检修短路故障。如图3-25所示，设接触器KM1的两个辅助触点在3号和8号线间因某种原因而短路，这样合上电源开关，接触器KM2就自行吸合。
图3-25 电器间的短路故障
将熔断器FU取下，用万用表的电阻挡测2—9间的电阻，若电阻为“0”，则表示2—9间有短路故障；然后按SB1，若电阻为“∞”，说明短路不在2号；再将SQ2断开，若电阻为“∞”，则说明短路也不在9号；然后将7号断开，若电阻为“0”，则可确定短路故障点在3号和8号。
⑤ 电池灯检修法。电池灯检修时的原理、方法与电阻法一样，测量时电阻为“0”对应电池灯“亮”，电阻为“∞”对应电池灯“灭”。下面以电源间短路故障的检修为例，说明电池灯法检修的应用。
电源间短路故障一般是通过电器的触点或连接导线将电源短路，如图3-26所示。设行程开关SQ中的2号线与0号线因某种原因将电源短路。合上电源，熔断器FU就熔断，说明电源间短路。断开电源，去掉熔断器FU的熔体，将电池灯的两根线分别接到1—0线上，如灯亮，说明电源间短路。依次拆下SQ上的2号线、SQ上的9号线、KM2线圈上的9号线、KM2上的8号线……SB1上的3号线、SQ上的3号线、SQ上的2号线……如果拆到某处时电池灯灭，则该处即为要找的短路点。
图3-26 电源间的短路故障
机床控制线路的故障不是千篇一律的，即便同一故障现象，发生的部位也不尽相同。故应理论与实践密切结合，灵活处理，切不可生搬硬套。故障找出后，应及时进行修理，并进行必要的调试。
实训7 车床、钻床、镗床的故障检修
1．实训目的
① 掌握电笔、万用表等电工工具的正确使用方法。
② 能熟练分析车床、钻床、镗床等常用机床的电气控制线路。
③ 能根据观察到的故障现象正确判断故障范围。
④ 能熟练使用电阻法、电压法等方法排除电气控制线路故障。
2．实训器材
① 机床电路实训装置1台。
② 电工常用工具1套。
3．实训指导
（1）CA6140型车床电气控制系统常见的故障分析。由图3-3可知，车床的电气控制线路主要包括了主轴电动机M1、冷却泵电动机M2和刀架快速移动电动机M3的控制，由于其控制线路非常简单，而且其故障检修不难，因此其故障分析由学员自行完成。
（2）Z3040型摇臂钻床电气控制系统常见的故障分析。Z3040摇臂钻床电气线路比较简单，其电气控制的主要环节是摇臂的运动。摇臂在上升或下降时，其夹紧机构先自动松开，在上升或下降到预定位置后，其夹紧机构又要将摇臂自动夹紧在立柱上，这个工作过程是由电气、机械和液压系统的紧密配合来实现的。所以，在维修调试时，不仅要熟悉摇臂运动的电气过程，而且更要注重掌握机、电、液配合的调整方法和步骤。表3-3所示为Z3040摇臂钻床常见故障分析与处理。
表3-3 Z3040摇臂钻床常见故障分析与处理
故 障 现 象 |
造 成 原 因 |
处 理 方 法 |
|---|---|---|
摇臂不能上升（或下降） |
1．行程开关SQ2不动作或SQ2位置移动 |
1．检查SQ2及安装位置，并予以修复 |
摇臂上升或下降到预定位置后，不能夹紧 |
1．行程开关SQ3安装位置不准确或紧固螺钉松动造成SQ3过早动作 |
1．调动SQ3的动作行程，并紧固好定位螺钉 |
立柱、主轴箱不能夹紧（或松开） |
1．按钮接线脱落、接触器KM4或KM5接触不良 |
1．检查按钮SB5、SB6、KM4或KM5是否良好 |
按下SB6，立柱、主轴箱能夹紧但松开按钮后，立柱、主轴箱即松开 |
1．菱形块或承压块的角度方向错位或距离不适合 |
1．调整菱形块或承压块的角度与距离 |
主轴电动机刚启动运行，熔断器就熔断 |
1．机械机构卡住或钻头卡住 |
1．检查机构或钻头卡住原因 |
（3）T68型镗床电气控制系统常见的故障分析。T68型镗床电气控制系统比较复杂，包括了主电动机M1的点动控制、M1的低速正反转控制、M1的高速正反转控制、M1的正反转停车制动控制、主轴变速控制、进给变速控制和快速移动电动机M2的控制，并且电路的连锁互锁关系又较多，故其故障分析有一定的难度。现就其常见故障分析如下。
① 故障现象：整机不能工作。
故障分析：整机不能工作，首先考虑是否有380 V电源和110 V电源，若都有，就应该检查FU3控制电路熔断器是否熔断以及控制电路是否有断线造成整机不能工作。
故障检查：用万用表交流500 V电压挡分别测量FU1、FU2出线端是否有380 V电压，用万用表交流220 V电压挡检查变压器二次侧是否有110 V交流电压，用万用表100Ω～1kΩ电阻挡检查控制电路是否有触点或导线接触不良等现象，逐个分析排除。
② 故障现象：按下SB2启动按钮KA1不能自锁。
故障分析：11区是KA1中间继电器的电路，按下SB2按钮，KA1线圈能吸合，证明启动电路没有问题，最大可能性是11区的KA1自锁回路出现故障。
故障检查：停电后，用万用表电阻挡检查KA1常开触点及其回路是否接触不良或导线松动、脱落造成开路。
③ 故障现象：按下反转启动按钮SB3，KA2不能吸合，但按下SB2，KA1能吸合。
故障分析：11区、12区是一个中间继电器联锁正反转控制电路，反转不能启动，而正转可以启动，则说明205#线之前没有问题，应该重点检查12区的线路，12区线路包括205#线至208#线至209#线等回路。
故障检查：用万用表电阻挡检查该回路是否良好，应重点检查该回路的SB3能否闭合及KA1常闭触点是否接通。
④ 故障现象：主轴M1不能由低速正转自动变为高速运行（即KM3和KT不得电吸合）。
故障分析：当将机床高、低变速手柄扳至“高速”挡时，13区中行程开关SQ7应闭合，按下11区SB2启动按钮，KA1闭合并自锁，13区、15区的KA1常开触点闭合，此时13区的行程开关SQ3、SQ4的常开触点在正常情况下是压合的，所以KM3和KT线圈应通电闭合。
故障检查：根据以上分析，不工作原因应围绕从205#线—210#线—211#线—212#线—200#线检查，用万用表1kΩ电阻挡对该路进行测量，测量时注意常开触点的闭合和线圈阻值。这种故障一般是行程开关固定螺丝松动，开关压不到位或机床振动使接线端松动造成导线脱落引起的故障。
⑤ 故障现象：按下SB4按钮，正向点动没有工作。
故障分析：根据原理图可知，点动电源是205#线提供到14区的SB4按钮上方的。如果按下SB5，反向点动也不工作，则故障可能出现在点动电路的公共线上；如果按下SB5，反向点动能工作，则故障可能就在KM1线圈至SB4点动按钮回路上。
故障检查：用万用表电阻挡进行测量，测量时应考虑电路可能产生的寄生回路。
⑥ 故障现象：主轴正转不能制动。
故障分析：当主轴电动机M1处于正向高速或低速运行达到120 r/min时，速度继电器在16区的SR2常开触点闭合，为反接制动作好准备。主轴制动时，按下SB1制动停止按钮，SB1常闭触点断开，使KA1线圈失电释放，它的13区、14区常开触点断开，切断KM3、KM1线圈电源，16区的KM1常闭触点闭合为KM2制动作好准备。当SB1常开触点闭合时，接通KM2线圈电源而实现制动。
故障检查：根据以上分析思路，可用万用表电阻挡逐个排除线路故障，也可采用电压分段测量法或电阻分段测量法进行检测。
⑦ 故障现象：主轴反转不能停车制动控制。
故障分析：参照上述方法进行分析，也可参考“控制电路分析”中的有关部分。
故障检查：可用电压分段测量法，也可用电阻分段测量法，如果对电路熟悉也可采用局部短接法进行故障检查，缩小故障范围。
⑧ 故障现象：进给变速控制正常，但变速不能啮合。
故障分析：选择新的变速后将进给变速手柄推回原位过程中不能啮合，卡住手柄时，14区的进给变速行程开关SQ5被压合，KM1线圈应得电吸合。17区的KM4得电吸合，主轴电动机低速串电阻正转启动，当转速达到120 r/min时，14区的SR2常闭触点断开，16区的SR2常开触点又闭合，KM2线圈得电，M1进行正转反接制动；当转速减至100 r/min时，14区SR2常闭触点又复位闭合，主轴电动机又正转启动，如此反复，直到变速齿轮啮合好为止。变速手柄压回原位，SQ5断开，切断变速冲动电路，SQ4行程开关重新被压合，这时KM3、KM1、KM5线圈得电，完成进给变速控制。
故障检查：根据以上工作原理，用万用表检查该控制回路，可采用电压法、电阻法或短接法进行分段检查，逐个查找故障。
⑨ 故障现象：正向不能快速移动。
故障分析：快速移动电动机M2的控制电路在19区和20区，快速操作手柄控制SQ9和SQ8行程开关，实现正转和反转，它不受SB1的控制。如不能正向快速移动一般是203# 线—19区的226#线—227#线—228#线回路出现导线脱落、松动、断线或电器元件触点接触不良所造成。
故障检查：可用电压分段测量法，也可用电阻分段测量法。
4．故障检修
① 按图3-3（或图3-5、图3-7）所示线路图连接电路。
② 在教师监护下完成相应机床的调试运行，且运行正常。
③ 教师通过手动设置装置或电脑软件设置故障并示范检修。
机床通电，按下相应按钮，引导学员观察故障现象。
根据故障现象，依据电路图用逻辑分析法分析并确定故障范围。
采用正确的检查方法，查找故障点并排除故障。
检修完毕，进行通电试验，并做好维修记录。
④ 教师通过手动设置装置或电脑软件设置故障点，故障设置原则如下。
不能设置主电路短路故障、机床带电故障，以免造成人身死亡事故。
不能设置一接通总电源开关电动机就启动运行的故障，以免造成人身和设备事故。
不能设置损坏电气设备和电器元件的故障。
在初次进行训练时，不要设置调换导线这类难度大的故障，以免增加分析难度。
⑤ 学员动手排除故障，要求如下。
学员应根据故障现象，先在原理图上标出最小故障范围。
采用正确的检查方法在规定时间内找到故障点，并写出处理方法。
找到故障点后不要排除故障，更不要更换元件和导线，只要在电脑上输入故障编号，该编号故障即排除恢复正常状态。
查找故障时，严禁扩大故障范围或产生新的故障。
⑥ 教师可以通过电脑评定成绩，也可以按表3-4所示评定成绩。
表3-4 机床电路故障检修成绩评定表
| 考核项目 | 配分 | 评分标准 | 扣分 | 得分 | 备注 |
|---|---|---|---|---|---|
| 故障分析 | 30 |
1．排除故障前不进行调查研究扣5分 2．检修思路不正确扣10分 3．标不出故障点、线或位置错误，每个扣10分，所标范围太广者扣5～10分 |
|||
| 故障检查 （主电路1个，控制电路3个，共4个故障点） | 50分 |
1．切断电源后不验电者每次扣5分 2．使用工具、仪表不正确者每次扣5分 3．检查故障的方法不正确者扣10分 4．少查出故障每个扣10分 5．检修中扩大故障范围者扣10分 6．损坏电器元件者每个扣10分 7．检修时试车不正确者每次扣10分 |
|||
| 故障处理 | 20分 | 未写故障处理意见或不正确者每个扣5分 | |||
| 安全文明生产 | 违反安全文明生产者扣5～40分（包括使用安全防护用具、恢复现场、丢失工具、出现短路、出现触电、影响考试正常进行等不良行为） | ||||
| 工时 | 故障查找在1h内完成，每超1～5min扣5分，最多不超过10min | ||||
| 备注 | 每项扣分最高不超过该项配分 | ||||
思考题
1．简述电气控制系统的一般分析原则。
2．在图3-3所示电路中，9区的KM2线圈前面串联KM1辅助常开触点的作用是什么？
3．Z3040摇臂钻床在摇臂升降过程中，液压泵电动机M3与摇臂升降电动机M2应如何配合工作？请以摇臂下降为例分析电路的工作情况。
4．在Z3040摇臂钻床的控制电路中，行程开关SQ1～SQ4各有何作用？
5．在图3-7所示电路中，在KM1正常运行时，点动控制有效吗？并给出理由。
6．在图3-7所示电路中，行程开关SQ1～SQ9的作用是什么？
7．在图3-7所示电路中，使用了哪些联锁和保护环节？
8．在电气控制系统设计中要遵循哪些基本原则？
9．电气元件布置图设计的依据是什么？
10．电气控制线路检修时常用的工具有哪些？常用的方法又有哪些？
11．对照图3-5所示电路分析Z3040摇臂钻床的摇臂不能上升的原因。
12．对照图3-7所示电路分析T68镗床不能进给变速的原因。
京公网安备 11010602100287
