任务一　机床电源电路设计与连接

一、数控机床电柜设计规范

在设计数控机床电柜时，必须充分考虑电柜运输和使用的环境条件。另外，还要考虑减少对CRT屏幕的电磁干扰，防噪声和方便维修。

数控机床电柜柜体要求达到IP54的防护等级。IP防护等级使用2个标记数字，例如，IP54中的IP是标记字母，5是第1个标记数字，4是第2个标记数字。IP54的防护等级见表2-1-1。

在设计电柜时，电柜所有开孔均需考虑密封情况，常用的密封元件如图2-1-1所示。

1.设计电柜

①设计电柜时，需保证电柜内的温度上升时，柜内和柜外的温度差不超过10℃。

②封闭的电柜必须安装风扇（或空调等换气冷却装置），以保证内部空气循环。正确的空调安装方式如图2-1-2所示。

③带有散热片的模块式放大器，应尽量将散热片隔离安装。散热片安装方式及防护如图2-1-3所示。

2.降低噪声

设计电柜时必须考虑尽量降低噪声，并且防止噪声向CNC单元传送。设计柜体时需考虑元件的布局情况，尽量减少元件之间相互干扰的情况。

①元件在电柜内部的安装和排列，必须考虑检查和维修的方便，元件分交、直流布置、走线尽量做到交、直流分离，因此要在设计柜体时充分考虑各元件安装情况。

②如果有电磁辐射的元件（如变压器、风扇风机、电磁接触器、线圈和继电器）安装在显示器附近，它们经常会干扰显示器的显示。电磁元件固定位置和显示器之间的距离小于300mm时，可以通过调整电磁元件的方向来降低对屏幕显示的影响。

③柜体设计时充分考虑柜体接地策略，预先设计好接地点。

电柜制作要求首先能够为柜内电气设备提供一个可靠的保护箱体，同时必须拥有良好的接地。电柜制作时一般采用铜质螺柱，电柜的柜门全部焊有接地桩，取代过去的接地螺栓，以解决以前“准绝缘”螺栓的问题。接地实例如图2-1-4所示。

二、常用电气元件

1.低压电器选型的一般原则

①低压电器的额定电压应不小于回路的工作电压，即U_e≥U_g。

②低压电器的额定电流应不小于回路的计算工作电流，即I_e≥I_g。

③设备的截断电流应不小于短路电流，即I_zh≥I_ch。

④热稳定保证值应不小于计算值。

⑤按回路启动情况选择低压电器。如熔断器和自动空气开关，就需要按启动情况进行选择。

2.断路器

低压断路器主要用于过载保护、短路保护、欠压保护，下面介绍常用的两种低压断路器。

（1）塑料外壳式断路器

机床常用DZ10、DZ15、DZ5-20、DZ5-50等系列塑料外壳式断路器（以下简称断路器），用于交流电压500V以下、直流电压220V以下、不频繁接通和断开的电路，塑料外壳式断路器外形及图形符号和文字符号如图2-1-5所示。

（2）小型断路器

小型断路器主要用于照明配电系统和控制回路，其外形如图2-1-6所示。

3.接触器

接触器用来接通和断开负载，与热继电器组合，保护运行中的电气设备；与继电控制回路组合，远控或联锁相关电气设备。

选择接触器时应从其工作条件出发，控制交流负载应选用交流接触器，控制直流负载则应选用直流接触器。主触点的额定工作电流应大于或等于负载电路的电流；吸引线圈的额定电压应与控制回路电压相一致，接触器在线圈额定电压达到85％及以上时应能可靠地吸合。

常用接触器外形及图形符号和文字符号如图2-1-7所示。

4.继电器

继电器用来接通和断开控制电路，主要依据被控制电路的电压等级，以及触点的数量、种类及容量来选用。

①线圈的电流种类和电压等级应与控制电路一致。如数控机床的控制电路采用直流24V供电，则继电器应选择线圈额定电压为24V的直流继电器。

②按控制电路的要求选择触点的类型（是动合还是动断）和数量。

③继电器的触点电压应大于或等于被控制电路的电压。

④继电器的触点电流应大于或等于被控制电路的电流，若是电感性负载，则应降低到额定电流50％以下使用。

总之，实际继电器型号的选用，要以厂商提供的规格为参考依据，再考虑负载的阻抗是否有浪涌电流，保留一定的余量。

常用继电器外形及图形符号和文字符号如图2-1-8所示。

5.开关电源

开关电源在电气线路设计中的合理使用非常重要，原则上系统的输入、输出用电源，都要尽可能采用不同的电源，即每台机床至少有两个开关电源：一个供系统、I/O单元模块、面板、光栅接口及输入X地址使用；另一个给输出Y（DOCOM）地址提供电源，驱动柜内或机床外围元件。不要简单地增加电源容量，严禁电源并联使用。

开关电源有以下参数需在选型时注意。

①开关电源的安装方式，可选择导轨安装或直接固定。

②温度范围有三个参数：工作温度、满载温度及存储温度，需要根据现场工作环境进行选择。

③输入电压及频率范围：一般输入交流电压110～240V、50～60Hz，也有直流输入规格，如有特殊需要可根据样本进行选择。

④不同输入状态下可获得不同的输出电压范围。额定输出电流根据负载情况决定，为保证负载稳定运转，电源容量需有一定裕量，同时基于节能考虑，当使用一个电源带多个负载回路时，要清楚负载回路的时序，选择电源容量大于联动负载最高值即可满足。

⑤推荐使用外部直流24V电源（稳压电源）：输出电压范围为+24×（1±10％）V。

⑥负载的波动（包括突变电流）：由于外部输出或其他因素使负载波动时，输出电压波动不要超出允许范围。允许的输入瞬间中断持续时间（供参考）如下：

10ms（输入幅值下降100％时）；

20ms（输入幅值下降50％时）。

在数控机床上常用两种变压器：机床控制变压器和三相伺服变压器。两种变压器外形如图2-1-9所示。

机床控制变压器适用于交流50～60Hz、输入电压不超过660V的电路，作为各类机床、机械设备等一般电器的控制电源，以及步进电机驱动器、局部照明及指示灯的电源。三相伺服变压器主要用于数控机床中交流伺服电机电压与电网电压的匹配。

三、元器件的分布与设计参考

1.元器件的布局

对于元器件的分布，一般依据以下原则进行布局。

①通过强电流和弱电流的元器件尽量分开。

②同一类元器件尽量紧靠安装，例如，断路器和断路器安装在一起，继电器和继电器安装在一起，接线端子排尽量布置在一排。

③查看元器件的规格说明书，检查是否有对空间和环境的特殊要求。

④元器件布局时，必须要考虑到布线简洁、方便，节约成本且维修方便。

⑤电气设备应有足够的电气间隙，以保证设备安全、可靠地工作。

⑥电气元器件及其组装板的安装结构，应尽量考虑方便正面拆装。如有可能，元器件的安装紧固件应能在正面紧固及松脱。

⑦各电气元器件应能单独拆装更换，从而不影响其他元器件及导线的固定。

⑧发热元器件宜安装在散热良好的地方，两个发热元器件之间的连线，应采用耐热导线或裸铜线套瓷管。

⑨电阻器等电热元器件一般应安装在箱子的上方，安装方向及位置应有利于散热，并尽量减少对其他元器件的热影响。

⑩柜内的PLC等电子元器件的布置要尽量远离主回路、开关电源，以及变压器不得直接放置或靠近柜内其他发热元器件的对流方向。

主令操作电气元器件及整体电气元器件的布置，应避免由于偶然触及手柄、按钮而误动作或动作值变动。

系统或不同工作电压电路的熔断器应分开布置。

熔断器、使用中易于损坏的元器件、偶尔需要调整及复位的零件，应不经拆卸其他部件便可以接近，以便于更换及调整。

元器件排布应考虑到元器件的布置对线路走向和合理性的影响。如大截面导线转弯半径，强、弱电元器件之间的放置距离，发热元器件的方向布置等，这些都是排布时必须综合考虑的问题。

2.元器件布局的设计

电柜的设计、电气线路的设计是影响数控机床可靠性的最重要因素，设计的先天缺陷对产品的可靠性影响非常大，有时是无法补救的。一定要尽量在设计中避免上述问题出现，不要等出现问题再去补救，那样费时费力，而且会对厂家的信誉产生影响。

本案例将对ZTXX30A型数控铣床各电源回路，从以下几个角度进行分析。

①所需电源的类型。

②所需电源控制元器件的选型依据及相关的技术指标。

机床所采用的元器件清单详见表2-1-2。

图2-1-10所示的电源电路，其功能是将进线三相380V电源L1、L2、L3，通过QF1后，得到ZTXX30A电气控制柜的三相380V电源1L1、1L2、1L3，根据机床中所有功能部件的功率需求，QF1的额定电流选择60A。

图2-1-11所示的电源电路，其功能是机床动力电源1L1、1L2、1L3，通过伺服变压器TM1，转换成三相220V伺服驱动电源RST，以及在后续电路中所需的220V电源RS。根据伺服驱动电源模块及需要200V电压的元器件的要求（20kV·A），所采用的伺服变压器型号见表2-1-3。

伺服驱动电源RST通过空气开关QF9，为主轴进给驱动模块βiSVSP 20/20/40-11提供控制电源，接入CX38端的L1、L2、L3上，同时伺服驱动电源RST通过空气开关QF10，为主轴进给驱动模块βiSVSP 20/20/40-11提供动力电源，接入TB1端的L1、L2、L3上。

如图2-1-12所示，机床控制用220V电源（107、108）给开关电源GS1和GS2供电，GS1和GS2提供直流24V控制电源，其中，GS1控制系统、继电器电源，GS2控制电磁阀、警示灯电源。由于使用24V电源的控制器件较多，需要经过接线柱进线分线接出。根据直流24V控制电源功率的要求，开关电源选用型号见表2-1-4。

根据系统对电源的需求，选择保护空气开关QF7和QF8。

四、典型数控机床电柜布局

典型数控机床电柜布局如图2-1-13所示。

五、训练

1.训练目的

①掌握数控机床电源电路设计的方法。

②掌握数控机床电源电路元器件选择方法。

2.训练项目

将电源回路的主要电气元器件填入表2-1-5，并设计电柜的布局，可以视情况扩展表格。