1.1 数控机床常用低压电器

1.1.1 低压电器概述

从图1-1中可以看出，数控机床的电气柜由各种不同作用的电气装置和电气元件组成。其中，数量最多的就是图（b）所示的低压电器元件。

电器是指对电能的生产、输送、分配和使用起控制、调节、检测、转换及保护作用的电工器械。

低压电器是指工作在交流50Hz、额定电压1200V，或直流电压1500V及以下的电路中起通断、保护、控制或调节作用的电器。

1.低压电器的分类

（1）按用途分类。

① 控制电器：用于各种控制电路和控制系统的电器，如接触器、继电器等。

② 主令电器：用于自动控制系统中发送控制指令的电器，如按钮、行程开关等。

③ 保护电器：用于保护电路及用电设备的电器，如熔断器、热继电器等。

④ 配电电器：用于电能的输送和分配的电器，如低压断路器、隔离器等。

⑤ 执行电器：用于完成某种动作或传动功能的电器，如电磁铁、电磁离合器等。

（2）按工作原理分类。

① 电磁式电器：依据电磁感应原理来工作的电器，如交直流接触器。

② 非电量控制电器：电器的工作是靠外力或某种非电物理量的变化而动作的电器，如按钮、压力继电器等。

（3）按执行机能分类。

① 有触点电器：利用触点的接触和分离来通断电路的电器，如接触器、继电器等。

② 无触点电器：利用电子电路发出检测信号，达到执行指令并控制电路目的的电器，如电子接近开关等。

2.电磁式低压电器的基本结构

电磁式低压电器大多由电磁机构、执行部分及灭弧机构3部分构成。

（1）电磁机构。电磁机构的主要作用是将电磁能量转换成机械能量，带动触点动作，从而完成接通或分断电路的功能。电磁机构由吸引线圈、铁芯和衔铁3 个基本部分组成。常用的电磁机构如图1-4所示，可分为3种形式。

按吸引线圈所通电流性质的不同，电磁机构可分为直流电磁机构和交流电磁机构。

直流电磁机构通入的是直流电，其铁芯不发热，只有线圈发热，为使线圈与铁芯接触时更利于散热，将线圈做成无骨架、高而薄的瘦高形，从而改善线圈自身散热。铁芯和衔铁由软钢和工程纯铁制成。

交流电磁机构通入的是交流电，铁芯中存在磁滞损耗和涡流损耗，线圈和铁芯都发热，故交流电磁机构的吸引线圈有骨架，使铁芯与线圈隔离并将线圈制成短而厚的矮胖形，以利于铁芯和线圈散热。铁芯用硅钢片叠加而成，以减小涡流。

（2）执行部分。电器的执行部分就是触点系统，起接通和分断电路的作用。触点主要有两种结构形式：桥式触点和指形触点，如图1-5所示。

（3）灭弧机构。在大气中分断电路时，电场的存在使触点表面的大量电子逸出从而产生电弧。电弧会产生大量热能。电弧的存在既烧蚀触点金属表面，降低电器的使用寿命，又延长了电路的分断时间，所以必须迅速把电弧熄灭。常用的灭弧方法有以下几种。

① 机械灭弧：通过机械装置将电弧迅速拉长，如图1-6（a）所示，多用于开关电器中。

② 磁吹灭弧：在一个与触点串联的磁吹线圈产生的磁场作用下，电弧受磁场力的作用而拉长，被吹入由固体介质构成的灭弧罩内，与固体介质相接触，电弧因被冷却而熄灭。

③ 窄缝灭弧：这种灭弧方法是借助灭弧罩上的窄缝来完成灭弧任务的。灭弧罩上有许多窄缝，上窄下宽，当触点断开时，电弧在电动力的作用下进入窄缝内，加快熄弧。

④ 栅片灭弧：熄弧栅片由镀铜薄钢片制成，位于触点上方，各片间相互绝缘。当触点分断电路产生电弧时，栅片能将电弧分为若干段，每段电压不足以维持起弧，且熄弧栅片有冷却作用，电弧可迅速熄灭，如图1-6（b）所示。

1.1.2 数控机床中常用低压电器介绍

1.低压断路器

低压断路器也称自动空气开关，用于电动机和其他用电设备的电路中，在正常情况下，它可以分断和接通工作电流；当电路发生过载、短路、失压等故障时，它能自动切断故障电路，有效地保护串接于它后面的电气设备；还可用于不频繁地接通、分断负荷的电路，控制电动机的运行和停止。低压断路器的功能相当于闸刀开关、过电流继电器、热继电器及漏电保护电器等电气部分或全部功能的总和，是低压配电网中一种重要的保护电器，目前被广泛应用。低压断路器的外形如图1-7所示。图1-8所示为低压断路器的图形及文字符号。

1）低压断路器的基本结构

低压断路器主要由触点系统与灭弧装置、脱扣器、操作机构与脱扣机构3部分组成。

（1）触点系统与灭弧装置。触点系统用于接通和分断主电路。为了加强灭弧能力，在主触点处装有灭弧装置。

（2）脱扣器。脱扣器是低压断路器的感测元件，当电路出现故障时，脱扣器收到信号后，经脱扣机构动作，使触点分断。脱扣器包括过流脱扣器、过载脱扣器、欠压（失压）脱扣器和热脱扣器等类型。

（3）操作机构与脱扣机构。操作机构与脱扣机构是低压断路器的机械传动部件，当脱扣机构接收到信号后由断路器切断电路。

2）低压断路器的工作原理

低压断路器的主触点靠操作机构手动或电动合闸。主触点闭合后，自由脱扣机构的锁钩将主触点锁在合闸位置上。过流脱扣器的线圈和过载脱扣器的热元件与主电路串联，欠压脱扣器的线圈和电源并联。当电路发生短路时，过流脱扣器的衔铁被吸合，使自由脱扣机构的锁钩脱开，主触点断开。当电路过载时，过载脱扣器的热元件发热使双金属片弯曲，推动自由脱扣机构动作。当电路欠电压时，欠压脱扣器的衔铁被释放，也使自由脱扣机构动作，使断路器触点分离，从而在过流、过载、欠压时保证了电路及电路中设备的安全。如图1-9所示为低压断路器的工作原理示意图。

3）低压断路器的主要技术参数

低压断路器的主要技术参数有额定电压、额定电流、额定短路分断能力等。

4）低压断路器的选择原则

低压断路器的选择应从以下几方面考虑。

（1）断路器类型的选择应根据使用场合和保护要求来选择。一般选用塑壳式；短路电流很大时选用限流型；额定电流比较大或有选择性保护要求的要选框架式；控制和保护含半导体器件的直流电路选直流快速断路器等。

（2）断路器的额定电压、额定电流应大于或等于线路和设备的正常工作电压、工作电流。

（3）断路器的极限通断能力应大于或等于电路最大短路电流。

（4）欠电压脱扣器的额定电压应等于线路额定电压。

（5）过电流脱扣器的额定电流应大于或等于线路的最大负载电流。

2.接触器

接触器是用来频繁接通和断开交、直流主电路和大容量控制电路的电器，它不仅具有远程控制的功能，还具有低电压释放保护功能，是电力拖动控制系统中最重要也是最常用的控制电器。接触器由于成本低廉、用途广泛，所以在各类低压电器中，它是生产量最大、使用面最广的一种产品。据统计，电力系统的能量有一半以上通过接触器分配到各种受电器（如电动机、电热设备、电焊机、电容器组等），但接触器最主要的用途还是控制电动机，在数控机床上，它除了被用来控制液压、冷却、润滑及刀架转动等辅助运动的电动机外，还被用来接通或断开主轴控制器及伺服控制器的供电线路。接触器分为交流接触器和直流接触器。机床控制上以交流接触器应用最为广泛，其外形如图1-10所示。

1）交流接触器的结构及工作原理

交流接触器主要由电磁机构、触点系统、灭弧机构、复位弹簧装置、支架与底座等几部分构成。

当接触器的电磁线圈通电后，在衔铁气隙处产生电磁吸力，使衔铁吸合。由于主触点支持件与衔铁固定在一起，衔铁吸合带动主触点也闭合，接通主电路。与此同时，衔铁还带动辅助触点动作，使动合触点闭合，动断触点断开。

当线圈断电或电压显著降低时，电磁吸力消失或变小，衔铁在复位弹簧的作用下打开，使主、辅触点恢复到原来的状态，把电路切断。

交流接触器用于远距离控制电压380V以下、电流600A以下的交流电路，以及频繁启动、制动的交流电动机的控制电路。CJ20 系列交流接触器的结构如图1-11 所示，上部是主、辅触点和灭弧装置，下部是电磁机构。

CJ20系列交流接触器的主触点均做成三极，辅助触点则为两动合两动断形式。此系列交流接触器常用于控制笼型电动机的启动和运转。

常用的交流接触器产品，国内有CJ0、CJ12、CJ10X、CJ20、CJX1、CJX2等系列；引进国外技术生产的有B系列、3TB、3TD、LC—D等系列。

2）接触器的图形符号及文字符号

接触器的图形符号及文字符号如图1-12所示。

3）接触器的选用

接触器使用广泛，为了使其在不同的使用条件下正常工作，必须根据以下原则正确选用接触器，使其技术指标满足被控电路的要求。

（1）选择接触器的类型。控制交流负载应选用交流接触器，控制直流负载应选用直流接触器。

（2）接触器的使用类别应与负载性质相一致。交流接触器按使用类别分为12 种，使用类别代号和相应典型用途举例如表1-1所示。

（3）主触点的额定电压应大于或等于负载回路的额定电压。

（4）主触点的额定电流应大于或等于负载的额定电流。

（5）吸引线圈的电流种类和额定电压应与控制回路相一致，接触器在线圈额定电压85%及以上时应能可靠吸合。

（6）接触器的主触点和辅助触点的数量应满足控制系统的要求。

3.继电器

继电器是一种利用电流、电压、时间、温度等信号的变化来接通或断开所控制的电路，以实现自动控制或完成保护任务的自动电器。继电器和接触器的工作原理相似，主要区别在于，接触器的主触点可以通过大电流，而继电器的触点只能通过小电流，所以继电器只能用于控制电路中。下面主要介绍3种类型的继电器。

1）电磁式继电器

电磁式继电器的结构和工作原理与电磁式接触器相似，也是由电磁机构、触点系统和复位弹簧等部分组成的。电磁机构由线圈、铁芯、衔铁组成；触点系统由于其触点都接在控制电路中且电流小，故不装设灭弧装置。它的触点一般为桥式触点，有动合和动断两种形式。根据外来信号使衔铁产生闭合动作，从而带动触点动作，使控制电路接通或断开，实现控制电路的状态改变。

电磁式继电器具有以下几种类型。

（1）电流继电器。电流继电器是根据输入电流大小而动作的继电器。使用时，电流继电器的线圈和被保护的设备串联，其线圈匝数少而线径粗、阻抗小、分压小，不影响电路正常工作。电流继电器按用途分为过电流继电器和欠电流继电器。

① 过电流继电器在电路正常工作时不动作，整定范围通常为额定电流的1.1～3.5 倍。当被保护线路的电流高于额定值，并达到过电流继电器的整定值时，衔铁吸合，触点机构动作，控制电路失电，从而控制接触器及时分断电路，对电路起过流保护作用。

② 欠电流继电器用于欠电流保护，在电路正常工作时，欠电流继电器的衔铁是吸合的，其动合触点闭合，动断触点断开。只有当电流降低到某一整定值时，衔铁释放，控制电路失电，从而及时分断，起到保护电路的作用。

（2）电压继电器。电压继电器是根据输入电压大小而动作的继电器。使用时，电压继电器的线圈与负载并联，其线圈匝数多而线径细。按吸合电压的大小，电压继电器可分为过电压继电器和欠电压继电器。

① 过电压继电器用于线路的过电压保护，当被保护的电路电压正常时衔铁不动作，当被保护电路的电压高于额定值，达到过电压继电器的整定值时，衔铁吸合，触点机构动作，控制电路失电，控制接触器及时分断被保护电路。

② 欠电压继电器用于电路的欠电压保护，其释放整定值为电路额定电压的0.1～0.6倍。当被保护电路电压正常时衔铁可靠吸合，当被保护电路电压降至欠电压继电器的释放整定值时，衔铁释放，触点机构复位，控制接触器及时分断被保护电路。

（3）中间继电器。中间继电器在结构上是一个电压继电器。它在控制电路中起信号传递、放大、翻转和分离作用。它输入的是线圈的通电或断电信号，输出信号为触点的动作。它的触点数量较多，各触点的额定电流相同。

中间继电器由线圈、衔铁、铁芯、触点系统、反作用弹簧和缓冲弹簧等组成。中间继电器在数控机床上的应用非常广泛，其线圈得电与否主要受机床可编程序控制器输出信号的控制。

中间继电器的图形符号和文字符号如图1-13所示。

2）热继电器

热继电器是一种利用电流的热效应来切断电路的保护电器。专门用来对连续运转的电动机进行过载及断相保护，以防电动机过热而烧毁。按相数分为两相热继电器和三相热继电器。

（1）热继电器的结构、图形符号及文字符号。热继电器由热元件、触点系统、动作机构、复位机构、整定电流装置和温度补偿元件等器件组成。两相及三相热继电器JR10和JR16的外形与结构如图1-14所示。

热继电器的热元件有两相结构和三相结构，是热继电器的测量元件，它主要由双金属片和绕在其外面的电阻丝组成。双金属片是由两种热膨胀系数不同的金属片（如铁镍合金）复合而成的，膨胀系数大的称为主动层，膨胀系数小的称为被动层。双金属片受热后产生膨胀，由于膨胀系数不同，双金属片向被动层一侧弯曲，推动机构带动触点动作。电阻丝常用康铜、镍铬合金等材料制成，它串接于电动机的电路中。热继电器的图形符号及文字符号如图1-15所示。

（2）热继电器的工作原理。热继电器是用来保护电动机使之免受长期过载危害的继电器。热继电器利用电流的热效应而动作，其工作原理如图1-16所示。图中的热元件是一段电阻不大的电阻丝，接在电动机主电路中的双金属片由两种具有不同热膨胀系数的金属采用热压力辗压而成，也可采用冷结合，其中，下层金属的膨胀系数大，上层金属的膨胀系数小。当主电路中的电流超过允许值时，双金属片受热向上弯曲致使脱扣，扣板在弹簧的拉力作用下将动断触点断开。触点是接在电动机的控制电路中的，控制电路断开使接触器的线圈断电，从而断开电动机的主电路。

由于热惯性，热继电器不能作短路保护，因为发生短路事故时，要求电路立即断开，而热继电器是不能立即动作的。但是在电动机启动或短时过载时，这个热惯性又是合乎要求的，由于热惯性热继电器不会动作，这可避免电动机的不必要的停车。如果要热继电器复位，按下复位按钮即可。

3）时间继电器

时间继电器是从得到输入信号（线圈通电或断电）起，经过一段时间延时后触点才动作的继电器，用于定时控制。按延时方式不同分为通电延时型和断电延时型两种。

时间继电器的文字符号及图形符号如图1-17所示。

数控机床中一般由计算机软件实现时间控制，而不采用时间继电器方式来进行控制。

4.熔断器

1）熔断器的结构及工作原理

熔断器主要由熔体（俗称保险丝）和安装熔体的熔管（或熔座）组成。熔断器的熔体与被保护的电路串联，当电路正常工作时，熔体允许通过一定大小的电流而不熔断；当电路发生短路或严重过载时，熔体中流过很大的故障电流，当电流产生的热量使熔体温度升高达到熔点时，熔体熔断并切断电路，从而达到保护电路的作用。

熔断器的保护特性是指熔体熔断的电流值与熔断时间的关系，如图1-18 所示，也称熔断器的安-秒特性。图中，IfN为最小熔化电流或称临界电流，即通过熔体的电流小于此电流时熔体不会熔断，所以选择的熔体额定电流I应小于IfN。

2）熔断器的分类

熔断器的类型很多，按结构形式可分为插入式熔断器、螺旋式熔断器、封闭管式熔断器、快速熔断器和自复式熔断器等。熔断器的外形如图1-19所示，其图形符号及文字符号如图1-20所示。

3）熔断器的选择

选择熔断器主要考虑熔断器的种类、额定电压、额定电流和熔体额定电流等。

熔断器的额定电压应大于或等于实际电路的工作电压。熔体的额定电流是选择熔断器的主要任务，具体有下列几条原则。

（1）电路上、下两级都装设熔断器时，为使两级保护相互配合良好，两级熔体额定电流的比值不小于1.6 : 1。

（2）对于照明线路或电阻炉等没有冲击性电流的负载，熔体的额定电流应大于或等于电路的工作电流，即

IfN≥Ie

式中，IfN——熔体的额定电流；

Ie——电路的工作电流。

（3）保护一台异步电动机时，考虑电动机冲击电流的影响，熔体的额定电流按下式计算：

IfN≥(1.5～2.5)IN

式中，IN——电动机的额定电流。

（4）保护多台异步电动机时，若各台电动机不同时启动，则应按下式计算：

IfN≥(1.5～2.5)INmax+∑IN

式中，INmax——容量最大的一台电动机的额定电流；

∑IN——其余电动机额定电流的总和。

5.主令电器

主令电器是在自动控制系统中发出指令或信号的电器，用来控制接触器、继电器或其他电器线圈，使电路接通或分断，从而达到控制生产机械的目的。

主令电器应用广泛，种类繁多，按其作用可分为按钮、行程开关、接近开关、万能转换开关、主令控制器及其他主令电器（如脚踏开关、钮子开关、紧急开关）等。

1）按钮

按钮是一种结构简单、应用广泛的主令电器。在低压控制电路中，用于手动发出控制信号，短时接通和断开小电流的控制电路。按钮也常作为可编程序控制器的输入信号元件。

按钮的结构示意图如图1-21 所示。一般由按钮帽、复位弹簧、桥式动静触点和外壳等组成。按钮常为复合式，即同时具有动合、动断触点。按下按钮帽时，动断触点先断开，然后动合触点闭合，即先断后合。去掉外力后，在复位弹簧的作用下，动合触点断开，动断触点复位。

按钮的结构形式分为按钮式、紧急式、旋钮式及钥匙式等，还有带指示灯和不带指示灯的，带指示灯的按钮帽用透明塑料制成，兼作指示灯罩。

常见按钮的外形及结构如图1-22所示，按钮的图形符号和文字符号如图1-23所示。

按钮类型的选择应根据使用场合和具体用途确定，国标GB5226—1985对按钮颜色做了如下规定。

（1）“停止”和“急停”按钮必须是红色。当按下红色按钮时，必须使设备停止工作或断电。

（2）“启动”按钮的颜色是绿色。

（3）“启动”与“停止”交替动作的按钮必须是黑色、白色或灰色，不得用红色和绿色。

（4）“点动”按钮必须是黑色。

（5）“复位”按钮（如保护继电器的复位按钮）必须是蓝色。当复位按钮还具有停止的作用时，则必须是红色。

选用按钮时，应考虑所需要的触点对数、动作要求、是否需要带指示灯、使用场合及颜色等要求。

2）行程开关和接近开关

（1）行程开关又称位置开关或限位开关。它的作用与按钮相同，只是其触点的动作不是靠手动操作，而是利用生产机械某些运动部件上的挡铁碰撞其滚轮使触点动作来实现接通或分断电路。行程开关的图形符号及文字符号如图1-24所示。

行程开关主要由操作机构、触点系统和外壳3部分组成。行程开关的外形及结构如图1-25所示。

在选择行程开关时，应根据被控电路的特点、要求、生产现场条件和触点数量等因素进行综合考虑。

（2）接近开关是一种非接触式的、无触点行程开关。当运动着的物体接近它到一定距离内时，它能发出信号，从而进行相应的操作。接近开关不仅能代替有触点行程开关来完成行程控制和限位保护，还可用于高频计数、测速、液面检测、检测零件尺寸、加工程序的自动衔接等。由于它具有无机械磨损、工作稳定可靠、寿命长、重复定位精度高、能适应恶劣的工作环境等特点，所以在工业生产方面已逐渐得到推广和应用。

接近开关有电感式和电容式两种。电感式接近开关的感应头是一个具有铁氧体磁芯的电感线圈，只能用于检测金属体。振荡器在感应头表面产生一个交变磁场，当金属块接近感应头时，金属中产生的涡流吸收了振荡的能量，使振荡减弱至停振，因而存在振荡和停振两种信号，经整形放大器转换成二进制的开关信号，从而起到“开”、“关”的控制作用。

常见的接近开关的外形如图1-26所示，接近开关的图形符号及文字符号如图1-27所示。

3）万能转换开关

万能转换开关是一种多挡式、控制多回路的主令电器，一般可作为多种配电装置的远距离控制，也可作为电压表、电流表的换相开关，还可作为小容量电动机的启动、制动、调速及正反向转换的控制。其触点挡数多、换接线路多、用途广泛，故有“万能”之称。

万能转换开关主要由操作机构、面板、手柄及数个触点座等部件组成，并用螺栓组装成为一个整体，其外形如图1-28所示。万能转换开关的结构原理图及电气符号如图1-29所示。图1-29（b）中垂直方向的数字1～3 表示触点编号，水平方向的文字“左”、“0”、“右”表示手柄的操作位置（挡位），虚线表示手柄操作的联动线。在不同的操作位置，各对触点的通、断状态的表示方法为：在触点的下方与虚线相交位置有黑色圆点的表示在对应操作位置时触点接通，未涂黑色圆点的表示在该操作位置不接通。

6.变压器

变压器是一种利用电磁感应原理来改变交流电压的装置。

1）机床控制变压器

机床控制变压器适用于频率为50～60Hz、输入电压不超过交流600V的电路，常作为各类机床及机械设备中一般电器的控制电源和步进电动机驱动器、局部照明及指示灯的电源。机床控制变压器的外形如图1-30所示。

2）三相变压器

在三相交流系统中，三相电压的变换一般采用三相变压器来实现。在数控机床中三相变压器主要是给伺服系统供电。如图1-31 所示为伺服系统三相变压器。变压器的图形符号及文字符号如图1-32所示。

3）变压器的选择

机床常用的控制变压器型号有JBK系列、BK系列等。

变压器的主要参数有初级电压和次级电压。选择变压器的具体原则如下所述。

（1）根据实际负载情况选择初级额定电压U1，再选择次级额定电压U2、U3、…。

（2）根据实际负载情况，确定各次级绕组的额定电流I1、I2、…，一般绕组的额定输出电流应大于或等于额定负载电流。

（3）次级额定容量由总容量确定。总容量的算法为

P2=U2I2 + U3I3 + U4I4 + …

1.1.3 同步训练：数控机床中常用低压电器的认知

1.训练目的

（1）能识别数控机床电气柜中常用的低压电气元件。

（2）能通过元件上的文字或图形标识识别出交流接触器和继电器的线圈及触点类别。

（3）能通过元件上的文字或图形标识识别出自动断路器、熔断器及主令开关等低压电器的触点类别。

2.训练仪器和设备

（1）数控车床，4台。

（2）交流接触器、继电器、自动断路器、熔断器及主令开关等低压电器，至少各1个/数控机床。

（3）万用表，1块/数控机床。

3.训练步骤

（1）在数控机床的电气柜中，辨别出各类常用低压电气元件，包括交流接触器、中间继电器、自动断路器、熔断器、主令开关及变压器等。

（2）通过交流接触器和继电器上的文字或图形标识，指出交流接触器和继电器上线圈及触点类别。

（3）通过文字或图形标识，识别出自动断路器、熔断器及主令开关上的触点类别。

（4）通过用万用表的欧姆挡，测量并验证上述低压电器元件上的线圈及触点的类别（如常开触点的数量、常闭触点的数量、主触点及辅助触点等）。