单元一 急停与超程解除电路的电气控制与安装调试

一、单元学习任务

1.通过讲授，了解急停与超程解除电路的设计原理。

2.通过观看教学设计与组织表，了解本单元的学习方法和学习步骤。

3.通过现场考察，掌握急停与超程解除电路的连接方式。

4.通过演示，掌握急停与超程解除电路故障的排查方法。

二、单元学习目标

1.掌握行程开关的电气符号和文字符号。

2.理解数控机床行程开关的作用。

3.能够正确分析急停与超程解除电路的工作原理。

4.正确绘制急停与超程解除电路的电气安装图。

三、着重关注的引导性问题

1.在零件加工过程中，同学们是否遇到超程的情况呢？如果超程，机床会出现什么样的报警？

2.为了解除超程，一般该如何操作机床？认真观察解除超程时，机床状态的变化并记录下来。

3.行程开关有什么作用？在华中数控车床试验台上，观察每个进给轴行程开关安装的位置，分析这样安装的原因。

4.能正确画出行程开关的电气和文字符号，分析各个行程开关每根引出线的电气含义和颜色分配，正确记录在课业文本页上。

5.数控机床上一般有几个急停按键，安装在什么位置？想想急停按键是常开类型还是常闭类型，为什么？

6.机床面板上的“急停”和“超程解除”按键是如何接入机床电器安装柜内的，演示说明。

7.分析中间继电器KA9的功能。

8.能够正确分析急停与超程解除电路的工作原理，理解机床超程时能够正确报警的电气原理，并举例说明。

9.能够正确分析急停不能解除的原因，并能排查故障使机床正常运行。

10.正确绘制急停与超程解除电路的电气安装图。

四、单元学习知识基础

进入本单元学习之前，要求学习者应具有数控机床操作加工的经历，对数控机床出现的各类故障有一定的了解和接触，理解“急停”功能键的作用，对机床的超程可以正确解除。勤于思考，能在阅读下述知识基础时善于发现及归纳问题，分析机床能够正确对各轴超程报警的原因，并敢于提出自己的见解。

（一）数控机床的各种极限保护

在校验程序时，常常会遇到“超程”的报警提示，而超程有硬超程和软超程之分，要了解两者的区别；在操作机床时，粗心的同学也会经常使机床超程而报警。超程的时候，仔细观察机床操作面板，会发现“超程报警”键右上角的指示灯点亮了，为了解除超程，要按住此键不放，操作机床向超程相反的方向移动，直到报警解除再松开。

机床超程报警目的是为了保护机床运行在正确的范围内，防止撞刀。而硬超程是由限位开关控制的，软超程是由机床参数控制的，软超程设在硬超程附近，既可以提示机床超程报警，又起到保护机床限位开关的作用，所以机床常常设置软超程。图5-1给出了机床坐标系、工件坐标系、软限位、硬限位之间的位置关系。

如图5-1所示，当机床确定了软极限后，机床的运行范围也就确定了，如图5-1中“软极限运行范围”所示，X轴和Z轴各有一个正负软极限，这四个位置确定了刀架的运行范围，如图5-1中虚线框所示，当刀架超出了这个范围，机床就会报警。

（二）行程开关种类和图形符号

1.行程开关

行程开关是用来反映工作机械的行程并发布命令以控制其运动方向或行程大小的主令电器。如果将行程开关安装在工作机械各种行程终点处，限制其行程，它就被称为限位开关或终端开关。因此，行程开关、限位开关和终端开关是同一开关。它们被广泛用于各类机床和起重机械以控制这些机械的行程。当工作机械运动到某一预定位置时，行程开关就通过机械可动部分的动作将机械信号变换为电信号，以实现对机械的电气控制，限制它们的动作或位置，从而对机构提供必要的保护。各种行程开关图片如图5-2所示。

行程开关的工作原理如图5-3所示。推杆①由楔形撞块的运动控制其轴向，在预行程阶段，复位弹簧②是受压的。预行程阶段完成时，伸缩自如的推杆机构的开关销③触动微动开关，到达规定的开关点实现开关的切换。销钉③的预行程范围受到导向架④限制，这个精密设定而且伸缩自如的弹簧系统避免了操动系统发生堵塞。开关切换动作完成后（推杆退动），达到反向切换点，开关复位。复位弹簧②将推杆机构送回原始位置。脊形推杆的角度是120°，楔形撞块和脊形推杆之间的传动比是2∶1，即楔形撞块运动2mm的行程（箭头所指方向），推杆运行1mm的行程。为此，楔形撞块的操动斜面角为26.5°。

开关操动过程用可伸缩的顶杆执行，利用顶杆推动对应的微动开关元件，行程开关的结构示意图如图5-4所示，图5-4中两种行程开关的触点结构不同，图5-4（a）的常开常闭触点是电气独立的，而图5-4（b）是单极转换触点。注意顶杆机构在使用时要防止开关元件过载，保护顶杆不致因故障而被卡住，顶杆的形状要根据具体要求进行选择，有如图5-5所示几种。

从前面分析可知，数控机床每个进给轴上装有3个行程开关，分别控制零点的位置、正向超程位置和负向超程位置。在机床上使用时，行程开关要和对应的槽板和撞块配套使用，以达到最佳效果。如图5-6所示为实际机床行程开关的安装方式。

为保证开关功能，开关元件在出厂时已经调整好了。在安装或更换开关元件时，一定要保证撞块与开关基准面之间尺寸符合一定要求，如图5-7所示为某种型号行程开关的安装位置尺寸图，这些要求在产品的使用说明书里有详细介绍，如图5-8所示为槽板和各种撞块的图片。

2.接近开关

接近开关是一种无须与运动部件进行机械接触而可以操作的位置开关，当物体接近开关感应面的动作距离时，不需要机械接触及施加任何压力即可使开关动作，驱动交流或直流电器或给计算机装置提供控制指令。接近开关是种开关型传感器（即无触点开关），它既有行程开关、微动开关特性，同时具有传感性能，且动作可靠、性能稳定、频率响应快、使用寿命长、抗干扰能力强，并具有防水、防震、耐腐蚀等特点，而且其定位精度、操作频率、使用寿命、安装调整方便性和对恶劣环境适用能力，是一般机械式行程开关所不能相比的。它广泛应用于机床、冶金、化工、轻纺和印刷等行业。自动控制系统中可作为限位、计数、定位控制和自动保护环节。

从工作原理看，接近开关有高频振荡型、感应电桥型、霍尔效应型、光电型、永磁及磁敏元件型、电容型、超声波型等多种形式。

如图5-9所示为电感式接近开关的工作示意图，它通过对工作过程中进行定位检测，实现各种自动监控，这种接近开关结构紧凑，结实耐用，可以识别有无金属部件存在。电感式接近开关属于一种有开关量输出的位置传感器，它由LC高频振荡器和放大处理电路组成，金属物体在接近这个能产生电磁场的振荡感应头时，内部会产生涡流。这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须是金属物体。接近开关工作是非接触式的，所以是无磨损的，常常用在各种自动金属切削机床、塑料加工机械、组装流水线及木工机械和汽车制造工业，凡是必须实行自动化的地方均可使用。

电容式接近开关也属于一种具有开关量输出的位置传感器，它的测量头通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是物体的本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，由此便可控制开关的接通和关断。这种接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体，如图5-10和图5-11所示。

图5-12和图5-13列举了电容接近开关的两种应用，图5-12是用来检测烟草与滤嘴长度是否正常，图5-13是通过上下两个接近开关保证每次灌装的液体不太多也不太少，保持一定的液面高度。

光电式传感器是光电接近开关的别称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路检测物体有无的，如图5-14和图5-15所示。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。多数光电开关选用的是波长接近可见光的红外线。

3.试验台用到的行程开关

仔细查看华中数控车床试验台行程开关的安装位置，找到机床上的六个行程开关，如图5-16所示。分析它们的位置关系，根据行程开关的引出线，找到这些行程开关接入电气柜的接线排位置，并记录行程开关引出线颜色与线套的含义，写在课业文本页上。本车床上使用的行程开关型号是欧姆龙生产的V-105-1A5型开关，上网查找这种行程开关的使用资料。

（三）数控机床急停与超程电气设计

HNC-21型数控装置操作面板和手持单元上，均设有急停按钮，用于以下两种情况。

① 当数控系统或数控机床出现紧急情况时，需要使数控机床立即停止运动或切断动力装置（如伺服驱动器等）的主电源；

② 当数控系统出现自动报警信息后，需按下急停按钮。待查看报警信息并排除故障后，再松开急停按钮，使系统复位并恢复正常。该急停按钮及相关电路所控制的中间继电器（KA）的一个常开触点应该接入HNC-21型数控装置的开关量输入接口，以便为系统提供复位信号。

HNC-21 型数控装置操作面板设有超程解除按钮，用于机床压下超程限位开关后，手工操作解除超程状态。

急停与超程报警电路的设计如图5-17所示。

除数控装置操作面板和手持单元处的急停按钮外，系统还可根据实际需要，设置更多急停按钮。所有急停按钮的常闭触点以串联方式，连接到系统的急停回路中。

在正常情况下，急停按钮处于松开状态，其触点处于常闭状态。按下急停按钮后，其触点断开，使得系统的急停回路所控制的中间继电器KA断电，而切断移动装置（如进给轴电动机、主轴电动机、刀库/架电动机等）的动力电源。同时，连接在PLC输入端的中间继电器KA的一组常开触点，向系统发出急停报警。此信号在打开急停按钮时则作为系统的复位信号。

系统中，各轴的正向、负向的超程限位开关的常闭触点以串联方式，连接到系统的超程回路中。同时，每个超程限位开关另有一个常开触点连接到PLC输入端，使系统能够判断各超程限位开关的状态，如图5-18所示。

在正常情况下，超程限位开关处于松开状态。若用户操作机床，不慎将某轴的超程限位开关压下，则常闭触点断开，使得系统的超程回路断开，同时使急停回路中的中间继电器KA断电，而自动切断移动装置的动力电源。超程限位开关连接在PLC输入端的常开触点向系统发出超程报警信息（发生超程的坐标轴及超程方向），并使超程解除按钮上的指示灯发光。

与急停报警一样，发生超程时，中间继电器KA线圈也会断电，中间继电器KA的一组常开触点也会通过PLC输入端，如图5-19所示，向系统发出急停报警信号。但系统的PLC除检测中间继电器KA的常开触点外，还检测各超程限位开关的常开触点的状态，以此区分急停报警和超程报警。

发生超程后，系统处于超程报警状态，各进给装置的动力电源已被切断。为了解除超程，用户应按以下步骤操作：

① 按住数控装置操作面板上的超程解除按钮，使系统复位。在解除超程前，不得松开超程解除按钮；

② 手动操作机床的进给轴按正确的方向移动，使被压下的超程限位开关松开（此时，超程解除按钮上的指示灯将熄灭）；

③ 松开超程解除按钮。

注意事项：

① 以上涉及的如系统复位信号、超程按钮灯点亮与熄灭、超程的坐标轴及方向的判断需要由PLC程序实现。

② 用户在编制PLC程序时，应保证操作者解除超程时，若按错解除超程的方向，其进给轴不得移动。只有操作者按解除超程的正确方向时，进给轴才会移动。否则，可能会出现滚珠丝杠严重损坏的故障。

（四）急停与超程电路的连接

急停和超程按键设置在数控系统的面板上，为了将这两个按键信号线接入电气柜，HNC-21型数控装置为此设计了接口电路，相关信号见表5-1。手持盒上的急停按键，通过手持接口XS8的4和17引脚接出来，如果没有设计手持盒，手持接口XS8的4和17引脚必须在内部短接，否则根据图5-17可知，外部运行允许电路会断开。而面板上的急停和超程信号，是通过PLC输出接口XS20接出的，4和17引脚表示急停按键，3和16引脚表示超程解除按键，然后通过电缆线再接入PLC输出接口板的相关端子，如图5-20所示。

根据图5-20 和图5-21，思考急停与超程的连接方法，包括行程开关的接线排子、PLC输出板信号等。

根据图5-21，思考如何检测机床急停和超程解除按键的功能好坏，并在课业文本页上正确绘制急停与超程解除电路的电气安装图。

五、单元学习活动设计和组织

单元学习活动的计划见表5-2。

六、单元学习的资源要求

（一）学习所需的场所、设备及工具

数控原理实训室，华中数控车床电气结构试验台。

数控机床电气维护的常用电工工具和仪器仪表，如以下三大类。

① 电工工具：试电笔、尖嘴钳、电烙铁、斜口钳、剥线钳、压线钳、各种规格的一字和十字螺丝刀、电工刀、校验灯、手电钻、各种尺寸的内六角扳手等。

② 仪表：数字式万用表、兆欧表、数字转速表、示波器、相序表、常用的长度测量工具等。

③ 器材：各种规格电线和紧固件、针形和叉形轧头、金属软管、号码管和线套等。

④ 化学用品：松香、纯酒精和润滑油等。

数控机床常用的电气元件，空气开关、接触器、继电器、开关电源、变压器、熔断器等。

（二）技术资料

设备使用说明书、维护保养手册、电气原理图、电气元件安装图和接线图，安全操作规程、岗位职能要求及相关管理资料等；开展单元学习活动所需的学习指南、卡片纸及课业工作页（课业练习）等。

七、单元学习的考核评价

单元学习的考核评价不要仅仅局限于对学习结果的考评，更要注重工作学习活动的参与过程。考评围绕学习活动的各个环节，根据参与程度、工作学习态度、学习方法与技巧、小组合作情况、目标实现状况等全面考评，本单元主要考评项目组成参考如下。

成果评定：根据课业学习及工作页内容完成的质量情况进行考评，占60%；

学生自评：学生根据厂家评分标准，对实施过程进行自评，给出相应的成绩，占10%；

学生互评：学生间互相交流，互相评价，占10%；

教师评价：教师根据学生的学习态度、工作态度、团队协作精神、出勤率、敬业爱岗和职业道德等情况，结合工作任务实施过程的各个环节进行评价，占20%。