单元二 刀架电动机控制线路的电气控制与安装调试

一、单元学习任务

1.接触器、霍尔传感器的基本结构、工作原理、图形符号和文字符号、主要技术参数及其应用。

2.三相交流异步电动机的工作原理、结构和机械特性含义。

3.三相异步电动机的接触器正/反转控制线路分析。

4.刀架不能正常运行的故障分析和排查。

二、单元学习目标

1.掌握接触器、霍尔传感器的工作原理、图形符号和文字符号，常用低压电器的用途。

2.了解接触器、霍尔传感器的的基本结构，主要技术参数。能根据控制要求正确选择低压电器。

3.掌握三相异步电动机的接触器正/反转控制电路的原理。

4.掌握查阅电气控制手册的方法，掌握利用电气手册分析控制回路的方法。

5.撰写符合实验过程、内容的实验报告。

6.培养安全、认真、踏实、严谨、一丝不苟的工作作风。

三、着重关注的引导性问题

1.观察机床面板上和换刀有关的按键，分析它们的功能。

2.观察刀架换刀时的过程，分析刀架正转和反转的目的分别是什么。

3.观察刀架传感器的安装位置，分析霍尔元件的工作原理。

4.观察刀架的引出线，分析各种颜色的导线代表的含义，并记录这些导线引入电气柜的位置。

5.根据刀架换刀的电气原理图正确分析一个完整的换刀过程。

6.根据电气原理图正确连接刀架模块的线路。

7.正确分析刀架各种故障的原因并能正确排查故障。

8.正确绘制刀架模块的线路连接图。

9.掌握三相交流异步电动机的工作原理，理解旋转磁场是如何形成的。

10.掌握三相交流异步电动机机械特性的特点，理解转矩和速度的关系，以及电动机的自适应过程。

11.理解三相交流异步电动机常用术语的含义，如极对数、转差率和转速等。

四、单元学习知识基础

在数控机床操作面板上有两个按 ，通过操作这两个按键可以对数控车床的刀架进行控制。数控车床采用的一般是四工位刀架，在加工零件时根据不同的工序选择不同的刀具，一般有外圆车刀、螺纹刀、切槽刀等。“刀位选择”键可以选择T01、T02、T03、T04中任意一把刀，在显示屏上会显示选择的刀位。而“刀位转换”键来实现换刀的动作。

通过本任务的学习，让学生掌握刀架自动换刀的原理，当遇上刀架相关故障，如刀架不转或刀架找不到刀位等情况，学生可以自行解决。在学习过程中，要重点掌握三相交流异步电动机的各种运行状态控制线路原理，掌握刀架控制线路里用到的各种机床电器的原理和功能，掌握PLC点控制刀架正/反转的原理，培养对故障分析和排查的能力。

（一）三相交流异步电动机

实现电能与机械能相互转换的电工设备总称为电机。电机利用电磁感应原理实现电能与机械能的相互转换。将机械能转换成电能的设备称为发电机，而将电能转换成机械能的设备称为电动机。在生产上主要用的是交流电动机，特别是三相异步电动机，由于它具有结构简单、坚固耐用、运行可靠、价格低廉、维护方便等优点，被广泛地用来驱动各种金属切削机床、起重机、锻压机、传送带、铸造机械、功率不大的通风机及水泵等。

对于各种电动机应该了解下列几个方面的内容：① 基本构造；② 工作原理；③ 表示转速与转矩之间关系的机械特性；④ 启动、调速及制动的基本原理和基本方法；⑤ 应用场合及如何正确使用。

1.基本构造

三相异步电动机的两个基本组成部分为定子（固定部分）和转子（旋转部分）。此外还有端盖、风扇等附属部分，如图6-1所示。

（1）定子

三相异步电动机的定子由三部分组成（见表6-1）。

（2）转子

三相异步电动机的转子由三部分组成（见表6-2）。

鼠笼式电动机由于构造简单、价格低廉、工作可靠、使用方便，成为生产上应用得最广泛的一种电动机。为了保证转子能够自由旋转，在定子与转子之间必须留有一定的空气隙，中小型电动机的空气隙约在0.2~1.0mm之间。

2.工作原理

（1）基本原理

三相异步电动机的工作原理，如图6-2所示。

现象解释：当磁铁旋转时，磁铁与闭合的导体发生相对运动，鼠笼式导体切割磁力线而在其内部产生感应电动势和感应电流。感应电流又使导体受到一个电磁力的作用，于是导体就沿磁铁的旋转方向转动起来，这就是异步电动机的基本原理。

转子转动的方向和磁极旋转的方向相同。

结论：欲使异步电动机旋转，必须有旋转的磁场和闭合的转子绕组。

（2）旋转磁场

① 旋转磁场的产生。

图6-3表示最简单的三相定子绕组U1U2、V1V2、W1W2，它们在空间按互差120°的规律对称排列。并接成星形与三相电源U、V、W相连。则三相定子绕组便通过三相对称电流：随着电流在定子绕组中通过，在三相定子绕组中就会产生旋转磁场，如图6-4所示。

当ωt=0°时，iU=0，U1U2绕组中无电流；iV为负，V1V2绕组中的电流从V2流入V1流出；iW为正，W1W2绕组中的电流从W1流入W2流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如图6-4（a）所示。

当ωt=120°时，iV= 0，V1V2 绕组中无电流；iU为正，U1U2 绕组中的电流从U1流入U2流出；iW为负，W1W2绕组中的电流从W2流入W1流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如图6-4（b）所示。

当ωt=240°时，iW= 0，W1W2绕组中无电流；iV为正，V1V2绕组中的电流从V1流入V2流出；iU为负，U1U2绕组中的电流从U2流入U1流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如图6-4（c）所示。

当ωt=360°时，iU = 0，U1U2绕组中无电流；iV为负，V1V2绕组中的电流从V2流入V1流出；iW为正，W1W2绕组中的电流从W1流入W2流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如图6-4（d）所示，电动机刚好转过一周。

可见，当定子绕组中的电流变化一个周期时，合成磁场也按电流的相序方向在空间旋转一周。随着定子绕组中的三相电流不断地周期性变化，产生的合成磁场也不断地旋转，因此称为旋转磁场。

② 旋转磁场的方向。

旋转磁场的方向是由三相绕组中电流相序决定的，若想改变旋转磁场的方向，只要改变通入定子绕组的电流相序，即将三根电源线中的任意两根对调即可。这时，转子的旋转方向也跟着改变。

（3）级数和转速

① 极数（磁极对数p）。

三相异步电动机的极数就是旋转磁场的极数。旋转磁场的极数和三相绕组的安排有关。

当每相绕组只有一个线圈，绕组的始端之间相差 120°空间角时，产生的旋转磁场具有一对极，即p=1；当每相绕组为两个线圈串联，绕组的始端之间相差60°空间角时，产生的旋转磁场具有两对极，即p=2；同理，如果要产生三对极，即p=3的旋转磁场，则每相绕组必须有均匀安排在空间的串联的三个线圈，绕组的始端之间相差40°（=120°/p）空间角。

极数p与绕组的始端之间的空间角θ的关系为：θ=120°/p。

② 转速n。

三相异步电动机旋转磁场的转速n0与电动机磁极对数p有关，它们的关系是：

n0=6 0 f1/p

由上式可知，旋转磁场的转速n0决定于电流频率f1和磁场的极数p。对某一异步电动机而言，f1和p通常是一定的，所以磁场转速n0是个常数。在我国，工频f1=50Hz，因此对应于不同极对数p的旋转磁场转速n0，见表6-3。

如图6-5所示为p=2时，定子的接线方式和旋转磁场的运行方式，从图6-6中很容易分析出p=2时旋转磁场的运动速度是p=1时的一半。

③ 转差率s。

电动机转子转动方向与磁场旋转的方向相同，但转子的转速n不可能达到与旋转磁场的转速n0相等，否则转子与旋转磁场之间就没有相对运动，因而磁力线就不切割转子导体，转子转差率 s、电动势、转子电流及转矩也就都不存在。也就是说旋转磁场与转子之间存在转速差，因此我们将这种电动机称为异步电动机，又因为这种电动机的转动原理是建立在电磁感应基础上的，故又称为感应电动机。

旋转磁场的转速n0常称为同步转速。

转差率s——用来表示转子转速n与磁场转速n0相差的程度的物理量。即

转差率是异步电动机的一个重要的物理量。

当旋转磁场以同步转速 n0开始旋转时，转子则因机械惯性尚未转动，转子的瞬间转速n=0，这时转差率s=1。转子转动起来之后，n>0，（n0−n）差值减小，电动机的转差率s<1。如果转轴上的阻转矩加大，则转子转速n降低，即异步程度加大，才能产生足够大的感受电动势和电流，产生足够大的电磁转矩，这时的转差率s增大。反之，s减小。异步电动机运行时，转速与同步转速一般很接近，转差率很小。在额定工作状态下s应在0.015~0.06之间。

3.机械特性

（1）电磁转矩（简称转矩）

异步电动机的转矩T是由旋转磁场的每极磁通Φ与转子电流I2相互作用而产生的。电磁转矩的大小与转子绕组中的电流I及旋转磁场的强弱有关。

经理论证明，它们的关系是：

T=KTΦI2 cosφ2

式中

T——电磁转矩；

KT——与电动机结构有关的常数；

Φ——旋转磁场每个极的磁通量；

I2——转子绕组电流的有效值；

φ2——转子电流滞后于转子电动势的相位角。

若考虑电源电压及电动机的一些参数与电磁转矩的关系，上式可修正为

式中

KT′——常数；

U1——定子绕组的相电压；

s——转差率；

R2——转子每相绕组的电阻；

X2 0——转子静止时每相绕组的感抗。

由上式可知，转矩T还与定子每相电压U1的平方成比例，所以当电源电压有所变动时，对转矩的影响很大。此外，转矩T还受转子电阻R2的影响。根据上式可以画出异步电动机的转矩特性曲线，如图6-7所示。

（2）机械特性曲线

在一定的电源电压U1和转子电阻R2下，电动机的转矩T与转差率s之间的关系曲线T=f(s)或转速与转矩的关系曲线n=f(T)，称为电动机的机械特性曲线，如图6-7所示。

在机械特性曲线上我们要讨论三个转矩。

额定转矩TN：额定转矩TN是异步电动机带额定负载时，转轴上的输出转矩。

式中P2是电动机轴上输出的机械功率，其单位是瓦特，n的单位是转/分，TN的单位是牛·米。

当忽略电动机本身机械摩擦转矩T0时，阻转矩近似为负载转矩TL，电动机等速旋转时，电磁转矩T必与阻转矩TL相等，即T=TL。额定负载时，则有TN=TL。

最大转矩Tm：Tm又称为临界转矩，是电动机可能产生的最大电磁转矩。它反映了电动机的过载能力。最大转矩的转差率为Sm，此时的Sm称为临界转差率，如图6-7所示。

最大转矩Tm与额定转矩TN之比称为电动机的过载系数λ，即

λ=Tm/TN

一般三相异步电动机的过载系数在 1.8∼2.2 之间。在选用电动机时，必须考虑可能出现的最大负载转矩，而后根据所选电动机的过载系数算出电动机的最大转矩，它必须大于最大负载转矩。否则，就要重选电动机。

启动转矩Ts t：Ts t为电动机启动初始瞬间的转矩，即n=0，s=1时的转矩。为确保电动机能够带额定负载启动，必须满足：Ts t＞TN，一般的三相异步电动机有Ts t/TN=1∼2.2。

电动机在工作时，它所产生的电磁转矩T的大小能够在一定的范围内自动调整以适应负载的变化，这种特性称为自适应负载能力。自适应过程如下：TL↑→n↓→S↑→I2↑→T↑，直至新的平衡。此过程中，I2↑时，I1↑⇒电源提供的功率自动增加。

4.三相交流异步电动机的运行控制

三相交流异步电动机是数控机床上常用的一种电动机，在数控机床上对它的控制有两种，一种是继电器—接触器控制，如刀架电动机；另外一种用变频器控制，如主轴电动机的变频调速。在本节主要介绍三相交流异步电动机的前一种控制方式。

转位刀架是一种刀具储存装置，可以同时安装4、6、8、12把刀具不等，主要用于数控车床，是数控车床中的一种专用的自动化机械。它不仅可以储存刀具，而且在切削时要连同刀具一起承受切削力，在加工过程中完成刀具交换转位、定位夹紧等动作。本数控车床采用的转位刀架是四工位刀架，可同时安装四把刀具，通过三相交流异步电动机旋转，带动涡轮、蜗杆、螺杆运动实现刀架的正转和锁紧。

（1）三相异步电动机的点动控制电路

点动控制电路是用按钮和接触器控制电动机的最简单的控制电路，常用于机床主轴或工作台的调整，机床的试车、检修等。其原理图如图6-8所示，分为主电路和控制电路两部分。

工作过程：先接通电源开关QS

这种当按钮按下时电动机就运转，按钮松开后电动机就停止的控制方式，称为点动控制。

（2）三相异步电动机的连续运行控制电路

如图6-9所示，在点动控制电路的基础上，在控制回路中增加了一个停止按钮SB1，还在启动按钮SB2的两端并接了接触器的一对辅助动合触点KM。

电路工作原理如下：首先合上电源开关QS

当松开SB2后，由于KM辅助动合触点闭合，KM线圈仍得电，电动机M继续运转。这种依靠接触器自身辅助动合触点使其线圈保持通电的现象称为自锁（或称自保），起自锁作用的辅助动合触点，称为自锁触点（或称自保触点），这样的控制线路称为具有自锁（或自保）的长动控制电路。

保护环节有三种：短路保护FU1、FU2；过载保护FR；欠压失压保护：KM自锁环节。

（3）三相异步电动机既能长动又能点动的控制电路

电路工作原理如图6-10所示。首先合上电源开关，按下SB2，KM得电自锁，电动机连续运转。按下SB1，KM断电，电动机停转。按下点动按钮SB3，KM得电，电动机运转。松开SB3，KM断电，电动机停转。

点动按钮SB3的作用：

① 使接触器线圈KM通电；

② 使线圈KM不能自锁。

（4）三相异步电动机的正/反转控制电路

原理图如图6-11所示，电路工作原理：

按下SB2，KM1得电，电动机正转；

按下SB3，KM1断电，KM2 得电，电动机反转。

行程开关控制的正/反转电路图如图6-12所示，工作原理：按下SB2，KM1得电，电动机正转，工作台前进。到达预定位置挡铁1撞击SQ1，KM1断电，停止正转。同时KM2得电，电动机反转，工作台后退。

（二）霍尔传感器

霍尔传感器是一种磁传感器。用它可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔传感器以霍尔效应为其工作基础，是由霍尔元件和它的附属电路组成的集成传感器。霍尔传感器在工业生产、交通运输和日常生活中有着非常广泛的应用。

当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时，薄片的两端就会产生电位差，这种现象就称为霍尔效应。两端具有的电位差值称为霍尔电动势U，其表达式为U=K·I·B/d，其中K为霍尔系数，I为薄片中通过的电流，B为外加磁场（洛伦兹力Lorrentz）的磁感应强度，d为薄片的厚度。

由此可见，霍尔效应的灵敏度高低与外加磁场的磁感应强度成正比，根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。它可方便地将磁输入信号转换成实际应用中的电信号，同时又具备工业场合实际应用易操作和可靠性的要求，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。

由于霍尔元件产生的电动势差很小，故通常将霍尔元件与放大器电路、温度补偿电路及稳压电源电路等集成在一个芯片上，称为霍尔传感器。霍尔传感器也称为霍尔集成电路，其外形较小，如图6-13所示为其中一种型号的外形图。图6-14是开关型霍尔传感器的特性图，其中Bnp为工作点“开”的磁感应强度，BRP为释放点“关”的磁感应强度。当外加的磁感应强度超过动作点Bnp时，传感器输出低电平，当磁感应强度降到动作点Bn p以下时，传感器输出电平不变，一直要降到释放点BRP时，传感器才由低电平跃变为高电平。

在刀架内部安装了一个霍尔传感器，如图6-15所示，根据刀架的形状，传感器设计成环形，在圆周上均匀分布着四个霍尔元件，在刀座上安置了一个磁性元件，刀架旋转时，磁性元件随着刀架一起旋转，旋转过程中磁性元件分别对准四个方位的霍尔元件，由霍尔元件的特性知道，当磁性元件靠近其中一个霍尔元件时，该霍尔元件输出低电平，而其他三个霍尔元件输出高电平，将这些电平信号通过PLC接口板输入至CNC系统，CNC系统通过检测这些电平从而判断当前刀位的具体位置。如图6-16所示为传感器图形及文字符号。

（三）刀架电动机正/反转控制电路分析

刀架电动机正/反转电气控制原理图。

刀架换刀的原理涉及三方面的知识，第一是电气设计原理，包括强电回路和控制回路两部分；第二是和刀架有关的系统参数，共有3个，参数的设置不当也会影响刀架的运行；第三是和PLC有关的输入/输出点的设置，PLC内部软件输入/输出点的设置应和硬件的接线对应。有关参数的设置在以后章节有具体讲解，这里主要介绍刀架的电气控制原理。

电动机的旋转指令由PLC发出，通过一系列外围电路后，驱动电动机带动刀塔旋转。刀塔旋转到位以后，反馈一个信号给控制系统，然后控制系统停止电动机的旋转，各种控制信号关系如图6-17所示。

从以上的分析可以看出，刀塔旋转的直接驱动力来自刀塔的驱动电动机。电动机本身是一个强电设备。所以可到强电回路中查找电动机的控制回路。电动刀架的电气控制分强电回路和控制回路两部分。强电回路由三相电源驱动三相交流异步电动机正/反向旋转，从而实现电动刀架的松开、转位、锁紧等动作。三相交流异步电动机的正转和反转由两个接触器控制，电气原理图如图6-18所示。

从强电回路描述的分析可以得到，控制电动机正/反转的是接触器KM1和KM2，在电路图上找到控制KM1、KM2线圈的控制回路，分析控制回路可以看到，控制接触器线圈的是两个继电器KA4、KA5。控制原理图如图6-19所示。

（四）根据电气原理图连接电气元件

① 根据对电动机控制回路的分析查找到控制台上的实物，如图6-20所示。

② 如图6-21所示为继电器电气原理图，根据原理图的描述，在实验台上找到对应的实物KA4、KA5，如图6-22所示。

③ 拆掉与刀塔旋转相关的电缆线，如图6-23所示。

④ 按照电路图的说明指示，将与刀塔旋转有关的回路调试接通，如图6-24所示。

（五）刀架换刀的完整过程

根据原理图分析，可以画出PLC信号流向图，如图6-25所示。换刀过程包含以下几步。

① 通过操作面板上的“刀位选择”键选定刀位，数控系统存储此刀位号，当“换刀”键按下时，发出控制信号使KA4闭合，KA5断开。

② KA4闭合后，因为KA5是断开的，所以接触器KM1的线圈得电，从而接触器KM1的常开触点闭合，刀架电动机的正转三相电源接通，刀架电动机正转开始选刀。

③ 在选刀过程中，位置传感器不断检测刀架到位信号，并将信号通过输入信号接口板送给数控系统，数控系统将输入的刀位信号和系统存储的刀位号进行比较。

④ 若换刀信号到位，数控系统发出控制信号使KA5闭合，KA4断开，此时刀架电动机的反转三相电源接通，刀架电动机反转准备锁紧刀架，刀架锁紧。

输入PLC信号在电气图中的表现如图6-26所示。

（六）刀架电动机故障分析和排查

当刀架出现故障时，首先应检查电气线路，这里有一个好的办法，能够马上检查出是强电回路的故障，还是控制回路的故障。方法如下：

① 首先判断出试验台上的两个接触器哪个是KM1，哪个KM2。手动控制接触器使其触点闭合，刀架旋转的是KM1，刀架不动的是KM2。如果刀架能够转动，说明强电没有问题，如图6-27所示。

② 然后检查控制线路。控制KM1的应该是继电器KA4，控制KM2的应该是继电器KA5。如果接线没有问题，说明弱电接线也是对的，注意互锁电路的连接。

③ 如果前两步都没问题，那就要检查PLC了，先查看数控系统是否输出了PLC信号以控制KA4和KA5。可以查看KA4、KA5对应的二极管指示灯是否亮，或者查看PLC状态的Y0.3和Y0.4是否输出，如图6-28所示。

④ 如果刀架旋转，开始换刀，表示数控系统输出了换刀信号，在旋转过程中，霍尔传感器要反馈刀位到位信号，以便发出刀架锁紧信号KA5。如果刀位信号不能到达CNC系统，刀架就会旋转不停，直到数控系统报警，换刀超时。所以在刀架旋转过程中，要查看刀位的反馈情况，查看步骤如图6-29所示。

一般来说系统参数在出厂时就已设置好，不会轻易修改。当刀架换刀出现故障时，按照上述步骤来检查，一般问题都可以迎刃而解。

五、单元学习活动

本单元主要针对数控车床四工位刀架的工作原理进行讲解，四工位刀架是数控车床常用的一种刀架，在很多机床上得到广泛应用。刀架上电气主要有两部分，一是电动机的强电控制，通过继电器控制接触器再控制电动机的正/反转；二是刀架上霍尔传感器的反馈信号，通过PLC输入接口板输入CNC系统，以监控换刀过程中的刀位，而换刀的过程就是围绕这两部分进行的。在本单元学习过程中一定要理解各种信号的先后关系及相互之间的联系，能够正确分析电气原理图，并根据原理图连接该部分的线路。线路接好后，通电调试，保证刀架能够正确换刀，调试过程中遇到各种故障，可以自行分析原因并排查。本单元学习活动计划见表6-4。

在本单元的阅读学习时，注意如下学习要点：

① 标记其中提到但并未进行相关解释的专业概念，查阅以前的学习材料后加注释义；

② 对尚不熟悉而又难以查阅到的概念着重标记，根据自己的理解尝试对其加注释义；

③ 对有疑虑的问题，尽量提出产生疑虑的因果关系；

④ 对基础知识中某些概念表述有不同见解的，尝试提出自己的见解。

六、单元学习的资源要求

（一）学习所需的场所、设备及工具

本单元学习不涉及车间机床设备的电气操作，整个学习活动可在数控原理实训室开展。

数控原理实训室应配置工具展柜和资料柜，以提供常用电工工具和仪器仪表、机床常用电气元件实物和阅读学习所需要的各类资料。

根据个性教学的特殊需要，最好配置能进行网络资料查询的计算机。

（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要的学习指南、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的内容完成的质量情况进行评定，占60%；

学生自评：学生根据评分标准，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%。