第十篇 机床电力传动及控制系统设计 1
第一章 一般设计资料 1
一、机床电力装备的额定值 1
（一）额定电压及频率（根据GB 156-59） 1
（二）低压电器额定电流 1
（三）电机的额定功率、电压、转速 2
1．0.6～100kW三相异步电动机（根据GB 761-65） 2
2．100～250kW三相异步电动机［根据电（D）96-60］ 2
3．J 2、JO2系列三相异步电动机额定参数（根据JB 742-66） 2
4．JS、JR系列三相异步电动机额定参数（根据JB 563-64和JB 564-64） 4
5．ZD系列中型直流电动机（根据JB 624-65） 5
6．Z2系列小型直流电机（根据JB 1104-68） 5
二、机床电气控制系统常用的符号和标号 9
（一）机床电气系统图图形符号（根据GB 312-64） 9
（二）机床电气系统图文字符号（根据GB 315-64） 33
1．常用基本符号 33
2．常用辅助符号 33
3．常用电器文字符号 34
4．物理量符号 36
（三）机床电气系统图回路标号（根据GB 316-64） 36
三、电工产品通用技术条件 38
（一）普通电工产品基本使用环境条件 38
（二）电器绝缘的电气强度和绝缘电阻 38
（三）电器的电气间隙和漏电距离 39
（四）电器的允许温升 39
（五）电机的允许温升 40
（六）电机、电器和变压器用绝缘材料的耐热等级（根据JB 794-66） 41
四、特殊气候对机床电力装备的要求 44
（一）气象、地理资料 44
1．空气的湿度 44
2．大气压力、温度与海拔高度的关系（见表10.1-62） 44
3．我国主要地区的海拔高度（见表10.1-63） 44
4．热带用电工产品的环境条件 44
5．热带国家和地区（见表10.1-65） 44
（二）用于热带地区的机床电力装备的设计要求 44
五、常用的电工计算资料 53
（一）常用的电工计量单位 53
（二）三相每千瓦功率在不同功率因数下的线电流 53
（三）常用的电工计算式 53
第二章 继电接触式控制系统 61
一、机床控制系统设计的一般要求 61
（一）机床控制系统必须满足机床加工工艺的要求 61
（二）机床控制线路的电流种类与电压数值 61
（三）控制线路工作的可靠性 61
（四）控制线路工作的安全性 63
（五）机床控制系统电气原理图的绘制 63
二、机床常用保护线路的设计与元件选择 63
（一）机床常用的保护线路 63
（二）保护线路电器元件的选择 63
三、机床用鼠笼型异步电动机的控制线路 70
（一）方案的选择 70
1．起动方案的比较 70
2．制动方案的比较 71
3．低速运行方案的比较 72
（二）机床用鼠笼型异步电动机的起动、制动、正反转和变速的控制线路 72
（三）线路参数的选择与设计注意事项 82
1．能耗制动线路元件参数的计算 82
2．控制线路设计中应注意的问题 84
（四）交流接触器的选择 84
（五）机床用电动机起动控制设备一览表 85
四、机床常用的其他控制线路 85
（一）机床常用的行程、电磁铁、电磁离合器、检测与信号控制线路 85
（二）电磁铁的主要特点 102
（三）电磁离合器的技术数据 102
（四）自动测量仪的技术数据 103
1．电动测量仪 103
2．气动测量仪 103
（五）电磁吸盘的控制线路 104
1．电磁吸盘的励磁电路 104
2．可控硅退磁线路 104
3．其他退磁线路 110
（六）机床控制线路电源变压器的计算与选择 112
五、机床典型控制系统举例 113
（一）MB 8240A型半自动曲轴磨床 113
（二）龙门刨床横梁移动控制线路 115
六、电磁吸盘的设计 116
（一）电磁吸盘的工作特点 116
（二）电磁吸盘的结构设计 118
1．磁路的计算 118
2．绕组的计算 119
3．盘面磁极的决定 120
（三）设计举例 121
附录 控制线路图解设计法 125
（一）问题的提出 125
（二）图解设计法 125
1．确定控制系统的主令信号 126
2．执行元件工作信号的组成 126
3．转换元件输入信号的组成 128
（三）应用举例 128
第三章 直流电机组调速系统 132
一、机床传动系统的特点与调速方案的选择 132
（一）机床传动系统的特点 132
（二）选择机床调速方案的原则 132
（三）机床无级调速方案的选择 132
1．机床常用的调速方案 132
2．恒转矩调速和恒功率调速 132
3．机床无级调速方案 134
4．调速方案与电机容量的关系 134
（四）机床调速方案选择的实例 137
1．铣镗床调速方案的选择 137
2．龙门刨床调速方案的选择 137
二、他励直流电动机调速系统 138
（一）机械特性的计算 138
（二）常用的反馈环节 140
三、交磁放大机-直流电动机调速系统 142
（一）交磁放大机的工作特性 142
1．性能特点及主要参数 142
2．调整试验及时间常数的测取 142
3．空载特性 144
4．负载特性 144
（二）交磁放大机-直流电动机典型调速系统的比较 146
（三）具有转速负反馈调速系统的静特性 146
（四）调速系统中主要元件的选择 150
1．交磁放大机及控制绕组 150
2．测速发电机 150
3．调速电位器 150
（五）具有转速负反馈及半导体放大器的交磁放大机-直流电动机调速系统设计举例 151
1．结构原理 151
2．主要元件的选择 152
3．系统的动特性及校正装置 154
4．系统的调整 158
四、交磁放大机-直流发电机-电动机调速系统 159
（一）系统反馈结构的选择 159
（二）具有电压负反馈、电流正反馈的调速系统静特性计算 160
1．系统静特性方程 160
2．主要系数值的确定 162
3．交磁放大机控制绕组的选择 162
4．电位器的选择 163
5．静特性计算举例 163
（三）系统常用的校正环节 167
1．动态特性指标 167
2．系统常用的稳定校正环节 170
3．校正环节及其参数 170
第四章 可控硅整流器-直流电动机调速系统 172
一、可控硅整流元件 172
（一）可控硅额定电压和额定电流的选择 172
（二）可控硅元件的串并联连接 174
（三）可控硅元件的过电压保护 178
（四）可控硅元件的过电流保护 179
（五）可控硅整流装置的失压保护 182
（六）防止可控硅误动作的方法 182
（七）可控硅元件的故障检测 183
二、可控硅整流电路 186
（一）可控硅整流电路的类型 186
（二）单相半波可控整流电路 186
（三）单相桥式半控整流电路 188
（四）用一只可控硅的单相桥式整流电路 193
（五）三相桥式半控整流电路 195
（六）单相全控整流电路 198
（七）三相零式半波整流电路 202
（八）三相桥式全控整流电路 206
三、可控硅触发电路 212
（一）可控硅对触发电路的要求 212
（二）单结晶体管触发电路 212
（三）具有阻容移相特性的触发电路 216
（四）同步信号为锯齿波的触发电路 218
（五）密勒积分式锯齿波触发电路 220
（六）正弦同步电压垂直控制的触发电路 224
（七）带尖脉冲的正弦同步电压垂直控制的触发电路 225
（八）正弦同步电压的触发电路 226
（九）可控硅串并联时的触发电路 228
（十）带脉冲分配器的触发电路 231
（十一）同步信号与主电源的同步问题 234
四、单相可控硅整流器-直流电动机调速系统 235
（一）采用电压电流反馈的调速系统 235
（二）采用速度反馈的调速系统 237
1．采用内同步式触发电路的调速系统 237
2．采用外同步式触发电路的调速系统 237
五、三相半控桥式整流电路-直流电动机调速系统 240
（一）结构原理 240
（二）参数的选择 242
（三）系统静态放大系数的计算 245
六、可控硅整流器-直流电动机可逆调速系统 246
（一）可逆系统的最佳控制问题 246
（二）采用三相桥式反并联有环流整流电路的可逆调速系统 248
1．有环流可逆控制系统的主回路 248
2．环流及限制环流方法 248
3．有环流控制系统的特点 252
4．三相桥式反并联有环流可逆调速系统的设计 252
（三）采用三相反并联无环流整流电路的可逆调速系统 257
1．无环流控制的要求和特点 257
2．采用三相零式反并联无环流整流电路的可逆调速系统 258
3．脉冲切换式反并联无环流可逆调速系统 273
（四）主回路换接的可逆调速系统 276
七、可控硅整流元件与互感器的技术参数 277
（一）可控硅整流元件 277
（二）LQG系列交流互感器 278
（三）BLZ系列直流互感器 278
（四）DS9型直流快速自动开关 281
附录 整流变压器、电抗器及脉冲变压器设计计算 284
（一）整流变压器 284
1．主要参数的计算 284
2．三相整流变压器结构计算 285
（二）电抗器 291
1．对电抗器的要求及安排 291
2．电感量的计算 292
3．结构计算 293
4．空心电抗器的计算 296
（三）脉冲变压器 297
1．一般要求 297
2．窄脉冲用的脉冲变压器 297
3．宽脉冲用的脉冲变压器 298
4．计算举例 299
第五章 电动机容量计算 300
一、确定机床电动机容量的依据 300
（一）概述 300
（二）机床电力传动系统的运行条件 300
（三）电动机容量受发热的限制 300
（四）电动机容量受过载能力和起动转矩的限制 301
二、电动机的有关技术标准（根据GB 755—65） 301
（一）电动机的定额标准 301
（二）电动机的一般技术要求 301
三、各种负载下电动机容量的计算方法 303
四、电动机容量的校验 305
五、电动机容量的计算实例 308
（一）龙门刨床工作台传动电动机在不同切削条件下所允许的最大切削力的计算 308
（二）C5250立车主传动电动机容量的计算 310
（三）X3932铣镗床主传动电动机容量的计算 311
第六章 仿形机床随动系统 314
一、仿形机床进给系统的工作原理及特点 314
（一）连续控制式双座标不对称随动系统仿形机床的工作原理 314
（二）连续控制式双座标对称随动系统仿形机床的工作原理 315
（三）断续控制式仿形机床的工作原理 316
（四）各种仿形机床的特点 317
二、仿形机床随动系统的主要参量 317
（一）仿形机床进给机构的变速范围 317
（二）控制信号对随动系统的快速性提出的要求 318
（三）仿形误差、随动系统的静差与随动系统开环放大系数间的关系 319
三、仿形机床随动系统的构成 320
（一）仿形机床随动系统的分类 320
（二）仿形机床电随动系统的结构 320
（三）连续控制式仿形铣床进给控制系统介绍 324
1．XB 4450型连续控制卧式立体仿形铣床的进给控制系统 324
2．连续控制式平面电液仿形铣床的控制系统 327
3．XDF-4450型连续控制立式仿形铣床的进给控制系统 332
4．日本仿形铣床MELDAS 2200型双座标控制系统 337
四、仿形机床随动系统调节器的设计 339
（一）双座标对称随动系统调节器的设计 339
1．电流调节器的设计 341
2．速度调节器的设计 343
3．确定速度控制系统的变速方式 345
4．位移调节器的设计 345
（二）双座标不对称随动系统调节器的设计 350
（三）仿形机床双座标对称随动系统调节器设计举例 350
1．已知条件 350
2．设计电流调节器 351
3．确定调速方式和各种方式下的调速范围D1和D2 351
4．设计速度调节器 352
5．设计位移调节器 353
五、断续控制式仿形机床随动系统的特点和构成 353
（一）断续控制随动系统的稳定性 354
（二）断续控制式仿形铣床进给控制系统介绍 355
附录Ⅰ 双座标对称随动系统的分析 358
附录Ⅱ 利用描述函数法近似地求非线性自振荡的周期解 362
附录Ⅲ 双座标不对称随动系统的分析 363
附录Ⅳ 摩擦片电磁离合器传递函数的求取 364
第七章 机床数字控制系统 366
一、机床数字控制系统的基本类型与特点 366
（一）机床数字控制系统的基本类型 366
（二）机床数字控制系统的特点 366
（三）连续式机床数字控制系统常用的插补器 367
二、机床数字控制系统中数的表示方法 367
（一）二进制数的表示法 367
1．二进制数的表示法 367
2．十进制与二进制的互相转换 368
3．数的原码、补码、反码 370
（二）十进制数的二进制编码 371
（三）二进制数的四则运算 371
三、逻辑代数 372
（一）基本逻辑电路 372
（二）逻辑代数的应用 373
1．逻辑函数的性质 373
2．开关电路的设计 375
3．常用的逻辑代数运算式 376
四、机床数字控制系统的基本单元 376
（一）常用的逻辑电路符号 376
（二）集成电路基本单元 377
1．集成门电路 377
2．固体触发器 386
3．集成电路使用中应注意事项 390
（三）分立元件组成的基本单元 391
1．常用的门电路 391
2．双稳态触发器 392
3．单稳态触发器 393
4．射极耦合触发器 396
5．射极跟随器 396
6．脉冲信号发生器 397
五、机床数字控制系统常用的逻辑部件 399
（一）寄存器和移位寄存器 399
1．触发器组成的寄存器 399
2．集成电路组成的寄存器 400
3．镍延迟线寄存器 401
（二）计数器 402
（三）半加器 402
（四）全加器 403
（五）加法器 405
（六）减法器 407
（七）乘法器 407
（八）除法器 407
（九）译码器 408
（十）脉冲环形分配器 409
（十一）机械传动链间隙补偿信号发生器 410
六、机床数字控制系统常用的机电部件 410
（一）光电输入机 410
（二）步进电机 413
1．步进电机的结构原理 413
2．步进电机的主要参数 413
3．常用的步进电机的技术数据 414
4．常用的步进电机功率放大器 414
（三）电液伺服阀 417
（四）检测反馈装置 417
1．光栅检测装置 417
2．感应同步器 422
3．磁尺 431
4．旋转变压器 434
5．光电盘检测装置 434
（五）机床数控系统的执行机构 435
（六）滚珠丝杠螺距误差补偿装置 437
（七）自动回原点装置 438
七、点位直线式机床数字控制系统 440
（一）方案比较 440
1．工件对点位直线式数控系统的要求 440
2．点位直线式数字控制系统的方案 440
（二）逻辑结构 441
1．补码计数式三座标闭环点位直线数控系统 441
2．补码计数式三座标开环点位直线数控系统 444
3．可逆计数式三座标闭环点位直线数控系统 444
4．用拨码盘手动送数式闭环点位直线数控系统 444
5．工作寄存器 445
6．指令寄存器与译码器 445
7．主控制器 446
八、比例乘法式直线插补器 448
（一）插值原理 448
（二）逻辑结构 449
1．总体逻辑方框图 449
2．分频器 449
3．输入寄存器 450
（三）关于进给速度保持恒定问题 450
1．问题的提出 450
2．进给速度调制器 451
3．脉冲发生器的工作频率 452
九、逐点比较式直线与圆弧插补器 454
（一）总体逻辑方框图 454
（二）插值原理 454
1．逐点比较式直线插补运算 454
2．逐点比较式圆弧插补运算 455
3．刀具半径的偏移计算及R2的计算 455
4．象限的处理 457
5．直线与圆弧插补运算的专用指令 457
（三）运算器的逻辑结构 460
1．运算器的逻辑方框图 460
2．寄存器的容量和运算信号 460
3．变补与×10以及偶数位校验逻辑电路 462
4．全加器与补偶逻辑电路 463
（四）主控制器 464
1．运算信号发生器 464
2．插补器的运算次序 465
3．O循环计数器 466
4．S循环计数器 469
5．C循环计数器 470
6．运算终点的判别 470
7．运算方向的判别与运算脉冲的分配 472
8．光电阅读机与O、S计数器的起动以及寄存器的清除信号 473
9．进给脉冲发生器 475
（五）输入寄存器及译码器 475
1．程序代码 475
2．刀具半径R值的放数方法 475
3．R值的读入与R2计算的控制信号 476
4．输入移位寄存器 478
5．纸带孔的奇偶校验 479
6．数字代码的特征码与隔离代码 479
7．速度、座标平面及指令代码 481
8．曲线代码 482
9．刀具半径分量的符号代码 483
10．座标轴互换信号的译码 483
（六）子程序信号及运算门与输出门的控制信号 484
1．子程序信号的产生 484
2．运算门控制信号的产生 484
3．输出门控制信号的产生 486
（七）逐点比较式直线与圆弧插补器逻辑结构的改进方案 488
1．运算器的逻辑结构 490
2．主控制器 492
3．子程序信号的产生 495
十、数字积分式直线插补器 496
（一）总体逻辑方框图 496
（二）空间直线的插值原理 496
（三）数字积分式直线插补器的逻辑结构 497
1．逻辑结构的主要特点 497
2．自循环式左移的逻辑结构 499
3．直接串行左移的逻辑结构 500
4．进给速度的调制与输出通道的选择 501
十一、机床数字控制系统的可靠性 503
（一）在系统设计方面应采取的措施 503
（二）对元件进行筛选处理 505
（三）提高制造与焊接工艺水平 506
（四）加强测试与调整工作 506
附录Ⅰ．国外常用的代码 506
（一）代码表 506
（二）纸带程序安排形式 506
附录Ⅱ．二次曲线插补器方案 509
（一）DDA式圆弧插补器 509
（二）二进制比例乘法式圆弧插补器 510
（三）二次曲线插补器 510
附录Ⅲ．直线插补器的数据输入型式 510
（一）输入数据的传递时间 510
（二）数据输入的型式 511
第八章 电加工机床电气系统 512
一、电火花加工基本特征 512
（一）基本原理 512
（二）主要特点及应用 512
（三）对电气系统要求 513
二、电火花加工机床的脉冲电源 513
（一）弛张式脉冲电源 513
1．RLCL弛张式脉冲电源 513
2．RLC-LC弛张式脉冲电源 514
（二）双闸流管独立式脉冲电源 514
1．简要工作原理 514
2．典型线路及其工艺指标 516
3．主要参数的确定 516
（三）四电子管独立式脉冲电源 518
1．简要工作原理 518
2．典型线路及其主要工艺指标 518
3．脉冲变压器设计 518
（四）晶体管脉冲电源 521
1．自振式脉冲电源 521
2．复式脉冲电源 527
3．等脉冲式脉冲电源 533
（五）可控硅脉冲电源 534
1．350A可控硅脉冲电源 534
2．200A可控硅脉冲电源 536
3．80A可控硅脉冲电源 538
4．小功率精加工脉冲电源 539
三、电火花加工机床的控制系统 541
（一）电液压伺服控制系统 541
1．工作原理 541
2．典型系统举例 541
3．电-机械转换器主要参数计算举例 541
（二）线电极电火花加工机床的控制系统 543
1．电仿形控制系统 543
2．光电跟踪控制系统 544
3．数字控制系统 546
四、电解加工机床直流稳压电源的设计 547
（一）可控硅调压稳压系统 547
1．工作原理 547
2．典型线路举例 548
3．主要参数的确定 549
（二）饱和电抗器控制的直流稳压电源 552
1．扼流式饱和电抗器调压稳压系统 552
2．自饱和式电抗器调压稳压系统 552
第九章 机床电力装备施工设计 557
一、机床电力装备施工设计的一般步骤 557
（一）机床电力装备总体布置方案的拟定 557
（二）机床电气控制装置的结构设计 557
（三）绘制电气控制装置的电器布置图 557
（四）绘制电气控制装置的接线图 557
（五）绘制各部件的电器布置图 557
（六）绘制机床内部接线图 557
（七）绘制机床外部接线图 557
（八）编制机床电力装备技术资料 557
二、机床电力装备施工设计与安装的一般要求 558
（一）总则 558
（二）机床电力装备施工设计和安装的一般要求 558
（三）设计和绘制机床电气装配图的要求 560
（四）设计和绘制机床电气接线图的要求 560
（五）电线管路的设计与安装 562
（六）弱电元件的安装工艺要求 564
（七）机床电力装备明细表的编制 566
（八）机床电力装备的总装验收 566
三、机床电气控制装置的结构设计 567
（一）装在床身上的控制板与操纵面板 567
（二）操纵台与悬挂操纵箱 567
1．操纵台的结构特点及外形尺寸 567
2．悬挂操纵箱的结构特点及外形尺寸（见表10.9-13） 571
3．操纵台、悬挂操纵箱面板的布置（见表10.9-14） 571
4．现有统一设计的操纵台与悬挂操纵箱的结构 579
（三）电气控制柜 582
1．机床电气控制柜（台）发展的主要特点 582
2．现有统一设计的控制柜结构 582
3．DK系列电气控制柜 590
4．其他控制柜结构 592
5．机床数字控制装置 597
（四）可控硅的安装及通风冷却 599
1．可控硅的安装结构 599
2．可控硅的通风冷却 599
（五）插件结构与印刷电路的设计 602
1．设计的一般原则 602
2．插件结构形式 611
3．印刷电路板 611
（六）辅助设备结构设计 615
1．门锁 615
2．拉手 617
3．起动电阻箱 617
四、机床电力装备施工设计常用的图形 617
符号及零部件 617
（一）机床操纵面板的图形及像形符号 617
（二）机床电气设备接线图图形符号 622
（三）机床电气设备常用的紧固件及标准件 629
1．螺钉螺母 629
2．管接头 636
3．管夹 647
4．其他零件 650
五、机床电力装备施工设计举例 654
（一）机床电力装备施工设计的依据 654
（二）施工设计 656
第十章 常用直流稳压电源与半导体直流放大器 662
一、直流稳压电源的设计 662
（一）直流稳压电源的类型与主要参数 662
1．稳压电源的特性指标（见表10.10-1） 662
2．稳压电源的质量指标（见表10.10-2） 662
（二）并联式直流稳压电源的设计 662
1．并联式直流稳压电源元件的选择 662
2．设计举例 666
（三）串联式直流稳压电源 666
1．提高稳定度的方法 666
2．串联式稳压电源的过电流保护 668
3．串联式稳压电源的实用电路 670
（四）串联式直流稳压电源的设计 678
1．确定输入电压 678
2．基准电压和取样环节 679
3．比较放大器 679
4．调整环节 680
5．设计计算举例 681
二、半导体直流放大器 683
（一）晶体管直流放大器 683
1．F-2I型六管直流放大器 683
2．F-2J型八管直流放大器 684
（二）集成电路运算放大器 690
1．集成电路运算放大器的结构特点 690
2．BG301型集成电路运算放大器 691
3．8FC2型集成电路运算放大器 693
4．集成电路运算放大器技术指标的含义和测试方法 693
5．在使用集成电路运算放大器时常遇到的几个问题 693
三、比例、积分、微分（PID）调节器 699
（一）比例（P）调节器 700
（二）积分（I）调节器 700
（三）比例积分（PI）调节器 700
（四）比例微分（PD）调节器 701
（五）比例、积分、微分（PID）调节器 702
（六）比例、积分、微分（PID）调节器应用举例 703
1．用PD调节器补偿惯性 703
2．用PI调节器补偿惯性 704