数控机床电气控制.doc

第1章绪论学习目标 掌握数控机床控制系统的构成 了解数控机床的分类 了解数控系统的发展趋势 内容提要本章着重介绍了数控系统的基本概念及其特点，数控系统的组成及工作过程，数控系统的分类，数控系统的发展趋势。通过学习，掌握数控系统的基本概念，对数控系统的组成及各部分的作用有一个较完整的认识；了解点位、直线和轮廓控制系统以及开环、半闭环和闭环控制系统的组成与特点。1.1数控机床电气控制概述随着大规模集成电路和微型计算机为代表的微电子技术的迅速发展，传统的机械工业已逐渐成为综合运用机械、微电子、自动控制、信息、传感测试、电力电子、接口、信号变换以及软件编程等技术的群体技术。在传统的机械加工设备已经不能满足现代工业制造需求的情况下，数控机床成为目前机械加工的主体，它在提高生产效率和产品质量，减轻操作人员的体力劳动等方面起到了极其重要的作用。数控机床集机械、液压、气动、伺服驱动、精密测量、电气自动控制、现代控制、计算机控制和网络通信等技术于一体，是一种高效率、高精度、能保证加工质量、解决工艺难题和具有柔性加工特点的生产设备，它正逐步取代普通机床。 数控(Numerical Control，NC)技术是用数字化信息进行控制的自动控制技术；采用数控技术控制的机床，或者说装备了主控系统的机床，称为数控机床。数控机床是机电一体化的典型产品，现代数控系统又称为计算机数字控制(computer Numerical Control，CNC)系统。 电气控制技术对现代机床的发展有着非常重要的作用，从广义上说，现代机床电气控制技术的重要标志是自动调节技术、电子技术、检测技术、计算机技术、综合控制技术应用于机床中。尽管现代机床的种类、功能和加工范围有所不同，但它们都离不开电气控制设备，离不开电气控制技术。电气控制装置的配备情况是现代机床自动化水平的重要标志。1.2 数控机床电气控制系统的组成及特点1.2.1数控机床电气控制系统的组成 数控机床电气控制系统由数控装置、进给伺服系统、主轴伺服系统、数控机床强电控制系统等组成，如图11所示。 数控装置是数控机床电气控制系统的控制中心，它能够自动地对输入的数控加工程序进行处理，将数控加工程序信息按两类控制量分别输出：一类是连续控制量，送往伺服系统；另一类是离散的开关控制量，送往数控机床强电控制系统，从而协调控制数控机床各部分的运动，完成数控机床所有运动的控制。 由图11可知，数控机床的控制任务是实现对主轴和进给系统的控制，同时还要完成相关辅助装置的控制；数控机床的电气控制系统就是用电气手段为机床提供动力，并实现上述控制任务的系统。从数控机床最终要完成的任务来看，主要有以下3个方面的内容： (1)主轴运动 和普通机床一样，主轴运动主要是完成切削任务，其动力约占整台数控机床动力的7080，它主要是控制主轴的正转、反转和停止，可自动换挡及调速；对加工中心和切削中心还必须具有定向控制和主轴控制。 (2)进给运动 数控机床区别于普通机床最根本的地方在于它是用电气驱动替代机械驱动，并且数控机床的进给运动是由进给伺服系统完成的，进给伺服系统包括伺服驱动装置、伺服电动机、进给传动链及位置检测装置，如图12所示。伺服控制的最终目的是实现对数控机床工作台或刀具的位置控制，伺服系统中所采取的一切措施都是为了保证进给运动的位置精度，如对机械传动链进行预紧和间隙调整，采用高精度的位置检测装置，采用高性能的伺服驱动装置和伺服电动机，提高数控系统的运算速度等。 (3)强电控制 数控装置对加工程序处理后输出的控制信号除了对进给运动轨迹进行连续控制外，还对数控机床的各种状态进行控制，包括主轴的调速、主轴的正、反转及停止、冷却和润滑装置的起动和停止、刀具自动交换装置、工件夹紧和放松及分度工作台转位等。例如通过数控机床程序的M指令、数控机床操作面板上的控制开关及分布在数控机床各部位的行程开关、接近开关、压力开关等输入元件的检测，由数控装置内的可编程序控制器(PLC)进行逻辑运算，输出控制信号驱动中间继电器、接触器、熔断器、电磁阀及电磁制动器等输出元件，对冷却泵、润滑泵液压系统和气动系统等进行控制。 电源及保护电路由数控机床强电线路中的电源控制电路构成，强电线路由电源变压器、控制变压器、各种断路器、保护开关、接触器及熔断器等连接而成，以便为辅助交流电动机(如冷却泵电动机、润滑泵电动机等)、电磁铁、离合器及电磁阀等功率执行元件供电。强电线路不能与在低压下工作的控制电路直接连接，只有通过断路器、中间继电器等元件，转换成在直流低电压下工作的触点的开关动作，才能成为继电器逻辑电路和PLC可接收的电信号，反之亦然。 开关信号和代码信号是数控装置与外部传送的IO控制信号。当数控机床不带PLC时，这些信号直接在数控装置和机床间传送；当数控装置带有PLC时，这些信号除极少数的高速信号外均通过PLC传送。1.2.2数控机床的特点 数控机床是一种安装了程序控制系统的机床，该系统能逻辑地处理具有使用号码或其他符号编码指令规定的。数控机床特点： 1) 加工精度高:数控机床是精密机械和自动化技术的综合体。机床的数控装置可以对机床运动中产生的位移、热变形等导致的误差，通过测量系统进行补偿而获得很高且稳定的加工精度。由于数控机床实现自动加工，所以减少了操作人员素质带来的人为误差，提高了同批零件的一致性。2)生产较高：就生产效率而言，相对普通机床，数控机床的效率一般能提高23倍、甚至十几倍。主要体现在以下几个方面:a. 一次装夹完成多工序加工，省去了普通机床加工的多次变换工种、工序间的转件以及划线等工序。b.简化了夹具及专用工装等，由于是一次装夹完成加工。所以普通机床多工序的夹具省去了，即使偶尔必须用到专用夹具。由于数控机床的超强功能夹具的结构也可简化。3)减轻劳动强度，数控机床的操作由体力型转为智力型。4)改善劳动条件，如深扬公司的产品采用全封闭护罩,机床不会有水、油、铁屑溅出，可有效保持工作环境的清洁5)有利于生产管理：a. 程序化控制加工、更换品种方便；b. 一机多工序加工，减化生产过程的管理，减少管理人员；c. 可实现无人化生产。1.3数控机床的分类及性能指标1.3.1数控机床的分类 数控机床的种类、规格很多，分类方法也各不相同，常见的分类有以下几种方式。1.按被控制对象的运动轨迹进行分类 （1）点位控制的数控机床 点位控制数控机床的数控装置只要求能够精确地控制从一个坐标点到另一个坐标点的定位精度，而不管是按什么轨迹运动，在移动过程中都不进行任何加工。为了精确定位和提高生产率，系统首先高速运行，然后按13级减速，使之慢速趋近于定位点，减小定位误差。这类数控机床主要有数控钻床、数控坐标镗床、数控冲床、数控点焊机、数控折弯机等。（2）直线控制的数控机床 直线控制的数控机床，一般要在两点间移动的同时进行加工，所以不仅要求有准确的定位功能，还要求从一点到另一点之间按直线规律运动，而且对运动的速度也要进行控制，对于不同的刀具和工件，可以选择不同的进给速度。这一类机床包括简易数控车床、数控铣床、数控镗床等。一般情况下，这些机床可以有23个可控轴，但一般同时控制轴数只有两个。位精度，而不管是按什么轨迹运动，在移动过程中都不进行任何加工。为了精确定位和提高生产率，系统首先高速运行，然后按13级减速，使之慢速趋近于定位点，减小定位误差。这类数控机床主要有数控钻床、数控坐标镗床、数控冲床、数控点焊机、数控折弯机等。图1-3.点位控制的切削加工 图1-4直线控制的切削加工（3）轮廓控制的数控机床 轮廓控制又称连续控制，大多数数控机床都具有轮廓控 制功能。其特点是能同时控制两个以上的轴，且具有插补功能。它不仅要控制起点和终点位置，而且要控制加工过程中每一点的位置和速度，从而加工出任意形状的曲线或曲面组成的复杂零件。轮廓控制的数控机床主要有两坐标及两坐标以上的数控铣床，可以加工回转曲面的数控机床、加工中心等。图1-5轮廓控制切削加工 2按控制方式分类（1）开环控制数控机床这类数控机床没有检测反馈装置，数控装置发出的指令信号流程是单向的，其精度主要决定于驱动元件和伺服电机的性能。开环数控机床所用的电动机主要是步进电动机，移动部件的速度与位移由输入脉冲的频率和脉冲数决定，位移精度主要决定于该系统各有关零部件的精度。开环控制具有结构简单、系统稳定、容易调试、成本低廉等优点，但是系统对移动部件的误差没有补偿和校正，所以精度低，位置精度通常为±0.01±O.02 mm，一般适用于经济型数控机床。图18所示为开环数控系统示意图。图1-62闭环控制系统闭环控制系统是指在机床的运动部件上安装位置测量装置(位置测量装置有光栅、感应同步器和磁栅等)，如图19所示。加工中，位置测量装置将测量到的实际位置值反馈到数控装置中，与输入的指令位移相比较，用比较的差值控制移动部件，直到差值为零，即实现移动部件的最终精确定位。从理论上讲，闭环控制系统的控制精度主要取决于检测装置的精度，它完全可以消除由于传动部件制造中存在的误差而给工件加工带来的影响，所以，这种控制系统可以得到很高的加工精度。闭环控制系统的设计和调整都有较大的难度，主要用于一些精度要求较高的镗、铣床，超精车床和加工中心等。图1-73半闭环控制系统 半闭环控制系统是在开环系统的丝杠上或进给电动机的轴上装有角位移检测装置(角位移检测装置有圆光栅、光电编码器及旋转式感应同步器等)。该系统不是直接测量工作台 的位移量，而是通过检测丝杠转角间接地测量工作台的位移量，然后反馈给数控装置，如图110所示。这种控制系统实际控制的是丝杠的传动，而丝杠螺母副的传动误差无法测量，只能靠制造保证，因而，半闭环控制系统的精度低于闭环系统。但由于角位移检测装置比直 线位移检测装置结构简单，安装调试方便，因此，配有精密滚珠丝杠和齿轮的半闭环系统正 在被广泛地采用，目前，已逐步将角位移检测装置和伺服电动机设计成一个部件，使系统变 得更加简单，安装、调试更加方便，中档数控机床广泛采用半闭环控制系统。图1-83.按功能水平分类（1）经济型数控机床在计算机中一般用一个微处理器作为主控单元，伺服系统大多使用步进电动机驱动，采用开环控制方式，脉冲当量为0010005 mm脉冲，机床的快速移动速度为58 mmin，精度较低，功能较简单，用数码管或简单的CRT字符显示，基本具备了计算机控制数控机床的主要功能。(2)全功能型数控机床在计算机中采用24个微处理器进行控制，其中一个是主控微处理器，其余为从属微处理器。主控微处理器可完成用户程序的数据处理、粗插补运算、文本和图形显示等；从属微处理器可在主控微处理器的管理下，完成对外围设备，主要是伺服控制系统的控制和管理，从而实现同时对各坐标轴的连续控制。 全功能型数控机床允许的最大速度一般为824 mmin，脉冲当量为0.010.001 mm脉冲，伺服系统采用交、直流伺服电动机，广泛用于加工形状复杂或精度要求较高的工件。(3)精密垂数控机床 精密型数控机床采用闭环控制，它不仅具有全功能型数控机床的全部功能，而且机械系统的动态响应较快。其脉冲当量一般小于0001 mm脉冲，适用于精密和超精密加工。1.3.2数控机床的性能指标1.规格指标 最大回转直径。最大回转直径指能加工工件的最大直径。主轴通孔直径指能夹紧工件的最大直径。 坐标行程。数控机床坐标轴X、Y、Z的行程大小构成数控机床的空间加工范围，它分别决定了加工零件的大小X和最大加工长度。 刀库容量和换刀时间。刀库容量是指刀库能存放刀具的数量。常见的中小型加工中心多为1660把，大型加工中心达100把以上。换刀时间指将主轴上使用的刀具与装在刀库上的下一工序需用的刀具进行交换所需要的时间，一般为1020 s，可达45 s，有的1s以内。电动机功率重量、外形尺寸。摆角范围。具有摆角坐标的数控机床，其转角大小也直接影响到加工零件空间部位的能力。2精度指标(1)分辨率与脉冲当量 分辨率是指两个相邻的分散细节之间可以分辨的最小间隔。对测量系统而言，分辨率是可以测量的最小增量；对控制系统而言，分辨率是可以控制的最小唯一位移量。数控装置每发出一个脉冲信号，反映到机床移动部件上的移动量，称为脉冲当量。脉冲当量是设计数控机床的原始数据之一，其数值大小决定数控机床的加工精度和表面质量。脉冲当量越小，数控机床加工精度和加工表面质量越高。简易数控机床的脉冲当量为001m，普通数控机床的脉冲当量为1肛m，精密或超精密数控机床的脉冲当量为01m，最精密的数控系统的分辨率已达O.01m。 (2)定位精度与重复定位精度 定位精度是指数控机床工作台等移动部件在确定的终点所达到的实际位置的精度，因此移动部件实际位置与理想位置之间的误差称为定位误差。定位误差包括伺服系统、检测系统、进给系统等误差，还包括移动部件导轨的几何误差等。定位误差将直接影响零件加工的位置精度。 重复定位精度是指在同一台数控机床上，应用相同程序相同代码加工一批零件，所得到连续结果的一致程度。重复定位精度受伺服系统特性、进给系统的间隙与刚性以及摩擦特性等因素的影响，一般成正态分布的偶然性误差，关系到一批零件加工的一致性。 (3)分度精度 分度精度是指分度工作台在分度时，理论要求回转的角度值和实际回转的角度值的差值。分度精度既影响零件加工部位在空间的角度位置，同时还会对孔系加工的同轴度等造成一定的影响。 当前，在机械加工高精度的要求下，普通级数控机床的加工精度已由±10m提高到±5m；精密级加工中心的加工精度则从±35/m提高到±115m，甚至更高；超精密加工精度进入纳米级(0001m)，主轴回转精度要求达到O.010.05 m，加工圆度为01m，加工表面粗糙度Ra=0003/m等。 3运动性能指标 (1)主轴转速范围 数控机床的主轴一般均采用交流或直流调速主轴电动机驱动，选用高速精密轴承支承。主轴一般具有较宽的调速范围和足够高的回转精度、刚度及抗震性。 一般主轴转速为1 0002 000rrain，已普遍达到500010 000rmin，最高可达100 000rmin，甚至更高，这对各种小孔加工以及提高零件加工质量和表面质量都极为有利。主轴最高转速是指主轴所能达到的最高转速，它是影响零件表面加工质量，生产效率以及刀具寿命的主要因素之一，主轴最低转速要平稳。(2)快移速度 最快位移速度是指进给轴在非加工状态下的最高移动速度。最高进给速度是指进给轴在加工状态下的最高移动速度。这两个参数会对零件的加工质量、生产效率以及刀具寿命造成影响。一般数控机床快移速度为5mmin，可达1020。mmin。(3)主轴最大扭矩 4可控轴数与联动轴数 可控轴数是指机床数控装置能够控制的坐标轴数目。可控轴数一般已达七轴甚至达到了二十四轴以上。 联动轴数是指机床数控装置控制的坐标轴同时达到空间某一点的坐标数目。有两轴联动、三轴联动、四轴联动、五轴联动等，六轴联动正在研究。其中，三轴联动的数控机床通常是X、y、Z三个直线坐标联动，可以加工空间复杂的曲面，多用于数控铣床；四轴或五轴联动是指同时控制X、y、Z三个直线坐标轴以及与一个或者两个围绕这些直线坐标轴旋转的坐标轴，可以加工宇航叶轮、螺旋桨等零件；而二轴半联动是特指可控轴数为三轴，而联动轴数为二轴的数控机床。 五轴联动的数控系统和编程软件逐步普及，成为当前的一个开发热点，成为各大机床厂家积极开发和竞争的焦点。国外也在研究六轴联动的加工中心。5.可靠性 可靠性特征量有多项，可用平均无故障时间MTBF表示，它是指一台数控机床在使用中平均两次故障间隔的时间。对于每天工作两班的无人工厂而言，如果要求在16小时内连续正常工作，无故障率在P(t)一99以上，则数控机床的MTBF就必须大于3000小时。对一台数控机床而言，如数控的可靠比主机高一个数量级，数控系统的MTBF就要大于30 000小时，而其中的数控装置、主轴及驱动等的MTBF就必须大于10万小时。 当前国外数控装置的MTBF值已达6000小时以上，驱动装置达30 000小时以上。1.4数控机床电气控制系统发展1.4.1数控系统的发展趋势数控技术是20世纪40年代后期为适应复杂外形零件的加工而发展起来的一种自动化技术，其研究起源于飞机制造业。1949年美国帕森(Pars。ns)公司接受美国空军委托，研制一种计算控制装置，用来实现飞机、火箭等复杂零部件的自动化加工。于是，该公司提出了用数字信息来控制机床自动加工外形复杂零件的设想，并与美国麻省理工学院(MIT)伺服机构研究所合作，于1952年研制成功了世界上第一台数控机床三坐标立式数控铣床，可控制铣刀进行连续的空间曲面加工，由此拉开了数控技术研究的序幕。 目前，随着生产技术的发展，对产品的性能要求越来越高，产品改型频繁，采用多品种小批量生产方式的企业越来越多，这就要求数控机床向着高速化、高精度化、复合化、系统化、智能化、环保化方向发展。 1.高速化和高精度化 目前，数控机床正向着高速化和高精度化方向发展，主轴转速可达10 00040 000 rmin，进给速度可达30 mmin，快速移动可达100 mmin，加速度可达1g，换刀时间可达1.5 s，加工中心的定位精度约为±5m，有的可达到±1m。 日本开发的超精密非球面加工机砂轮轴转速为40 000 rmin，采用系统控制，c轴分度 为0.000 1。，x，y，z轴控制的分辨率可达1 nm。 北京机床研究所研制的纳米超精车床，采用气浮主轴轴承，可加工的最大直径为西800mm，长度为400 mm，采用纳米级光栅尺全闭环控制，分辨率为5nm，加工零件的圆度为0.1m，面形精度为02m50 mm，表面粗糙度为Ra0.008m(铅材、无氧铜)。 达到这样的速度和精度，数控系统、伺服系统必须采取措施使其具有相适应的速度和控制精度。 2数控系统智能化、信息化 由于微电子技术、超大规模集成电路等各种技术的发展，使数控系统实现智能化变为可能。智能化的数控系统可以解决数控机床的故障诊断并提出排除的方法，也可以更广泛地深入解决加工中的技术问题。 信息技术(Information Technology，简称IT)将成为21世纪的重要发展潮流，数控机床将会广泛地应用IT技术实现控制、监视、诊断、补偿、调整等功能，提高机床无人化、智能化、集成化水平；利用IT网络将机床与工段、车间、工厂、外界数据库等进行联系，进一步实现制造、管理、经营、销售、服务等方面之间的网络化，也即向计算机集成制造系统方向发展。 3高可靠性 数控系统比较贵重，用户期望发挥投资效益，要求设备可靠。特别是对要用在长时间无人操作环境下运行的数控系统，可靠性成为人们最为关注的问题。提高可靠性通常可采取如下措施： (1)提高线路集成度 采用大规模或超大规模的集成电路、专用芯片及混合式集成电路，以减少元器件的数量，精简外部连线和减低功耗。 (2)建立由设计、试制到生产的一整套质量保证体系 例如，采取防电源干扰，输入输出光电隔离；使数控系统模块化、通用化及标准化，以便于组织批量生产及维修；在安装制造时注意严格筛选元器件；对系统可靠性进行全面的检查、考核等，通过这些手段均司保证产品质量。 (3)增强故障自诊断功能和保护功能 数控系统可能由于元器件失效、编程及人为操作错误等原因出现故障。数控系统一般具 有故障自诊断功能，能够对硬件和软件进行故障诊断，自动显示出故障的部位及类型，以便快速排除故障。新型数控系统具有故障预报和自恢复功能。此外，还要注意增强监控与保护功能，例如，有的系统设有刀具破损检测、行程范围保护和断电保护等功能，以避免损坏机床和报废工件。由于采取了各种有效的可靠性措施，现代数控系统的平均无故障时间(MTBF)可达到10 00036 000 h。1.4.2伺服系统的发展伺服系统是数控系统的重要组成部分，伺服系统的静态和动态性能直接影响数控机床的定位精度、加工精度和位移速度。当前，伺服系统的发展趋势如下。1全数字式控制系统 伺眼系统传统的位置控制是将位置控制信号反馈至数控系统，与位置指令比较后输出速度控制模拟信号至伺服驱动装置；而全数字式数控系统的位置比较则是在伺服驱动装置中完成的，数控系统仅输出位置指令的数字信号至伺服驱动装置。 另外，直流伺服系统逐渐被交流数字伺服系统所代替。在全数字式控制系统中，位置环、速度环和电流环等参数均实现了数字化，实现了几乎不受负载变化影响的高速响应的伺服系统。2采用高分辨率的位置检测装置 现代数控机床的位置检测大多采用高分辨率的光栅和光电编码器，必要时采用细分电路，以进一步提高分辨率。3软件补偿 现代数控机床利用数控系统的补偿功能，通过参数设置，对伺服系统进行多种补偿，如位置环增益、轴向运动误差补偿、反向间隙补偿及丝杠螺距累积误差补偿等。4前馈控制 传统的伺服系统是将指令位置和实际位置的偏差乘以位置环增益作为速度指令，经伺服驱动装置拖动伺服电动机，这种方式总是存在着位置跟踪滞后误差，使得在加工拐角及圆弧时加工情况恶化。通过前馈控制，使跟踪滞后误差大为减小，从而提高位置控制精度。5机械静、动摩擦的非线性控制技术 机床动、静摩擦的非线性会导致爬行现象，除采取降低静摩擦的措施外，新型的伺服系统还具有自动补偿机械系统静、动摩擦非线性的控制功能。本章小结 本章主要介绍了数控机床电气控制技术的基本概念、数控机床电气控制系统的组成、数控机床电气控制技术的发展前景及数控机床电气控制技术的经济效益和社会效益。应重点掌握数控机床电气控制技术的基本概念和数控机床电气控制系统的组成，了解数控机床电气控制技术的发展前景及数控机床电气控制技术的经济效益和社会效益。思考题及习题1什么叫数控技术?2数控机床控制系统由哪几部分组成?3数控系统按被控对象运动轨迹分为哪几类?4轮廓控制、点位控制和点位直线控制各有何特点?5说明闭环、半闭环和开环伺服系统的组成及各自的特点。6数控系统按功能水平分类，可分为哪几类?7.简述数控技术的发展趋势。第2章数控机床常用低压电器、执行电器及检测装置内容提要 本章主要讲述了接触器、继电器、熔断器、低压断路器、低压开关、主令电器、电磁阀 等低压电器的用途、基本结构、工作原理及其主要参数和图形符号。 学习要求 掌握常用低压电器的工作原理，图形符号及用途。 了解各低压电器的技术参数，以便正确选取电器。随着电器技术不断发展，为提高系统的可靠性，应尽量选用新型的电器元件。2.1常用低压电器 2.1.1 概述电器是根据外界特定的信号和要求，自动或手动接通和断开电路，断续或连续地改变电路参数，实现对电路或非电对象的切换、控制、保护、检测、变换和调节的电气设备。电器的种类繁多，构造各异。根据其工作电压高低，电器可分为高压电器和低压电器。低压电器通常是工作在交流额定电压1200V及以下，直流额定电压1500V及以下的电路中起通断、保护、控制或调节作用的电器，例如接触器、继电器等。低压电器是电力拖动自动控制系统的基本组成元件，电气技术人员必须熟练掌握低压电器的结构、原理，并能正确选用和维护。2.1.2低压电器的分类低压电器种类繁多、结构各异、用途广泛及功能多样，按其在电路中的作用分为以下4类： (1)控制电器 用于各种控制电路和控制系统的电器，在电路中主要起控制和转换作用，包括接触器、继电器和电动机起动器等。 (2)主令电器 用于自动控制系统中发送动作指令的电器，包括控制按钮和行程开关等。 (3)保护电器 用于保护电路及用电设备的电器，包括熔断器、热继电器、各种保护继电器和避雷器等。 (4)执行电器 用于完成某种动作或传送功能的电器，包括电磁阀和电磁离合器等。2.1.3低压电器的基本结构 电磁式低压电器在电气控制线路中使用量很大，类型也很多，这些低压电器的工作原理和结构基本相同，就其结构而言，大都由3部分组成，即触点系统、灭弧装置和电磁机构。 1电磁机构 电磁机构又叫电磁铁，它是电磁式低压电器的感测部件，它的作用是将电磁能转换成机械能，带动触点动作使之闭合或断开，从而实现电路的接通或分断。电磁机构由吸引线圈、铁心和衔铁等几部分组成，常见的3种结构如图2一l所示。图21电磁机构的结构(a)拍合式；(b)转动式；(c)直动式1一衔铁；2一铁心；3一吸引线圈电磁机构的工作原理是：当线圈通人电流后，产生磁场，磁通经铁心、衔铁和工作气隙形成闭合回路，产生电磁吸力，将衔铁吸向铁心。与此同时，衔铁还要受到复位弹簧的反作用力，只有电磁吸力大于弹簧反作用力时，衔铁才能可靠地被铁心吸住。按通人吸引线圈的电流种类的不同可分为直流线圈和交流线圈，与之对应的有直流电磁机构和交流电磁机构。对于直流电磁机构，因其铁心不发热，只有线圈发热，所以通常直流电磁机构的铁心是用整块钢材或工程纯铁制成，而且它的激磁线圈高而薄，且不设线圈骨架，使线圈与铁心直接接触，这样的结构有利于铁心的散热；对于交流电磁机构，由于铁心和线圈都发热，所以通常交流电磁机构的铁心用硅钢片叠铆而成，而且它的激磁线圈短而厚，其中设有骨架，使铁心与线圈隔离，这样的结构有利于铁心和线圈的散热。 由于交流电磁铁的铁心的磁通是交变的，当线圈中通以交变电流时，在铁心中产生的磁通1，也是交变的，对衔铁的吸力时大时小。当磁通过零时，电磁吸力也为零，吸合后的衔铁在复位弹簧的反力作用下将被拉开，磁通过零后电磁吸力又增大，当吸力大于反力时，衔铁又被吸合。这样造成衔铁产生振动，同时还产生噪声，甚至使铁心松散。如果在交流接触器铁心端面上都安装一个铜制的短路环后，如图22所示，交变磁通1的一部分穿过短路环，在环中产生感应电流，产生磁通，与环中的磁通合成为磁通2。1与2相位不同，也即不同时为零。这样就使得线圈的电流和铁心磁通1为零时，环中产生的磁通不为零，仍然将衔铁吸住，衔铁就不会产生振动和噪声。图2-2交流电磁铁结构2触点系统触点是电磁式电器的执行元件，用它来接通或断开被控制电路。触点的结构形式很多，按其所控制的电路可分为主触点和辅助触点。主触点用于接通或断开主电路，允许通过较大的电流；辅助触点用于接通或断开控制电路，只能通过较小的电流。触点按其原始状态可分为常开(动合)触点和常闭(动断)触点。原始状态时(即线圈未通电)断开，线圈通电后闭合的触点叫常开触点；原始状态闭合，线圈通电后断开的触点叫常闭触点。触点按其接触形式可分为点接触、线接触和面接触3种，如图23所示。在触点的3种接触形式中，点接触形式只能用于小电流的电器中，如接触器的辅助触点和继电器的触点；面接触形式允许通过较大的电流，一般在其接触面上镶有合金以减小触点的接触电阻，提高耐磨性，容量较大的接触器的主触点多用这类触点；线接触形式触点的接触区域是一条直线，触点在通断过程中波动动作，从而保证了触点的良好接触，这种接触多用于中等容量的触点，如一般接触器的主触点。 。在常用的继电器和接触器中，主要有桥形触点和指形触点2种结构，如图24所示。桥形触点一般为点接触和面接触形式；指形触点一般为线接触形式。为了使触点接触得更加紧密，以减小接触电阻，消除接触时产生的振动，常常在触点上装有接触弹簧，它对触点产生压力作用，触点闭合的程度越大，压力越大。图2-3触点的接触形式 图2-4触点的结构(a)点接触(b)线接触(c)面接触 (a)桥式触点(b)指形触点3灭弧装置当触点断开大电流的瞬间，触点间距离极小，电场强度较大，触点间产生大量的带电粒子，形成炽热的电子流，产生弧光放电现象，称为电弧。显然，电压越高，电流越大，电弧功率也越大；弧区温度越高，游离程度越大，电弧亦越强。电弧的出现，既妨碍电路的正常分断，又使触点受到严重灼伤，为此必须采用有效的措施进行灭弧，以保证电路和电气元件工作的安全可靠。根据上面的分析，要使电弧熄灭，应设法降低电弧的温度和电场强度，常用的灭弧装置有 电动力灭弧、纵缝灭弧和栅片灭弧等。(1)电动力灭弧 如图25a、b、c所示，当触头断开时，在断口中产生电弧，根据右手螺旋定则，产生如图所示的磁场，此时，电弧可看作一载流导体，又根据电动力左手定则，对电弧产生图示电动力，将电弧拉断，从而起到灭弧作用。(2)纵缝灭弧 纵缝灭弧是依靠磁场产生的电动力将电弧拉人用耐弧材料制成的狭缝中，以加快电弧冷却，达到灭弧的目的，如图25d、e所示。(3)栅片灭弧 如图25f所示，当电器的触头分开时，所产生的电弧在电动力的作用下被拉入一组静止的金属片中，这组金属片称为栅片，是互相绝缘的。电弧进入栅片后被分割为数股，并被冷却以达到灭弧目的。图2-5 灭弧装置(a)、(b)、(c)电动力灭弧；(d)、(e)纵缝灭弧；(f)栅片灭弧1一静触头；2一动触头；3一纵缝中的电弧；4一电弧电流；5一灭弧电流；6一隔板；7一散热片；8一栅片；9一电弧V1一动触点移动速度；V2一电弧在电磁力作用下的移动速度2.2低压开关低压开关是低压电器中结构简单、应用广泛的一类手动操作电器，它主要有刀开关、组合开关和万能转换开关等，它的作用是在电源切断后，将线路与电源明显地隔开，以保障修检人员的安全。2.2.1刀开关刀开关主要有胶壳开关和铁壳开关两种，开关内都装有熔断器，兼有短路保护功能。刀开关安装时，手柄向上，不得倒装或平装。 1胶壳刀开关 胶壳刀开关俗称闸刀开关，是结构最简单、应用最广泛的一种手动电器，如图26所示。它主要用于电路的电源开关和容量小于7.5kw的异步电动机。它是非频繁起动的操作开关。胶壳刀开关由操作手柄、熔丝、刀片、刀座和底座组成，按极数分有单极、双极与三极开关.如图27所示。图26 HK系列刀开关结构1一胶盖2一胶盖紧固螺钉3一进线座4一静触头5一熔体6一瓷底7一出线座8动触头9一瓷柄2.铁壳开关铁壳开关也称封闭式负荷开关。图2-7所示为常用的HH系列铁壳开关结构示意图。它由刀开关、熔断器、灭弧装置、操作机构和金属外壳组成。图2-7 HH系列铁壳开关结构示意图1-U形开关；2-静夹座；3-熔断器；4-弹簧；5-转轴；6-操作手柄 铁壳开关的操作机构具有以下两个特点：一是设有连锁装置，保证开关在合闸状态下开关盖不能开启，而开启时不能合闸，以保证操作安全；二是采用储能分合闸方式。操作机构中，在手柄转轴与底座之问装有速动弹簧，使开关快速接通与断开，而与手柄的操作速度无关，这样有利于迅速灭弧。 操作时，人要在铁壳开关的手柄侧，不要面对开关，以免意外故障使开关爆炸，铁壳飞出伤人。开关外壳应可靠接地，以防止意外漏电而造成触电事故。 3.刀开关的主要技术参数和电气符号刀开关的主要技术参数有额定电压、额定电流、通断能力、热稳定电流、动稳定电流等。(1)额定电压指在规定条件下，保证电器正常工作的电压值。目前国内生产的刀开关，其额定电压为交流500 V以下，直流440 V以下。(2)额定电流指在规定条件下，保证电器正常工作的电流值。目前生产的刀开关，其额定工作电流为10 A、15 A、20 A、30 A、60 A、100 A、200 A、400 A、600 A、1 000 A及1 500 A等。(3)通断能力指在规定条件下，能在额定电压下接通或分断的电流值。(4)热稳定电流热稳定电流是指当电路发生短路故障时，刀开关在一定时间(通常为1 s)内通过某一短路电流，但并不会因温度急剧上升而产生熔焊现象，这一最大短路电流称为刀开关的热稳定电流。(5)动稳定电流动稳定电流是指当电路发生短路故障时，刀开关并不因短路电流产生的电动力作用而发生变形、损坏或触刀自动弹出等现象，这一短路电流峰值即为刀开关的动稳定电流。 一般刀开关的热稳定电流和动稳定电流都可达到额定电流的数十倍。 目前，常用的刀开关有HD系列刀形隔离器、HS系列双投刀开关、HK系列胶盖刀开关、HH系列负荷开关及HR系列熔断器式刀开关。刀开关的图形符号和文字符号如图2-8所示。图2-8刀开关的图形符号和文字符号a)单极b)双极c)三极d)三极刀熔开关4.刀开关的选用原则 根据使用场合选择刀开关的类型、极数和操作方式。 刀开关的额定电压应大于或等于线路电压。 刀开关的额定电流应大于或等于线路的额定电流。对于普通负载，刀开关可以根据 额定电流来选择。而对于电动机负载，开启式刀开关的额定电流可选电动机额定电流的3倍，封闭式刀开关的额定电流可选电动机额定电流的15倍。2.2.2组合开关组合开关是一种多触点、多位置式、可控制多个回路的电器。一般用于电气设备中非频繁地通断电路、换接电源和负载，测量三相电压以及控制小容量电动机。组合开关由动触点(动触片)、静触点(静触片)、转轴、手柄、定位机构及外壳等部分组成。其动、静触点分别装于数层绝缘壳内，如图2-9所示为HZl0组合开关结构示意图。当转动手柄时，每层的动触点随方形转轴一起转动，从而实现对电路的通、断控制。其图形符号如图2-10所示，文字符号为QS。 组合开关的主要参数有额定电压、额定电流、极数，常用型号有HZl0、HZl5系列。图2-9组合开关的外形与结构示意图a)外形图b)结构示意图1一手柄2一转轴3一弹簧4一凸轮5一绝缘垫板6一动触片7一静触片8一接线柱9一绝缘方轴图2-10组合开关的图形符号a)单极 b)三极2.3主令电器主令器是用来接通和分断控制电路以发号施令的电器。主令器用于控制电路，不能直接分合主电路。主令电器种类繁多，按其作用可分为按钮开关、行程开关、接近开关、万能转换开关等。2.3.1按钮开关按钮开关通常用做短时接通或断开小电流控制电路的开关，通常用于控制电路中发出启动或停止等指令，通过接触器、继电器等控制电器接通或断开主电路。(1)按钮开关的结构组成和工作原理按钮开关由按钮帽、复位弹簧、桥式触头、静触头和外壳组成，通常制成具有常开触头和常闭触头的复合结构。触点额定电流5A以下，其结构如图2-11所示，图形符号及文字符号如图2-12所示。图213按钮外形与结构示意图(a)外形图；(b)结构示意图1,2一常闭触点