張華忠，劉 操

（日照職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東日照 276826）

數(shù)控機(jī)床電氣安全的研究與應(yīng)用

張華忠，劉 操

（日照職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東日照 276826）

為提升數(shù)控機(jī)床電氣裝置安全而進(jìn)行的研究，主要是從保護(hù)性接地、電氣隔離特低電壓、剩余電流保護(hù)等方面進(jìn)行深入分析，根據(jù)分析結(jié)果用以指導(dǎo)設(shè)計(jì)和安裝數(shù)控機(jī)床電氣裝置時(shí)電氣安全需要，并給出在數(shù)控機(jī)床中的實(shí)際應(yīng)用中解決措施。

保護(hù)接地；數(shù)控機(jī)床；電氣安全；剩余電流

數(shù)控機(jī)床在加工運(yùn)行的過程中，它的電氣安全問題關(guān)系到操作人員的人身安全以及機(jī)床運(yùn)行的可靠性和加工精度。因此處理好數(shù)控機(jī)床的電氣安全問題就顯得十分重要。但是許多數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)廠家及使用企業(yè)并未對(duì)此引起足夠的重視，以至于數(shù)控機(jī)床在運(yùn)行的過程中，因發(fā)生安全事故造成重大損失，出現(xiàn)機(jī)床加工精度不足、穩(wěn)定性差等很多問題。特別是數(shù)控機(jī)床現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試人員，在施工過程中存在許多不合適的做法，造成機(jī)床電氣安全問題，留下隱患。

研究數(shù)控機(jī)床電氣安全主要目的是保護(hù)操作人員的人身安全和數(shù)控機(jī)床中各個(gè)電氣部件的安全可靠。造成電氣安全問題主要有直接電擊和間接電擊兩個(gè)方面。直接電擊事故的發(fā)生主要由于數(shù)控機(jī)床防護(hù)措施不好，人體不慎接觸到帶電部分引起的電擊事故，它主要的解決措施是物理防護(hù)，因此不是本文研究的重點(diǎn)。本文主要考慮的數(shù)控機(jī)床電氣安全是間接接觸電擊研究與防護(hù)。當(dāng)數(shù)控機(jī)床電氣裝置因破損或者其他原因發(fā)生接地故障，使原本不帶電電氣設(shè)備外露導(dǎo)電部分因此帶對(duì)地故障電壓，人體如果接觸此故障電壓而遭受電擊。根據(jù)研究結(jié)果，為了防止這類事故的發(fā)生，必須在機(jī)床電氣裝置設(shè)計(jì)和電氣工程安裝時(shí)，采取必要措施，提升數(shù)控機(jī)床的電氣安全。

1 數(shù)控機(jī)床電氣裝置組成

數(shù)控機(jī)床是制造業(yè)中精密和高效的加工設(shè)備，數(shù)控機(jī)床電氣系統(tǒng)主要由數(shù)控系統(tǒng)、電源模塊、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、伺服主軸驅(qū)動(dòng)器（或變頻器）、伺服主軸電機(jī)（或變頻主軸電機(jī)）、控制變壓器、PLC輸入輸出模塊、強(qiáng)電柜的機(jī)床電器元器件、各種電動(dòng)機(jī)、電磁閥和機(jī)床操作面板等組成[1]。數(shù)控機(jī)床電氣裝置控制機(jī)床各部件完成相應(yīng)功能并協(xié)調(diào)各部件的運(yùn)行，是數(shù)控機(jī)床能夠完成復(fù)雜零件加工和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)的保障，是數(shù)控機(jī)床的核心和中樞部分。

2 數(shù)控機(jī)床電氣安全研究與應(yīng)用

2.1 數(shù)控機(jī)床保護(hù)性接地研究與應(yīng)用

在數(shù)控機(jī)床電氣系統(tǒng)中，保護(hù)接地是數(shù)控機(jī)床本體及電氣裝置內(nèi)外外露部分接地，保護(hù)接地對(duì)于電氣安全非常重要?，F(xiàn)在我國(guó)多數(shù)加工企業(yè)、廠家配電系統(tǒng)采用TN-S系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 TN-S系統(tǒng)接地故障分析

當(dāng)發(fā)生相線碰數(shù)控機(jī)床外殼接地故障后，如果沒有機(jī)床外殼接到保護(hù)地線PE上，設(shè)備外殼的對(duì)地電壓Ut即為L(zhǎng)1相電壓220 V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過安全電壓50 V，人體如果接觸到此電壓，電擊致死的危險(xiǎn)性非常大。所以在數(shù)控機(jī)床中必須要有保護(hù)性接地。當(dāng)做保護(hù)性接地后，即機(jī)床或電氣裝置外殼接在PE線上，外殼電壓建有很大程度的降低。當(dāng)發(fā)生相線碰機(jī)床外殼的故障時(shí)，故障的電流值Id[2]為：

式中：U——系統(tǒng)L1相電壓；

ZL——相線阻抗；

ZPE——保護(hù)零線阻抗；

ZT——變壓器計(jì)算阻抗；

Id——故障電流。

因?yàn)樵诠收线^程中接地電阻Ro上無電流通過，系統(tǒng)中性點(diǎn)依然保持地電位，故機(jī)床設(shè)備外殼預(yù)期電壓Ut[2]為

通過以上公式可見，在保護(hù)接地狀態(tài)下，數(shù)控機(jī)床故障預(yù)期電壓的大小取決于相線和保護(hù)地線(PE)的阻抗大小。在TN-S系統(tǒng)中一般情況下，PE線的面積不會(huì)大于相線面積，因此ZPE≥ZL，當(dāng)線路較長(zhǎng)時(shí)ZT可以忽略不計(jì)，所以（ZL+ZT）/ ZPE≤1，所以在數(shù)控機(jī)床發(fā)生電氣故障時(shí)，人體的預(yù)期接觸電壓大約在110 V左右，因此遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于沒有接地保護(hù)時(shí)的預(yù)期電壓220 V。

盡管保護(hù)接地在數(shù)控機(jī)床發(fā)生相線碰殼故障時(shí)有降低接觸電壓的作用，但是不能將預(yù)期接觸電壓降至安全電壓50 V以內(nèi)，仍會(huì)發(fā)生人身觸電發(fā)生危險(xiǎn)事故。為消除此種危險(xiǎn)，在TN-S系統(tǒng)中，采用過電流保護(hù)器來消除電擊危險(xiǎn)。因此在數(shù)控機(jī)床電氣裝置中，需安裝斷路器來實(shí)現(xiàn)保護(hù)。其工作原理就是當(dāng)機(jī)床發(fā)生相線碰外殼短路故障時(shí)，故障電流Id較大，引用其作用于斷路器，使其能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)可靠的切斷電源，防止事故的發(fā)生。在選用斷路器是要滿足以下條件：

式中：ZS——故障回路阻抗，及ZL+ZPE+ ZT；Ia——短路器在規(guī)定時(shí)間動(dòng)作時(shí)的最小電流；Id——故障電流。

從上式可得出，數(shù)控機(jī)床的電氣裝置中，每部分的電氣裝置需要設(shè)置合適的斷路器，斷路器的選擇要合適，特別是Ia的選擇至關(guān)重要，否則即保護(hù)接地系統(tǒng)多么完善，也起不到根本的保護(hù)作用。同時(shí)可以看到如果降低線路的阻抗，這樣對(duì)電擊防護(hù)是有利，會(huì)使Id故障電流增大，有利于機(jī)床電氣裝置斷路器的動(dòng)作，因此在設(shè)計(jì)線路時(shí)，盡量在經(jīng)濟(jì)的條件下加大PE線和相線的面積。

2.2 數(shù)控機(jī)床剩余電流研究與應(yīng)用[3]

盡管數(shù)控機(jī)床電氣裝置TN-S系統(tǒng)中，斷路器多數(shù)情況下能夠在規(guī)定時(shí)間內(nèi)切斷電氣故障，確保人身安全。但是在設(shè)計(jì)和裝配調(diào)試數(shù)控機(jī)床電氣系統(tǒng)時(shí)，不可能逐一校驗(yàn)每部分電氣設(shè)備發(fā)生接地故障時(shí)過電流保護(hù)能夠滿足電氣防護(hù)的要求，即便校驗(yàn)也不一定正確，因?yàn)槊總€(gè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的線路阻抗是不同的，且當(dāng)接地線(PE)發(fā)生斷線時(shí)，短路器回路沒有電流存在，斷路器保護(hù)對(duì)相線碰殼故障不再起作用。因此在數(shù)控機(jī)床電氣裝置需要增加剩余電流保護(hù)裝置，也就是漏電保護(hù)措施，對(duì)完善數(shù)控機(jī)床電擊防護(hù)有很大的益處。一般情況下，整個(gè)數(shù)控機(jī)床電氣裝置采用一個(gè)剩余電流保護(hù)（RCD）裝置即可，如圖2。其原理是只要接地故障電流Id大于剩余電流保護(hù)電器（RCD）額定動(dòng)作電流，便及時(shí)切斷電路。采用RCD后，能夠極大的提升系統(tǒng)的電擊防護(hù)靈敏度。根據(jù)不同的數(shù)控機(jī)床電氣裝置要合理的采用剩余電流保護(hù)電器（RCD）。

圖2 數(shù)控機(jī)床剩余電流保護(hù)裝置安裝位置

2.3 數(shù)控機(jī)床電氣隔離和特低電壓的研究與應(yīng)用

數(shù)控機(jī)床重要的組成部分?jǐn)?shù)控系統(tǒng)對(duì)電壓的波動(dòng)以及電磁的干擾非常靈敏，且在機(jī)床床身處有好多位置行程開關(guān)和電磁閥來檢測(cè)機(jī)床的狀態(tài)、控制機(jī)床的動(dòng)作，工作人員在操作和維修的過程中，很容易接觸到這些開關(guān)。為了不發(fā)生電氣安全危險(xiǎn)，在數(shù)控機(jī)床電氣系統(tǒng)采用電氣隔離措施和特低電壓，防止電擊事故的發(fā)生。

在數(shù)控電氣裝置中，最好將控制線路、伺服系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)以及相應(yīng)的輸入輸出線路都采用變壓器供電。這樣變壓器兩側(cè)通過磁路來傳遞能量，在電氣系統(tǒng)中沒有直接的聯(lián)系，即便是變壓器一次側(cè)發(fā)生故障，也不至于將故障引入變壓器二次側(cè)部分，使上述多個(gè)系統(tǒng)不至于受到侵害。

在機(jī)床容易接觸到的電氣部分，在設(shè)計(jì)電氣系統(tǒng)時(shí)采用24 V的特低電壓，控制線路、數(shù)控系統(tǒng)、輸入輸出部分都采用特低電壓。這樣工作人員即便接觸到這些部分，也不至于發(fā)生電擊危險(xiǎn)。

2.4 數(shù)控機(jī)床電氣系統(tǒng)中性線的處理

在數(shù)控機(jī)床供電系統(tǒng)中，一般不會(huì)使用中性線（N）。因?yàn)槿绻褂弥行跃€，在中性線斷線的情況下，會(huì)使中性點(diǎn)數(shù)值發(fā)生偏移，造成三相電壓不平衡，這樣設(shè)備即便能夠運(yùn)轉(zhuǎn)，但在不正常狀態(tài)下運(yùn)行，極有可能發(fā)生電氣事故和燒毀設(shè)備。特別數(shù)控機(jī)床許多電機(jī)，因?yàn)椴还茈妷旱纳哌€是降低，都會(huì)引起電機(jī)的發(fā)熱，這樣使電機(jī)絕緣老化加速而縮短使用壽命，極端情況下還能引起火災(zāi)。而且更為不利的是發(fā)生故障時(shí)設(shè)備能夠運(yùn)轉(zhuǎn)，其危險(xiǎn)性不容易被發(fā)現(xiàn)，故障難以很快的解除，更容易引發(fā)其他電氣故障。所以在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床電氣系統(tǒng)中，一般情況下不允許使用中性線。

3 結(jié)語(yǔ)

通過本文的研究，認(rèn)識(shí)到接地、剩余電流保護(hù)、電氣隔離和特低電壓對(duì)數(shù)控機(jī)床電氣裝置設(shè)計(jì)和安裝中的重要性。只有在數(shù)控機(jī)床電氣裝置設(shè)計(jì)中很好的遵守電氣安全措施，才能保證在不同的電氣環(huán)境下下，減小甚至杜絕電氣事故的發(fā)生。特別在數(shù)控機(jī)床的安裝調(diào)試過程中，不同企業(yè)的安裝環(huán)境條件不同，安裝調(diào)試人員更要熟悉和理解數(shù)控機(jī)床的電氣安全措施，才能有效的保護(hù)設(shè)備和操作人員的安全。

通過本文的研究和在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用，可以提高數(shù)控機(jī)床的電氣安全，防止事故的發(fā)生，同時(shí)能夠提升數(shù)控機(jī)床的高干擾性、加工精度，保持機(jī)床的穩(wěn)定性，從而提高數(shù)控機(jī)床的加工效率。

［1］郁漢琪.機(jī)床電氣控制技術(shù)［M］.北京：高等教育出版社，2010.

［2］楊岳.電氣安全［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［3］王厚余.低壓電氣裝置的設(shè)計(jì)安裝和檢驗(yàn)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2007.

Research and Application of Electrical Safety of CNC Machine

ZHANG Hua-zhong，LIU Cao
（Rizhao Polytechnic，Rizhao276826，China）

This study in order to improve the safety of CNC machine tool electrical device,is mainly carried out in-depth analysis of grounding,electrical isolation of extra low voltage,residual current protection from the aspects of protection,according to the results of the analysis were used to guide the design and installation of CNC machine tool electrical device electrical safety needs,and gives the solutions to practical application in NC machine tool.

protective earthing；CNC machine tools；electrical safety；residual current

TG659

A

1009－9492(2014)07－0022－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.07.007

張華忠，男，1974年生，山東濰坊人，碩士研究生，講師。研究領(lǐng)域：機(jī)械設(shè)計(jì)制造與自動(dòng)化。已發(fā)表論文3篇。

(編輯：阮 毅)

2014－03－04