數控機床電氣安全的研究與應用

張華忠，劉 操

（日照職業技術學院，山東日照 276826）

數控機床電氣安全的研究與應用

張華忠，劉 操

（日照職業技術學院，山東日照 276826）

為提升數控機床電氣裝置安全而進行的研究，主要是從保護性接地、電氣隔離特低電壓、剩余電流保護等方面進行深入分析，根據分析結果用以指導設計和安裝數控機床電氣裝置時電氣安全需要，并給出在數控機床中的實際應用中解決措施。

保護接地；數控機床；電氣安全；剩余電流

數控機床在加工運行的過程中，它的電氣安全問題關系到操作人員的人身安全以及機床運行的可靠性和加工精度。因此處理好數控機床的電氣安全問題就顯得十分重要。但是許多數控機床生產廠家及使用企業并未對此引起足夠的重視，以至于數控機床在運行的過程中，因發生安全事故造成重大損失，出現機床加工精度不足、穩定性差等很多問題。特別是數控機床現場安裝調試人員，在施工過程中存在許多不合適的做法，造成機床電氣安全問題，留下隱患。

研究數控機床電氣安全主要目的是保護操作人員的人身安全和數控機床中各個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方面。直接電擊事故的發生主要由于數控機床防護措施不好，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，因此不是本文研究的重點。本文主要考慮的數控機床電氣安全是間接接觸電擊研究與防護。當數控機床電氣裝置因破損或者其他原因發生接地故障，使原本不帶電電氣設備外露導電部分因此帶對地故障電壓，人體如果接觸此故障電壓而遭受電擊。根據研究結果，為了防止這類事故的發生，必須在機床電氣裝置設計和電氣工程安裝時，采取必要措施，提升數控機床的電氣安全。

1 數控機床電氣裝置組成

數控機床是制造業中精密和高效的加工設備，數控機床電氣系統主要由數控系統、電源模塊、伺服驅動器、伺服電機、伺服主軸驅動器（或變頻器）、伺服主軸電機（或變頻主軸電機）、控制變壓器、PLC輸入輸出模塊、強電柜的機床電器元器件、各種電動機、電磁閥和機床操作面板等組成[1]。數控機床電氣裝置控制機床各部件完成相應功能并協調各部件的運行，是數控機床能夠完成復雜零件加工和實現自動化生產的保障，是數控機床的核心和中樞部分。

2 數控機床電氣安全研究與應用

2.1 數控機床保護性接地研究與應用

在數控機床電氣系統中，保護接地是數控機床本體及電氣裝置內外外露部分接地，保護接地對于電氣安全非常重要。現在我國多數加工企業、廠家配電系統采用TN-S系統，如圖1所示。

圖1 TN-S系統接地故障分析

當發生相線碰數控機床外殼接地故障后，如果沒有機床外殼接到保護地線PE上，設備外殼的對地電壓Ut即為L1相電壓220 V，遠遠超過安全電壓50 V，人體如果接觸到此電壓，電擊致死的危險性非常大。所以在數控機床中必須要有保護性接地。當做保護性接地后，即機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。當發生相線碰機床外殼的故障時，故障的電流值Id[2]為：

式中：U——系統L1相電壓；

ZL——相線阻抗；

ZPE——保護零線阻抗；

ZT——變壓器計算阻抗；

Id——故障電流。

因為在故障過程中接地電阻Ro上無電流通過，系統中性點依然保持地電位，故機床設備外殼預期電壓Ut[2]為

通過以上公式可見，在保護接地狀態下，數控機床故障預期電壓的大小取決于相線和保護地線(PE)的阻抗大小。在TN-S系統中一般情況下，PE線的面積不會大于相線面積，因此ZPE≥ZL，當線路較長時ZT可以忽略不計，所以（ZL+ZT）/ ZPE≤1，所以在數控機床發生電氣故障時，人體的預期接觸電壓大約在110 V左右，因此遠遠低于沒有接地保護時的預期電壓220 V。

盡管保護接地在數控機床發生相線碰殼故障時有降低接觸電壓的作用，但是不能將預期接觸電壓降至安全電壓50 V以內，仍會發生人身觸電發生危險事故。為消除此種危險，在TN-S系統中，采用過電流保護器來消除電擊危險。因此在數控機床電氣裝置中，需安裝斷路器來實現保護。其工作原理就是當機床發生相線碰外殼短路故障時，故障電流Id較大，引用其作用于斷路器，使其能夠在規定的時間內可靠的切斷電源，防止事故的發生。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——短路器在規定時間動作時的最小電流；Id——故障電流。

從上式可得出，數控機床的電氣裝置中，每部分的電氣裝置需要設置合適的斷路器，斷路器的選擇要合適，特別是Ia的選擇至關重要，否則即保護接地系統多么完善，也起不到根本的保護作用。同時可以看到如果降低線路的阻抗，這樣對電擊防護是有利，會使Id故障電流增大，有利于機床電氣裝置斷路器的動作，因此在設計線路時，盡量在經濟的條件下加大PE線和相線的面積。

2.2 數控機床剩余電流研究與應用[3]

盡管數控機床電氣裝置TN-S系統中，斷路器多數情況下能夠在規定時間內切斷電氣故障，確保人身安全。但是在設計和裝配調試數控機床電氣系統時，不可能逐一校驗每部分電氣設備發生接地故障時過電流保護能夠滿足電氣防護的要求，即便校驗也不一定正確，因為每個現場環境的線路阻抗是不同的，且當接地線(PE)發生斷線時，短路器回路沒有電流存在，斷路器保護對相線碰殼故障不再起作用。因此在數控機床電氣裝置需要增加剩余電流保護裝置，也就是漏電保護措施，對完善數控機床電擊防護有很大的益處。一般情況下，整個數控機床電氣裝置采用一個剩余電流保護（RCD）裝置即可，如圖2。其原理是只要接地故障電流Id大于剩余電流保護電器（RCD）額定動作電流，便及時切斷電路。采用RCD后，能夠極大的提升系統的電擊防護靈敏度。根據不同的數控機床電氣裝置要合理的采用剩余電流保護電器（RCD）。

圖2 數控機床剩余電流保護裝置安裝位置

2.3 數控機床電氣隔離和特低電壓的研究與應用

數控機床重要的組成部分數控系統對電壓的波動以及電磁的干擾非常靈敏，且在機床床身處有好多位置行程開關和電磁閥來檢測機床的狀態、控制機床的動作，工作人員在操作和維修的過程中，很容易接觸到這些開關。為了不發生電氣安全危險，在數控機床電氣系統采用電氣隔離措施和特低電壓，防止電擊事故的發生。

在數控電氣裝置中，最好將控制線路、伺服系統、數控系統以及相應的輸入輸出線路都采用變壓器供電。這樣變壓器兩側通過磁路來傳遞能量，在電氣系統中沒有直接的聯系，即便是變壓器一次側發生故障，也不至于將故障引入變壓器二次側部分，使上述多個系統不至于受到侵害。

在機床容易接觸到的電氣部分，在設計電氣系統時采用24 V的特低電壓，控制線路、數控系統、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，也不至于發生電擊危險。

2.4 數控機床電氣系統中性線的處理

在數控機床供電系統中，一般不會使用中性線（N）。因為如果使用中性線，在中性線斷線的情況下，會使中性點數值發生偏移，造成三相電壓不平衡，這樣設備即便能夠運轉，但在不正常狀態下運行，極有可能發生電氣事故和燒毀設備。特別數控機床許多電機，因為不管電壓的升高還是降低，都會引起電機的發熱，這樣使電機絕緣老化加速而縮短使用壽命，極端情況下還能引起火災。而且更為不利的是發生故障時設備能夠運轉，其危險性不容易被發現，故障難以很快的解除，更容易引發其他電氣故障。所以在設計數控機床電氣系統中，一般情況下不允許使用中性線。

3 結語

通過本文的研究，認識到接地、剩余電流保護、電氣隔離和特低電壓對數控機床電氣裝置設計和安裝中的重要性。只有在數控機床電氣裝置設計中很好的遵守電氣安全措施，才能保證在不同的電氣環境下下，減小甚至杜絕電氣事故的發生。特別在數控機床的安裝調試過程中，不同企業的安裝環境條件不同，安裝調試人員更要熟悉和理解數控機床的電氣安全措施，才能有效的保護設備和操作人員的安全。

通過本文的研究和在數控機床上的應用，可以提高數控機床的電氣安全，防止事故的發生，同時能夠提升數控機床的高干擾性、加工精度，保持機床的穩定性，從而提高數控機床的加工效率。

［1］郁漢琪.機床電氣控制技術［M］.北京：高等教育出版社，2010.

［2］楊岳.電氣安全［M］.北京：機械工業出版社，2010.

［3］王厚余.低壓電氣裝置的設計安裝和檢驗［M］.北京：中國電力出版社，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。研究領域：機械設計制造與自動化。已發表論文3篇。

(編輯：阮 毅)

2014－03－04