数控机床电气安全的研究与应用

张华忠，刘 操

（日照职业技术学院，山东日照 276826）

数控机床电气安全的研究与应用

张华忠，刘 操

（日照职业技术学院，山东日照 276826）

为提升数控机床电气装置安全而进行的研究，主要是从保护性接地、电气隔离特低电压、剩余电流保护等方面进行深入分析，根据分析结果用以指导设计和安装数控机床电气装置时电气安全需要，并给出在数控机床中的实际应用中解决措施。

保护接地；数控机床；电气安全；剩余电流

数控机床在加工运行的过程中，它的电气安全问题关系到操作人员的人身安全以及机床运行的可靠性和加工精度。因此处理好数控机床的电气安全问题就显得十分重要。但是许多数控机床生产厂家及使用企业并未对此引起足够的重视，以至于数控机床在运行的过程中，因发生安全事故造成重大损失，出现机床加工精度不足、稳定性差等很多问题。特别是数控机床现场安装调试人员，在施工过程中存在许多不合适的做法，造成机床电气安全问题，留下隐患。

研究数控机床电气安全主要目的是保护操作人员的人身安全和数控机床中各个电气部件的安全可靠。造成电气安全问题主要有直接电击和间接电击两个方面。直接电击事故的发生主要由于数控机床防护措施不好，人体不慎接触到带电部分引起的电击事故，它主要的解决措施是物理防护，因此不是本文研究的重点。本文主要考虑的数控机床电气安全是间接接触电击研究与防护。当数控机床电气装置因破损或者其他原因发生接地故障，使原本不带电电气设备外露导电部分因此带对地故障电压，人体如果接触此故障电压而遭受电击。根据研究结果，为了防止这类事故的发生，必须在机床电气装置设计和电气工程安装时，采取必要措施，提升数控机床的电气安全。

1 数控机床电气装置组成

数控机床是制造业中精密和高效的加工设备，数控机床电气系统主要由数控系统、电源模块、伺服驱动器、伺服电机、伺服主轴驱动器（或变频器）、伺服主轴电机（或变频主轴电机）、控制变压器、PLC输入输出模块、强电柜的机床电器元器件、各种电动机、电磁阀和机床操作面板等组成[1]。数控机床电气装置控制机床各部件完成相应功能并协调各部件的运行，是数控机床能够完成复杂零件加工和实现自动化生产的保障，是数控机床的核心和中枢部分。

2 数控机床电气安全研究与应用

2.1 数控机床保护性接地研究与应用

在数控机床电气系统中，保护接地是数控机床本体及电气装置内外外露部分接地，保护接地对于电气安全非常重要。现在我国多数加工企业、厂家配电系统采用TN-S系统，如图1所示。

图1 TN-S系统接地故障分析

当发生相线碰数控机床外壳接地故障后，如果没有机床外壳接到保护地线PE上，设备外壳的对地电压Ut即为L1相电压220 V，远远超过安全电压50 V，人体如果接触到此电压，电击致死的危险性非常大。所以在数控机床中必须要有保护性接地。当做保护性接地后，即机床或电气装置外壳接在PE线上，外壳电压建有很大程度的降低。当发生相线碰机床外壳的故障时，故障的电流值Id[2]为：

式中：U——系统L1相电压；

ZL——相线阻抗；

ZPE——保护零线阻抗；

ZT——变压器计算阻抗；

Id——故障电流。

因为在故障过程中接地电阻Ro上无电流通过，系统中性点依然保持地电位，故机床设备外壳预期电压Ut[2]为

通过以上公式可见，在保护接地状态下，数控机床故障预期电压的大小取决于相线和保护地线(PE)的阻抗大小。在TN-S系统中一般情况下，PE线的面积不会大于相线面积，因此ZPE≥ZL，当线路较长时ZT可以忽略不计，所以（ZL+ZT）/ ZPE≤1，所以在数控机床发生电气故障时，人体的预期接触电压大约在110 V左右，因此远远低于没有接地保护时的预期电压220 V。

尽管保护接地在数控机床发生相线碰壳故障时有降低接触电压的作用，但是不能将预期接触电压降至安全电压50 V以内，仍会发生人身触电发生危险事故。为消除此种危险，在TN-S系统中，采用过电流保护器来消除电击危险。因此在数控机床电气装置中，需安装断路器来实现保护。其工作原理就是当机床发生相线碰外壳短路故障时，故障电流Id较大，引用其作用于断路器，使其能够在规定的时间内可靠的切断电源，防止事故的发生。在选用断路器是要满足以下条件：

式中：ZS——故障回路阻抗，及ZL+ZPE+ ZT；Ia——短路器在规定时间动作时的最小电流；Id——故障电流。

从上式可得出，数控机床的电气装置中，每部分的电气装置需要设置合适的断路器，断路器的选择要合适，特别是Ia的选择至关重要，否则即保护接地系统多么完善，也起不到根本的保护作用。同时可以看到如果降低线路的阻抗，这样对电击防护是有利，会使Id故障电流增大，有利于机床电气装置断路器的动作，因此在设计线路时，尽量在经济的条件下加大PE线和相线的面积。

2.2 数控机床剩余电流研究与应用[3]

尽管数控机床电气装置TN-S系统中，断路器多数情况下能够在规定时间内切断电气故障，确保人身安全。但是在设计和装配调试数控机床电气系统时，不可能逐一校验每部分电气设备发生接地故障时过电流保护能够满足电气防护的要求，即便校验也不一定正确，因为每个现场环境的线路阻抗是不同的，且当接地线(PE)发生断线时，短路器回路没有电流存在，断路器保护对相线碰壳故障不再起作用。因此在数控机床电气装置需要增加剩余电流保护装置，也就是漏电保护措施，对完善数控机床电击防护有很大的益处。一般情况下，整个数控机床电气装置采用一个剩余电流保护（RCD）装置即可，如图2。其原理是只要接地故障电流Id大于剩余电流保护电器（RCD）额定动作电流，便及时切断电路。采用RCD后，能够极大的提升系统的电击防护灵敏度。根据不同的数控机床电气装置要合理的采用剩余电流保护电器（RCD）。

图2 数控机床剩余电流保护装置安装位置

2.3 数控机床电气隔离和特低电压的研究与应用

数控机床重要的组成部分数控系统对电压的波动以及电磁的干扰非常灵敏，且在机床床身处有好多位置行程开关和电磁阀来检测机床的状态、控制机床的动作，工作人员在操作和维修的过程中，很容易接触到这些开关。为了不发生电气安全危险，在数控机床电气系统采用电气隔离措施和特低电压，防止电击事故的发生。

在数控电气装置中，最好将控制线路、伺服系统、数控系统以及相应的输入输出线路都采用变压器供电。这样变压器两侧通过磁路来传递能量，在电气系统中没有直接的联系，即便是变压器一次侧发生故障，也不至于将故障引入变压器二次侧部分，使上述多个系统不至于受到侵害。

在机床容易接触到的电气部分，在设计电气系统时采用24 V的特低电压，控制线路、数控系统、输入输出部分都采用特低电压。这样工作人员即便接触到这些部分，也不至于发生电击危险。

2.4 数控机床电气系统中性线的处理

在数控机床供电系统中，一般不会使用中性线（N）。因为如果使用中性线，在中性线断线的情况下，会使中性点数值发生偏移，造成三相电压不平衡，这样设备即便能够运转，但在不正常状态下运行，极有可能发生电气事故和烧毁设备。特别数控机床许多电机，因为不管电压的升高还是降低，都会引起电机的发热，这样使电机绝缘老化加速而缩短使用寿命，极端情况下还能引起火灾。而且更为不利的是发生故障时设备能够运转，其危险性不容易被发现，故障难以很快的解除，更容易引发其他电气故障。所以在设计数控机床电气系统中，一般情况下不允许使用中性线。

3 结语

通过本文的研究，认识到接地、剩余电流保护、电气隔离和特低电压对数控机床电气装置设计和安装中的重要性。只有在数控机床电气装置设计中很好的遵守电气安全措施，才能保证在不同的电气环境下下，减小甚至杜绝电气事故的发生。特别在数控机床的安装调试过程中，不同企业的安装环境条件不同，安装调试人员更要熟悉和理解数控机床的电气安全措施，才能有效的保护设备和操作人员的安全。

通过本文的研究和在数控机床上的应用，可以提高数控机床的电气安全，防止事故的发生，同时能够提升数控机床的高干扰性、加工精度，保持机床的稳定性，从而提高数控机床的加工效率。

［1］郁汉琪.机床电气控制技术［M］.北京：高等教育出版社，2010.

［2］杨岳.电气安全［M］.北京：机械工业出版社，2010.

［3］王厚余.低压电气装置的设计安装和检验［M］.北京：中国电力出版社，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

张华忠，男，1974年生，山东潍坊人，硕士研究生，讲师。研究领域：机械设计制造与自动化。已发表论文3篇。

(编辑：阮 毅)

2014－03－04