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钻床电气控制设计

机床电气控制

设计说明书

钻床电气控制设计

机械工程学院（部）

2017年6月16日

第1章Z3040摇臂钻床的结构………………………………………………………………………………..3

1.1Z3040摇臂钻床的简介

1.2Z3040摇臂钻床的结构

第2章Z3040摇臂钻床的运动形式和电气控制要求的说明…………………4

2.1Z3040摇臂钻床的运动形式

2.2电气控制要求的说明

第3章Z3040摇臂钻床继电接触器控制线路图……………………………………….7

3.1z3040摇臂钻床继电接触器控制线路图总图

3.2具体控制过程

第4章元器件的选型……………………………………………………………………………………………..10

4.1热继电器FR的选择

4.2接触器的选择

4.3时间继电器的选择

4.4照明及指示灯的选择

4.5Z3040摇臂钻床电器元器件明细表

第5章PLC控制电路的说明……………………………………………………………………………..13

5.1PLC的选型

5.2PLC的组成

5.3PLC输入输出接口

5.4PLC的I/O端口分配表

5.5PLC梯形图

5.6PLC接线图

第6章心得体会………………………………………………………………………………………………………….20

第7章参考文献……………………………………………………………………………………………………….21

附图一、钻床电气原理图

附图二、PLC梯形图

第1章z3040摇臂钻床的结构

1.1Z3040摇臂钻床的简介

钻床是一种孔加工机床，可用来钻孔、扩孔、绞孔、攻螺纹及修刮端面等多种形式的加工。

钻床的结构形式很多，有立式钻床、卧式钻床、深孔钻床等。

摇臂钻床是一种立式钻床，它适用于单件或批量生产中带有多孔大型零件的孔加工，是一般机械加工车间常用的机床。

1.2Z3040摇臂钻床的结构

Z3040摇臂钻床主要由底座、内外立座、摇臂、主轴箱和工作台等组成。

摇臂的一端为套筒，套装在外立柱上，并借助丝杠的正、反转可沿外立柱作上下移动。

主轴箱安装在摇臂的水平导轨上可通过手轮操作使其在水平导轨上沿摇臂移动。

加工时，根据工件高度的不同，摇臂借助于丝杠可带着主轴箱沿外立柱上下升降。

在升降之前，应自动将摇臂松开，再进行升降，当达到所需的位置时，摇臂自动夹紧在立柱上。

摇臂钻床钻削加工分为工作运动和辅助运动。

工作运动包括：

主运动（主轴的旋转运动）和进给运动（主轴轴向运动）；辅助运动包括：

主轴箱沿摇臂的横向移动，摇臂的回转和升降运动。

钻削加工时，钻头一面旋转一面作纵向进给。

钻床的主运动是主轴带着钻头作旋转运动。

进给运动是钻头的上下移动。

辅助运动是主轴箱沿摇臂水平移动，摇臂沿外立柱上下移动和摇臂与外立柱一起绕内立柱的回转运动。

摇臂回转和主轴箱的左右移动采用手动.

第2章z3040摇臂钻床的运动形式和电气控制要求的说明

2.1Z3040摇臂钻床的运动形式

当进行加工时，由特殊的加紧装置将主轴箱紧固在摇臂导轨上，而外立柱紧固在内立柱上，摇臂紧固在外立柱上，然后进行钻削加工。

钻削加工时，钻头一边进行旋转切削，一边进行纵向进给，其运动形式为：

（1）摇臂钻床的主运动为主轴的旋转运动;

（2）进给运动为主;

（3）辅助运动有：

摇臂沿外立柱垂直移动，主轴箱沿摇臂长度方向的移动，摇臂与外立柱一起绕内立柱的回转运动。

2.2电气控制要求的说明

1．主轴电动机控制主轴电动机1M为单向旋转，由按钮1SB、2SB和接触器1KM实现起动和停止控制。

主轴的正、反转则由1M电动机拖动齿轮泵送出压力油，通过液压系统操纵机构，配合正、反转摩擦离合器驱动主轴正转或反转。

2．摇臂升降控制摇臂钻床在加工时，要求摇臂应处于夹紧状态，才能保证加工精度。

但在摇臂需要升降时，又要求摇臂处于松开状态，否则电动机负载大，机械磨损严重，无法升降工作。

摇臂上升或下降时，其动作过程是，随着升降指令发出，先使摇臂与外立柱处于松开状态，而后上升或下降，待升降到位时，要自行重新夹紧。

由于松开与夹紧工作是由液压系统实现，因此，升降控制必须与松紧机构液压系统紧密配合。

2M为升降电动机，由按钮3SB、4SB点动控制接触器2KM、3KM接通或断开，使2M电动机正、反向旋转，拖动摇臂上升或下降移动。

3M为液压泵电动机，通过接触器4KM，5KM接通或断开，使3M电动机正向带动双向液压泵送出压力油，经二位六通阀至摇臂夹紧机构实现夹紧与松开。

下面以摇臂上升为例简述动作过程：

按下3SB按钮，时间继电器KT线圈通电，瞬时常开触点（13-14）闭合，接触器4KM线圈得电，液压泵电动机3M起动旋转带动液压泵送出压力油，同时断电延时断开的KT常开触点（1-17）闭合，使电磁阀YV线圈得电，液压泵输出的压力油经二位六通阀进入摇臂夹紧机构的松开油腔，推动活塞和菱形块，将摇臂松开。

同时，活塞杆通过弹簧片压上行程开关2SQ发出摇臂已松开信号。

此时，2SQ触点（6-13）断开，使接触器4KM线圈断电，液压泵电动机3M停转，油路单向阀保压，摇臂处于松开状态。

与此同时，2SQ触点（6-7）闭合，接触器2KM线圈得电，升降电动机2M得电起动旋转，带动摇臂上升，待摇臂上升至所需位置时，松开按钮2SB，2KM线圈断电，2M电动机停转，摇臂停止上升。

同时KT线圈也断电，KT常闭触点（17-18）瞬时闭合，而其延时断开的常开触点（1-17）仍未打开，使电磁阀YV继续得电，同时接触器5KM线圈得电，液压泵电动机3M反转，反向送出压力油，经二位六通阀反方向推动活塞和菱形块，将摇臂夹紧。

KT延时打开触点，经过1~3s延时后断开，同时活塞杆通过弹簧压下行程开关3SQ，使触点3SQ（1-17）也断开，电磁阀YV、5KM线圈断电。

液压泵电动机3M停转，摇臂上升后重新夹紧过程结束。

行程开关2SQ为摇臂放松信号开关。

行程开关3SQ为摇臂夹紧信号开关。

时间继电器KT延时断开常开触点是为保证当瞬间操作3SB或4SB，使4KM得电摇臂开始松开后放开3SB或4SB时，若4KM过早断电，可能造成摇臂处于半松开状态。

有了KT延时断开触电（1-17）后，则能在KT线圈断电1~3s内处于闭合状态，使5KM线圈得电，液压泵电动机3M反向旋转，使摇臂重新夹紧，直到延时时间到，KT触点断开，3SQ动作，5KM断电为止，这样就保证了摇臂在加工工件前总是处于夹紧状态。

3．夹紧、松开控制Z3040型摇臂钻床除了上述摇臂上升下降过程需要夹紧、松开控制外，还有主轴箱和立柱的松开、夹紧控制。

主轴箱和主柱的松开、夹紧从液压系统中看出二者是同时进行的。

当按下松开按钮5SB，接触器4KM线圈得电，液压泵电动机3M正转，拖动液压泵输送出压力油，经二位六通阀，进入主轴箱与立柱的松开油缸推动活塞和菱形块，使主轴箱与立柱实现松开，此时由于YV不得电，压力油不会进入摇臂松开活塞，摇臂仍处于夹紧状态。

当主轴箱与立柱松开时，行程开关4SQ不受压，触点（10l-102）闭合，指示灯1HL亮，表示主轴箱与立柱处于松开状态，可以手动操作主轴箱在摇臂的水平导轨上移动至适当位置。

同时推动摇臂（套在内立柱上）使外立柱绕内立柱旋转至适当的位置，按下夹紧按钮6SB，接触5KM线圈得电，3M电动机反转，拖动液压泵输送出反向压力油至夹紧油缸，使主轴箱和立柱夹紧。

同时行程开关4SQ压下，触点（101-102）断开，1HL灯暗，而（101-103）闭合，2HL灯亮，指示主轴箱与立柱处于夹紧状态，可以进行钻削加工。

4．冷却泵电动机控制冷却泵电动机容量小（0.125kW），由1SA开关控制单向旋转。

5．联锁、保护环节电路中利用2SQ实现摇臂松开到位，开始升降的联锁控制，利用3SQ，实现摇臂完全夹紧的联锁控制。

通过KT延时断开的常开触点实现摇臂松开后自动夹紧的联锁控制。

摇臂升降除了按钮4SB、3SB机械互锁外，还采用2KM、3KM电气的双重互锁控制。

主轴箱与立柱进行松开、夹紧工作时，为保证压力油不供给摇臂夹紧油路，通过5SB、6SB常闭触点切断YV线圈电路，达到联锁目的。

电路利用熔断器1FU作为总电路和电动机1M、4M的短路保护。

利用熔断器2FU作为电动机2M、3M及控制变压器T一次侧的短路保护，利用热继电器1KR为1M电动机的过载保护，2KR为3M电动机的过载保护。

组合行程开关1SQ作为摇臂上升、下降的极限位置保护，1SQ有两对常闭触点，当摇臂上升下降至极限位置时，相应触点动作切断与其对应的上升下降接触器2KM、3KM，使2M电动机停止转动，摇臂停止升降，实现升降极限位置保护，电路中失压或欠压保护由各接触器实现。

6．照明与信号指示电路通过控制变压器T降压提供照明灯EL安全电压，由SA2开关操作。

熔断器3FU作为短路保护。

当主轴电动机工作时，1KM触点（101-104）接通，指示灯3HL亮，表示主轴工作；当主轴箱、立柱处于夹紧状态时，4SQ触点（101-l03）接通，2HL灯亮。

主轴箱、立柱处于松开状态，4SQ触点（101-102）接通，1HL灯亮。

第3章Z3040摇臂钻床继电接触器控制线路图

3.1Z3040摇臂钻床继电接触器控制线路图总图

图3-1Z3040摇臂钻床电气控制线路图

3.2具体控制过程

具体控制过程为：

（1）主轴电动机的启停按下主轴启动按钮SB2，接触器KM1得电吸合且自

保持，主轴电动机M1运转。

按下停止按钮SB1，主轴电动机停止。

（2）摇臂上升按下摇臂上升按钮SB3，时间继电器KT得电，其瞬动常开触头和瞬时闭合延时打开的常开触头使接触器KM4和电磁阀YA动作，液压泵电动机M3启动，液压油进入摇臂装置的油缸，使摇臂松开。

待完全松开后，行程开关SQ2动作，其常闭触头断开使接触器KM4断电释放，液压泵电动机M3停止运转，其动合触头接通使接触器KM2得电吸合，摇臂升降电动机M2正向启动，带动摇臂上升。

上升到所需要的位置后，松开上升按钮SB3，时间继电器KT、接触器KM2断电释放，摇臂升降电动机M2停止运转，摇臂停止上升。

延时1-3秒后，时间继电器KT的常闭触头闭合，常开触头断开，但由于夹紧到位行程开关SQ3常闭触头处于导通状态，故YA继续处于吸合状态，接触器KM5吸合，液压泵电动机M3反向启动，向夹紧装置油缸中反向注油，使夹紧装置动作。

夹紧完毕后，行程开关SQ3动作，接触器KM5断电释放液压泵电动机M3停止运转，电磁阀YA断电。

时间继电器KT的作用是适应SB3松开到摇臂停止上升之间的惯性时间，避免摇臂惯性上升中突然夹紧。

（3）摇臂下降按下摇臂下降按钮SB4，动作过程与摇臂上升使相似。

（4）立柱和主轴箱同时松开和同时夹紧按下立柱和主轴箱松开按钮SB5，接触器KM4得电吸合，液压电动机M3正向启动，由于电磁阀YA没有得电，处于释放状态，所以液压油经2位6通阀分配至立柱和主轴箱松开油缸，立柱和主轴箱夹紧装置松开；按下立柱和主轴箱夹紧按钮SB6，接触器KM5得电吸合，M3反向启动，液压油分配至立柱和主轴箱夹紧油缸，立柱和主轴箱装置夹紧。

（5）摇臂升降限位保护该动作时靠上下限位开关SQ1U和SQ1D实现的。

上升到极限位置后，SQ1U动断触头断开，摇臂自动夹紧，同松开上升按钮SB3动作相同；下降到极限位置后，SQ1D动断触头断开，摇臂自动夹紧，同松开下降按钮SB4动作相同。

第4章元器件的选型

4.1热继电器FR的选择

根据电动机的额定电流进行热继电器的选择，由前面M1、M2和M3的额定电流，现选择如下：

FR1选用JR16-20/3D型热继电器。

热元件额定电流11A额定电流调节范围为6.8～11A工作时调整在6.82A.

FR2选用JR16-20/3型热继电器。

热元件额定电流2.4A额定电流调节范围为1.5～2.4A工作时调整在1.42A。

4.2接触器的选择

根据负载回路的电压、电流，接触器所控制回路的电压及所需点的数量等来进行接触器的选择。

本设计中KM1主要对M1进行控制，而M1额定电流为6.82A，控制回路电源为127V，需要主触点两对，所以，KM1选G0-10型接触器，主触点额定电流为10A，线圈电压为127V。

KM2与KM3对M2进行控制，而M2额定电流为2.01A，控制回路电源为127V，各需要主触点两对，KM2的辅助动断触点一对，KM3的辅助动断触点一对，所以，KM2、KM3选CD10-5型接触器，主触点额定电流为5A，线圈电压为127V。

KM4与KM5对M3进行控制，而M3的额定电流为1.42A，控制回路电源为127V，各需要主触点三对，KM4的辅助动断触点一对，KM5的辅助动断触点一对，所以，KM4、KM5选CJ10-5型接触器。

4.3时间继电器的选择

本设计中由于摇臂的升降需要延时控制。

需要常开触点一个，延时闭合动断触点一个，延时断开动合触点一个，我们选ISSI型时间继电器。

额定电压AC127V、DC24V,额定功耗小于5W,动作频率1200次/h。

4.4照明及指示灯的选择

本设计中，电源指示灯EL选择JC2，交流36V、40W，与灯开关SA2成套配置；指示灯HL1、HL2、HL3选择ZSD-0型，指标为6.3V，0.25A，颜色为黄色，绿色，红色各一个。

4.5Z3040摇臂钻床电器元器件明细表

序号

符号

名

称

型

号

规

格

照明灯

JC2

40W,36V

FR1

主轴电动机热继电器

JR0-40

热元件4-6.4A

FR2

液压电动机热继电器

JR0-40

热元件1-1.6A

FU1

主电源熔断器

RL1-60

熔体20A

FU2

摇臂液压电动机控制电路熔断器

RL1-15

熔体10A

FU3

照明灯熔断器

RL1-15

熔体2A

HL1

立柱主轴箱放松指示灯

LA19-11D

黄色、6.3V、装于SB5内

HL2

立柱主轴箱夹紧指示灯

LA19-11D

绿色、6.3V、装于SB3内

HL3

主轴运转指示灯

LA19-11D

绿色、6.3V、装于SB2内

KM1

主轴电动机接触器

CJ0-20B

线圈电压127V

KM2

摇臂上升接触器

CJ0-20B

线圈电压127V

KM3

摇臂下降接触器

CJ0-20B

线圈电压127V

KM4

液压电动机正向接触器

CJ0-20B

线圈电压127V

KM5

液压电动机反向接触器

CJ0-20B

线圈电压127V

时间继电器

JS7-4A

线圈电压127V

主轴电动机

JO2-32-4,T2

3KW、380V、6.5A、1430r/min

摇臂升降电动机

JO2-21-4,T2

1.1KW、380V、2.64A、1410r/min

液压电动机

JO2-11-4,T2

0.6KW、380V、1.62A、1380r/min

QS1

主电源组合开关

HZ2-25/3

板后接线

QS2

冷却泵电动机组合开关

HZ2-10/3

板后接线

照明灯开关

装于照明灯上

SB1

主轴停止按钮

LA19-11

红

SB2

主轴启动按钮

LA19-11D

带绿色指示灯（HL3）

SB3

摇臂上升按钮

LA19-11

红

SB4

摇臂下降按钮

LA19-11

黄

SB5

立柱主轴箱放松按钮

LA19-11D

带黄色指示灯（HL1）

SB6

立柱主轴箱夹紧按钮

LA19-11D

带绿色指示灯（HL2）

SQ1

上下限位组合开关

HZ4-22

——

SQ2

摇臂松开行程开关

LX5-11

——

SQ3

摇臂夹紧行程开关

LX5-11

——

SQ4

立柱主轴箱夹紧行程开关

LX3-11K

——

控制变压器

BK-150

380/127V、36V、6.3V

液压分配电磁阀

MQJ1-3

线圈电压127V

表4-1Z3040摇臂钻床电器元件明细表

第5章PLC控制电路的说明

5.1PLC的选型

选择基于PLC的摇臂钻床电气控制系统的PLC机型，应从以下几个方面来考虑：

（1）根据PLC的物理结构

根据物理结构的不同，PLC分为整体式、模块式和叠装式。

整体式的每一I/O点的平均价格比模块式便宜，小型电气控制系统一般使用整体式可编程控制器。

此次所设计的电气控制系统属于小型开关量电气控制系统没有特殊的控制任务，整体式PLC完全可以满足控制要求，且在性能相同的情况下，整体式PLC较模块式和叠装式PLC价格便宜，因此，Z3040摇臂钻床电气控制系统的PLC选用整体式结构的PLC

（2）根据PLC的指令功能

考虑到任何一种PLC都可以满足开关量电气控制系统的要求，据此本课题将尽量采用价格便宜的PLC。

（3）根据PLC的输入输出点数

摇臂钻床的电气控制系统需要8个输入口4个输出口，PLC的实际输入点数应等于或大于所需输入点数，PLC的实际输出点数应等于或大于所需输出点数，在条件许可的情况下尽可能留有10%-20%的余量。

（4）根据PLC的存储容量

4.3.4根据PLC的存储容量PLC存储器容量的估算方法：

对于仅有开关量输入/输出信号的电气控制系统，将所需的输入/输出点数乘以8，就是所需PLC存储器的存储容量（单位为bit）即（17+11）×8=224bit

（5）根据输入模块的类型

输入模块的输入电压一般为DC24V和AC110V或AC220V。

直流输入电路的延迟时间较短，可以直接与接近开关、光电开关等电子输入装置连接。

交流输入方式的触点接触可靠，适合于在有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。

由于本基于PLC的摇臂钻床电气控制系统的工作环境并不恶劣，且对电气控制系统操作人员来说DC24V电压较AC110V电压安全些。

因此，本基于PLC的摇臂钻床电气控制系统的PLC输入模块应选直流输入模块，输入电压应DC24V电压。

5.2PLC的组成

（1）输入寄存器输入寄存器可按位进行寻址，每一位对应一个开关量，其值反映了开关量的状态，其值的改变由相互如开关量驱动，并保持一个扫描周期

。

CPU可以读其值，但是不可以写或进行修改。

（2）输出寄存器输出寄存器的每一位都表明了PLC在下一个时间段的输出值，而程序循环执行开始时的输出寄存器的值，表明的是上一时间段的真实输出值，在程序执行过程中，CPU可以读其值，并作为条件参加控制，还可以修改其值，而中间的变换仅仅影响寄存器的值。

只有程序执行到一个循环的尾部时的值才影响下一时间段的输出，即只有最后的修改才对输出接点的真实值产生影响。

（3）存储器存储器分为系统存储器和用户存储器。

系统存储器存储的是系统程序，它是由厂家开发固化好了的，用户不能修改，PLC要在系统程序的管理下运行。

用户存储器中存放的是用户程序和运行所需要的资源，I/O寄存器的值作为条件决定着存储器中的程序如何被执行，从而完成复杂的控制功能。

（4）CPU单元CPU单元控制着I/O寄存器的读、写时序，以及对存储器单元中的程序的解释执行工作，是PLC的大脑。

（5）其他单元接口其他单元接口用语提供PLC与其他设备和模块进行连接通信的物理条件。

5.3PLC输入输出接口

输入输出接口是PLC与工业现场控制或检测元件和执行元件连接的接口电路。

PLC的输入接口有直流输入、交流输入、交直流输入等类型；输出接口有晶体管输出、晶闸管输出和继电器输出等类型。

晶体管和晶闸管输出为无触点输出型电路，晶体管输出型用于高频小功率负载、晶闸管输出型用于高频大功率负载；继电器输出为有触点输出型电路，用于低频负载。

现场控制或检测元件输入给PLC各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关以及其他一些传感器输出的开关量或模拟量等，通过输入接口电路将这些信号转换成CPU能够接收和处理的信号。

输出接口电路将CPU送出的弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器等被控设备的执行元件。

（1）输入接口输入接口用于接收和采集两种类型的输入信号，一类是由按钮、转换开关、行程开关、继电器触头等开关量输入信号；另一类是由电位器、测速发电机和各种变换器提供的连续变化的模拟量输入信号。

（2）输出接口输出接口电路向被控对象的各种执行元件输出控制信号。

常用执行元件有接触器、电磁阀、调节阀（模拟量）、调速装置（模拟量）、指示灯、数字显示装置和报警装置等。

输出接口电路一般由微电脑输出接口电路和功率放大电路组成，与输入接口电路类似，内部电路与输出接口电路之间采用光电耦合器进行抗干扰电隔离

5.4PLC的I/O端口分配表

输入信号

输出信号

名称

代号

输入点编号

名称

代号

复位键

X000

HL1松开指示灯

急停键

X001

HL2夹紧指示灯

有无工件检测传感器

X035

HL3主轴工作指示灯

主轴停止

SB1

X003

计数器

主轴开始

SB2

X004

辅助作用

摇臂上升

SB3

X005

摇臂下降

SB4

X006

摇臂停止

ST1

X007

摇臂松开到位

SQ3

X030

计数器输出

摇臂夹紧到位

SQ4

X031

电磁阀1

摇臂上升到位

SQ1

X010

摇臂下降到位

SQ2

X011

电磁阀2

主轴箱左移

SB10

X012

主轴箱右移

SB11

X013

电磁阀3

主轴箱夹紧到位

SQ5

X014

主轴箱松开到位

SQ6

X015

主轴电动机转

主轴箱左移到位

SQ7

X016

M2电动机正转

主轴箱右移到位

SQ8

X017

M2电动机反转

主轴箱停止

ST2

X032

M3电动机正转

摇臂顺回转

SB17

X033

M3电动机反转

摇臂逆回转

SB18

X020

M5电动机正转

摇臂回转夹紧到位

SQ9

X021

M5电动机反转

摇臂回转松开到位

SQ10

X022

M4电动机转

摇臂回转停止

ST3

X023

冷却泵开

SB22

X024

冷却泵关

SB23

X025

5.5PLC梯形图

图5-1PLC梯形图

在梯形图的编制过程中用到了时间继电器，是用来代替原来继电器——接触器中的的。

在原电气控制系统中通过KT延时动开的动合触点KT和延时闭合的动触点KT，KT能保证在，，KT的延时长短由摇臂升降电动机从切断电源到停止的惯性大小来决定，一般为1~3S。

用PLC改造后，时间继电器代替了延时开关，摇臂升降电动机接到停止的命令2s

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