机电传动与控制课程设计.docx
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机电传动与控制课程设计
第一章：
绪论2
1.1课程设计目的和意义2
1.2设计对象及控制要求2
1.3控制方式选择2
第二章：
机电接触器控制系统设计2
2.1总体方案设计2
2.1.1继电器、接触器控制系统2
2.2.2PLC控制系统3
2.2电气控制原理图设计4
2.2.1主回路设计4
2.2.2控制回路设计6
2.3元件选取及依据10
2.3.1元件选型10
2.3.2交流接触器、中间继电器与时间继电器的选型11
2.4工艺图纸设计布置图设计，接线图设计14
第三章：
plc控制系统16
3.1PLC选型16
3.2I/0分配表及外部接线图16
3.3梯形图设计18
第四章：
设计小结20
参考文献21
第一章：
绪论
1.1课程设计目的和意义
本课程是机械设计制造及其自动化专业的专业必修课。
课程设计的目的和任务在于使学生掌握机械设备电器控制的基本知识、基本原理和基本方法,以培养学生对电气控制系统的分析和设计的基本能力。
加深学生对课程内容的理解，验证理论和巩固、扩大所学的基本理论知识。
1.2设计对象及控制要求
全自动双面钻床的电气控制系统设计
利用电气元件或计算机控制电气来拖动机械实现所要求的功能。
在设计控制系统时，就要求设计人员对执行元件（电动机）、控制元件的熟练掌握与运用，同时也要求对控制要求进行了解。
1.3控制方式选择
动力头的快进、工进及快退均由液压油缸驱动。
液压系统采用两位四通、三位五通电磁阀进行控制，并用死挡铁方法实现位置控制。
动作程序如下：
（1）零件定位。
人工将零件装入夹具后，采用定位油缸动力定位以保证零件的加工尺寸；
（2）零件夹紧。
零件定位后，夹紧油缸动作使零件固定在夹具内，同时定位油缸退出以保证滑台入位；
（3）滑台入位。
滑台带动夹具一起快速进入加工位置；
（4）加工零件。
左右动力头进行两端面切削加工，动力头到达加工终点，即停止工进，快速退回原位，动力头停转并能耗制动；
（5）滑台复位。
左右动力头退回原位后滑台复位；
（6）夹具松开。
当滑台复位后夹具松开，取出零件。
液压系统的油泵电机370W，由电磁阀（YV1-YV5）控制。
第二章：
机电接触器控制系统设计
2.1总体方案设计
2.1.1继电器、接触器控制系统
继电器-接触器控制系统是由接触器、继电器、主令电器和保护电器按照一定的控制逻辑接线组成的控制系统。
其工作原理就是采用硬接线逻辑，利用继电器触点的串联或并联，及延时继电器的滞后动作等组成控制逻辑，从而实现对电动机或其他机械设备的起动、停止，反向、调速及多台设备的顺序控制和自动保护功能。
继电器-接触器控制系统是由接触器、继电器、主令电器、保护电器及控制线路等组成。
由于该系统操作简单直观、维护、调整方便，现场人员容易掌握使用等优点，它被广泛用于工矿企业的生产控制系统。
但随着PLC技术的发展和应用，继电器-接触器控制系统已逐渐被PLC控制系统所取代。
2.2.2PLC控制系统
PLC又名可编程序控制器是近几十年发展起来的一种新型的、非常有用的工业控制装置，由于它把计算机的编程灵活、功能齐全、应用面广等优点与继电器-接触器控制系统的控制简单、使用方便、价格便宜等优点结合起来，而其本身又具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性好等特点，因而在工矿企业的各种机械设备和生产过程的自动控制系统中得到了广泛的应用，已成为当代工业自动化的主要控制装置之一。
PLC种类繁多，但其结构和工作原理基本相同。
PLC其实就是专为工业现场应用而设计的计算机，采用了典型的计算机结构，主要是由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出单元，电源及编程器几大部分组成。
PLC与继电器-接触器控制系统的比较
PLC的梯形图与继电器控制电路图十分相似，主要原因是PLC梯形图大致沿用了继电器控制的电路元器件符号，仅个别之处有些不同。
同时，信号的输入/输出形式及控制功能基本上也是相同的，但PLC的控制与继电器的控制以有不同之处，主要表现在以下几个方面。
1、控制逻辑
继电器控制逻辑采用硬接线逻辑，利用继电器触点的串联或并联，及延时继电器的的滞后动作等到组合成控制逻辑，其接线多而复杂、体积大、功耗大、故障率高，一旦系统构成后，想再改变或增加功能都很困难。
另外继电器触点数目有限，每只仅有4～8对触点，因此灵活性和扩展性很差。
而PLC采用存储器逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑只需改变程序即可，故称“软接线”。
其接线少，体积小，因此灵活性和扩展性都很好。
PLC由大、中规模集成电路组成，因而功耗较小。
2、工作方式
电源接通时，继电器控制电路中各继电器同时都处于受控状态，即该吸合的都应吸合，不该吸合的都应受到某种条件限制不能吸合，它属并联工作方式。
而PLC的控制逻辑中，各内部器件都处于周期性循环扫描中，属串联工作方式。
3、可靠性和可维护性
继电器控制逻辑使用了大量的机械触点，连线较多。
触点断开或闭合时会受到电弧的损坏，并有机械磨损、寿命短，因此可靠性和维护性差。
而PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，体积小、寿命长、可靠性高。
PLC配有自检和监督功能，能检查出自身的故障并随时显示给操作人员，还能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。
4、控制速度
继电器控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，触点的开闭一般在几十毫秒数量级；另处，机械触点还会出现抖动问题。
而PLC由程序指令控制半导体电路来实现控制，属无触点控制，速度极快，一条用户指令的执行时间一般在微秒数量级，且不会出现抖动。
5、定时控制
继电器控制逻辑利用时间继电器进行时间控制。
一般来说，时间继电器存在定时精确度不高、定时范围窄，且易受到环境湿度和温度变化的影响，时间调整困难等问题。
PLC使用半导体集成电路做定时器，时基脉冲由晶体振荡产生，精度相当高，且定时时间不受环境的影响，定时范围一般从0.001S到若干天或更长；用户可根据需要在程序中设置定时值，然后用软件来控制定时时间。
从以上几个方面的比较可知，PLC在性能上优于继电器控制系统，特别是具有可靠性高，设计施工周期短，调试修改方便的特点；而且体积小、功耗低、使用维护方便。
正是基于以上优点，PLC控制系统正在逐步地取代继电器控制系统。
2.2电气控制原理图设计
在原理图的设计部分，我们将其分为3大模块进行分工设计。
其中包括有主电路模块的设计、控制电路模块的设计与指示及照明电路模块的设计三部分。
而在控制电路模块中，我们将其又分为电机控制电路与液压控制回路两部分
2.2.1主回路设计
主电路的设计中主要应满足一下几点要求：
1、两个主动力头电动机实现同步控制，动力头电机采用能耗制动；
2、，主动力头电机、液泵电机、油泵电机三者应能相对独立运转；
3、对四个电机均实现短路保护及过载保护；
4、采用一个总闸控制整个电路的电源通断；
5、只有在油泵开始工作，油压达到一定的压力后（由油压继电器控制）才能进行其它控制。
对于要求
（1），将左右动力头的两电机接在同一个接触器上进行控制，实现两主动力头电动机实现同步控制，然后是能耗制动，首先将定子绕组从三相交流电源中断开（KM1打开），接着立即将一低压直流电源通入定子绕组（KM2闭合）。
直流电流通过定子绕组之后，在电动机内部建立一个固定不变的磁场，由于转子在运动系统储存的机械能作用下继续旋转，转子导体内就产生感应电动势和电流，该电流与恒定磁场相互作用产生作用方向与转子实际旋转方向相反的制动转矩。
对于要求
（2），选用三个接触器来控制三种不同功率的电动机，并分开三个回路来控制即可。
对于要求（3），选用合适的熔断器，在三个回路接向电源出接上相应的熔断器来实现短路保护；再选用合适的热继电器，在接向电动机处接如相应热继电器来实现过热保护。
对于要求（4），在电源处，添加一个空气开关QS，可自动实现过载保护作用。
对于要求（5），在控制电路中对动力头控制回路、能耗制动回路及冷却泵回路串联一个油压继电器的动合触点，当
泵开始工作，且油压达到设定压力后动合触点闭合，控制回路才能开始工作。
图中由接触器KM1，KM2，KM3，KM4分别控制液压泵，冷气泵电动机，主电动机的运转。
由熔断器FU1，FU2，FU3，FU4实现短路保护，由热继电器FR1，FR2，FR3实现过载保护
具体电路图如下：
图1主回路电路设计图
2.2.2控制回路设计
在控制回路中，最主要的是两部分：
电机控制回路与液压控制回路。
这两部分均应接向110V交流电压，故该回路与主回路相连接时，应将主电源的L1、L2相接到变压器来降压，以提供110V的两相交流电。
1、电机控制回路
1.1油泵和冷却泵的运转情况分别由KM1和KM2控制，并且使用最基本的“启-保-停”的控制电路；油泵电机的开关分别为SB10，SB11，冷却泵的开关分别为SB12和SB13.
1.2为保证两台电动机同时启动，同时停车，两台同型号的动力头电动机的运转由一个接触器KM3控制，其中能耗制动过程由KM4控制，制动时间由时间继电器KT来确定；SB15为启动按钮，SB14为停止按钮。
1.3为了保证机床在出现故障的时候能紧急停止，在电机控制回路中引入了一个紧急旋转按钮QS0。
具体电路图如下：
图2电机控制回路设计图
2、液压控制回路
在液压控制回路中，应分为自动控制和手动控制两部分。
在自动控制中，主要由行程开关（SQ1到SQ6）、压力继电器（YJ1与YJ2）和按钮SB1来共同控制电磁阀（YV1到YV5）来实现整个动作。
其动作表如下：
表3-1电磁阀动作表
YV1
YV2
YV3
YV4
YV5
定位（SB1）
+
-
-
-
-
夹紧（YJ1）
+
+
-
-
-
入位（YJ2）
-
+
+
-
-
工进（SQ1\SQ5）
-
+
+
+
-
退位（SQ2\SQ4）
-
+
-
-
+
复位（SQ3\SQ6）
-
-
-
-
-
由上表可知，在设计液压控制回路时，可以直接利用起保停电路直接控制电磁阀的动作。
在表中，每一列以第一个“+”为该电磁阀的得电信号，而以连续“+”后的第一个“-”为失电信号。
在手动控制中，我们利用转换开关（旋转型）来控制自动与手动的转换。
另外，在控制电磁阀（YV1到YV5）的电路上，我们直接设计6个按钮（SB1到SB6）来实现手动调节。
手动挡是一种点动控制，其过程较为简单，这里不作说明，下面，结合电路图，主要就自动挡的运行原理做简要介绍：
首先，在有中间继电器（YV1到YV5）的五个控制回路中，均用到了“起保停”电路，对于该电路的特性在前面已做过介绍，下面的叙述中，对此环节不做累述。
根据切削的工艺要求，动力头的前进运动和后退运动能够进行半自动循环控制，其控制过程如下：
定位：
当按下液压控制回路开关SB1，电流继电器KA1和电磁铁YV1得电，KA1的常开点闭合，零件被准确定位。
夹紧：
由于电磁铁YV1的得电，当压力继电器YJ1的常开触点闭合，使YV2得电，定位工序结束指示灯HL1亮。
由于KA2开始得电，其常开触点闭合，系统进入加紧工序，零件被加紧。
入位：
由于电磁铁YV2得电，当压力继电器YJ2的常开触点闭合，表明零件被加紧，此时KA3开始得电，滑台入位，带动夹具一起进入加工位置。
工进：
滑台入位后压下限位开关SQ1和SQ5，常开触点SQ1和SQ5闭合，使YV4得电，指示灯HL2亮，系统进入工进环节。
退位：
当托板左右两边的动力头对零件进行两端面铣削加工，当动力头达到加工终点时，压下限位开关SQ2和SQ4，其常开触点SQ2和SQ4闭合，使YV5得电，退位指示灯HL3亮，系统进入退位环节。
具体电路图如下：
图3液压控制回路设计图
2.2.3辅助回路设计
在辅助回路中，主要包含有照明灯的控制与显示灯的控制。
照明灯所需电源为24V交流电，而显示灯所需电源为6V交流电。
故将它们分别有变压器TC的不同变压接口引出即可。
照明灯用一个旋钮开关QS控制，在机床出现紧急的时候需要照明时就开启，不需要照明时就关闭。
显示灯在相应的地方有标志，每一个灯代表着不同的运行状态。
可以看下面的标志与灯的亮灭来判断程序。
用HL0～HL3标识。
HL0：
机床紧急照明灯
HL1：
工件夹紧指示
HL2：
“工进”指示
HL3：
退位指示
控制回路的起始端（即由变压器TC引出的3端110V、24V、6V）应设置短路保护。
故在照明与显示控制回路中应分别接上相合适的熔断器FU6、FU5。
具体电路图如下：
图4.辅助回路（照明与显示）设计图
2.3元件选取及依据
2.3.1元件选型
油泵电机M1选型：
选泵电机一台0.55KW，选用YS7112,电压：
380V
冷却泵电机M2选型：
选泵电机一台0.18KW，选用Y2-801-8,电压：
380V
动力头电动机M3,M4选型：
由液压组合机床对电机起动转矩高而启动电流小及需要小范围调速，铁屑飞溅多，尘埃多，而性能要求不很严故选YR系列电机，两台动力钻头电机2.2KW,选用YR132M2-4,电压：
380V，
根据选择出的电机型号，可大致计算该电机工作时的最大电流：
再根据以下经验公式，计算出所需熔断器的最大允许电流值：
故计算得：
另外，根据经验，控制回路中的电流最大不会超过5A，照明显示回路电流最大不会超过2A，查书得，并选择熔断器结果如下
FU1：
RL-15/4,最大熔断电流4A；
FU2：
RL-15/2,最大熔断电流2A；
FU3：
RL-60/25,最大熔断电流25A；
FU4：
RL-15/5,最大熔断电流5A；
FU5：
RL-15/2最大熔断电流2A。
FU6：
RL-15/2最大熔断电流2A。
2.3.2交流接触器、中间继电器与时间继电器的选型
1、继电器选型
1）机械式。
机械式主要是通过气囊阻尼空气来控制动做。
2）电子式。
电子式就是通过脉冲来控制触头工作。
它又分通电延时动作和断电延时动作。
通电延时动作是指时间继电器线圈开始通电就计时，到所设定的时间就触头动作。
反之就是断电延时动作原理。
延时触头又分延时断开和延时闭合。
延时断开分常闭延时断开和常开延时断开。
延时闭合也分常闭和常开。
图形符号中的图弧开口方向就是延时后的动作方向。
2、继电器主要产品技术参数
1）额定工作电压
是指继电器正常工作时线圈所需要的电压。
根据继电器的型号不同，可以是交流电压，也可以是直流电压。
2）直流电阻
是指继电器中线圈的直流电阻，可以通过万能表测量。
3）吸合电流
是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。
在正常使用时，给定的电流必须大于吸合电流，这样继电器才能稳定地工作。
而对于线圈所加的工作电压，一般不要超过额定工作电压的1.5倍，否则会产生较大的电流而把线圈烧毁。
3、释放电流
是指继电器产生释放动作的最大电流。
当继电器吸合状态的电流减小到一定程度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态。
这时的电流远远小于吸合电流。
4、触点切换电压和电流
是指继电器允许加载的电压和电流。
它决定了继电器能控制电压和电流的大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器的触点.
5、继电器的选用
1）先了解必要的条件
①控制电路的电源电压，能提供的最大电流；
②被控制电路中的电压和电流；
③被控电路需要几组、什么形式的触点。
选用继电器时，一般控制电路的电源电压可作为选用的依据。
控制电路应能给继电器提供足够的工作电流，否则继电器吸合是不稳定的。
2）查阅有关资料确定使用条件后，可查找相关资料，找出需要的继电器的型号和规格号。
若手头已有继电器，可依据资料核对是否可以利用。
最后考虑尺寸是否合适。
3）注意器具的容积。
若是用于一般用电器，除考虑机箱容积外，小型继电器主要考虑电路板安装布局。
对于小型电器，如玩具、遥控装置则应选用超小型继电器产品.
4）选型
由于控制回路中，电压为110V交流电，且根据控制回路设计图得知中间继电器所需触点不超过4常开4常闭，查书得，可选择中间继电器如下：
KA1到KA5：
JZ14-44J/Z，110V吸引线圈电压，触点数4常开4常闭。
由于动力头电动机的能耗制动时间较短，故可确定在0.4~60s的范围内。
根据110V交流电，同样查书，选择时间继电器如下：
KT：
JS7-1A，110V吸引线圈电压，定时时间调节范围0.4~60s。
热继电器的选型
根据前面算出的电动机工作电流，查[2]可直接选出热继电器，得如下结果：
FR1：
LR1-D09310，整定电流范围1.6~2.5。
FR2：
LR1-D09310，整定电流范围1~1.6。
FR3：
LR1-D09307，整定电流范围4~6.
FR4：
LR1-D09306，整定电流范围4~6。
6、交流接触器
（1）交流接触器的选用方法
接触器的选用应按满足被控制设备的要求进行，除额定工作电压应与被控设备的额定电压相同外，被控设备的负载功率、使用类别、操作频率、工作寿命、安装方式及尺寸以及经济性等是选择的依据。
（2）选择接触器时应从其工作条件出发
主要考虑下列因素：
1、控制交流负载应选用交流接触器；2、接触器的使用类别应与负载性质相一致。
3、主触头的额定工作电流应大于或等于负载电路的电流；还要注意的是接触器主触头的额定工作电流是在规定的条件下（额定工作电压、使用类别、操作频率等）能够正常工作的电流值，当实际使用条件不同时，这个电流值也将随之改变。
4、主触头的额定工作电流应大于或等于负载电路的电压。
5、吸引线圈的额定电压应与控制回路电压相一致，接触器在线圈额定电压85％及以上时应能可靠地吸合
交流接触器的选用，应根据负荷的类型和工作参数合理选用。
具体分为以下步骤：
（3）选择接触器的类型
交流接触器按负荷种类一般分为一类、二类、三类和四类。
一类交流接触器对应的控制对象是无感或微感负荷，如白炽灯、电阻炉等；二类交流接触器用于绕线式异步电动机的起动和停止；三类交流接触器的典型用途是鼠笼型异步电动机的运转和运行中分断；四类交流接触器用于笼型异步电动机的起动、反接制动、反转和点动。
（4）选择接触器的额定参数
根据被控对象和工作参数如电压、电流、功率、频率及工作制等确定接触器的额定参数。
1）接触器的线圈电压，一般应低一些为好，这样对接触器的绝缘要求可以降低，使用时也较安全。
但为了方便和减少设备，常按实际电网电压选取。
2）电动机的操作频率不高，如压缩机、水泵、风机、空调、冲床等，接触器额定电流大于负荷额定电流即可。
接触器类型可选用CJl0、CJ20等。
3）对重任务型电机，如机床主电机、升降设备、绞盘、破碎机等，其平均操作频率超过100次／min，运行于起动、点动、正反向制动、反接制动等状态，可选用CJl0Z、CJl2型的接触器。
为了保证电寿命，可使接触器降容使用。
选用时，接触器额定电流大于电机额定电流。
4）对特重任务电机，如印刷机、镗床等，操作频率很高，可达600～12000次／h，经常运行于起动、反接制动、反向等状态，接触器大致可按电寿命及起动电流选用，接触器型号选CJl0Z、CJl2等。
5）接触器额定电流是指接触器在长期工作下的最大允许电流，持续时间≤8h，且安装于敞开的控制板上，如果冷却条件较差，选用接触器时，接触器的额定电流按负荷额定电流的110%～120%选取。
对于长时间工作的电机，由于其氧化膜没有机会得到清除，使接触电阻增大，导致触点发热超过允许温升。
实际选用时，可将接触器的额定电流减小30%使用
（5）接触器选择
根据前面计算出的电动机工作电流值，可知交流接触器的工作电流应在10A以内，而由设计的原理图知交流接触器所需要的主触点为3对辅助触点不超过2常开2常闭，再根据380V三相交流电的要求，查书，可选出交流接触器如下：
KM1~5：
CJ20-10，允许功率4kW，辅助触点2常开2常闭。
2.4工艺图纸设计布置图设计，接线图设计
1、绘制原则
接线图一律采用细实线绘制，其方法有2种：
①用数字标明线号，器件间用细实线连接。
这种接线关系的表示方式，使得器件问连接线条多，接线图图面显得较为真不错的服杂乱，多用于表示接线关系简单的系统；②在导线连接方式上采用线号和器件编号的二维空间标注法，即元器件间不用线条连接，用数字表示导线的编号，用电气符号或数字标明器件编号，分别标注在电器元件的连接线上（含线侧）和出线端，指示导线及去向。
这种表示方法具有结构简单、易于读图的优点，适用于简单和复杂的电气控制系统接线图设计。
布线方式有槽板式和捆扎线把式2种（其方法介绍略）。
基于导线二维标注接线方法的布线路径可由电气安装人员依据就近、美观的原则自行确定。
（5）配电盘底板与控制面板及外设（如电源引线、电动机接线等）间一般用接线端子连接，接线端子也应按元器件进行编号，并在上面注明线号和去向（器件编号），但导线经过接线端子时，线号不变。
（6）根据负载电流的大小计算并选择各类电器元件及导线，在原理图上注明导线的标称截面和种类，在接线图中也应注明导线的标称截面。
穿管或成束导线还应注明所有穿线管的种类、内径、长度及考虑备用导线后的导线根数。
其他还应注明有关接线安装的技术条件。
2、绘制的基本步骤如下
（1）标线号。
根据绘制原则2，在原理图上标出线号。
（2）画元件框及元器件符号。
依照安装位置，在接线图上画出元器件电气符号图形及外框。
（3）分配元件编号。
根据绘制原则3给元器件编号，并将编号标在接线图中。
（4）填充连线的去向和线号。
在接线图上填写导线标号和器件编号。
3应用举例3．1电动机起停控制电路原理图如图所示，图中依据线号标注原则标出了各线标号，元器件清单及原理说明略。
3．2控制（操作）面板图如图2所示，控制面板设计在操作平台或控制柜柜门上，操作面板安装各种主令电器和状态指示灯等器件。
控制面板与主配电盘问一般采用接线端子连接。
接线端子一般安装在与配电盘端子相应的位置上。
两盘（控制面板、配电盔曲间连线采用塑料蛇形套管防护。
控制面板接线图中，线上数字1-7表示线号，线端数字10一17表示元器件编号，用于指示导线去向。
3．3配电盘（底板）接线图如图3所示，配电盘元器件布置位置可自上而下，自左而右依次排列。
与控制（操作）最新传奇面板相连接的接线端子，一般布置在靠近控制面板的上方或柜门轴侧；与电源或电机相连的接线端子，一般在配电盘的下方靠近过线孔的位置。
配电盘接线图中，线侧数字表示线号，线端数字20—25表示元器件编号，用于指示导线去向。
3、导线选型
根据电磁学分析，载流导线中的电流密度分布规律为：
式中：
Jo导体表面（x=0）处的电流密度；σ：
电导率；μ：
磁导率；x：
导体内部距表面的深度。
从上式可知，载流导体的电流密度的大小随导体内部距表面的深度x值的增加而按指数规律衰减，换言之，当电流流过导线时，载流子将趋于导线的表面，载流子趋于导体表面的这一现象称为“趋肤效应”。
根据这一理论，通电导体中能有效传导电流的只是导体的表层，而在导体的内部形成了一个载流子几乎为零的“真空”带。
在通电导线中，由于电流的“趋肤效应”而降低了导线的有效使用率。
因此，国家标准局颁布的《机床电气设备通用技术条件》（GB5226-85）中有关机床电气设备所用导线的额定载流容量等级就反映了这一现象。
第三章：
plc控制系统
3.1PLC选型
PLC控制设计与前面的接触器-
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