Z3040电气原理图设计实践报告.docx
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Z3040电气原理图设计实践报告
目录
第一章、Z3040摇臂钻床简介及运动分析1
一、摇臂钻床作用1
二、Z3040钻床的结构分析1
三、钻床的运动形式2
1）主轴带刀具的旋转与进给运动2
2）各运动部分的移位运动2
3）移位运动部件的夹紧与放松3
四、摇臂钻床的电力拖动特点3
1）主拖动电动机3
2）摇臂升降电动机4
3）液压泵电动机4
4）冷却液泵电动机4
第二章、控制方案设计5
一、电气控制线路图的设计5
1）主电路设计5
2）控制电源的设计5
3）控制电路的设计5
（1）主轴电动机M1的控制设计5
（2）摇臂升降电动机M2和液压泵电动机M3的控制设计5
4）局部照明及信号指示电路的设计5
二、电动机的选择5
1）主拖动电动机6
2）摇臂升降电动机6
3）液压泵电动机6
4）冷却液泵电动机6
第三章、电气控制线路设计7
一、主电路设计7
二、控制电路设计8
第四章、电气元件的选择10
一、熔断器的选择10
二、接触器的选择10
三、热继电器FR的选择11
课程设计小结12
参考文献12
附录13
第一章、Z3040摇臂钻床简介及运动分析
一、摇臂钻床作用
摇臂钻床,也可以称为横臂钻。
主轴箱可在摇臂上左右移动，并随摇臂绕立柱回转±180º的钻床。
摇臂还可沿外柱上下升降，以适应加工不同高度的工件。
较小的工件可安装在工作台上，较大的工件可直接放在机床底座或地面上。
摇臂钻床广泛应用于单件和中小批生产中，加工体积和重量较大的工件的孔。
摇臂钻床加工范围广，可用来钻削大型工件的各种螺钉孔、螺纹底孔和油孔等。
摇臂钻床的主要变型有滑座式和万向式两种。
滑座式摇臂钻床是将基型摇臂钻床的底座改成滑座而成，滑座可沿床身导轨移动，以扩大加工范围，适用于锅炉、桥梁、机车车辆和造船，机械加工，等行业。
万向摇臂钻床的摇臂除可作垂直和回转运动外，并可作水平移动，主轴箱可在摇臂上作倾斜调整，以适应工件各部位的加工。
此外，还有车式、壁式和数字控制摇臂钻床等。
二、Z3040钻床的结构分析
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。
图1-1Z3040摇臂钻床结构示意图
1底座2内立柱3、4外立柱
5摇臂6主轴箱7主轴8工作台
Z3040摇臂钻床是一种用途广泛的万能机床，适用于加工中小零件，可以进行钻孔、扩孔、铰孔、刮平面及改螺纹等多种形式的加工，增加适当的工艺装备还可以进行镗孔。
主要有底座、内外立柱、摇臂、主轴箱、主轴及工作台等部分组成。
最大钻孔直径为40mm，跨距最大1200mm,最小300mm
摇臂钻床用旋转的钻头对工件进行加工，它由1底座、2内立柱、3、4外立柱、5摇臂、6主轴箱、7主轴、8工作台组成。
主轴箱固定在摇臂上，可以沿摇臂径向运动。
摇臂借助丝杠，可以做升降运动，也可以与外立柱固定在一起，沿内立柱旋转。
切削加工时，通过夹紧装置，主轴箱紧固在摇臂上，摇臂紧固在外立柱上，外立柱紧固在内立柱上。
三、钻床的运动形式
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，根据工件的高度的不同，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，摇臂自动夹紧在外立柱上。
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，根据工件的高度的不同，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，摇臂自动夹紧在外立柱上。
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。
1）主轴带刀具的旋转与进给运动
主轴的转动与进给运动有一台三相交流异步电动机（3kw）驱动，主轴的转动方向由机械及液压装置控制。
2）各运动部分的移位运动
主轴在三维空间的移位运动有主轴箱沿摇臂方向的水平移动（平动）；摇臂沿外立柱的升降运动（摇臂的升降运动由一台1.1kw笼型三相异步电动机拖动）；外立柱带动摇臂沿内立柱的回转运动（手动）等三种，各运动部件的移位运动用于实现主轴的对刀移位。
3）移位运动部件的夹紧与放松
摇臂钻床的三种对刀移位装置对应三套夹紧与放松装置，对刀移动时，需要将装置放松，机加工过程中，需要将装置夹紧。
三套夹紧装置分别为摇臂夹紧（摇臂与外立柱之间）；主轴箱夹紧（主轴箱与摇臂导轨之间）；立柱夹紧（外立柱和内立柱之间）。
通常主轴箱和立柱的夹紧与放松同时进行。
摇臂的夹紧与放松则要与摇臂升降运动结合进行。
Z3040摇臂钻床夹紧与放松机构液压原理如下图所示。
图中液压泵采用双向定量泵。
液压泵电动机在正反转时，驱动液压缸中活塞的左右移动，实现夹紧装置的夹紧与放松运动。
电磁换向阀HF的电磁铁YA用于选择夹紧与放松的现象，电磁铁YA的线圈不通电时电磁换向阀工作在左工位，接触器KM4、KM5控制液压泵电动机的正反转，实现主轴箱和立柱（同时）的夹紧与放松；电磁铁YA线圈通电时，电磁换向阀工作在右工位，接触器KM4、KM5控制液压泵电动机的正反转，实现摇臂的夹紧与放松。
图1-2Z3040摇臂钻床夹紧与放松机构液压原理图
四、摇臂钻床的电力拖动特点
由于摇臂钻床的运动部件较多，故采用多电动机拖动，这样可以简化传动装置的结构。
整个机床有四台笼型感应电动机拖动，他们分别是
1）主拖动电动机
钻头（主轴）的旋转与钻头的进给，是由一台电动机拖动的，由于多种加工方式的要求，所以对摇臂钻床的主轴与进给都提出较大的调速范围要求。
该机床的主轴调速范围为80，正传最低速度为25r/min，最高速度为2000r/min,分6级变速；进给运动的调速范围为80，最低进给量是0.04mm/r,最高进给量是3.2mm/r，也分为16级变速。
在加工螺纹时，要求主轴能正反转，有机械方法变换的，所以电动机不需要反转。
2）摇臂升降电动机
当工件与钻头高度不合适时，可将摇臂升高或降低，故需正反转。
3）液压泵电动机
摇臂、立柱、主轴箱的夹紧放松，均采用液压传动菱形块夹紧机构，夹紧用的高压油是由一台电动机带动高压油泵送出的。
由于摇臂的夹紧装置与立柱的夹紧装置，主轴的夹紧装置不是同时动作，所以，采用一台电动机拖动高压油泵，有电磁阀控制油路。
4）冷却液泵电动机
切削时，刀具及工件的冷却由冷却液泵供给所需的冷却液，冷却液流量大小有专用阀门调节，与电动机转速无关。
第二章、控制方案设计
一、电气控制线路图的设计
1）主电路设计
电源由空气隔离开关QS引入，FU1用作系统的短路保护，主轴电动机M1由接触器KM1、KM6控制串电阻启动，FR1作过载保护；接触器KM4、KM5的主触点控制液压泵电动机M3正反转，FR2作过载保护；冷却泵电动机M4的工作由组合开关SA1控制，熔断器FU2用作电动机M2、M3主电路的过流和短路保护。
2）控制电源的设计
考虑安全可靠和满足照明指示灯的要求，采用控制变压器TC降压供电，其一次侧为交流380V,二次侧为127V、36V、6.3V其中127V电压供给控制电路，36V电压控制局部照明电源，6.3V作为信号指示电源。
3）控制电路的设计
（1）主轴电动机M1的控制设计
根据设计要求，主轴电动机M1的起-停由按钮SB1、SB2和接触器KM1、KM6线圈及自锁、互锁触点来控制，当主轴电动机M1过载时，热继电器FR1起过载保护。
（2）摇臂升降电动机M2和液压泵电动机M3的控制设计
根据设计要求，这两个电机需完成升降和夹紧的工作任务，所以，要用行程开关SQ（1-4）和按钮SB（3-6）来控制两个电动机的起停和正反转，SQ3、SQ4分别为松开与夹紧限位开关，SQ1、SQ2分别为摇臂升降极限开关，SB3、SB4分别为上升与下降按钮，SB5、SB6分别为立柱、主轴箱夹紧装置的松开与夹紧按钮。
4）局部照明及信号指示电路的设计
局部照明设备用照明灯HL、灯开关SA2和照明回路熔断器FU4来组合。
信号指示电路由三路构成：
一路为“主电动机工作”指示灯HL3（绿）在电源接通后，KM1线圈得电，其辅助常开触点闭合后绿灯立即亮，表示主电动机处于供电状态；一路为（松开）指示灯HL1（红），若行程开关SQ4动断触点合上，红灯亮，表示摇臂放松；另一路为（夹紧）指示灯HL2（黄），若行程开关SQ4动合触点闭合，黄灯亮，表示摇臂夹紧。
二、电动机的选择（根据功率、转速等要求选择）
Z3040摇臂钻床设有四台电机，即主轴电动机、摇臂升降电动机、液压电动机及冷却泵电动机。
摇臂钻床的主轴旋转运动和进给运动由一台交流异步电动机拖动，主轴的正反转运动是通过机械变换实现的。
故主电动机只有一个旋转方向。
摇臂钻床除了主轴的旋转和进给运动外，还有摇臂的上升，下降及立柱的夹紧和放松。
摇臂的上升、下降由一台交流异步电动机拖动，立柱的夹紧和放松由另一台交流电动机拖动。
Z3040摇臂钻床是通过电动机拖动一台齿轮泵，供给夹紧装置所需要的压力油，而摇臂的回转和主轴箱的左右移动通常采用手动。
此外还有一台冷却泵电动机对加工的刀具进行冷却。
Z3040型摇臂钻床，根据公式
，求得
1）主拖动电动机
钻头（主轴）的旋转与钻头的进给，是由一台电动机拖动的，由于多种加工方式的要求，所以对摇臂钻床的主轴与进给都提出较大的调速范围要求。
该机床的主轴调速范围为80，正传最低速度为25r/min，最高速度为2000r/min,分6级变速；进给运动的调速范围为80，最低进给量是0.04mm/r,最高进给量是3.2mm/r，也分为16级变速。
在加工螺纹时，要求主轴能正反转，有机械方法变换的，所以电动机不需要反转。
所以主轴电动机型号M1，选定为Y100L2.4，性能指标为：
3KW、380V、6.82A、1430r/min
2）摇臂升降电动机
当工件与钻头高度不合适时，可将摇臂升高或降低，故需正反转。
所以摇臂升降电
动机：
M2，型号选定为Y908-4，性能指标为：
1.1KW、2.01A、1390r/min
3）液压泵电动机
摇臂、立柱、主轴箱的夹紧放松，均采用液压传动菱形块夹紧机构，夹紧用的高压
油是由一台电动机带动高压油泵送出的。
由于摇臂的夹紧装置与立柱的夹紧装置，主轴的夹紧装置不是同时动作，所以，采用一台电动机拖动高压油泵，有电磁阀控制油路。
所以液压泵电动机：
M3,型号选定为J031.性能指标为：
0.6KW、1.42A、2880r/min
4）冷却液泵电动机
切削时，刀具及工件的冷却由冷却液泵供给所需的冷却液，冷却液流量大小有专用
阀门调节，与电动机转速无关。
M4型号选定JCB-22，性能指标为：
0.125KW、0.43A、2790r/min
表2-1电动机型号明细表
符号
名称
型号
规格
数量
M1
三相异步电动机
Y100L2-4
3.0KW,380V,6.82A,1430r/min
1
M2
摇臂升降电动机
Y90S-4
1.1KW,2.01A,1390r/min
1
M3
液压泵电动机
JO31-2
0.6KW,1.42A,2880r/min
1
M4
冷却泵电动机
JCB-22
0.125KW,0.43A,2790r/min
1
第三章、电气控制线路设计
一、主电路设计
图3-1主电路设计图
主电路的设计方案：
根据设计方案，主轴电机M1为单方向旋转，由接触器KM1、KM6控制，实现串电阻启动，主轴的正反转由机械装置实现，并用热继电器FR1做电动机过载保护。
摇臂升降电动机由正反转接触器KM2、KM3控制来实现正反转。
在操纵摇臂升降时，控制电路首先使液压泵电动机M3启动旋转，送出压力油，经液压系统将摇臂松开，然后才使M2启动，拖动摇臂上升或下降。
当摇臂移动到位后，控制电路首先使M2先停下，再自动通过液压系统将摇臂夹紧，最后液压泵电动机M3才停转。
M2为短时工作，不用设过载保护。
M3由接触器KM4、KM5实现正反转控制，热继电器FR2用做过载保护。
M4的容量小，由开关SA1直接控制其启动和停车。
二、控制电路设计
图3-2控制电路设计图
控制电路的设计：
主轴电动机M1的控制：
按下启动按钮SB1，KM1、KT同时通电并自保，此时电动机定子绕组串接电阻R降压启动。
当电动机转速接近额定转速时，时间继电器KT动作，其触电KT闭合，KM6线圈通电自保，触电KM2断开，使KM1、KT线圈断电，KM6主触点短接电阻，KM1主触点已断开，于是电动机经KM6主触点在全压下进入正常运转状态。
指示灯HL3亮，表示主轴电动机在旋转。
摇臂升降的控制：
由摇臂上升启动按钮SB3、下降启动按钮SB4及正、反转接触器KM2、KM3组成具有双重互锁的电动机正、反转点动控制线路。
摇臂的升降控制需与摇臂夹紧液压系统密切配合。
如果摇臂没有松开，摇臂升降电动机不能转动。
由正、反转接触点KM4、KM5控制双向液压泵电动机M3的正、反转，送出压力油，经二位六通阀送至摇臂夹紧机构实现其加紧与松开。
主轴箱、立柱松开与夹紧的控制：
主轴箱和立柱的夹紧与松开是同时进行的。
当按下按钮SB5时，接触器KM4线圈通电，液压泵电动机M3反转，拖动液压泵送出压力油，这时电磁阀YA线圈处于断电状态，压力油经二位六通阀右位进入主轴箱与立柱松开油腔，使之松开。
由于YA线圈断电，压力油不能进入摇臂松开油腔，所以摇臂仍处于夹紧状态。
当主轴箱和立柱松开时，行程开关QS4没有压力，指示灯HL1亮，表示主轴箱与立柱确已松开。
推动摇臂使外立柱绕内立柱做回转移动。
当移动到位后，按下夹紧按钮SB6，接触器KM5线圈通电，M3正转，拖动液压泵送出压力油至夹紧油腔，使主轴箱与立柱夹紧。
当确已夹紧时，压下SQ4，HL2亮，HL1灭，指示主轴箱与立柱已夹紧，可以进行加工。
联锁、保护环节：
行程开关SQ2实现摇臂松开到位与开始升降的联锁；行程开关SQ3实现摇臂完全夹紧与液压泵电动机M3停止旋转的联锁。
SB5与SB6常闭触点接入电磁阀YA线圈电路实现进行主轴箱与立柱夹紧、松开操作时，压力油不能进入摇臂夹紧油腔的联锁。
第四章、电气元件的选择
一、熔断器的选择
作用：
利用金属的熔化来切断电路，以保护电器，短路保护。
结构：
熔体（保险丝）和熔座（安装熔体）
形状：
片状、丝状、和笼状
型号：
常用的熔断器有瓷插式RCIA系列、封闭管式及螺旋式RL1系列等多种。
图4-1熔断器图形符号和文字符号
根据熔断器的额定电压、额定电流和熔体的额定电流等进行熔断器的选择。
本设计中涉及到熔断器有四个：
FU1、FU2、FU3、FU4。
FU1主要对M1、M4进行短路保护，M1、M4额定电流分别为6.82A、0.43A。
因此，熔体的额定电流为Iful≥（1.5-2.5）INmax+∑IN
计算可得Iful≥17.48A，因此FU1选择RL1-60型熔断器，熔体为20A.
同理：
FU2、FU3选择RL1-15型熔断器，熔体为10A；FU4选择RL1-15型熔断器，熔体为2A。
二、接触器的选择
接触器用来频繁的接通和分断交直流主回路和大容量控制电路。
主要控制对象是电动机，能实现远距离控制，并有欠（零）电压保护功能。
图4-2交流接触器图形符号和文字符号
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。
三、热继电器FR的选择
利用电流的热效原理来工作的保护电器
主要用作：
三相异步电动机的过载保护
由按钮、接触器、热继电器等组成的异步电动机直接起动控制电路
图4-3热继电器的图形和文字符号
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。
表4-1主要电气元件明细表
符号
名称
型号
规格
数量
FU1
熔断器
RL1-60
500V,熔体20A
1
FU2、FU3
熔断器
RL1-15
500V,熔体10A
2
FU4
熔断器
RL1-16
500V,熔体2A
1
KM1，KM6
交流接触器
CJ-10
10A,线圈电压127V
2
KM2,KM3
KM4,KM5
交流接触器
CJ10-5
5A,线圈电压127V
4
FR1
热继电器
JR16-20/3
热元件额定电流11A,整定电流6.82A
1
FR2
热继电器
JR16-20/3
热元件额定电流2.4A,整定电流
1
课程设计小结
为期一周的机电传动课程设计结束了，在这比较短暂的时间里，经过老师、同学对本次课程的指导，我受益匪浅，学习了不少知识。
同时我也看到了自己所学专业在实际生活中的运用。
觉得自己所学习的是一门非常有用的专业，同时对以后的就业也有了一个比较乐观的态度，不会再迷茫不知道自己学习这些是干嘛的。
书上得来终觉浅，绝知此事要躬行。
通过这次的课程设计，我自己的实践体会，我了解到机床设计的复杂性，对电机有了一定的了解，也意识到自身有很多很多不足之处，在绘图的过程中会出现很多问题，通过寻问同学相互讨论和他们的帮助，终于把图纸顺利完成。
同时也让我明白了学习是一个互帮互助的过程，在相互帮助相互学习中进步。
我觉得这一周的实践不仅仅只有这些，它还教会了我如何与人相处，如何和同学一起合作完成，相互学习，相互补充。
通过合作，我们的合作意识得到加强。
合作能力得到提高。
上大学后，很多同学都没有过深入的交流，在设计的过程中，我们用了相互讨论，相互帮助的方式，当一个人有困难或是意见不一致时我们就采取相互讨论的方式解决。
在交流中大家积极发言，和提出意见，同时我们还向别的同学请教。
在此过程中，每个人都想自己的方案得到实现，积极向同学说明自己的想法。
能过比较选出最好的方案。
在这过程也提高了我们的表达能力。
这次课程设计让我受益匪浅，无论从知识上还是其他的各个方面。
上课时候的学习从来没有了解过电机的复杂，这次实践终于有了真正的体会。
课程设计是一次实践性的学习，在这次实践中我明白了电动机的重要性和运用的广泛性。
参考文献
[1]王宗才.机电传动与控制[M].电子工业出版社2011.
[2]陈远龄.机床电气自动控制[M].重庆大学出版社2004.
[3]齐占庆.机床电器控制技术[M].机械工业出版社2004.
[4]方承远.电气控制原理与设计．北京：
机械工业出版社2000.
[5]王永华．现代电气及可编程技术．北京：
北京航空航天大学出版社2006.
[6]张运波、刘淑荣.工厂电气控制技术[M].高等教育出版社2004.
[7]王本轶.机电设备控制基础[M].机械工业出版社2007.
[8]张华.电类专业毕业设计指导[M].机械工业出版社2007.
[9]杨林建.机床电气控制技术[M].北京理工大学出版社2008.
附录：
Z3040简明的电气元件明细表
符号
名称及用途
符号
名称及用途
M1
主轴电动机
FU2
M1、M2及变压器一次侧的短路保护熔断器
M2
摇臂升降电动机
FU3
主轴的短路保护熔断器
M3
液压泵电动机
FU4
工作灯短路保护熔断器
M4
冷却泵电动机
YA
电磁阀
KM1
主轴旋转接触器
SA1
冷却泵工作开关
KM2
摇臂上升接触器
SA2
机床工作灯开关
KM3
摇臂下降接触器
FR1
M1电动机过载保护用热继电器
KM4
主轴箱、立柱、摇臂放松接触器
FR2
M3电动机过载保护用热继电器
KM5
主轴箱、立柱、摇臂夹紧接触器
TC
控制变压器
KM6
主轴旋转接触器
QS
电源引入开关
KT1
放松、夹紧用断电延时时间继电器
SB1
主电动机停止按钮
KT2
主轴延时时间继电器
SB2
主电动机启动按钮
SQ1
摇臂升降极限保护限位开关
SB3
摇臂上升启动按钮
SQ2
摇臂放松用限位开关
SB4
摇臂下降启动按钮
SQ3
摇臂夹紧用限位开关
SB5
主轴箱、立柱松开按钮
SQ4
立柱夹紧、放松指示用限位开关
SB6
主轴箱、立柱夹紧按钮
R
串电阻电机启动
HL1~HL3
工作状态指示信号灯
FU1
总电路短路保护熔断器
EL
机床工作灯
升级会员 