电气控制与可编程序控制器课程设计指导书春新格式.docx
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电气控制与可编程序控制器课程设计指导书春新格式
《电气控制与可编程序控制器》
课程设计指导书
目录
第一部分课程设计要求、设计方法及参考选题1
一、课程设计的目的和要求1
二、课程设计任务、工作量与设计方法2
（一）设计任务书2
（二）设计方法及步骤2
三、课程设计举例3
（一）设计任务书3
（二）设计过程5
第二部分课程设计参考题选16
课题一专用镗孔机床的电气控制系统设计16
课题二千斤顶液压缸加工专用机床电气控制系统设计17
课题三机械手电气控制系统设计18
课题四全自动双面钻电气控制系统设计19
课题五机械手PC控制系统设计20
课题六专用榫齿铣电气控制系统设计20
第一部分课程设计要求、设计方法及参考选题
要能胜任电气控制系统的设计工作，按要求完成好设计任务，仅仅掌握电气设计的基础知识是不够的，必须经过反复实践，深入生产现场，不断积累经验．课程设计正是为这一目的而安排的一个实践性教学环节，它是一项初步的工程训练。
通过集中1～2周时间的设计工作，了解一般电气控制系统的设计要求、设计内容和设计方法．课程设计题目不要太大，尽可能取自生产中实用的电气控制装置。
本指导书主要讨论课程设计应达到的目的、要求、设计内容、深度及应完成的工作量。
并通过实例介绍，进一步说明课程设计的设计步骤。
本指导书还收集了较多的设计参考题，可作为课程设计练习题，直接供设计者自由选取。
命题结合生产需要，具有真实感。
设计中应严格要求，力求做到图纸资料规范化。
电气设计包含原理设计与工艺设计两个方面不能忽视任何一面，在高等院校教学中尤其要重视工艺设计。
由于初次从事设计工作，工艺设计要求不能过高，不能面面俱到。
设计工作量，说明书等要求与毕业设计应有较大的区别，电气控制课程设计属于练习性质，不强调设计结果直接用于生产，各人的工艺设计只要求完成其中一部分内容。
课程设计原则上应做到一人一题和自由选题．在几个人共选一个课题的情况下各人的设计要求及工艺设计内容，绘图种类，应有所区别。
要强调独立完成，以学生自身的独立工作为主，教师指导帮助为辅。
在设计过程中，适当组织针对性参观，并配以多种形式有助于开拓设计思路的讲座。
一、课程设计的目的和要求
课程设计主要目的，是通过某一生产设备的电气控制系统的设计实践，了解一般电气控制设计过程、设计要求、应完成的工作内容和具体设计方法。
通过设计也有助于复习、巩固以往学习的内容，达到灵活应用的目的。
电气设计必须满足生产设备和生产工艺要求，因此，设计之前必须了解设备的用途、结构、操作要求和工艺过程，在此过程中培养从事设计工作的整体现念。
课程设计应强调以能力培养为主，月提高，主要包括以下几方面：
①独立工作能力和创造力。
②综合运用专业及基础知识，解决实际工程技术问题的能力．
③查阅图书资科、产品手册和各种工具书的能力．
④工程绘图能力．
⑤写技术报告和编制技术资料的能力。
在课程设计数学中，应以学生为主体，充分发挥自己的自主性和创造精神。
作用主要是体现在工作方法、思维方法的引导。
为保证顺利完成设计任务，提出如下要求：
①在接受设计任务并选定课题后，应根据设计要求和应完成的设计内容，查阅图书
和制定工作进度计划，确定各阶段应完成的工作，妥善安排时间。
②在方案确定过程中（是最重要一环）应主动提出问题，以取得指导教师的帮助，阶段提倡广泛讨论，做到思路开阔，依据充分。
在具体设计过程小，要求多想、少问，参数的确定，要经过计算论证。
③所有电气图纸的绘制必须符合国家有关标准的规定，包括线条、图形符号、项目代号、回路标号、技术要求、标题栏、图例：
明细表以至图纸的折叠和装订。
④说明书要求文字通顺、简练、字迹端正、整洁。
⑤应在规定时间内完成所有的设计任务。
⑥条件允许情况下，对自己的设计线路进行试验论证，考虑进一步改进的可能．
二、课程设计任务、工作量与设计方法
（一）设计任务书
课程设计要求是以设计任务书形式表达，由设计者自己拟订。
设计任务书应包含以下内容：
①设备的名称、用途、基本构造、动作原理以及工艺过程的简单介绍。
②拖动方式、运动部件的动作顺序、各动作要求和控制要求。
③联锁、保护要求。
④照明、指示、报警等辅助要求。
⑤应绘制的图纸。
⑥说明书要求。
原理设计的中心任务是绘制电气原理图和选用电器元件。
工艺设计目的是为了得到电气设备制造过程中需要的施工图纸，其类型数量很多，设计中主要以电气设备总体配置图、电器板元件布置图、接线图、控制面板布置因、接线固、电气箱以及主要加工零件如电器安装底板、控制表板等为练习对象。
对于每位设计者来说只要求完成其中一部分。
原理图及工艺图纸均应按要求绘制，元件布置图应标注总体尺寸、安装尺寸和相对位置尺寸。
接线图的编号应与原理图一致，要标明组件所有进出线编号、配线规格、进出线的接线方式（采用端子板或接插件）。
（二）设计方法及步骤
在接到设计任务书后，依原理设计和工艺设计两部分，
1．原理图设计的步骤
（1）根据要求拟订设计任务。
（2）根据拖动要求设计主电路。
在绘制主电路时，可从以下几方面来考虑：
①每台电动机的控制方式应根据其容量及按动负载性质考虑其起动要求，
的起动线路。
对于一般小容量（7kw以下）起动负载不大时，可直接起动，对大容量电动机应考虑采用降压起动。
②根据运动要求决定转向控制。
③根据各台电动机的工作制，决定是否需要设置过载保护成过电流控制指施．
④根据拖动负载及工艺要求决定停车时是否需要制动控制，并决定采用何种制动方式。
⑤设置短路保护及其他必要的电气保护。
⑥考虑其他特殊要求；调速要求、主电路参数测量、信号检测等．
（3）根据主电路的控制要求设计控制回路，其设计方法是，
①正确选择控制电路电压种类及大小。
②根据每台电动机的起动、运行、调速、制动及保护要求，依次绘制各控制环节（选择适当的基本单元控制线路）。
③设置必要的联锁（包括同一台电动机各动作之间以及各台电动机之间的动作联锁）。
④设置短路保护以及设计任务中要求助位置保护（如极限位、越位、相对位置等保护）、电压保护、电脑保护和各种物理量保护（温度、压力、流量等）。
⑤根据施动要求，设计特殊要求控制环节，如自动抬刀、变速与自动循环量等控制。
⑥按需要设置应急操作。
（4）根据照明、指示、报警等要求设计辅助电路。
（5）总体检查、修改、补充与完善．主要包括以下内釉
①校核各种动作控制是否满足要求，是否有矛盾成遗漏。
②检查接触器、继电器、主令电器的触头使用是否合理，是否超过电器元件允许的数量。
③检查联锁要求能否实现。
④检查各种保护是否完善。
⑤检查发生误操作所引起的后果与防范措施。
（6）进行必要的参数计算。
（7）正确、合理地选择各电器元件，按规定格式编制元件目录表。
（8）根据完善后的设计草图，按GB6988《电气制图》标准绘制电气原理线路图，并按GB5094《电气技术中的项目代号》要求标注器件的项目代号，按GB4884—85《绝缘导线的标记》的要求对线路进行统一编号。
2．工艺设计步骤
①根据电气设备的总体配置及电器元件的分布状况和操作要求划分电器组件，绘制电气控制系统的总装配图和总接线图：
②根据电器元件的型号、外型尺寸、安装尺寸、绘制每一组件的元器件布置图（如电器安装扳、按制面板、电源、放大器等）。
③根据元件布置图及电气原理编号绘制组件接线图，统计组件进出线的数量、编号以及各组件之间的连接方式。
④绘制并修改工艺设计草图后，便可按机械、电气制图要求绘制工程图纸。
最后依设计过程和设计结果编写设计说明书及使用说明书。
以上简单介绍了原理设计与工艺设计的步骤，其中每一步的设计要求与具体内容可参阅方承远主编的《工厂电气控制技术》一书中第八章的有关内容，各种图纸的设计过程和绘制要求也可以参考设计举例，这里不再重复。
三、课程设计举例
设计题目：
电镀车间专用行车电气控制装置设计
（一）设计任务书
1．专用设备基本情况介绍
该设备是某厂电镀车间为提高工效、促进生产自动化和减轻劳动强度，而提出创造的一台专用伞自动起吊设备。
采用远距离控制，起吊重且在500kg以下。
起吊物品是待进行电镀及表面处理的各种产品零件，根据工艺要求，专用行车的结构与动作流程如图1—l所示。
在电镀生产线一侧，工人将待加工零件装入吊篮，并发出信号，专用行车便提升并自动逐段前进。
按工艺要求在需要停留的槽位停止，并自动下降，停留一定时间（各槽停留时间预先按工艺调定）后自动提升，如此完成电镀工艺规定的每一道工序，直至生产线的末端自动返回原位，卸下处理好的零件，重新装料发出信号进入下一加工循环。
对于不同零件，其镀层要求和工艺过程是不相同的。
为了节省场地，适应批量生产需要，提高设备利用率和发挥最大经济效益，该设备还要求电气控制系统能针对不同工艺流程（例如镀锌、镀铬、镀镍钮等）有程序预选和修改能力。
设备机械结构与普通小型行车结构类似跨度较小，但要求准确停位，以便吊篮能准确进入电镀格内。
工作时，除具有自动控制的大车移动（前/后）与吊物上/下运动外，还有调整吊篮位置的小车运动（左/右）。
图1-1电镀专用行车示意图
生产线上镀槽的数量，由用户综合各种电镀工艺的需要提出要求，电镀种类越多，则槽数也越多。
为简化设计过程，本设计暂定5个电镀槽，停留时间由用户根据工艺要求进行整定。
2．拖动情况介绍
专用行车的小车、大车及升降运动均采用三相交流异步电动机（JO2-12-4型0.8kw、1.99A、1410r/min、380V）分散拖动，并采用一级机械减速。
3．设计要求
①控制装置具有程序预选功能（按电镀工艺确定需要停留工位），上、下装卸零件，整个电镀工艺应能自动进行。
②前后运动升降运动要求准确停位。
前后、升降及左右运动之间有联锁作用。
③采用远距离控制，整机电源及各动作要有相应指示。
④应有极限位置保护和其他必要的电气保护措施。
⑤绘制电气原理图、选择电器元件、编制元件目录表。
⑥绘制总接线图、电器板布置图与接线图、控制面板布置图与接线图等工艺图纸。
⑦编制设计使用说明书。
（二）设计过程
1．总体方案选择说明
①行车的左右、前后及上下运动分别由电动机M1、M2、M3拖动，并通过正反转控制实现两个方向的移动。
②进退与升降运动停止时，采用能耗制动，以保证准确停位。
平移中，升降电机M3采用电磁抱闸制动，以保证安全。
③位置控制指令信号，由固定于轨道一侧的限位开关发出，并用调节挡铁的方法，来保证吊篮与镀槽相对位置的准确性。
④制动时间与各槽停留时间，由延时继电器控制。
⑤采用串入或短接位置指令信号的方法，实现程序可调。
⑥M2、M3为自动控制连续运转，采用热继电器实现过载保护，左右移动为调整运动，短时工作无过载保护。
⑦采用带指示灯控制按钮，以显示设备运动状态。
⑧主电路及控制电路采用熔断器实现短路保护。
由限位开关实现三方向的位置保护。
⑨电气控制箱置于专门的操作室。
电器板与控制板之间，以及电控箱与执行系统之间的连接，采用接线板进出线方式。
2．设计电气控制原理图
（1）主电路设计
①由接触器KMl、KM2、KM3、KM4及KM5、KM6分别控制电动机M1、M2、M3的正反转。
②M2、M3由热继电器FR1、FR2实现过载保护。
M2电动机为点动短时工作，故不设过载保护。
③由FU1实现短路保护，并由隔离开关QS作为电源控制。
④为保证准确定位，并考虑到进退与升降运动由同一型号电动机拖动，且不会同时工作（相互有联锁作用）。
所以停车时，可采用同一个直流电源实现能耗制动。
直流电源可采用低压交流电源经单相桥式整流得到。
能耗制动回路中没有单独的短路保护，由FU2、FU4实现。
⑤考虑到升降运动吊有一定的重量，在行车平移中，需设置电磁铁抱闸制动控制。
三相电磁铁YA与M3并联，当M3得电时，YA工作，松开刹车允许升降运动。
M3失电时，YA释放，抱闸刹车，使吊篮稳定停留在空中，能安全地前后平移。
根据以上设计原则便可绘制出如图1-2所示的主要电路。
（2）控制电路设计
①吊篮的左右移动，由KM1、KM2控制M1的正反转实现。
M1正转左移，反转右移，采用点动控制，两地操作（控制操作台或现场操作）．在吊篮进退与升降运动中，不允许左右移动，故串联KAl～KA4常闭触头，以实现联锁。
左右极限位保护，由固定于左右两端的限位开关SQ6、SQ7实现。
②根据电镀工艺要求，行车前进运动与升降运动为自动控制，其控制过程是：
按下SB11（图1—3），KM3及KAl吸合，行车前进，当运行至需要停留的档位，例如至1槽清洗，由运动挡铁压下固定于道轨一侧的行程开关SQ1．SQ1常闭触点串在M2控制回路中。
使KM3、KAI失电，M2停止旋转，同时由KAl常闭及SQl常开触点接通前进制动回路，KM7、KT1得电，使M2制动行车准确停在l槽。
图1-2电镀专用行车控制线路的主电路
制动时间由KTl调定，停留时间由KT4调定。
若工艺要求1档无需停留，则可扳动开关SAl，使其常开触点闭合，常闭触点打开，则行车继续前进。
在M2制动的同时，由KM7常开触头接通KM6与KA4，使M3正转，吊篮下降，至下极限位．限位开关SQl1受压，使KM6失电。
同时SQll常开触头接通下降制动回路，而使其迅速停车。
零件在槽内停留时间由时间继电器KT4自动控制，由KT4延时闭合触点接通KM5、KA3，使M3反转，吊篮上升。
到上极限位压下限开关SQl0，使M3停转。
同时SQl0常开触头接通上升制动回路，位KM8和KT2得电，在制动的同时，由KM8常开触头接通行车前进控制回路。
如此循环，直至按工艺要求完成零件的电镀过程，行车到达终点，压SQ8自动停止前进，同时内SQ8常开触点接通KM4、KA2使行车自动回到原位。
进退与升降之间，由KAl、KA2及KA3、KA4常闭触头串于对方控制回路，实现联锁。
过载保护出FR1、FR2常闭触头串在M2、M3各自的控制回路中实现。
③根据控制要求，KM3～KM6的副触头数量不够，因而采用并联KAL～KA4中间继电器办法来解决.
④因设备调整需要，进退及升降控制应有连续运转控制，也有点动控制。
⑤由FU5对控制电路进行短路保护。
⑥为节省控制变压器，控制电压直接采用电网电压。
根据以上要求便可设计出如图1-3所示的控制电路。
（3）辅助电路设计根据设计要求，设计出图1-4所示的辅助电路。
合上QS、HL0指示灯亮，表示控制系统已通电。
图1-3电镀专用行车控制线路
生产过程中由灯HL7～HL10（在SQl1～SQ14中）显示行车的进迟、升降运行状态。
并由灯HLl～HL5显示行车的停留位置。
（4）按设计要求检查各动作程序，各种保护，联锁等，全部符合要求后，即可绘制电气控制总原理图。
（5）主要参数计算
①FU2熔体额定电流
选用IEN＝6A，其余熔体额定电流选用2A。
①能耗制动参数计算
制动电流ID=1.5IN＝3A
直流电压UD=IDR＝30V（式中R为定于两厢电阻约为10Ω，实测或查有关手册。
）
整流变压器三次侧交流电流
I2＝3A/0.9＝3.33A
图1-4辅助电路
U2=30V/0.9=33.3V
整流变压器容量S=I2U2＝100VA
与显示、照明共同选用BK-100变压器220/36V-6.3V
（6）选择电器元件，编制原理图的元件目录明细表（在标题拦上方）
3．设计工艺图纸
按设计要求设计电气装置总体配量图制面板电器布置图及接线图。
设计步骤：
总接线图、电器板电器元件布置图、
①首先要根据控制要求和电气设备的结构，确定电器元件的总体配置情况以及电器板与控制面板上应安装的电器元件。
在本设计中，电器箱外部，分布于生产线上的电器元件有电动机、制动电磁铁、限位开关等。
电路板上应安装的电器元件有熔断器、接触器、中间断电器热断电器、变压器、整流堆等。
选择开关、指示灯等。
②分别对原理线路图的主电路及控制电路进行编号。
③根据电器元件的分布与原理图编号，绘制电气设备的安装接线图，如图1-5所示。
图中应标明各电气部分的联接线号及联接方式、安装走线方式、导线及安装要求等。
④根据操作方便、美观、均匀、对称等原则，绘制电器元件布置图，如图1-6、图1-10所示。
进出线采用接线端子板过桥。
表1-1元器件目录表
22
21
20
19
FU3
熔断器
1
BHC型
熔总2A
18
HL0～HL5
指示灯
6
XD1
6.3V，0.05A
17
SA1～SA5
组合开关
5
HZ10-10/13型
16
SQ6～SQ11
限位开关
6
JZXK1-411
15
SQ1～SQ5
行程开关
5
LXK2-131
14
KT4～KT8
时间继电器
5
JS11-5，～380V
13
KT1～KT3
时间继电器
3
JS7-2A，～380V
12
KA1～KA4
中间继电器
4
JZ7-44，～380V
11
KM1～KM9
接触器
6
CJ10-1010A/380V
10
SB11～SB14
起动按钮
4
LA19-11D
绿色指示灯6.3V
9
SB9～SB10
停止按钮
2
LA19-11D
红色指示灯6.3V
8
SB1～SB8
点动按钮
8
LA19-11
7
QS
电源开关
1
HZ10-10/3
6
TC
变压器
1
BK-100
5
VC
整流器
1
QL5A，100V
4
FU1，FU2，FU4，FU5
熔断器
4
RL1-15
3
YA
三相制动电磁铁
1
JC2～380V
2
FR1，FR2
热继电器
2
JR10-10/3热元件15-21A
1
M1～M3
电动机
3
JO-12-4
序号
代号
名称
数量
规格型号
备注
图1-5总接线图
图1-6电器板元件排列图
⑤根据电器元件布置图及电器元件的外形尺寸、安装尺寸（由产品手册给出），绘制电器板（胶木板或镀锌铁板）、控制面板（有机玻璃板或铝板）、垫板（保证一定强度，一般采用胶木板或镀锌铁板）等零件加工图纸。
图中应标明外形尺寸、安装孔及定位尺寸与公差、板的材料与厚度以及加工技术要求。
本设备中，电器板、控制面板及垫板图如图1-8、图1-9所示。
⑥根据电器安装板及控制面板尺寸设计电器箱外形草图，电气箱加工图。
至此，初步完成本课题要求的原理设计及工艺设计任务
4．编制设计说明书，使用说明及设计小结
（1）根据原理设计过程，编写设计说明书，其中包括以下内容
①总体方案的选择说明。
②原理线路设计说明（各控制要求如何实现）。
③主要参数计算及主要电器元件选择说明，编制元件明细表。
④附上控制原理图及规定完成的工艺图纸。
图1-7电器板接线图
（2）根据原理图及控制要求编写设备说明书，应包括以下主要内容：
①本设备的用途、特点。
②工作原理简单说明。
③使用与维护注意事项。
图1-8电器板加工图（胶木板8mm）
5．设计结果评定内容
①总体方案的选择依据及正确性。
②控制线路能否满足任务书中促出的各项控制要求，可靠性如何。
③联锁、保护、显示等是否满足要求。
④参数计算及元件选择是否正确。
⑤绘制的各种图纸是否符合有关标准。
⑥说明书及图纸质量（简明、扼要、字迹端正、整洁等等）。
图1-9控制面板加工图（有机玻璃板字2mm，按要求刻字喷漆着色）
6．设计参考资料
①电气控制原理与设计、机电传动控制及其他有关教材。
②电工手册。
③机床设计手册（5）上、下册。
④组合机床设计（电气部分）第三册。
⑤低压电器产品样本上、下册。
⑥工厂常用电气设备手册，上、下册。
⑦共他有关产品手册。
图1-10控制面板元件布置及接线图
第二部分课程设计参考题选
课题一专用镗孔机床的电气控制系统设计
1．机床概况该设备用于大批量生产某零件的镗孔与铰孔加工工序。
机床主运动采用动力头，由Y100L—6型（1.5kW-4A）三相异步电动机拖动，单向运转。
该设备能进行镗孔加工，当更换刀具和改变进给速度时，又能进行铰孔加工（有镗孔与铰孔加工选择），加工动作流程如图2-1所示。
a）b）
图2-1加工动作流程图
进给系统采用液压控制，为提高工效，进给速度分快进与工进两种且自动变换。
液压系统中的液压泵拖动电机为Y801-2型（750W、1.9A），由电磁阀（YVl～YV4）控制进给速度，为作要求如表2-1所示。
表2-1液压控制动作要求
YV1
YV2
YV3
YV4
快进
＋
－
－
＋
工进1（镗孔）
＋
－
－
－
工进2（铰孔）
＋
＋
－
－
停
－
－
－
－
快退
＋
＋
为提高加工精度，主轴采用静压轴承，由Y801-2型电动机拖动高压液压泵产生静压油膜。
2．设计要求
1）主轴为单向运转，停车要求制动（采用能耗制动）。
2）主轴电动机与静压电动机的联锁要求是：
先开静压电动机，静压建立后（由油压继电器控制）才能起动主轴电动机，而停机时，要求先停主轴电动机，后停静压电动机。
3）主轴加工操作，采用两地控制。
加工结束自动停止，手动快退至原位。
4）根据加工动作流程要求，设置镗孔加工及铰孔加工选择。
5）应有照明及工作状态显示。
6）有必要的电气保护和联锁。
3．设计任务
1）设计与绘制电气控制原理图，选择电器元件，制订元件目录表。
2）根据原理线路进行组件划分，设计并绘制工艺图，在下列项目中任选二项：
电器板元件布置图；电器板零件加工图；控制面板元件布置图；接线图及面板加工图；电气箱图纸及总装接线图。
3）编制设计说明、使用说明书与设计小结。
4）列出设计参考资料目录。
课题二千斤顶液压缸加工专用机床电气控制系统设计
1．专用机床概况介绍本机为专用千斤顶液压缸两端面的加工，采用装在动力滑台上的左、右两个动力头同时进行切削。
动力头的快进、工进及快退由液压油缸驱动。
液压系统已用两位四通电磁阀控制，并用调整死挡铁方法实现位置控制，油泵电动机型号为Y80—4（0.55kW、1.6A）。
机床的工作程序是：
1）零件定位。
人工将零件装入夹具后，定位油缸动作工件定位。
2）零件夹紧。
零件定位后，延时15s，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。
滑台带动动力头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，延时30s后动力头停转，快速退回原位。
5）滑台复位，左右动力头退回原位后，滑台复位。
6）夹具松压。
当滑台复位后夹具松开，取出零件。
以上液压缸各动作由电磁阀控制，电磁阀动作要求如表2-2所示。
2．设计要求
1）专用机床能半自动循环工作，又能对各个动作单独进行调整。
2）只有在油泵工作，油压达到一定压力（由压力继电器控制）后才能进行其他控制。
表2-2电磁阀动作要求
YV1
YV2
YV3
YV4
YV5
定位
＋
夹紧
＋
＋
入位
＋
＋
工进
＋
＋
＋
＋
退位
＋
＋
升级会员 