组合机床的电气控制系统设计.docx

组合机床的电气控制系统设计.docx

《组合机床的电气控制系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《组合机床的电气控制系统设计.docx（20页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

组合机床的电气控制系统设计

第一章设计概述

1.1组合机床的概述

组合机床通常是采用多刀、多面、多工序、多工位同时加工，由通用部件和专用部件组成的工序集中的高效率专用机床。

它的电气控制线路是将各个部件组合成一个统一的循环系统。

在组合机床上可以完成钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、攻螺纹、铣削及磨削等工序。

组合机床用于大批量生产。

组合机床的控制系统大多采用机械、液压或气动、电气相结合的控制方式。

其中，电气控制又起中枢连接的作用。

因此，应分析组合机床电气控制系统与机械、液压或气动部分的相互关系。

1.2设计要求

设计两面加工组合机床的电气控制线路及其可编程控制器的控制系统。

要求如下：

1）能按照本组最终要求合理设计继电器电气原理图，PLC电气原理图，再做成控制板，最后连线试验。

2）要求上交1份设计说明书，2张图纸，测试结果。

第二章组合机床的电气控制线路设计

2.1选择并确定控制方案

组合机床组成部件不是一成不变的，它将随着生产力的向前发展而不断更新，因此与相适应的电气控制线路也随着更新换代，目前主要有以下两种：

1）机械动力滑台控制线路

机械动力滑台和液压动力滑台都是完成进给运动的动力部件，两者区别仅在于进给的驱动方式不同。

动力滑台与动力头相比较，前者配置成的组合机床较动力头更为灵活。

在动力头上只能安装多轴箱，而动力滑台还可以安装各种切削头组成的动力头，用来组成卧式、立式组合机床，以完成钻、扩、铰、镗、刮端面、倒角和攻螺纹等工序，安装分级进给装置后，也可用来钻深孔。

一般机械动力滑台由滑台、机械滑座及双电动机（快速电动机和进给电动机）传动装置三部分组成。

滑台进给运动的自动循环是通过传动装置将动力传递给丝杆来实现的。

2）液压动力滑台控制线路

液压动力滑台与机械动力滑台在结构上的区别在于：

液压动力滑台的进给运动的借助压力油通过液压缸的前腔和后腔来实现的。

液压动力滑台由滑台、滑座及液压缸三部分组成，液压缸驱动滑台在滑座上移动。

液压动力滑台也具有前面机械动力滑台的典型自动工作循环过程，它是通过电气控制线路控制液压系统来实现的。

滑台的工进速度是通过调整节流调速阀进行无级调速的。

电气控制一般采用行程原则、时间原则控制方式及压力控制方式。

组合机床电气控制系统总的特点，是它的基本电路可根据通用部件的典型控制电路和一些基本控制环节组成，再按加工、操作要求以及自动循环过程，无须或只要作少量修改综合而成。

本设计采用一个液压动力滑台和两个铣削动力头来实现两面加工的组合机床电气控制电路。

2.2确定机床的工作循环

组合相床由底座、床身、液压动力滑台、铣削动力头、液压站等通用部件以及有关的专用部件组成，如图2-1所示。

组合机床的工作循环如图2-2所示。

1—左电动机；2—左变速箱；3—液压缸；4—右变速箱；5—右电动机；6—滑台；

7—工件；8—夹具；9—机座

图2-1组合机床结构示意图

图2-2组合相床工作循环图

加工时，工件随夹具安装在液压动力滑台上，当发出加工指令后，工作台作快速进给，工作接近动力头时，工作台改为工作进给速度进给，同时，左铣削动力头启动加工，当进给到一定位置时，右动力头也启动两面同时加工，直至终点时工作进给停止，两动力头停转，经死挡铁停留后，液压动力滑台快速退回原位并停止，工作循环结束。

2.3确定液压动力滑台系统的工作过程

图2-3液压动力滑台的液压系统图

液压系统工作过程如下。

（1）快速趋进

液压泵电动机启动后，按SB3按钮发出滑台快速移动信号，电磁铁YV1得电，三位五通电磁阀向右移，控制油路开通，控制三位五通液控换向阀向右移，接通工作油路，压力经过行程阀进入液压缸大腔，而小腔内回油经过三位五通液控换向阀、单向阀、行程阀再进入大腔，液压缸体、滑台、获得向前快速移动。

（2）工作进给

滑台快速移动到工件接近铣削动力头时，滑台上的挡铁压下行程阀，切断压力油通路，此时压力油只能通过调速阀进入液压缸大腔，减少进油量，降低滑台移动速度，滑台转为工进进给。

此时由于负载增加，工作油路油压升高，顺序阀打开，液压缸小腔的回油不再经单向阀流入液压缸大腔，而是经顺序阀流回油箱。

（3）死挡铁停留

液压动力滑台工作进给结束时（铣削加工完成），滑台撞上死挡铁，停止前进，但油路仍处于工作进给状态，液压缸大腔内继续进油，至使油压升高，压力继电器KP动作。

（4）快速退回停于原位

死挡铁停留，压力继电器KP动作，其常闭触点打开，使电磁铁YV1失电，KP常开触点闭合，电磁铁YV2得电，三位五通电磁阀左移，控制油控制阀左移，工作压力油直接进入液压缸小腔，使液压缸体、滑台、工件迅速退回。

同时大腔内的回油经单向阀、三位五通液控换向阀无阻挡地流回油箱。

工作台快速退回原位时，压下原位行程开关，电磁铁YV2失电，在弹簧作用下，液控换向阀处于中间状态，切断工作油路，系统中各元件均恢复原位状态，滑台停于原位，一个工作循环结束。

表2-1元件动作表

工步

YV1

YV2

KP

原位

—

—

—

快进

+

—

—

工进

+

—

—

死挡铁停留

+

—

—/+

快退

—

+

—

2.4机床电气传动的特点及控制要求

（1）两台铣削动力头分别由两台笼型异步电动机拖动，单向旋转，无须电气变速和停机制动控制，但要求铣刀能进行点动对刀。

（2）液压泵电动机单向旋转，机床完成一次半自动工作循环后，液压泵电动机不停机，当按下总停机按钮时才停机。

（3）加工到终点，动力头完全停止后，滑台才能快速退回。

（4）液压动力滑台前进、后退能点动调整。

（5）电磁铁YV1、YV2采用直流供电。

（6）机床具有照明、保护和调整环节。

2.5机床电气控制线路设计

（1）电动机控制电路

M1为液压泵电动机，操作按钮SB2或SB1，使KM1得电或失电，控制电动机启动或停止。

机床所有的操作都必须在液压泵电动机启动以后进行。

SA1为机床半自动工作与调整工作的选择开关。

SA1开关置于A位置时机床实现半自动工作，左、右铣削动力头的电动机M2与M3分别由滑台移动到位，压下行程开关SQ2与SQ3，使KM2、KM3得电并自锁，M2、M3分别启动工作。

加工到终点时，滑台压下终点行程开关SQ4，使KM2、KM3断电，两动力头停转。

（2）液压动力滑台控制

液压泵电动机启动工作后，按下按钮SB3，继电器KA1得电并自锁，电磁铁YV1得电，控制液压滑台快速趋近，至滑台压下行程阀，滑台转为工作进给速度进给。

工作进给至终点，死挡铁停留，进油路油压升高，到压力继电器

动作。

KA1失电，电磁铁YV1失电，同时KA2得电，电磁铁YV2得电，滑台快速退回到原位，压下原位行程开关SQ1，KA2失电，YV2失电，滑台停在原位，一个工作循环结束。

（3）照明电路

机床照明灯EL通过控制变压器T1降压为24

，由开关SA2控制。

（4）保护与调整环节

熔断器FU1用于对电动机M1，变压器T1、T2一次侧进行短路保护。

FU2用于对电动机M2、M3短路保护，FU3用于对控制电路短路保护，FU4用于对照明电路短路保护，FU5用于对电磁铁线圈电路短路保护。

三台电动机的过载保护分别由FR1、FR2、FR3热继电器实现，为了保护刀具与工件安全，当其中一台电动机过载时，要求其余两台电动机均应停止工作。

因此，热继电器的常闭触点均应接在控制电路的总电路中。

组合机床是由通用部件和专用部件组成。

组合机床在整机的安装、调试过程中，希望各部件能灵活方便地进行单独调试，而不影响其它部件。

因此，控制电路应具有对自动加工与调整工作状态的控制作用。

左、右动力头调整点动对刀时，通过操作转换开关SA1于调整位置M，分别按下按钮SB7、SB8，实现左、右动力头点动对刀的调整。

液压动力滑台前进、后退的调整是将SA1开关置于

位置，切断KM2、KM3线圈电路，使滑台移动到SQ2、SQ3位置时，左、右铣削动力头不应起动工作。

按下点动按钮SB5、SB6，分别使KA1、KA2得电，获得滑台前进与后退的点动调整工作。

（5）绘制电器原理图

根据各局部线路之间的相互关系和电气保护线路，完成电气原理图，如（附录一）所示。

2.6选择电气元件

2.6.1电动机M1、M2、M3的选择

合理地选择电动机是指从驱动机床的具体对象、加工规范，也就是要从机床的使用条件出发，即从经济、合理、安全等多方面考虑，使电动机能够安全可靠地运行。

在机床中，现阶段Y系列电动机具有高效，节能，性能好，振动小，噪声小，寿命长，可靠性高，维护方便，启动转矩大等优点而得到广泛的应用。

考虑到以上情况，所以选择液压泵电动机M1的型号为Y160M—4，额定功率为11kW，额定电压为380V，额定电流为22.6A，额定转速为1460r/min。

选择左、右动力头电动机M2、M3的型号为Y90L—4，额定功率为1.5kW，额定电压为380V，额定电流为3.7A，额定转速为1400r/min。

2.6.2电源引入开关的选择

开关选用原则：

（1）开关的额定工作电压≥线路额定电压；

（2）开关的额定电流≥线路负载电流；

（3）有热继电器装置的开关，其热继电器整定电流应当与所控制负载额定电流一致；

（4）有电磁继电器装置的开关，其电磁继电器瞬时整定电流应不小于负载电路正常工作峰值电流；

（5）有欠电压继电器装置的开关，其欠电压继电器额定电压就不小于线路额定电压。

Q主要作为电源隔离开关用，并不用它来直接启停电动机，可按电动机额定电流来选。

中、小型机床常用组合开关，选用HZ10—25/3型，额定电流为25A，为三级组合开关。

2.6.3热继电器的选择

热继电器的选用原则：

（1）用做断相保护时，对Y接法应使用一般不带断相保护装置的两相或三相热继电器。

对△接法应使用带断相保护装置的继电器。

（2）用做长期工作保护或间断长期保护时，根据电动机启动时间，选取6倍的额定电流（6IN）以下具有可返回时间的热继电器。

其额定电流或热元件整定电流应等于或大于电动机或被保护电路的额定电流。

继电器热元件的整定值一般为电动机或被保护电路额定电流的1～1.15倍。

液压泵电动机M1的额定电流为22.6A，所以FR1应选用JR20—25，元件号3T型热继电器，热元件电流为25A，整定电流调节范围为17~21~25A，工作时将额定带暖流调整为22.6A。

同理，FR2、FR3应选用JR20—10型,热元件号为10R的热继电器，热元件电流为4A，整定电流调节范围为3.2~4~4.8A，工作时将额定电流调整为3.7A。

2.6.4压力继电器KP

选用原则是：

根据被控制电路的电压等级，所需触点数量、种类和容量等要求来选择。

应选用JZ7—44型中间继电器作为压力继电器，额定电流5A。

2.6.5中间继电器的选择

选用原则是：

根据被控制电路的电压等级，所需触点数量、种类和容量等要求来选择。

应选用JZ7—44型中间继电器，额定电流5A。

2.6.6熔断器的选择

熔断器的选用原则：

（1）熔断器的额定电压应符合电动机的运行电压。

（2）熔断器的额定电流应大于电动机回路长期通过的最大电流。

（3）熔断器的极限断路电流应大于流过电路的最大短路电流。

（4）熔断器的保护特性必须与保护对象的过载特性有良好的配合，使其在整个曲线范围内获得可靠的保护。

熔断器熔体的选用原则：

对负载电流比较平稳，没有冲击电流的短路保护，熔体额定电流等于或稍大于负载工作电流；

a.单台直接启动电动机：

熔体额定电流=（1.5～2.5）×电动机额定电流；

b.多台直接启动电动机：

熔体额定电流=（1.5～2.5）×各台电动机电流之和。

FU1用于对电动机M1，变压器T2、T3一次侧进行短路保护。

其熔体电流为

，查阅《电工手册》，常用螺旋式熔断产品型号以及主要技术参数，可选用RL1—60型熔断器，配50A的熔体。

FU2用于对电动机M2、M3短路保护。

其熔体电流为

，查阅《电工手册》，常用螺旋式熔断产品型号以及主要技术参数，可选用RL1—15型熔断器，配15A的熔体。

FU3用于对控制电路短路保护，FU4用于对照明电路短路保护，FU5用于对电磁铁线圈电路短路保护。

可选用RL1—15型熔断器，配4A的熔体。

2.6.7接触器的选择

接触器的选用主要考虑以下技术参数：

（1）电源种类：

交流或者直流。

（2）主触点额定电压，额定电流。

（3）辅助触点种类，数量以及触点额定电压。

（4）电磁线圈的电源种类，频率和额定电压。

（5）额定的操作频率，即允许的每小时接通的最多次数。

综上所述，参考《电工手册》，接触器KM1，根据液压泵电动机M1的额定电流22.6A，控制回路电源为127V，需主触点三对，动合辅助触点两对，动断辅助触点一对等情况，选用CJ16—25型接触器，电磁线圈电压为127V。

由于M2、M3电动机额定电流比较小，M2、M3可选用JZ7—44型交流中间继电器，其线圈电压为127V，触点电流为5A，可完全满足要求，对小容量的电动机常用中间继电器充任接触器。

2.6.8控制变压器的选择

变压器最大负载时KM1、KM2及KM3同时工作，根据《机床电气可控制技术》教材，式（4—9）得

由式（4—10）得:

可知变压器的容量应大于24.9VA，考虑到照明灯等其他电器容量，可选用BK—100型变压器，电压等级为380V/127-24-6.3，可满足辅助回路的各种电压需要。

2.6.9行程开关的选择

行程开关的一般选用原则是：

（1）根据使用场合及控制对象选用种类；

（2）根据安装环境选用防护形式；

（3）根据控制回路的额定电压和额定电流选用系列；

（4）根据机械与行程开关的传动与位移关系选用合适的操作头形式。

查阅《电工手册》,JLXK1系列行程开关具有瞬时换接动作机构，适用于交流50HZ，电压到380V及直流电压到220V的电路中，作为机床的自动控制，限制运动机构动作以及程序控制用。

综上所述，所以SQ1、SQ4应选JLXK1—111（单轮）型行程开关，其额定电压为380V，约定发热电流为5A。

SQ2、SQ3应选JLXK1—311（直动不带轮）型行程开关，其额定电压为AC380V,DC220V，约定发热电流为5A。

2.6.10控制开关的选择

按钮开关的一般选用原则是：

（1）根据使用场合选用按钮开关的种类；

（2）根据用途选用合适的形式；

（3）根据控制回路需要，确定不同按钮数；

（4）按工作状态指示和工作情况要求，选用按钮和指示灯的颜色。

所以SB1、SB5、SB6应选LA10—1型按钮开关，颜色为红色。

SB2、SB3、SB4、SB7、SB8应选应选LA10—1型按钮开关，颜色为黑色。

2.7制定电动机和电气元件明细表

电气元件明细表要注明各元器件的型号、规格及数量等，见表2-2。

表2-2电动机和电气元件明细表

符号

名称

型号

规格

数量

M1

液压泵电动机

Y140M—4

11Kw380V1460r/min

1

M2

左动力头电机

Y90L—4

1.5kW380V910r/min

1

M3

右动力头电机

Y90L—4

1.5kW380V1400r/min

1

Q

组合开关

HZ10—25/3

三级500V25A

1

FR1

热继电器

JR20—25

额定电流25A整定电流22.6A

1

FR2、FR3

热继电器

JR20—10

额定电流4A整定电流3.7A

2

KP

压力继电器

JZ7—44

额定电流5A

1

KA1、KA2

中间继电器

JZ7—44

额定电流5A

2

FU1

熔断器

RL1—60

380V熔体50A

1

FU2

熔断器

RL1—15

380V熔体15A

1

FU3、FU4、FU5

熔断器

RL1—15

380V熔体4A

3

KM1

交流接触器

CJ16—25

20A线圈电压127V

1

KM2、KM3

交流中间接触器

JZ7—44

5A线圈电压127V

2

T1、T2

控制变压器

BK—100

100VA380V/127-24-6.3

2

符号

名称

型号

规格

数量

SQ1、SQ4

行程开关

JLXK1—111

额定电压380V

约定电流5A

2

SQ2、SQ3

行程开关

JLXK1—311

额定电压380V

约定电流5A

2

SB1、SB5、SB6

控制按钮

LA10—1

红色

3

SB2、SB3、SB4、SB7、SB8

控制按钮

LA10—1

黑色

5

YV1、YV2

电磁铁

4

第三章组合机床的可编程控制器控制系统的设计

3.1在设计可编程控制器系统时，应遵循以下基本原则

1.最大限速地满足控制要求

充分发挥可编程控制器功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计中最重要的一条原则。

设计人员要深入现场进行调查研究，收集资料。

同时要注意和现场工程管理和技术人员及操作人员紧密配合，共同解决重点问题和疑难问题。

2.保证系统安全可靠

保证可编程控制器控制系统能够长期安全，可靠，稳定运行，是设计控制系统的重要原则。

3.力求简单，经济，使用与维修方便

在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断扩大工程的效益，另一方面也要注意不断降低工程的成本，不宜盲目追求自动化和高指标。

4.适应发展的需要

适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。

3.2工艺要求及动作流程

电力拖动控制要求

1）两台铣削动力头分别由两台笼型异步电动机拖动，单向旋转，无须电气变速和停机制动控制，但要求铣刀能进行点动对刀。

2）液压泵电动机单向旋转，机床完成一次半自动工作循环后，液压泵电动机不停机，当按下总停机按钮时才停机。

3）加工到终点，动力头完全停止后，滑台才能快速退回。

4）液压动力滑台前进、后退能点动调整。

5）电磁铁YV1、YV2采用直流供电。

6）机床具有照明、保护和调整环节。

3.3PLC选型

本系统有输入信号16个，输出信号8个，均为开关量。

根据I/O数量、类型及控制要求，同时考虑到维护、改造和经济性等诸多因素，可以选择FX2N-48MR，这样共有24个输入点、24个输出点，可以满足控制要求。

3.4I/O点地址编号及硬件接线

将输入信号、输出信号按功能类型分配，与PLC的I/O端一一对应连接。

表3-1输入/输出设备与PLC的I/O地址分配表

输入设备

输出设备

符号

功能

输入继电器

符号

功能

输出继电器

SA1（A）

半自动与调整工作选择开关

X0

KM1

M1启动接触器

Y0

SA1（M）

X1

KM2

M2正向接触器

Y1

SA2

照明灯开关

X2

KM3

M2反向接触器

Y2

SQ1

原位行程开关

X3

KA1

YV1得失电继电器

Y3

SQ2

行程开关

X4

KA2

YV2得失电继电器

Y4

SQ3

行程开关

X5

YV1

进给电磁铁

Y5

SQ4

加工终点行程开关

X6

YV2

退回电磁铁

Y6

SB1

液压泵停止按钮

X7

EL

照明灯

Y7

SB2

液压泵启动按钮

X10

SB3

快进按钮

X11

SB4

快退按钮

X12

SB5

前进点动调整开关

X13

SB6

后退点动调整开关

X14

SB7

左动力点动对刀开关

X15

SB8

右动力点动对刀开关

X16

KP

压力继电器

X17

图3-1PLC与I/O端的分配图

3.5软件编制

根据系统要求可知，当系统开始运行时，组合机床处于复原状态，用启动脉冲M8002直接使程序进入等待状态，M0常开触点闭合。

当液压泵电动机启动后，系统进入下降状态，开始系统要求的功能。

电动机控制电路、液压动力滑台控制和照明电路能同时进行工作。

机床能够选择半自动工作和点动调节

绘制状态转移图（附录二所示），步进梯形图（附录三所示）。

根据步进梯形图写出的指令表如表3-2所示。

表3-2系统指令表

步序

指令

步序

指令

步序

指令

0

LDM8002

32

RSTY1

64

RSTY5

1

SETS20

33

RSTY2

65

LDIY3

2

STLS20

34

STLS25

66

SETY6

3

LDIX7

35

OUTY1

67

LDX3

4

OUTM0

36

LDX16

68

SETS31

5

LDM0

37

SETS26

69

STLS31

6

ANDX8

38

STLS26

70

RSTY4

7

SETS21

39

OUTY2

71

RSTY6

8

ANDX2

40

LDX13

72

STLS24

9

SETS33

41

SETS27

73

STLS28

10

STLS21

42

STLS27

74

STLS31

11

SETY0

43

LDIX17

75

LDX3

12

LDIX7

44

ANIY4

76

ANDX7

13

ANDX0

45

OUTY3

77

ANDX12

14

ANDX4

46

LDX14

78

SETS32

15

SETS22

47

SETS28

79

STLS32

16

ANDX1

48

STLS28

80

RSTY0

17

ANDX15

49

OUTY4

81

STLS33

18

SETS25

50

STLS29

82

SETY7

19

ANDX9

51

LDIY3

83

STLS32

20

SETS29

52

ANIY5

84

STLS33

21

STLS22

53

SETY3

85

LDX2

22

LDIX10

54

LDIY4

86

SETS34

23

SETY1

55

SETY5

87

STLS34

24

LDX5

56

LDX4

88

RSTY7

25

SETS23

57

ANDX5

89

SETS20

26

STLS23

58

ANDX6

90

RET

27

LDIX11

59

SETS30

91

END

28

SETY2

60

STLS30

29

LDX6

61

RSTY3

30

SETS24

62

SETY4

31

STLS24

63

LDIY4

第四章总结

时光飞逝，一周的时间又接近了尽头。

回顾一周的学习，感觉蛮充实。

本设计主要介绍了两面加工组合机床的电气控制线路及其可编程控制器控制系统的设计。

经过一周辛苦的课程设计，我将学过的基础理论知识进行综合应用，培养了自已的逻辑思维能力。

当然，我也深深认识到自己学习上的不足，书到用时方恨少，只有在真正用到的时候才能发现。

比