专用镗孔机床的电气控制系统设计说明书.docx
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专用镗孔机床的电气控制系统设计说明书
东北林业大学
课程设计
论文题目：
专用镗孔机床的电气控制系统设计
学生：
指导教师：
学院：
机电工程学院
专业：
机械电子工程2009级3班
2012年7月
课程设计任务书
论文题目专用镗孔机床的电气控制系统设计
指导教师
专业机械电子工程2009级3班
学生
2012年7月13日
题目名称：
专用镗孔机床的电气控制系统设计
任务内容（包括内容、计划、时间安排、完成工作量与水平具体要求）
机床概述：
专用镗孔机床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，亦能进行铰孔加工（有镗孔与铰孔加工选择），加工动作流程如图1所示。
a）b）
图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，且可以自动变换。
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，动作要求如表1所示。
表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。
控制要求：
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：
先起动静压电动机，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。
任务内容：
1．采用继电器-接触器控制，设计该机床的电气控制系统。
（1）根据控制要求设计主电路；
（2）根据主电路的控制要求设计控制电路；
（3）根据照明、指示、报警等要求设计辅助电路；
（4）正确、合理地选择各电器元件，编制元件目录表。
（5）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。
2．采用PLC控制，设计该机床的电气控制系统。
1）根据控制要求选择PLC型号，并分配I/O端口；
2）设计I/O电路、选择电气元件。
3）绘制控制程序梯形图，编制用户程序语句表并进行模拟调试。
3．撰写课程设计说明书（按东北林业大学毕业论文格式撰写）。
主要包括以下内容：
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、梯形图等设计图纸。
（注：
要求提交纸质文件和电子版各一份）
设计参考资料
电气控制原理与设计、机电传动控制及其他有关教材；电工手册；工厂常用电气设备手册；低压电器手册；PLC编程手册；其他设计手册等。
参考文献
1专用镗床的电气控制线路分析
1.1镗床的主要结构
镗床的床身是一个整体铸件，在它的一端固定有前立柱，在前立柱的垂直导轨上又安装有镗头架，镗头架可沿垂直导轨上下移动。
在镗头架里集中里装有主轴、变速箱、进给箱和操纵机构等部件。
切削刀具一般安装在镗轴前端的锥形孔里，或安装在花盘的刀具溜板上。
在切削过程中，镗轴一面旋转，一面沿轴向作进给运动，而花盘只能旋转，装在他上面的刀具溜板可作垂直主轴轴线方向的径向进给运动，镗轴和花盘轴分别通过各自的传动链传动，可以独立转动。
后立柱位于镗床床身的另一端，后立柱上的尾座用来支撑装夹在镗轴上的镗杆末端，它与镗头架同时升降，两者的轴线始终在同一水平直线上。
根据镗杆的长短，可通过后立柱沿床身水平导轨的移动来调整前、后立柱之间的距离。
1.2镗床的运动形式
（1）主运动：
镗轴和花盘的旋转运动
（2）进给运动：
镗轴是轴向进给、花盘上刀具的径向进给、镗头架的垂
直进给、工作台的横向和纵向进给。
（3）辅助运动：
工作台的回转、后立柱的轴向水平移动、尾座的垂直移动及各部分的快速移动。
1.3镗床的电力拖动方式及电气控制要求
镗床由两台电动机拖动：
主轴电动机M1和静压电动机M2。
主轴电动机M1用来驱动镗轴或花盘的旋转，并通过变速箱的传动产生镗轴、花盘；
静压电机M2用于启动时先于主轴运动产生静压油膜，当停车时，主轴先停止运动之后静压电机停止动作；
工作台及镗头架的进给运动通过液压缸及两个三位五通阀进行控制；
镗床的电气控制要求如下：
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：
先起动静压电动机，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。
2专用镗床继电器接触器控制系统设计
2.1专用镗床继电器接触器控制系统主电路设计图
继电器接触器控制主电路图如图2-1。
图2-1主电路设计图
主电路中设计主电机M1、静压电机M2，熔断器FU和FU1。
熔断器FU用作电源保护、FU1用于短路保护。
接触器KM1主触点控制主电动机的启动、接触器KM2的主触点控制静压电机；接触器KM3主触点以及RP和变压器组成主电动机的能耗制动；FR为热继电器保护电路。
由于主电动机选用Y100L—6型（1.5kW-4A）三相异步电动机，则电动机的空载电流I0为I0=（30%~40%）*4A=（1.2~1.6）A。
变压器二次侧电压取U2=1.11RIZ
变压器二次侧电流I2=1.11IZ。
变压器容量为S=U2I2。
2.2专用镗床接触器继电器控制系统控制线路设计
镗床RLC控制线路如图2-2。
图2-2RLC控制线路设计
其中：
SB1为紧急停止按钮、SB2为启动按钮；
SB3为工作台运动到工进停止位置后的手动复位开关；
SA为镗孔/铰孔选择开关；
SQ1为在镗孔工作下的工进开始位行程按钮；
SQ2为在铰孔工作下的工进开始位行程按钮；
SQ3为在镗孔工作下工进自动结束行程按钮；
SQ4为在铰孔工作下工进自动结束行程按钮；
SQ5为停止位行程开关；
QS为照明电路开关。
2.3专用镗床接触器继电器控制系统控制流程
镗床控制流程图见下图2-3
图2-3控制流程图
2.4镗床接触器继电器控制系统控制过程
按下开始按钮SB2接触器线圈KM2得电，KM2主触点闭合，静压电动机启动；KM2辅助触点闭合，在SB2处形成自锁。
在按下开始按钮SB2的同时，时间继电器KT1得电；延时时间到，时间继电器触点KT1闭合；中间继电器KA1得电；中间继电器KA1触点闭合，在KT1触点处形成自锁并且使接触器KM1线圈得电。
接触器KM1线圈得电，KM1主触点闭合，主电动机启动；KM1辅助触点闭合在KA1辅助触点处形成自锁并且使电磁阀线路接通。
通过主令控制器SA选择工作方式，使KA3或KA4中间继电器得电。
1）选择进行镗孔控制
1线圈KA3得电，中间继电器KA3触点闭合，电磁阀控制部分得电。
2YV1、YV4通电，快进。
3运动到行程开关SQ1，SQ1常闭触点断开；只有YV1通电，工进，镗孔。
4运动到行程开关SQ3，SQ3常闭触点断开；电磁阀控制部分断电，停车。
5按下复位按钮SB3，中间继电器KA2线圈得电；KA2辅助触点闭合，在SB3处行成自锁并且YV1、YV3通电，运动台快退。
6运动到行程开关SQ5，SQ5组合开关按下；接触器KM1断电，KM1主触点断开，切断电动机电源；接触器KM3、时间继电器KT得电；KM3的主触点闭合，给电动机两相绕组通入直流电流，进行能耗制动；延时时间到，KT触点断开，KM2线圈断电，主触点断开切断直流电源。
2）选择进行铰孔控制
1线圈KA4得电，中间继电器KA3触点闭合，电磁阀控制部分得电。
2YV1、YV4通电，快进。
3运动到行程开关SQ2，SQ2常闭触点断开、常开触点闭合；YV1、YV2通电，工进，铰孔。
4运动到行程开关SQ4，SQ4常闭触点断开；电磁阀控制部分断电，停车。
5按下复位按钮SB3，中间继电器KA2线圈得电；KA2辅助触点闭合，在SB3处行成自锁并且YV1、YV3通电，运动台快退。
运动到行程开关SQ5，SQ5组合开关按下；接触器KM1断电，KM1主触点断开，切断电动机电源；接触器KM3、时间继电器KT得电；KM3的主触点闭合，给电动机两相绕组通入直流电流，进行能耗制动；延时时间到，KT触点断开，KM2线圈断电，主触点断开切断直流电源。
3镗床继电器接触器控制系统主要原件的选择
3.1电动机的选择
专用镗孔机床所应用的电动机主要有：
主电动机、静压电动机、液压泵拖动电动机。
主电动机型号：
Y100L—6型（1.5kW-4A）三相异步电动机
静压电动机型号：
Y100L—6型（1.5kW-4A）三相异步电动机
液压泵拖动电动机型号：
为Y801-2型（750W、1.9A）
3.2接触器的选择
接触器选型主要依据：
种类、负载类型、主回路参数。
负载类型：
在镗孔机床中接触器负载为交流电源（380V）；
负载情况：
需要频繁启动，所控制的电动机功率为750W；
使用环境：
为厂房使用，环境恶劣；
参数：
额定电流为9A；额定电压为220V。
综上选择接触器型号为：
3TS29~32。
3.3中间继电器的选择
中间继电器可作为保护用，也可作为自动装置控制用，以增加保护的控制回路的触点数量及容量、扩大控制范围的提高控制能力等。
机械作用要素：
主要指振动、冲击、碰撞等应力作用要素。
专用镗孔机床在厂房的工作环境下有很大的振动，宜选用采用平衡衔铁机构的小型中间继电器。
激励线圈输入参量要素：
主电动机为Y100L—6型（1.5kW-4A）三相异步电动机拖动、液压系统中的液压泵拖动电机为Y801-2型（750W、1.9A）。
故额定电流为4A；额定电压=额定功率/额定电流=375V
综上所述中间继电器应选用JDA1-44A。
3.4熔断器的选择
1）照明电路熔体额定电流≥被保护电路上所有照明电器工作电流之和。
2）电动机：
①单台直接起动电动机：
熔体额定电流＝（1.5～2.5）×电动机额定电流。
②多台直接起动电动机：
总保护熔体额定电流＝（1.5～2.5）×各台电动机电流之和。
③降压起动电动机：
熔体额定电流＝（1.5～2）×电动机额定电流。
④绕线式电动机：
熔体额定电流＝（1.2～1.5）×电动机额定电流。
3）配电变压器低压侧：
熔体额定电流＝（1.0～1.5）×变压器低压侧额定电流。
4）并联电容器组：
熔体额定电流＝（1.3～1.8）×电容器组额定电流。
根据题目要求主电动机为Y100L—6型（1.5kW-4A）三相异步电动机拖动、液压系统中的液压泵拖动电机为Y801-2型（750W、1.9A）。
故额定电流为4A；额定电压=额定功率/额定电流=375V；
综合所述熔断器选择：
RL1-5和RL1-2。
3.5专用镗孔机床各主要元器件型号选择一览表
专用镗孔机床主要元件及型号如表3-1。
表3-1镗孔机床各部分原件明细表
静压电动机M2
主电动机M1
液压泵拖动电机
RLC主电路熔断器FU
Y100L—6型（1.5kW-4A）三相异步电动机
Y100L—6型（1.5kW-4A）三相异步电动机
为Y801-2型（750W、1.9A）
RL1-5
辅助控制电路熔断器FU1
接触器KM1
接触器KM2
接触器KM3
急停按钮
启动按钮
手动操作复位按钮
中间继电器KA1
中间继电器KA2
通电延时时间继电器KT
通电延时时间继电器KT1
行程开关SQ1
行程开关SQ2
行程开关SQ3
行程开关SQ4
行程开关SQ5
选择开关SA
RL1-2
3TS29~32
3TS29~32
3TS29~32
XB5ASS42C
XB7EA31C
XB7EA33C
JDA1-44A
JDA1-44A
JSK-10/1
JSK-10/1
LX32-2
LX32-2
LX32-2
LX32-2
LX32-2
XB5AD33C
4专用镗孔机床可编程控制器控制系统设计
4.1专用镗孔机床可编程控制器控制系统I/O口分配表
专用镗孔机床可编程控制器控制系统I/O口的分配如表4-1。
表4-1专用镗孔机床PLC控制I/O分配表
I口
接线端
O口
接线端
I0.0
启动按钮SB2
Q0.1
电磁阀YV1
I0.1
行程开关SQ1
Q0.2
电磁阀YV2
I0.2
行程开关SQ2
Q0.3
电磁阀YV3
I0.3
行程开关SQ3
Q0.4
电磁阀YV4
I0.4
行程开关SQ4
Q0.5
静压电动机
I0.5
行程开关SQ5
Q0.6
主电动机
I0.6
方式选择开关SA
I0.7
方式选择开关SB
I1.1
手动操作按钮SB3
4.2专用镗床可编程控制器控制系统硬件接线图
专用镗床可编程控制器控制系统的硬件接线如图4-1。
图4-1专用镗床PLC控制硬件接线
4.3专用镗孔机床可编程控制器控制系统梯形图
镗床可编程控制系统梯形图如图4-2。
图4-2专用镗床PLC控制梯形图
4.4专用镗床可编程控制器控制系统控制过程
（1）触发I0.0经过T37常闭开关T37启动接触器M0.2；M0.2触点动作形成自锁并且启动输出端口Q0.5启动静压电动机；
（2）经I0.0启动定时器T37，定时时间到，T37常开触点闭合，触发M0.4；
（3）M0.4触点触发Q0.6，主电动机启动；
（4）通过I0.7和I1.1选择工作方式，并触发相应的M0.6/M0.7；
（5）经M0.6和M0.1触点触发Q0.1和Q0.4，镗床进行快进；
㈠进行镗孔工作方式
①经I0.7触发M0.6，经由M0.6和M0.1触点触发输出口Q0.1；镗床进行工进1；
2发形成开关I0.3，第9、10条指令断电，工作台停止；
㈡进行铰孔工作方式
①经I1.1触发M0.7，经由M0.7和M0.1触点触发输出口Q0.1；经由M0.7触点触发输出口Q0.4，镗床进行工进2；
②触发形成开关I0.4，第11、12、13条指令断电，工作台停止；
（6）运动台运动到I0.5，触发常闭触点断开，第5条指令断电，Q0.6断电，主电动机停止；
（7）I0.5常开触点闭合，触发M0.3；经由I0.5和M0.3触发定时器T38；
（8）经由M0.3主触点主电机接入直流电源进行能耗制动；
（9）T38定时时间到，触点断开，镗床停车。
4.5专用镗床可编程控制器控制系统CPU的选择
在PLC选型是时主要是根据所需功能和容量进行选择，并考虑维护的方便性，备件的通用性，是否易于扩展，有无特殊功能要求等。
（1）PLC输入/输出点确定：
I/O点数选择时要留出适当余量；由控制要求可知有8个输入口，则输入的点数可选择8点或16点；控制对象可知有5个，则输出点数可以小于8点，可选择8点。
综合以上两点，选择输入输出点数16点。
（2）PLC存储容量：
系统有模拟量信号存在或进行大量数据处理时容量应选择大一些；专用镗孔机床PLC控制程序设计步骤200步之内存储容量小于20K，选择8K即可。
（3）输出类型：
通常由于专用镗孔机床由交流220V三相异步电机拖动，则选择继电器输出型MR（有触点，可带交直流负载）或双向晶闸管输出型MS（无触点，可带交流负载）都可。
（4）存储维持时间：
一般存储约保持1~3年（与使用次数有关）。
若要长期或掉电保持应选用EEPROM存储（不需备用电源），也可选外用存储卡盒；
PLC的扩展：
可通过增加扩展模块、扩展单元与主单元连接的方式。
扩展模块有输入单元、输出单元、输入/输出一体单元。
扩展部分超出主单元驱动能力时应选用带电源的扩展模块或另外加电源模块给以支持；
（5）PLC的联网：
PLC的联网方式分为PLC与计算机联网和PLC之间相互联网两种。
与计算机联网可通过RS232C接口直接连接、RS422+RS232C/422转换适配器连接、调制解调通讯连接等方式；一台计算机与多台PLC联网，可通过采用通讯处理器、网络适配器等方式进行连接，连接介质为双绞线或光缆；PLC之间互联时可通过专用通讯电缆直接连接、通讯板卡或模块+数据线连接等方式。
综上
（1）、
（2）、（3）、（4）、（5）所述原因，选择S7_214。
5结束语
为期一周的机械设备控制课程设计结束了，在这一周中我收获到的本预想的要多很多。
在课程设计中，我们根据题目根据机床运动的过程设计镗床机床控制系统的RLC和PLC的设计。
我们要分清他所有的运动过程，并根据所学习的机电设备控制的知识进行设计。
在这个过程中，我才意识到知识不是学会就是真的掌握了，只有经过真正完全独立的设计才知道自己究竟差距在哪里。
在本次设计中不仅让我熟练了机电设备控制的相关知识，并且熟练了查询手册、上网所及资料对于繁杂的信息进行筛选处理的能力。
在课程设计中老师严格要求我们按照专业毕业设计论文格式进行书写，在这个过程中我自学了许多实用的关于WORD的技巧，为明年的毕业设计进行了很好的训练。
同时在此非常感谢老师对我悉心到的指导和同学们的热心帮助，在交流中学习让我跟深刻的记住了相关知识并且在交流中学习到了老师和其他同学处理问题、分析问题的方法，让我受益匪浅。
参考文献
[1]张志义.孙蓓编著.机电传动控制.机械工业出版社.2009
[2]周文森等编著.简明电工手册.机械工业出版社.1981
[3]齐占庆.王振臣.编著电气控制技术.机械工业出版社.2002
[4]《工厂常用电气设备手册》编写组.工厂常用电气设备手册.中国电力出版社.1998
[5]杨国福编著.化学工业出版社.常用低压电器手册.2009
[6]周万珍编著.PLC分析与设计应用.电子工业出版社.2004
[7]李道霖编著.电气控制与PLC原理及应用.电子工业出版社.2004
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