电气控制双面卧式车床课程设计.docx

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电气控制双面卧式车床课程设计

设计说明书

第一章 设计概述

1.1 组合机床的发展史 

1.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。

2.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 课程设计题目

机械设备电气自动控制课程设计（机械设备控制技术课程设计）

1.3课程设计的目的和要求

本课程设计是《机械设备电气自动控制》课程的实践环节，主要目的在于提高学生在机床电气自动控制方面的设计实践能力，为机床电气自动控制系统的设计应用进一步打下基础，也为后面的毕业设计做充分的预演。

要求学生具备基本的机床电气控制系统设计、配置、编程、调试能力，进行典型的机床控制系统设计和PLC程序设计与调试的训练。

二、组合机床的电气控制线路设计 

2.1确定机床的工作循环 

（1）机床执行电器和发讯元件：

电动机：

液压泵电机：

Y90L-4B5，1.5KW，3.7A，1440转/分

左主轴电机：

Y112M-6B5，2.2KW，5.6A，960转/分

右主轴电机：

Y112M-6B5，2.2KW，5.6A，960转/分

冷却电机：

AB-100，250W，0.64A

执行电磁阀:

YV1——夹紧YV2——松开

YV3——左滑台进给YV4——左滑台快退YV5——左滑台快速YV6——右滑台进给YV7——右滑台快退YV8——右滑台快速

行程开关：

SQ1-左滑台原位SQ2-左滑台工进SQ3-左滑台终点SQ4-右滑台原位SQ5-右滑台工进SQ6-右滑台终点

压力继电器：

SP1——夹紧信号

（2）机床的工作循环 

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，经延时2秒停留后，液压动力滑台快速退回原位并停止，工作循环结束。

2.2确定液压动力滑台系统的工作过程 

液压系统元件动作见表2—1：

表2—1  元件动作表 

工序

YV1

YV2

YV3

YV4

YV5

YV6

YV7

YV8

KM2

KM3

KM4

转换主令

原位

（+）

SB1

夹紧

+

SP1

左、右滑台快进

（+）

+

+

+

+

+

+

SQ2

SQ5

工进

（+）

+

+

+

+

+

SQ3

SQ6

终点延时

（+）

+

+

+

+

+

2S

2S

左、右滑台快退

（+）

+

+

+

+

SQ1

SQ4

松开

+

（1）快速趋进 

    液压泵电动机启动后，按下SB3按钮发出滑台快速移动信号，KA1吸合，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、工件向前快速移动。

（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。

2.3 机床电气控制线路设计 

（1）电动机控制电路 

1M为液压泵电动机，操作按钮SB0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M3与M4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KP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24V，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用于对电磁铁线圈电路短路保护，FU4用于对控制电路短路保护，FU5用于对照明电路短路保护。

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M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）绘制电气控制原理图 

根据各局部线路之间的相互关系和电气保护线路，完成电气控制原理图，如图1所示。

2.4选择电气元件 

（1）电动机M1、M2、M3  

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。

液压泵电动机单向旋转，要能够保证机床液压滑台快进、快退、工进等运动状态准确的完成。

考虑到以上情况，所以选择液压泵电动机M1的型号为Y132—4，额定功率为7.5kW，额定电压为380V ，额定电流为15.8A，额定转速为1440r/min。

选择左、右动力头电动机M2、M3的型号为Y90L—6，额定功率为1.1kW，额定电压为380V ，额定电流为2.67A，额定转速为910r/min。

（2）电源引入开关Q  

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。

（3）热继电器FR1、FR2、FR3  

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15.8A，所以FR1应选用JR16B—20/3型热继电器，其额定电流为20A，热元件额定电流为16A，刻度电流调节范围为10~16A，工作时将额定电流调整为15.8A。

同理，FR2、FR3应选用JR16B—20/3型热继电器，其额定电流为20A，热元件电流为3.5A，整定电流调节范围为2.2~3.5A，工作时将额定电流调整为2.67A。

（4）压力继电器KP  

应选用JZ7—44型中间继电器作为压力继电器，额定电流5A。

（5）中间继电器KA1、KA2、KA3  

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。

（6）熔断器FU1、FU2、FU3、FU4、FU5  

选用原则：

正确选用熔断器（熔断器和其熔体）才能起到保护作用。

一般情况下应先选择熔体的规格，再根据熔体的规格来确定熔断器的规格。

其选用的一般原则如下：

1）熔体额定电流的选用：

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； 

用于单台电动机短路保护时，熔体额定电流=（1.5～2.5）×电动机额定电流； 

用于多台电动机短路保护时，熔体额定电流=（1.5～2.5）×额定功率最大的一台电动机额定电流+其余电动机额定电流总和。

其中系数大小的选取原则为：

电动机功率越大，系数选取值越大；相同功率时，启动电流越大，系数选得越大。

2）熔断器选用：

熔断器的额定电压不得小于线路的工作电压； 熔断器的额定电流不得小于所装熔体的额定电流。

FU1用于对电动机M1，变压器T1、T2一次侧进行短路保护。

其熔体电流为

AIR8.15，可选用RL1—60型熔断器，配20A的熔体。

FU2用于对电动机M2、M3短路保护。

其熔体电流为：

AIR54.85.267.2767.2， 

可选用RL1—15型熔断器，配10A的熔体。

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

可选用RL1—15型熔断器，配4A的熔体。

（7）接触器KM1、KM2、KM3  

选用原则：

1）根据所控制的电动机及负载电流类别选用接触器的类型； 2）接触器的主触点额定电压应大于等于负载回路额定电压； 3）接触器的主触点额定电流应大于等于负载回路额定电流； 

4）根据吸引线圈的额定电压选用不同种类接触器。

接触器吸引线圈分交流线圈（36V，110V，127V，220V，380V）和直流线圈（24V，48V，110V，220V，440V）两种。

接触器KM1，根据液压泵电动机M1的额定电流AIe8.15，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CJ10—20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。

（8）控制变压器T1、T2  

变压器最大负载时KM1、KM2及KM3同时工作，根据参考文献[1]中P116式（4—9）得：

VAVAPKPxcbb76.32）3.3212（2.1 

由式（4—10）得：

VAPPPsTxcb38.34125.1）3.3212（6.05.16.0

可知变压器的容量应大于32.76VA，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。

（9）行程开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4  

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。

 所以SQ1、SQ4应选JLXK1—11型行程开关，其额定电压为500V，额定电流为5A。

SQ2、SQ3应选JLXK1—311型行程开关，其额定电压为500V，额定电流为5A。

（10）控制开关SB1、SB2、SB3、SB4、SB5、SB6、SB7、SB8  

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。

2.5 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。

三、组合机床的可编程控制器控制系统的设计 

3.1  工艺要求及动作流程 

•b.调整工作状态：

•按相应按钮可实现夹具、左滑台、右滑台、左主轴、右主轴、冷却电机等移动部件点动调整。

•C.操作开关和指示灯设置：

•要求系统有如下指示灯：

“运行”、“半自动”、“调整”、“左原位”、“右原位”等。

•（如输出点不够，运行可省，原位灯只1个）

•设置“启动”、“总停”、“夹紧”、“松开”、“向前”、“向后”、“主轴点动”、“冷却”等按钮；

•“半自动/调整”、“左头”、“右头”等旋钮。

•液压泵：

程序里不控制，但模拟给出一个输入信号，即液压泵启动后方可开始工作。

3.2  PLC选型 

本系统有输入信号22个，输出信号16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FX1N-32MR，这样共有24个输入点、12个输出点以及4个接触器，可以满足控制要求。

3.3  I/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。

见附录一。

3.4  软件编制 

根据系统要求可知，当系统开始运行时，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，开始执行系统要求的功能。

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。

绘制的步进梯形图见附录二所示

根据步进梯形图写出的指令表如表3—1所示。

 3.5机床操作说明书

1、自动 

1） 按下操作台上“启动”按钮，使泵站工作（指示灯亮）。

2） 将“调整/半自动”转换旋钮旋至调整位置，检查调整指示灯HL3是否亮。

分别按下左右滑台点动快退按钮（SB7、SB9），将左右滑台返回原位。

检查指示灯（HL4、HL5）是否亮。

3） 将“调整/半自动”转换旋钮旋至半自动位置，放入工件，按下夹“紧按”钮，工件依次→夹具夹紧→滑台快进、主轴转动→冷却电机工作、滑台工进→滑台到终点→延时2S→滑台快退→滑台到原位→主轴停止工作、夹紧复位、夹具松开→取出工件，完成一次加工循环。

4） 若无需进入下一循环，按下“总停”按钮，使泵站停止工作指示灯灭。

5） 如遇紧急情况按下“紧停”按钮，则机床立即停止工作。

2、调整 

1） 按下操作台上“启动”按钮，使泵站工作（指示灯亮）。

2） 将“调整/半自动”转换旋钮旋至调整位置，检查调整指示灯HL3是否亮。

3） 按下相应的点动按钮，进行滑台快进或快退、主轴电机、油泵电机的点动工作。

四、设计心得 

经过自己的努力，在老师和同学的帮助和指导之下，我终于完成了本次课程设计的全部任务。

在此，衷心感谢在本次课程设计中给我帮助和指导的老师和同学！

虽然在这次课程设计以前曾有过课程设计的经历，但此次课程设计中仍然出现了很多问题。

首先，这次的课程设计是机床电气控制，以电为主，这让本来就对电气不熟悉的我们来说是一次很大的挑战。

其次，学习中积累的知识不够全面，例如，对变频器，PLC控制器的了解很少，对它的工作原理、基本结构没有基本的认识，在设计中难免感到棘手。

再次，没有过实际的动手操作经验，对一些基本控制功能的实现、电路的接法等只有理论的认识,在设计的过程中难免出现不合理的地方。

在设计过程中遇到的种种问题，让我认识到自己学习中存在很多不足。

首先，要认识到学习的最终目的是要学以至用，能够将学习到的知识真正运用到生产实际中，而不是仅仅面对考试，成绩高低只能反映理论知识的学习，要真正的学好知识绝对不能只是纸上谈兵。

其次，在科技日益发达的今天，机械的发展越来越离不开电气控制的配合，作为机械专业的我们单靠学习好机械是远远不够的，还应该多方面的发展自己的能力，将自己的知识面进一步的扩宽，应该对各学科都有深入的了解。

第三，在学习过程中，我们要注重培养自己的实践动手操作能力，理论知识固然重要，但是实际操作过程中可能会发现有价值的问题，能够解决发现的问题就是进步，也只有通过实际操作才能够更好的解决问题。

参考文献 

[1]  张万奎  机床电气控制技术  北京大学出版社，2007 

[2]  邓星钏  机电传动控制（第三版） 武汉：

华中科技大学出版社，2001.9 [3]  程宪平  机电传动与控制（第二版）  武汉：

华中科技大学出版社，2003.9 [4]  陈伯时  电力拖动自动控制系统（第三版）  北京：

机械工业出版社，2003.8 [5]  莫正康  半导体变流技术（第二版）  北京：

机械工业出版社，2001.8 [6]  邓星钟  机电传动控制（第三版） 华中科技大学出版社，2001.3