平面磨床电气控制系统设计.docx
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平面磨床电气控制系统设计
2012年第二学期
机械工程学院机械设计制造及其自动化专业机设082班级
课程名称：
机电控制技术
设计题目：
平面磨床的电气控制系统设计
完成期限：
自2012年11月27日至2012年12月2日共1周
内容及任务
一、设计的主要技术参数
具体要求见课程设计指导书
二、设计任务
完成系统的继电器控制原理图、PLC控制原理图及设计说明书一份
三、设计工作量
电气图2~3张，说明书不少于6000字
进度安排
起止日期
工作内容
11.27
讲解设计目的、要求、方法，任务分工
11.28
根据指导书和任务书要求确定控制系统的输入输出点数、类型，确定输入、输出设备及元器件种类、数量，初步选定PLC型号
11.29
根据指导书和任务书绘制控制系统工作流程图，确定每个动作实现和解除必须的条件
11.30~12.1
绘制继电器控制原理图、电路计算、元器件选择列表
编制控制系统的PLC控制程序
1.2
编写设计说明书
1.3
答辩
主要参考资料
1、齐占庆，电气控制技术课程设计指导书，机械工业出版社，2003。
2、张万奎等编，机床电气控制技术，北京大学出版社，2007
3、程宪平主编，机电传动与控制（第二版），武汉：
华中科技大学出版社，2003年9月
4、石玉珍，电气制图及图形符号国家标准汇编，中国标准出版社，1989
指导教师（签字）：
2010年11月1日
系（教研室）主任（签字）：
2010年11月2日
一、设计任务书------------------------------------------------------------------------------------------
（2）
二、平面磨床的设计要求------------------------------------------------------------------------------（3）
1.平面磨床的主要结构----------------------------------------------------------------------------（3）
2.平面磨床的电力拖动及控制要求-------------------------------------------------------------（3）
二．线路分析---------------------------------------------------------------------------------------------（5）
1．控制电路-------------------------------------------------------------------------------------------（5）
2．电磁吸盘控制电路-------------------------------------------------------------------------------（5）
3．保护及其他环节--------------------------------------------------------------------------------（7）
三．平面磨床电气控制电路的设计--------------------------------------------------------------------（7）
一、控制线路的改造及PLC的选用----------------------------------------------------------------（7）
二、PLC的外部接线----------------------------------------------------------------------------------（8）
3、流程图设计----------------------------------------------------------------------------------------（9）
4、梯形图的设计-------------------------------------------------------------------------------------（9）
四．设计总结-----------------------------------------------------------------------------------------------（11）
五、参考文献------------------------------------------------------------------------------------------------（11）
一．平面磨床的设计要求
1.平面磨床的主要结构和运动形式
1-立柱2-滑座3-砂轮箱4-电磁吸盘5-工作台6-床身
图1
M7130型平面磨床主要由床身、工作台、电磁吸盘、砂轮架、滑座、立柱等部份组成。
在床身上装有液压传动装置，以便工作台在床身导轨上通过压力油推动活塞作往复直线运动，实现水平方向进给运动。
工作台面上有T形槽，用以安装电磁吸盘或直接安装大型工件。
床身上固定有立柱，滑座安装在立柱的垂直导轨上，实现垂直方向进给。
在滑座的水平导轨上安装砂轮架，砂轮架由装入式电动机直接拖动，通过滑座内部的液压传动机构实现横向进给。
平面磨床砂轮的旋转运动为主运动，工作台完成一次往复运动时，砂轮架作一次中断性的横向进给，直至完成整个平面的磨削，然后砂轮架连同滑座沿垂直导轨作中断性的垂直进给，直至达到工件加工尺寸。
平面磨床的辅助运动，如砂轮架在滑座的水平导轨上作快速横向移动，滑座在立柱的垂直导轨上作快速垂直移动，和工作台往复运动速度的调整等。
2.平面磨床的电力拖动及控制要求
基于上述磨床的工作性质和加工精度要求，对电力拖动控制方案提出如下要求：
1）平面磨床是一种精密加工机床，为了保证其加工精度要求，机床运行时要求平稳。
工作台往复运动在换向时要求惯性要小，无冲击力，因此，工作台的往复运动采用液压传动。
由电动机拖动液压泵，供给压力油，通过液压传动装置实现工作台的纵向进给运动，并通过工作台上的撞块操纵床身上的液压换向阀（开关），改变压力油的流向，实现工作台的换向和自动往复运动。
2）为了简化磨床的机械传动机构，采用多电动机单独拖动。
M7130型平面磨床采用三台电动机拖动，砂轮的旋转运动由装入式电动机直接拖动。
液压泵由液压泵电动机拖动，经液压传动装置完成工作台的往复（纵向进给）运动，砂轮架的横向进给运动，砂轮架的快速横向移动和工作台导轨的润滑等。
拖动冷却泵的电动机为磨削加工提供冷却液。
3）为了提高磨削质量，要求砂轮有较高转速，通常采用两极（理想空载转速为3000r/min50Hz）的笼型异步电动机拖动。
为了提高调整运转的砂轮主轴的风度，采用装入式电动机拖动，电动机与砂轮主轴同轴，从而提高了磨床的加工精度。
4）平面磨削加工中，由于磨削温度高，为减少工件的热变形，必需使工件取得充分的冷却，同时冷却液能冲走磨屑和砂粒，以保证磨削精度。
5）平面磨床常常利用电磁吸盘，利用电磁吸力很方便地安装和加工小工件，且工件在加工进程中由于发烧变形，电磁吸盘允许工件有自由伸缩余地，从而保证加工精度。
为了知足上述电力拖动控制方案的要求，对M7130型平面磨床的电力拖动控制系统提出以下几点要求：
1）砂轮、液压泵、冷却泵三台电动机都只要示单方向旋转。
2）冷却泵电动机应随砂轮电动机的开动而开动，若加工中不需要冷却液时，可单独判断冷却泵电动机。
3）在正常加工中，若电磁吸盘吸力不足或消失时，砂轮电动机与液压泵电动机应当即停止工作，以避免工件被砂轮切身力打飞而发生人身和设备事故。
不加工时，即电磁吸盘不工作的情形下，允许砂轮电动机与液压泵电动机开支，机床作调整运动。
4）电磁吸盘励磁线圈具有吸牢工件的正向励磁、松动工件的断开励磁、和为抵消剩磁便于取下工件的反励磁控制环节。
5）具有完善的保护环节。
各电路的短路保护，各电动机的长期过载保护，零压、欠压保护，电磁吸力不足的欠电流保护，和线圈断开时产生高电压，而危及电路中其它电器设备的过压保护等等。
6）机床照明电路与工件去磁的控制环节。
二．线路分析
图2为M7130平面磨床电气控制电路图。
其电气设备安装在床身后部的壁盒内，控制按钮安装在床身左前部的电气操纵盒上。
图2中M1为砂轮电动机，M2为冷却泵电动机，都由KM1的主触点控制，再经X1插销向M2实现单独判断控制供电。
M3为液压泵电动机，由KM2的主触点控制。
1．控制电路
合上电源开关QS，若转换开关SA1处于工作位置，当电源电压正常时，欠电流继电器KA触点（3-4）+，若SA1处于去磁位置，SA1（3-4）+，即可进行操作。
（1）砂轮电动机M1的控制。
启动进程为：
按下SB1，SB1（4-5）±——KM1+自——M1+启动；停止进程为：
按下SB2，SB2（5-6）±——KM1-——M1-停止。
（2）冷却泵电动机M2的控制。
M2由于通过插座X1与KM1主触点相连，因此M2与砂轮电动机M1连锁控制，都由SB1和SB2操作。
若运行中M1或M2过载，触点FR1（1-2）-动作，FR1起保护作用。
（3）液压泵电动机M3的控制。
启动进程为：
按下SB3，SB3（4-8）±——KM2——M3+启动；停止进程为：
按下SB4，SB4（8-9）±——KM2-——M3-停止。
过载时：
FR2（2-3）-——KM2-——M3-停止，FR2起保护作用。
2．电磁吸盘控制电路
（1）电磁吸盘结构原理。
电磁吸盘与机械夹紧装置相较，具有夹紧迅速，不损伤工件，工作效率高，能同时吸持多个小工件，加工进程中工件发烧能够自由伸延，加工精度高等长处。
但也有夹紧力不如机械夹得紧，调节不便，需用直流电源供电，不能吸持非磁性材料工件等缺点。
图2M7130平面磨床电气控制电路图
（2）电磁吸盘控制电路。
它由整流装置、控制装置及保护装置等部份组成。
如图2所示，电磁吸盘整流装置由整流变压器T2与桥式全波整流器VC组成，输出110V直流电压对电磁吸盘供电。
电磁吸盘集中由SA1控制。
SA1的位置及触点闭合情形为：
充磁：
触点14-1六、15-17接通，电流通路为：
15-17-KA-19-YH-16-14。
断电：
所有触点都断开。
退磁：
触点14-1八、15-1六、3-4（调整）接通，通路为：
15-16-YH-19—KA—R2-18-14。
当SA1置于“充磁”位置时，电磁吸盘YH取得110V直流电压，其极性19号线为正极，16号线为负极，同时欠电流继电器KA与YH串联，若吸盘电流足够大，则KA动作，KA（3-4）+反映电磁吸盘吸力足以将工件吸牢，这时可别离操作按钮SB1与SB3，启动M1与M3，进行磨削加工。
当加工完成时按下停止按钮SB2与SB4，电动机M1，M2与M3停止旋转
为便于从吸盘上取下工件，需对工件进行退磁，其方式是将开关SA1扳至“退磁”位置。
当SA1扳至“退磁”位置时，电磁吸盘中通入反向电流，并在电路中串入可变电阻R2，用以调节、限制反向去磁电流大小，达到既退磁又不致反向磁化的目的。
退磁结束将SA1拨到“断电”位置，即可取下工件。
若工件对去磁要求严格，在取下工件后，还要用交流去磁器进行处置。
交流去磁器是平面磨床的一个附件，使历时，将交流去磁器插头插在床身的插座X2上，再将工件放在去磁器上适本地来回移动即可去磁。
3．保护及其他环节
（1）电磁吸盘的欠电流保护。
为了避免平面磨床在磨削进程中出现断电事故或吸盘电流减小，致使电磁吸盘失去吸力或吸力减小，造成工件飞出，引发工件损坏或人身事故，故在电磁吸盘线圈电路中串入欠电流继电器KA，只有当直流电压符合要求，吸盘具有足够吸力时，KA才能吸合，KA（3-4）触点接通，为启动电动机做预备。
不然不能开动磨床进行加工。
若已在磨削加工中，则KA因电流过小而释放，触点KA（3-4）-断开，使得KM1-,KM2-,M1-停止，避免事故发生。
（2）电磁吸盘线圈YH的过电压保护。
电磁吸盘线圈匝数多，电感大，通电工作时存储大量磁场能量。
当线圈断电时在线圈两头将产生高电压，可能使线圈绝缘及其他电气设备损坏。
为此，该机床在线圈两头并联了电阻R3作为放电电阻。
（3）电磁吸盘的短路保护。
在整流变压器T2的二次侧或整流装置输出端装有熔断器作短路保护。
（4）其他保护。
在整流装置中还设有RC串联支路并联在T2二次侧，用以吸收交流电路产生过电压和直流侧电路通断时在T2二次侧产生浪涌电压，实现整流装置过电压保护。
FU1对电动机进行短路保护，FR1对M1进行过载保护，FR2对M3进行过载保护。
（5）照明电路。
由照明变压器T1将380V降为24V，并由开关SA2控制照明灯EL。
在T1一次侧装有熔断器FU3作短路保护。
三．平面磨床电气控制电路的设计
一、控制线路的改造及PLC的选用
用PLC设计M7130平面磨床控制线路，控制电路中的电源电路、照明电路和主电路仍然维持不变。
在控制电路中，变压器TC的输出及整流器VC的输出部份去掉，用可编程控制器实现，为了保证各类联锁功能SB1～SB8接入PLC的输入端。
输出器件分三个电压品级，一个是接触器利用的380V交流电压，另一个是电磁吸盘利用的110V直流电，还有一个是照明利用的36V交流电压，如此也将PLC的输出口分为三组连接点。
用PLC设计M7130平面磨床控制线路时，照明灯用开关SA控制，欠电流继电器KA作为输入信号，电磁吸盘的“充磁”与“退磁”转换开关SA1用两个按钮来替代。
接插器Xl用接触器KM3来替代。
并用两个按钮来控制冷却泵的启动与停止。
通过PLC改造后的M7130平面磨床，对PLC的最低要求lO个输入点和6个输出点。
考虑要有必然的余量及PLC用220VAC电源比较方便，选用三菱公司FX2N一32MR比较适合，I/0（输入/输出）地址分派如表1所示:
表1I/0（输入/输出）地址分派表
输入（INPUT）
输出（OUTPUT）
功能
电路元件
PLC地址
功能
电路元件
PLC地址
砂轮启动按钮
SB1
X1
砂轮电动机M1控制
KM1
Y0
砂轮停止按钮
SB2
X2
液压泵电动机M3控制
KM2
Y1
液压泵启动按钮
SB3
X3
冷却泵电动机M2控制
KM3
Y2
液压泵停止按钮
SB4
X4
电磁吸盘充磁控制
KM4
Y3
冷却泵启动按钮
SB5
X5
电磁吸盘退磁控制
KM5
Y4
冷却泵停止按钮
SB6
X6
照明灯
EL
Y5
电磁吸盘充磁按钮
SB7
X7
电磁吸盘退磁按钮
SB8
X10
照明灯控制
SA
X11
欠电流继电器KA输入
KA
X0
二、PLC的外部接线
按照上述硬件选型及工艺要求，绘制PLC控制电路原理图，绘制PLC控制电路。
1）KM3和KM4接触器线圈支路，设计了互锁电路，以避免操作故障。
2）PLC输入回路中，信号电源由PLC本身的24V直流电源提供，所有输入COM端短接后接人PLC电源DC24V的（+）端。
输入口若是有有源信号号装置，按照驱动的负载的电压选择适合的交/直流电源。
3）PLC采用继电器输出，380V接触器线圈电压改换为220V，照明灯的安全电压是24V。
4）按照上述设计，对照主回路检查交流控制回路，PLC控制回路，PLC控制程序等。
全数符合设计要求后，绘制出最终的电气原理图。
经PLC改造的M7l30平面磨床电气控制线路的I/0接线如图3所示。
3、流程图设计
按照控制要求画出程序控制流程图，如图4所示。
4、梯形图的设计
PLC设计M7130平面磨床电气控制线路的PLC梯形图（LAD）如图5所示：
工作时，先按下充磁按钮，M7l30平面磨床处于充磁状态，当电磁吸盘的充磁电流足够大时，欠电流继电器KA（X000）自动吸合，三台电动机可启动工作。
在工作进程中，只要欠电流继电器KA松开（吸力不足）或按下了退磁按钮，三台电动
图4磨床控制的控制流程图
图5PLC梯形图
机便会当即停止。
起到保护作用。
照明灯可随时打开和关闭。
四．设计总结
虽然在这次设计以前曾有过课程设计的经历，不过在这次课程设计中确实感到了专门大的难度.第一，这次的课程设计是机电传动，以电为主，这对学机械的咱们感到很陌生。
第二，平时的学习中知识不够全面，例如，对变频器，PLC控制器的了解很少，对它的工作原理、大体结构没有大体的熟悉，在设计中不免感到棘手。
再次，就是没有过实际的动手经验，对一些大体控制功能的实现、电路的接法等不知如何下手。
正是由于在设计进程中的各种问题，也让我对自己学习的不足有了更进一步的熟悉。
第一，要熟悉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，而不是仅仅应付考试，如此的话即便分数再高也只能是纸上谈兵。
第二，在科技日趋发达的今天，各学科彼此渗透，咱们机械专业的学生要想有所作为，有所创新，就应该对各学科都有深切的了解，如电气等方面。
第三，在学习进程中，咱们要注重从实际动手中学习知识，而不单单是知足书本的知识，因为有许多问题只有在实际中才能发觉，也只有在实际中才能更好的解决。
对于这次设计，我虽然想尽力去做得最好，但由于知识有限，在设计进程中不免有各类错误乃至不会的地方，望老师指正，我当将虚心学习，并尽力更正。
五.参考文献
[1]张万奎，机床电气控制技术.北京：
中国林业出版社，2007.9
[2]齐占庆，机床电气控制.北京：
机械工业出版社，2001.2
[3]陈远龄等，机床电气自动控制.重庆：
重庆大学出版社，1993.8
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