机电传动课程设计全自动双面铣的电气控制系统设计.docx
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机电传动课程设计全自动双面铣的电气控制系统设计
目录
一、正文··························································1
1.设计任务及要求···············································1
2.总体方案设计·················································4
2.1控制要求的分析···············································4
2.2液压控制回路中电磁阀被控逻辑表达式··························5
3.电气原理图设计··············································5
3.1主电路设计····················································5
3.2控制电路设计··················································6
3.3辅助电路设计··················································8
4.电机元件选型·················································9
4.1选型依据及主要参数计算········································9
4.1.1电动机的选型··············································9
4.1.2熔断器的选型··············································9
4.1.3熔断器的选型·············································10
4.1.4交流接触器、中间继电器与时间继电器的选型··················10
4.1.5照明与显示灯的选型·······································10
4.1.6变压器的选型·············································10
4.1.7按钮及刀开关的选型········································11
4.2元件明细表···················································12
5.接线图设计···················································13
二、小结·························································13
三、参考文献····················································13
全自动双面铣的电气控制系统设计
一、正文
机电传动（又称电力传动或电力拖动）是指以电动机为原动机驱动生产机械的系统之总称。
它的目的是将电能转变为机械能，实现生产机械的启动、停止以及速度调节，满足各种生产工艺过程的要求，保证生产过程正常运行。
在现代工业中，为了实现生产过程自动化的要求，机电传动不仅包括拖动生产机械的电动机，而且包括控制电动机的一整套控制系统。
也就是说，现代机电传动是和由各种控制元件组成的自动控制系统紧密地联系在一起的，所以，本课程被命名为《机电传动控制》（也称为《机械电气控制》）。
从现代化生产的要求出发，机电传动控制系统所要完成的任务，从广义上讲，就是要使生产机械设备、生产线、车间甚至整个工厂都实现自动化；从狭义上讲，则专指控制电机驱动生产机械，实现产品数量的增加、产品质量的提高、生产成本的降低工人劳动条件的改善以及能源的合理利用。
例如，一些精密机床要求加工精度达百分之几毫米，甚至几微米；重型镗床为保证加工精度和控制表面粗糙度，要求能在极慢的稳速下进给，即要求能在很宽的范围内调速；轧钢车间的可逆式轧机及其辅助操作频繁，要求在不到一秒的时间内疚能完成从正转到反转的过程，即要求能迅速地启动、制动和反转；对于电梯和提升机，要求启动和制动平稳，能并能准确地停止在给定的位置上；对于冷、热连轧机以及造纸机的各机架或各部分，要求它们的转速保持一定的比例关系，以便进行协调运转；为了提高效率，要求对由数台或数十台设别组成的生产自动线实行统一控制和管理。
诸如此类要求，都是靠电动机及其控制系统和机械传动装置来实现的。
在近代机械工业的发展过程中，机电传动的发展，经历了一个复杂的过程：
（1）电机的拖动的发展过程如下：
（2）控制系统的发展过程如下：
由整个发展过程，不难看出，随着机械加工要求不断提高，机电传动控制系统的复杂度也在不断增加。
本课程的重点在与控制部分，如何利用电气元件或计算机控制电气来拖动机械实现所要求的功能。
在设计控制系统时，就要求设计人员对执行元件（电动机）、控制元件的熟练掌握与运用，同时也要求对控要求进行了解。
1.设计任务及要求
（一）机床概况
本机为专用千斤顶油缸两端面的铣削加工组合机床，机床床身两侧可装左右两侧底座,在两侧底座上又装有左右小底座,两小底座上又各有拖板一付,借助液压油缸实现其前后的往复,从而带动装于拖板上的两个动力头（电机均为5.5KW）以达到双面铣削的目的。
动力头的快进、工进及快退均由液压油缸驱动。
液压系统采用两位四通电磁阀进行控制，并用死挡铁方法实现位置控制。
动作程序如下：
（1）零件定位。
人工将零件装入夹具后，采用定位油缸动力定位以保证零件的加工尺寸；
（2）零件夹紧。
零件定位后，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。
滑台带动夹具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，快速退回原位，动力头停转并能耗制动；
（5）滑台复位。
左右动力头退回原位后滑台复位；
（6）夹具松开。
当滑台复位后夹具松开，取出零件。
液压系统的油泵电机370W，由电磁阀（YV1-YV5）控制，其动作表如下：
YV1
YV2
YV3
YV4
YV5
定位（SB1）
+
-
-
-
-
夹紧（YJ1）
+
+
-
-
-
入位（YJ2）
-
+
+
-
-
工进（SQ1\SQ5）
-
+
+
+
-
退位（SQ2\SQ4）
-
+
-
-
+
复位（SQ3\SQ6）
-
-
-
-
-
全自动双面铣的工作原理
全自动双面铣液压系统图
（二）控制要求
（1）动力头为单向运转，停车采用能耗制动；
（2）只有在油泵工作，油压达到一定的压力后（由油压继电器控制）才能进行其它控制；
（3）专用机床能进行半自动循环，又能对各个动作单独进行调整；
（4）需要一套局部照明装置以及工作状态指示灯；
（5）有必要的过电流保护和联锁；
（6）铣削过程中需用冷却泵进行冷却，冷却泵电动机功率为0.125kw；
（三）设计要求
（1）采用继电器-接触器控制方法实现任务要求。
（2）绘制电气原理图（A3）；
（3）选择电气元件，编制元件明细表；
（4）绘制电气接线图（A3）；
（5）编制课程设计说明书。
（四）进度安排
第1周
周一熟悉课程设计任务、计划、构思设计方案
周二掌握经验设计法、逻辑设计法原理
周三机床主回路要求分析，主电路原理图设计。
周四机床控制回路要求分析，控制回路设计
周五机床控制回路要求分析，控制回路设计
第2周
周一元器件选型，列出元件明细表，元件布置设计
周二电气接线图设计
周三图纸整理
周四编制课程设计说明书
周五课程设计答辩
（五）基本要求
通过本课程设计的实验教学有计划的培养和训练，应达到以下诸方面的要求。
1.培养学生具有一定的实践技能，树立实事求是的思想和严谨的科学作风。
2.能正确设计电气控制线路原理图。
3.能正确选择常用低压电气元件。
4.掌握可编程控制系统的设计方法。
5.能独立的完成课程设计，提高分析问题和解决问题的能力。
2.总体方案设计
2.1控制要求的分析
任务书中的控制要求有以下几点：
（1）动力头位单向运转，停车采用能耗制动；
（2）只有在油泵工作，油压达到一定压力后（由油压继电器控制）才能进行其他的控制；
（3）专业机床能进行半自动循环，又能各个动作单独进行调整；
（4）需要一套局部照明装置以及工作状态指示灯；
（5）有必要地过电流保护和连锁；
（6）钻孔过程中需用冷却泵进行冷却，冷却泵电动机功率为0.125kW。
由上述控制要求，可分析出以下几点：
（1）在主回路中仅需对电机的启停进行控制和对动力头电机进行能耗制动的设计，不需控制正反转；
（2）在液压回路的液压泵附近处应添加压力继电器，并在液压控制回路的首端加入该压力继电器的常开触点，以实现满足油压后才能进行其他控制的要求；
（3）对于机床的半自动循环，可以采用起保停电路来实现，而对于各个动作的单独调整则可在控制首端加入万能转换开关，并对各个动作设置手动按钮来实现该控制要求；
（4）控制回路中可添加辅助回路，以控制照明和显示功能；
（5）在每个电动机的连接处，均接入一个适合的热继电器，以实现过热保护，在主回路中各个支路与主电源相连接处均接入一个适合的熔断器，以实现过流保护（短路保护），而在控制回路与变压器相连处也应接入适合的熔断器，同样实现过流保护；
（6）增选一个冷却泵，并接入主回路，在控制回路中加设一支路，通过按钮控制冷却泵的启停。
1.电动机的选择：
根据设计要求需配备4台电动机，油泵电机M1，冷却泵电动机M2，动力头电动机M3、M4。
根据设计要求查阅相关手册选择电机型号，注明所查阅的手册的名称、页码。
2.绘制工步循环图：
根据系统的动作状态表绘制工步循环图。
3.电气原理图的设计（要求有详细的分析过程）：
（1）主电路设计
（2）控制电源的设计
（3）控制电路的设计（根据设计要求列出各执行电器的逻辑表达式）
（4）局部照明与信号指示电路的设计
（5）机床工作原理分析
4.电气元件型号的选择：
（1）电源开关的选择
（2）热继电器的选择
（3）接触器的选择
（4）继电器的选择
（5）行程开关的选择
（6）熔断器的选择
（7）按钮的选择
（8）照明灯及灯开关的选择
（9）指示灯的选择
（10）控制变压器的选择
5.电气接线图的绘制：
（1电器元件按外形绘制，并与布置图一致，偏差不要太大
（2）所有电器元件及其引线应标注与电气原理图相一致的文字符号及接线回路标号
（3）接线图中应标出配线用的各种导线的型号、规格、截面积及颜色等。
2.2液压控制回路中电磁阀被控逻辑表达式
据分析，电磁阀被控逻辑表达式如下：
YV1=（KA1+SB1）
YV2=（KA2+YJ1）（
）
YV3=（KA3+YJ2）
•
YV4=（KA4+SO1+SO5）
•
YV5=（KA5+SQ2+SQ4）
•
3.电气原理图设计
在局部设计中，我们主要完成三部分内容：
原理图、设计元器件选型、接线图的设计。
这三部分内容是整个设计的核心部分，通过这部分，我们得出了整个设计的结果：
两张A3图纸，一张元器件明细表。
3.1主电路设计
在原理图的设计部分，我们将其分为3大模块进行分工设计。
其中包括有主电路模块的设计、控制电路模块的设计与辅助电路模块的设计三部分。
而在控制电路模块中，我们将其又分为电机控制电路与液压控制回路两部分。
辅助回路中主要包括有照明与显示电路部分。
主电路的设计中主要应满足一下几点要求：
（1）动力头电机应实现能耗制动；
（2）动力头电机、液泵电机、冷却泵电机三者应分开接向主电源，并由不同的接触器控制；
（3）三种电机君应实现短路保护（过流保护）与过热保护；
（4）电源处应有一个总闸控制电源的关断。
对于要求
（1）我们将左右动力头的两电机接在同一个接触器上进行控制，然后在接触器的首位接上一个可控的直流电源（由变压器和整流桥组成）来实现。
对于要求
（2）我们选用三个接触器来控制三种不同功率的电动机，并分开三个回路来控制即可。
对于要求（3）我们选用合适的熔断器，在三个回路接向电源出接上相应的熔断器来实现短路保护；再选用合适的热继电器，在接向电动机处接如相应热继电器来实现过热保护。
对于要求（4）我们在电源处，添加一个刀开关QS即可。
具体电路图如下：
图1主回路电路设计图
3.2控制电路设计
在控制回路中，主要有两部分：
电机控制回路与液压控制回路。
这两部分均应接向110V交流电压，故该回路与主回路相连接时，应将主电源的L1、L2相接如变压器来降压，以提供110V的两相交流电。
（1）电机控制回路
在控制电机时，为满足动力头电机的能耗制动，我们利用时间继电器来控制直流电源的延时断开。
在三种电机的启停控制上，我们利用接触器的“起保停”电路来控制，我们分别加入启停按钮。
而在动力头电机的停止上，我们利用联动开关来控制，以其常闭触点为停止，常开触点为直流电源的接入。
这样，保证了动力头电机的停止，同时也接入了能耗制动。
另外，我们在主电路的最后加上了一个急停回路，利用接触器KM0与刀开QS关来控制。
同时，在控制回路的起始端接入接触器KM0的常闭触点，来实现急停功能。
具体电路图如下：
图2电机控制回路设计图
（2）液压控制回路
在液压控制回路中，应分为自动控制和手动控制两部分。
在自动控制中，主要由行程开关（SQ1到SQ6）、压力继电器（YJ1与YJ2）和按钮SB1来共同控制电磁阀（YV1到YV5）来实现整个动作。
其动作表如下：
表1液压回路电磁阀被控一览表
YV1
YV2
YV3
YV4
YV5
定位（SB1）
+
-
-
-
-
夹紧（YJ1）
+
+
-
-
-
入位（YJ2）
-
+
+
-
-
工进（SQ1\SQ5）
-
+
+
+
-
退位（SQ2\SQ4）
-
+
-
-
+
复位（SQ3\SQ6）
-
-
-
-
-
由上表可知，在设计液压控制回路时，可以直接利用起保停电路直接控制电磁阀的动作。
在表中，每一列以第一个“+”为该电磁阀的得电信号，而以连续“+”后的第一个“-”为失电信号。
但应该注意的是行程开关的串并联关系：
在夹紧动作时（YV2），若要使其失电，则应两动力头均达复位位置才可松开，故此时SQ3与SQ6应为并联关系；在工进或退位时（YV4、YV5），若要使其得电，则只要有一个行程开关的信号，则应该立即动作，故SQ1与SQ5或SQ2与SQ4应为并联关系；在要求入位、工进或退位（YV3、YV4、YV5）的停止信号时，必须两个行程开关均有信号才可失电，故此时SQ2与SQ4或SQ3与SQ6应为串联关系。
在手动控制中，我们利用万能选择开关来控制自动与手动的转换。
另外，在控制电磁阀（YV1到YV5）的电路上，我们直接设计5个按钮（SB2到SB6）来实现手动调节。
在万能转换开关与110V交流电源连接的部分，我们增加一盒压力继电器YJ3，以实现在液压回路中达到一定压力才进行控制动作的要求。
具体电路图如下：
图3液压控制回路设计图
3.3辅助电路设计（照明显示）
在辅助回路中，主要包含有照明灯的控制与显示灯的控制。
照明灯所需电源为24V交流电，而显示灯所需电源为6V交流电。
故将它们分别有变压器TC的不同变压接口引出即可。
照明灯应与总电源开关相同时亮灭，故在电源刀开关QS选型的时候应选择有三个主触点并带有一对常开常闭辅助触点的刀开关，并将照明灯的控制接入刀开关QS的辅助常开触点。
在本设计中，我们共设置了3个指示灯（L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7），分别为定位、加紧、入位、工进、退位、复位以及急停。
另外，在控制回路的起始端（即由变压器TC引出的3端110V、24V、6V）应设置短路保护。
故在该处分别接上相合适的熔断器。
具体电路图如下：
图4.辅助回路（照明与显示）设计图
4.电机元件选型
4.1选型依据及主要参数计算
（1）电动机的选型
根据任务书中要求得知液泵电动机M1的功率为370W，冷却泵电动机M2的功率为0.125kW，动力头电动机M3、M4的功率均为5.5kW。
而工业用电一般都为380V三相交流电，故查[3]，选择功率相近的电动机得一下结果：
M1：
Y2-80M1-6
M2：
Y2-100l-6
M3、M4：
Y2-132S1-2
其中，M1功率0.37kW，转速890r/min；M2功率0.18kW，转速850r/min；M3、M4功率5.5kW，转速2900r/min。
（注：
在实际设计当中，应同时考虑工况、班制等选择因素）
（2）熔断器的选型
根据选择出的电机型号，可大致计算该电机工作时的最大电流：
M1的额定电流为1.30A
M2额定电流为0.74A
M3额定电流为11.0A
再根据以下经验公式，计算出所需熔断器的最大允许电流值：
单支路：
IR=（1.5～2.5）IN
多支路：
IR=（1.5～2.5）Imax+∑IN
故计算得：
IN1=3.25A
IN2=1.85A
IN3=38.5A
另外，根据经验，控制回路中的电流最大不会超5A，照明显示回路电流最大不会超过2A，故查[3]，并选择熔断器结果如下
FU1：
RL1-15/2最大熔断电流2A
FU2：
RL1-15/2最大熔断电流2A
FU3：
RL1-15/15最大熔断电流15A
FU4：
RL1-15/6最大熔断电流6A
FU5：
RL1-15/2最大熔断电流2A
FU6：
RL1-15/2最大熔断电流2A
（3）热继电器的选型
根据前面算出的电动机工作电流，查[3]可直接选出热继电器，得如下结果：
FR1：
LR1-D09307，整定电流范围1.6A～2.5A
FR2：
LR1-D09307，整定电流范围1.6A～2.5A
FR3：
LR1-D09312，整定电流范围5.5A～8A
FR4：
LR1-D09312，整定电流范围5.5A～8A
（4）交流接触器、中间继电器与时间继电器的选型
根据前面计算出的电动机工作电流值，可知交流接触器的工作电流应在12A以内，而由设计的原理图知交流接触器所需要的主触点为3对辅助触点不超过2常开2常闭，再根据380V三相交流电的要求，查[3]，可选出交流接触器如下：
KM0～4：
CJ10-20，允许功率10kW，辅助触点2常开2常闭。
由于控制回路中，电压为110V交流电，且根据控制回路设计图得知中间继电器所需触点不超过4常开4常闭，故查[3]，可选择中间继电器如下：
KA11～15：
JZ14-44J/Z，110V吸引线圈电压，触点数4常开4常闭。
由于动力头电动机的能耗制动时间较短，故可确定在0.4～60s的范围内。
根据110V交流电，同样查[3]，选择时间继电器如下：
KT：
JS7-1A，110V吸引线圈电压，定时时间调节范围0.4～60s。
（5）照明与显示灯的选型
根据经验，一般照明灯使用的是24V交流电，故查[3]得，照明灯选择型号为：
AD1-22/11。
在我们设计的系统中，有六种指示灯：
定位、加紧、入位、工进、退位、复位以及急停。
根据经验，启动指示灯一般用绿色，工进用黄色，急停用红色。
而工厂中，一般指示灯使用电压为6V。
故查[3]，选择指示灯型号如下：
定位：
AD1-22/11，电压6V，绿色；
加紧：
AD1-22/11，电压6V，黄色；
入位：
AD1-22/11，电压6V，黄色；
工进：
AD1-22/11，电压6V，黄色；
退位：
AD1-22/11，电压6V，黄色；
复位：
AD1-22/11，电压6V，黄色；
急停：
AD1-22/11，电压6V，红色；
（6）变压器的选型
由于我们设计的系统中，需要将380V三相交流电转换成110V、24V、6V等三种不同压值的交流电，故选择变压器时应同时考虑考虑变压器的容量与接处的点数。
查[3]，选择变压器结果如下：
TC：
BK-100，4变压接出头。
（7）按钮及刀开关的选型
在液压控制回路中，共有6个常开按钮。
其中SB2~SB6为手动控制按钮，故可选择黄色；SB1为定位启动按钮，故选择绿色。
在电机控制回路中，共有5个常开按钮、1个常闭按钮与1个联动开关。
其中SB9、SB11、SB13为电机启动按钮，故可选择绿色；SB12、SB15为电机停止按钮，故选择红色；SB10为联动开关，控制动力头电机的停止，同时也开始能耗制动，故也选择红色。
SB14为控制电路的急停开关，故也选择红色。
查[3]，选择按钮型号如下：
SB2~SB6：
LA19-11，黄色；
SB9、SB11、SB13：
LA19-11，绿色；
SB14：
LA19-11，绿色；
SB12、SB15：
LA19-11，红色；
SB10：
LAZ-11A/XR，红色。
而在整个设计中，我们用到了两个刀开关，总闸一个（即控制电源，又控制照明灯），急停一个。
查[3]选择刀开关如下：
QS：
DZ20-100/3
4.2：
元器明细表
符号
名称
型号
规格
数量
M1
液压泵电动机
Y2-80M1-6
AU380V,0.55kW,890r/min
1
M2
冷却泵电动机
Y2-100L-6
AU380V,0.18kW,850r/min
1
M3、M4
动力头电动机
Y2-132S1-2
AU380V,5.5kW,2900r/min
2
KM0、KM1、KM2、KM3、KM4
交流接触器
CJ10-20
AU380V,10A,10kW,主触点3对，辅助触点2常开2常闭
5
KA1、KA2、KA3、KA4、KA5
中间继电器
JZ14-44J/Z
AU380V,吸引线圈电压110V，触点4常开4常闭
5
KT
时间继电器
JS7-1A
AU380V,吸引线圈电压110V，延时时间0.4s到60s，触点2常开2常闭
1
FR1
液泵热继电器
LR1-D09307
整定电流范围1.6A到2.5A
1
FR2
冷却泵热继电器
LR1-D09307
整定电流范围1.6A到2.5A
1
FR3、FR4
动力头热继电器
LR1-D09312
整定电流范围5.5A到8A
2
FU1
液泵熔断器
RL1-15/2
最大熔断电流2A
3
FU2
冷却泵熔断器
RL1-15/2
最大熔断电流2A
3
FU3
动力头熔断器
RL1-15/15
最大熔断电流15A
3
FU4
控制回路熔断器
RL1-15/6
最大熔断电流6A
1
FU5、FU6
照明、显示回路熔断器
RL1-15/2
最大熔断电流2A
2
TC
变压器
BK-100
4变压接出头
1
L1～L7
显示灯
AD1-22/11
AU6V，绿（1个）黄（5个）红（1个）
7
L8
照明灯
AD1-22/11
A
升级会员 