机电转动课程设计.docx

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机电转动课程设计

学号：

课程设计

课程名称

机电传动与控制课程设计

教学院

机电工程学院

专业

机械设计制造及其自动化

班级

10本机制（3）班

姓名

指导教师

2013

年

6

月

29

日

第一章概述

1.1机电传动与控制概述

1.2题目的来源，意义

第二章整体设计

第三章继电器、接触器、电气原理设计

3.1电动机控制设计

3.1.1主回路设计

3.1.2控制回路

3.2电磁铁控制设计

3.3其他电路

3.4总成

第四章继电器、接触器控制工艺设计

4.1元件选型

4.2结构图设计

第五章PLC控制设计

5.1元件选型

5.2PLC接线图

5.3梯形图

总结

第一章概述

1.1机电传动与控制概述

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：

成组拖动

多电机拖动（不同机构由单独电机拖动）

单电机拖动

（2）控制系统的发展过程如下：

继电器控制

接触器控制

电机放大机控制

磁放大器控制

电力功率晶体管控制

计算机数字控制（PLC）

图1-2

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。

1.2题目的来源、意义

本课程是机械设计制造及其自动化专业的专业必修课。

课程设计的目的和任务在于使学生掌握机械设备电器控制的基本知识、基本原理和基本方法,以培养学生对电气控制系统的分析和设计的基本能力。

加深学生对课程内容的理解，验证理论和巩固、扩大所学的基本理论知识。

课题的意义：

（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。

第二章．整体设计

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。

2.12种控制方式

本次设计可采用继电器----接触器控制和PLC控制，2种均满足设计要求

2.22种方案整体设计

继电器——接触器控制方案的整体设计

（1）电气原理图的设计（要求有详细的分析过程）

（2）电气原理图的设计（要求有详细的分析过程）

（3）电气接线图的绘制

PLC控制系统方案的整体设计

（1）可编程控制器的选型

（2）设计控制系统的PLC外部接线图

（3）编写控制系统的梯形图和指令表

第三章继电器、接触器、电气原理设计

3.1电动机控制设计

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。

M1为液压泵电动机，并且只有当液压泵启动后（即油压达到工作要求时），按下开工按钮，主轴电机才开始动作；

M2为冷却泵电动机，当动力头出现工进、退位时，冷却泵电动机才开始启动；

M3主轴电动机，动力头的工进及退位均由液压油缸驱动，并用挡铁方法实现位置控制

3.1.1主回路的设计

图3-1主回路

3.1.2控制回路

（1）控制电源的设计

控制电源采用110v交流电压、照明灯采用24v电压、指示灯采用6v电压。

（2）电机控制电路的设计：

电机的制动及其原理

由于动力头为单向运转，停车采用能耗制动，所以异步电动机进行能耗制动时，首先定子绕组从三相交流电源断开，接着立即将一低压直流通入定在绕组直流中通过定制绕组后，在电动机内建立一个固定不变的磁场，由于转子在运动系统储存的机械能作用下继续旋转，转载到体内就产生感应电动势和电流，该电流与恒定磁场相互作用产生作用方向与转子实际旋转方向相反的制动转矩。

在它的作用下，电动机转速下迅速下降，此时运动系统存储的机械能被电动机转换成电能后小号在转子电路的电阻中。

①油泵运转情况由KM3控制，并且使用最基本的“启—保—停”的控制电路；过载保护由FR长臂出头串在油泵控制回路中实现；油泵电机的开关分别为SB1和SB2。

②动力头电动机的运转由一个接触器KM1控制，其中能耗制动过程由KM3控制，制动时间由时间继电器KT1来确定；过载保护由FR2常闭触头串在动力头及能耗控制回路中实现，SB3为启动按钮，SB4为停止按钮；为避免动力头长期工作，用SB5实现点动控制，对动力头工作状态进行调整。

图3-2主控制回路

3.2液压控制设计

（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：

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）

-

-

-

-

-

表1.液压回路电磁阀被控一览表

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YJ0，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其他电路

辅助电路（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5个指示灯（HL1、HL2、HL3、HL4、HL5），分别为定位、夹紧、入位、工进、退位。

故它们分别由交流接触器KA1\KA2\KA3\KA4\KA5的辅助常开触点来控制。

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

3.4总成

（见原理图）

第四章继电器、接触器控制工艺设计

4.1元件的选型

（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1.5kW。

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：

Y2-90L-8

M2：

Y2-801-8

M3、M4：

Y2-100L1-4

其中，M1功率0.55kW，转速660r/min；M2功率0.18kW，转速630r/min；M3、M4功率2.2kW，转速1420r/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：

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：

故计算得：

另外，根据经验，控制回路中的电流最大不会超法国5A，照明显示回路电流最大不会超过2A，故查[2]，并选择熔断器结果如下

FU1：

RL-15/4,最大熔断电流4A；

FU2：

RL-15/2,最大熔断电流2A；

FU3：

RL-60/25,最大熔断电流25A；

FU4：

RL-15/6,最大熔断电流6A；

FU5：

RL-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[2]可直接选出热继电器，得如下结果：

FR1：

LR1-D09307，整定电流范围1.6~2.5；

FR2：

LR1-D09306，整定电流范围1~1.6；

FR3：

LR1-D09310，整定电流范围4~6；

FR4：

LR1-D09310，整定电流范围4~6。

（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10A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[2]，可选出交流接触器如下：

KM0~4：

CJ20-10，允许功率4kW，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[2]，可选择中间继电器如下：

KA1~6：

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[2]，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[2]得，照明灯选择型号为：

AD1-22/11。

在我们设计的系统中，有三种指示灯：

启动、工进以及急停。

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[2]，选择指示灯型号如下：

定位、夹紧、入位、复位：

AD1-22/11，电压6V，绿色；

工进：

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。

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3个常开按钮、2个常闭按钮与1个联动开关。

其中SB11、SB21、SB31为电机启动按钮，故可选择绿色；SB10、SB20为电机停止按钮，故选择红色；SB30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。

查[2]，选择按钮型号如下：

SB1：

LA19-11，绿色；

SB2~SB5：

LA19-11，黄色；

SB11、SB12、SB13：

SB14、SB15LA19-11，绿色；

SA：

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。

故总闸刀开关QS选用蓝色；急停刀开关QS0选用红色色。

查[2]选择刀开关如下：

QS：

DZ20-100/3，蓝色；

QS0：

DZ20-100/3，红色。

表4-1元件选型表附表1：

元器件选型明细表

符号

名称

型号

规格

数量

M1

液压泵电动机

Y2-90L-8

AU380V,0.55kW,660r/min

1

M2

冷却泵电动机

Y2-801-8

AU380V,0.18kW,630r/min

1

M3、M4

动力头电动机

Y2-100L1-4

AU380V,2.2kW,1430r/min

2

KM0、KM1、KM2、KM3、KM4

交流接触器

CJ20-10

AU380V,10A,4kW,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-D09306

整定电流范围1A到1.6A

1

FR3、FR4

动力头热继电器

LR1-D09310

整定电流范围4A到6A

2

FU1

液泵熔断器

RL1-15/4

\

3

FU2

冷却泵熔断器

RL1-15/2

\

3

FU3

动力头熔断器

RL1-60/25

\

3

FU4

控制回路熔断器

RL1-15/6

\

1

FU5

照明、显示回路熔断器

RL1-15/2

\

2

TC

变压器

BK-100

\

1

L1、L2、L3、L4、L5

显示灯

AD1-22/11

，4绿1黄

5

L0

照明灯

AD1-22/11

AU24V，无色

1

QF、QF0（QS）

自动开关（刀开关）

DZ20-100/3

额定电流32A，带一对辅助触点，QF蓝色，QF0红色

2

SA

急停开关

LA19-11D

按钮数1，点数1常开1常闭

1

QC

万能转换开关

LW6-2

\

1

SB1、SB2、SB3、SB4、SB5、SB11、SB12、SB13、SB14、SB15

按钮

LA19-11

SB14黄色（1个），SB4、SB2红色（2个）、绿色（其它），

10

2原理图的设计

第五章PLC控制的设计

PLC控制的设计包括I/O设备的确定、I/O分配表、接线图

其中I/O设备的确定：

输入：

按钮，行程开关，压力继电器，选择开关

输出：

接触器，电磁铁，灯

5.1元件选型

PLC控制设计与前面的接触器-继电器控制虽然是两种不同的控制方式，但它们完成的控制内容是一致的，即执行元件几乎完全一致，所以在PLC控制设计的元件选型大部分和前面接触器-继电器的元件选型几乎相同，只需做少量调整如下：

去掉“接触器-继电器控制”中用到的的中间继电器和时间继电器。

因为中间继电器在前面的主要作用是增加接点数量，而小型PLC已经可以提供足够的接点数量，而且PLC内部自带定时器，所以在PLC控制中，中间继电器和时间继电器均不需要。

增加一个可编程控制器（即PLC）

PLC选型依据如下：

因为全自动双面钻床属于单机生产过程，控制过程主要是条件、顺序控制，以开关量为主，并且I/O点数小于128点。

所以选择小规模PLC控制系统。

这里我们选择三菱FX2N-64MR。

5.2外部接线图及I/O分配表

外部接线图如下：

5.3梯形图如下：

定位

5.4指令表如下：

总结:

　　　通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关机电传动方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。

实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。

　　　只有不断的学习、实践，再学习、再实践。

这对于我们的将来也有很大的帮助。

以后，不管有多苦，我想我们都能变苦为乐，找寻有趣的事情，发现其中珍贵的事情。

就像中国提倡的艰苦奋斗一样，我们都可以在实验结束之后变的更加成熟，会面对需要面对的事情。

　　　回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决。

　　　课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现、提出、分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节，这次课程设计虽然很累，但我学到了不少东西，对软件的设计过程和方法有了更深入的了解，培养了我们的团队精神，锻炼了我们的沟通和表达能力。

通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

　　　此次设计也让我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及时请教或上网查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识，收获颇丰。

同时还要感谢在课程设计期间老师的关心与帮助！

参考文献

［1］孙克军，电工手册.北京：

化学工业出版社，2009.

［2］高玉奎，简明维修电工手册.北京：

中国电力出版社，2003.

［3］陈立定等，电气控制与可编程控制器.广州：

华中理工出版社，2003

［4］王卫兵等，可编程控制器原理及应用.北京：

机械工业出版社，2002.

［5］廖晓钟，电力电子技术与电气传动［M］.北京：

北京理工大学出版社，2000.