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卧式镗床设计机床自动控制系统

摘要

镗床是机械加工中使用比较普遍的设备，主要用于加工精确的孔和孔间距离要求较为精确的零件，属于精密机床。

目前，中小型企业使用的是传统继电-接触控制的卧式镗床。

继电接触控制的电路简单，动作速度快，可靠性强，故障诊断与排除容易等优点，使得这些企业的生产效率高、效益好。

本设计的机床电力拖动系统由两台三相交流异步电动机组成。

主电动机为双速电动机，用以实现拖动机床的主运动和进给运动。

关键词:

　镗床；继电-接触控制；异步电动机

Abstract

Boringisusedinthemechanicalprocessingequipment,Mainlyusedformachiningprecisionofthedistancebetweentheholeholeandmoreexactrequirementsofparts,Belongtoprecisionmachinetools.Atpresent,theuseofsmallandmedium-sizedenterprisesaretraditionalrelay-contactcontrolhorizontalboring.Duetothecomplexityofthecontrolcircuitrelaycontact,slow,poorreliability,faultdiagnosisandeliminatedisadvantagessuchasdifficult,whichmakestheenterpriseproductionefficiencyandbenefits.Inviewofthissituation,adoptingforhorizontalboring.Thedesignofthemachinebytwoelectricdrivesystemscomposed3-phaseinductionmotor.Themotorisatwo-speedmotortodriveintothemachineandtoexercise.

Keywords:

Boring, electriccontrol, thecontrolcircuit

1绪论

1.1本课题研究的内容

镗床是一种精密加工机床。

它主要用于加工工件上的精密圆柱孔。

按用途的不同，镗床可分为卧式镗床、坐标镗床、金刚镗床等。

其中卧式镗床的用途很广，除了对各种复杂的大型工件，如箱体零件、机体等的镗孔以外，还可以完成钻、扩、铰孔、车削内外螺纹，用丝锥攻丝，车外圆柱面和端面，用端铣刀与圆柱铣刀铣削平面等多种工序。

因此在这种镗床上，工件一次安装后，即能完成大部分表面的加工，有时甚至可以完成全部的加工，特别是在加工大型及笨重的工件时具有优势。

其中T68镗床的电气控制是由2台电动机，主轴电机M1拖动主轴的旋转和工作进给，M2电动机实现工作台的快移，M1电动机是双速电动机，低速是△接法，高速是YY接法，主轴旋转和进给都由齿轮变速，停车时采用了反接制动，主轴和进给的齿轮变速采用了断续自动低速冲动。

1.2课题研究的目的及意义

研究这一课题的目的和意义有以下几点：

1）、将所学的知识得以综合的应用，2）、将所学的知识与实践相结合，3）、近年来电气控制在工业自动控制领域应用愈来愈广，它在控制性能、组机周期和硬件成本等方面所表现出的综合优势，是其它工控产品难以比拟的。

用传统电气控制技术对镗床的控制电路设计，则具有普遍的技术及经济意义，4）、提高镗床控制电路的稳定性和自动化程度，5）、通过电气控制机床后，可以延长镗床的使用寿命，还可以降低机床的故障、更加便于控制、方便维修等各种好处。

实现T68镗床电气控制时，照明、电源指示灯、低压备用电源插座及控制电源变压器及相关电路保持电路配置连接。

继电一接触器系统中按钮、速度继电器、行程开关等设备，接触器线圈及指示灯为控制设备。

为了简便电气控制的复杂程度，SQ1、SQ2的常开触点并联，SQ3、SQ4的常开触点串联，SQ3、SQ4的常闭触点并联，SQ5、SQ6的常开触点并联之后继电器的控制端。

经过这样处理后，适用于经济型的改造。

1.3国内相关技术现状及发展趋势

在我国，组合机床发展已有28年的历史，其科研和生产都具有相当的基础，应用也已深入到很多行业。

是当前机械制造业实现产品更新，进行技术改造，提高生产效率和高速发展必不可少的设备之一。

组合机床及其自动线是集机电于一体的综合自动化程度较高的制造技术和成套工艺装备。

它的特征是高效、高质、经济实用，因而被广泛应用于工程机械、交通、能源、军工、轻工、家电等行业。

从2002年年底第21届日本国际机床博览会上获悉，在来自世界10多个国家和地区的500多家机床制造商和团体展示的最先进机床设备中，超高速和超高精度加工技术装备与复合、多功能、多轴化控制设备等深受欢迎。

在这些方面我国组合机床装备较国际市场还有相当大的差距，因此我国组合机床技术装备柔性化、模块化、可调可变、任意加工性以及通信技术的应用将是今后的发展方向。

通过对T68镗床电气所有硬件部分接线方式的了解与认识，从实际连线出发掌握镗床的工作原理以及各机械部件的动作方式。

然后按照其接线画出相应原理图，并对其进行注释。

对原理图作进一步的分析，将所有的机械动作原件（接触器、继电器、按钮等）与电气部分控制的工作原理相同。

在工业控制领域，为了实现弱电对强电的控制，使机械设备实现预期的要求，继电器系统曾被广泛使用并占主导地位。

它具有结构简单、易学易懂、价格便宜的优点，但其控制过程是由硬件接线的方式实现的。

继电器控制系统存在着可靠性高、适应性强的优点，给人们在使用上带来很大的方便。

而机床作为工作母机，对电气的控制也有了很高的要求必须有很强的抗干忧能力，运行可靠，并且简化电气控制方式，提高机床电气的使用寿命。

2总体设计方案

2.1卧式镗床的概述及加工范围

镗床是一种精密加工机床。

它主要用于加工工件上的精密圆柱孔。

按用途的不同，镗床可分为卧式镗床、坐标镗床、金刚镗床等。

其中卧式镗床的用途很广，除了对各种复杂的大型工件，如箱体零件、机体等的镗孔以外，还可以完成钻、扩、铰孔、车削内外螺纹，用丝锥攻丝，车外圆柱面和端面，用端铣刀与圆柱铣刀铣削平面等多种工序。

因此在这种镗床上，工件一次安装后，即能完成大部分表面的加工，有时甚至可以完成全部的加工，特别是在加工大型及笨重的工件时具有优势。

2.2卧式镗床的基本结构及工作原理

镗床的工作原理大致可分为主轴的移动运动、工作台的回转运动、上滑座、下滑座的移动运动、主轴箱的升降运动、正反向机动进给运动、快速移动运动。

如上所述的这些运动主要靠电磁伐、离合器来实现转换，如要实现某个运动必须使它所对应的某个电磁阀或离合器动作，除此之外就是添加各运动中的正负限位开关，这主要是起到各运动在动作时的保护作用。

2.3卧式镗床主要技术参数

图2.1镗床主轴部件结构图

镗轴直径（mm）：

130

主轴最大钮矩（N.m）：

3136

主轴最大转向力（N）：

31360

主轴最大行程（mm）：

900

工作台工作面积（mm）：

1600*1400

主电机功率（kW）：

15

机床重量（kg）：

25500

图2.2是卧式镗床的外观图。

它主要是由床身、主轴箱、前立柱、带后支承的后立柱、下滑座、上滑座和工作台等部分组成。

加工时，刀具装在主轴箱的镗轴和平旋盘上，由主轴箱获得各种转速和进给量。

主轴箱可沿前立柱的导轨上下移动。

工件安装在工作台上，可与工作台一起随下滑座或上滑座作纵向或横向移动。

此外，工作台还可绕上滑座12的圆导轨的水平面内调整至一定的角度位置，以便加工互成一定角度的孔。

装在镗轴上的镗刀还可随镗轴作轴向运动，以实现轴向进给或调整刀具的轴向位置。

当镗杆及刀杆伸出较长时，可用后立柱上的去承来从左端加以支承，以增加刀杆及镗轴的刚性。

当刀具装在平旋盘径向滑板的径向刀架上时，径向带着刀具径向进给，可车削端面。

图2.2镗床主轴部件结构图

2.4电力拖动及控制特点

镗床的主运动与进给运动由同一台双速电动机M1拖动，各方向的运动由相应手柄选择，各自的快速移动由另一台电动机M2拖动。

上述运动对T68型卧式镗床控制提出了以下要求。

（1）为了适应各种工件的加工工艺要求，主轴旋转和进给都应有较大的调速范围。

因此，该机床采用双速笼型异步电动机M1作为主拖动电动机，并采用机电联合调速，这样既扩大了调速范围又使机床传动机构简化。

（2）进给传动和主轴及花盘旋转采用同一台电动机拖动，由于进给运动有几个方向（主轴轴向、花盘径向、主轴垂直方向、工作台横向、工作台纵向），所以要求电动机能正反转，并有高、低速度选择。

高速运转应先低速起动，各方向的进给应有电气联锁。

（3）进给方向均能快速移动。

因此，该机床采用另一台快速电动机M2拖动，正反两个方向都能短时点动。

（4）为适应调整需要，要求主拖动电动机应能正反向点动，并且带有制动。

为此，该机床采用电磁铁带动的机械制动装置。

2.5电气控制主电路

通过镗床的电气控制线路进行了分析与研究后，镗床具有主轴转速高、调速范围宽等功能；镗床的电气控制系统，控制线路简单、故障率低、维护工作量小、可靠性强、灵活性好等优点；给生产与维护带来方便，提高了生产效率。

其电气主电路图由空气开关、接触器、热继电器、电动机等组成。

它的电气原理图如下所示：

图2.3主电路

它的主电路、控制电路、信号电路的电源均采用自动开关引入，交流接触器KM1、KM2为主电动机M1正转和反转的接触器，FR为主电动机过载保护用热继电器。

KM3为切换速度接触器，其主轴中串入限流电阻，KM4、KM5接触器为主电机星三角启动。

快速电动机正反转，所以M2电动机有两个接触器，它们为KM6和KM7。

2.6电气控制电路、信号及照明电路

控制电路的电源由二次侧输出供电。

其控制过程如图所示：

图2.4机床的控制电路

2.7电路工作过程

1.主电动机的起动控制

（1）主电动机的点动控制：

主电动机的点动有正向点动和反向点动，分别由按钮SB4和SB5控制。

按SB4接触器KM1线圈通电吸合，KM1的辅助常开触点（3-13）闭合，使接触器KM4线圈通电吸合，三相电源经KM1的主触点，电阻R和KM4的主触点接通主电动机1M的定子绕组，接法为三角形，使电动机在低速下正向旋转。

松开SB4主电动机断电停止。

反向点动与正向点动控制过程相似，由按钮SB5、接触器KM2、KM4来实现。

（2）主电动机的正、反转控制：

当要求主电动机正向低速旋转时，行程开关SQ7的触点（11-12）处于断开位置，主轴变速和进给变速用行程开关SQ3（4-9）、SQ4（9-10）均为闭合状态。

按SB2，中间继电器KA1线圈通电吸合，它有三对常开触点，KA1常开触点（4-5）闭合自锁；KA1常开触点（10-11）闭合，接触器KM3线圈通电吸合，KM3主触点闭合，电阻R短接；KA1常开触点（17-14）闭合和KM3的辅助常开触点（4-17）闭合，使接触器KM1线圈通电吸合，并将KM1线圈自锁。

KM1的辅助常开触点（3-13）闭合，接通主电动机低速用接触器KM4线圈，使其通电吸合。

由于接触器KM1、KM3、KM4的主触点均闭合，故主电动机在全电压、定子绕组三角形联结下直接起动，低速运行。

当要求主电动机为高速旋转时，行程开关SQ7的触点（11-12）、SQ3（4-9）、SQ4（9-10）均处于闭合状态。

按SB2后，一方面KA1、KM3、KM1、KM4的线圈相继通电吸合，使主电动机在低速下直接起动；另一方面由于SQ7（11-12）的闭合，使时间继电器KT（通电延时式）线圈通电吸合，经延时后，KT的通电延时断开的常闭触点（13-20）断开，KM4线圈断电，主电动机的定子绕组脱离三相电源，而KT的通电延时闭合的常开触点（13-22）闭合，使接触器KM5线圈通电吸合，KM5的主触点闭合，将主电动机的定子绕组接成双星形后，重新接到三相电源，故从低速起动转为高速旋转。

主电动机的反向低速或高速的起动旋转过程与正向起动旋转过程相似，但是反向起动旋转所用的电器为按钮SB3、中间继电器KA2，接触器KM3、KM2、KM4、KM5、时间继电器KT。

2.主电动机的反接制动的控制

当主电动机正转时，速度继电器KS正转，常开触点KS（13-18）闭合，而正转的常闭触点KS（13-15）断开。

主电动机反转时，KS反转，常开触点KS（13-14）闭合，为主电动机正转或反转停止时的反接制动做准备。

按停止按钮SB1后，主电动机的电源反接，迅速制动，转速降至速度继电器的复位转速时，其常开触点断开，自动切断三相电源，主电动机停转。

具体的反接制动过程如下所述：

（1）主电动机正转时的反接制动：

设主电动机为低速正转时，电器KA1、KM1、KM3、KM4的线圈通电吸合，KS的常开触点KS（13-18）闭合。

按SB1，SB1的常闭触点（3-4）先断开，使KA1、KM3线圈断电，KA1的常开触点（17-14）断开，又使KM1线圈断电，一方面使KM1的主触点断开，主电动机脱离三相电源，另一方面使KM1（3-13）分断，使KM4断电；SB1的常开触点（3-13）随后闭合，使KM4重新吸合，此时主电动机由于惯性转速还很高，KS（13-18）仍闭合，故使KM2线圈通电吸合并自锁，KM2的主触点闭合，使三相电源反接后经电阻R、KM4的主触点接到主电动机定子绕组，进行反接制动。

当转速接近零时，KS正转常开触点KS（13-18）断开，KM2线圈断电，反接制动完毕。

（2）主电动机反转时的反接制动：

反转时的制动过程与正转制动过程相似，但是所用的电器是KM1、KM4、KS的反转常开触点KS（13-14）。

（3）主电动机工作在高速正转及高速反转时的反接制动过程可仿上自行分析。

在此仅指明，高速正转时反接制动所用的电器是KM2、KM4、KS（13-18）触点；高速反转时反接制动所用的电器是KM1、KM4、KS（13-14）触点。

3.主轴或进给变速时主电动机的缓慢转动控制

主轴或进给变速既可以在停车时进行，又可以在镗床运行中变速。

为使变速齿轮更好的啮合，可接通主电动机的缓慢转动控制电路。

当主轴变速时，将变速孔盘拉出，行程开关SQ3常开触点SQ3（4-9）断开，接触器KM3线圈断电，主电路中接入电阻R，KM3的辅助常开触点（4-17）断开，使KM1线圈断电，主电动机脱离三相电源。

所以，该机床可以在运行中变速，主电动机能自动停止。

旋转变速孔盘，选好所需的转速后，将孔盘推入。

在此过程中，若滑移齿轮的齿和固定齿轮的齿发生顶撞时，则孔盘不能推回原位，行程开关SQ3、SQ5的常闭触点SQ3（3-13）、SQ5（15-14）闭合，接触器KM1、KM4线圈通电吸合，主电动机经电阻R在低速下正向起动，接通瞬时点动电路。

主电动机转动转速达某一转时，速度继电器KS正转常闭触点KS（13-15）断开，接触器KM1线圈断电，而KS正转常开触点KS（13-18）闭合，使KM2线圈通电吸合，主电动机反接制动。

当转速降到KS的复位转速后，则KS常闭触点KS（13-15）又闭合，常开触点KS（13-18）又断开，重复上述过程。

这种间歇的起动、制动，使主电动机缓慢旋转，以利于齿轮的啮合。

若孔盘退回原位，则SQ3、SQ5的常闭触点SQ3（3-13）、SQ5（15-14）断开，切断缓慢转动电路。

SQ3的常开触点SQ3（4-9）闭合，使KM3线圈通电吸合，其常开触点（4-17）闭合，又使KM1线圈通电吸合，主电动机在新的转速下重新起动。

进给变速时的缓慢转动控制过程与主轴变速相同，不同的是使用的电器是行程开关SQ4、SQ6。

4.主轴箱、工作台或主轴的快速移动

该机床各部件的快速移动，由快速手柄操纵快速移动电动机2M拖动完成的。

当快速手柄扳向正向快速位置时，行程开关SQ9被压动，接触器KM6线圈通电吸合，快速移动电动机2M正转。

同理，当快速手柄扳向反向快速位置时，行程开关SQ8被压动，KM7线圈通电吸合，2M反转。

5.主轴进刀与开作台联锁

为防止镗床或刀具的损坏，主轴箱和工作台的机动进给，在控制电路中必须互联锁，不能同时接通，它是由行程开关SQ1、SQ2实现。

若同时有两种进给时，SQ1、SQ2均被压动，切断控制电路的电源，避免机床或刀具的损坏。

3系统硬件设计

3.1空气开关的选型

1.空气开关的简介

空气开关是低压配电网络和电力拖动系统中非常重要的一种电器，它集控制和多种保护功能于一身。

除了能完成接触和分断电路外，尚能对电路或电气设备发生的短路．严重过载及欠电压等进行保护，同时也可以用于不频繁地启动电动机。

2.空气开关的选型及性能特点

空气开关在电路中作接通、分断和承载额定工作电流，并能在线路和电动机发生过载、短路、欠压的情况下进行可靠的保护。

断路器的动、静触头及触杆设计成平行状，利用短路产生的电动斥力使动、静触头断开，分断能力高，限流特性强。

短路时，静触头周围的芳香族绝缘物气化，起冷却灭弧作用，飞弧距离为零。

断路器的灭弧室采用金属栅片结构，触头系统具有斥力限流机构，因此，断路器具有很高的分断能力和限流能力。

具有复式脱扣器。

反时限动作是双金属片受热弯曲使脱扣器动作，瞬时动作是铁芯街铁机构带动脱扣器动作。

脱扣方式有热动、电磁和复式脱扣3种。

3.空气开关的技术参数

主要参数：

机械寿命：

20000次；额定电流：

6A10A16A20A25A32A40A50A63A；

额定电压：

230V/400VAC；脱扣特性：

C；接线能力：

适用于25mm2及以下导线。

3.2接触器的选型

1.接触器的简介

在电工学上，因为可快速切断交流与直流主回路和可频繁地接通与大电流控制（某些型别可达800安培）电路的装置，所以经常运用于电动机做为控制对象，也可用作控制工厂设备﹑电热器﹑工作母机和各样电力机组等电力负载，接触器不仅能接通和切断电路，而且还具有低电压释放保护作用。

接触器控制容量大，适用于频繁操作和远距离控制。

是自动控制系统中的重要元件之一。

2.接触器的选型及性能特点

接触器（Contactor）是指工业电中利用线圈流过电流产生磁场，使触头闭合，以达到控制负载的电器。

接触器由电磁系统（铁心，静铁心，电磁线圈）触头系统（常开触头和常闭触头）和灭弧装置组成。

其原理是当接触器的电磁线圈通电后，会产生很强的磁场，使静铁心产生电磁吸力吸引衔铁，并带动触头动作：

常闭触头断开；常开触头闭合，两者是联动的。

当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁在释放弹簧的作用下释放，使触头复原：

常闭触头闭合；常开触头断开。

3.3热继电器的选型

1.热继电器的简介

热继电器是由流入热元件的电流产生热量，使有不同膨胀系数的双金属片发生形变，当形变达到一定距离时，就推动连杆动作，使控制电路断开，从而使接触器失电，主电路断开，实现电动机的过载保护。

继电器作为电动机的过载保护元件，以其体积小，结构简单、成本低等优点在生产中得到了广泛应用。

2.热继电器的选型及性能特点

热继电器主要用于保护电动机的过载，因此选用时必须了解电动机的情况，如工作环境、启动电流、负载性质、工作制、允许过载能力等。

1、原则上应使热继电器的安秒特性尽可能接近甚至重合电动机的过载特性，或者在电动机的过载特性之下，同时在电动机短时过载和启动的瞬间，热继电器应不受影响（不动作）。

2、当热继电器用于保护长期工作制或间断长期工作制的电动机时，一般按电动机的额定电流来选用。

例如，热继电器的整定值可等于0.95~1.05倍的电动机的额定电流，或者取热继电器整定电流的中值等于电动机的额定电流，然后进行调整。

3、当热继电器用于保护反复短时工作制的电动机时，热继电器仅有一定范围的适应性。

如果短时间内操作次数很多，就要选用带速饱和电流互感器的热继电器。

4、对于正反转和通断频繁的特殊工作制电动机，不宜采用热继电器作为过载保护装置，而应使用埋入电动机绕组的温度继电器或热敏电阻来保护。

3.热继电器的技术参数

主要相关参数如下：

输入电压AC220/230V；额定功率：

0.1-5.5KW；型号：

SZ-ZM4E热过载继电器3相。

3.4时间继电器的选型

1.时间继电器的简介

时间继电器可分为通电延时型和断电延时型两种类型。

空气阻尼型时间继电器的延时范围大（有0.4～60s和0.4～180s两种），它结构简单,但准确度较低。

当线圈通电时，衔铁及托板被铁心吸引而瞬时下移，使瞬时动作触点接通或断开。

但是活塞杆和杠杆不能同时跟着衔铁一起下落，因为活塞杆的上端连着气室中的橡皮膜，当活塞杆在释放弹簧的作用下开始向下运动时，橡皮膜随之向下凹,上面空气室的空气变得稀薄而使活塞杆受到阻尼作用而缓慢下降。

经过一定时间，活塞杆下降到一定位置，便通过杠杆推动延时触点动作，使动断触点断开，动合触点闭合。

从线圈通电到延时触点完成动作，这段时间就是继电器的延时时间。

延时时间的长短可以用螺钉调节空气室进气孔的大小来改变。

吸引线圈断电后，继电器依靠恢复弹簧的作用而复原。

空气经出气孔被迅速排出。

2.时间继电器的使用说明

（1）设定

图3.1时间继电器的设定说明图

（2）表示

定时器的指针不像时钟那样与时间共同动作，因此不知道时间经过的样子。

因此，在定时器的左上边有2个动作指示灯，由这两灯可以来识别定时器的状态。

⑤动作/通电指示灯（绿色）。

动作显示：

表示是计测时间途中（计时中）还是时间已到。

通电表示：

表示是否向定时器本身供电。

在通电状态下基本上是灯亮的，但计时中灯灭。

⑥输出指示灯（橙色）可能看出时间已到的输出状态。

仅在发送输出信号时灯亮。

3.5速度继电器的选型

速度继电器又称反接制动继电器。

它的主要结构是由转子、定子及触点三部分组成。

速度继电器主要用于三相异步电动机反接制动的控制电路中，它的任务是当三相电源的相序改变以后，产生与实际转子转动方向相反的旋转磁场，从而产生制动力矩。

因此，使电动机在制动状态下迅速降低速度。

在电机转速接近零时立即发出信号，切断电源使之停车（否则电动机开始反方向起动）。

由于继电器工作时是与电动机同轴的，不论电动机正转或反转，电器的两个常开触点，就有一个闭合，准备实行电动机的制动。

一旦开始制动时，由控制系统的联锁触点和速度继电器的备用的闭合触点，形成一个电动机相序反接（俗称倒相）电路，使电动机在反接制动下停车。

而当电动机的转速接近零时，速度继电器的制动常开触点分断，从而切断电源，使电动机制动状态结束。

常用的速度继电器有JY1型和JFZ0型两种。

其中，JY1型可在700～3600r/min范围内可靠地工作；JFZO－1型使用于300～1000r/min；JFZO-2型适用于1000～3600r/min。

他们具有两个常开触点、两个常闭触点，触电额定电压为380V，额定电流为2A。

一般速度继电器的转轴在130r/min左右即能动作，在100r/min时触头即能恢复到正常位置。

可以通过螺钉的调节来改变速度继电器动作的转速，以适应控制电路的要求。

3.6按钮的选型

1.按钮开关的简介

按钮是人为的操作、并具有弹簧经过认为操作可以自动复位的控制原件，是一种在控制回路中常用的主令器件。

然后在其后的不断发展演变中，增加了带指示灯，带钥匙孔，带紧急制动功能等各种规格产品，但是其本质结构和工作原理是没有改变的，本文主要探讨的就是按钮开关的结构和工作原理。

2.按钮开关的结构

按钮一般由按钮帽、复位弹簧、桥式动触头、静触头、支柱连杆及外壳等部分组成。

按钮不受外力作用（即静态）时触头的分合状态，分为启动按钮（即常开按钮）、停止按钮（即常闭按钮）和复合按钮（即常开、常闭触头组合为一体的