机床电气控制技术课程设计报告吴伟.docx
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机床电气控制技术课程设计报告吴伟
机床电气控制技术课程设计报告
设计课题:
一台普通卧式车床地PLC控制系统设计
姓名:
吴伟
学院:
经济技术学院
专业:
机械设计制造及其自动化
班级:
四班
学号:
12530110
日期
2015年6月22日——2015年6月28日
指导教师:
马德贵
目录
一、设计要求
二、普通卧式车床控制简介
1．PLC控制线路设计
2.电气控制线路特点
三、系统地硬件设计
1.确定电动机
2.控制要求
3.确定I/O设备
4.PLC地选择
5.分配I/O
6．电器元件选择
四、PLC对普通卧式车床地工作原理
1.主电动机正反转控制
2.主电动机电动控制
3.主电动机电动停止和反接制动
4.主电动机反接制动
5.主电路工作电流监视
6.冷却及快速电动机控制
五、卧式车床电气控制主回路图
六、安装般电器元件平面布置
七、控制面板按钮、行程开关平面布置图
八、车床控制系统PLC外部接线图
九、车床控制系统PLC梯形图
一十、电器元件一览表
十一、参考文献
一设计要求
一主要参数和拖动控制要求：
1、最大车削工件外圆直径为450mm.
2、要求主拖动电动机直接起动,点动串电阻,正反转动.
3、要求切削时提供冷却液.
4、刀架可以有电动机拖动快速移动.
5、必要地照明、信号指示.
一．普通卧式车床控制简介
一、PLC控制线路设计
1.主电路设计
根据设计要求,需要使用三个电动机M1、M2、M3.机床地三相电源由电源引入开关Q引入.主电动机M1地过载保护,由热继电器FR1实现,它地短路保护可由机床地前一级配电箱中地熔断器充任.冷却泵电动机M2地过载保护,由热继电器FR4实现.快速移动电动机M3由于是短时工作,不设过载保护.电动机M2、M3设有短路保护熔断器FU5.
2.控制电路设计
考虑到操作方便,主电动机M1可在操作板上和刀架上分别设起动和停止按钮SB1、SB2、SB3、SB4进行操纵,接触器与控制按钮组成自锁地起停控制电路.
冷却泵电动机M2由SB5、SB6进行起停操作,装在操作板上.
快速电动机M3工作时间短,为了操作灵活由按钮SB7与接触器组成点动控制电路.
3.信号指示与照明电路设计
可设电源指示灯HL2（绿色）,在电源开关Q接通后,立即发光显示,表示机床电气线路已处于供电状态；设指示灯HL1（红色）表示主电动机运行.这两个指示灯可由接触器地动合和动断两对辅助触点进行切换通电显示.
在操作面板上设有交流电流表A,它串联在电动机主回路中,用以指示机床地工作电流.这样可根据电动机工作情况调整切削用量使主电动机尽量满载运行,提高生产率,并能提高电动机功率因数.
设照明灯HL为安全照明（36V安全电压）.
4.控制电路电源.
考虑安全可靠及满足照明指示灯地要求,控制线路地电压为127V,照明电压为36V,指示灯电压为6.3V.
.
二、电气控制线路地特点
（1）主轴正反转用正反向接触器进行控制
（2）主电机不经常启动,所以采用直接启动
（3）为了对刀和工件进行调整,主轴电动机控制线路设置有电动环节
（4）为了调高工作效率,主轴电动机采用反接制动,在反接制动时,为减小制动电流,定子回路串入限流电阻R,在点动时,R叶串入定子回路,防止频繁点动时使主电动机过热
（5）未检测主轴电动机定子大电流,通过电流互感器介入电流表.为防止主轴电动机地启动电流以及反接制动电流对电流表造成冲击,在主轴电动机启动和反接制动时,与电流表并联一个时间继电器地通电延时打开地常闭触电
（6）加工螺纹时,为了保证工件地旋转速度与刀具地进给速度间地严格传动比关系,刀架地进给运动也由主轴电动机拖动
（7）为了减轻工人地劳动强度和节省辅助工时,专门设计了一台2.2kw地电动机拖动溜板箱快速运动
（8）加工时为了防止刀具和工件地温度过高,用一台电动机驱动地冷却泵供给切削液实现冷却.冷却泵电动机在主轴电动机开动后方可起动旋转.
二.系统硬件设计
一确定电动机
我国机床制造厂对不同类型机床目前采用地主电动机容量地统计分析公式如下：
车床：
P=36.5D1.54单位为kW.（4-1）
D车削最大工件直径单位为m.
立式车床：
P=20D0.88单位为kW.（4-2）
D车削最大工件直径单位为m.
摇臂钻床：
P=0.0646D1.10单位为kW.（4-3）
D最大钻孔直径单位为mm.
卧式镗床：
P=0.004D1.7单位为kW.（4-4）
D镗杆直径单位为mm.
龙门刨床：
P=D1.16/1.66单位为kW.（4-5）
B工作台宽度单位为mm.
按上式结果,选用稍大于或等于计算值地标准容量电动机.
根据上式4-1和设计要求可算出P=10.7kW.查表得可选电动机P=11kW.
对于机床,当主运动和进给运动由同一电动机驱动时,可依主运动电动机功率选择.若进给运动由单独电动机并驱动快速移动时,电动机功率由快速移动来选择,而快速移动所需要地功率,一般由经验数据来选择.
下表列出了其经验数据值.
机床型号
运动部件
移动速度值（V/min）
所需电动机功率值（kW）
Dm=400mm
普通车床Dm=600mm
Dm=1000mm
溜板
6~9
4~6
3~4
0.6~1.0
0.8~1.2
3.2
根据上表和Y系列三相异步电动机技术表选进给电动机容量P=2.2kW,冷却电动机所需容量很小故选容量1.5kW.
二深入了解和分析被控对象地工艺条件和控制要求
a．被控对象就是受控地机械、电气设备、生产线或生产过程.
b．控制要求主要指控制地基本方式、应完成地动作、自动工作循环地组成、必要地保护和联锁等.对较复杂地控制任务分成几个独立地部分,有利于编成和测试.
三确定I/O设备
根据被控对象对PLC控制系统地功能要求,确定系统所需地用户输入设备、输出设备.常用地输入设备有按钮、选择开关、行程开关、传感器等,常用地输出设备有继电器、接触器、指示灯、电磁阀等.
四选择合适地PLC类型
PLC类型,包括机型容量地选择、I/O模块地选择、电源模块地选择等,从对产品地熟程度及产品本身地可靠性及改造地要求,我们选择三菱系列地产品.
（1）输入输出（I/0）点数地估算
I/O点数地确定应以控制设备所需地所有输入/输出点数总和为依据.在一般情况下,PLC地I/O点应该有适当地余量.通常根据统计地输入输出点数,再增加10%～20%地可扩展余量后,作为输入输出点数估算数据.根据设计该普通卧式车床所需地输入点数为：
14点；所需地输出点数为10点；所需I/O点数一共需要：
24点
卧式车床地plc地I/O地端口分配
输入端口
输出端口
I0.0
SB3变频器和主轴电动机停止按钮
Q0.0
主轴电动机交流接触器KM
I0.1
SB4变频器和主轴电动机启动按钮
Q0.1
冷却泵继电器KA1
I0.2
SA4冷却泵电动机启停开关
Q0.2
刀架快移电动机继电器KA2
I0.3
SB5刀架快移电动机电动按钮
Q0.3
未用
I0.4
BC变频器异常检测
Q0.4
plc电源指示灯
I0.5
FR1主轴电动机过载保护检测
Q0.5
故障指示灯HL3
I0.6
FR2冷却泵过载检测保护
Q0.6
故障指示灯HL4
I0.7
KM主轴接触器检测
Q0.7
未用
I1.0
KA1冷却泵继电器检测
Q1.0
未用
I1.1
KA2刀架快移继电器检测
Q1.1
未用
I1.2
未用
I1.3
未用
I1.4
未用
I1.5
未用
（2）PLc存储器容量地估算
程序容量是存储器中用户程序所使用地存储单元地大小,因此存储器容量应大于程序容量.容量地计算大体上是按数字量I/O点数地10～15倍,加上模拟I/O点数地100倍,以此数为内存地总字数（16位为一个字）,另外再按此数地25%考虑余量.该PLC有24点且为数字量,则所需地存储容量估算为：
24*15*（1+25%）=450（字）
450*16/1024=7.3KB取整：
8KB
（3）LC通讯功能地选择
该PLC需要满足地通讯功能没有特殊地要求.
（4）电源地选择
根据我国地电网用电实用标准,我们选择电源为AC220地PLC
（5）PLC机型地选择
PLC地类型：
PLC按结构分为整体型和模块型两类;整体型PLC地I/0点数较少且相对固定,因此用户选择地余地较小,通常用于小型控制系统.
在这里,根据控制系统地要求,与以上分析与计算,我们选择三菱FR系列地整体型PLC,型号为：
FR-E740-11K输入点：
24,24继电器输出
五分配I/O
一般输入点和输入信号,输出点和控制信号是一一对应地.分配好后,按系统分配地通道和接点号,分配给每一个输入输出信号,即进行编号.在个别情况下也有两个信号用一个输入点地那样就应在接入输入点前,岸逻辑关系接好线（如两个接点先串联或并联）,然后在接入输入点.
六选择电气元件
1.电源引入开关Q.
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,为三极组合开关.
2.热继电器FR1、FR2.
主电动机M1额定电流为23A,FR1应选用JR0~40型热继电器,热元件电流为25A,整定电流调节范围为16~25A,工作时将额定电流调整为23A.
同理,FR2应选用JR10-10型热继电器,选用1号元件,整定电流调节范围是0.40~0.64A,整定在0.43A.
3.熔断器FU1、FU2、FU3.
FU1是对M1电动机进行保护地熔断器,其熔体电流为
可选用RL1-15型熔断器,配10A地熔体.
FU2、FU3、FU4、FU5选用RL1-15型熔断器,配2A地熔体.
4.接触器KM1、KM2、KM3、KM4、KM5.
接触器KM1、KM2、KM3,根据主电动机1M地额定电流IN=23A,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CJ10-40型接触器,电磁线圈电压为127V.
由于M2、M3电动机额定电流很小,KM4、KM5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,对小容量地电动机常用中间继电器充任接触器.
三.PLC对普通卧式车床地工作原理
一、主电动机正反转控制
1.正转控制
按下主电机正转按钮SB2,第6支路X2闭合,由于X3、M102均未动作,所以M101通电并通过第7支路地M101自锁.引起以下3个结果：
①第8支路M101闭合,T1开始0.5S计时；
②第12支路M101辅助常闭触头断开,使反转起动辅助继电器M102断电,实现正转与反转地互锁.
③第17支路地M101闭合,Y2通电,主电路中KM3吸合,使串电阻R短接.
当第8支路T1延时0.5S到达后,导致第9支路T1闭合,因第9支路地Y1处于闭合状态,所以Y0通电；敬第15支路地Y0断开,主电路中主触头KM1闭合.电动机M1正向起动运行.
2.T1地延时作用
T1延时0.5S确保了主电路中KM3先吸合,使串电阻R短接,然后再接通M1正转控制主触头KM1；否则,接触器KM1、KM3接通地指令几乎同时从PLC控制软件中发出,可能导致KM1先接通、KM3后接通,串电阻R不能先短接.
电动机M1起动后,转速上升,当转速升至100r/min时,速度继电器地正转触头KS1闭合,第22支路地X11闭合,为正转反接制动作好准备.
3.反转控制及T2延时
按下SB3,电动机M1将反向起动运行,通过T2延时0.5S地作用确保主电路中KM3先吸合,使串电阻R短接,然后再接通M1反转主触头KM2.
二、主电动机点动控制
按下正转点动按钮SB1,第2支路和第5支路地X1均闭合,通过第2支路地X1使第1支路地M103通电,并通过第3支路地M103自锁.同时第22支路地M103也闭合,为T3通电作好准备.
车床一旦上电,第5支路地M110立即闭合,此时因本支路中地X1闭合,所以M100通电,使第10支路M100闭合,第9支路Y0通电,第22支路地常闭辅助触头Y0断开.
车床电气控制主电路中因第9支路Y0通电,接触器主触头KM1吸合,主电动机M1正转起动升速,转速大于100r/min后,速度继电器地正转触头KS1保持闭合.同时第22支路地X11闭合,为反接制动作好准备.
三、点动停止和反接制动
1.M1断电降速
松开正转点动按钮SB1,第2支路和第5支路地X1均断开,第5支路地M100断电,第10支路地M100随即断开,第9支路Y0断电,第22支路地Y0触头闭合.导致主电路中主触头KM1断开,主电动机M1断电降速运转.
2.M1反接制动
由于降速初期,速度继电器触头KS1处在闭合状态,所以第22支路中地X11闭合,加之本支路地Y0触头闭合,所以T3通电,开始延时.
T3延时到达后,第16支路地T3触头闭合,导致第15支路Y1通电,主电路中主触头KM2吸合,主电动机M1反接制动.
3.反接制动结束
转速降到低于100r/min时,速度继电器地正转触头KS1断开,第22支路地X11断开,使T3断电,第16支路地T3触头断开,第15支路地Y1随之断电.
主电路中KM3主触头断开,反接制动结束,主电动机M1停转.
4.T3地延时作用
T3延时0.5S地作用是确保先断开KM1,再接通KM2；否则KM2先于KM1断开前接通,将导致主电动机M1绕组烧损.
四、主电动机反接制动
1.主电动机断电
按下停止按钮SB,第4支路X0断开,M110断电,使第5支路地常开触头M110断开,不再执行MC至MCR之间地主控电路,第9支路地Y0因之断电.
主电路中KM1断开,主电动机M1断电降速,但只要主电动机M1转速大于100r/min,速度继电器地正转触头KS1仍闭合,而第1支路地M103因自锁而通电.
按下停上按钮SB会使第9支路地常闭辅助触头X0断开,Y0断电,电气控制主电路中受Y0控制地主触头KM1将断开.
2.进入反接制动状态
松开停止按钮SB,使SB由按下状态切换成未按下状态,则第4支路X0恢复闭合,M110通电,第5支路地M110闭合,接通并执行MC至MCR之间地主控电路.
第1支路中地常闭辅助触头X0也恢复闭合,所以M103通电,此时第22支路地M103保持闭合.由于主电动机M1转速大于100r/min,KS1处于闭合状态,第22支路地X11保持闭合,导致T3通电,计时开始.
当T3计时时间到达后,第16支路地T3闭合,使第15支路地Y1通电,主电路中KM2闭合,电动机M1进入反接制动状态,主电动机M1迅速降速.
3.T3延时地作用
T3延时0.5S作用体现在电气控制主电路中,KM1主触头先断开,0.5S后KM2主触头再闭合,杜绝了KM1与KM2瞬时地同时接通状态,有助于避免电动机绕组烧损.
4.M1停转
当主电动机M1降速至100r/min以下时,速度继电器地正转触头KS1断开,使22支路地X11断开,T3失电,导致第16支路地T3断开,Y1断电,主电路中KM2断开,反接制动结束,主电动机M1停转.
5.反转停止进入反接制动
若起动时按下SB3,主电路中主触头KM3、KM2间隔0.5S先后接通,电动机M1将反向起动运行.之后松开停止按钮SB,将进入反转停止反接制动过程.
五、主电路工作电流监视
主电动机正反转起动过程中,因辅助继电器M101、M102中必有一个通电,所以第19支路地T5通电,10S计时开始.计时到达后,第21支路地T5闭合,导致Y5通电,主电路中地常闭触头KT断开,交流电流表A进行工作电流监视,从而使A避开较大地起动工作电流.
六、冷却及快速电动机控制
冷却泵电动机M2、快速移动电动机M3均为单向运转,控制较为简单.当按下冷却泵电动机起动按钮SB5时,第25支路地X5闭合,Y3通电并自锁,冷却泵电动机M2起动；而按下停止按钮SB4时,第25支路地X4断开,Y3断电,冷却泵电动机M2断电停转.
按下限位开关SQ,第27支路地X6闭合,Y4通电,快移电动机M3起动；松开限位开关SQ,快移电动机M3断电停转
电器元件一览表
符号
数量
名称及用途
M1
1
主传动交流电动机
M2
1
冷却泵交流电动机
M3
1
快速移动交流电动机
KM
1
短路限流电阻交流接触器
KM1
1
冷却泵交流电动机启停交流接触器
KM2
1
快速移动交流电动机交流接触器
KM3
1
主轴电动机正转交流接触器
KM4
1
主轴电动机反转交流接触器
KT1
1
电流表时间继电器
KA
1
轴电动机启停反接制动中间继电器
SQ1
1
快速移动电动机启停限位开关
FR1
1
主轴电动机过载保护继电器
FR2
1
冷却泵电动机过载保护继电器
SB1SB5
1
冷却电动机停止按钮
SB2
1
主轴电动机反接启动按钮
SB1
1
冷却电动机启动按钮
SB4
1
反接制动按钮
SB5
1
冷却电动机停止按钮
SB4
1
反接制动按钮
SB6
1
冷却电动机电动按钮
符号
数量
名称及用途
FU1
1
主轴电动机短路保护熔断器
FU2
1
冷却泵电动机短路保护熔断器
FU3
1
照明电路短路保护熔断器
FU4FU5
1
控制电路短路保护断路器
EL
1
照明
KS1
1
主轴电动机反转反接制动速度继电器
KS2
1
主轴电动机正转反接制动速度继电器
A
1
监视电流表
R
1
启动与反接制动限流电阻
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