组合机床电气控制课程设计

目录

一、绪论 (1)

二、组合机床简介 (1)

三、组合机床结构与工作循环 (2)

四、液压动力滑台系统 (4)

五、设计要求 (5)

六、继电器-接触器控制线路的设计 (6)

（一）选用控制线路的设计方法 (6)

（二）继电器——接触器控制线路 (7)

（三）一些低压电器的选择 (9)

七、可编程控制器PLC控制系统的设计 (11)

八、设计总结 (13)

九、参考文献 (13)

一、绪论

本次设计是对组合机床的电气控制设计，根据设计要求设计电气控制系统及连接，使其能实现自动完成各个工作要求。

设计的主要内容包括对继电器电气原理图的设计及绘制，对PLC电器原理图的设计与绘制，制成控制板并进行连接。

这次设计的目的在于通过完成设计，了解可编程控制器的结构、工作原理、特点和用途，掌握对继电器的选型和各型号继电器的用途和作用，掌握可编程控制器的编程方法和指令系统。

二、组合机床简介

组合机床通常是采用多刀、多面、多工序、多工位同时加工，由通用部件和专用部件组成的工序集中的高效率专用机床。它的电气控制电路时将各个部件的工作组合成一个统一的循环系统。在组合机床上可以完成钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、攻螺孔、车削、铣削及磨削等工序。组合机床主要用于大批量生产。

组合机床的通用部件有：动力部件，如动力头和动力滑台；支承部件，如滑座、床身、支柱和中间底座；输送部件，如回转分度工作台、回转鼓轮、自动线回转工作台及零件输送装置；控制部件，如液压元件、控制板、按钮台及电气挡铁；其他部件，如机械手；排屑装置和润滑装置等。通用部件已标准化、系列化和通用化。

组合车床的控制系统大多采用机械、液压或气动、电气相结合的控制方式。其中，电气控制又起着中枢连接作用。因此，应注意分析组合机床电气控制系统与机械、液压或气动部分的相互关系。

组合机床组成部件不是一成不变的，它将随着生产力的向前发展而不断更新，因此与其相适应的电器控制线路也是更新换代，目前主要有两种：机械动力滑动控制路线和液压动力滑动控制路线。我们选择的液压动力滑动控制路线。

液压动力滑动与机械动力滑台在结构上的区别在于：液压动力滑台的进给运动是借助压力油道通入液压缸的前腔和后腔来实现的。液压动力滑台由滑台、滑座及液压缸三部分组成，液压缸驱动滑台在滑座上移动。液压动力滑台也具有前面机械动力滑台的典型自动工作循环过程，它是通过电气控制线路控制液压系统来实现的。滑台的工作速度是通过调整节流阀进行无极调速的。电气控制一般采用行程原则、时间原则控制及压力控制方式。

三、组合机床结构与工作循环

组合机床由底座、车身、液压动力滑台、铣削动力头、液压站等通用部件以及有关的专用部件组成，如图1所示。组合机床的工作循环如图2所示。

加工时，共建随夹具安装在液压动力滑台上，当发现加工指令后，工作台作快速进给，工作接近动力头处时，工作台改为工作进给速度进给，同时，左铣削动力头启动加工，当进给到一定位置时，右动力头也启动两面同时加工，直至终点时工作进给停止，两动力头停转，经死挡铁停留后，液压动力滑台快速退回至原位并停止，工作循环结束。

四、液压动力滑台系统

如图3所示为液压动力滑台具有一次进给的液压系统图。元件动作见表1。

表1 元件动作表

工步YV1 YV2 KP

原位———

快进+ ——

工进+ ——

死挡铁停留+ ——+

快退—+ —

液压系统工作过程如下：

（1）快速趋近。液压泵电动机启动后，按SB3按钮发出滑台快速移动信号，电磁铁YV1得电，三位五通电磁阀IV 向右移，控制油路开通，控制三位五通液控换向阀III 向右移，接通工作油路，压力油经过行程阀进入液压缸II 大腔，而小腔内回油经过阀III 、阀XI 、阀VI 再进入液压缸1大腔，液压缸体、滑台、工件获得向前快速移动。

（2）工作进给。滑台快速移动到工件接近铣削动力头时，滑台上的挡铁压下行程阀VI ，切断压力油通路，此时压力油只能通过调速阀V 进入液压缸大腔，减少进油量，降低滑台移动速度，滑台转为工作进给。此时由于负载增加，工作油路油压升高，顺序阀VIII 打开，液压缸小腔的回油不再经单向阀XI 流入液压缸大腔，而是经顺序阀VIII 流回油箱。

（3）死挡铁停留。液压动力滑台工作进给结束时（铣削加工结束），滑台撞上死挡铁，停止前进，但油路仍处于工作进给状态，液压缸大腔内继续进油，至使油压升高，压力继电器KP 动作。

（4）快速回退停止原位。死挡铁停留，压力继电器KP 动作，其常闭触点打开，使电磁铁YV1失电，KP 常开触点闭合，电磁铁YV2得电，阀IV 左移，控制油控制阀III 左移，工作压力油直接进入液压缸小腔，使液压缸体、滑台、工件迅速退回。同时大腔内的回油经单向阀VII 、阀III 无阻挡地流回油箱。工作台快速退回至原位时，压下原位行程开关，电磁铁YV2失电，在弹簧作用下，液控换向阀处于中间状态，切断工作油路，系统中的各元件均恢复原位状态，滑台停于原位，一个工作循环结束。

五、设计要求

1．电力拖动控制要求

（1）两台铣削动力头分别由两台笼型异步电动机拖动，单向旋转，无须电气变速和停机制动控制，但要求铣刀能进行点动对刀。

（2）液压泵电动机弟向旋转，机床完成一次半自动工作循环后按下总停机按钮时才停机。

（3）加工到终点，动力头完全停止后，滑台才能快速退回。

（4）液压动力滑台前进、后退能点动调整。

（5）电磁铁1YV 、2YV 采用直流供电。

（6）机床具有照明、保护和调整环节。

2．电动机控制电路 1M 为液压泵电动机，操作按钮2SB 或1SB ，使1KM 得

电或失电，控制电动机起动或停止。

1SA 为机床半自动工作与调整工作的选择开关。1SA 开关置于A 位置时机床实现半自动工作，左、右铣削动力头酌电动机2M 与3M 分别由滑台移动到位，压下行程开关2SQ 与3SQ ，使2KM 、3KM 得电并自锁，2M 、3M 分别起动工作。加工到终点时，滑台压下终点行程开关4SQ ，使2KM 、3KM 断电，两动力头停转。

3．液压动力滑台控制 液压泵电动机1M 起动工作后，按下按钮3SB ，继电器1KA 得电并自锁，电磁铁1YV 得电，控制液压滑台快速趋近，至滑台压下行程阀，滑台转为工作进给速度进给。工作进给至终点，死挡铁停留，进油路油压升高，到压力继电器KP 动作。1KA 失电，电磁铁1YV 失电，同时2KA 得电，电磁铁2YV 得电，滑台快速退回到原位，压下原位行程开关1SQ ，2KA 失电，2YV 失电，滑台停在原位，一个工作循环结束。

4．照明电路 机床照明灯EL 通过控制变压器1T 降压为24V ，由开关2SA 控制。

5．保护与调整环节 熔断器1FU 实现对电动机1M 、变压器1T 、2T 一次侧短路保护。2FU 实现对电动机2M 、3M 短路保护。3FU 实现对控制电路短路保护。4FU 实现对照明电路短路保护。5FU 实现对电磁铁线圈电路短路保护。

三台电动机的过载保护分别由1KR 、2KR 、3KR 热继电器实现。为了保护刀具与工件安全，当其中一台电动机过载时，要求其余两台电动机均应停止工作。因此，熟继电器的常闭触点均应接在控制电路的总电路中。

组合机床是由通用部件和专用部件组成。组合机床在整机的安装、调试过程中，希望各部件能灵活方便地进行单独调试，而不影响其它部件。因此，控制电路应具有对自动加工与调整工作状态的控制作用。

左、右动力头调整点动对刀时，通过操作转换开关1SA 于调整位置M ，分别按下按钮7SB 、8SB 实现左、右动力头点动对刀的调整。

液压动力滑台前进、后退的调整是将1SA 开关置于M 位置，切断2KM 、3KM 线圈电路，使滑台移动到2SQ 、3SQ 位置时，左、右铣削动力头不应起动工作。按下点动按钮5SB 、6SB ，分别使1KA 、2KA 得电，获得滑台前进与后退的点动调整工作。

六、继电器-接触器控制线路的设计

（一）选用控制线路的设计方法

控制线路的设计大体可分为二种，分别为经验设计法和逻辑设计法

1 经验设计法的基本步骤

（1）收集分析国内外现有同类设备的相关资料，使所设计的控制系统合理，满足设计要求。

（2）控制线路设计，一般的机床控制线路设计包括主电路，控制电路和辅助电路的设计。

首先进行主电路设计：主要是考虑从电源到执行元件（例如电动机）

之间的线路设计。

然后进行控制线路设计：主要考虑如何满足电动机的各种运动功能及

生产工艺要求，包括实现加工过程自动化或半自动化的控制等，也就

是完成正确地“选择”和有机地“组合”的任务；

最后考虑如何完善整个控制电路的设计，各种保护，联琐以及信号，

照明等辅助电路的设计。

（3）全面检查所设计电路，有条件时，可以进行模拟试验，以进一步完善设计。

2 经验设计法的基本特点

（1）设计过程是逐步完善的，一般不易获得最佳的设计方案。但该方法简单易行，应用很广。

（2）需反复修改，这样会影响设计速度。

（3）需要一定的经验，设计中往往会因考虑不周而影响电路的可靠性。

（4）一般需要进行模拟试验。

3 逻辑设计法的基本概念

逻辑设计法，主要是根据生产工艺的要求（工作循环，液压系统图等），将控制线路中的接触器，继电器线圈的通电与断电，触点的闭合与断开，以及主令元件的接通和断开等看成逻辑变量，并将这些逻辑变量关系表示为逻辑函数的关系式，再运用逻辑函数基本公式和运算规律，对逻辑函数式进行简化，然后根据简化的逻辑函数式画出相应的线路原理图，最后再进一步检查，化简和完善，以期获得既满足工艺要求，又经济合理的最佳设计方案。

4 逻辑设计法的一般步骤

（1）按工艺要求作出工作循环图。

（2）确定执行元件与检测元件，并作出执行元件节拍表和检测元件状态表。

（3）根据检测元件状态表写出各程序的特征数，并确定分组，设置中间记忆元件，各分组所有程序能区分开。

（4）列写中间记忆元件开关函数及其执行元件动作逻辑函数表达式，并画出相应的电路图。

（5）对按逻辑函数表达式画出的控制逻辑电路图进行检查，化简和完善。

逻辑设计法与经验设计法相比，采用逻辑设计的电路较为合理，能节省所用元件的数量，能获得某种逻辑功能的最简电路，但是逻辑

设计法整个设计过程较为复杂，对于一些复杂的控制要求，还必须设

计许多新的条件，同时对电路竞争问题也较难处理。因此，在一般的

电器控制线路设计中，逻辑设计法仅为经验设计法的辅助和补充。（二）继电器——接触器控制线路

通过上面的分析，对于线路的设计我们采用的是经验设计法。其控制线路设计图如下：

（三）一些低压电器的选择

在设备电气控制线路中，为了满足生产工艺及电力拖动的需要，电动机要经常地起动、制动、改变运动方向、调节转速；当电路发生过载、短路、欠压或失压等情况时，控制电路的保护环节还应当自动切断电路，保护线路和设备。所有这些要求都需要借助于电器来完成。

由于各类电器在设备电气控制系统中所处的位置和所起的作用不同，其因此选用的方法也不尽相同。生产机械常用低压电器的选择，主

要依据是电器产品目录上的各项指标或数据。正确合理地选择低压电器

是电气系统安全运行、可靠工作的保证。

对于电气元件的选择，在选择时我们应注意以下几点：（1）根据对控制元件功能的要求，确定电气元件功能的要求，确定电气元件类型。如继电器与接触器，当元件用于通，断功率较大的主电

路时，应选择交流接触器；若元件用于切换功率较小的电路（如控

制电路）时，则应选择中间继电器；若伴有延时要求时，则应选用

时间继电器。

（2）根据电气控制的电压，电流及功率的大小来确定元件的规格，满足元器件的负载能力及使用寿命。

（3）掌握元器件预期的工作环境及供应情况，如防油，防尘，货源等。

（4）为了保证一定的可靠性，采用相应的降额系数，并进行一些必要的技术和校核。

1 按钮

按钮通常是用来短时间接通或断开小电流控制电路的开关。

目前按钮在结构上有多种形式：旋钮式——手动旋转进行操作；指示灯——按钮内装入了信号指示灯；紧急式——装有蘑菇形式旋帽，用

于紧急操作；等等。一般来说，停止按钮采用红色。按钮主要根据所需

要的触点数，使用场合及颜色来选择。

2 低压开关

低压开关主要包括如下几种。

1）刀开关

刀开关主要用于接通或切断长期改组设备的电源。一般刀开关的额定电压不超过500V额定电流为10A到上千安多种等级。有些刀开关附

有熔断器。不带熔断器式刀开关主要有HD型及HS型，带熔断器式开关

有HK，HR3系列等。刀开关主要根据电源种类，电压等级，电动机容量，

所需极数及使用场来选择。

2）组合开关

组合开关主要是作为电源引入开关，所以也称电源隔离开关。它可以启停5KW以下的异步电动机，但每小时的接通次数不宜超过10次，

开关的额定电流一般取电动机额定电流的1.5~2.5倍。

组合开关主要根据电源种类，电压等级，所需触点数及电动机容量进行选用。常用的组合开关为HZ-10系列，额定电流10A，25A，60A

和100A四种，适用于交流电压380V以下，支流电压220V以下的电气

设备中。

3）限位开关（行程开关）

限位开关是依据生产机械运动的行程位置而动作的小电流开关。它的选用主要根据机械位置对开关形式的要求，对触点数目，电压种类，

电压与电流等级的要求来确定。机床常用的有LX2型，LX19型，JLXK1

型，LXW11型和JLXK-111型微动开关等。对于要求动作快，灵敏度高的

行程控制，可采用接近开关。接近开关也称为无触点限位开关，它是通

过运动部件引起的电磁场变化而动作的。接近开关寿命长，可靠性好，

但精度和价格不如限位开关。

4）自动开关

自动开关又称自动空气断路器，自动开关在压力机上应用的很广泛。这是因为自动开关既接通或分断正常工作电流，也能自动分断过载

或短路电流，分断能力强，有欠压和过载短路保护作用。

选择自动开关应考虑其主要技术参数：额定电压，额定电流和允许切断的极限电流等。自动开关拖扣器的额定电流应等于或大于负载允许

的长期平均电流；自动开关的极限分断能力要大于，至少要等于电路最

大短路电流；自动开关拖扣器电流整定应按下面的原则：欠电压拖扣器

额定电压等于主电路等于主电路额定电压；热拖扣器的整定电流与被控

对象（负载）额定电流相等；电磁拖扣器的瞬时拖扣器整定电流应大于

负载正常工作时的尖峰电流；保护电动机时，电磁拖扣器的瞬时拖扣电

流为电动机启动电流的1.7倍。

3 接触器的选用

选择接触器主要依据以下数据：电源种类（直流或交流）；主触点额定电流；辅助触点的种类、数量和触点的额定电流；电磁线圈的电源种类、频率和额定电压；额定操作频率等。机床用的最多的是交流接触器。

交流接触器的选择主要考虑主触点的额定电流、额定电压、线圈电压等。

交流接触器主触点的额定电压一般按高于线路额定电压来确定。

根据控制回路的电压决定接触器的线圈电压。为保证安全，一般接触器吸引线圈选择较低的电压。但如果在控制线路比较简单的情况下，为了省去变压器，可选用380V电压。值得注意的是，接触器产品系列是按使用类别设计的，所以要根据接触器负担的工作任务来选用相应的产品系列。

接触器辅助触点的数量、种类满足线路的需要。

4 继电器的选用

1）一般继电器的选用

一般继电器是指具有相同电磁系统的继电器，又称电磁继电器。选用时，除满足继电器线圈电压或线圈电流的要求外，还应按照控制需要

分别选用过电流继电器、欠电流继电器、过电压继电器、欠电压继电器

中间继电器等。另外电压、电流继电器还有交流、直流之分，选择时也

应当注意。

2）时间继电器的选择

时间继电器是压力机控制线路中常用电器之一。它的类型有：电磁式，空气阻尼式，电动式及电子式等。用的较多的是空气阻尼式时间继

电器，它的特点是工作可靠，结构简单，延时整定范围较宽（可达0.4s～

180s）

时间继电器型式多样，各具特点，选择时应从以下几方面考虑。

(1) 根据控制线路的要求来选择延时方式，即通电延时型或断电延时型。

(2) 根据延时准确度要求和延时时间的长短来选择。

(3) 根据使用场合、工作环境选择合适的时间继电器。

3）热继电器的选择

热继电器的选择应按电动机的工作环境、起动情况、负载性质等因素来考虑。一方面要充分发挥电动机的过载能力，另一方面，对电动机在

短时过载与起动瞬间不受影响。

热继电器结构形式的选择。星形连接的电动机可以选择两相或三相结构的热继电器，三角形连接的电动机应当选择带断相保护装置的三相结构

热继电器。

热元件选好后，还需根据电动机的额定电流来调整它的整定值。

根据以上步骤及参考资料的查找，制定了本课程设计中继电器元件表。（见表2）

表2 组合机床电气元件表

符号名称型号规格数量

M1 液压泵电动机JO2-21-4 1.1KW 380V

1410 r/min

1

M2 左铣削动力头电

动机

TX40

7.5KW 380V

300r/min

1

M3 右铣削动力头电

动机

TX40

7.5KW 380V

300r/min

1

SA1、SA2 转换开关HZ1-2/3 三极 380V 2A 3 SQ 行程开关LXW18三极 380V 25A 4 KM 交流接触器CJ10-40 40A 线圈电压127V 3 KA 交流中间接触器JZ7-44 5A 线圈电压127V 2 FU1 熔断器RL1-15 500V 熔体10A 3 FU2 熔断器RL1-15 500V 熔体2A 3 FU3、FU4 熔断器RL1-15 500V 熔体2A 2 FU5 熔断器RL1-15 500V 熔体5A 1

KR 热继电器JR0-40 额定电流25A 整定电流

19.9A

3

T1 T2 控制变压器BK-100

100VA

380V/127-36-6.3V

2

SB1 控制按钮LA10 红色 1 SB2-SB8 控制按钮LA10 黑色7

七、可编程控制器PLC控制系统的设计

在设计可编程控制器系统时，应遵循以下基本原则。

1）最大限速地满足控制要求

充分发挥可编程控制器功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计中最重要的一条原则。设计人员要深入现场进行调查研究，收集资料。同时要注意和现场工程管理和技术人员及操作人员紧密配合，共同解决重点问题和疑难问题。

2）保证系统安全可靠

保证可编程控制器控制系统能够长期安全，可靠，稳定运行，是设计控制系统的重要原则。

3）力求简单，经济，使用与维修方便

在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断扩大工程的效益，另一方面也要注意不断降低工程的成本，不宜盲目追求自动化和高指标。

3）适应发展的需要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。

八、设计总结

在吴老师的悉心指导和组员们的共同努力下，我们终于顺利完成了本次课程设计，感谢吴老师的指导和同学们的热心帮助。我通过这次课程设计，使我对继电器、控制器、PLC有了进一补的了解。课堂上的知识为此次课程设计提供了正确的理论指导，而实践中遇到的问题又进一步加深和巩固了我们的知识，不但对机器控制系统的工作原理和特点有了深入认识，而且对各类元器件的作用及选用也进行了仔细研究。最重要的是我们体会到了集体的力量，学会了集中团队力量解决问题，培养了一定的团队意识。总之，此次课程设计使我们获益匪浅。

通过这次课程设计，我们学到了很多，也得到了不少设计经验，然而，我们同时也深深感到自己知识上的不足，无论在查阅资料及处理资料信息还是在设计过程中都遇到了一些问题，这些暴露出来的问题是我们清楚地看到了自己的缺点。今后我们将及时纠正错误，努力学习，全面提升自己的知识水平。

九、参考文献

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