机床电气控制课程设计

机床电气控制课程设计 Document number：WTWYT-WYWY-BTGTT-YTTYU-2018GT

机床电气控制技术课程设计

设计说明书

组合机床电气控制课程设计起止日期： 2012 年 6 月 18 日至 2012 年 6 月 22 日学生姓名秦锴

班级机械设计093

学号

成绩

指导教师(签字) 孙晓

机械工程学院（部）

2012年6月22日

目录

一、设计概述

1 . 1组合机床的发展史

二十世纪70年代以来，随着可转位刀具、密齿铣刀、镗孔尺寸自动检测和刀具自动补偿技术的发展，组合机床的加工精度也有所提高。铣削平面的平面度可达0.05毫米/1000毫米，表面粗糙度可低达～微米；镗孔精度可达IT7～6级，孔距精度可达～微米。专用机床是随着汽车工业的兴起而发展起来的。在专用机床中某些部件因重复使用，逐步发展成为通用部件，因而产生了组合机床。

最早的组合机床是1911年在美国制成的，用于加工汽车零件。初期，各机床制造厂都有各自的通用部件标准。为了提高不同制造厂的通用部件的互换性，便于用户使用和维修，1953年美国福特汽车公司和通用汽车公司与美国机床制造厂协商，确定了组合机床通用部件标准化的原则，即严格规定各部件间的联系尺寸，但对部件结构未作规定。

1 . 2组合机床加工方式

组合机床一般采用多轴、多刀、多工序、多面或多工位同时加工的方式，生产效率比通用机床高几倍至几十倍。由于通用部件已经标准化和系列化，可根据需要灵活配置，能缩短设计和制造周期。因此，组合机床兼有低成本和高效率的优点，在大批、大量生产中得到广泛应用，并可用以组成自动生产线。

组合机床一般用于加工箱体类或特殊形状的零件。加工时，工件一般不旋转，由刀具的旋转运动和刀具与工件的相对进给运动，来实现钻孔。扩孔、铰孔、镗孔、铣

削平面、切削内外螺纹以及加工外圆和端面等。有的组合机床采用车削头夹持工件使之旋转，由刀具作进给运动，也可实现某些回转类零件的外圆和端面的加工。

1 . 3设计要求

要求如下：

1）能按照本组最终要求合理设计继电器电气原理图，PLC电气原理图，再做成控制板，最后连线试验。

2）要求上交1份设计说明书，2张图纸，测试结果。

二、组合机床的电气控制线路设计

2.1选择并确定控制方案

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。它的电气控制线路是将各个部件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、攻螺纹、铣削及磨削等工序。组合机床用于大批量生产。

组合机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的作用。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气控制线路也随着更新换代，目前主要有以下两种：

1、机械动力滑台控制线路

机械动力滑台和液压动力滑台都是完成进给运动的动力部件，两者区别仅在于进给的驱动方式不同。动力滑台与动力头相比较，前者配置成的组合机床较动力头更为灵活。在动力头上只能安装多轴箱，而动力滑台还可以安装各种切削头组成的动力头，用来组成卧式、立式组合机床，以完成钻、扩、铰、镗、刮端面、倒角和攻螺纹等工序，安装分级进给装置后，也可用来钻深孔。一般机械动力滑台由滑台、机械滑座及双电动机（快速电动机和进给电动机）传动装置三部分组成。滑台进给运动的自动循环是通过传动装置将动力传递给丝杆来实现的。

2、液压动力滑台控制线路

液压动力滑台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的借助压力油通过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。滑台的工进速度是通过调整节流调速阀进行无级调速的。电气控制一般采用行程原则、时间原则控制方式及压力控制方式。

组合机床电气控制系统总的特点，是它的基本电路可根据通用部件的典型控制电路和一些基本控制环节组成，再按加工、操作要求以及自动循环过程，无须或只要作少量修改综合而成。

本设计分析对象是由一个液压动力滑台和两个铣削动力头来实现两面加工的组合机床电气控制电路。

2.2确定机床的工作循环

组合相床由底座、床身、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2-1所示。组合机床的工作循环如图2-2所示。

1—左电动机；2—左变速箱；3—液压缸；4—右变速箱；5—右电动机；6—滑台；

7—工件；8—夹具；9—机座

图2-1 组合机床结构示意图

图2-2 组合相床工作循环图

加工时，工件随夹具安装在液压动力滑台上，当发出加工指令后，工作台作快速进给，工作接近动力头时，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原位并停止，工作循环结束。

2.3确定液压动力滑台系统的工作过程

图2-3 液压动力滑台的液压系统图

液压系统工作过程如下：（元件动作见表2—1）

（1）快速趋进

液压泵电动机启动后，按下SB3按钮发出滑台快速移动信号，KA1吸合，电磁铁YV1得电，三位五通电磁阀向右移，控制油路开通，控制三位五通液控换向阀向右移，接通工作油路，压力经过行程阀进入液压缸大腔，而小腔内回油经过三位五通液控换向阀、单向阀、行程阀再进入大腔，液压缸体、滑台、工件向前快速移动。

（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，切断压力油通路，此时压力油只能通过调速阀进入液压缸大腔，减少进油量，降低滑台移动速度，滑台转为工进进给。此时由于负载增加，工作油路油压升高，顺序阀打开，液压缸小腔的回油不再经单向阀流入液压缸大腔，而是经顺序阀流回油箱。

（3）死挡铁停留

液压动力滑台工作进给结束时（铣削加工完成），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）快速退回停于原位

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，三位五通电磁阀左移，控制油控制阀左移，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、三位五通液控换向阀无阻挡地流回油箱。工作台快速退回原位时，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，系统中各元件均恢复原位状态，滑台停于原位，一个工作循环结束。

2.4机床电气传动的特点及控制要求

（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）液压泵电动机单向旋转，机床完成一次半自动工作循环后，液压泵电动机不停机，当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YV1、YV2采用直流供电。

（6）机床具有照明、保护和调整环节。

2.5机床电气控制线路设计

（1）电动机控制电路

M为液压泵电动机，操作按钮SB2或SB1，使KM1得电或失电，控制电动机启动1

或停止。机床所有的操作都必须在液压泵电动机启动以后进行。SA1为机床半自动工作与调整工作的选择开关。SA1开关置于A位置时机床实现半自动工作，左、右铣削动力头的电动机M2与M3分别由滑台移动到位，压下行程开关SQ2与SQ3，使KM2、KM3得电并自锁，M2、M3分别启动工作。加工到终点时，滑台压下终点行程开关

SQ4，使KM2、KM3断电，两动力头停转。

（2）液压动力滑台控制

液压泵电动机启动工作后，按下按钮SB3，继电器KA1得电并自锁，电磁铁YV1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。KA1失电，电磁铁YV1失电，同时KA2得电，电磁铁YV2得电，滑台快速退回到原位，压下原位行程开关SQ1，KA2失电，YV2失电，滑台停在原位，一个工作循环结束。

（3）照明电路

机床照明灯EL通过控制变压器T1降压为24V，由开关SA2控制。

（4）保护与调整环节

熔断器FU1用于对电动机M1，变压器T1、T2一次侧进行短路保护；FU2用于对电动机M2、M3短路保护，FU3用于对电磁铁线圈电路短路保护，FU4用于对控制电路短路保护，FU5用于对照明电路短路保护。

三台电动机的过载保护分别由FR1、FR2、FR3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，热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SA1于调整位置M，分别按下按钮SB7、SB8，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SA1开关置于M位置，切断KM2、KM3线圈电路，使滑台移动到SQ2、SQ3位置时，左、右铣削动力头不应起动工作。按下点动按钮SB5、SB6，分别使KA1、KA2得电，获得滑台前进与后退的点动调整工作。

（5）绘制电气控制原理图

根据各局部线路之间的相互关系和电气保护线路，完成电气控制原理图，如图1

所示。

图1 电气控制原理图

2.6选择电气元件

2.6.1电动机M1、M2、M3的选择

合理地选择电动机是指从驱动机床的具体对象、加工规范，也就是要从机床的使用条件出发，即从经济、合理、安全等多方面考虑，使电动机能够安全可靠地运行。

在机床中，现阶段Y系列电动机具有高效，节能，性能好，振动小，噪声小，寿命长，可靠性高，维护方便，启动转矩大等优点而得到广泛的应用。

考虑到以上情况，所以选择液压泵电动机M1的型号为Y160M—4，额定功率为

11kW，额定电压为380V ，额定电流为22.6A，额定转速为1460r/min。

选择左、右动力头电动机M2、M3的型号为Y90L—4，额定功率为，额定电压为380V ，额定电流为3.7A，额定转速为1400r/min。

2.6.2电源引入开关的选择

开关选用原则：

（1）开关的额定工作电压≥线路额定电压；

（2）开关的额定电流≥线路负载电流；

（3）有热继电器装置的开关，其热继电器整定电流应当与所控制负载额定电流一致；

（4）有电磁继电器装置的开关，其电磁继电器瞬时整定电流应不小于负载电路正常工作峰值电流；

（5）有欠电压继电器装置的开关，其欠电压继电器额定电压就不小于线路额定电压。

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，为三级组合开关。

2.6.3热继电器的选择

热继电器的选用原则：

（1）用做断相保护时，对Y接法应使用一般不带断相保护装置的两相或三相热继电器。对△接法应使用带断相保护装置的继电器。

（2）用做长期工作保护或间断长期保护时，根据电动机启动时间，选取6倍的额定电流（6I N）以下具有可返回时间的热继电器。其额定电流或热元件整定电流应等于或大于电动机或被保护电路的额定电流。继电器热元件的整定值一般为电动机或被保护电路额定电流的1～倍。

液压泵电动机M1的额定电流为22.6A，所以FR1应选用JR20—25，元件号3T 型热继电器，热元件电流为25A，整定电流调节范围为17~21~25A，工作时将额定带暖流调整为22.6A。

同理，FR2、FR3应选用JR20—10型,热元件号为10R的热继电器，热元件电流为4A，整定电流调节范围为~4~4.8A，工作时将额定电流调整为3.7A。

2.6.4压力继电器KP

选用原则是：根据被控制电路的电压等级，所需触点数量、种类和容量等要求来选择，应选用JZ7—44型中间继电器作为压力继电器，额定电流5A。

2.6.5 中间继电器的选择

选用原则是：根据被控制电路的电压等级，所需触点数量、种类和容量等要求来选择。

应选用JZ7—44型中间继电器，额定电流5A 。

2.6.6 熔断器的选择

熔断器的选用原则：

（1）熔断器的额定电压应符合电动机的运行电压。

（2）熔断器的额定电流应大于电动机回路长期通过的最大电流。 （3）熔断器的极限断路电流应大于流过电路的最大短路电流。

（4）熔断器的保护特性必须与保护对象的过载特性有良好的配合，使其在整个曲线范围内获得可靠的保护。

熔断器熔体的选用原则：对负载电流比较平稳，没有冲击电流的短路保护，熔体额定电流等于或稍大于负载工作电流；

a. 单台直接启动电动机：熔体额定电流=（～）×电动机额定电流；

b. 多台直接启动电动机：熔体额定电流=（～）×各台电动机电流之和。 FU 1用于对电动机M 1，变压器T 2、T 3一次侧进行短路保护。其熔体电流为

A I R 2.45≥，查阅《电工手册》，常用螺旋式熔断产品型号以及主要技术参数，可选

用RL1—60型熔断器，配50A 的熔体。

FU 2用于对电动机M2、M3短路保护。其熔体电流为A I R 84.115

.27

.377.3=+?≥

，

查阅《电工手册》，常用螺旋式熔断产品型号以及主要技术参数，可选用RL1—15型熔断器，配15A 的熔体。

FU 3用于对控制电路短路保护，FU 4用于对照明电路短路保护，FU 5用于对电磁铁线圈电路短路保护。可选用RL1—15型熔断器，配4A 的熔体。

2.6.7 接触器的选择

接触器的选用主要考虑以下技术参数： （1）电源种类：交流或者直流。

（2）主触点额定电压，额定电流。

（3）辅助触点种类，数量以及触点额定电压。 （4）电磁线圈的电源种类，频率和额定电压。

（5）额定的操作频率，即允许的每小时接通的最多次数。

综上所述，参考《电工手册》，接触器KM1，根据液压泵电动机M1的额定电流22.6A ，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CJ16—25型接触器，电磁线圈电压为127V 。

由于M2、M3电动机额定电流比较小，M2、M3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，对小容量的电动机常用中间继电器充任接触器。

2.6.8 控制变压器的选择

变压器最大负载时KM1、KM2及KM3同时工作，根据《机床电气可控制技术》教材，式（4—9）得

由式（4—10）得:VA P P P sT xc b 9.24115.1146.05.16.0=?+?=+≥∑∑ 可知变压器的容量应大于，考虑到照明灯等其他电器容量，可选用BK —100型变压器，电压等级为380V/，可满足辅助回路的各种电压需要。

2.6.9 行程开关的选择

行程开关的一般选用原则是：

（1）根据使用场合及控制对象选用种类； （2）根据安装环境选用防护形式；

（3）根据控制回路的额定电压和额定电流选用系列；

（4）根据机械与行程开关的传动与位移关系选用合适的操作头形式。 查阅《电工手册》, JLXK1系列行程开关具有瞬时换接动作机构，适用于交流50HZ ，电压到380V 及直流电压到220V 的电路中，作为机床的自动控制，限制运动机构动作以及程序控制用。

综上所述，所以SQ1、SQ4应选JLXK1—111（单轮）型行程开关，其额定电压为380V ，约定发热电流为5A 。

SQ2、SQ3应选JLXK1—311（直动不带轮）型行程开关，其额定电压为AC380V, DC220V，约定发热电流为5A。

2.6.10控制开关的选择

按钮开关的一般选用原则是：

（1）根据使用场合选用按钮开关的种类；

（2）根据用途选用合适的形式；

（3）根据控制回路需要，确定不同按钮数；

（4）按工作状态指示和工作情况要求，选用按钮和指示灯的颜色。

所以SB1、SB5、SB6应选LA10—1型按钮开关，颜色为红色。

SB2、SB3、SB4、SB7、SB8应选应选LA10—1型按钮开关，颜色为黑色。

2.7制定电动机和电气元件明细表

电气元件明细表要注明各元器件的型号、规格及数量等，见表2—2。

三、组合机床的可编程控制器控制系统的设

计

3.1设计可编程控制器系统遵循的基本原则

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。

4. 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。

3.2工艺要求及动作流程

（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）液压泵电动机单向旋转，机床完成一次半自动工作循环后，液压泵电动机不停机，当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YV1、YV2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

M1为液压泵电动机，操作按钮SB2或SB1，使KM1得电或失电，控制电动机启动或停止。机床所有的操作都必须在液压泵电动机启动以后进行。SA1为机床半自动工作与调整工作的选择开关。SA1开关置于A位置时机床实现半自动工作，左、右铣削动力头的电动机M2与M3分别由滑台移动到位，压下行程开关SQ2与SQ3，使KM2、KM3得电并自锁，M2、M3分别启动工作。加工到终点时，滑台压下终点行程开关

SQ4，使KM2、KM3断电，两动力头停转。

（3）液压动力滑台控制

液压泵电动机启动工作后，按下按钮SB3，继电器KA1得电并自锁，电磁铁YV1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。KA1失电，电磁铁YV1失电，同时KA2得电，电磁铁YV2得电，滑台快速退回到原位，压下原位行程开关SQ1，KA2失电，YV2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T1降压为24V，由开关SA2控制。

（5）保护与调整环节

熔断器FU1用于对电动机M1，变压器T1、T2一次侧进行短路保护。FU2用于对电动机M2、M3短路保护，FU3用于对控制电路短路保护，FU4用于对照明电路短路保护，FU5用于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FR1、FR2、FR3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，热继电器的常闭触点均应接在控制电路的总电路中。

左、右动力头调整点动对刀时，通过操作转换开关SA1于调整位置M，分别按下按钮SB7、SB8，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SA1开关置于M位置，切断KM2、KM3线圈电路，使滑台移动到SQ2、SQ3位置时，左、右铣削动力头不应起动工作。按下点动按钮SB5、SB6，分别使KA1、KA2得电，获得滑台前进与后退的点动调整工作。

3.3 PLC选型

本系统有输入信号15个，输出信号10个，均为开关量。根据I/O数量、类型及控制要求，同时考虑到维护、改造和经济性等诸多因素，可以选择FX2N-32MR，这样共有16个输入点、16个输出点，可以满足控制要求。

3.4 I/O点地址编号及硬件接线

将输入信号、输出信号按功能类型分配，与PLC的I/O端一一对应连接。见附录一。

将输入信号、输出信号按功能类型分配，与PLC的I/O端一一对应连接。

表3-1 输入/输出设备与PLC的I/O地址分配表

图3-1 PLC与I/O端的分配图

3.5软件编制

根据系统要求可知，当系统开始运行时，组合机床处于复原状态，用启动脉冲M8002直接使程序进入等待状态，M0常开触点闭合。当液压泵电动机启动后，系统进入下降状态，开始系统要求的功能。

电动机控制电路、液压动力滑台控制和照明电路能同时进行工作。机床能够选择半自动工作和点动调节

图3-2 PLC程序控制流程图（自动）图3-3 手动挡的梯形图