全自动双面铣床的电气控制系统设计-----课程设计

`序号（学号）：

课程设计说明书

课程名称机电控制系统设计

教学院机电工程学院

专业机械制造与自动化

班级

姓名

指导教师

2011 年月日

目录

一、任务书 (1)

二、正文 (4)

1.课程设计主要目的 (4)

2.机电传动控制概述 (4)

3.总体设计 (5)

3.1 控制要求的分析 (5)

3.2液压控制回路中电磁阀被控逻辑表达式 (5)

3.3继电器接触器和PLC控制的解决方法 (6)

4.继电器接触器控制系统设计 (6)

4.1原理图 (6)

4.1.1 主电路 (7)

4.1.2 控制电路 (7)

1、电机控制回路 (7)

2、液压控制回路 (8)

4.1.3 照明显示 (9)

4.2接线图 (10)

4.3元件选型 (10)

1、电动机的选型 (10)

2、熔断器的选型 (11)

3、整流器的选型 (11)

4、热继电器的选型 (12)

5、交流接触器、中间继电器与时间继电器的选型 (12)

6、压力继电器与电磁阀的选型 (12)

7、照明与显示灯的选型 (12)

8、变压器的选型 (12)

9、按钮及刀开关的选型 (12)

5. PLC控制系统设计………………………………………………………………

13小结 (17)

一．任务书

2011～2012学年第1学期

课程设计任务书

设计名称：全自动双面铣床的

电气控制系统设计班级：0 地点：

（一）、课程设计目的

本课程是机械设计制造与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。

（二）、课程设计内容（含技术指标）

1．机床概况：

本机为专用千斤顶油缸两端面的加工，采用装在动力滑台上的左、右两个动力头（电机均为3KW）同时进行切削。动力头的快进、工进及快退由液压油缸驱动。液压系统采用两位四通电磁阀控制，并用死挡铁方法实现位置控制。

液压系统的油泵电机370W，由电磁阀（YV1-YV5）控制，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) - - - - - 2．动作程序如下：

（1）零件定位。人工将零件装入夹具后，定位油缸动力定位以保证零件的加工尺寸。

（2）零件夹紧。零件定位后，夹紧油缸动作使零件固定在夹具内，同时定位油缸退出以保证滑台入位。

（3）滑台入位。滑台带动夹具一起快速进入加工位置

（4）加工零件。左右动力头进行两端面切削加工，动力头到达加工终点，即停止工进，快速退回原位，动力头停转并能耗制动。

（5）滑台复位。左右动力头退回原位后滑台复位

（6）夹具松开。当滑台复位后夹具松开，取出零件。

3．设计要求：

（1）动力头为单向运转，停车采用能耗制动

（2）只有在油泵工作，油压达到一定的压力后（由油压继电器控制）才能进行其它控制。

（3）专用机床能进行半自动循环，又能对各个动作单独进行调整

（4）应用照明及工作状态显示

（5）有必要的电报保护和联锁

（6）有电气原理图3号

（7）元件明细表

3．工作原理图

全自动双面铣工作原理

全自动双面铣液压系统图

（三）、进度安排

第1周

周一熟悉课程设计任务、计划、构思设计方案

周二逻辑设计法原理介绍，中间继电器、执行电器逻辑表达式，电气原理图，电气工作过程表

周三主电路原理图设计。

周四电机控制原理及线路图设计。

周五电机控制原理及线路图设计。

第2周

周一元件选用说明及元件明细表说明

周二元件选用说明及元件明细表说明

周三电气接线图设计

周四电气接线图设计

周五完成继电器接触器控制设计小结

第3周

周一熟悉PLC设计任务、计划、构思设计方案

周二 PLC选型，PLC硬件线图设计。

周三 PLC软件梯形图设计

周四 PLC软件调试，完成课程设计说明书

周五课程设计答辩，完成课程设计小结

（四）、基本要求

通过本课程设计的实验教学有计划的培养和训练，应达到以下诸方面的要求。

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.能独立的完成课程设计，提高分析问题和解决问题的能力

机械电子教研室

2011年9月11日

二、正文

1.课程设计的目的

机电传动控制是机械设计制造与自动化专业的专业必修课，本课程是一门实践性很强的课程，课程设计是本课程必不可少的环节。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。

2.机电传动控制概述

机电传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，保证生产过程正常进行。

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，称之为机电传动控制。

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，则专指控制电动机驱动生产机械，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用。随着生产工艺的发展，对机电传动控制系统提出的要求愈来愈高。

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：多电机拖动（不同电机成组拖动、单电机拖动、由单独电机拖动）。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、计算机数字控制（PLC）、电力功率晶体管控制、磁放大器控制。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。

3、总体设计

3.1控制要求的分析

任务书中控制要求有：

1、动力头为单向运转，停车采用能耗制动

2、只有在油泵工作，油压达到一定的压力后（由油压继电器控制）才能进行其它控制。

3、专用机床能进行半自动循环，又能对各个动作单独进行调整

4、应用照明及工作状态显示

5、有必要的电报保护和联锁

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。

3.2液压控制回路中电磁阀被控逻辑表达式

3.3继电器接触器和PLC控制的解决方法

继电器接触器控制系统：

1、控制方式：继电器的控制是采用硬件接线实现的，是利用继电器机械触点的串联或并联极延时继电器的滞后动作等组合形成控制逻辑，只能完成既定的逻辑控制。

2、控制速度：继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，毫秒级，机械触点有抖动现象。

3、延时控制：靠时间继电器的滞后动作实现延时控制，而时间继电器定时精度不高，受环境影响大，调整时间困难。

PLC控制系统：

1、控制方式：PLC采用存储逻辑，其控制逻辑是以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可，称软接线。

2、控制速度：PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制，速度快，微秒级，严格同步，无抖动。

3、延时控制：PLC用半导体集成电路作定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，调整时间方便，不受环境影响

综上所述：采用继电器接触器控制价格低，检修调整方便，简单。设备质量相对大，安装空间大，适用于控制系统简单，时间控制要求不高的场合。采用PLC 控制价格贵，接线简单，可靠，结构紧凑体积小，适用于控制结构复杂，安装空间小，控制速度高，时间控制要求精确的场合。对于双面铣的控制系统由于有不同的经济条件和加工条件，所以将两种解决方案都设计解决如下。

4.继电器接触器控制系统设计

在继电器接触器控制系统设计中，我们主要完成三部分内容：原理图、元器件选型、接线图的设计。

这三部分内容是整个设计的核心部分，通过这部分，我们得出了整个设计的结果：两张A3图纸，一张元器件明细表。（见附录）

4.1 原理图

在原理图的设计部分，我们将其分为3大模块进行分工设计。其中包括有主电路模块的设计、控制电路模块的设计与照明电路模块的设计三部分。

而在控制电路模块中，我们将其又分为电机控制电路与液压控制回路两部分。照明回路中主要包括有照明与显示电路部分。

4.1.1 主电路

主电路的设计中主要应满足一下几点要求：

1、动力头电机应实现能耗制动；

2、动力头电机、液泵电机两者应分开接向主电源，并由不同的接触器控制；

3、两种电机均应实现短路保护(过流保护)与过热保护中间加一个继电器与熔断器；

4、电源处应有一个总闸控制电源的关断，设置为空气开关。具体电路图如下：

图1. 主回路电路设计图

对于要求（1），将左右动力头的两电机接在同一个接触器上进行控制，然后在接触器的首位接上一个可控的直流电源（由变压器和整流桥组成）来实现。对于要求（2），选用三个接触器来控制三种不同功率的电动机，并分开三个回路来控制即可。对于要求（3），选用合适的熔断器，在三个回路接向电源出接上相应的熔断器来实现短路保护；再选用合适的热继电器，在接向电动机处接如相应热继电器来实现过热保护。对于要求（4），在电源处，添加一个空气开关QF，可自动实现过载保护作用。

4.1.2 控制电路

在控制回路中，主要有两部分：电机控制回路与液压控制回路。这两部分均应接向110V交流电压，故该回路与主回路相连接时，应将主电源的L1、L3相接到变压器来降压，以提供110V的两相交流电。

1、电机控制回路

在控制电机时，为满足动力头电机的能耗制动，我们利用时间继电器来控制直流电源的延时断开。在三种电机的启停控制上，我们利用接触器的“起保停”电路来控制，我们分别加入启停按钮。而在动力头电机的停止上，我们利用联动开关来控制，以其常闭触点为停止，常开触点为直流电源的接入。这样，保证了动力头电机的停止，同时也接入了能耗制动，中间采用万能转换开关实现手动与自动控制。

具体电路图如下：

图2. 电机控制回路设计图

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) - - - - -

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。

具体电路图如下：

图3. 液压控制回路设计图

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6个按钮（SB3到SB8）来实现手动调节。

4.1.3 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36V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。

照明灯用一个旋钮开关SB控制，在需要照明时就开启，不需要照明时就关闭。

显示灯在相应的地方有标志，每一个灯代表着不同的运行过程。可以看下面的标志与灯的亮灭来判断程序。用HL1～HL12标识。

控制回路的起始端（即由变压器TC引出的3端110V、36V、6V）应设置短路保护。故在该处分别接上相合适的熔断器FU6、FU7。

具体电路图如下：

图4. 照明与显示设计图

4.2接线图

在接线图的设计上，首先对箱体内元器件进行排版：第一排为总闸、变压器与熔断器；第二排为时间继电器、交流接触器；第三排为整流桥与热继电器；第四排为中间继电器。总共4排，并在每排间安排走线槽，便于安装与维修。

然后，在箱盖上按功能将按钮与指示灯排列出来。另外对于放置在其他设备上的器件，也一同画在了接线图的左端。

在以上两部分的中间，选用一个接线端子来将其进行连接。该接线端子的作用主要是将电柜箱体内的线走出来，防止因导线杂乱而造成的事故发生。

4.3元件选型

1、电动机的选型

根据任务书中要求得知动力头电动机M1、M2的功率均为3kw，液泵电动机M3的功率为370W。而工业用电一般都为380V三相交流电，故查手册得，选择功率相近的电动机得一下结果：

M1：Y100L2—4

M2：Y100L2—4

M3：YS7124

其中，M1功率3kW，转速1500r/min；M2功率03kW，转速1500r/min；M3

功率0.37kW ，转速1400r/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：

I 1=

U P 1=380

3000≈7.9A I 2=U P 2=380

3000≈7.9A I 3=U P 3=380370≈1A 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：

R N R max N

I =(1.5 2.5)I I =(1.5 2.5)I I ???+??∑ 单支路：多支路： 故计算得：

I 1N = 16A

I 2N = 16A

I 3N = 2A

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

FU1：RL-60/25,最大熔断电流25A ；

FU2：RL-160/25,最大熔断电流25A ；

FU3：RL-15/4,最大熔断电流4A ；

FU4：RL-15/4,最大熔断电流4A ；

FU5：RL-15/4,最大熔断电流4A 。

3、整流器的选型

由电机选择可知，电机最大电流为7.9A ，取其为10A ，取整流电路电流为其最大电流的10倍，则为100A ；为此，选择整流电器元件如下：

U FM =U RM =1.41?380=535.8

U DRM ≥2U FM =2?538.5≈1000V

U RRM ≥2U FM =2?538.5≈1000V

故选择晶闸管型号为3CT 30/1000，二极管最大电压一般为晶闸管的一半，故选择其型号为2CZ 15/500.

4、热继电器的选型

根据前面算出的电动机工作电流，查手册可直接选出热继电器，得如下结果：

FR1：JR20-10，整定电流范围3～5A；

FR2：JR20-10，整定电流范围3～5A；

FR3：JR20-10，整定电流范围0.8～1.2A；

5、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4对辅助触点不超过3常开2常闭，再根据380V三相交流电的要求，查手册，可选出交流接触器为：KM1～KM5型号为CJ0—20，线圈电压为110V。对于PLC控制中KM1～KM5采用同型号，线圈电压为DC24V的接触器。

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5常开2常闭，故查手册，可选择中间继电器如下：

JZ8，6动合，2动断

根据使用要求，除开两个要求触点多的以外，其余中间继电器皆可选择同一型号的，查手册可选择：

JZX5—4，2动合，2动断；

由于动力头电动机的能耗制动时间较短，故可确定在5s的范围内。根据110V 交流电，查手册，选择时间继电器如下：

KT1～KT3：JS10-01，110V吸引线圈电压，定时时间调节范围0.4~60s。

6、压力传感器与电磁阀的选型

在整个过程中，压力继电器起到一个传感器的作用，而电磁阀在110V电压下工作，故选其电磁线圈电压应为110V，查手册可得：

压力继电器：PS6—439，额定电压110V

电磁阀：W220—50 ，110V 50Hz

（PLC控制中采用同型号，电磁线圈为DC24V）

7、照明与显示灯的选型

根据经验，一般照明灯使用的是36V交流电，故查手册得，照明灯选择型号为：PZ220—60。

在我们设计的系统中，由于在每一个指示灯的地方都有标注，所以统一选为灰色，即H1～H12，型号定为：AD1—22/212 电压6V，灰色。

8、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、36V、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。查手册，选择变压器结果如下：

TC：JBK3-2500，4变压接出头。

9、按钮及刀开关的选型

在电路控制中SB3～SB12为手动开关，故选择为黄色，SB1为定位按钮，选择绿色，SB为电机启动停止按钮，故选择绿色，SB2 为电机停止按钮，选为红色，查手册，即：

SB、SB1 ：LA2 ，绿色；

SB2 ： LA2 ，红色；

SB3~SB12：LA2 ，黄色。

电路中照明电路开关为刀闸开关，查手册得：QS：DZ20-100/3，蓝色；

而总电源开关选择的是一个空气开关QF，查手册可得：

QF ：DZ15—100，额定电流100A

在整体电路中用到了一个万能转换开关，用于手动控制与自动控制，根据要求，选择了22对触头，额定电压110V的类型，查手册可得：

QL ：LW6—H ，22对触头

SQ1~SQ6为行程开关，在电路中的功能几乎相同，故选择型号也相同，查手册可得：型号为JW2—11Z。

5.PLC控制设计

考虑到控制功能，经济性，可靠性等方面，PLC选择三菱FX1N-60MR-001 36点输入，24点继电器输出。

梯形图指令表如下：

油压保护

定位

夹紧

入位

工进

退位

复位

M1电机控制M2电机控制显示

照明

控制表如下：