切削刀架控制电路设计

切削加工刀架控制电路设计

专业：电气工程及其自动化

姓名：黄安平农永克

学号：0400120409 0400120420

指导教师：诸葛致

设计时间：7月9日至7月19日

<<电机与电器综合设计>>设计报告

目录

摘要关键字 (2)

第1章系统概述

1.1设计任务及要求 (2)

1.2系统框图及实现的原理 (3)

第2章系统单元的设计与分析

2.1 自动循环 (4)

2.2 无进给切削 (5)

2.3 快速停车 (6)

2.4 方案的总体设计 (7)

第3章系统电路元器件参数计算及选择

3.1 电动机的选择 (9)

3.2 低压断路器的选择 (9)

3.3 熔断器的选择 (10)

3.4 交流接触器的选择 (10)

3.5 继电器的选择 (11)

3.6 控制开关的选择 (12)

3.7 指示灯的选择 (12)

3.8 控制变压器的选择 (12)

3.9电缆线的选择 (12)

第4章电气安装接线图的设计

4.1 电气安装接线图的原则 (13)

第5章结束语 (13)

参考文献 (13)

附图一元器件清单 (14)

附图二完整的系统电气图 (15)

摘要：

在现代工业生产中，为了提高劳动生产率、降低成本、减轻工人的劳动负担，要求实现整个生产工艺过程全盘自动化。例如机床的自动进刀、自动退刀、工作台往复循环等加工过程自动化，高炉实现整个炼铁过程的自动化等等。由于自动化程度的提高，只有简单的联锁控制已不能满足要求，需要根据工艺过程的特点进行控制。这里我们以钻孔加工过程自动化为例介绍实际生产过程自动化的一个重要的基本规律——按控制过程的变化参量进行控制的规律，本文将详细介绍切削加工刀架控制电路系统的设计思路、过程及原理分析，该系统可以实现刀架的自动循环、无进给切削以及快速停车。最大限度地满足生产机械和生产工艺对电气控制的要求，设计方案要合理，机械设计与电气设计应相互配合，确保控制系统安全可靠地工作。

关键字：刀架无进给切削自动循环

第1章系统概述

1.1设计任务及要求

设计并绘制切削加工刀架主电路及控制电路图，要求控制方案安全、可靠，详细分析工作原理，并选择元器件，并绘制电器元件明细表。设计并绘制电气安装接线图，制作模拟样机进行。（电机为三相异步电动机，额定功率为 5.5kw,额定电压为380v）。

图示1-1出钻削加工时刀架的自动循环过程。具体要求如下：

图1-1 刀架的自动循环

(1)自动循环刀架能自动地由位置1移动到位置2进行钻削加工并自动退回位置1；

(2)无进给切削即刀具到达位置2时不再进给，但钻头继续旋转进行无进给切削以提高工件加工精度；

(3)快速停车当刀架退出后要求快速停车以减少辅助工时。

1.2系统框图及实现的原理

1.2.1系统框图

本系统主要由根据生产工艺要求，用行程作为控制信号，采用行程开关作为测量元件，再将这个变化参量反馈回来作用于控制装置，以达到对控制对象进行自动控制对象进行自动控制的目的。这一过程可用结构图1-2表示。

图1-2 按参量变化进行控制的结构

1.2.2系统具体实现方案

本系统采用继电器为主要控制器件，通过控制电机正反转实现刀架的进退，采用行程开关实现自动循环，利用时间继电器确定无进给切削时间，停车时为了减少辅助工时，采用反接制动来实现快速停车。系统主要由自动循环、无进给切削和快速停车三个环节组成。

控制方案的实现流程如图1-3：

图1-3 控制方案的流程图

第2章系统单元的设计与分析

下面针对控制过程中各自的特殊矛盾，采用不同的控制方法加以解决。2.1 自动循环

为实现刀架自动循环，对电动机的基本要求仍然是启动、停转和反向控制，所不同的是当刀架运动到位置2时能自动地改变电动机工作状态。总之控制对象要求控制装置根据控制过程位置来改变或终止控制对象的运动。在实现刀架自动循环过程中，最理想的方法就是由控制装置直接反映控制过程变化参数——行程，使刀架在运动到位置2或1时自动发出控制信号进行控制。通常采用直接测量位置信号的元件——行程开关来实现这一要求。

采用行程开关直接测量刀架的行程位置，实现钻削加工自动循环。设计出的控制线路如图2-1所示。

图1-3 刀架自动循环的控制线路

设计这类电路时大体遵循以下步骤：

1. 首先设计主电路因要求电动机实现正反向运转，故采用正反两个接触器KM1和KM2以通、断电路和改变电源相序，如图1-3中主电路所示。

2. 确定控制电路的基本部分如起、停按钮及自保环节等，如图1-3所示的控制电路为刀架前进、后退的基本控制线路。

3. 设计控制电路的特殊部分在本线路中特殊部分是指自动循环的控制。这里采用行程开关SQ1和SQ2分别作为测量刀架运动到位置1和2的测量元件，由它们给出的控制信号通过接触器作用于控制对象。将SQ2的常闭触头串于正向接触器线圈KM1电路中。SQ2的常开触头于反向起动按钮并联。这样，当刀架前进到位置2时，SQ2动作，将KM1切断；KM2接通，刀架自动返回。SQ1的任务是使电动机在刀架反向运动到位置1时自动停转，故将其常闭触头串联于反向接触中，刀架退回到位置1，撞击SQ1，刀架自动停止运动。

4. 设置必要的保护环节这里采用了熔断器和热继电器分别实现短路和过载保护。

5. 综合审查与简化设计线路上述设计是依据各部分的要求局部进行的。组成一个整体控制线路后需要全面考虑，检查其动作是否无误，有无寄生电路，能否进一部减少电气元件或触头。

这样对任何按行程控制的自动控制线路，根据生产工艺要求，用行程作为控制信号，采用行程开关作为测量元件，再将这个变化参量反馈回来作用

于控制装置，以达到对控制对象进行自动控制对象进行自动控制的目的。这一过程可用结构图1-2表示。

2.2 无进给切削

为了提高加工精度，当刀架移动到位置2时，要求无进给情况下继续切削，短暂时间后刀架再开始退回。这一控制信号严格讲应根据切削表面情况进行控制。但切削表面不易直接测量，因此不得不采用间接参数——切削时间来表征无进给切削过程。切削时间可采用时间继电器来反映。

采用时间继电器来间接测量无进给切削过程的控制电路在图2-1的基础上增加了时间继电器KT，如图2-2所示（主电路相同不在绘出）。当刀架到达位置2撞击行程开关SQ2，使其常闭触头切断正向接触器KM1，使电动机停止，工作刀架不再进给，但钻头继续旋转进行无进给切削。同时SQ2的常开触头接通时间继电器KT的线圈，开始计算无进给切削的时间。到达预定的无进给切削时间后，时间继电器继续动作，使反向接触器KM2线圈通电吸合，于是刀架开始返回。时间继电器的延时值应根据无进给切削所需要的时间进行调整。

图2-2 无进给切削的控制电路

2.3快速停车

为缩短辅助工时提高生产效率，应准确停车以减少超行程，因此对该控制系统还提出了快速停车的要求。对于异步电动机来讲，最简单的方法是采用反接制动。制动时使电源反向序，制动到接近零速时电动机的电源自动切除。检测接近零速的信号以直接反映控制过程的转速信号最为理想，通常采用速度继电器来实现，线路如图2-3所示。图中电动机的定子经过正、反向接触器KM1或KM2的主触头接入电源。

图2-3 反接制动的控制电路

欲使电动机正向起动。按下正向起动按钮SB2，接触器KM1自动吸合并自保，电动机正转。当电动机正向运转时，速度继电器KS正向常闭触头KSF 打开，正向常开触头KSF闭合，为制动做好准备。这时因KM1在反向接触器KM2电路中的互锁触头打开，KM2不会通电。

要使电动机停转：按下停止按钮SB1，接触器KM1失电释放，反向接触器KM2立即吸合，电动机定子电源反相序，因而是反接制动。转速迅速下降，当转速接近零速（约150r/min）时，速度继电器的正向常开触头KSF断开，KM2断电释放，反接制动结束。

在上述过程中，当电动机转速下降、速度继电器的常开触头KSF断开以后，常闭触头KSF不是立即闭合的。因而KM2有足够的断电时间使铁心释放，其自保触头放开，所以不会造成反接制动后电动机反向起动。

2.4 方案的总体设计

上面阐述了按照联锁控制的规律和按照控制过程变化参量进行控制的基本规律。根据这些基本规律结合生产机械的要求，本系统的总体设计如下图

2-4：

图2-4 切削电路的总体设计图

按下启动按钮SB2，接触器KM1通电并自锁，主电路通电，电机正转前进，同时KM1的常闭触头断开实现互锁，当正转速度达到150转/min左右，速度继电器的正向转速开关KSf动作，常开触头闭合，常闭触头断开，为反接制动提供条件。当到达位置2时触及行程开关SQ2，SQ2的常闭触头断开，同时其常开触头闭合，KM1线圈失电，其常开触头断开，常闭触头闭合，线圈KM2得电，电机反转制动，当速度反转到150转/min左右时，KSf 常开触头断开，常闭触头闭合，KM2线圈断电，反接制动停止，实现无进给切削，同时时间继电器KT得电，延时开始，延时时间可根据无进给切削时间确定，延时时间到，KT触头闭合，KM2得电并自锁，电机反转后退，KM2常闭触头断开，实现互锁功能。当离开位置2时，SQ2触头的常开触头断开，时间继电器KT失电，SQ2的常闭触头闭合，为KM1得电做准备。当反转速度达到150转/min时，速度继电器的反向转速开关KSr动作，常开触头闭合，常闭触头断开，为反接制动提供条件。当达到位置1时触及行程开关SQ1，其常闭触头断开，同时其常开触头闭合，KM2线圈失电，其常开触头断开，常闭触头闭合，线圈KM1得电，电机反转制动，当速度反转到150转/min 左右时，KSr常开触头断开，常闭触头闭合，由于电机没来得及离开位置1，所以SQ1常开触头还一直闭合，线圈KM1不断电，电机正转前进，离开位置1，SQ1的常开触头断开，常闭触头闭合，为KM2的得电做准备，由于KM1的自锁功能使电机一直正转，实现自动循环功能。

出于安全的考虑及满足生产机械的要求，本系统增加了急停按钮SB0和

点动按钮SB4和SB5，用于手动控制，同时还有正反转指示灯。

第3章系统电路元器件参数计算及选择

3.1电动机的选择

在电动机类型的选择中，优先考虑采用结构简单、价格便宜、使用维护方便的三相交流异步电动机，如一般机床、自动生产线、传送带、风机及各类机泵等电力拖动场合，大量选用普通三相鼠笼式异步电动机。在本切削加工刀架电路设计中，我们优先选取Y系列电动机Y132S-4。Y系列电动机为全封闭自扇冷式三相鼠笼型异步电动机，按照国际电工委员会（IEC）标准设计的，本系列电动机具有体积小、重量轻、运行可靠，结构坚固，外形美观等特点，起动性能好，具有效率高等特点，达到了节能效果。而且噪声低、寿命长、经久耐用。Y系列电动机适用于空气中不含易燃、易爆或腐蚀性气体的场所，例如金属切削、泵、风机、运输机、农业机机械等。电动机Y132S-4的参数如下表：

型号

功率

千瓦

（KW）

电流

（安）

转速（转

每分）

效率（%）

功率

因数

（COSφ

堵转转

矩/额

定转矩

堵转电流

/额定电

流

最

大

转

矩/

额

定

转

矩

Y132S-4 5.5 11.6 1440 85.5 0.84 2.2 7.0 2.2

我们采取直接启动，启动电流较大，可以达到额定电流的4~7倍，对于某些国产笼型异步电机甚至可以达到8~12倍，我们可取其启动电流I1st=11.6*8=92.8A。

3.2低压断路器的选择

低压断路器又称为自动空气开关，可用来接通和分断负载电路，也可用来控制不频繁起动的电动机。它功能相当于闸刀开关、过电流继电器、失压继电器、热继电器及漏电保护器等电器部分或全部的功能总和，是低压配电网中一种重要的保护电路。

自动空气开关的一般选用原则是：

1 、自动空气开关的额定电压≥线路额定电压（380V）。

2 、自动空气开关的额定电流≥线路计算负载电流。

3 、热脱扣器的整定电流= 所控制负载的额定电流。

4 、电磁脱扣器的瞬时脱扣整定电流≥负载电路正常工作时的峰值电流。

5 、自动空气开关欠电压脱扣器的额定电压= 线路额定电压（380V）。对于保护鼠笼型的异步电动机其瞬时电流整定值为8－15倍电动机的额定电流，这里取15倍即I=15×11.6＝174A。根据要求采用DW15-200型（额定电流为200A，过流脱扣器范围为60～200A，额定电压为380V，电流的有效值为20A）。

3.3熔断器的选择

熔断器主要由熔体、安装熔体的熔管和熔座三部分组成。熔断器一般不宜作过载保护主要用作短路保护。熔断器的类型应满足电路要求；熔断器的额定电压应大于或等于电路的额定电压；熔断器的额定电流应大于或等于所装熔体的额定电流。熔体的额定电流可以有以下几种选择：

1. 对于阻性负载的保护，应使熔体的额定电流等于或稍大于电路的工作电

流，即：I I R ≥ ；

2. 对于一台电动机的短路保护，考虑到电动机的起动冲击电流的影响，可按

下式选择：N R I I )5.2~5.1(=；

3. 对于多台电动机应按下式计算：

+≥NMAX R I I )5.2~5.1(∑IN

轻载及起动时间短时，系数取1.5，起动负载较重及起动时间长，则取2.5。

3.4交流接触器的选择

正确地选择接触器就是要使得所选用的接触器的技术数据，能满足控制线路对它提出的要求，选择接触器可按下列步骤进行：

1. 根据接触器的任务，确定用哪一系列的接触器；

2. 根据接触器所控制电路的额定电压确定接触器的额定电压；

3. 根据被控制电路的额定电流及接触器安装的条件来确定接触器的额定电流。如接触器在长期工作制下使用时，其负载能力应适当降低。这是因为在长期工作制下，触点的氧化膜得不到清除，使接触电阻增大，因而必须降低电流值以保持锄头的允许升温；

4. 一般情况下对于控制主电路为交流的应采用交流的控制电路。电磁线圈的额定电压要与所接的电源电压相符，且要考虑安全和工作的可靠性。交流电磁线圈的电压等级有：36V 、110 V 、127 V 、220 V 和380V 等；直流电磁线圈的电压等级有：24V 、48 V 、110 V 、220 V 和440V 等；

5. 对于某些机械设备对接触器的固有吸合时间、固有释放时间及释放电压所提出的要求也应予以考虑。

这里采用的电动机是小容量笼型电动机，故使用AC3类能满足要求，工作电压是交流380V ，交流接触器主触头额定电流可按下面经验公式计算 Iec=1000Pe/KUe

式中Iec －主触头的额定电流(A)，Pe －电动机的额定功率(KW)

Ue-电动机的额定电压(V)，K －系数，取1～1.4

这里 Iec ＝1000*5.5/(1.2*380)=12A,故采用CJ20-16A 交流接触器。

3.5继电器的选择

3.5.1时间继电器的选择

时间继电器的种类很多，选择时主要考虑控制线路提出的技术要求，如电源电压等级、电压种类（交流还是直流）以及触点的型式（瞬时触点还是延时触点）、数量、延时时间等。此外在满足技术要求的前提下尽可能选择结构简单、价格便宜的型号。这里要求延时精度不高，而且是用于交流电压的，故可采用空气阻尼式延时继电器JS7-2A型（触头额定电压380，吸引线圈电压为220V,触头额定电流为5A,延时范围0.4～60S,通电延时型，延时触头和瞬动触头的常开常闭各有1个）。

3.5.2速度继电器的选择

: 速度继电器又称为反接制动继电器。它是靠电磁感应原理实现触点动作的。速度继电器主要由定子、转子和触点三部分组成。定子的结构与笼型异步电动机相似，是一个笼型空心圆环，由硅钢片冲压而成，并装有笼型绕组。它的主要用于笼型异步电动机的反接制动控制。它是靠电磁感应原理实现触点动作的。常用的感应式速度继电器有JYl和JFZ0系列。JY-1速度控制继电器主要用于三相鼠笼式电动机的反接制动电路，也可用在异步电动机能耗制动电路中，作为电动机停转后，自动切断直流电源。JY-1速度控制断电器在连续工作制中，可靠地工作在3000转/分以下，在反复短时工作制中（频繁起动，制动）每分钟不超过30次。JY-1速度控制继电器在继电器轴转速为150转/分左右时，即能动作。100转/分以下触点恢复工作位置。抗强度：应能承受50Hz电压1500伏，历时一分钟。绝缘电阻：在温度20℃，相对温度不大于80%时应不小于100兆欧。工作环境：温度-50℃至+50℃，相对温度不大于85%（20℃±5）。触头电流小于或等于2A，电压小于或等于500V。触头寿命：在不大于额定负荷之下，不小于10万次。速度继电器的选用主要考虑其工作速度范围和灵敏度，电动机的额定转速是1440r/min,故采用JY-1型（有两对常开和常闭触头）。

3.5.3热继电器的选择

一般情况下，可选用两相结构的热继电器；对电网电压严重不平衡、工作环境恶劣或较少有人照管的电动机，可选用三相式结构的热继电器；对于三角形接线的电动机，为了进行断相保护，可选用带断相保护的装置的热继电器。

热继电器的具体选择如下：

1. 保护电动机的额定电流，一般选用热继电器额定电流的0.95~1.05倍。

2. 根据需要的整定电流值选择热继电器热元件的编号和额定电流。选择时应使热元件的整定电流等于电动机的额定电流，同时整定电流应留有一定限度的上、下调整范围。在重载起动以及起动时间较长时，为防止热继电器误动

作，可将热元件在起动期间予以短路。常用的热继电器有JR16、JR20、JRS1、T系列等，通过计算，我们选用JR16B-20/3。

3.6控制开关的选择

3.6.1行程开关的选择

行程开关又称限位开关，用于控制机械设备的保护。在实际生产中，将行程开关安装在预先安排的位置，当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，行程开关的触点动作，实现电路的切换。因此，行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，它的作用原理与按钮类似。行程开关广泛用于各类机床和起重机械，用以控制其行程、进行终端限位保护。行程开关按其结构可分为直动式（如LX1、JLXK1系列）、滚轮式（如LX2、JLXK1系列）和微动式（如LXW-11、JLXK1-11系列）3种。由于行程开关触头的分合速度取决于机械的移动速度，当速度太低时，主触头分断能力太慢，易受电弧烧坏，故应选用有盘型弹簧机构瞬时动作的滚轮式行程开关。JLXK1系列适用于交流50-60Hz; AC380V; DC220V;电流5A的控制线路中，作为限制机床自动控制、限制运动机构动作或自动化程序控制之用应用范围机床自动控制，限制运动机构动作或程序控制技术参数，这里采用JLXK1-111型。

3.6.2启动按钮的选择

应选用带有绿色指示灯的起动按钮，且按照GB5226-1985对按钮开关的颜色及指示灯颜色含义的规定选，常用的按钮有LA2，LA10，LA19及LA20等。这里采用LA19-11D型（指示灯6.3V）。

3.6.3停止按钮的选择

应选用带有红色指示灯的停止按钮，采用LA19-11D型（指示灯6.3V）。

3.6.4紧急按钮的选择

考虑事故发生时要求尽快切除及工人操作习惯，应选用带红色且按钮帽应突出，以便于紧急操作。故采用LA19-11J型。

3.6.5点动按钮的选择

选用LA19-11型。

3.7指示灯的选择

选用两种不同颜色的XD1型（6.3V,0.05A）。

3.8控制变压器的选择

用于照明和指示灯用，选CXB—100（输入380V输出220V 6.3V）。

3.9电缆线的选择

在电气安装接线图中，我们可以选用铜芯橡皮绝缘电缆或者铜芯聚氯乙烯绝缘聚氯乙烯护套电缆。其型号为BBX-4（铜芯橡皮绝缘电缆-4平方）

或NA-VV、NB-VV。

第4章电气安装接线图的设计

4.1 电气安装接线图的原则

电气安装接线图是按照电器元件的实际位置和实际接线绘制的，根据电器元件布置最合理、连线导线最经济等原则来安排。它为安装电气设备、电器元件之间进行配线及检修电气故障等提供了必要的依据。

绘制安装接线图时一般应遵循一下原则：

1.各电器元件用规定的图形、文字符号绘制，同一电器元件各部件必须画在一

起。各电器元件的位置应与实际安装位置一致。

2.不在同一控制柜或操作台上的电器元件的电气连接必须通过端子排进行。各

电器元件的文字符号及端子应与原理图一致，并按原理图的接线进行连线。

3.走向相同的多跟导线可用单线表示，但线径不同的导线例外。

4.画连接导线时，应标明导线的规格、型号、根数等规格要求，以便施工工人

员顺利施工。

第五章结束语

本次课程设计是我收获挺大的一次设计。设计是我们将来必需的技能，这次课程设计恰恰给我们提供了一个应用自己所学知识的机会。

首先，要感谢各位老师，我们能顺利地完成这次课程设计，是离不开诸葛致老师的关心与指导的。设计是一个考验人耐心的过程，不能有丝毫的急躁、马虎，尤其对我们电气自动化专业来说，要求设计系统要有很好的可靠安全性。我们要熟练地掌握课本上的知识，而且必须要有足够的耐心，要有坚持的毅力。在整个设计过程中，在老师的耐心指导下，我仔细地查找资料，深刻地体会到整个设计需要反复实践，其过程很可能相当烦琐，有时花很长时间计算出来的数据还是需要重做，那时心中未免有点灰心，有时还特别想放弃，但是此时更加需要静下心，查找原因。

总体来说，这次课程设计使我受益匪浅。在摸索如何设计电路使之实现所需功能的过程中，特别有趣，培养了我的设计思维，增强了实践动手能力。在体会到设计的艰辛的同时，更让我体会到成功的喜悦和快乐，同时也为大四的毕业设计积累了不少的财富。通过这次的设计，我们的能力提高了不少，同时也希望老师给我们的作品多提点意见，让我们能掌握更多的东西。

参考文献：

1．陈志新、宗学军，电器与PLC控制技术，北京大学出版社，2006，第1~79页。

2．方承远、张振国，工厂电气控制技术，北京：机械工业出版社，第三版，2006。

3．李中年，控制电器及控制，清华大学出版社，2006年6月版。

4．齐宝林，实用电动机控制电路200例，福建科学技术出版社，2002。5．陈立定，电气控制与可编程序控制器的原理及应用，机械工业出版社，2005

年9月版，第1~119页。

6．方大千，高低压电器速查速算手册，中国水利水电出版社，2004年3月版。7．袁任光、张伟武，电动机控制电路选用与258实例，机械工业出版社，2004。8．方承远、王炳勋，电气控制原理与设计，宁夏人民出版社，1989。

附录一：元器件清单

表4-1 元器件目录表

附录二：完整的系统电气图