课程设计（论文）全自动双面钻的电气控制系统设计

一、课程设计目的本课程是机械设计制造及其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）(一) 机床概况：本机为专用千斤顶油缸两端面钻孔加工的组合机床，采用装在动力滑台上的左、右两个动力头（电机均为1.5KW）同时进行切削。动力头的快进、工进及快退均由液压油缸驱动。液压系统采用两位四通电磁阀进行控制，并用死挡铁方法实现位置控制。动作程序如下：（1） 零件定位。人工将零件装入夹具后，采用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。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(SQ1SQ5) - + + + -退位(SQ2SQ4) - + - -+复位(SQ3SQ6) - - - - -全自动双面钻工作原理全自动双面钻液压系统图(二) 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. 需要一套局部照明装置以及工作状态指示灯；5. 有必要的过电流保护和联锁；6. 钻孔过程中需用冷却泵进行冷却，冷却泵电动机功率为0.125kw；7. 绘制电气原理图 (A3)；8. 列出元件明细表；9. 绘制电气接线图(A3)；10. 完成控制系统的可编程控制器设计方案，包括可编程控制器的选型、控制系统的PLC外部接线图(A3，注明元件明细表)，编写控制系统的梯形图和指令表(A3)。(三) 设计步骤1. 电动机的选择：根据设计要求需配备4台电动机，油泵电机M1，冷却泵电动机M2，动力头电动机M3、M4。根据设计要求查阅相关手册选择电机型号，注明所查阅的手册的名称、页码。2. 绘制工步循环图：根据系统的动作状态表绘制工步循环图。3. 电气原理图的设计（要求有详细的分析过程）：（1） 主电路设计（2） 控制电源的设计（3） 控制电路的设计（根据设计要求列出各执行电器的逻辑表达式）（4） 局部照明与信号指示电路的设计（5） 机床工作原理分析4. 电气元件型号的选择：（1） 电源开关的选择（2） 热继电器的选择（3） 接触器的选择（4） 继电器的选择（5） 行程开关的选择（6） 熔断器的选择（7） 按钮的选择（8） 照明灯及灯开关的选择（9） 指示灯的选择（10） 控制变压器的选择5. 电气接线图的绘制：（1） 电器元件按外形绘制，并与布置图一致，偏差不要太大（2） 所有电器元件及其引线应标注与电气原理图相一致的文字符号及接线回路标号（3） 接线图中应标出配线用的各种导线的型号、规格、截面积及颜色等。6. 控制系统的可编程控制器设计方案：（1） 可编程控制器的选型（2） 设计控制系统的PLC外部接线图（3） 编写控制系统的梯形图和指令表- 12 -五、电动机的选择1.油泵电机M1选型：由题目给定的要求油泵电机1台0.37KW，故选YS7112，参数为 电流：0.95 A ，电压：380V 额定功率：370W 效率：73.5 额定转速：2800 r/min ， 功率因数：0.80 频率：50 Hz 额定转矩：2.2 n*m 2.冷却泵电机M2选型：由题目给定的要求油泵电机1台0.125KW，故选Y2-801-8,参数为:满载时电流0.88A 转速640r/min 效率65% 额定电流3.3A 额定转矩1.8 n*m 最大转矩1.9 n*m 电压380V 额定功率250W 3. 动力头电动机M3、M4选型：（1）由液压组合机床对电机起动转矩高而起动电流小及需要小范围调速、铁屑飞溅多、灰尘多、而性能要求不很严故选YR系列（IP44）电机（2）由题目给定的要求主轴电机2台5.5KW（3）用于铣床综合可选2台YR132M24,电机参数为额定功率5.5KW，满载时转速1440(r/min)、 电流12.6A 效率86%功率因数0.77， 最大转矩3.0 n*m 转子电压272V、 电流13A， 质量95Kg 注：查简明电工手册第471页六、绘制工步循环图七、电气原理图的设计（一）主电路设计1）由接触器KM1,KM2,KM3，KM4分别控制液压泵电动机、冷气泵电动机、主电动机的运转2）由熔断器FU1,FU2,FU3,FU4实现短路保护,由热继电器 FR1,FR2,FR3实现过载保护；3）由隔离开关QF 作为电源控制；4）为保证准确停位,并考虑前进与后退运动均由同一型号的电动机拖动,故停车时可采用一直流电源实现能耗制动,直流电源可采用低压交流电源经单相桥式整流得到，能耗制动由接触器KM4控制。（二）控制电源的设计控制电源采用110v交流电压、照明灯采用24v电压、指示灯采用6v电压，查简明电工手册，选用型号为110的变压器（三）控制电路的设计（1）电机控制电路的设计： 1）油泵和冷却泵的运转情况分别由KM1,KM2控制，并且使用最基本的“启保停”的控制电路；油泵电机的开关分别为SB8和SB10，冷却泵的开关分别为SB7和SB9。2）为保证两台电动机同时启动，同时停车，两台同型号的动力头电动机的运转由一个接触器KM3控制，其中能耗制动过程由KM4控制，制动时间由时间继电器KT来确定；过载保护由FR3常闭触头串在动力头及能耗控制回路中实现；SB5为启动按钮，SB6为停止按钮。（2）电磁阀控制电路的设计：（电磁阀控制）（中间继电器）由于电磁阀无自锁功能，故引入中间继电器，由于加工工程工步数N=6,故选用中间继电器个数 ，通电域m=3（传递电磁阀工步数），继电器成菱形。其动作表如下表所示：YV1YV2YV3YV4YV5KA1KA2KA3定位(SB1)+-100夹紧（YJ1）+-110入位 (YJ2)-+-111工进(SQ1SQ5)-+-011退位(SQ2SQ4)-+-+001复位(SQ3SQ6)-000表1-电磁阀控制逻辑状态表1）根据切削工艺要求，动力头的前进运动和后退运动能够进行半自动循环控制，其控制过程如下：定位：当系统内油压达到工作要求时（YJ3闭合），按下SB1，电流继电器KA1和电磁铁YV1得电，KA1的常开触点闭合，零件被准确定位。夹紧：由于电磁铁YV1的得电，当压力继电器YJ1的常开触点闭合，使YV2得电，定位工序结束，指示灯HL1亮。由于KA2开始得电，其常开触点闭合，系统进入夹紧工序，零件被夹紧。入位：由于电磁铁得电，当压力继电器YJ2的常开触点闭合，表明零件已被夹紧，夹紧指示灯HL2亮。此时KA3开始得电,KA1和KA2保持得电状态，滑台入位，带动夹具一起进入加工位置.工进：滑台入位后压下限位开关SQ1/SQ5，其常开触点SQ1/SQ5闭合，使YV4得电，系统进入工进环节。 退位：拖板左右两边的动力头对零件进行两端面铣削加工（工进），当动力头达到加工终点时，压下限位开关SQ2/SQ4，其常开触点SQ2/SQ4闭合，使YV5得电，系统进入退位环节。复位：当动力头退回原位时，压下限位开关SQ3/SQ6，其常闭触点SQ3/SQ6断开，则复位工序结束，同时夹紧工序也结束，指示灯HL2灭，夹具打开，取出零件。经过上述六个步骤，机床的一次进给循环即2）因设备调整需要，系统定位，夹紧，入位，工进及退位/复位操作环节既可实现半自动循环，又可实现单独的控制，用SA2,SB2,SB3,SB4分别对其完成进行手动控制。3）由FU6对控制电路进行短路保护。4) 控制线路逻辑表达式推理：Y=（开启条件*限制条件+保持）*关闭条件由逻辑状态表及分析结果可得： （3）局部照明与信号指示电路的设计在机床上设置电源接通指示灯HL2(绿色)，在电源开关QS接通后，HL2立即发光显示，表示机床电气线路已出入供电状态；设置指示灯HL1（红色），亮时表示电动机M1,M2已运行。其中指示灯HL1由接触器KM1的常开触点控制通电显示，如电气原理图所示。设置照明灯EL，供安全照明使用。(4)按设计要求检查各动作程序，各种保护，联锁等，便于绘制电气控制原理图。八、电气元件型号的选择（一）电源开关的选择空气开关主要起短路保护和过载保护两个作用，并不用它直接启停电动机，可按电动机额定电流来选。显然，应根据四台电动机来选。中小型机床常用组合开关，选用HZ10-25/3型，额定电流为25A，三极组合开关。（2）热继电器的选择热继电器是电流通过发热元件产生热量，使检测元件受热弯曲而推动机构动作的一种继电器。由于热继电器中发热元件的发热惯性，在电路中不能做瞬时过载保护和短路保护。它主要用于电动机的过载保护、断相保护和三相电流不平衡运行的保护及其它电气设备状态的控制一般情况下，可选用两相结构热继电器，但当三相电压的均衡性较差，工作环境恶劣或无人看管的电动机，宜选用三相结构的热继电器。对于三角形接线的电动机，应该选用带断相保护装置的热继电器。 、热继电器额定电流选择。 热继电器的额定电流应大于电动机额定电流。然后根据该额定电流来选择热继电器的型号。 、热元件额定电流的选择和整定。热元件的额定电流应略大于电动机的额定电流。当电动机启动电流为其额定电流的6倍及启动时间不超过5S时，热元件的整定电流调节到等于电动机的额定电流；当电动机的启动时间较长、拖动冲击性负载或不允许停车时，热元件整定电流调节到电动机额定电流的1.11.15倍。如果启动，制动，反转频繁将额定电流上升一级 由公式 得 I N主轴11.3A I N冷1.3A ， I N油11.3A 故选FR1、FR2选2个JR20107 参数为电流范围7.829A。（3）接触器的选择交流接触器的选用方法 接触器的选用应按满足被控制设备的要求进行，除额定工作电压应与被控设备的额定电压相同外，被控设备的负载功率、使用类别、操作频率、工作寿命、安装方式及尺寸以及经济性等是选择的依据。 选择接触器时应从其工作条件出发，主要考虑下列因素： 1、控制交流负载应选用交流接触器； 2、接触器的使用类别应与负载性质相一致。 3、主触头的额定工作电流应大于或等于负载电路的电流；还要注意的是接触器主触头的额定工作电流是在规定的条件下（额定工作电压、使用类别、操作频率等）能够正常工作的电流值，当实际使用条件不同时，这个电流值也将随之改变。 4、主触头的额定工作电流应大于或等于负载电路的电压。 5、吸引线圈的额定电压应与控制回路电压相一致，接触器在线圈额定电压85及以上时应能可靠地吸合 交流接触器的选用，应根据负荷的类型和工作参数合理选用。具体分为以下步骤： 选择接触器的类型 交流接触器按负荷种类一般分为一类、二类、三类和四类，分别记为AC1 、AC2 、AC3和AC4 。一类交流接触器对应的控制对象是无感或微感负荷，如白炽灯、电阻炉等；二类交流接触器用于绕线式异步电动机的起动和停止；三类交流接触器的典型用途是鼠笼型异步电动机的运转和运行中分断；四类交流接触器用于笼型异步电动机的起动、反接制动、反转和点动。 选择接触器的额定参数 根据被控对象和工作参数如电压、电流、功率、频率及工作制等确定接触器的额定参数。 1）接触器的线圈电压，一般应低一些为好，这样对接触器的绝缘要求可以降低，使用时也较安全。但为了方便和减少设备，常按实际电网电压选取。 2）电动机的操作频率不高，如压缩机、水泵、风机、空调、冲床等，接触器额定电流大于负荷额定电流即可。接触器类型可选用CJl0、CJ20等。 3）对重任务型电机，如机床主电机、升降设备、绞盘、破碎机等，其平均操作频率超过100次min，运行于起动、点动、正反向制动、反接制动等状态，可选用CJl0Z、CJl2型的接触器。为了保证电寿命，可使接触器降容使用。选用时，接触器额定电流大于电机额定电流。 4）对特重任务电机，如印刷机、镗床等，操作频率很高，可达60012000次h，经常运行于起动、反接制动、反向等状态，接触器大致可按电寿命及起动电流选用，接触器型号选CJl0Z、CJl2等。 5）接触器额定电流是指接触器在长期工作下的最大允许电流，持续时间8h，且安装于敞开的控制板上，如果冷却条件较差，选用接触器时，接触器的额定电流按负荷额定电流的110%120%选取。对于长时间工作的电机，由于其氧化膜没有机会得到清除，使接触电阻增大，导致触点发热超过允许温升。实际选用时，可将接触器的额定电流减小30%使用故选KM1选2个CJ2025 参数为额定工作电压380V 额定制动功率为11KW 不间断制下的额定工作电流32A KM2、KM3、KM4选3个CJ179 参数为额定工作电压380V 主触头额定电流9A 辅助触头额定电流4A 吸引线圈电压为110V 控制功率在4KW内（4）继电器的选择继电器的定义 继电器是一种当输入量（电、磁、声、光、热）达到一定值时，输出量将发生跳跃式变化的自动控制器件。 从动作的原理上有电子式、机械式等。电子式的是采用电容充放电再配合电子元件的原理来实现延时动作。机械式的样式较多，有利用气囊、弹簧的气囊式；钟表擒纵装置的；也有使用小型罩极同步电机带动凸轮的。 时间继电器的继电特性当线圈通电时，衔铁及托板被铁心吸引而瞬时下移，使瞬时动作触点接通或断开。但是活塞杆和杠杆不能同时跟着衔铁一起下落，因为活塞杆的上端连着气室中的橡皮膜，当活塞杆在释放弹簧的作用下开始向下运动时，橡皮膜随之向下凹, 上面空气室的空气变得稀薄而使活塞杆受到阻尼作用而缓慢下降。经过一定时间，活塞杆下降到一定位置，便通过杠杆推动延时触点动作，使动断触点断开，动合触点闭合。从线圈通电到延时触点完成动作，这段时间就是继电器的延时时间。延时时间的长短可以用螺钉调节空气室进气孔的大小来改变。 时间继电器可分为通电延时型和断电延时型两种类型。 空气阻尼型时间继电器的延时范围大(有0.460s和0.4180s两种) ，它结构简单,但准确度较低。1)机械式。机械式主要是通过气囊阻尼空气来控制动做。2）电子式。电子式就是通过脉冲来控制触头工作。它又分通电延时动作和断电延时动作。通电延时动作是指时间继电器线圈开始通电就计时，到所设定的时间就触头动作。反之就是断电延时动作原理。延时触头又分延时断开和延时闭合。延时断开分常闭延时断开和常开延时断开。延时闭合也分常闭和常开。图形符号中的图弧开口方向就是延时后的动作方向。 电磁继电器的工作原理和特性 电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。继电器主要产品技术参数 1、额定工作电压 是指继电器正常工作时线圈所需要的电压。根据继电器的型号不同，可以是交流电压，也可以是直流电压。 2、直流电阻 是指继电器中线圈的直流电阻，可以通过万能表测量。 3、吸合电流 是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。在正常使用时，给定的电流必须大于吸合电流，这样继电器才能稳定地工作。而对于线圈所加的工作电压，一般不要超过额定工作电压的1.5倍，否则会产生较大的电流而把线圈烧毁。 4、释放电流 是指继电器产生释放动作的最大电流。当继电器吸合状态的电流减小到一定程度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态。这时的电流远远小于吸合电流。 5、触点切换电压和电流 是指继电器允许加载的电压和电流。它决定了继电器能控制电压和电流的大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器的触点. 继电器的选用 1.先了解必要的条件 控制电路的电源电压，能提供的最大电流； 被控制电路中的电压和电流； 被控电路需要几组、什么形式的触点。选用继电器时，一般控制电路的电源电压可作为选用的依据。控制电路应能给继电器提供足够的工作电流，否则继电器吸合是不稳定的。 2.查阅有关资料确定使用条件后，可查找相关资料，找出需要的继电器的型号和规格号。若手头已有继电器，可依据资料核对是否可以利用。最后考虑尺寸是否合适。 3.注意器具的容积。若是用于一般用电器，除考虑机箱容积外，小型继电器主要考虑电路板安装布局。对于小型电器，如玩具、遥控装置则应选用超小型继电器产品. 综上选用 可选用JZ11系列中间继电器5个 参数：吸引线圈额定电压交流110V 触点额定电流5A，触点数量 常开6个 常闭2个 操作频率2000（次/h） 机械寿命1000万次 电寿命100万次，时间继电器选用型，线圈电压为380V；（5）熔断器的选择1）工作原理：熔断器是根据电流超过规定值一定时间后，以其自身产生的热量使熔体熔化，从而使电路断开的原理制成的一种电流保护器。熔断器广泛应用于低压配电系统和控制系统及用电设备中，作为短路和过电流保护 熔体额定电流不等于熔断器额定电流，熔体额定电流按被保护设备的负荷电流选择，熔断器额定电流应大于熔体额定电流 由于各种电气设备都具有一定的过载能力，允许在一定条件下较长时间运行；而当负载超过允许值时，就要求保护熔体在一定时间内熔断。还有一些设备起动电流很大，但起动时间很短，所以要求这些设备的保护特性要适应设备运行的需要，要求熔断器在电机起动时不熔断，在短路电流作用下和超过允许过负荷电流时，能可靠熔断，起到保护作用。熔体额定电流选择偏大，负载在短路或长期过负荷时不能及时熔断；选择过小，可能在正常负载电流作用下就会熔断，影响正常运行，为保证设备正常运行，必须根据负载性质合理地选择熔体额定电流2）熔体额定电流(1.52)电动机额定电流。3）熔断器分类螺旋式熔断器RL：在熔断管装有石英砂，熔体埋于其中，熔体熔断时，电弧喷向石英砂及其缝隙，可迅速降温而熄灭。为了便于监视，熔断器一端装有色点，不同的颜色表示不同的熔体电流，熔体熔断时，色点跳出，示意熔体已熔断。螺旋式熔断器额定电流为5200A，主要用于短路电流大的分支电路或有易燃气体的场所。有填料管式熔断器RT：有填料管式熔断器是一种有限流作用的熔断器。由填有石英砂的瓷熔管、触点和镀银铜栅状熔体组成。填料管式熔断器均装在特别的底座上，如带隔离刀闸的底座或以熔断器为隔离刀的底座上，通过手动机构操作。填料管式熔断器额定电流为501000A，主要用于短路电流大的电路或有易燃气体的场所。无填料管式熔断器RM：无填料管式熔断器的熔丝管是由纤维物制成。使用的熔体为变截面的锌合金片。熔体熔断时，纤维熔管的部分纤维物因受热而分解，产生高压气体，使电弧很快熄灭。无填料管式熔断器具有结构简单、保护性能好、使用方便等特点，一般均与刀开关组成熔断器刀开关组合使用。 有填料封闭管式快速熔断器RS：有填料封闭管式快速熔断器是一种快速动作型的熔断器，由熔断管、触点底座、动作指示器和熔体组成。熔体为银质窄截面或网状形式，熔体为一次性使用，不能自行更换。由于其具有快速动作性，一般作为半导体整流元件保护用。型式有：Z 自复式 S快速式 L 螺旋式 T 有填料封闭管式 M 无填料管式熔断 C 瓷插式保护油泵电动机，选A/4A型熔断器，保护冷却泵电动机，选A/2A型熔断器，、保护动力头电动机，选RL1-60A/20A型熔断器，、为照明、信号灯电路的保护，选A/2A型熔断器，为系统控制电路的保护，选A/2A型熔断器.（5）控制变压器的选择变压器最大负载时是接触器KM1、KM2、KM3和中间继电器KA1、KA2、KA3、KA4、KA5、KA6中的至少三个同时工作，根据公式得：S6K6Sxc=1.2(123+33+142)=116.4(VA)故所需变压器容量应大于116.4(VA)；再考虑信号灯及照明灯EL的容量，可选用BK150型变压器，电压等级：380V127366.3V，可满足110V、24V及6V各电源所需。九、电气元件明细表符号名称型号规格数量M1油泵电动机YS71120.37kw,380V, 2800 r/min1M2冷却泵电动机Y2-802-80.25KW,380V,640r/min1M3，M4 动力头电动机Y132S-45.5kw,380V,1440r/min2QS电源开关HZ10-25/3480V, 25A1FR1，FR2热继电器JR20107380V ，7.829A2 KM1交流接触器CJ20-10380V,32A1 KM2，KM3， KM4交流接触器CJ179380V,9A3KA1，KA2，KA3电流继电器JZ11110V,5A3KT 时间继电器JS7-2380V,2A1 FU1熔断器A/4A500V,4A1FU1熔断器A/2A500V,4A1FU3，FU4 熔断器RL1-60A/20A 500V,20A2FU5 ，FU6， FU7 熔断器A/2A500V,15A3TC控制变压器BK150110V.A.380V/24V,6V,110V3HL信号指示灯ZSD-06V1EL照明灯ZSD-040W,24V1SA1，SA4启动旋钮HZ10-10/13黑色2SQ1，SQ6限位开关JLXK1-411红色2SB启动按钮LA19-110黄色1SB2-SB5停止按钮LA19-110红色4SB1复位按钮LA19-110红色1SB6-SB11点动按钮LA19-11蓝色6十、心得体会通过这三周的全自动双面钻的电气控制系统设计，加深了对课本知识的理解和应用，会熟练查相关手册和学习运用新知识，这次课程设计也更让我明白，一个人的能力是有限的，每个人的知识体系不一样，对于一个陌生的课题，总会遇到这样或那样的问题，如果只靠自己去摸索，那是远远不够的，而且效率不高，时间不允许，只有和同学一起探讨，互相帮助，问题才能很快解决。十一、参考书目1 邓星钟. 机电传动与控制M. 华中科技大学出版社. 2009.12 秦曾煌. 电工学M.高等教育出版社. 20043 王积伟. 液压与气压传动M. 机械工业出版社. 20054 陈远龄, 黎亚元. 机床电气自动控制M. 重庆大学出版社. 19945 刘介才. 现在电工技术手册M. 中国水利水电出版社. 1995