机床电机控制技术课程设计.doc

课课 程程 设设 计计 说说 明明 书书 课课程名称程名称 电气控制技术课程设计 题题 目目 机床电机控制 学学 院院 班班 级级 学生姓名学生姓名 指指导导教教师师 日日 期期 电气控制技术课程设计 姓名班级学号 设计题目机床电机控制 控制要求： 某机床又 3 台电机，分别为： （1） 液压站电机：Y90L-2, 2.2KW,机床电源通后立即启动。 （2） 主轴电机：Y132S1-2，5.5KW,，正反转。 （3） 工作台电机：可以沿着主轴方向(x 方向)前后移动，可以自动，也可以点动。 现在某零件的加工需要主轴夹持零件毛坯，工作台带着刀具沿 x 方向在两个 限位开关之间往复运动。若工作过程中意外断电，再开机时需要工作台远离 零件毛坯的一侧。 设计任务和要求 1:根据控制要求，制定合理的设计方案。 2：正确的选用 PLC,确定输入，输出设备。完成 PLC 的 I/O 点的分配。并绘制接线 图。 3：设计 PLC 的控制程序 （1）绘制系统功能图表 （2）设计梯形图，并加以注释。 （3）模拟调试。 （4）绘制有关的图纸：电气控制原理图 （5）完成课程设计说明书，总量不少于 15 页 A4 纸。 设计时间安排 1、查阅资料 1 天 2、设计并绘制电气控制原理图 2 天 3、设计 PLC 控制程序 2 天 4、 模拟调试 2 天 5、撰写课程设计说明书 2 天 6、答辩 1 天 主要参考文献： 1.黄永红。电气控制与 PLC 应用技术，北京；机械工业出版社 2.王建华，电气工程师手册，北京；机械工业出版社 3.吴晓君，电气控制课程设计指导，北京；中国建材工业出版社 摘摘 要要 数控车床种类较多，但主体结构都是由：车床主体、数控装置、伺服系统三大部 分组成。NC 编程就是将加工零件的加工顺序、刀具运动轨迹的尺寸数据、工艺参数 （主运动和进给运动速度、切削深度）以及辅助操作（换刀、主轴正反转、冷却液开 关、刀具夹紧、松开等）加工信息，用规定的文字、数字、符号组成的代码，按一定 格式编写成加工程序。 大致思路确定之后，就开始按要求选择各种器件和编制程序，此过程会用到以前 学到器件选择的计算公式，会用到编程软件（SETP7） 、仿真软件等。在绘图的过程 中我们用的是电气专业版的，编完程序后就要编译和仿真。 通过本次设计大体完成了如下功能：M1 为液压站电机，驱动液压站电机对零件加 工部位进行供液，电气控制要求是加工时起动供液，并能长期运转。M2 电动机是主轴 电机；主轴电机功能单一，主要用来夹持零件；M3 是工作台电机，主要用来夹持刀具， 拖动刀具具有进给和后退功能，并且可以自动和点动。 关键词关键词：车床，控制，PLC 农业装备工程学院课程设计说明书 目目 录录 第一章、绪论第一章、绪论1 第二章、第二章、PLC 现状及发展趋势现状及发展趋势2 2.1 PLC 的定义 .2 2.2 PLC 的发展历程 2 2.3 PLC 的特点 .2 2.4 PLC 发展重点 4 第三章、总体设计第三章、总体设计5 3.1、主电路和控制电路5 3.2、I/0 分配图 6 3.3、控制电路梯形图及语句表7 3.4、PLC 接线图 .9 3.5、器件选择：9 第四章、心得体会第四章、心得体会13 参考文献参考文献14 附录附录15 农业装备工程学院课程设计说明书 0 第一章、绪论 数控技术是先进制造技术的基础，它是综合应用了计算机、自动控制、电 气传动、自动检测、精密机械制造和管理信息等技术而发展起来的高新科技。 作为数控加工的主体设备，数控机床是典型的机电一体化产品。数控机床代表 一个民族制造工业现代化的水平，随着现代化科学技术的迅速发展，制造技术 和自动化水平的高低已成为衡量一个国家或地区经济发展水平的重要标志。本 文主要讨论数控车床的零件加工工艺以及程序编制，主要以 FANUC 数控系统 为例，结合典型零件对数控车零件进行讲解。主要内容有关于数控车床的编程 方法、编程的注意事项、加工工艺分析、刀具的选用、刀位、轨迹计算。 机床是工业之母，它的技术含量的高低直接影响着产品质量的高低。随着 产品质量的精密化、个性化，产品品种的多样化，这对机床设备的要求越来越 高，当前我国正在大力发展先进制造和振兴装备制造业，我们看到当前在越来 越多的企业采用数控设备，在此可见此课程设计的时代意义！同时它涉及多门 学科，可以说此次设计是对过去所学有关课程知识的检验和提高！此部分设计 在整个系统中有着重要作用，它的精确性、可靠性直接决定着数控车床的精确 性、可靠性；总之此题具有一定实际可操作性和实际意义！ 数控（英文名字：Numerical Control 简称:NC）技术是指用数字、文字和 符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。数控车床是 目前使用最广泛的数控机床之一。数控车床主要用于加工轴类、盘类等回转体 零件。通过数控加工程序的运行，可自动完成内外圆柱面、圆锥面、成形表面、 螺纹和端面等工序的切削加工，并能进行车槽、钻孔、扩孔、铰孔等工作。 数控车床种类较多，但主体结构都是由：车床主体、数控装置、伺服系统 三大部分组成。NC 编程就是将加工零件的加工顺序、刀具运动轨迹的尺寸数据、 工艺参数（主运动和进给运动速度、切削深度）以及辅助操作（换刀、主轴正 反转、冷却液开关、刀具夹紧、松开等）加工信息，用规定的文字、数字、符 号组成的代码，按一定格式编写成加工程序。 农业装备工程学院课程设计说明书 1 第二章、PLC 现状及发展趋势 2.1 PLC 的定义 Programmable Logic Controller 简称为 PLC，即可编程控制器，是指以 计算机技术为基础的新型工业控制装置。 2.2 PLC 的发展历程 在工业生产过程中，大量的开关顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作， 并按照逻辑关系进行联锁保护动作的控制，及大量离散的数据采集。传统上， 这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968 年美国 GM 公司提出现代 继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子 技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编 程控制器，称 Programmable Controller(PC) PC 发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编 程控制器定名为 Programmable Logic Controller。现在，仍常常将 PLC 简称 PC。 PLC 的定义有许多种。国际电工委员会对 PLC 的定义是:可编程控制器是一 种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序 的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运 算等操作程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体， 易于扩充其功能的原则设计。 上世纪 80 年代至 90 年代中期，是 PLC 发展最快的时期，年增长率一直保 持为 3040%。PLC 在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能 力得到大幅度提高，PLC 逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程 控制领域处于统治地位的 DCS 系统。 2.3 PLC 的特点 1）高可靠性、抗干扰能力强 农业装备工程学院课程设计说明书 2 （1）所有的 I/O 接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与 PLC 内部电路之间电气上隔离。 （2）各输入端均采用 R-C 滤波器，其滤波时间常数一般为 1020ms。 （3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。 （4）采用性能优良的开关电源。 （5）对采用的器件进行严格的筛选。 （6）良好的自诊断能力，一旦电源或其他软、硬件发生异常的情况， CPU 立即采用有效措施，以防止故障的扩大。 （7）大型 PLC 还可以采用由双 CPU 构成冗余系统或有三 CPU 构成表 决系统，使可靠性更进一步提高。 2）丰富的 I/O 接口模块 PLC 针对不同的工业现场信号，如：交流或直流；开关量或模拟量；电压 或电流；脉冲或电位；强电或弱电等。有相应的 I/O 模块与工业现场的器件或 设备，如:按钮；行程开关；接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀等 直接连接。 另外为了提高操作性能，它还有多种人机对话的接口模块；为了组成工 业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。 3)配套齐全、功能完善、适用性强 PLC 发展到今天，已经形成了各种规模的系列化产品，可以用于各种规模 的工业控制场合。除了逻辑处理功能以为，PLC 大多具有完善的数据运算能力， 可用于各种数字控制领域。多种多样的功能单元大量涌现，使 PLC 渗透到了位 置控制、温度控制、CNC 等各种工业控制中。加上 PLC 通信能力的增强及人 体界面技术的发展，使用 PLC 组成各种控制系统变得非常容易。 4）系统的设计、工作量小、维护方便、容易改造 PLC 是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术 人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，为不 熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人从事工业控制打开了方便之门。 5）体积小、重量轻、能耗低 农业装备工程学院课程设计说明书 3 以超小型 PLC 为例，新近出产的品种底部尺寸小于 100mm，重量小于 150g，耗能仅数瓦。由于体积小容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想 设备。 2.4 PLC 发展重点 PLC 制造商纷纷通过收购或联合软件企业，或发展软件产业，大大提升了 其软件水平，多数 PLC 品牌拥有及的相应研发平台与组态软件，软件与硬件 组成，提升了系统性能，同时，为用户研发与维护减少了成本，使更易形成人 机友好控制系统，目前，PLC网络IPCCRT 模式被广泛使用。 PLC 厂家在原来 CPU 模板上供应物理层 RS232/422/485 接口基础上，逐 渐增加了各种通讯接口，而且供应完整通讯网络。由于近来数据通讯技术信息 发展很快，用户对开放性条件很强烈，现场总线技术信息及对以太网技术信息 也同步发展。如罗克韦尔 ab 公司主推三层网络构造体系，即 ETHERNET，CONTROLNET，DEVICENET，西门子公司在 PROFIBUS-DP 及 PROFIBUS-FMS 网络等。 PLC 在发展过程中，各 PLC 制造商为了垄断与扩大各自市场，处于群雄 割据局面，各自发展自己基准，兼容性很差，这给用户运用带来不便，并增加 了维护成本。开放是发展趋势，这已被各厂商所认识，形成了长时期妥协及竞 争过程，并且这一过程还在继续。开放前进，能从对下方面反映： 对以太网使用非常广泛，及工业网络相比，其成本非常低，为此，人们致力 于将对以太网引进控制领域。目前挑战在于：1 硬件上如何适应工业恶劣环境； 2 通讯机制怎么提升其可靠。对以太网能否顺利进入工控领域，还存在争论。 但对太网在工控系统使用却日益增多，适应这一过程，各 PLC 厂商纷纷发布 适应对以太网产品或中间产品。 农业装备工程学院课程设计说明书 4 第三章、总体设计 3.1、主电路和控制电路 图1 主电路图和控制电路 该车床共有三台电机：M1 为液压站电机，驱动液压站电机对零件加工部位 进行供液，电气控制要求是加工时起动供液，并能长期运转。M2 电动机是主轴 电机；主轴电机功能单一，主要用来夹持零件；M3 是工作台电机，主要用来夹 持刀具，拖动刀具具有进给和后退功能，并且可以自动和点动。 电源引入与故障保护：三相交流电源 U，V，W 经熔断器 FU，由 QS 隔离开 关引入到各电机,FU1，FU2 熔断器为短路保护环节，FR1，FR2 是热继电器加热 元件，对电动机 M1，M2 起过载保护作用。 工作台电机自动、点动和正反转及自动循环：KM4 与 KM5 分别为交流接触 器 KM4 与 KM5 的主触头。根据电气控制电气基本知识分析可知，KM4 主触头闭 合、KM2 主触头断开时，三相交流电源将分别接入电动机的 U1、V1、W1 三相绕 组中，M3 主动机将正转。反之，当 KM4 主触头断开、KM5 主触头闭合时，三相 交流电源将分别接入 M3 主电动机的 W1、V1、U1 三相绕组中，与正转时相比， U1 与 W1 进行了换接，导致 M3 主电动机反转。当操作台正转运动到限位开过关 时，正转自动停止，自动进行反转运动。 3.2、I/0 分配图 通过分析控制任务，这个控制系统共需要 13 个数字量的输入和 5 个数字 量的输出，CPU 型号可以选择 PLC 的型号为 CPU224，本机上有 14 个数字量 输入 和 10 个数字量出，因此，此 PLC 完全能够满足本设计要求。 农业装备工程学院课程设计说明书 5 表 1 根据输入输出和控制要求设计 I/O 分配如下图 SB1I0.0 液压站电机启动开关液压站电机启动开关 SB3I0.1 主轴电机启动开关主轴电机启动开关 SB4I0.2 主轴电停止机开关主轴电停止机开关 SB5I0.3 工作台电机总停开关工作台电机总停开关 SB6I0.4 工作台电机正转开关工作台电机正转开关 SB7I0.5 工作台电机反转开关工作台电机反转开关 SQ1I0.6 反转限位开关反转限位开关 SQ2I0.7 正转限位开关正转限位开关 SQ3 I1.0 正边限位保护行程开关正边限位保护行程开关 SQ4 I1.1 反边限位保护行程开关反边限位保护行程开关 SA1 I1.2 正转点动转换开关正转点动转换开关 SA2 I1.3 反转点动转换开关反转点动转换开关 SB2 I1.4 主轴电机总停止开关主轴电机总停止开关 M1 Q0.0 线圈线圈 KM1 M2Q0.1 线圈线圈 KM2 M2Q0.2 线圈线圈 KM3 M3Q0.3 线圈线圈 KM4 M3Q0. 4 线圈线圈 KM5 农业装备工程学院课程设计说明书 6 3.3、控制电路梯形图及语句表 农业装备工程学院课程设计说明书 7 农业装备工程学院课程设计说明书 8 3.4、PLC 接线图 图 2 接线图 3.5、器件选择： （ （1） ） 热继电热继电器器 利用电流的热效原理来工作的保护电器 主要用作：三相异步电动机的过载保护 由按钮、接触器、热继电器等组成的异步电动机直接起动控制电路 图 3 热继电器的图形和文字符号 （ （2） ） 交流接触器交流接触器 KM 用来频繁的接通和分断交直流主回路和大容量控制电路。主要控制对象是电 动机，能实现远距离控制，并有欠（零）电压保护功能。 农业装备工程学院课程设计说明书 9 图 4 交流接触器图形符号和文字符号 （ （3） ） 熔断器熔断器 作用：利用金属的熔化来切断电路，以保护电器，短路保护。 结构：熔体（保险丝）和熔座（安装熔体） 形状：片状、丝状、和笼状 型号：常用的熔断器有瓷插式 RCIA 系列、封闭管式及螺旋式 RL1系列等 多种。 图5熔断器图形符号和文字符号 用于保护单台长期工作电动机（即供电支线）的熔断器，考虑电动机启动 时不应熔断，即 ： Ire= (1.52.5) 轻载启动或启动时间比较短时，系数可取近似 1.5。带重载启动或启动时间 比较长时系数可近似 2.5。 （液压站电机：Y90L2, 2.2KW 额定电流 4.8A;主轴电机：Y132S12， 5.5KW,额定电流 11.1A;工作台电机：Y100L14, 2.2KW,额定电流 5A） FU1：Ire1.5*4.8=7.2A;。 FU2:Ire1.5*11.1=16.65A; FU3: Ire1.5*5=7.5A; 农业装备工程学院课程设计说明书 10 所以可以选型号为 RT0 的熔断器。 （RT0:熔管额定电流 50A, 熔体额定电流 5,10,15,20,30,40,50，极限分断电 流 50KA，功率因数 0.10.2。 ） （ （4） ） 按按钮钮 按钮，是一种常用的控制电器元件，常用来接通或断开控制电路（其中 电流很小） ，从而达到控制电动机或其他电气设备运行目的的一种开关。 图6三种常见的触头 （ （5） ） 行程开关行程开关 行程开关，位置开关（又称限位开关）的一种，是一种常用的小电流 主令电器。 在电气控制系统中，位置开关的作用是实现顺序控制、定位控制和位置 状态的检测。用于控制机械设备的行程及限位保护。 图 7 位置开关的图形符号及文字符号 （ （6）刀开关）刀开关 QS 刀开关主要用于接通和切断长期工作设备的电源及不经常启动和制动、 农业装备工程学院课程设计说明书 11 容量小与 7.5KW 的异步电动机。刀开关在安装时，手柄向上，不得倒装或 平装，避免由于重力自由下落而引起误动作和合闸。由于是三相电路，选择 三极刀开关。 表 2 电动机及电器元件明细表 符号符号名称及用途名称及用途符号符号名称及用途名称及用途 M1液压站电机SQ1正转限位开关 M2主轴电机SQ2反转限位开关 M3工作台电机SQ3 正转超限位保护 行程开关 SA1 正转自动手动工 作选择开关 SQ4 反转超限位保护 行程开关 SA2 反转自动手动工 作选择开关 FR1FR3热继电器 SB1 液压站电机总停 开关 FU1FU3短路保护熔断器 SB2 主轴电机启动开 关 KM1 液压电机起动接 触器 SB3 主轴电机总停开 关 KM2 和 KM3 主轴电机正反转 接触器 SB4 工作台电机总停 开关 KM4 工作台电机正转 起动接触器 SB5 工作台电机正转 起动开关 KM5 工作台电机反转 起动接触器 SB6 工作台电机反转 转起动开关 QS隔离开关 农业装备工程学院课程设计说明书 12 第四章、心得体会 我所做课程设计的题目是机床电机控制。题目虽然简单，但我做到了认真 对待。任务书要求我完成三个异步电动机都能正向启动，其中要求工作台电机 正向运转到指定位置自动切换到反向运行，反向运转到指定位置自动切换到正 向运行。我做的这个题目是最基本的，基本上涵盖了电动机运动时的主要功能 （正、反转，点动，自动） 。还有一些，例如：制动，多地控制，计时、计数器 等功能在帮同学分析他们的设计的时候也有接触到，有所了解。通过做这次设 计我对课本知识的掌握又加深了，与同学探讨的也很深刻，一边设计，一边查 阅资料，一边探讨，可以说是一种享受，也是一次对知识的升华。 两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识， 也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。 在设计过程中，和同学们相互探讨，相互学习。学会了合作，学会了运筹帷幄， 学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。课程设计是我们专业课程知 识综合应用的实践训练是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程