机电控制技术课程设计-摇臂钻床电气控制设计（全套图纸）.doc

目 录1 机电控制技术课程任务书1.1 课程题目.21.2 设计目的及要求.32 机床继电器接触器控制系统设计2.1 摇臂钻床简介.8 2.3摇臂钻床电气控制特点与控制要求.92.4电气控制电路分析.102.5 总体设计思路.。.102.6主电路与控制电路的设计.113.机床PLC控制系统设计3.1确定PLC的输入输出点数.123.2PLC梯形图设计.134 安装、接线及系统联合测试4.1 硬件调试 .144.2 软件调试和模拟调试.155 总结.166 参考文献.161 绪论1.1 课程题目：摇臂钻床电气控制系统1.2 设计目的1、熟悉电气控制系统的一般设计原则、设计内容及设计程序。2、掌握电气设计制图的基本规范，熟练掌握PLC程序设计的方法和步骤。3、学会收集、分析、运用电气设计有关资料及数据。4、培养独立工作和工程设计能力以及综合运用专业知识解决实际工程问题全套图纸加1538937061.3 设计要求1主轴电动机控制 主轴电动机为单向旋转，由按钮、和接触器实现起动和停止控制。主轴的正、反转则由电动机拖动齿轮泵送出压力油，通过液压系统操纵机构，配合正、反转摩擦离合器驱动主轴正转或反转。2摇臂升降控制 摇臂钻床在加工时，要求摇臂应处于夹紧状态，才能保证加工精度。但在摇臂需要升降时，又要求摇臂处于松开状态，否则电动机负载大，机械磨损严重，无法升降工作。摇臂上升或下降时，其动作过程是，随着升降指令发出，先使摇臂与外立柱处于松开状态，而后上升或下降，待升降到位时，要自行重新夹紧。由于松开与夹紧工作是由液压系统实现，因此，升降控制必须与松紧机构液压系统紧密配合。为升降电动机，由按钮、点动控制接触器、接通或断开，使电动机正、反向旋转，拖动摇臂上升或下降移动。为液压泵电动机，通过接触器，接通或断开，使电动机正向带动双向液压泵送出压力油，经二位六通阀至摇臂夹紧机构实现夹紧与松开。下面以摇臂上升为例简述动作过程：按下按钮，时间继电器线圈通电，瞬时常开触点(13-14)闭合，接触器线圈得电，液压泵电动机起动旋转带动液压泵送出压力油，同时断电延时断开的常开触点(1-17)闭合，使电磁阀线圈得电，液压泵输出的压力油经二位六通阀进入摇臂夹紧机构的松开油腔，推动活塞和菱形块，将摇臂松开。同时，活塞杆通过弹簧片压上行程开关发出摇臂已松开信号。此时，触点(6-13)断开，使接触器线圈断电，液压泵电动机停转，油路单向阀保压，摇臂处于松开状态。与此同时，触点(6-7)闭合，接触器线圈得电，升降电动机得电起动旋转，带动摇臂上升，待摇臂上升至所需位置时，松开按钮，线圈断电，电动机停转，摇臂停止上升。同时线圈也断电，常闭触点(17-18)瞬时闭合，而其延时断开的常开触点(1-17)仍未打开，使电磁阀继续得电，同时接触器线圈得电，液压泵电动机反转，反向送出压力油，经二位六通阀反方向推动活塞和菱形块，将摇臂夹紧。延时打开触点，经过13延时后断开，同时活塞杆通过弹簧压下行程开关，使触点 (1-17)也断开，电磁阀、线圈断电。液压泵电动机停转，摇臂上升后重新夹紧过程结束。行程开关为摇臂放松信号开关。行程开关为摇臂夹紧信号开关。时间继电器延时断开常开触点是为保证当瞬间操作或，使得电摇臂开始松开后放开或时，若过早断电，可能造成摇臂处于半松开状态。有了延时断开触电(1-17)后，则能在线圈断电13内处于闭合状态，使线圈得电，液压泵电动机反向旋转，使摇臂重新夹紧，直到延时时间到，触点断开，动作，断电为止，这样就保证了摇臂在加工工件前总是处于夹紧状态。3夹紧、松开控制 Z3040型摇臂钻床除了上述摇臂上升下降过程需要夹紧、松开控制外，还有主轴箱和立柱的松开、夹紧控制。主轴箱和主柱的松开、夹紧从液压系统中看出二者是同时进行的。当按下松开按钮，接触器线圈得电，液压泵电动机正转，拖动液压泵输送出压力油，经二位六通阀，进入主轴箱与立柱的松开油缸推动活塞和菱形块，使主轴箱与立柱实现松开，此时由于不得电，压力油不会进入摇臂松开活塞，摇臂仍处于夹紧状态。当主轴箱与立柱松开时，行程开关不受压，触点(10l-102)闭合，指示灯亮，表示主轴箱与立柱处于松开状态，可以手动操作主轴箱在摇臂的水平导轨上移动至适当位置。同时推动摇臂(套在内立柱上)使外立柱绕内立柱旋转至适当的位置，按下夹紧按钮，接触线圈得电，电动机反转，拖动液压泵输送出反向压力油至夹紧油缸，使主轴箱和立柱夹紧。同时行程开关压下，触点(101-102)断开，灯暗，而(101-103)闭合，灯亮，指示主轴箱与立柱处于夹紧状态，可以进行钻削加工。4冷却泵电动机控制 冷却泵电动机容量小(0.125)，由开关控制单向旋转。5联锁、保护环节 电路中利用实现摇臂松开到位，开始升降的联锁控制，利用，实现摇臂完全夹紧的联锁控制。通过延时断开的常开触点实现摇臂松开后自动夹紧的联锁控制。摇臂升降除了按钮、机械互锁外，还采用、电气的双重互锁控制。主轴箱与立柱进行松开、夹紧工作时，为保证压力油不供给摇臂夹紧油路，通过、常闭触点切断线圈电路，达到联锁目的。电路利用熔断器作为总电路和电动机、的短路保护。利用熔断器作为电动机、及控制变压器一次侧的短路保护，利用热继电器为电动机的过载保护，为电动机的过载保护。组合行程开关作为摇臂上升、下降的极限位置保护，有两对常闭触点，当摇臂上升下降至极限位置时，相应触点动作切断与其对应的上升下降接触器、，使电动机停止转动，摇臂停止升降，实现升降极限位置保护，电路中失压或欠压保护由各接触器实现。6照明与信号指示电路 通过控制变压器降压提供照明灯安全电压，由SA2开关操作。熔断器作为短路保护。当主轴电动机工作时，触点(101-104)接通，指示灯亮，表示主轴工作；当主轴箱、立柱处于夹紧状态时，触点(101-l03)接通，灯亮。主轴箱、立柱处于松开状态，触点(101-102)接通，灯亮。摇臂钻床电器元件列表 符 号 名 称 及 用 途 符 号 名 称 及 用 途M1主电动机YA1 主轴箱放松、夹紧用电磁铁M2摇臂升降电动机YA2 立柱松开、夹紧用电磁铁M3液压泵电动机K1 工作准备用中间继电器M4冷却泵电动机SA1 机床工作灯开关KM1主轴旋转接触器SA2 主轴箱、立柱松开、夹紧用转换开关KM2摇臂上升接触器FR1 M1电动机过载保护用热继电器KM3摇臂下降接触器FR2 M3电动机过载保护用热继电器KM4主轴箱、立柱、摇臂放松接触器TC 控制变压器KM5主轴箱、立柱、摇臂夹紧接触器SB1 总起动按钮KT1摇臂上升、下降用时间继电器SB2 主电动机起动按钮KT2主轴箱、立柱和摇臂放松、夹紧用时间继电器SB3 摇臂上升起动按钮KT3主轴箱、立柱和摇臂放松、夹紧用时间继电器SB4 摇臂下降起动按钮SQ1摇臂升降极限保护限位开关SB5 主轴箱、立柱、摇臂松开按钮SQ2摇臂放松用限位开关SB6 主轴箱、立柱、播臂夹紧按钮SQ3摇臂夹紧用限位开关SB7 总停止按钮SQ4立柱夹紧、放松指示用限位开关SB8 主电动机停止按钮QF1QF4电源引入兼做短路保护用断路器HL1HL4 工作状态指示信号灯QF5工作灯用断路器EL 机床工作灯QF6冷却泵电动机电源断路器 2 器件选择2.1 摇臂钻床简介钻床是一种用途广泛的万能机床，可进行钻孔、扩孔、铰孔、攻螺纹及修刮断面等多种形式的加工。钻床按结构型式可分为立式钻床、卧式钻床、摇臂钻床、深孔钻床、台式钻床等。在各种钻床中，摇臂钻床操作方便，灵活，使用范围广，特别适用于带有多孔大型工件的孔加工，式机械加工中床用的机床设备，具有典型性。摇臂钻床的摇臂可绕立柱回转和升降，它与立式钻床的区别是主轴可方便地在水平面上调整位置，使刀具对准被加工孔轴心，而工件则固定不动。因此，对于加工大而重的工件上的孔带来很大的方便。2.2摇臂钻床电气控制特点与控制要求一 电气控制特点1）摇臂钻床运动部件比较多，多简化传动装置，采用多电动机拖动，分别是主轴电动机、摇臂升降电动机、液压泵电动机及冷却泵电动机。2）Z3040型摇臂钻床是机、电、液的综合控制。机床由二套液压系统：一套是单向旋转的主轴电动机拖动齿轮泵送出压力油，通过操作手柄来操纵机构实现轴正、反转、停车制动、空挡、预选与变速的操纵机构液压系统：另一套使由液压泵电动机拖动液压泵送出压力油来实现摇臂的夹紧与松开、主轴箱和立柱的夹紧和放松的夹紧机构液压系统。 3）摇臂的升降控制与摇臂夹紧放松的控制有严格的程序要求，以确保先松开，再移动，移动到位后自动加紧。所以对M3、M2电动机的控制有严格程序要求，这些由电气控制电路控制，液压、机械配合来实现。4）电路具有完善的保护和联锁。二 控制要求 1）4台电动机容量均较小，采用直接起动方式，主轴要求正反转，但采用机械方法实现，主轴电动机单向旋转。 2）升降电动机要求正反转。液压泵电动机用来驱动液压泵送出不同流向的压力油，推动活塞、带动菱形块动作来实现内外立柱的夹紧与放松以及主轴箱和摇臂的加紧与放松，故液压泵电动机要求正反转。3）摇臂的移动严格按照摇臂松开摇臂移动移动到位摇臂夹紧的程序进行。因此，摇臂的加紧放松与摇臂升降应按上述程序自动进行。 4）钻削加工时，应由冷却泵电动机拖动冷却泵，共处冷却液进行钻头冷却。 5）要求有必要的联锁与保护环节。 6）具有机床安全照明电路与信号指示电路。2.3电气控制电路分析在Z3040型摇臂钻床电气原理图中M1为主轴电动机，M2为摇臂升降电动机，M3为液压泵电动机，M4为冷却泵电动机。 主轴箱上装有4个按钮SB2、SB1、SB3与SB4分别是主电动机起动、停止按钮，摇臂上升、下降按钮。主轴箱转盘上的2个按钮SB5、SB6分别为主轴箱及立柱松开按钮和夹紧按钮。转盘为主轴箱左右移动按钮，操纵杆则操纵主轴的垂直移动，两者均为手动。主轴也可机动进给。一 主电路分析 三相电源由低压断路器QS控制。M1为单向旋转，由接触器KM1控制。主轴的正反转式另一套由主轴电动机拖动齿轮泵送出压力油的液压系统，经“主轴变速、正反转及空挡” 操作手柄来获得的。M1由热继电器FR1作过载保护。 M2由正反转接触器KM2、KM3 控制实现正反转，因摇臂移动是短时的，不用设过载保护，但与摇臂的放松与夹紧之间有一定的配合关系，这由控制电路去保证。 M3由接触器KM4、KM5控制实现正反转，设有热继电器FR2作过载保护。 M4电动容量小，仅0.125kW，由开关SA1控制起动、停止。二 控制电路分析1.主轴电动机控制 由按钮SB1、SB2与接触器KM1构成主轴电动机起动-停止控制电路，M1启动后，指示灯HL3亮，表示主轴电动机在旋转。2.摇臂升降及夹紧、放松控制 摇臂钻床工作时摇臂应夹紧在外立柱上，发出摇臂移动信号后，须先松开夹紧装置，当摇臂移动到位后，夹紧装置再将摇臂夹紧。本电路能自动完成这一过程。3.主轴箱与立柱的夹紧、放松控制 立柱与主轴箱均采用液压操纵加紧与放松，两者是同时进行的，工作时要求二位六通阀YV不通电。松开与夹紧分别有松开按钮SB5和夹紧按钮SB6控制。指示灯HL1、HL2指示其动作。 4.冷却泵电动机M4的控制 M4电动机由开关SA1手动控制、单向旋转。5.联锁与保护环节 SQ1行程开关实现摇臂上升与下降的限位保护。SQ2行程开关实现摇臂松开到位，开始升降的联锁。SQ3行程开关实现摇臂完全夹紧，液压泵电动机M3停止运转的联锁。KT时间继电器实现升降电动机M2断开电源、带M2停止后在进行夹紧的联锁。M2电动机正反转具有双重互锁，M3电动机正反转具有电气互锁。 SB5、SB6立柱与主轴箱松开、夹紧按钮的常闭触头串接在电磁阀YV线圈电路中，实现露珠与主轴箱松开、夹紧操作时，压力油至进入立柱与主轴箱夹紧油腔而不进入摇臂夹紧油腔的联锁。 熔断器FU1FU3实现电路的短路保护。热继电器FR1、FR2为电动机M1、M3的过载保护。三 照明与信号指示电路分析HL1为主轴箱与立柱松开指示灯，灯亮表示已松开，可以手动操作主轴箱沿摇臂移动或推动摇臂回转。 HL2为主轴箱与立柱加紧指示灯，灯亮表示已夹紧，可以进行钻削加工。 HL3为主轴箱旋转工作指示灯。 2.4 电器的选择:1.电源开关QS的选择： QS的作用主要是用于电源的引入及控制M1M4起、停和正反转等。因此QS 的选择主要考虑电动机M1M4额定电流和启动电流，由前面已知M1M4的额定电流数值，通过计算可得额定电流之和为10.68A，同时考虑到，M2、M3、M4量为满载启动，在功率较小，M1虽功率较大，但为轻载启动。所以，QS最终选择组合开关HZ5-20型，额定电流为20A。2.热继电器FR的选择：根据电动机的额定电流进行热继电器的选择，由前面M1、M2和M3的额定电流，现选择如下：FR1选用JR16-20/3D型热继电器。热元件额定电流11A额定电流调节范围为6.811A工作时调整在6.82A. FR2选用JR16-20/3型热继电器。热元件额定电流2.4A额定电流调节范围为1.52.4A工作时调整在1.42A。 3.接触器的选择: 根据负载回路的电压、电流，接触器所控制回路的电压及所需点的数量等来进行接触器的选择。本设计中KM1主要对M1进行控制，而M1额定电流为6.82A，控制回路电源为127V，需要主触点两对，所以，KM1选G0-10型接触器，主触点额定电流为10A，线圈电压为127V。KM2与KM3对进行控制，而M2额定电流为2.01A，控制回路电源为127V各需要主触点两对，KM2的辅助动断触点一对，KM3的辅助动断触点一对，所以，KM2、KMCD10-5型接触器，主触点额定电流为5A，线圈电压为127V。KM4与KM5对M3进行控制，而M3的电流为1.42A，控制回路电源为127V，各需要主触点三对，KM4的辅助动断触点一对，KM5的动断触点一对，所以，KM4、KM5选CJ10-5型接触器。4. 时间继电器的选择本设计中由于摇臂的升降需要延时控制。需要常开触点一个，延时闭合动断触点一个，延时断开动合触点一个，我们选ISSI型时间继电器。额定电压AC127V、DC24V,额定功耗小于5W,动作频率1200次/h。5.熔断器的选择根据熔断器的额定电压、额定电流和熔体的额定电流等进行熔断器的选择。本设计中涉及到熔断器有三个：FU1、FU2、FU3。FU1主要对M1、M4进行短路保护，M1、M4额定电流分别为6.82A、0.43A。因此，熔体的额定电流为： Iful(1.5-2.5)INmax+IN 计算可得Iful17.48A，因此FU1选择RL1-60型熔断器，熔体为20A. 同理：FU2选择RL1-15型熔断器，熔体为10A；FU3选择RL1-15型熔断器，熔体为2A。 6.按钮的选择 根据需要的触点数目、动作要求、使用场合、颜色等进行按钮的选择。本设计中SB1、SB4选择LA-18型按钮，颜色为红色，选择SB2、SB5选择LA-18型按钮，颜色为绿色，SB3、SB6选择LA-18型按钮，颜色为黑色。 7.照明及指示灯的选择 本设计中，电源指示灯EL选择JC2，交流36V、40W，与灯开关SA2成套配置；指示灯HL1、HL2、HL3选择ZSD-0型，指标为6.3V，0.25A，颜色为黄色，绿色，红色各一个。 8.控制变压器的选择 本设计中，变压器选择BK-100VA,380V、220V/127V、36V、6.3V3 电器控制线路设计3.1 总体设计思路三相电源由低压断路器QS控制。M1为单向旋转，由接触器KM1控制。主轴的正反转式另一套由主轴电动机拖动齿轮泵送出压力油的液压系统，经“主轴变速、正反转及空挡” 操作手柄来获得的。M1由热继电器FR1作过载保护。 M2由正反转接触器KM2、KM3 控制实现正反转，因摇臂移动是短时的，不用设过载保护，但与摇臂的放松与夹紧之间有一定的配合关系，这由控制电路去保证。 M3由接触器KM4、KM5控制实现正反转，设有热继电器FR2作过载保护。 M4电动容量小，仅0.125kW，由开关SA1控制起动、停止。3.3摇臂钻床的梯形图据Z3040型摇臂钻床电气控制要求，其输入输出均为开关量。需要PLC检测的输入信号包括8个按钮、个限位开关、个热继电器等输人信号，共计16个。而PLC的输出控制信号为个接触器、1个电磁阀、个指示灯等，共个。因此，选用三菱公司的FX1N-40MR（继电器输出，整体式）PLC即能满足控制要求。输入输出设备与PLC端子分配及I/O接线图如下图所示。 Z3040型摇臂钻床主要是电动机正反转控制和限位控制，相对比较简单。根据控制要求，并参考电气控制线路图，可直接画出PLC控制的梯形图。在设计中要考虑PLC控制与继电接触器控制的不同，主要注意以下几点： （1） 在继电接触器控制系统中，停止按扭与热继电器均用常闭点，为了与继电接触器控制电路一致，在PLC梯型图中同样也要用常闭点，这样一来，与输入端子相接的停止按扭和热继电器触点，就必须用常开触点。 （2） 根据PLC的工作原理图可知，当输入端接常闭触点，若输入端的常闭触点未动作，相对应的输入继电器线圈得电。若此输入继电器的常闭触点与输出继电器线圈串联，则输出继电器不能得电。（3） 对同一台电动机进行正反转切换控制时，因为PLC执行梯形图程序的速度要比接触器动作速度快得多，必须采用PLC内部的时间继电器（定时器T0）进行延时控制，否则会造成正反转同时接通引起电源短路。综上所述，Z3040型摇臂钻床的梯形图程序（该程序用三菱编程软件GX编制）如下图所示。梯形图4安装、接线及系统联合测试4.1 硬件调试PLC内部为输入电路所提供的电压，恰好可以直接驱动负载，满足其输出指标，按接线图接好线，证明PLC选型正确，光电传感器的选择符合要求。4.1.1现场调试在模拟调试合格的前提下，将PLC与现场设备连接。现场调试前要全面检查整个PLC控制系统，包括电源、接地线、设备连接线、I/O连线等。在保证整个硬件连接正确无误的情况下才可送电。将PLC的工作方式置为“RUN”。反复调试，消除可能出现的问题。当试运一定时间且系统运行正常后，可将程序固化在具有长久记忆功能的存储器中，做好备份。4.1.2欧姆龙联机调试 联机调试是将通过模拟调试的程序进一步进行在线统调。联机调试过程应循序渐进，从欧姆龙只连接输入设备、再连接输出设备、再接上实际负载等逐步进行调试。如不符合要求，则对硬件和程序作调整。通常只需修改部份程序即可。 全部调试完毕后，交付试运行。经过一段时间运行，如果工作正常、程序不需要修改，应将程序固化到EPROM中，以防程序丢失。 4.2 软件调试和模拟调试按接线图接好线后，将程序的指令用欧姆龙编程软件输入到PLC系统中，编程器直接对PLC的用户程序储存器进行读写操作。采用脱机编程方式将所编制的用户程序存入编程器的ROM中后，经过多次调试。将设计好的程序下载到PLC主单元中。由外接信号源加入测试信号，可用按钮或小开关模拟输入信号，用指示灯模拟负载，通过各种指示灯的亮暗情况了解程序运行的情况，观察输入/输出之间的变化关系及逻辑状态是否符合设计要求，并及时修改和调整程序，直到满足设计要求为止。欧姆龙程序模拟调试的基本思想是，以方便的形式模拟产生现场实际状态，为程序的运行创造必要的环境条件。根据产生现场信号的方式不同，模拟调试有硬件模拟法和软件模拟法两种形式。 1)硬件模拟法是使用一些硬件设备(如用另一台PLC或一些输入器件等)模拟产生现场的信号，并将这