组合机床的电气控制系统设计.doc

目 录第一章 设计概述11.1 组合机床的概述11.2 设计要求1第二章 组合机床的电气控制线路设计22.1 选择并确定控制方案22.2 确定机床的工作循环22.3 确定液压动力滑台系统的工作过程42.4 机床电气传动的特点及控制要求52.5 机床电气控制线路设计62.6 选择电气元件72.7 制定电动机和电气元件明细表11第三章 组合机床的可编程控制器控制系统的设计133.1 在设计可编程控制器系统时，应遵循以下基本原则133.2 工艺要求及动作流程133.3 PLC选型133.4 I/O点地址编号及硬件接线143.5 软件编制15第四章 总结17第五章 参考文献18第一章 设计概述1.1 组合机床的概述组合机床通常是采用多刀、多面、多工序、多工位同时加工，由通用部件和专用部件组成的工序集中的高效率专用机床。它的电气控制线路是将各个部件组合成一个统一的循环系统。在组合机床上可以完成钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、攻螺纹、铣削及磨削等工序。组合机床用于大批量生产。组合机床的控制系统大多采用机械、液压或气动、电气相结合的控制方式。其中，电气控制又起中枢连接的作用。因此，应分析组合机床电气控制系统与机械、液压或气动部分的相互关系。1.2 设计要求设计两面加工组合机床的电气控制线路及其可编程控制器的控制系统。要求如下：1）能按照本组最终要求合理设计继电器电气原理图，PLC电气原理图，再做成控制板，最后连线试验。2）要求上交1份设计说明书，2张图纸，测试结果。第二章 组合机床的电气控制线路设计2.1 选择并确定控制方案组合机床组成部件不是一成不变的，它将随着生产力的向前发展而不断更新，因此与相适应的电气控制线路也随着更新换代，目前主要有以下两种：1） 机械动力滑台控制线路机械动力滑台和液压动力滑台都是完成进给运动的动力部件，两者区别仅在于进给的驱动方式不同。动力滑台与动力头相比较，前者配置成的组合机床较动力头更为灵活。在动力头上只能安装多轴箱，而动力滑台还可以安装各种切削头组成的动力头，用来组成卧式、立式组合机床，以完成钻、扩、铰、镗、刮端面、倒角和攻螺纹等工序，安装分级进给装置后，也可用来钻深孔。一般机械动力滑台由滑台、机械滑座及双电动机（快速电动机和进给电动机）传动装置三部分组成。滑台进给运动的自动循环是通过传动装置将动力传递给丝杆来实现的。2） 液压动力滑台控制线路液压动力滑台与机械动力滑台在结构上的区别在于：液压动力滑台的进给运动的借助压力油通过液压缸的前腔和后腔来实现的。液压动力滑台由滑台、滑座及液压缸三部分组成，液压缸驱动滑台在滑座上移动。液压动力滑台也具有前面机械动力滑台的典型自动工作循环过程，它是通过电气控制线路控制液压系统来实现的。滑台的工进速度是通过调整节流调速阀进行无级调速的。电气控制一般采用行程原则、时间原则控制方式及压力控制方式。组合机床电气控制系统总的特点，是它的基本电路可根据通用部件的典型控制电路和一些基本控制环节组成，再按加工、操作要求以及自动循环过程，无须或只要作少量修改综合而成。本设计采用一个液压动力滑台和两个铣削动力头来实现两面加工的组合机床电气控制电路。 2.2 确定机床的工作循环组合相床由底座、床身、液压动力滑台、铣削动力头、液压站等通用部件以及有关的专用部件组成，如图2-1所示。组合机床的工作循环如图2-2所示。1左电动机；2左变速箱；3液压缸；4右变速箱；5右电动机；6滑台；7工件；8夹具；9机座图2-1 组合机床结构示意图图2-2 组合相床工作循环图加工时，工件随夹具安装在液压动力滑台上，当发出加工指令后，工作台作快速进给，工作接近动力头时，工作台改为工作进给速度进给，同时，左铣削动力头启动加工，当进给到一定位置时，右动力头也启动两面同时加工，直至终点时工作进给停止，两动力头停转，经死挡铁停留后，液压动力滑台快速退回原位并停止，工作循环结束。2.3 确定液压动力滑台系统的工作过程图2-3 液压动力滑台的液压系统图液压系统工作过程如下。（1） 快速趋进 液压泵电动机启动后，按SB3按钮发出滑台快速移动信号，电磁铁YV1得电，三位五通电磁阀向右移，控制油路开通，控制三位五通液控换向阀向右移，接通工作油路，压力经过行程阀进入液压缸大腔，而小腔内回油经过三位五通液控换向阀、单向阀、行程阀再进入大腔，液压缸体、滑台、获得向前快速移动。（2） 工作进给 滑台快速移动到工件接近铣削动力头时，滑台上的挡铁压下行程阀，切断压力油通路，此时压力油只能通过调速阀进入液压缸大腔，减少进油量，降低滑台移动速度，滑台转为工进进给。此时由于负载增加，工作油路油压升高，顺序阀打开，液压缸小腔的回油不再经单向阀流入液压缸大腔，而是经顺序阀流回油箱。（3） 死挡铁停留 液压动力滑台工作进给结束时（铣削加工完成），滑台撞上死挡铁，停止前进，但油路仍处于工作进给状态，液压缸大腔内继续进油，至使油压升高，压力继电器KP动作。（4） 快速退回停于原位死挡铁停留，压力继电器KP动作，其常闭触点打开，使电磁铁YV1失电 ，KP常开触点闭合，电磁铁YV2得电，三位五通电磁阀左移，控制油控制阀左移，工作压力油直接进入液压缸小腔，使液压缸体、滑台、工件迅速退回。同时大腔内的回油经单向阀、三位五通液控换向阀无阻挡地流回油箱。工作台快速退回原位时，压下原位行程开关，电磁铁YV2失电，在弹簧作用下，液控换向阀处于中间状态，切断工作油路，系统中各元件均恢复原位状态，滑台停于原位，一个工作循环结束。表2-1 元件动作表工步YV1YV2KP原位快进+工进+死挡铁停留+/+快退+2.4 机床电气传动的特点及控制要求（1）两台铣削动力头分别由两台笼型异步电动机拖动，单向旋转，无须电气变速和停机制动控制，但要求铣刀能进行点动对刀。 （2）液压泵电动机单向旋转，机床完成一次半自动工作循环后，液压泵电动机不停机，当按下总停机按钮时才停机。（3）加工到终点，动力头完全停止后，滑台才能快速退回。（4）液压动力滑台前进、后退能点动调整。（5）电磁铁YV1、YV2采用直流供电。（6）机床具有照明、保护和调整环节。2.5 机床电气控制线路设计（1）电动机控制电路M1为液压泵电动机，操作按钮SB2或SB1，使KM1得电或失电，控制电动机启动或停止。机床所有的操作都必须在液压泵电动机启动以后进行。SA1为机床半自动工作与调整工作的选择开关。SA1开关置于A位置时机床实现半自动工作，左、右铣削动力头的电动机M2与M3分别由滑台移动到位，压下行程开关SQ2与SQ3，使KM2、KM3得电并自锁，M2、M3分别启动工作。加工到终点时，滑台压下终点行程开关SQ4，使KM2、KM3断电，两动力头停转。（2）液压动力滑台控制液压泵电动机启动工作后，按下按钮SB3，继电器KA1得电并自锁，电磁铁YV1得电，控制液压滑台快速趋近，至滑台压下行程阀，滑台转为工作进给速度进给。工作进给至终点，死挡铁停留，进油路油压升高，到压力继电器动作。KA1失电，电磁铁YV1失电，同时KA2得电，电磁铁YV2得电，滑台快速退回到原位，压下原位行程开关SQ1，KA2失电，YV2失电，滑台停在原位，一个工作循环结束。（3）照明电路机床照明灯EL通过控制变压器T1降压为24，由开关SA2控制。（4）保护与调整环节熔断器FU1用于对电动机M1，变压器T1、T2一次侧进行短路保护。FU2用于对电动机M2、M3短路保护，FU3用于对控制电路短路保护，FU4用于对照明电路短路保护，FU5用于对电磁铁线圈电路短路保护。三台电动机的过载保护分别由FR1、FR2、FR3热继电器实现，为了保护刀具与工件安全，当其中一台电动机过载时，要求其余两台电动机均应停止工作。因此，热继电器的常闭触点均应接在控制电路的总电路中。组合机床是由通用部件和专用部件组成。组合机床在整机的安装、调试过程中，希望各部件能灵活方便地进行单独调试，而不影响其它部件。因此，控制电路应具有对自动加工与调整工作状态的控制作用。左、右动力头调整点动对刀时，通过操作转换开关SA1于调整位置M，分别按下按钮SB7、SB8，实现左、右动力头点动对刀的调整。液压动力滑台前进、后退的调整是将SA1开关置于位置，切断KM2、KM3线圈电路，使滑台移动到SQ2、SQ3位置时，左、右铣削动力头不应起动工作。按下点动按钮SB5、SB6，分别使KA1、KA2得电，获得滑台前进与后退的点动调整工作。（5）绘制电器原理图根据各局部线路之间的相互关系和电气保护线路，完成电气原理图，如(附录一)所示。2.6 选择电气元件2.6.1 电动机M1、M2、M3的选择合理地选择电动机是指从驱动机床的具体对象、加工规范，也就是要从机床的使用条件出发，即从经济、合理、安全等多方面考虑，使电动机能够安全可靠地运行。在机床中，现阶段Y系列电动机具有高效，节能，性能好，振动小，噪声小，寿命长，可靠性高，维护方便，启动转矩大等优点而得到广泛的应用。考虑到以上情况，所以选择液压泵电动机M1的型号为Y160M4，额定功率为11kW，额定电压为380V ，额定电流为22.6A，额定转速为1460r/min。选择左、右动力头电动机M2、M3的型号为Y90L4，额定功率为1.5kW，额定电压为380V ，额定电流为3.7A，额定转速为1400r/min。2.6.2 电源引入开关的选择开关选用原则：（1）开关的额定工作电压线路额定电压；（2）开关的额定电流线路负载电流；（3）有热继电器装置的开关，其热继电器整定电流应当与所控制负载额定电流一致；（4）有电磁继电器装置的开关，其电磁继电器瞬时整定电流应不小于负载电路正常工作峰值电流；（5）有欠电压继电器装置的开关，其欠电压继电器额定电压就不小于线路额定电压。Q主要作为电源隔离开关用，并不用它来直接启停电动机，可按电动机额定电流来选。中、小型机床常用组合开关，选用HZ1025/3型，额定电流为 25A，为三级组合开关。2.6.3 热继电器的选择热继电器的选用原则：（1）用做断相保护时，对Y接法应使用一般不带断相保护装置的两相或三相热继电器。对接法应使用带断相保护装置的继电器。（2）用做长期工作保护或间断长期保护时，根据电动机启动时间，选取6倍的额定电流（6IN）以下具有可返回时间的热继电器。其额定电流或热元件整定电流应等于或大于电动机或被保护电路的额定电流。继电器热元件的整定值一般为电动机或被保护电路额定电流的11.15倍。液压泵电动机M1的额定电流为22.6A，所以FR1应选用JR2025，元件号3T型热继电器，热元件电流为25A，整定电流调节范围为172125A，工作时将额定带暖流调整为22.6A。同理，FR2、FR3应选用JR2010型,热元件号为10R的热继电器，热元件电流为4A，整定电流调节范围为3.244.8A，工作时将额定电流调整为3.7A。2.6.4 压力继电器KP选用原则是：根据被控制电路的电压等级，所需触点数量、种类和容量等要求来选择。应选用JZ744型中间继电器作为压力继电器，额定电流5A。2.6.5 中间继电器的选择选用原则是：根据被控制电路的电压等级，所需触点数量、种类和容量等要求来选择。应选用JZ744型中间继电器，额定电流5A。2.6.6 熔断器的选择熔断器的选用原则：（1）熔断器的额定电压应符合电动机的运行电压。（2）熔断器的额定电流应大于电动机回路长期通过的最大电流。（3）熔断器的极限断路电流应大于流过电路的最大短路电流。（4）熔断器的保护特性必须与保护对象的过载特性有良好的配合，使其在整个曲线范围内获得可靠的保护。熔断器熔体的选用原则：对负载电流比较平稳，没有冲击电流的短路保护，熔体额定电流等于或稍大于负载工作电流；a. 单台直接启动电动机：熔体额定电流=（1.52.5）电动机额定电流；b. 多台直接启动电动机：熔体额定电流=（1.52.5）各台电动机电流之和。FU1用于对电动机M1，变压器T2、T3一次侧进行短路保护。其熔体电流为，查阅电工手册，常用螺旋式熔断产品型号以及主要技术参数，可选用RL160型熔断器，配50A的熔体。FU2用于对电动机M2、M3短路保护。其熔体电流为，查阅电工手册，常用螺旋式熔断产品型号以及主要技术参数，可选用RL115型熔断器，配15A的熔体。FU3用于对控制电路短路保护，FU4用于对照明电路短路保护，FU5用于对电磁铁线圈电路短路保护。可选用RL115型熔断器，配4A的熔体。2.6.7 接触器的选择接触器的选用主要考虑以下技术参数：（1）电源种类：交流或者直流。（2）主触点额定电压，额定电流。（3）辅助触点种类，数量以及触点额定电压。（4）电磁线圈的电源种类，频率和额定电压。（5）额定的操作频率，即允许的每小时接通的最多次数。综上所述，参考电工手册，接触器KM1，根据液压泵电动机M1的额定电流22.6A，控制回路电源为127V，需主触点三对，动合辅助触点两对，动断辅助触点一对等情况，选用CJ1625型接触器，电磁线圈电压为127V。由于M2、M3电动机额定电流比较小，M2、M3可选用JZ744型交流中间继电器，其线圈电压为127V，触点电流为5A，可完全满足要求，对小容量的电动机常用中间继电器充任接触器。2.6.8 控制变压器的选择变压器最大负载时KM1、KM2及KM3同时工作，根据机床电气可控制技术教材，式（49）得由式（410）得:可知变压器的容量应大于24.9VA，考虑到照明灯等其他电器容量，可选用BK100型变压器，电压等级为380V/127-24-6.3，可满足辅助回路的各种电压需要。2.6.9 行程开关的选择行程开关的一般选用原则是：（1）根据使用场合及控制对象选用种类；（2）根据安装环境选用防护形式；（3）根据控制回路的额定电压和额定电流选用系列；（4）根据机械与行程开关的传动与位移关系选用合适的操作头形式。查阅电工手册, JLXK1系列行程开关具有瞬时换接动作机构，适用于交流50HZ，电压到380V及直流电压到220V的电路中，作为机床的自动控制，限制运动机构动作以及程序控制用。综上所述，所以SQ1、SQ4应选JLXK1111（单轮）型行程开关，其额定电压为380V，约定发热电流为5A。 SQ2、SQ3应选JLXK1311（直动不带轮）型行程开关，其额定电压为AC380V, DC220V，约定发热电流为5A。2.6.10 控制开关的选择按钮开关的一般选用原则是：（1）根据使用场合选用按钮开关的种类；（2）根据用途选用合适的形式；（3）根据控制回路需要，确定不同按钮数；（4）按工作状态指示和工作情况要求，选用按钮和指示灯的颜色。所以SB1、SB5、SB6应选LA101型按钮开关，颜色为红色。SB2、SB3、SB4、SB7、SB8应选应选LA101型按钮开关，颜色为黑色。2.7 制定电动机和电气元件明细表电气元件明细表要注明各元器件的型号、规格及数量等，见表2-2。表2-2 电动机和电气元件明细表符号名称型号规格数量M1液压泵电动机Y140M411Kw 380V 1460r/min1M2左动力头电机Y90L41.5kW 380V 910r/min1M3右动力头电机Y90L41.5kW 380V 1400r/min1Q组合开关HZ1025/3三级 500V 25A1FR1热继电器JR2025额定电流25A 整定电流22.6A1FR2、FR3热继电器JR2010额定电流4A 整定电流3.7A2KP压力继电器JZ744额定电流5A1KA1、KA2中间继电器JZ744额定电流5A2FU1熔断器RL160380V 熔体50A1FU2熔断器RL115380V 熔体15A1FU3、FU4、FU5熔断器RL115380V 熔体4A3KM1交流接触器CJ162520A 线圈电压127V1KM2、KM3交流中间接触器JZ7445A 线圈电压127V2T1、T2控制变压器BK100100VA 380V/127-24-6.32符号名称型号规格数量SQ1、SQ4行程开关JLXK1111额定电压380V约定电流5A2SQ2、SQ3行程开关JLXK1311额定电压380V约定电流5A2SB1、SB5、SB6控制按钮LA101红色3SB2、SB3、SB4、SB7、SB8控制按钮LA101黑色5YV1、YV2电磁铁4第三章 组合机床的可编程控制器控制系统的设计3.1 在设计可编程控制器系统时，应遵循以下基本原则1. 最大限速地满足控制要求充分发挥可编程控制器功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计中最重要的一条原则。设计人员要深入现场进行调查研究，收集资料。同时要注意和现场工程管理和技术人员及操作人员紧密配合，共同解决重点问题和疑难问题。2. 保证系统安全可靠保证可编程控制器控制系统能够长期安全，可靠，稳定运行，是设计控制系统的重要原则。3. 力求简单，经济，使用与维修方便在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断扩大工程的效益，另一方面也要注意不断降低工程的成本，不宜盲目追求自动化和高指标。4. 适应发展的需要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。3.2 工艺要求及动作流程电力拖动控制要求1）两台铣削动力头分别由两台笼型异步电动机拖动，单向旋转，无须电气变速和停机制动控制，但要求铣刀能进行点动对刀。 2）液压泵电动机单向旋转，机床完成一次半自动工作循环后，液压泵电动机不停机，当按下总停机按钮时才停机。3）加工到终点，动力头完全停止后，滑台才能快速退回。4）液压动力滑台前进、后退能点动调整。5）电磁铁YV1、YV2采用直流供电。6）机床具有照明、保护和调整环节。3.3 PLC选型本系统有输入信号16个，输出信号8个，均为开关量。根据I/O数量、类型及控制要求，同时考虑到维护、改造和经济性等诸多因素，可以选择FX2N-48MR，这样共有24个输入点、24个输出点，可以满足控制要求。3.4 I/O点地址编号及硬件接线将输入信号、输出信号按功能类型分配，与PLC的I/O端一一对应连接。表3-1 输入/输出设备与PLC的I/O地址分配表输 入 设 备输 出 设 备符号功 能输入继电器符号功 能输出继电器SA1(A)半自动与调整工作选择开关X0KM1M1启动接触器Y0SA1(M)X1KM2M2正向接触器Y1SA2照明灯开关X2KM3M2反向接触器Y2SQ1原位行程开关X3KA1YV1得失电继电器Y3SQ2行程开关X4KA2YV2得失电继电器Y4SQ3行程开关X5YV1进给电磁铁Y5SQ4加工终点行程开关X6YV2退回电磁铁Y6SB1液压泵停止按钮X7EL照明灯Y7SB2液压泵启动按钮X10SB3快进按钮X11SB4快退按钮X12SB5前进点动调整开关X13SB6后退点动调整开关X14SB7左动力点动对刀开关X15SB8右动力点动对刀开关X16KP压力继电器X17图3-1 PLC与I/O端的分配图3.5 软件编制根据系统要求可知，当系统开始运行时，组合机床处于复原状态，用启动脉冲M8002直接使程序进入等待状态，M0常开触点闭合。当液压泵电动机启动后，系统进入下降状态，开始系统要求的功能。电动机控制电路、液压动力滑台控制和照明电路能同时进行工作。机床能够选择半自动工作和点动调节绘制状态转移图（附录二所示），步进梯形图（附录三所示）。根据步进梯形图写出的指令表如表3-2所示。表3-2系统指令表步序指令步序指令步序指令0LD M800232RST Y164RST Y51SET S2033RST Y265LDI Y32STL S2034STL S2566SET Y63LDI X735OUT Y167LD X34OUT M036LD X1668SET S315LD M037SET S2669STL S316AND X838STL S2670RST Y47SET S2139OUT Y271RST Y68AND X240LD X1372STL S249SET S3341SET S2773STL S2810STL S2142STL S2774STL S3111SET Y043LDI X1775LD X312LDI X744ANI Y476AND X713AND