四工位组合机床的电气控制电路设计

四工位组合机床的电气控制电路概述四工位组合机床的对某种特定工件进行特定加工的一种高效率、自动化的专用设备。这种机床是具有自动工作循环并能实现自动调整的加工设备，它能够用十几把刀甚至几十把刀具同时进行加工。本组合机床是由通用部件组合而成，其控制系统是采用电气、液压、机械组合的控制方式。该组合机床由液压动力头和液压回转工作台两大部分组合而成，它用来加工一种轮毂工件上十二个孔所用的专用机床，立式动力头上装有36把刀具，其中12把钻头，12把扩钻头和12把铰刀。加工位共有四个：第一是装卸工件；第二个是钻孔工序；第三个是扩孔工序；第四个是铰孔工序。加工工位布置图见下图所示。目录第一章设计思想和步骤1.1设计任务1.2设计条件1.3设计要求1.4设计思想及步骤第二章四工位的电路设计2.1主电路设计2.2变压器设计2.3控制电路设计第三章四工位机床的工作台电路设计3.1液压回转工作台的控制电路设计3.2液压动力头控制电路设计3.3指示灯电路设计3.4总电路设计第四章PLC电路设计4.1 PLC控制设计4.2电路元件选择4.3明细表第五章总结5.1参考文献5.2设计小结第一章设计思想和步骤1.1设计任务1.1设计任务1：根据条件与要求设计出KA-KM电路。2：根据设计的KA-KM电路做一张J-C电路图。3：根据KA-KM列出输入状态表。4：根据KA-KM列出输出状态表。5：根据KA-KM列出中间元件状态表。6：根据KA-KM列出定时器状态表。7：根据上表绘制梯形图。8：根据梯形图编制程序。9：作出现场接线图。10：编写说明书。1.2设计条件（一）组合机床的启动工作状态回转台抬起回转抬回转回转台反靠回转台夹紧动力头快进动力头工进延时停留动力头快退。（二）液压回转工作台回转控制状态液压回转工作台是靠控制液压系统的油路来实现工作台转位动作，而液压系统的动作循环是靠电气电路控制。1：回转台的转台动作。自锁销脱开及回转台抬起回转台回转及缓冲回转工作台反靠回转工作台夹紧。2：液压回转工作台控制电路采用低压直流信号控制。（三）液压动力头控制状态动力头是既能完成进给运动，又能同时完成刀具切削与动的动力部件。1：液压动力头的自动工作循环动力头快进力头工进延时停留快速退回原位。2：工作状态图四工位组合机床动力头的工作状态示意图如下图所示。快 退工进SQ2SQ3快 进SQ1起动复 位停留 图2-24 动力头工作示意图3：动力头工作要求本组合机床有三个动力头，分别控制钻头、扩孔、铰孔工作，这三个动力头是同步实现。钻孔、扩孔、铰孔的工艺分别是根据距离的不同由机械来保证，故在此我只作出一个动力头的电气控制原理图。动力头必须在回转工作台夹紧后才能移动。要求动力头能实现点动调整控制。要求动力头在任意时刻实现快退控制。1.3设计要求机床的主电路由三台三相交流异步电动机及、及其附属电气元件组成，由于各电动机容量不大，可采用直接起动控制。M1是主电动机，只需单方向起动，要求有短路及过载保护。M2是液压泵电动机，也只需单方向起动，要求有短路及过载保护。M3是冷却泵电动机，功率较小，单方向运转，要求有短路及过载保护。M1和M2可以同时起停，也可单独起停。要求在动力头工作时，M3才接通，但也可以随时调整。主电路供电电压为380V；控制电路电压为220V；直流控制电路电压24V，由桥式全波整流电路供给（整流之前为交流28V），指示灯电路为6.3V。要求各工作状态有指示灯显示，以便说明机床工作在什么状态。电路中设置必要的各种保护，联锁控制。1.4设计思想及步骤由于四工位组合机床是由一些电气控制基本环节组成。我们可以利用这些基本环节的组合机床进行设计，然后将各部分联系起来，再根据要求对整体电路进行分析，进行修正，直至达到控制要求，作出继电接触器原理图。电力拖动方案确定和电动机选择机床的主电路由三台三相交流笼型异步电动机及其附属电气元件组成，由于电动机容量都不大，故可采用直接起动控制。根据生产机械的技术要求，选择电动机。主轴电动机为立式、防护式、断续周期性工作制，额定电压为380V。液压泵电动机为卧式、封闭式、连续工作制，额定电压为380V的交流异步电动机。继电-接触器控制系统设计方案确定为满足生产机械的工艺要求，应充分了解工作性能、结构性能、运动情况、加工工艺及加工情况。考虑控制方案时，采用必要的联锁与保护环节，保证生产工艺要求。为满足控制电路的电压值要求，采用降压变压器，二次电压为6.3V、28V、220V三种电压再经桥式全波整流为24V直流输出供给电磁阀电路。为保证控制电路工作的可靠性，对电器元件的联接要求需考虑，应尽量减少触点数和联接导线数，防止出现寄生电路。各种指示灯与控制电路分开供电。为了保证操作人员、电器设备、生产机械设备的安全，并能有效地控制事故的扩大，在电器控制电路中，采取了一定的保护措施，有短路保护、过载保护、失电压、欠电压、零电压保护、联锁保护、限位保护、过电流保护等。第二章四工位的电路设计2.1主电路设计1.设计要求主轴电动机单方向起动，要求有过载及短路保护。液压泵电动机单方向起动，过载及短路保护。冷却泵电动机单向工作，过载及短路保护。2.元件选用根据上面要求，要选用三台电动机：M1控制主轴的电动机；M2控制液压泵的电动机；M3控制冷却泵的电动机。再根据电动机的控制要求选择元件：QF控制总电源的断路器，实现短路和过载保护；FU1FU3控制各电动机短路保护；KM1控制主轴电动机单向工作；KM2控制液压泵电动机工作；KM3控制冷却泵电动机工作；FR1FR3用与各电动机的过载保护控制。3.作出电路草图如下：2.2变压器设计1.设计条件：主电路要求供电电压为交流380V。控制电路要求供电电压为交流220V。直流控制电路（电磁阀电路）供电为直流24V，由桥整电路供给。指示灯电路供电为交流6.3V。2.元件选用TC选用输出端的变压器，分别输出为220V、28V、6.3V；VC桥式整流装置，输出24V。3.作变压器草图如下：2.3控制电路设计1.设计要求主轴电动机M1和液压泵电动机M2可以同时起停，也可以单独起停。要求在动力头工作进给时，冷却泵电动机M3才接通，但也可以随时调整。2.元件选用KM1KM3控制M1M3单向起动动作接触器；SB1总停按钮；SB2、SB3M1与M2起动按钮；SB4、SB5M1与M2停止按钮；SB6冷却泵电动机（M3）调整按钮；SB7冷却泵电动机单独停止按钮；SA1控制M1与M2的同时与单独起停开关；SA2实现动力头工进时自动起动与手动调整的开关；FR1FR3M1M3过载保护热继电器；SA3照明开关；HL1电源指示灯；EL照明灯。3.控制电路草图根据所选元件与工作要求画出控制电路图，如下图：4.工作原理主轴起动首先合QFHL1灯亮，表示电源供电正常按下SB2KM1（+）KM1主闭M1起动运转，拖动主轴旋转，KM1辅闭自锁。主轴停止按SB4（或SB1）KM1（）KM1主复位M1停止。液压泵起动按SB3KM2（+）KM2主闭M2起动，提供高压油，为液压系统工作准备，KM2辅闭自锁。液压泵停止按SB5KM2（）RM2主复位M2停止。主轴与液压泵同时工作首先将SA1打开向左位置按SB2KM1（+）KM1主闭M1起动工作，同时KM2（+）KM2主闭M2同时起动工作。冷却泵手动控制首先将SA2打在M位置，然后按SB6KM3（+）M3起动，提供冷却液，KM3辅闭自锁。停止冷却泵按SB7即可。冷却泵自动控制首先将SA2打在A位置，当动力头工作进给时KA2（+）KA2常开闭合KM3（+）KM3主闭M3自行起动工作，提供冷却液。第三章四工位机床的工作台电路设计3.1液压回转工作台的控制电路设计1.设计要求液压回转台是靠油路来实现工作台转位工作，液压系统的动作循环是靠电气电路控制。液压回转工作台上加工工位有四个，一装卸工件、二钻孔、三扩孔、四铰孔。回转台的转台动作自锁销脱开回转台抬起回转台回转及缓冲回转台反靠回转工作台夹紧向动力头发出工作信号。回转台转位必须动力头在原位时才能实现。2.元件选用 一般电磁阀均由中间继电器控制，实现对各种现场信号的传递转换及放大功能。现选：KA4回转台抬起 KA5回转台回转 KA6回转台反靠 KA7回转台夹紧 KA8动力头退回原位 SA1回转台手动、自动工作选择开关 SA2回转台回转按钮 SA8回转台回转按钮3.液压回转工作台电气控制电路图如下所示： 4.工作原理 本液压回转台可实现自动循环与调整的动能，由转换开关SA1实现，SA1打在M档，按动调整按钮SB8即可实现调整，若SA1打在A档，当动力头快退至原位，则回转工作台可自动回转。 当动力头退回原位，压下行程开关SQ1，同时由于回转台在原位SQ9被压合，KA8得电，使YV5得电，回转工作台抬起，自锁销脱开，压下SQ5，由于KA5处于失电状态，电磁阀YV7得电，回转工作台由于YV10不得电，离合器合着而回转，回转了一定角度压下SQ6，SQ6常开闭合，使KA4得电并自琐，由于KA7、KA6、SQ8均处于常态，YV9得电，回转台实现反靠，反靠后压合行程开关SQ7，因为KA4一直得电，回转台自动落下夹紧。当回转台夹紧压力足够时，压力继电器KP合上，KA7得电，KA7常开闭合，YV10得电，离合器脱开，KA7常闭断开，YV9失电，离合器脱开后压下SQ8，电磁阀YV8得电，液压缸返回，为回转工作台下次工作做准备，同时由KA7常开触点发出向动力头工作信号，使动力头准备工作。 若SA1打在M档，按下SB8实现手动调整，控制回转工作台的工作，松开SB8，回转台则停止工作。3.2液压动力头控制电路设计动力头是既能完成进给运动，又能同时完成刀具的切削运动。现设计的四工位组合机床，有三个动力头，每个动力头上有12把刀，在回转台夹紧后要求从三个方面同时对工件进行钻、扩、绞功能，从而提高了生产效率。1.设计要求动力头必须在回转工作台夹紧后才能起动工作。要求动力头能实现点动调整控制。要求动力头在任意时刻实现快退控制。 三个动力头同步工作，电路相同。 液压动力头的工作示意图见图2-24。 动力头工作循环状态夹紧信号（KA7）动力头快进延时停留快退至原位。2.元件选用在图2-24中已知SQ1、SQ2、SQ3的工作状态，在此不用再选了，其他元件可根据工作要求逐一选用。YV1实现工进YV3实现快速进给YV2实现快退KT实现延时停留KA1控制快进电磁阀KA2控制工进电磁阀KA3控制快退电磁阀SB9动力头手动控制按钮SB10动力头手动快退按钮3.作掖压动力头电气控制电路图 根据设计要求与工作示意图、工作循环状态作出液压动力头电气控制电路图，如下图2-31所示。 图2-31液压动力头电气控制电路4.工作原理 动力头由液压缸带动，可以做前后进给运动。电磁阀YV1和YV2都断电时，液压缸进油电磁阀处于中间位置，电磁阀YV3断电时，关闭回油油路，动力头在原位停止不动。这时，挡铁压动限位开关SQ1，其SQ1常闭断开，切断动力头工作电路，保证回转合工作时，动力头不工作。动力头自动控制 动力头必须在回转台夹紧后才能运动。首先将SA1打在“A”位置。当回转台夹紧时，KA7得电，KA7常开闭合，使KA1得电，KA1常开闭合。这时回转台的回转油缸活塞返回原位后压SQ9，SQ9常闭复位，切断回转台的工作电路，保证动力头工作时，回转台不动，SQ9常开闭合，使KA2得电，KA2常闭断开，使YV3失电，关闭了动力头拖动液压缸回油循环电磁阀，从而减小了压力油的流量，使动力头由快进自动控制转换为工作状态。当动力头工进到终点时，压动行程开关SQ3，SQ3常开闭合，时间继电器KT得电，KT瞬时触点立即断开，使中间继电器KA1、KA2和电磁阀YV1、YV3均断电释放，动力头停止前进。经过延时，时间继电器KT延时闭合，使电磁阀YV2得电动作。压力油经电磁阀进入拖动液压缸右侧，推动活塞向左移动，使动力头快速退回。退至原位，压SQ1、SQ2常闭断开，使KA3失电，KA3常开复位使YV2失电，动力头停止运动，另一方面，SQ1的常开闭合，为回转工作台转位准备。动力头电动控制 将旋钮开关SA1置于M位，按下SB4，中间继电器KA1得电。因为回转台复位后，SQ9一直闭合，所以YV1和YV3通电动作，使动力头向前快进。 因为这时KA1没有自锁，松开SB4，故动力头停止运动，实现3点动功能。任意时刻动力头快退控制 当动力头不在原位时，SQ1常闭复位，需要动力头快退时，按下SB5，中间继电器KA3得电并自锁，电磁阀YV2通电动作，动力头快速退回，退到原位后，压SQ1，KA3和YV2相续断电，动力头停止运动。3.3指示灯电路设计1.设计要求 为了便于观察与维修、检查、故设置了指示灯电路，对各种状态进行指示，我们对本电路列出9个状态进行指示显示。 指示灯电路用低压6.3V交流电独立供电。 2.元件选用 HL1电源指示HL2回转台转位指示HL3回转台夹紧指示HL4动力头共进指示HL5动力头快进指示HL6动力头快退指示HL7主轴电动机工作指示HL8液压泵电动机工作指示HL9冷却泵电动机工作指示3.作指示灯电路图 根据上述所选元件及各状态指示要求化画出指示灯电路草图。为了避免发生寄生电路，用独立6.3V电源供电，如图2-32所示。3.4总电路设计首先将以上所有基本电路组合成一个完整的电路，然后根据任务书给出的条件进行逐一分析是否符合控制要求，主要是当电路组合成一体后，各环节相互之间的连接、互锁、保护等要考虑周全。经过反复多次的修改，最后画成总电路第四章PLC电路设计4.1 PLC控制设计电路图在前面已设计出来，故现在重点阐述它的设计思路和方法。 设计梯形图的一般步骤为： 列出对应元件的状态表（PLC与J-C对照表） 割据状态表画梯形图。 根据梯形图编程。 将程序送入PLC机调试。 最后画出现场接线图。下面具体予以阐述。 1.列出I/O、TMP/CNT、内部线圈的状态表 输入状态表 在此我们采用中国无锡、美国EG公司及日本株社合资生产的PLC机SR20/21，22系列PLC机型。首先选机型。机型根据原设备电气控制电路中的I/O点数来确定。从电气控制电路图2-33或图2-24中可知，输入信号有22点，总共有48点，从总点数可知，选SR-20系列的五槽框架PLC机可使用，因为SR-20系列的五槽框架最大点数可控64点，看上去还有剩余，但是，因为输出点数中有三种不同电压的控制方式（220V、24V、6.3V），而不同电压一般不采用同一块模块控制，那么我们就要选用八槽模块的PLC机供本机床使用。具体分配为：接触器用1快、电磁阀用2快，指示灯用1快。输入信号用3快，它们的定义分别为：输入定义号：（2快8点模块） 输出定义号：（8点模块）2快8点：000017 接触器：3037一块16点：020027 电磁阀：4057 120127 指示灯：6067当机型确定、定义号确定后就可作输入状态表见表2-10。表2-10输入状态表输出状态表输出信号分别由4个模块控制。其中电磁阀采用8点模块控制，每快只控制4个电磁阀，因为点数有多余，而电磁阀工作电流较大，为了减轻输出模块的承受力，则将负载工作频繁分开，这样输出模块就不会有超载而损坏，起到了保护的作用。输出状态表见表2-21。输出模块的选用，为了保护PLC机，可在输出端处用一中间继电器（放大器）进行放大与隔离控制，使负载出现故障时不直接影响PLC机，而由中间继电器控制动作。为了使PLC机工作可靠，一般要求采用单独变压器供电，分别起隔离、保护作用，使工作平稳。表2-21输出状态表中间元件状态表 中间元件状态表2-12包括中间继电器、时间继电器等PLC内部元件的编号。注意：在J-C电路中，时间继电器KT既有延时触点，又有瞬动触点。我们采用内部线圈的对应触点作为定时器的瞬动触点使用。 中间元件的定义号为：160377 定时器的定义号为：600677下面作出中间元件状态表，见表2-12。表2-12 中间元件状态表2.作梯形图 根据继电器接触器电气控制电路图与所作的各状态表来画梯形图。在作梯形图时，首先按电气原理图直接画出，然后再整理。本机床电路中有几个手动及自动切换开关。在梯形图中，分别用常开表示手动，常闭表示自动。另外，电源指示灯在电气控制电路中是直接接在母线上，而在梯形图中只要借用一个不用的输入点的常闭来控制即可。 四工位组合机床的梯形图如后续图2-34所示3 编制程序 由梯形图编制程序如下1 STR 14 2 OUT 333 STR NOT 004 MCS5 STR 016 STR 107 OR 308 STR 119 OR 3110 AND STR11 OR STR12 MCS13 STR NOT 1014 AND NOT 2615 OUT 3016 STR NOT 1117 AND NOT 2718 OUT 3119 MCR20 STR 16121 AND NOT 1322 STR 1323 AND 0224 OR 3225 OR STR26 AND NOT 1227 AND NOT 12028 OUT 3229 MCR30 STR 3131 MCS32 STR 1633 MCS34 S TR 0335 MCS36 STR 0337 OUT 4338 STR 2139 AND NOT 16440 OUT 5141 MCR 42 STR NOT 2543 MCS44 STR NOT 2545 MCS46 STR 2147 AND 2248 OR 16349 OUT 16350 STR NOT 16651 OR 2452 MCS 53 STR 16354 AND NOT 2455 OUT 5356 STR 16457 OUT 5258 MCR59 STR 2260 AND 16361 OUT 16462 STR 2363 AND 16464 OUT 16565 STR 16566 OUT 5067 AND 1568 OUT 16669 STR 16470 AND 16671 OUT 5472 MCR73 STR NOT 0774 MCS75 STR 0676 AND 0477 STR NOT 0678 AND 16679 STR 16080 AND NOT 17081 OR STR82 OR STR83 OUT 16084 STR 2085 TMR 600 386 OUT 17087 STR TMR 60088 STR NOT 1689 STR 16290 OR 0591 AND STR95 AND NOT 17096 AND 16097 OUT 4098 STR 2599 AND NOT 170100 AND 160101 AND 17102 OR STR103 OUT 161104 STR 25105 AND NOT 170106 AND 160107 AND NOT 161108 OUT 42109 STR 162110 OUT 41111 MCRMCR112 STR NOT 127113 STR 167114 OUT 60115 STR 166116 OUT 61117 STR 160118 AND NOT 161119 OUT 62120 STR 160121 OUT 63122 STR 162123 OUT 64124 STR 30125 OUT 65126 STR 31127 OUT 66128 STR 32129 OUT 674.程序调试 分部调试 首先将各个基本环节的程序送PLC机调试，然后根据工作流程顺序调整，直至符合各基本工作条件为止。 整体调试 将全部程序送入PLC机调试。在调试过程中主要注意各基本环节之间相互联系是否满足控制要求，有无失步现象。要考虑各细微动作后产生的相互影响，要将各输入信号一个一个动作，看其输出的反应是否符合控制要求。 5.作输入输出现场接线图 根据前面定义号的确定可知，需要采用SR-20型PLC机的八槽框架的模块，其中输入模块选用三块直流24V模块，选二块8点为“E-01N”型，一块16点为“E-05N”型；输出模块选用四块，一块8点交流220V的模块为“E-20T”型，二块8点直流24V的模块为“E-10T”，一块8点交流6.3V模块为“E-01T”型。 各模块型号选好后，只要根据前面列出的输入输出状态表，对号入座，即可作出现场接线图，如图2-35所示。4.2电路元件选择电路元件选择：按实际情况具体计算后，根据具体计算的参数来选择具体元件所需要的型号。在此只大略说明选用对应所需要的元件型号。 1.电动机 根据设计要求，4极电动机，2.2kW，3380V。查手册，电动机应选用JO-31-4型，额定电压380V，额定转速1430r/min,额定功率2.2kW，额定电流5A。 2.电磁阀 根据设计要求，电磁阀需24V支流电压，查手册电磁阀选用MFZ1-07直流电磁阀，吸合力为7N，吸合距离4mm, 额定直流电压24V，消耗功率10W，消耗电流0.4A。 3.行程开关 根据控制要求，选用直流24V，阻抗小于2千欧，两线制。查手册选用LXJ-1A，一开一闭触点。 4.压力继电器根据设计要求，需要压力继电器。查手册选用DP-63B型。 5.自动空气开关（断路器） 因电动机额定电流是5A，考虑到起动时电流较大，所以选用DZ5-20自动空气开关。主触点额定电流为20A，能满足起动电动机电流的需要，辅助触点为一常开与一常闭，额定电流5A，也能满足控制要求。6.接触器 根据控制要求选用CJX1-12，主触点额定电流12A，线圈使用交流220V，能接通12IN(144A),分断10IN（120A）满足控制要求，消耗功率65VA，消耗电流0.35A。 7.主电路熔断器 对于单台电动机，熔体额定电流，选用1.52.5倍电动机额定电流。根据控制要求，电动机额定电流5A，所以选用RL1-15型溶电器，溶管额定电压380V，额定电流15A，熔体额定电流选择15A。 8.变压器 根据控制要求，需DC24V，AC6.3V,AC220V电源。查手册选用BK-100型，规格380/220-127-36-28-12-6.3的小型控制变压器。 9.主控制电路熔断器 因为主接触器线圈只需消耗0.35A电流，所以选择RL-15型熔断器，熔体选择2A，即能满足要求。 10.照明电路熔断器 照明电路电压AC220V，选用40W灯泡，消耗电流0.18A，故选用RM10-15型熔断器，熔体电流为2A。 11.中间继电器 控制需要有4开4闭触点的中间继电器，所以选用HH54型中间继电器，线圈额定电压直流24V，触点有4开4闭，额定电流3A，能满足控制要求。 12.时间继电器 根据控制，KT选用ST3PC，有一对瞬动触点，一对延时触点，即能满足控制要求。 13.直流24V控制电路熔断器考虑到最多工作时，有两个中间继电器。两个电磁阀线圈得电，电流大约为2A，故选用RL1-15型熔断器，熔体电流选用4A，出现运行故障时，既能保护，又能满足控制要求。 14.AC6.3V指示灯熔断器 考虑到最多工作时，有两只信号灯，再加上电源，液压泵共有4只指示灯亮，电流为0.7A左右。所以选用BLX-1小型螺旋式熔丝管座，额定电流为1A，分断电流为2A，即可满足控制要求。 15.信号灯 根据控制要求，选用XD1-6.3