刨床电气控制系统设计方案

1、目录前言 11 刨床相关简介 21.1 刨床的常见类型 31.2 刨床的切削原理 . 31.3 刨床的作用和特点 . 42 实验方案的设计 42.1 硬件设计 . 42.1.1 设计要求 42.1.2 三相异步电动机的调速方式 42.1.3 三相异步电动机的选择及相关简介 72.1.4 其它元器件的选择 72.2 软件设计 82.2.1 CADE_SIMU软件的简介 82.2.2 绘制图形 103 软件仿真 . 11参考文献 14致信 15前言随着科学技术的不断发展， 生产力得到极大的开发与应用。 与此同时， 刨床 在生产机械起到越来越重要的作用。 本次课程设计主要以电动机为控制对象， 以 继

2、电器和接触器为组成机构和执行机构， 在电气控制理论的指导下组成电气控制 系统，以达到控制电机转速的目的。按照三相异步电动机结构不同， 分为鼠笼型三相异步电动机和绕线式三相异 步电动机。 本次课程设计采用绕线式三相异步电动机， 通过转子回路所串阻值的 不同实现调速机制。电气控制系统是自动化专业的主干专业课， 具有很强的系统性、 实践性和工 程背景，刨床电气控制系统课程设计的目的在于培养学生综合运用电气控制系统 的知识和理论分析和解决控制系统设计问题， 使学生建立正确的设计思想， 掌握 工程设计的一般程序、 规和方法， 提高学生调查研究、 查阅文献及正确实用技术 资料、标准、手册等工具书的能力，理

3、解分析、制定设计方案的能力，设计绘图 能力，编写设计说明书的能力。我们在设计和仿真过程中虽然花了不少的精力，但仍难免有错误和不足之 处，殷切期望老师批评教诲。1 刨床相关简介1.1 刨床的常见类型牛头刨床是用来刨削中、小型工件的刨床，工作长度一般不超过lm。工件装夹可调整的工作台上或夹在工作台上的平口钳， 利用刨刀的直线往复运动 （切 削运动）和工作台的间歇移动（进刀运动）进行刨削加工的。根据所能加工工件的长度，牛头刨床可分为大、中、小型三种：小型牛头刨 床可以加工长度为 400mm以的工件，如 B635-1 型牛头刨床；中型牛头刨床可以 加工长度为 400600mm的工件，如 B650 型牛

4、头刨床；大型牛头刨床可以加工长 度为 4001000mm的工件，如 B665 型和 B69O型牛头刨床。龙门刨床是用来刨削大型工件的刨床， 有些龙门刨床能够加工长度为几十米 甚至几十米以上的工件，如 B2063 型龙门刨床，工作台面积为 6.3m 20m，可用 几把刨刀同时刨削，生产率比较高。龙门刨床是利用工作台的直接往复运动 （切削） 和刨刀的间歇移动 （进刀运 动）来进行刨削加工的， 按结构形式的不同， 龙门刨床又分为单臂龙门刨床和双 臂柱龙门刨床两种。龙门刨床主要加工大型工件或同时加工多个工件。 与牛头刨床相比， 从结构 上看，其形体大，结构 复杂，刚性好，从机床运动上看，龙门刨床的主运

5、动是 工作台的直线往复运动，而进给运动则是刨刀的 横向或垂直间歇运动，这刚好 与牛头刨床的运动相反。龙门刨床主要用来加工大平面，尤其是长而窄的平面， 一般可刨削的工件宽度达 1 米，长度在 3 米以 上。龙门刨床的主参数是最大刨削宽度。 龙门刨床横梁上的刀架，可在横梁导 轨上作横向进给运动，以刨削工件的水平面 ; 立柱上的侧刀架，可沿立柱导轨作 垂直进给运动， 以刨削垂直面。 刀架亦可偏转一定角度以刨削斜面。 横梁可沿立 柱导轨上下升降， 以调整刀具和工件的相对位置。 龙门刨床主要用于加工大型零 件上的平面或沟槽，或同时加工多个中型零件，尤宜于狭长平面的加工。插床又叫立式刨床， 主要是用来加工

6、工件的表面。 它的结构与牛头刨床几乎 完全一样，不同点主要是插床的插刀在垂直方向上作直线往复运动 （切削运动）， 工作台除了能作纵、 横方向的间歇进刀运动外， 还可以在圆周房间上做间歇的回转进刀运动。1.2 刨床的切削原理滑枕带着刨刀， 作直线住复运动的刨床， 因滑枕前端的刀架形似牛头故又名 牛头刨床。 刨床主要用于单件小批生产中刨削中小型工件上的平面、 成形面和沟 槽。中小型牛头刨床的主运动， 大多采用曲柄摇杆机构传动， 故滑枕的移动速度 是不均匀的。大型牛头刨床多采用液压传动， 滑枕基本上是匀速运动。 滑枕的返回行程速 度大于工作行程速度。 由于采用单刃刨刀加工， 且在滑枕回程时不切削，

7、牛头刨 床的生产率较低。 机床的主参数是最大刨削长度。 刨床由滑枕带着刨刀作水平直 线住复运动， 刀架可在垂直面回转一个角度， 并可手动进给， 工作台带着工件作 间歇的横向或垂直进给运动， 常用于加工平面、 沟槽和燕尾面等。 仿形牛头刨床 是在普通牛头刨床上增加一仿形机构， 用于加工成形表面， 如透平叶片。 移动式 牛头刨床的滑枕与滑座还能在床身 （ 卧式） 或立柱 （立式）上移动，适用于刨削特大 型工件的局部平面。1.3 刨床的作用及特点刨床是用刨刀对工件的平面、沟槽或成形表面进行刨削的机床。刨床是使刀 具和工 刨床 件之间产生相对的直线往复运动来达到刨削工件表面的目的。在 刨床上可以刨削水

8、平面、垂直面、斜面、曲面、台阶面、燕尾形工件、 T 形槽、 V形槽，也可以刨削孔、齿轮和齿条等。 用刨床刨削窄长表面时具有较高的效率， 它适用于中小批量生产和维修车间。 刨床是用刨刀对工件的平面、 沟槽或成形表 面进行刨削的直线运动机床。特点： 通用性好可加工垂直、水平的平面，还可加工 T型槽、 V型槽，燕尾槽等。 生产率低往复运动，惯性大，限制速度，单次加工，但狭长表面不比铣削低。 加工精度不高IT87，Ra为 1.6 6.3 m但在龙门刨床上用宽刀细刨， Ra为0.40.8m2 实验方案的设计2.1 硬件设计2.1.1 设计要求当按下启动的 SB1，电机以正转的中速运行。模拟刨床的正常切削

9、阶段。刨 床的前进减速， 前进换向，后退减速和后退换向 4 个工作状态分别用 4个钮子开 关来模拟刨床的行程过程。 (把钮子开关用作行程开关的作用)。所以钮子开关 在模拟的状态都是立即置位复位的过程。当给定前进减速的信号 K1 迅速置 ON再置 OFF，电机从正转中速状态切入正 转低速状态，刨床进入刨刀开始切入工件阶段。当给定前进减速的信号， K2 迅 速置 ON再置 OFF，电机从正转低速状态进入反转中速状态。模拟刨床的正常切 削阶段。当给定电机后退减速的信号，把 K3 迅速置 ON再置 OFF，电机从反转中 速进入反转低速状态。模拟刨床低速返回阶段。当在给定后退换向的信号把 K7 置 ON

10、 立即置 OFF，电机从反转低速进入正转中速状态。这时就形成了循环往复 的工作过程。SB3正转点动，,SB4 反转点动高速状态是电机高速进入和返回阶段的模拟状 态。 K5,K6 模拟后退极限和前进极限的信号给定，分别起保护刨床刨刀的作用。 当刨刀在运行过程中， 碰到刨床的极限位， 电机会自动停止， 起到保护刨床刨刀 工件的作用。2.1.2 三相异步电动机的调速方式按照课程设计要求， 在电动机运动过程中出现三种速度的自动切换， 由此可 得应首先选择电动机的不同调速方式。 通过相关知识可以得到三相异步电动机转 速公式为： n=60f/p(1-s) ，从上式可见，改变供电频率 f 、电动机的极对数

11、p 及 转差率 s 均可达到改变转速的目的，故此主要由七种调速方式：一、变极对数调速方法 这种调速方法是用改变定子绕组接红方式来改变笼型电动机定子极对 数达到调速目，特点如下：具有较硬机械特性，稳定性良好； 无转差损耗，效率高；接线简单、控制方便、价格低； 有级调速，级差较大，不能获平滑调速； 可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获较高效率平滑调速特 性。二、变频调速方法 变频调速是改变电动机定子电源频率，改变其同步转速调速方法。 其特点：效率高，调速过程中没有附加损耗； 应用围广，可用于笼型异步电动机； 调速围大，特性硬，精度高； 技术复杂，造价高，维护检修困难。三、串级调速方法 串级调

12、速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节附加电势来改变电动 机转差，达到调速目。 大部分转差功率被串入附加电势所吸收， 再利用产生附加 装置，把吸收转差功率返回电网或转换能量加以利用。其特点为： 可将调速过程中转差损耗回馈到电网或生产机械上，效率较高； 装置容量与调速围成正比，投资省，适用于调速围额定转速70 90生产机械上；调速装置故障时可以切换至全速运行，避免停产； 晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大。四、绕线式电动机转子串电阻调速方法 绕线式异步电动机转子串入附加电阻， 使电动机转差率加大， 电动机较低转速下运行。串入电阻越大，电动机转速越低。此方法设备简单，控制方便，但转 差功率以

13、发热形式消耗电阻上。属有级调速，机械特性较软 .五、定子调压调速方法当改变电动机定子电压时， 可以到一组不同机械特性曲线， 获不同转速。 电 动机转矩与电压平方成正比， 最大转矩下降很多， 其调速围较小， 使一般笼型电 动机难以应用。 扩大调速围， 调压调速应采用转子电阻值大笼型电动机， 如专供 调压调速用力矩电动机， 绕线式电动机上串联频敏电阻。 扩大稳定运行围， 当调 速 2： 1 以上场合应采用反馈控制以达到自动调节转速目。调压调速主要装置是一个能提供电压变化电源， 目前常用调压方式有串联饱 和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。晶闸管调压方式为最佳。调压调速特点：调压调速线路简单，

14、易实现自动控制； 调压过程中转差功率以发热形式消耗转子电阻中，效率较低。六、电磁调速电动机调速方法 电磁调速电动机由笼型电动机、电磁转差离合器和直流励磁电源（控制器） 三部分组成。直流励磁电源功率较小， 通常由单相半波或全波晶闸管整流器组成， 改变晶闸管导通角，可以改变励磁电流大小。电磁调速电动机调速特点： 装置结构及控制线路简单、 运行可靠、维修方便； 调速平滑、无级调速 ; 对电网无谐影响；速度失大、效率低。七、液力耦合器调速方法液力耦合器是一种液力传动装置， 一般由泵轮和涡轮组成， 它们统称工作轮， 放密封壳体中。 壳中充入一定量工作液体， 当泵轮原动机带动下旋转时， 处于其 中液体受叶

15、片推动而旋转， 离心力作用下泵轮外环进入涡轮时， 就同一转向上给 涡轮叶片以推力， 使其带动生产机械运转。 液力耦合器动力转输能力与壳相对充 液量大小是一致。 工作过程中， 改变充液率就可以改变耦合器涡轮转速， 作到无 级调速.其特点为：1 、功率适应围大， 可满足从几十千瓦至数千千瓦不同功率需要；2 、结构简单，工作可靠，使用及维修方便，且造价低；3 、控制调节方便，容易实现自动控制。2.1.3 三相异步电动机的选择及相关简介三相异步电动机，按转子的结构分类电动机按转子的结构可分为鼠笼型异 步电动机和绕线型异步电动机。 按照课程设计要求， 本次课程设计采用绕线式三 相异步电动机， 通过改变转

16、子回路串接阻值的不同， 实现调速机制。 下面是绕线 式异步电动机的简介：绕线式三相异步电动机转子的绕组和定子绕组相似 , 中型电动机多采用 双层绕 组, 三相绕组连接成星形 ,三根端线连接到装在转轴上的三个铜 （或钢）滑 环上 , 通过电刷与外电路相连接 .绕线型异步电机转子绕组的相数、极对数总是跟定子相同 , 每相的匝数相对 较多,感应电势较大 ,转子绕组对地绝缘需绝缘 .绕线式异步电动 机常用启动方法：绕线式异步电动机启动时通常采用直接启动 .转子串电阻启动 , 或者是采用 频敏变阻器启动 .2.1.4 其它元器件的选择按照方案的设计，所选器材为以下主要几种：熔断器（FU）: 数量为 5个

17、；热继电器（ FR）：数量为 1 个；交流接触器（ KM）：数量为 6 个；空气开关（ QS）：数量为 1 个；按钮开关（ SB）：数量为 12 个；阻值不等的 R1、R2 和 R3：每组各有三个电阻。2.2.1 CADe_SIMU 软件的简介应用 CADE_SIMU这一款绘图仿真软件来设计电路， 非常容易上手， 不但 可以快捷绘制电气线路图， 而且还能将绘制电气线路图实现电路仿真。 现对该软 件的使用方法和步骤进行了介绍： CADE_SIMU线路图模拟仿真软件不但包括各种 电气元器件符号， 而且对应每种器件还有多种类型， 并做成工具条提供使用， 是 该软件最突出的特点，也是该软件和其他软件相

18、比较体现出的最大好处。 一、介面元器件菜单、绘图与仿真1、绘图在器件菜单中选用合适的器件，点击一下器件，鼠标移到图纸上，单击，器 件就放在图纸上了， 器件被选中的状态下， 使用下图按钮可以任意变换器件的方 向。2、参数设置 鼠标左双击元件弹出对话框 设置元件名称序号同一元件要同一名称，大小写要相同。3. 、连接导线连线时注意光标前的小黑点要放在元件的连接点上4、仿真仿真按钮见下图单击运行按钮 , 开始仿真。单击 停止。（1）在仿真状态下，单击 -FR 线圈，可仿真热继电器动作，单击复位2）在仿真状态下，单击 -FU，可仿真熔断器烧断的情况。三，保存在保存时，不要选择以下保存类型2.2.2 绘制

19、图形使用该软件对设计方案电路图形进行绘制，那么可得其绘制图形如下图所示：由图可得 QS为空气开关，对电路供电和短路保护作用。FU为熔断器对线路进行过载和短路保护。FR为热继电器，主要用来对异步电动机进行过载保护。 不同的阻值连接方式实现对电动机的调速功能， SB为停止按钮，SB1为启动按钮， 实现正转中速； SB2为反转按钮，实现正转低速到反转中速的转换； SB3为反转 低速按钮； SB4为反转高速点动按钮； SB5 为正转极限位按钮； SB6为反转极限 位按钮； SB7为正转低速按钮； SB8为正转点动按钮。KM1 线圈及相关触头为正转配置； KM2 线圈及相关触头为反转配置 ； KM3 线

20、圈及相关触头为慢速配置 ； KM4线圈及相关触头为中速配置 ； KM5 线圈及 相关触头为高速配置。 KA为中间继电器线圈，相关触头为长动控制。3 软件仿真使用该软件进行仿真，并根据设计要求可以得到以下结果：（ 1）按下启动按钮 SB1，电机正转中速 :由图可得，当按下启动按钮时， KA线圈得电，自锁触头闭合， KM1线圈得电 互锁触头断开，主触头闭合电机正转；同时， KM4线圈得电，相应触头闭合，实 现中速。故此可知，当按下启动按钮 SB1时，电机正转中速。（ 2）按下按钮 SB7，电机正转低速 :由图可得，当按下按钮 SB7后，KM3线圈得电，相对应的触头发生变化；同 时 KM1线圈和 K

21、A 线圈不变，故此实现正转中速到正转低速的转变。3）当按下按钮 SB2时，电机反转中速 :由图可得，当按下 SB2时，KM1线圈失电， KA线圈失电，主触头断开，互锁 触头闭合，常闭触头闭合；同时 KM2线圈得电，主触头闭合，电机反转，自锁触 头闭合，互锁触头断开；而且 KM4线圈保持不变，其相应触头不变，故此，可以 得到反转中速，从而实现正转低速到反转中速的转变。（4）按下按钮 S 时，电机反转低速 :当按下按钮 S 时，KM3线圈得电，主触头闭合实现低速，其它相应触头发生 变化。而且， KM2线圈保持不变，相应触头保持不变。由此可以实现电机反转中 速到反转低速的转换。（ 5）按下按钮 SB4，电机处于反转高速点动状态如图所示，当按下按钮 SB4时，KM5线圈得电，主触头闭合实现电机高速转 动，同时， KM2线圈保持不变，其相应触头不变，由此实现电机高速运转点动状 态。6