Z3040型摇臂钻床电气控制控制系统设计

1、Z3040 型摇臂钻床电气控制控制系统设计湖南工业大学课程设计资料袋机械工程 学院（系、部） 2014 2015 学年第 二 学期课程名称 机电控制技术 指导教师 吴吉平 职称 教授学生姓名 高东 专业班级 机设 1204 学号 1212110110题 目 钻床的电气控制系统设计成 绩 起止日期 2015 年 5 月 28 日 2015 年 6 月 3 日目录清单序号材料名称资料数量备注1课程设计任务书12课程设计说明书13课程设计图纸张湖南工业大学课程设计任务书20102011 学年第一学期机械工程 学院（系、部） 机械设计制造及其自动化 专业 机设 07 班级 课程名称： 机电控制技术 设

2、计题目： 摇臂钻床的电气控制系统设计完成期限：自 2015 年 5 月 28 日至 2015 年 6 月 3 日共 1 周一、设计的主要技术参数内具体要求见课程设计指导书容二、设计任务及完成系统的继电器控制原理图、PLC控制原理图及设计说明书一份任务三、设计工作量电气图 23 张，说明书不少于 6000 字进度 安 排起止日期工作内容5、28讲解设计目的、要求、方法，任务分工529根据指导书和任务书要求确定控制系统的输入输出点数、类型，确定输入、输出设备及元器件种类、数量，初步选定PLC型号530根据指导书和任务书绘制控制系统工作流程图， 确定每个动作实 现和解除必须的条件5 286 1绘制继

3、电器控制原理图、电路计算、元器件选择列表编制控制系统的 PLC控制程序6 2.6 3编写设计说明书主要参考资料1、齐占庆，电气控制技术课程设计指导书，机械工业出版社，2003。2、张万奎等编，机床电气控制技术，北京大学出版社，20073、程宪平主编，机电传动与控制（第二版），武汉：华中科技大学出版社，2003 年 9 月4、石玉珍，电气制图及图形符号国家标准汇编，中国标准出版社，1989指 导 教 师 （签字）：2015年 6 月 3 日2015 年 6 月 3 日系 （ 教 研 室 ） 主 任 （ 签字）：1 / 25Z3040 型摇臂钻床电气控制控制系统设计（课程设计名称）设计说明书（题目

4、）摇臂钻床的电气控制系统设计起止日期： 2015 年 5 月 28 日 至 2015 年 6月 3 日1 / 25学生姓名高东机 设 12041212110110指 导 教 师 （ 签 字 ）机械工程学院（部）2015年6月3日目录第 1 章机电控制技术课程任务书 11.1 设计目的 11.2 课程设计的基本要求11.3 设计运用的基本理论21.4 课程设计任务 3第 2 章摇臂钻床简介及运动分析2.1 摇臂钻床的作用2.2 摇臂钻床结构分析2.3 摇臂钻床运动分析 2.4 摇臂钻床对控制的要求第3 章 控制方案设计3.1 课程设计任务要求 3.2 设备电气控制要求 45 5 6 63.3 电

5、动机的选择 7第 4 章 电气控制线路要求 4.1 主电路设计4.2 控制电路设计 94.3 PLC 编程 10第 5 章 电气元件的选择 125.1 熔断器的选用 135.2 接触器的选用 135.3 热继电器的选用 145.4 电气元件细表 15课程小结 1516参考文献 Z3040 型摇臂钻床电气控制控制系统设计第一章、机电控制技术课程设计任务书：1.设计目的学习普通机床的电气控制原理图及PLC编程在机床电气中的应用2.课程设计的基本要求1主轴电动机控制主轴电动机 M 1为单向旋转，由按钮 SB1 、 SB2和接触器 KM 1实现起动和停止控制。主轴的正、反转则由M 1电动机拖动齿轮泵送

6、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。M 2 为升降电动机， 由按钮 SB3 、 SB4 点动控制接触器 KM 2 、 KM 3 接通或断开， 使 M 2 电动机正

7、、反向旋转，拖动摇臂上升或下降移动。M 3 为液压泵电动机，通过接触器 KM 4 ， KM 5 接通或断开，使 M 3 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SB3 按钮， 时间继电器 KT 线圈通电，瞬时常开触点 (13-14) 闭合，接触器 KM 4线圈得电， 液压泵电动机 M3 起动旋转带动液压泵送出压 力油，同时断电延时断开的 KT 常开触点 (1-17) 闭合，使电磁阀 YV 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

8、上行程开关SQ2发出摇臂已松开信号。此时， SQ2触点 (6-13) 断开，使接触器 KM 4线圈断电，液压泵电动机 M 3停转，油路单向阀保压，摇臂处于松开状 态。与此同时， SQ2触点 (6-7) 闭合，接触器 KM 2线圈得电，升降电动机 M 2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SB2， KM 2 线圈断电， M 2 电动机停转，摇臂停止上升。同时 KT 线圈也断电， KT 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 YV 继续得电，同时接触器 KM 5 线圈得电，液 压泵电动机 M3 反转，反向送出压力油，

9、经二位六通阀反方向推动活塞和菱形块，将摇臂夹紧。 KT 延时打开触点，经过 13 s延时后断开，同时活塞杆通过弹簧压下行程开关SQ3，使触点 SQ3 (1-17) 也断开，电磁阀 YV 、 KM 5线圈断电。液压泵电动机 M3 停转，摇臂上 升后重新夹紧过程结束。行程开关SQ2为摇臂放松信号开关。行程开关 SQ3 为摇臂夹紧信号开关。时间继电器 KT延时断开常开触点是为保证当瞬间操作SB3或SB4 ，使 KM 4得电摇臂开始松开后放开 SB3或SB4时，若 KM 4过早断电，可能造成摇臂处于半松开状态。有 了 KT延时断开触电 (1-17) 后，则能在 KT 线圈断电 13s内处于闭合状态，

10、使KM 5线圈得 电，液压泵电动机 M 3反向旋转，使摇臂重新夹紧，直到延时时间到，KT 触点断开， SQ3动作， KM 5 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 SB5 ，接触器 KM 4线圈得电，液压泵电动机 M3 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 YV 不得电，压力油不会进入

11、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 SQ4 不受压，触点 (10l-102) 闭合，指示灯 HL1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SB6 ，接触KM 5线圈得电， M3 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 SQ4压下，触点(101-102) 断开， HL 1灯暗，而(101-103) 闭合， HL 2 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

12、制 冷却泵电动机容量小 (0.125 kW )，由 SA1 开关控制单向旋转。5联锁、保护环节 电路中利用 SQ2 实现摇臂松开到位，开始升降的联锁控制，利用 SQ3 ，实现摇臂完全夹紧的联锁控制。 通过 KT 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SB4 、 SB3机械互锁外，还采用 KM 2、KM 3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SB5、 SB6常闭触点切断 YV 线圈电路，达到联锁目的。电路利用熔断器 FU 1作为总电路和电动机 M1、M 4的短路保护。利用熔断器 FU2作 为电动机 M2、 M

13、 3及控制变压器 T 一次侧的短路保护，利用热继电器 KR1为M 1电动机的 过载保护， KR2为 M3 电动机的过载保护。 组合行程开关 SQ1作为摇臂上升、 下降的极限位 置保护， SQ1 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 KM 2、KM 3 ，使M 2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 T 降压提供照明灯 EL安全电压，由 SA2 开关操作。熔断器 FU 3 作为短路保护。当主轴电动机工作时， KM 1触点 (101-104) 接通，指示

14、灯 HL 3亮，表示主轴工作； 当主轴箱、立柱处于夹紧状态时， SQ4触点 (101-l03) 接通， HL 2灯亮。主轴箱、立柱处于 松开状态， SQ4触点 (101-102) 接通， HL1 灯亮。3. 设计需运用的基本理论钻床是一种孔加工设备，可以用来钻孔、扩孔、铰孔、攻丝及修刮端面等多种形式的加工。 按用途和结构分类， 钻床可以分为立式钻床、 台式钻床、 多孔钻床、摇臂钻床及其他专用钻 床等。在各类钻床中，摇臂钻床操作方便、灵活，适用范围广，具有典型性，特别适用于单 件或批量生产带有多孔大型零件的孔加工， 是一般机械加工车间常见的机床。 摇臂钻床主要 由底座、内立柱、外立柱、摇臂、主轴

15、箱及工作台等部分组成。主轴箱可在摇臂上移动，并 随摇臂绕立柱回转的钻床。 摇臂还可沿立柱上下移动， 以适应加工不同高度的工件。 较小的 工件可安装在工作台上， 较大的工件可直接放在机床底座或地面上。 摇臂钻床广泛应用于单 件和中小批生产中， 加工体积和重量较大的工件的孔。 摇臂钻床加工范围广， 可用来钻削大 型工件的各种螺钉孔、 螺纹底孔和油孔等。 摇臂钻床的主要变型有滑座式和万向式两种。 滑 座式摇臂钻床是将基型摇臂钻床的底座改成滑座而成， 滑座可沿床身导轨移动， 以扩大加工 范围，适用于锅炉、 桥梁、 机车车辆和造船等行业。 万向摇臂钻床的摇臂除可作垂直和回转 运动外，并可作水平移动， 主

16、轴箱可在摇臂上作倾斜调整， 以适应工件各部位的加工。 此外， 还有车式、 壁式和数字控制摇臂钻床等。 此次试验就是要将滑座式 Z3040 摇臂钻床的控制系 统改为 PLC控制。摇臂钻床加工时， 主轴箱紧固在摇臂导轨上， 而外立柱紧固在内立柱上， 摇臂紧固在外 立柱上，然后进行钻削加工。钻削加工时，钻头一边进行旋转切削一边进行纵向进给， 其运 动形式为：(1) 摇臂钻床的主运动为主轴的旋转运动；(2) 进给运动为主轴的纵向进给；(3) 辅助运动有：摇臂沿外立柱垂直移动，主轴箱沿摇臂长度方向的移动，摇臂与外立柱起绕内立柱的回转运动。3 / 25Z3040 型摇臂钻床电气控制控制系统设计所运用的知识

17、有液压控制基础，继电器-接触器控制线路的设计，可编程控制器的基本理论，电动机基本控制线路，其中电气原理图，接线图，还有PLC地形图，还有一些指令并熟悉 PLC编程软件的使用。4. 课程设计任务1、机器的机械结构，动作片顺序（附图）等。2、控制部分（如液压系统）的原理（附原理图）。3、电气传动的特点及控制要求4、电气控制线路设计（附图）5、绘制 PLC接线图，附 PLC编程的梯形图或语句表或 KFC等。第二章 摇臂钻床简介及运动分析一、摇臂钻床的作用摇臂钻床 , 也可以称为横臂钻。主轴箱可在摇臂上左右移动，并随 摇臂绕立柱回转 180º的钻床 （见图）。摇臂还可沿外柱上下升 降，以适应

18、加工不同高度的工件。较小的工件可安装在工作台上，较大的工件可直接放在机床底座或地面上。 摇臂钻床广泛应用于单件和 中小批生产中， 加工体积和重量较大的工件的孔。 摇臂钻床加工范围 广，可用来钻削大型工件的各种螺钉孔、螺纹底孔和油孔等。摇臂钻 床的主要变型有滑座式和万向式两种。 滑座式摇臂钻床是将基型摇臂 钻床的底座改成滑座而成， 滑座可沿床身导轨移动， 以扩大加工范围， 适用于锅炉、桥梁、机车车辆和造船，机械加工，等行业。万向摇臂 钻床的摇臂除可作垂直和回转运动外， 并可作水平移动， 主轴箱可在 摇臂上作倾斜调整，以适应工件各部位的加工。此外，还有车式、壁 式和数字控制摇臂钻床等。二、摇臂钻床

19、的结构分析摇臂钻床主要由底座、内立柱、外立柱、摇臂、主轴箱及工作台等 部分组成。 内立柱固定在底座的一端，在它的外面套有外立柱，外 立柱可绕内立柱回转 360 度。摇臂的一端为套筒， 它套装在外立柱做 上下移动。由于丝杆与外立柱连成一体，而升降螺母固定在摇臂上， 因此摇臂不能绕外立柱转动， 只能与外立柱一起绕内立柱回转。 主轴 箱是一个复合部件，由主传动电动机、主轴和主轴传动机构、进给和 变速机构、 机床的操作机构等部分组成。 主轴箱安装在摇臂的水平导 轨上，可以通过手轮操作，使其在水平导轨上沿摇臂移动。三、摇臂钻床的运动分析当进行加工时，由特殊的加紧装置将主轴箱紧固在摇臂导轨上， 而外立柱紧

20、固在内立柱上， 摇臂紧固在外立柱上， 然后进行钻削加工 钻削加工时，钻头一边进行旋转切削，一边进行纵向进给，其运动形 式为：（1）摇臂钻床的主运动为主轴的旋转运动。（2）进给运动为主轴的纵向进给。3）辅助运动有：摇臂沿外立柱垂直移动，主轴箱沿摇臂长度方向的移动，摇臂与外立柱一起绕内立柱的回转运动。图 1-3 Z3040 型摇臂钻床结构图四、摇臂钻床对控制的要求（1）摇臂钻床运动部件较多，为了简化传动装置，采用多台电动 机拖动。例如 Z3040型摇臂钻床采用 4台电动机拖动，他们分别是主 轴电动机，摇臂升降电动机，液压泵电动机和冷却泵电动机，这些电 动机都采用直接启动方式。（2）为了适应多种形式

21、的加工要求， 摇臂钻床主轴的旋转及进给 运动有较大的调速范围， 一般情况下多由机械变速机构实现。 主轴变 速机构与进给变速机构均装在主轴箱内。（3）摇臂钻床的主运动和进给运动均为主轴的运动， 为此这两项 运动有一台主轴电动机拖动， 分别经主轴传动机构， 进给传动机构实 现主轴的旋转和进给。（4）在加工螺纹时，要求主轴能正反转。摇臂钻床主轴正反转一 般采用机械方法实现。因此主轴电动机仅需要单向旋转。（5）摇臂升降电动机要求能正反向旋转。（6）内外主轴的夹紧与放松、 主轴与摇臂的夹紧与放松可用机械操作、电气机械装置， 电气液压或电气液压机械等控制方法实现。若采用液压装置，则备有液压泵电机，拖动液压

22、泵提供压力油 来实现，液压泵电机要求能正反向旋转，并根据要求采用点动控制。（7）摇臂的移动严格按照摇臂松开移动摇臂夹紧的程序进行。 因此摇臂的夹紧与摇臂升降按自动控制进行。（8）冷却泵电动机带动冷却泵提供冷却液，只要求单向旋转。（9）具有连锁与保护环节以及安全照明、信号指示电路。17 / 25第三章 控制方案设计一、课程设计要求及任务1）设备机械运动部分说明2）主运动：机床主轴可正反转；直接启动；停车采用反接制动、 定子回路串如电阻；主轴正转可电动3）工作台进给运动：进给运动由主电动机驱动，实现纵向、横向两个方向的进给4）快速进给：由快速进给电动机带动、设备电气控制要求1）主电机 M1：三相异

23、步电动机（ M1能正反转、反接制动、正向 点动）2）快移电动机：三相异步电动机（单向运转）3）冷却泵电动机：三相异步电动机直接由转换开关控制（控制按 钮控制、可实现两地控制）4）主轴机械变速、要求监视主电动机工作电流5）照明电压 24V，控制电压 110V6）要有必要的指示灯三、电动机的选择（根据功率、转速等要求选择）根据 P=0.0646D1.19，因为 Z3040 摇臂钻床的最大钻孔直径为 40mm,所以 P=0.0646*40 1.19=5.2KW，所以主电机 M1 选择： Y132S1-2,额定功率 5.5KW,额定电流 11.1A ，额定电压 380V冷却泵电动机选择： JCB-22

24、 0.15KW，380V， 0.43A 快移电动机选择： Y160M1-2 11KW， 380V， 21.8A第四章 电气控制线路设计主电路设计图 3-1电路说明和解释M1 为主轴电机， 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，主电机采用的是串电阻降压启动方式，当 KM1 打 开，KM6 关闭时就进入了启动模式，当 KM2 关闭 KM3 打开时， M2 电动机正传，反之反转， M3 与之同理， M4 采用的是转换开关启动。控制电路设计图 3-2电路说明和解释SB1，SB2与接触器 KM1 构成主电机的启停控制， M1 启动后， HL3 亮。摇臂上升按钮 SB3，

25、下降按钮 SB4 正反转接触器 KM2,KM3 组成互锁。 如摇臂电动机不能转动， 由正反转接触 器 KM4 ，KM5 控制液压泵电动机的正反转来送出液压油实现 加紧与松开。 断电延时 KT闭合使电磁阀 YA得电液压泵送油。三、 PLC编程绘制 PLC接线图，附 PLC编程的梯形图a. 绘制 PLC接线图第五章电气元件的选择熔断器的选用熔体的额定电流 I rN=(1.52.5)I Nmax+I N.所以 I rN=63A 选用原则及最后型号选择熔断器时主要应该选择熔断器的类型，额定电压，额定 电流及熔体的额定电流。FU1选择 RT12-A3，FU2，FU3选择 RT12-A1。接触器的选用接触

26、器是一种用来自动接通或断开大电流的自动电器，主要用来接通或断开带有负载上网交，直流主电路或大容量控制电路 选用原则及最后型号选用原则根据额定电压，额定电流，操作频率，通断能力等，本设计主电机 KM1选择 CJ20-16A，其余 KM2，KM3选择 CJ20-25A。三、 热继电器的选用热继电器是利用电流的热效应原理来工作的保护电路。 选择热 继电器时主要根据电动机的额定电流确定热继电器的型号， 本设 计选择 JR0-40，热元件的额定电流为 16A。四、 电气元件明细表表 4-4M1主轴电动机FU2M1、M2 及变压器一次侧的短路保护熔断器M2摇臂升降电动机FU3主轴的短路保护熔断器M3液压泵电动机FU4工作灯短路保护熔断器M4冷却泵电动机YA电磁阀KM1主轴旋转接触器SA1机床工作灯开关KM2摇臂上升接触器FR1M1电动机过载保护用热继电器KM3摇臂下降接触器FR2M3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QS1电源引入开关KM5主轴箱、立柱、摇臂夹紧接触器QS2冷却泵工作开关KM6交流接触器SB1主电动机停止按钮SB2主电动机启动按钮KT放松、夹紧用断电延时时间继电器SB3摇臂上升启动按钮KT1主轴延时时间继电器SB4摇