卧式车床电气控制系统课程设计

机床电专控制技术课程设计报告

设计课题：一台一般卧式车床口勺电气控制系统设计

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日期___________________________________________

指引教师:

绪论

车床是机械加工中最广泛的金属切削机床，它可以用于切削多种工件的外

圆、内孔、端面、螺纹、螺杆及车削定型表面等。现代生产机械多采用机械、电

气、液压、气动结合的控制技术。其中电气控制技术起联接中枢作用，应用最为

广泛。电气控制系统是生产机械设备H勺重要构成部分，是保证J机械设备按生产

工艺规定，完毕多种运动状态与协调工作，并保证机械没备安全可靠工作以及实

现操作自动化。本设计H勺重要任务是根据车床的工作状况拟定电气设计的技术条

件、电力拖动形式的选择、电动机的选择及其他电器元件、电气控制原理图，绘

制机电设备H勺位置图和接线图，最后按规定写出设计报告，绘出设计图样。

第一章车床的运动形式

1.1主运动

车床U勺主运动是工件的旋转运动，它是山主轴通过卡盘或顶尖带动_L件旋

转。

电动机的动力通过主轴箱传给主轴，主轴一般只要单方向的I旋转运动，只有

在车螺纹时才需要用反转来退刀。

1.2进给运动

车床的进给运动是溜板带动刀具作纵向或横向的直线移动，也就是使切削能

持续进行下去的运动。所谓纵向运动是指相对于操作者"勺左右运动，横向运动是

指相对于操作者的前后运动。

车螺纹时规定主轴口勺旋转速度和进给的移动距离之间保持一定口勺比例，因此

主运动和进给运动要由同一台电动机拖动，主轴箱和车床的溜板箱之间通过齿轮

传动来联接，刀架再由溜板箱带动，沿着床身导轨作直线走刀运动。

第二章电力拖动的特点及控制规定

2.1电力拖动的特点

（1）采用老式日勺继电器接触器控制系统。

（2）传动方式采用多电动机拖动，即一台设备由多台电动机分别驱动各个

工作机

构。这种拖动方式不仅大大简化了生产机械的传动机构，并且控制灵活，为生产

机械时自动化提供了有利的条件，现代化机电传动基本上均采用这种拖动形式。

（3）机床主运动和进给运动由主轴电动机Ml集中传动，主轴电动机选用

三相笼式异步电动机，不进行电气调速，主轴采用齿轮箱进行机械有级调速，由

车床主轴箱通过变速箱与主轴电动机时连接来完毕（为减小振动，主拖动电动机

通过几条传动皮带将动力传递到主轴箱）；刀架的给进运动方式有手动和自动两

种，在进行螺纹加工时，工作日勺旋转与刀架叫进给速度之间应有严格日勺比例关系，

因此，车床刀架时纵向或横向两个方向进给运动是由主轴箱输出轴依次经挂轮

箱、进给箱、光杠传入溜板箱而获得日勺。车削螺纹时规定主轴有正反转，主轴电

动机只作单向旋转，主轴的正反转一般由机械措施实现，采用多片摩擦片离合器

实现：主轴制动采用液压制动器；主轴电动机时启动、停止采用按钮操作；主轴

电动机时容量不大，可采用直接启动。

（4）冷却泵由电动机M2拖动，只需要单向旋转。车削加工时，由于刀具

及弓箭温度过高，有时需要冷却，因而配有冷却泵电动机，冷却泵电动机与主轴

电动机有连锁关系，即冷却泵电动机应在主轴电动机之后启动，并在主轴电动机

停车时，冷却泵电动机也应立即停车。

（5）刀架迅速移动由单独的迅速电动机M3拖动：刀架移动和主轴转动有

固定的比例关系，以便满足对螺纹的加工需要。进给运动的纵向左右运动，横向

前后运动以及迅速移动都集中由一种手柄操纵。

（6）车床控制电路应具有必要的短路、过载、欠压和零压等保护环节，并

有安全、可靠的局部照明和信号批示。

1.3辅助运动

车床口勺辅助运动涉及刀架的J快进与快退，尾架的移动与工件的夹紧与松开

等。

2.2电源形式

主电路采用交流380V电源直接供电，对于比较复杂的控制线路，应采用控

制电源变压器，将控制电压由交流380V或220V降至110V或48V、24V等，

这是从安全角度考虑日勺。本设计由控制变压器将交流38OV变换成110V、24V.

和6V分别供应控制回路、照明回路和信号回路。

第三章电动机及其他电气元件的选择

3.1电动机的选择

3.1.1主轴电动机

当主运动和进给运动采用同一电动机时，只计算主运动电动机功率即可。多

数机床负载状况比较复杂，切削用量变化很大，特别是通用机床负载种类更多，

不易精确地拟定其负载状况。因此一般采用调杳记录类比或采用分析与计算相结

合的)措施来拟定电动机H勺功率。

(1)调杳记录类比法

目前我国机床设计制造部门，往往采用这种措施来选择电动机容量。这种措

施就是对机床主拖动电动机进行实测、分析，找出了电动机容量与机床重要数据

的关系，根据这种关系作为选择电动机容量的根据。

卧式车床主电动机H勺功率：

P=36.5D,54

式中：P主拖动电机功率(kW)；

D工件最大直径(⑼。

(2)分折计算法

可根据机床总体设计中对机械传动功率的规定，拟定机床拖动用电动机功

率。即懂得机械传动H勺功率，可计算出所需电动机功率：

7小

式中：P电动机功率；

P1机械传动轴上的I功率；

///生产机械效率；

电动机与生产机械之间的传动效率。

P=—

式中：”.•为机床总效率，一般主运动为回转运动的机床取

0.7-0.85；主运动为往复运动H勺机床取0.6〜0.7（构造简朴的取大值，复杂的

取小值）。

根据实际状况，最后拟定电动机的容量为UKW。

3.1.2冷却泵电动机

冷却泵电动机H勺容量比较小，一般选用90W即可。

3.1.3迅速移动电动机

迅速移动电动机所需要H勺功率，一般由经验数据来选择，选择为250Wo

3.2电动机转速和构造型式的选择

3.2.1转速时选择

电动机功率H勺拟定是选择电动机的核心，但也要对转速、使用电压等级及构

造形式等项目进行选择。异步电动机由于它构造简朴结实、维修以便、造价低廉,

因此在机床中使用得最为广泛。

电动机H勺转速愈低则体积愈大，价格也愈高，功率因数和效率也就低，因此

电动机的转速要根据机械口勺规定和传动装置的具体状况加以选定。异步出动机的

同步转速有3000r/min>1500r/min>1000r/niin>750r/min>600r/min等几种,

这是由于电动机的磁极对数的不同而决定的。电动机转子转速由于存在着转差

率，一般比同步转速约低2%~5%。一般状况下，可选用同步转速为1500r/min

的I电动机，由于这个转速下的电动机适应性较强，并且功率因数和效率也高。若

电动机的转速与该机械日勺转速不一致，可选用转速稍高的电动机通过机械变速装

置使其一致。

根据以上内容选择主地电动机Ml转速为145（h7min；冷却集电动机M2转

速为3000r/min；迅速移动电动机M3转速为1360r/mino

3.2.2构造型式的选择

一般地说，金属切削机床都采用通用系列的I一般电动机。

y系列三相异步电动机是机床上常用H勺三相异步电动机。

y系列电动机是封闭自扇冷式笼型三相异步电动机，是全国统一设计的新的

基本系列，它是我国取代JO2系列的更新换代产品。安装尺寸和功率等级完全

符合IEC原则和DIN42673原则。本系列采用B级绝缘，外壳防护等级为IP44.

冷却方式为/CO./4/。

因此，主轴电动机选择Y160M-4型电动机；

冷却泵电动机采用专门EF、JAOB-25系列油泵电机，由封闭自冷日勺三星异步电

动机和单级离心泵组合而成，重要是给一般机床和其他设备输送循环冷却液（冷

却液为肥皂水，苏打水，经矿物油和其他无腐蚀性rJ液体），该系列泵效率高，

体积小，重量轻，运营平稳，安全可靠。

刀架迅速移动电动机选择通用的AOS5634型电动机。

因此电动机时选择如下：

主轴电动机Ml：型号Y160M-4；容量11KW；转速1450r/min。作用：工

件的旋转和刀具日勺进给

冷却泵电动机M2：型号AOB-25：容量90W；转速3000r/min0作用：输

送冷却液用

刀架迅速移动电动机M3：型号AOS5634；容量0.25KW：转速1360i7min。

作用：溜板迅速移动用

3.3电器元件的选择

3.3.1热继电器

运用电流的热效原理来工作日勺保护电器

重要用作：三相异步电动机的过载保护

由按钮、接触器、热继电器等构成的异步电动机直接起动控制电路

FR

热继电器口勺图形和文字符号

3.3.2交流接触器KM

用来频繁的接通和分断交直流主回路和大容量控制电路。重要控制对象是电

动机，能实现远距离控制，并有欠（零）电压保护功能。

交流接触器图形符号和文字符号

3.3.3熔断器

作用：运用金属的熔化来切断电路，以保护电器，短路保护。

构造：熔体（保险丝）和熔座（安装熔体）

形状：片状、丝状、和笼状

型号：常用的熔断器有瓷插式RCIA系列、封闭管式及螺旋式RL1系列等多

种。

FU

熔断器图形符号和文字符号

3.3.4按钮

按钮，是一种常用的控制电器元件，常用来接通或断开，控制电路’（其中电

流很小），从而达到控制电动机或其他电气设备运营目的的一种开关。

复式触头

3.3.5行程开关

行程开关，位置开关（又称限位开关）的一种，是一种常用的小电流

主令电器。

在电气控制系统中，位置开关的作用是实现顺序控制、定位控制和位

置状态的检测。用于控制机械设备的行程及限位保护。

SQ

位更开关的图形符号及文字符号

3.3.6信号灯HL。

型号：DX1-0规格：白色，配6V0.15A灯泡作用：电源批示

灯

由于变压后的电源为6V,因此选用DX1-0型的信号灯。

3.3.7机床照明灯EL。

型号：K-1,螺口规格：40W36V作用：机床局部照明

由于在通过电源变压后变为36V的电源电压，因此用36V的）K-1型口勺照明

灯。

3.3.8断路器QF。

由于QF保护主电路因此用：AM2-40、20A型口勺熔断器。

3.3.9控制变压器TC。

控制变压器和一般变压器原理没有区别.只是用途不同.控制变压器:用

途广泛，可做升压,亦可做降压用

表电动机及电器元件明细表

符号名称符号名称

M1主电动机SB1总停按钮

M2冷却泵电动机SB2主电动机正向点动按钮

M3迅速移动电动机SB3主电动机正转按钮

KM1主电动机正转接触器SB4主电动机反转按钮

KM2主电动机反转接触器SB5冷却泵电动机停转按钮

KM短接限流电阻接触静SB6冷却泵电动机起动按钮

KM4冷却泵电动机起动接触器TC控制变压器

KM3快移电动机起动接触器FU(1~5)熔断器

主电动机过载保护热继

KA中间继电器FR1

电器

KT通电延时时间继电器FR2冷却泵电动机保护热继电器

SQ快移电动机点动行程开关R限流电阻

SA开关EL照明灯

KS速度继电器TA电流互感器

A电流表QS隔离开关

第四章电气控制原理图的设计

4.1主回路的设计

如图1所示，在主电路中，一•共有三台电动机。Ml为主轴电动机，带动主

轴旋转和刀架作进给运动；M2为冷却泵电动机，用来输送切削液；M3为刀架

迅速移动电动机。

4.1.1主电动机正反转

KM1与KM2分别为交流接触器KM1与KM2H勺主触头。根据电气控制基本知识分

析可知，KM1主触头闭合、KV2主触头断开时，三相交流电源将分别接入电动机

的U1、VI、W1三相绕组中，Ml主电动机将正转。反之，当KM1主触头断开、KM2

主触头闭合时，三相交流电源将分别接入Ml主电动机的阳、VI、U1三相绕组中，

与正转时相比，U1与W1进行了换接，导致主电动机反转。

4.1.2主电动机全压与减压状态

当KM主触头断开时，三相交流电源电流将流经限流电阻R而进入电动机绕

组，电动机绕组电压将减小。如果KV3主触头闭合，则电源电流不经限流电阻而

直接接入电动机绕组中，主电动机处在全压运转状态。

4.1.3绕组电流监控

电流表A在电动机Ml主电路中起绕组电流监视作用，通过TA线圈空套在绕

组•相的接线上，当该接线有电流流过时，将产生感应电流，通过这•感应电流

间显示电动机绕组中目前电流值。其控制原理是当KT常闭延时断开触头闭合时，

TA产生H勺感应电流不通过A电流表，而一旦KT触头断开，A电流表就可检测到

电动机绕组中的电流。

4.1.4电动机转速监控

KS是和Ml主电动机主轴同转安装的J速度继电器检测元件，根据主电动机主

轴转速对速度继电器触头H勺闭合马断开进行控制。

主轴电动机由热继电器FR1作过载保护，熔断器FU1作短路保护。

4.1.5冷却泵电动机电路

冷却泵电动机M2喷出冷却液，实现刀具的冷却，由接触器KM4控制，热继

电器FR2作为它H勺过载保护，熔断器FU4作短路保护。

4.1.6快移电动机电路

刀架迅速移动电动机M3接触器KM3控制，由于是点动控制，故不设过载

保护,熔断器FU5作短路保护。

主电路通过TC变压器与控制线路和照明灯线路建立电联系。TC

变压器一次侧接入电压为380V,二次侧有36V、110V两种供电电源，

其中36V给照明灯线路供电，而UOV给车床控制线路供电。FU2作控

制电路短路保扩

图1

4.2控制回路的设计

1）主电动机点动控制

按下SB2,KV1线圈通电，根据原态支路常断现象，其他所有线圈均处在断电状

态。因此主电路中为KM1主触头闭合，由QS隔离开关引入的三相交流电源将经

心”主触头、限流电阻接入主电动机Ml的三相绕组中，主电动机Ml串电阻减压起

动。一旦松开SB2,KM1线圈断电，电动机Ml断电停转。SB2是主电动机M2

的点动控制按钮。

2）主电动机正转控制

按下SB3,KM线圈通电与KT线圈同步通电，并通过20区时常开辅助触头KM3闭

合而使KA线圈通电，KA线圈通电乂导致11区中的KA常开辅助触头闭合，使KM1

线圈通电。而7〜9区常开辅助触头与KA常开辅助触头对SB3形成自锁。主

电路中KM主触头与K”1主触头闭合，电动机不经限流电阻R则全压正转起动。

绕组电流监视电路中，因KT线圈通电后延时开始，但山于延时时间尚未达到，

因此KT常闭延时断开触头保持闭合，感应电流经KT触头短路，导致A也流表中

没有电流通过，避免了全压起动初期绕组电流过大而损坏A电流表。KT线圈延

时时间达到时，电动机已接近额定转速，绕组电流监视电路中的KT将断开，感

应电流流入A电流表将绕组中电流值显示在A表上。

3）主电动机反转控制

按下SB4,通过6、7、5、6线路导致小线圈与KT线圈通电，与正转控制相类似,

11区的KA线圈通电，再通过7、8、9使KM2线圈通电。主电路中KM2、KM主触头

闭合，电动机全压反转起动。KM1线圈所在支路与KM2线圈所在支路通过KM2与

KY1常闭触头实现电气控制互锁。

4）主电动机反接制动控制

正转制动控制

右KS是速度继电器的正转控制触头，当电动机正转起动至接近额定转速时，右

KS闭合并保持。制动时按下SB1,控制线路中所有电磁线圈都将断电，主电路中

KM1.KM2、KM主触头所有断开，电动机断电降速，但由于正转转动惯性，需较

长时间才干降为零速。

一旦松开SB1,则经1、6、右KS、8、9,使KM2线圈通电。主电路中KM2主触头

闭合，三相电源电流经KM2使U1、晅两相换接，再经限流电阻R接入三相绕组中,

在电动机转子上形成反转转矩，并与正转的惯性转矩相抵消，电动机迅速停车。

在电动机正转起动至额定转速，再从额定转速制动至停车的过程中，右KS反转

控制触头始终不产生闭合动作，保持常开状态。

反转制动控制

左KS在电动机反转起动至接近额定转速时闭合并保持。与正转制动相类似，按

下SB1,电动机断电降速。一旦松开SB1,则经1、6、左KS、2、3,使线圈Kill

通电，电动机转子上形成正转转矩，并与反转的J惯性转矩相抵消使电动机迅速停

车。

5）冷却泵电动机起停控制

按下SB6,线圈KM4通电，并通过KM4常开辅助触头对SB6自锁，主电路中KM4主

触头闭合,冷却泵电动机M2转动并保持。按下SB5,KM4线圈断电,冷却泵电动

机M2停转。

6）快移电动机点动控制

行程开关由车床上H勺刀架手柄控制。转动刀架手柄，行程开关SQ将被压下而闭

合，KM3线圈通电。主电路中KM3主触头闭合，驱动刀架快移的电动机M3起动。

反向转动刀架手柄复位，SQ行程开关断开，则电动机M3断电停转。

7）照明电路

灯开关SA置于闭合位置时，EL灯亮。SA置于断开位置时，EL灯灭。

4.3车床照明灯与电源批示灯的控制

照明、信号电路分析控制变压器TC的二次侧分别输出36V和110V电压，

作为车床低压照明灯和信号灯H勺电源。EL作为车床H勺低压照明灯由开关SA控

制，HL为电源信号灯。它们由FU3作为短路保护

4.4电气保护环节

（1）不要漏接接地线，不能用金属软管作为接地内通道。

（2）在控制箱外部进行布线时，导线必须穿在导线通道内或敷设在机床底

座内的I导线通道里。所有导线不得有接头。

（3）在导线通道内敷设导线进行接线时，必须作到查出一根导线，套一根

线号。

（4）在进行迅速进纶时，注意将运动部件处在行程的中间位置，以避免运

动部件与车头或尾架相撞,

（5）主轴电动机不能启动

发生主轴电动机不能启动的故障时，一方面检查故障是发生在主电路还是控

制电路，若按下启动按钮，接触器KM1不吸合，此故障则发生在控制电路，重

要应检查FU2与否熔断，过载保护FR1与否动作，接触器KMIH勺线圈接线端

子与否松脱，按钮SB1、SB2的触点接触与否良好。若故障发生在主电路，应检

查车间配电箱及主电路开关H勺熔断器的熔丝与否熔断，导线联接处与否有松脱现

象，KM1主触点的接触与否良好。

（6）主轴电动机启动后不能自锁

当按下启动按钮后，主轴电动机能启动运转，但松启动动按钮后，主轴电动

机也随之停止。导致这种故障H勺因素是接触器KMIH勺刍锁触点H勺联接导线松脱

或接触不良。

（7）主轴电动机不能停止

导致这种故障H勺因素多数为KMI的主触点发生熔得或停止按钮击穿所致。

（8）电源总开关合不上

电源总开关合不上时因素有两个，一是电气箱子盖没有盖好，以