机床电气控制技术课程设计说明书_.doc

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机床电气控制技术课程设计报告

设计课题:

一台摇臂钻床的电气控制技术

姓名:

罗天雄

学院:

安徽农业大学经济技术学院

专业:

08机械设计制造及其自动化

班级:

一班

学号:

08530001

日期

2011年7月1日—2011年7月6日

指导教师:

马德贵

安徽农业大学工学院机电工程系

目录

1.机床电气控制系统设计的基本原则------------------------------------3

2.电气设计的技术要求------------------------------------------------6

3.电力拖动形式-----------------------------------------------------8

4.电气原理图--------------------------------------------------------9

5.电动机及其他元件的选择------------------------------------------10

6.电气位置图-------------------------------------------------------17

7.电气接线图-------------------------------------------------------18

8.电气互连图-------------------------------------------------------19

9.电器元件及导线穿线清单-------------------------------------------20

10.参考文献-------------------------------------------------------21

.

常用的生产机械广泛应用继电接触式控制。

随着计算科学和通信科学的发展，诞生了工业控制计算机的一种典型产品：

可编程控制器（简称：

PLC），随之应用在对生产机械的自动控制中，构成了新型的生产机械可编程控制器控制系统。

在学习了继电接触式典型控制环节、PLC的硬、软件基本知识和一些典型的机床电气设备的控制系统之后，应该能对一般生产机械电力装备控制线路进行分析。

更为重要的是，应能举一反三，对一些生产机械的电气控制系统进行设计并提供一套完整的技术资料。

1.机床电气控制系统设计的基本原则

设计工作的首要问题是必须树立正确的设计思想和群众观点，树立工程实践的观点。

要虚心地向有经验的工人、工程技术人员请教。

由于近代机床的生产效率高，结构型式与机床电气化程度有密切的关系。

因此，机床电气控制系统的设计应与机械部分的设计同时进行并密切配合，共同拟定机床电气控制方案，协同解决在设计中出现的问题。

设计的继电接触式控制系统和PLC控制系统，应同时遵循以下基本原则：

（1）最大限度地满足被控制对象和用户的控制要求，包括功能要求、性能要求；

（2）在满足控制要求的前提下，力求控制系统简单、经济、使用时节约能源；

（3）力求控制系统安全、可靠、使用与维修方便。

1.摇臂钻床简介

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、壁式和数字遥控摇臂钻床等。

2.摇臂钻床的主要结构

　　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，在他的外面套有外立柱，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。

3.摇臂钻床的运动形式

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。

4.摇臂钻床控制要求

（1）摇臂钻床运动部件较多，为了简化传动装置，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。

主回路:

电源由总开关SK引入，主轴电动机M1单向旋转，由接触器KM1控制。

主轴的正、反转由机床液压系统操作机构配合摩擦离合器实现。

摇臂升降电动机M2由正、反接触器KM2、KM3控制。

液压泵电动机M3拖动液压泵送出压力液以实现摇臂的松开、夹紧以及主轴箱的松开、夹紧，并由接触器KM4、KM5控制正、反转。

冷却泵电动机KM4用开关SA2控制。

控制线路：

1.电动机M1的控制按下启动按钮SB2→接触器KM1通电→M1转动。

按下停止按钮SB1→接触器KM1断开→M1停止。

2.摇臂升降电动机M2的控制摇臂上升：

按下升起按钮SB3→时间继电器KT通电→电磁阀YA通电，推动松开机构使摇臂松开。

∟接触器KM4通电→液压泵→电动机M3正转松开机构压下限位开关SQ2→KM4断电→M3停转，停止松开。

∟上升接触器KM2通电→升降电动机M2正转，摇臂上升，到预定位置→松开SB3→上升接触器KM2断电→M2停转，摇臂停止上升。

∟时间继电器KT断电→延时t（s）,KT延时闭合常闭触点闭合→接触器KM5通电→M5反转→电磁阀推动夹紧机构使摇臂夹紧→夹紧机构压动限位开关SQ3→电磁阀YV断电。

∟接触器KM5断电→液压泵电动机M3停转，夹紧停止。

摇臂上升过程结束。

注：

摇臂上升过程和下降过程一样，不同的是由下降启动按钮SB4和下降接触器KM3实现控制。

3.主轴箱和立柱的夹紧与放松控制主轴箱和立柱的夹紧与松开是同时进行的。

松开按下松开按钮SB5→接触器KM4通电→液压泵电动机M3正转，推动松紧机构使主轴箱和立柱分别松开→限位开关SQ复位→松开指示灯HL1亮。

夹紧按下夹紧按钮SB6→接触器KM5通电→液压泵电动机M3反转，推动松紧机构使主轴箱和立柱分别夹紧→压下限位开关SQ4→紧指示灯HL2亮。

4.照明电路变压器T提供24V交流照明电源电压。

5.摇臂升降的限位保护摇臂上升到极限位置压动限位开关SQ2，或下降到极限位置压动限位开关SB1，使摇臂停止升或降。

2.电气设计的技术要求

1.定继电接触式控制系统设计的技术条件；

电气设计的技术条件是整个电气设计的依据，通常以设计技术任务书的形式表示，由有关设计人员根据设备的总体技术方案讨论决定。

在任务书中，除了简要说明所设计的机电设备的名称、型号、用途、工艺过程、技术性能、传动参数以及现场工作条件外，还必须说明以下几点：

1）用户供电电网的种类、电压、频率及容量。

2）有关电力拖动的基本特性，如运动部件的数量和用途、负载特性、调速范围和平滑性，

电动机的起动、反向和制动的要求等。

3）有关电气控制的特性，如电气控制的基本方式。

自动工作循环的组成，自动控制的动

作程序，电气保护及联锁条件等。

4）有关操作方面的要求，如操作台的布置，操作按钮的设置和作用，测量仪器的种类以

及显示、报警和照明要求等。

5）机电设备主要电器元件（如电动机、执行电器和行程开关等）的布置草图。

2.选择电力拖动与控制方案；

3.设计电气控制原理图；

4.选择电动机及其其它电器元件，制定电器元件明细表；

5.绘制机电设备的电气装配图和接线图；

1）绘制电气控制装置的电器布置图

①电器元件在控制板（或柜）上的布置原则

a.体积大和较重的电器应安装在控制板的下面。

b.发热元件应安装在控制板的上面,并注意使感温元件与发热元件隔开。

c.弱电部分应加屏蔽和隔离,防止强电部分以及外界干扰。

d.需要经常维护检修操作调整用的电器（例如,插件部分、可调电阻、熔断器等），安装位置不宜过高或过低。

e.应尽量把外形及结构尺寸相同的电器元件安装在一排,以利于安装和补充加工，而且宜于布置整齐美观。

f.考虑电气维修,电器元件的布置和安装不宜过密,应留有一定的空间位置，以利于操作。

g.电器布置应适当考虑对称,可从整个板考虑对称,也可从某一部分布置考虑对称，具体应根据机床结构特点而定。

②　电器元件的相互位置

各电器元件在控制板上的大体安装位置确定之后,就可着手具体确定各电器之间的距离，它们之间的距离应从如下几方面去考虑。

a.电器之间的距离应便于操作和检修。

b.应保证各电器的电气距离,包括漏电距离和电气间隙。

这些数据可从JB862—66、JB616—65、JB617—65等部颁标准中查阅。

c.应考虑有些电器的飞弧距离,例如自动开关、接触器等在断开负载时形成电弧将使空气电离。

所以在这些地方其电气距离应增加。

具体的电器飞弧距离由制造厂家提供,若由于结构限制不能满足时,则相应的接地或导电部分要用耐弧绝缘材料加以保护。

机床电气控制柜、操纵台、悬挂操纵箱有标准的结构设计,可根据要求进行选择,但要进行补充加工。

如果标准设计不能满足要求,可另行设计。

这时可将所有电器元件按上述原则排在一块板上,移动各个电器元件求出一个最佳排列方案,然后确定控制柜的尺寸。

这种实物排列比用电器元件外形尺寸来考虑排列图更为方便与迅速。

2）绘制电气控制装置的接线图

根据电气原理图和各电气控制装置的电器布置图,绘制电气控制装置的接线图。

绘制机床电气接线图的要求如下：

①电气接线图所有电器元件图形,应按实物,依照左右对称、上下对称的原则绘制。

②电气接线图所有电器元件,应该注明与电气原理图一致的文字符号；接线端子应标注出与电气原理图一致的接线号。

③电气接线图一律采用细线条。

④要清楚地表示出接线关系和接线去向。

目前接线图接线关系的画法有两种：

第一种,直接接线法：

直接画出两个元件之间的联线。

对简单的电气系统,电器元件少、接线关系不复杂的情况下采用。

第二种,间接标注接线法：

对复杂的电气系统、电器元件多,接线关系比较复杂的情况下采用较多。

接线关系采用符号标注,不直接画出两元件之间的联线。

⑤按现定清楚地标注出配线用的不同导线的型号、规格、截面积和颜色。

对于同一张

图中数量较多而导线的型号、规格、截面积、颜色相同的标注符号可以省略,待数量较少的其它导线标注清楚后,用“其余用××线”字样注明即可。

⑥电气接线图上各电器元件的位置,应按装配图位置绘制，偏差不要太大。

⑦对于板后配线的接线图,应按装配图翻转后的方位绘制,电器元件图形符号应随之翻转，但触头方向不能倒置,以便于施工配线。

⑧控制板、控制柜的进线和出线,除大线外,必须经过接线板。

接线图中各元件的出 线应用箭头注明。

⑨接线板的排列要清楚,便于查找。

可按线号数字大小顺序排列,或按动力线、交流控制线、直流控制线分类后,再按线号顺序排列。

6.设计电气柜、操作台、电气安装板以及非标准电器和专用安装零件；

3.电力拖动形式

电动机特别是笼型异步电动机结构简单、运行可靠、价格低廉、维修方便，所以应用广泛。

尽量考虑笼型异步电动机，只有那些要求调速范围大和频繁起制动的生产机械才考虑采用直流或交流调速系统。

所以，应依生产机械对调速的要求来考虑电力拖动方案。

摇臂钻床是不要求电气调速的生产机械应采用笼型异步电动机拖动。

仅在负载静转矩很大或有飞轮的拖动装置中，若笼型异步电动机的起动转矩或转差率不能满足要求时，才考虑用绕线型异步电动机动。

当负载很平稳、容量大且起制动次数很少时,可采用同步电动机拖动。

因为这时可充分发挥同步电动机的优点，即效率高、功率因数高，调节激磁可工作在

过激情况下，并可提高电网的功率因数。

4.电气原理图

5.电动机及其它电气元件的选择

1.主电动机容量的统计分析公式如下

摇臂钻床：

P=0.0646D1.10单位为kW。

D最大钻孔直径单位为mm。

P=0.0646×4201.10=49.64kw

根据控制要求：

M1电动机型号：

Y225M-4。

M2电动机型号：

Y80L2-3

M3电动机型号：

YTS2635

2.低压电器的选择：

（1）接触器的选用：

接触器用途广泛,其额定工作电流或额定控制功率是随使用条件不同而变化的,只有根据不同使用条件正确选用,才能保证接触器在控制系统中长期可靠运行，充分发挥其技术经济效果。

a.根据不同使用类别选用产品系列

交流接触器共有五种使用类别,不同的使用类别，接触器的工作条件差异很大。

JK0类用于无感或微感负载,电阻炉负载。

接通和分断额定电压下的额定电流。

JK1类用于起动和运转中断开绕线型电动机。

在额定电压下,接通和分断4倍额定电流。

JK2类用于起动、反接制动、反向与密接通断绕线型电动机。

在额定电压下，接通和分断4倍额定电流。

JK3类用于起动和运转中断开笼型感应电动机。

在额定电压下接通8倍额定电流,在额定电压下分断6倍额定电流。

JK4类用于起动、反接制动、反向与密接通断笼型感应电动机。

在额定电压下接通和分断

6倍额定电流。

目前的几个产品系列,都是按照一定的使同类别设计的,如CJ10系列交流接触器就是按JK3使用类别设计的。

在选择时,首先根据接触器所控制负般的工作任务来选择相应使用类别的接触器。

生产上广泛使用中、小容量的笼型感应电动机,而且其中大部分电动机的负载是一般任务,它相当于JK3使用类别。

对于控制机床电动机的接触器来说负载情况比较复杂,有JK4类负载,也有JK3类与JK4类混合的负载,这些都属重任务的范畴。

如果负载明显地属重任务类,自然应选用JK4使用类别的接触器,至于负载为一般任务与重任务混合的情况,应据实情选JK3类或JK4类接触器,如已确定选用JK3类接触器,它的容量应降级使用。

即使如此,其电寿命仍将不同程度的降低。

b.根据电动机（或其他负载）的功率和操作情况确定接触器的容量等级

接触器的容量一般是按产品使用说明书提供的数据来选择。

但当选用按JK3设计的接触器来控制与JK4混合类负载时往往降级使用。

表5一2列出了CJ10-10型交流接触器降级使用情况,由表可知，当用CJ10-10型交流接触器控制JK3类负载的380V、4KW笼型感应电动机时,其电寿命可达六 十万次。

如果用它来控制混合类负载,由于电寿命降低,只能降级使用。

所以,是否降级使用,取决于对电寿命的要求,而电寿命又决定于生产机械的工艺要求,也就是操作频率的要 求,若操作频率很低时,也可不降级使用。

反过来说,降级使用后,其操作频率也不是可以任意提高的,因为一方面灭弧有困难,再则电磁线圈也会因过热而损坏。

倘若接触器控制的不是电动机,而是电容器或白炽灯时,则应以“接通”方面来考虑,

因为这时接通时的冲击电流可达额定电流的十几倍,这时，宜选用JK4使用类别的接触器,如果选用JK3类的接触器,建议降低70~80%额定容量来使用。

但要注意,对于JK2类使用类别的接触器,一般不宜用来控制JK4类负载,因为它的接通能力较低，在反复接通JK4类负载时易发生触头熔焊现象。

JK4类负载在混合类负载中所占百分数

降级使用情况

可控制电动机功率值P/KW

电寿命/万次

0%

4

60

10%

2.2

30

100%

2.2

6.7%×60

100%

4

2%×60

表1-1CJ10-10型交流接触器降级使用情况

所以交流接触器选用：

CJ20-10

（3）时间继电器的选用

通过对各种时间继电器工作原理和典型线路的分析可知,每一种时间继电器都有其各自的特点,所以要合理选用以发挥它们的特长。

可从以下几个方面来选择时间继电器。

a.时间继电器按其延时方式分为通电延时型和断电延时型两种,所以选择时应当考虑一下,选用哪一种延时方式的继电器对组成控制线路更为方便。

b.凡是对延时要求不怎么高的场合,一般宜采用价格较低的电磁式或气囊式时间继电器,反之,如对延时要求较高,则宜采用电动机式或晶体管式时间继电器。

c.要考虑电源参数变化的影响,如在电源电压波动大的场合,采用气囊式或电动机式时间继电器就比采用晶体管式为好，而在电源频率波动大的场合,则不宜采用电动机式继电器。

d.应考虑温度变化的影响,通常,在温度变化较大处,采用气囊式和晶体管式时间继电器是不适宜的。

e.此外还应注意,时间继电器动作过后需要一个复位时间,它应当比固有动作时间长一些,不然会有延时误差增大甚至不能产生延时的危险。

同时,对操作频率也要加以考虑，当操作频率过高时,不仅影响电寿命,还会导致延时动作失调.

型号

触点容量

延时触点数量

瞬时动作触点数量

线圈电压（V）

延时整定范围（S）

操作频率（次/h）

电压

（V）

额定电流

（A）

线圈通电后延时

线圈断电后延时

常开

常闭

常开

常闭

常开

常闭

S7-1A

JS7-2A

JS7-3A

JS7-4A

380

380

380

380

5

5

5

5

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

36

27

220

380

0.4~60

及

0.4~180

600

表1-2JS7-A空气阻尼式时间继电器的技术参数

时间继电器：

JS7-4A。

（4）热继电器的选用

热继电器选择是否得当,往往是决定它能否可靠地对电动机进行过载保护的关键因素。

应按电动机的工作环境要求、起动情况、负载性质等方面来考虑。

a.原则上按被保护电动机的额定电流选取热继电器。

根据电动机实际负载选取热继电器器的整定值为电动机额定电流的0.95~1.05倍。

但对于过载能力较差的电动机,它所配用的热继电器的额定电流就应适当小些,一般来说,这时选取热继电器的额定电流为电动机额定电流的60~80%。

b.在非频繁起动的场合,必须保证热继电器在电动机的起动过程中不致误动作。

通常,在电动机起动电流为其额定电流6倍,以及起动时间不超过6s的情况下,只要是很少连续起动，就可按电动机的额定电流来选择热继电器。

c.断相保护用热继电器的选用,对星形接法的电动机,一般采用两相结构的热继电器。

对于三角形接法的电动机,若热继电器发热元件接于电动机每相绕组中,则选择三相结构的热继电器,若发热元件接于三角形接线电动机的电源进线中,则选择带断相保护装置的三相结构热继电器。

d.对比较重要的、容量较大的电动机,可考虑选用半导体温度继电器进行保护。

常用的热继电器有JR0和JR10系列。

型号

额定电流（A）

热元件等级

额定电流（A）

电流调节范围

JR0-40

40

0.64

1

1.6

2.5

4

6.4

10

16

25

40

0.4~0.64

0.64~1

1~1.6

1.6~2.5

2.5~4

4~6.4

6.4~10

10~16

16~25

25~40

表1-3JR0-40型热继电器的技术参数

所以热继电器选用：

JR0-40

（5）熔断器:

熔断器的选择主要是熔断器类型的选择和熔体额定电流的确定。

a.熔断器类型的选择

根据负载的保护特性和短路电流的大小来选择熔断器的类型。

例如,电动机过载保护用的熔断器采用具有锌质熔体和铅锡合金熔体的熔断器。

对于车间配电网路的保护熔断器,如果短路电流较大,就要选用分断能力大的熔断器,有时甚至还需要选用有限流作用的熔断器，如RT0系列熔断器。

在经常要发生故障的地方,应考虑选用“可拆式”熔断器,如RC1A、RL1、RM7、RM10等系列产品。

b.熔体额定电流的确定

在选择和计算熔体电流时,应区别两种负载情况：

一种是有冲击电流的负载如电动机；

另一种是负载电流比较平稳的情况，如一般照明电路。

用熔断器保护电动机时,要达到过载保护的目的,其熔体的额定电流尽可能接近电动机的额定电流,但又为保证电动机能正常起动,熔断器在通过起动电流时不应当动作。

综合上要求,通常对笼型感应