卧式车床电气控制系统课程设计.doc
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机床电气控制技术课程设计报告
设计课题:
一台普通卧式车床的电气控制系统设计
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绪论
车床是机械加工中最广泛的金属切削机床，它可以用于切削各种工件的外圆、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的重要组成部分，是保证J机械设备按生产工艺要求，完成各种运动状态与协调工作，并保证机械设备安全可靠工作以及实现操作自动化。
本设计的主要任务是根据车床的工作情况确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，绘制机电设备的位置图和接线图，最后按要求写出设计报告，绘出设计图样。
第一章车床的运动形式
1．1主运动
车床的主运动是工件的旋转运动，它是由主轴通过卡盘或顶尖带动工件旋转。
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，也就是使切削能连续进行下去的运动。
所谓纵向运动是指相对于操作者的左右运动，横向运动是指相对于操作者的前后运动。
车螺纹时要求主轴的旋转速度和进给的移动距离之间保持一定的比例，所以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要求
2．1电力拖动的特点
（1）采用传统的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，而且控制灵活，为生产机械的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M1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的连接来完成（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，工作的旋转与刀架的进给速度之间应有严格的比例关系，因此，车床刀架的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的。
车削螺纹时要求主轴有正反转，主轴电动机只作单向旋转，主轴的正反转一般由机械方法实现，采用多片摩擦片离合器实现；主轴制动采用液压制动器；主轴电动机的启动、停止采用按钮操作；主轴电动机的容量不大，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）刀架快速移动由单独的快速电动机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，横向前后运动以及快速移动都集中由一个手柄操纵。
（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指示。
1．3辅助运动
车床的辅助运动包括刀架的快进与快退，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的。
本设计由控制变压器将交流380V变换成110V、24V、和6V分别供给控制回路、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。
多数机床负载情况比较复杂，切削用量变化很大，尤其是通用机床负载种类更多，不易准确地确定其负载情况。
因此通常采用调查统计类比或采用分析与计算相结合的方法来确定电动机的功率。
（1）调查统计类比法
目前我国机床设计制造部门，往往采用这种方法来选择电动机容量。
这种方法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主要数据的关系，根据这种关系作为选择电动机容量的依据。
卧式车床主电动机的功率：
式中：
P主拖动电机功率（kW）；
D工件最大直径（m）。
（2）分折计算法
可根据机床总体设计中对机械传动功率的要求，确定机床拖动用电动机功率。
即知道机械传动的功率，可计算出所需电动机功率：
式中：
P电动机功率；
P1机械传动轴上的功率；
η1生产机械效率；
η2电动机与生产机械之间的传动效率。
式中：
η：
为机床总效率，一般主运动为回转运动的机床取
0.7~0.85；主运动为往复运动的机床取0.6~0.7（结构简单的取大值，复杂的取小值）。
根据实际情况，最后确定电动机的容量为11KW。
3．1.2冷却泵电动机
冷却泵电动机的容量比较小，一般选取90W即可。
3．1.3快速移动电动机
快速移动电动机所需要的功率，一般由经验数据来选择，选择为250W。
3．2电动机转速和结构型式的选择
3．2．1转速的选择
电动机功率的确定是选择电动机的关键，但也要对转速、使用电压等级及结构形式等项目进行选择。
异步电动机由于它结构简单坚固、维修方便、造价低廉，因此在机床中使用得最为广泛。
电动机的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的要求和传动装置的具体情况加以选定。
异步电动机的同步转速有3000r/min、1500r/min、1000r/min、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％。
一般情况下，可选用同步转速为1500r/min的电动机，因为这个转速下的电动机适应性较强，而且功率因数和效率也高。
若电动机的转速与该机械的转速不一致，可选取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轴电动机M1转速为1450r/min；冷却泵电动机M2转速为3000r/min；快速移动电动机M3转速为1360r/min。
3．2．2结构型式的选择
一般地说，金属切削机床都采用通用系列的普通电动机。
Y系列三相异步电动机是机床上常用的三相异步电动机。
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标准和DIN42673标准。
本系列采用B级绝缘，外壳防护等级为IP44，冷却方式为IC0.141。
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的AOB-25系列油泵电机，由封闭自冷的三星异步电动机和单级离心泵组合而成，主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，轻矿物油和其他无腐蚀性的液体），该系列泵效率高，体积小，重量轻，运行平稳，安全可靠。
刀架快速移动电动机选择通用的AOS5634型电动机。
因此电动机的选择如下：
主轴电动机M1：
型号Y160M-4；容量11KW；转速1450r/min。
作用：
工件的旋转和刀具的进给
冷却泵电动机M2：
型号AOB-25；容量90W；转速3000r/min。
作用：
输送冷却液用
刀架快速移动电动机M3：
型号AOS5634；容量0.25KW；转速1360r/min。
作用：
溜板快速移动用
3．3电器元件的选择
3．3.1热继电器
利用电流的热效原理来工作的保护电器
主要用作：
三相异步电动机的过载保护
由按钮、接触器、热继电器等组成的异步电动机直接起动控制电路
热继电器的图形和文字符号
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。
主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：
利用金属的熔化来切断电路，以保护电器，短路保护。
结构：
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。
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行目的的一种开关。
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。
位置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：
电源指示灯
因为变压后的电源为6V，所以选用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
因为在经过电源变压后变为36V的电源电压，所以用36V的K-1型的照明灯。
3．3．8断路器QF。
因为QF保护主电路所以用：
AM2-40、20A型的熔断器。
3．3．9控制变压器TC。
控制变压器和普通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
快速移动电动机
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
短接限流电阻接触器
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
KA
中间继电器
FR1
主电动机过载保护热继
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。
M1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为刀架快速移动电动机。
4．1.1主电动机正反转
KM1与KM2分别为交流接触器KM1与KM2的主触头。
根据电气控制基本知识分析可知，KM1主触头闭合、KM2主触头断开时，三相交流电源将分别接入电动机的U1、V1、W1三相绕组中，M1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M1主电动机的W1、V1、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KM3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，主电动机处于全压运转状态。
4．1.3 绕组电流监控
电流表A在电动机M1主电路中起绕组电流监视作用，通过TA线圈空套在绕组一相的接线上，当该接线有电流流过时，将产生感应电流，通过这一感应电流间显示电动机绕组中当前电流值。
其控制原理是当KT常闭延时断开触头闭合时，TA产生的感应电流不经过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M1主电动机主轴同转安装的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的闭合与断开进行控制。
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作为它的过载保护，熔断器FU4作短路保护。
4．1.6快移电动机电路
刀架快速移动电动机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110V给车床控制线路供电。
FU2作控
制电路短路保护。
图1
4．2控制回路的设计
1）主电动机点动控制
按下SB2，KM1线圈通电，根据原态支路常断现象，其余所有线圈均处于断电状态。
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KM1主触头、限流电阻接入主电动机M1的三相绕组中，主电动机M1串电阻减压起动。
一旦松开SB2，KM1线圈断电，电动机M1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线圈同时通电，并通过20区的常开辅助触头KM3闭合而使KA线圈通电，KA线圈通电又导致11区中的KA常开辅助触头闭合，使KM1线圈通电。
而7~9区的KM1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KM1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，但由于延时时间还未到达，所以KT常闭延时断开触头保持闭合，感应电流经KT触头短路，造成A电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线圈延时时间到达时，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KM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KM1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主触头全部断开，电动机断电降速，但由于正转转动惯性，需较长时间才能降为零速。
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、W1两相换接，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KM1通电，电动机转子上形成正转转矩，并与反转的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
行程开关由车床上的刀架手柄控制。
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车床照明灯与电源指示灯的控制
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的电源。
EL作为车床的低压照明灯由开关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的通道。
（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）在进行快速进给时，注意将运动部件处于行程的中间位置，以防止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，首先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，主要应检查FU2是否熔断，过载保护FR1是否动作，接触器KM1的线圈接线端子是否松脱，按钮SB1、SB2的触点接触是否良好。
若故障发生在主电路，应检查车间配电箱及主电路开关的熔断器的熔丝是否熔断，导线联接处是否有松脱现象，KM1主触点的接触是否良好。
（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，但松开启动按钮后，主轴电动机也随之停止。
造成这种故障的原因是接触器KM1的自锁触点的联接导线松脱或接触不良。
（7）主轴电动机不能停止
造成这种故障的原因多数为KM1的主触点发生熔焊或停止按钮击穿所致。
（8）电源总开关合不上
电源总开关合不上的原因有两个，一是电气箱子盖没有盖好，以致SQ2（1-11）行程开关被压下；二是钥匙电源开关SA2没有右旋到SA2断开的位置。
（9）指示灯亮但各电动机均不能启动
造成这种故障的主要原因是FU3的熔体断开，或挂轮架的皮带罩没有罩好，行程开关SQ断开。
4．5机电设备的电气位置图
4．6电气接线图
结束语
此设计，在“电器与可编程控制器的应用技术”这门的基础上，对电动机的各种起动，制动，调速方法所对应的控制线路进行分析，研究。
同时也对电气控制，典型机床和重机械控制线路进行详细的分析和讲解。
期间，我们认识了各种电器元件及其作用（继电器、熔断器、主令开关、接触器等等）。
这次课程设计，让我们有很多的机会实际运用一下所学的知识，运用AutoCAD绘制电气原理图、安装接线图、位置布置图以及对电路的分析，在这个过程中提高了我们的额动手能力及解决实际问题能力。
通过在学校的学习和前几次的课程设计以及之前的兼职工作（运用CAD绘图）、以及通过的老师的讲解和自己的学习，对这方面的知识，使我对电器控制有了更深的了解和增添了对这次运用CAD课程设计的信心。
在此非常感谢辅导及教育我们的老师！
参考书目：
《机械设计课程设计手册》，第三版，高等教育出版社，吴宗泽主编。
《电器与可编程控制器应用技术》，第三版，机械工业出版社，邓则名主编。
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