组合钻床设计说明书.docx
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组合钻床设计说明书
序号（学号）：
课程设计说明书
课程名称
组合钻床电气控制系统设计
教学院
机电工程学院
专业
班级
姓名
\
指导教师
2014
年
12
月
11
日
一、设计任务书3
二、正文6
1.概述6
1.1机电传动控制概述6
1.2课程设计7
2.总体设计7
2.1控制要求的分析7
2.2液压控制回路中电磁阀被控逻辑表达式8
3.局部设计8
3.1原理图8
3.2接线图12
3.3元件选型12
4.PLC控制电路设计14
4.1PLC的I/O接线14
4.2PLC的I/O口分配16
4.3PLC型号的确定17
5.程序设计18
5.1主回路控制程序设计18
5.2回转工作台回转控制程序设计18
5.3动力头液压系统控制程序18
三、小结19
四、参考文献19
五、附录20
一、设计任务书
2014～2015学年第1学期
课程设计任务书
设计名称：
组合钻床
电气控制系统设计
班级：
11机械电子
地点：
K1-514
一、课程设计目的
本课程是机械设计制造及与自动化专业的专业必修课。
课程设计的目的和任务在于使学生掌握机械设备电器控制的基本知识、基本原理和基本方法,以培养学生对电气控制系统的分析和设计的基本能力。
加深学生对课程内容的理解，验证理论和巩固、扩大所学的基本理论知识。
二、课程设计内容（含技术指标）
1．机床概况：
本机为专用千斤顶油缸两端面的加工，采用装在动力滑台上的左、右两个动力头（电机均为1.5KW）同时进行切削。
动力头的快进、工进及快退由液压油缸驱动。
液压系统采用两位四通电磁阀控制，并用死挡铁方法实现位置控制。
液压系统的油泵电机370W，由电磁阀（YV1-YV5）控制，其动作表如下：
YV1
YV2
YV3
YV4
YV5
定位（SB1）
+
-
-
-
-
夹紧（YJ1）
+
+
-
-
-
入位（YJ2）
-
+
+
-
-
工进（SQ1\SQ5）
-
+
+
+
-
退位（SQ2\SQ4）
-
+
-
-
+
复位（SQ3\SQ6）
-
-
-
-
-
2．动作程序如下：
（1）零件定位。
人工将零件装入夹具后，定位油缸动力定位以保证零件的加工尺寸。
（2）零件夹紧。
零件定位后，夹紧油缸动作使零件固定在夹具内，同时定位油缸退出以保证滑台入位。
（3）滑台入位。
滑台带动夹具一起快速进入加工位置。
（4）加工零件。
左右动力头进行两端面切削加工，动力头到达加工终点，即停止工进，快速退回原位，动力头停转并能耗制动。
（5）滑台复位。
左右动力头退回原位后滑台复位。
（6）夹具松开。
当滑台复位后夹具松开，取出零件。
3．设计要求：
（1）动力头为单向运转，停车采用能耗制动。
（2）只有在油泵工作，油压达到一定的压力后（由油压继电器控制）才能进行其它控制。
（3）专用机床能进行半自动循环，又能对各个动作单独进行调整。
（4）应用照明及工作状态显示。
（5）有必要的电报保护和联锁。
（6）有电气原理图（3号图纸）。
（7）元件明细表。
3．工作原理图
图1组合钻床工作原理
图2组合钻床液压系统图
三、进度安排
第1周
周一熟悉课程设计任务、计划、构思设计方案
周二逻辑设计法原理介绍，中间继电器、执行电器逻辑表达式，电气原理图，电气工作过程表
周三主电路原理图设计。
周四电机控制原理及线路图设计。
周五电机控制原理及线路图设计。
第2周
周一元件选用说明及元件明细表说明
周二元件选用说明及元件明细表说明
周三电气接线图设计
周四电气接线图设计
周五完成继电器接触器控制设计小结
第3周
周一熟悉PLC设计任务、计划、构思设计方案
周二PLC选型，PLC硬件线图设计。
周三PLC软件梯形图设计
周四PLC软件调试，完成课程设计说明书
周五课程设计答辩，完成课程设计小结
四、基本要求
通过本课程设计的实验教学有计划的培养和训练，应达到以下诸方面的要求。
1.培养学生具有一定的实践技能，树立实事求是的思想和严谨的科学作风；
2.能正确设计电气控制线路原理图；
3.能正确选择常用低压电气元件；
4.能独立的完成课程设计，提高分析问题和解决问题的能力。
机械电子系
2014年10月20日
二、正文
1.概述
1.1机电传动控制概述
机电传动（又称电力传动或电力拖动）是指以电动机为原动机驱动生产机械的系统之总称。
它的目的是将电能转变为机械能，实现生产机械的启动、停止以及速度调节，满足各种生产工艺过程的要求，保证生产过程正常运行。
在现代工业中，为了实现生产过程自动化的要求，机电传动不仅包括拖动生产机械的电动机，而且包括控制电动机的一整套控制系统。
也就是说，现代机电传动是和由各种控制元件组成的自动控制系统紧密地联系在一起的，所以，本课程被命名为《机电传动控制》（也称为《机械电气控制》）。
从现代化生产的要求出发，机电传动控制系统所要完成的任务，从广义上讲，就是要使生产机械设备、生产线、车间甚至整个工厂都实现自动化；从狭义上讲，则专指控制电机驱动生产机械，实现产品数量的增加、产品质量的提高、生产成本的降低工人劳动条件的改善以及能源的合理利用。
例如，一些精密机床要求加工精度达百分之几毫米，甚至几微米；重型镗床为保证加工精度和控制表面粗糙度，要求能在极慢的稳速下进给，即要求能在很宽的范围内调速；轧钢车间的可逆式轧机及其辅助操作频繁，要求在不到一秒的时间内疚能完成从正转到反转的过程，即要求能迅速地启动、制动和反转；对于电梯和提升机，要求启动和制动平稳，能并能准确地停止在给定的位置上；对于冷、热连轧机以及造纸机的各机架或各部分，要求它们的转速保持一定的比例关系，以便进行协调运转；为了提高效率，要求对由数台或数十台设别组成的生产自动线实行统一控制和管理。
诸如此类要求，都是靠电动机及其控制系统和机械传动装置来实现的。
在近代机械工业的发展过程中，机电传动的发展，经历了一个复杂的过程：
（1）电机的拖动的发展过程如下：
（2）控制系统的发展过程如下：
由整个发展过程，不难看出，随着机械加工要求不断提高，机电传动控制系统的复杂度也在不断增加。
本课程的重点在与控制部分，如何利用电气元件或计算机控制电气来拖动机械实现所要求的功能。
在设计控制系统时，就要求设计人员对执行元件（电动机）、控制元件的熟练掌握与运用，同时也要求对控要求进行了解。
1.2课程设计
在本次课程设计中，我们完成的是“全自动双面钻床控制系统”的设计任务。
此次课程设计的目的旨在学会利用电气元件（继电器——接触器）的控制方法，故在整个设计过程中，要求使用的元件为传统控制系统中的继电器、接触器来实现钻床的全自动工作过程。
另外，在本次课程设计中，我们还应学会如何设计主回路、控制回路以及辅助回路（照明与显示）。
同时，在回路的总体连接上，要熟悉设计的技巧；在液压控制回路的设计中，要学会利用“起保停”电路来实现液压系统的控制。
通过本次课程设计，除了复习掌握已学过的电气知识外，还应熟悉控制系统的设计流程与设计方法，从而增加自己的阅历，提高自己的工作能力。
2.总体设计
2.1控制要求的分析
任务书中的控制要求有以下几点：
（1）动力头位单向运转，停车采用能耗制动；
（2）只有在油泵工作，油压达到一定压力后（由油压继电器控制）才能进行其他的控制；
（3）专业机床能进行半自动循环，又能各个动作单独进行调整；
（4）需要一套局部照明装置以及工作状态指示灯；
（5）有必要地过电流保护和连锁；
（6）钻孔过程中需用冷却泵进行冷却，冷却泵电动机功率为0.125kW。
由上述控制要求，可分析出以下几点：
（1）在主回路中仅需对电机的启停进行控制和对动力头电机进行能耗制动的设计，不需控制正反转；
（2）在液压回路的液压泵附近处应添加压力继电器，并在液压控制回路的首端加入该压力继电器的常开触点，以实现满足油压后才能进行其他控制的要求；
（3）对于机床的半自动循环，可以采用起保停电路来实现，而对于各个动作的单独调整则可在控制首端加入万能转换开关，并对各个动作设置手动按钮来实现该控制要求；
（4）控制回路中可添加辅助回路，以控制照明和显示功能；
（5）在每个电动机的连接处，均接入一个适合的热继电器，以实现过热保护，在主回路中各个支路与主电源相连接处均接入一个适合的熔断器，以实现过流保护（短路保护），而在控制回路与变压器相连处也应接入适合的熔断器，同样实现过流保护；
（6）增选一个冷却泵，并接入主回路，在控制回路中加设一支路，通过按钮控制冷却泵的启停。
2.2液压控制回路中电磁阀被控逻辑表达式
据分析，电磁阀被控逻辑表达式如下：
3.局部设计
在局部设计中，我们主要完成三部分内容：
原理图、设计元器件选型、接线图的设计。
这三部分内容是整个设计的核心部分，通过这部分，我们得出了整个设计的结果：
两张A3图纸，一张元器件明细表。
（见附录）
3.1原理图
在原理图的设计部分，我们将其分为3大模块进行分工设计。
其中包括有主电路模块的设计、控制电路模块的设计与辅助电路模块的设计三部分。
而在控制电路模块中，我们将其又分为电机控制电路与液压控制回路两部分。
辅助回路中主要包括有照明与显示电路部分。
3.1.1主电路
主电路的设计中主要应满足一下几点要求：
（1）动力头电机应实现能耗制动；
（2）动力头电机、液泵电机、冷却泵电机三者应分开接向主电源，并由不同的接触器控制；
（3）三种电机君应实现短路保护（过流保护）与过热保护；
（4）电源处应有一个总闸控制电源的关断。
对于要求
（1）我们将左右动力头的两电机接在同一个接触器上进行控制，然后在接触器的首位接上一个可控的直流电源（由变压器和整流桥组成）来实现。
对于要求
（2）我们选用三个接触器来控制三种不同功率的电动机，并分开三个回路来控制即可。
对于要求（3）我们选用合适的熔断器，在三个回路接向电源出接上相应的熔断器来实现短路保护；再选用合适的热继电器，在接向电动机处接如相应热继电器来实现过热保护。
对于要求（4）我们在电源处，添加一个刀开关QS即可。
具体电路图如下：
图1主回路电路设计图
3.1.2控制电路
在控制回路中，主要有两部分：
电机控制回路与液压控制回路。
这两部分均应接向110V交流电压，故该回路与主回路相连接时，应将主电源的L1、L2相接如变压器来降压，以提供110V的两相交流电。
（1）电机控制回路
在控制电机时，为满足动力头电机的能耗制动，我们利用时间继电器来控制直流电源的延时断开。
在三种电机的启停控制上，我们利用接触器的“起保停”电路来控制，我们分别加入启停按钮。
而在动力头电机的停止上，我们利用联动开关来控制，以其常闭触点为停止，常开触点为直流电源的接入。
这样，保证了动力头电机的停止，同时也接入了能耗制动。
另外，我们在主电路的最后加上了一个急停回路，利用接触器KM0与刀开QS0关来控制。
同时，在控制回路的起始端接入接触器KM0的常闭触点，来实现急停功能。
具体电路图如下：
图2电机控制回路设计图
（2）液压控制回路
在液压控制回路中，应分为自动控制和手动控制两部分。
在自动控制中，主要由行程开关（SQ1到SQ6）、压力继电器（YJ1与YJ2）和按钮SB1来共同控制电磁阀（YV1到YV5）来实现整个动作。
其动作表如下：
YV1
YV2
YV3
YV4
YV5
定位（SB1）
+
-
-
-
-
夹紧（YJ1）
+
+
-
-
-
入位（YJ2）
-
+
+
-
-
工进（SQ1\SQ5）
-
+
+
+
-
退位（SQ2\SQ4）
-
+
-
-
+
复位（SQ3\SQ6）
-
-
-
-
-
表1液压回路电磁阀被控一览表
由上表可知，在设计液压控制回路时，可以直接利用起保停电路直接控制电磁阀的动作。
在表中，每一列以第一个“+”为该电磁阀的得电信号，而以连续“+”后的第一个“-”为失电信号。
但应该注意的是行程开关的串并联关系：
在夹紧动作时（YV2），若要使其失电，则应两动力头均达复位位置才可松开，故此时SQ3与SQ6应为并联关系；在工进或退位时（YV4、YV5），若要使其得电，则只要有一个行程开关的信号，则应该立即动作，故SQ1与SQ5或SQ2与SQ4应为并联关系；在要求入位、工进或退位（YV3、YV4、YV5）的停止信号时，必须两个行程开关均有信号才可失电，故此时SQ2与SQ4或SQ3与SQ6应为串联关系。
在手动控制中，我们利用万能选择开关来控制自动与手动的转换。
另外，在控制电磁阀（YV1到YV5）的电路上，我们直接设计5个按钮（SB2到SB6）来实现手动调节。
在万能转换开关与110V交流电源连接的部分，我们增加一盒压力继电器YJ0，以实现在液压回路中达到一定压力才进行控制动作的要求。
具体电路图如下：
图3液压控制回路设计图
3.1.3辅助电路（照明显示）
在辅助回路中，主要包含有照明灯的控制与显示灯的控制。
照明灯所需电源为24V交流电，而显示灯所需电源为6V交流电。
故将它们分别有变压器TC的不同变压接口引出即可。
照明灯应与总电源开关相同时亮灭，故在电源刀开关QS选型的时候应选择有三个主触点并带有一对常开常闭辅助触点的刀开关，并将照明灯的控制接入刀开关QS的辅助常开触点。
在本设计中，我们共设置了3个指示灯（HL1、HL2、HL3），分别为启动、工进与急停。
故它们分别由交流接触器KM1、KM3、KM0的辅助常开触点来控制。
另外，在控制回路的起始端（即由变压器TC引出的3端110V、24V、6V）应设置短路保护。
故在该处分别接上相合适的熔断器。
具体电路图如下：
图4.辅助回路（照明与显示）设计图
3.2接线图
在接线图的设计上，我们首先对箱体内元器件进行排版：
第一排为总闸、变压器与熔断器；第二排为时间继电器、交流接触器；第三排为急停闸、整流桥与热继电器；第四排为中间继电器。
总共4排，并在每排间安排走线槽，便于安装与维修。
然后，我们在箱盖上按功能将按钮与指示灯排列出来。
另外对于放置在其他设备上的器件，我们也一同画在了接线图的左端。
在以上两部分的中间，我们选用一个接线端子来将其进行连接。
该接线端子的作用主要是将电柜箱体内的线走出来，防止因导线杂乱而造成的事故发生。
在接线图的下部分，放置了万能转换开关与接地铜板，它同样是放在箱体内部的。
这样排版是为了方便接线工人识图。
最后我们将原理图中各线编号，以该编号对应在接线图上进行连线。
另外，在万能转换开关的编号中，由于该开关有外线与内线之分，故我们以4位数将其编号，前两位为外线号，后两位为内线号。
3.3元件选型
（1）电动机的选型
根据任务书中要求得知液泵电动机M1的功率为370W，冷却泵电动机M2的功率为0.125kW，动力头电动机M3、M4的功率均为1.5kW。
而工业用电一般都为380V三相交流电，故查[3]，选择功率相近的电动机得一下结果：
M1：
Y2-90L-8
M2：
Y2-801-8
M3、M4：
Y2-100L1-4
其中，M1功率0.55kW，转速660r/min；M2功率0.18kW，转速630r/min；M3、M4功率2.2kW，转速1430r/min。
（注：
在实际设计当中，应同时考虑工况、班制等选择因素）
（2）熔断器的选型
根据选择出的电机型号，可大致计算该电机工作时的最大电流：
再根据以下经验公式，计算出所需熔断器的最大允许电流值：
故计算得：
另外，根据经验，控制回路中的电流最大不会超法国5A，照明显示回路电流最大不会超过2A，故查[2]，并选择熔断器结果如下
FU1：
RL-15/4,最大熔断电流4A；
FU2：
RL-15/2,最大熔断电流2A；
FU3：
RL-60/25,最大熔断电流25A；
FU4：
RL-15/6,最大熔断电流6A；
FU5：
RL-15/2最大熔断电流2A。
（3）热继电器的选型
根据前面算出的电动机工作电流，查[2]可直接选出热继电器，得如下结果：
FR1：
LR1-D09307，整定电流范围1.6~2.5；
FR2：
LR1-D09306，整定电流范围1~1.6；
FR3：
LR1-D09310，整定电流范围4~6；
FR4：
LR1-D09310，整定电流范围4~6。
（4）交流接触器、中间继电器与时间继电器的选型
根据前面计算出的电动机工作电流值，可知交流接触器的工作电流应在10A以内，而由设计的原理图知交流接触器所需要的主触点为3对辅助触点不超过2常开2常闭，再根据380V三相交流电的要求，查[2]，可选出交流接触器如下：
KM0~4：
CJ20-10，允许功率4kW，辅助触点2常开2常闭。
由于控制回路中，电压为110V交流电，且根据控制回路设计图得知中间继电器所需触点不超过4常开4常闭，故查[2]，可选择中间继电器如下：
KA1~5：
JZ14-44J/Z，110V吸引线圈电压，触点数4常开4常闭。
由于动力头电动机的能耗制动时间较短，故可确定在0.4~60s的范围内。
根据110V交流电，同样查[2]，选择时间继电器如下：
KT：
JS7-1A，110V吸引线圈电压，定时时间调节范围0.4~60s。
（5）照明与显示灯的选型
根据经验，一般照明灯使用的是24V交流电，故查[2]得，照明灯选择型号为：
AD1-22/11。
在我们设计的系统中，有三种指示灯：
启动、工进以及急停。
根据经验，启动指示灯一般用绿色，工进用黄色，急停用红色。
而工厂中，一般指示灯使用电压为6V。
故查[2]，选择指示灯型号如下：
启动：
AD1-22/11，电压6V，绿色；
工进：
AD1-22/11，电压6V，黄色；
急停：
AD1-22/11，电压6V，红色。
（6）变压器的选型
由于我们设计的系统中，需要将380V三相交流电转换成110V、24V、6V等三种不同压值的交流电，故选择变压器时应同时考虑考虑变压器的容量与接处的点数。
查[3]，选择变压器结果如下：
TC：
BK-100，4变压接出头。
（7）按钮及刀开关的选型
在液压控制回路中，共有6个常开按钮。
其中SB2~SB6为手动控制按钮，故可选择黄色；SB1为定位启动按钮，故选择绿色。
在电机控制回路中，共有3个常开按钮、2个常闭按钮与1个联动开关。
其中SB11、SB21、SB31为电机启动按钮，故可选择绿色；SB10、SB20为电机停止按钮，故选择红色；SB30为联动开关，控制动力头电机的停止，同时也开始能耗制动，故也选择红色。
查[2]，选择按钮型号如下：
SB1：
LA19-11，绿色；
SB2~SB6：
LA19-11，黄色；
SB11、SB21、SB31：
LA19-11，绿色；
SB10、SB20：
LA19-11，红色；
SB30：
LAZ-11A/XR，红色。
而在整个设计中，我们用到了两个刀开关，总闸一个（即控制电源，又控制照明灯），急停一个。
故总闸刀开关QS选用蓝色；急停刀开关QS0选用红色色。
查[2]选择刀开关如下：
QS：
DZ20-100/3，蓝色；
QS0：
DZ20-100/3，红色。
4.PLC控制电路设计
4.1PLC的I/O接线
由电气控制原理图，可以知道PLC控制系统主要由以下几部分组成，其接线原理图如图7所示。
4.1.1主回路控制
原电路要求M1、M2电动机同时起动工作。
由复合开关SA3、SA4控制M1与M2各自单独起动、停止;M3电动机在动力头工进时自动起动,也可以由按钮SB3单独控制。
按动电动机起动按钮SB2,交流接触器KM1、KM2得电动作,M1、M2电动机起动。
停止时,按动按钮SB1,KM1、KM2同时断电，M1、M2电机停止。
其中控制按钮SB1、SB2、SB3，复合开关SA3、SA4如图7PLC外部接线图中所示；电动机M1、M2、M3控制交流接触器接线如图7PLC外部接线图中的KM1、KM2、KM3所示。
4.1.2回转工作台回转控制系统
回转工作台转位过程:
自锁销脱开及回转台抬起→回转台回转及缓冲→回转台反靠→回转台夹紧。
原电气图要求M1、M2电动机起动后,动力头在原位,限位开关ST1被压合,按下回转台起动按钮SB4,电磁铁YA5得电动作（电磁铁控制相应的电磁阀动作,控制相应油路的通、断），自锁销脱开,回转台抬起。
回转台抬起后,压动行程开关ST5,电磁铁YA7通电，从而使回转台回转。
回转台转到接近定位点时,压合行程开关ST6,电磁铁YA9通电动作，工作台低速回转（缓冲动作）,回转台继续低速回转,ST6复位,电磁铁YA7断电,电磁铁YA8通电动作,回转台反靠。
回转台反向靠紧后压合行程开关ST7,电磁阀YA6得电动作,将工作台夹紧,同时顶起自
图5PLC外部接线图
锁销。
回转台夹紧压力达到一定值后,电磁阀YA8、YA9断电,电磁铁YA10通电,使离合器脱开。
离合器脱开时压合行程开关ST8,电磁铁YA8得电,使活塞复位。
活塞复位后,压动行程开关ST9,电磁铁YA10断电,离合器重新结合以备下次循环。
其行程开关ST1、ST5、ST6、ST7、ST8、ST9，控制按钮SB4电磁铁YA5、YA6、YA7、YA8、YA9、YA10如图7PLC外部接线图中所示。
4.1.3.动力头液压系统
原电气图要求当回转工作台夹紧,液压回转台的回转油缸活塞返回原位后,行程开关ST9被压合,当按下按钮SB5时，电磁铁YA1、YA3同时得电,动力头快速前进。
当动力头快进压动行程开关ST3,电磁铁YA3断电,动力头转为工作进给。
当动力头工进到达终点时,压动行程开关ST4,电磁铁YA1失电,动力头停止前进,同时时间继电器得电,并延时停留。
经一定时间后,输出继电器Y2得电,电磁铁YA2得电动作,控制油缸,使动力头快速退回。
当动力头退回原位后,压动行程开关ST1,电磁铁YA2断电,动力头停止。
动力头退回原位后,压动行程开关ST1,也为回转工作台的回转,进入下一道工序做好准备。
其行程开关ST1、ST3、ST4、ST9，控制按钮SB5，YA1、YA2、YA3如图7PLC外部接线图YA1、YA2、YA3。
4.2PLC的I/O口分配
组合机床的电气控制属单机控制,输入、输出均为开关量。
前面我们通过对继电器接触器的详细分析设计出了PLC外部接线图，从所设计出的PLC外部接线图我们可以看出本设计需要PLC检测的输人信号包括6个控制按钮、8个行程开关、3个选择开关、3个复合开关和1个继电器开关，共计21个点输入，其具体的输入口分配如表2所示。
表2PLC输入出口分配
地址
元件
功能
X000
SB1
停止
X001
SB2
启动
X002
SB3
冷却启动
X003
SB4
回转
X004
SB5
快进
X005
SB6
快退
X006
S
冷却方式
X007
SA3
液压泵启动
X010
SA4
主
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