z3040摇臂钻床.docx
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z3040摇臂钻床
航空航天大学
课程设计
班级：
B942123学号：
B94212328
：
徐子祥
指导教师：
于金
2012年11月27日
北方科技学院
课程设计任务书
北方科技学院机械设计制造及自动化专业
专业方向班级学生
一、课程设计名称：
机电传动与控制课程设计
二、课程设计题目：
某摇臂钻床电气控制系统设计
三、课程设计时间：
年月日至年月日
四、课程设计原始数据和要求
1、设备机械部分运动说明
摇臂钻床的运动分为主运动、进给运动和辅助运动。
（1）主运动为主轴的旋转运动；
（2）进给运动为主轴的纵向移动；
（3）辅助运动包括：
摇臂沿外立柱的垂直移动、主轴箱沿摇臂的径向移动、摇臂与外立柱一起相对于立柱的回转运动。
2、设备电气控制要求及技术参数
（1）主运动和进给运动由一台三相异步电动机拖动，为适应多种加工方式的要求，主运动和进给运动应有较宽的调速围，主轴的低速运动主要用于攻螺纹、扩孔、铰孔等工艺。
摇臂钻床的调速通过三相异步电动机和变速箱来实现；
（2）加工螺纹时，要求主轴能正反转，主轴的正反转是通过机械转换来实现的，主电动机只有一个旋转方向；
（3）摇臂的升降由一台异步电动机拖动，必须有正反转；
（4）钻削加工时，要求主轴箱紧固在导轴上，外立柱紧固在立柱上，摇臂紧固在外立柱上，这些运动部件的夹紧与放松是通过电动机拖动一台齿轮泵供给夹紧装置所需要的压力油。
而摇臂的回转和主轴箱的左右移动采用手动；
（5）加工时，需要对刀具和工件进行冷却，冷却泵由专门电动机拖动；
（6）照明电源24V。
电机参数：
主电机M15KW380V1430r/min
升降电机M22.2KW380V1410r/min
液压泵电机M30.75KW380V2790r/min
冷却泵电机M40.09KW380V2790r/min
五、课程设计的主要容
1、分析设备的电气控制要求，制定设计方案、绘制草图；
2、进行电路计算，选择元器件，并列出元器件目录表，绘制电气原理图（包括主电路和控制电路）；
3、通电调试、故障排除、任务验收，编写设计说明书
六、课程设计时间安排
序号
时间（天）
容安排
备注
1
1
讲解设计目的、要求、方法，查阅资料，任务分工
2
2
制定设计方案、绘制草图
每人一份草图
3
1
设计方案审核、修改
4
2.5
绘制电气原理图、电路计算、元器件选择列表
5
1
检查电气控制线路、调试／电气CAD制图（可选）
分工同时进行
6
2
任务验收，编写设计说明书
7
0.5
答辩
总计
10
七、要求
1、独立完成课程设计容，保证工作时间，工作认真；
2、遵守课程设计各项规章制度；
3、通过课程设计初步掌握常用电气设备电气控制系统的设计方法，具有设计简单设备电气控制系统的能力；
4、设计的电气控制线路图应符合国家标准或相关标准；
5、课设说明书要叙述清楚、逻辑严谨、计算准确、书写工整、规，符合有关规定。
八、主要参考资料
1、齐占庆主编.机床电气控制技术.:
机械工业，1999
2、邓星中主编.机电传动控制.：
华中科技大学，2001
3、齐占庆.王振臣主编.电器控制技术.：
机械工业,2002
4、远龄.机床电气自动控制.：
大学，1997
5、付家才主编电气控制工程实践技术：
化学工业，2003
6、《实用机械电气技术手册》编委会.实用机械电气技术手册.：
三东科学技术，1994
7、数字化手册编委会编机械设计手册（软件版）.V3.0，：
机械工业
8、戴曙主编.金属切削机床.：
机械工业，1993
指导教师：
年月日
负责教师：
年月日
学生签名：
年月日
摘要···························································1
Z3040型摇臂钻床的主要结构及设计要求····························2
摇臂钻床电气拖动特点··········································3
电动机的选择···················································4
夹紧机构液压系统设计···········································4
电气控制线路图的设计···········································4
电器元件的选择·················································5
绘制电器元件布置图·············································9
主要线路的工作情况·············································10
检查和调整电器元件·············································12
电气控制柜的安装配线···········································12
电气控制柜的安装检查···········································13
电气控制柜的调试········································13
电气控制电路常见故障分析····································14
结论···························································15
参考文献·······················································16
摘要：
本论文主要讲述了Z3040摇臂钻床电气控制系统从原理图设计到最终电气控制柜安装和调试及常见故障分析与排除的整个过程。
而且在本论文中，对Z3040摇臂钻床的工作原理和电气控制及液压系统做了进一步的分析，清晰的说明了各电器元件在电气控制电路中的重要作用以及如何选取这里面用的低压电器。
同时，该设计充分合理的利用了交流接触器的辅助触头，对电器加以控制。
一、Z3040摇臂钻床的主要结构及设计要求
1、主要结构
Z3040摇臂钻床结构示意图
1底座2内立柱3、4外立柱
5摇臂6主轴箱7主轴8工作台
Z3040摇臂钻床是一种用途广泛的万能机床，适用于加工中小零件，可以进行钻孔、扩孔、铰孔、刮平面及改螺纹等多种形式的加工，增加适当的工艺装备还可以进行镗孔。
主要有底座、外立柱、摇臂、主轴箱、主轴及工作台等部分组成。
最大钻孔直径为40mm，跨距最大1200mm,最小300mm。
2、摇臂钻床主要运动形式为：
（1）主轴带刀具的旋转与进给运动
主轴的转动与进给运动有一台三相交流异步电动机（3kw）驱动，主轴的转动方向由机械及液压装置控制。
（2）各运动部分的移位运动
主轴在三维空间的移位运动有主轴箱沿摇臂方向的水平移动（平动）；摇臂沿外立柱的升降运动（摇臂的升降运动由一台1.1kw笼型三相异步电动机拖动）；外立柱带动摇臂沿立柱的回转运动（手动）等三种，各运动部件的移位运动用于实现主轴的对刀移位。
（3）移位运动部件的夹紧与放松
摇臂钻床的三种对刀移位装置对应三套夹紧与放松装置，对刀移动时，需要将装置放松，机加工过程中，需要将装置夹紧。
三套夹紧装置分别为摇臂夹紧（摇臂与外立柱之间）；主轴箱夹紧（主轴箱与摇臂导轨之间）；立柱夹紧（外立柱和立柱之间）。
通常主轴箱和立柱的夹紧与放松同时进行。
摇臂的夹紧与放松则要与摇臂升降运动结合进行。
Z3040摇臂钻床夹紧与放松机构液压原理如下图所示。
图中液压泵采用双向定量泵。
液压泵电动机在正反转时，驱动液压缸中活塞的左右移动，实现夹紧装置的夹紧与放松运动。
电磁换向阀HF的电磁铁YA用于选择夹紧与放松的现象，电磁铁YA的线圈不通电时电磁换向阀工作在左工位，接触器KM4、KM5控制液压泵电动机的正反转，实现主轴箱和立柱（同时）的夹紧与放松；电磁铁YA线圈通电时，电磁换向阀工作在右工位，接触器KM4、KM5控制液压泵电动机的正反转，实现摇臂的夹紧与放松。
Z3040摇臂钻床夹紧与放松机构液压原理图
3、对电气控制的要求
（1）根据工件的大小、位置及夹紧，为了减少辅助工作时间，要求配备一台主轴运动电动机、一台摇臂升降电动机和一台液压泵电动机。
（2）钻孔时产生的高温，可有一台普通冷却泵电动机加以控制。
（3）根据整个生产线状况，要求配备一套局部照明装置及必要的工作状态指示灯。
二、摇臂钻床的电力拖动特点
由于摇臂钻床的运动部件较多，故采用多电动机拖动，这样可以简化传动装置的结构。
整个机床有四台笼型感应电动机拖动，他们分别是
（1）主拖动电动机
钻头（主轴）的旋转与钻头的进给，是由一台电动机拖动的，由于多种加工方式的要求，所以对摇臂钻床的主轴与进给都提出较大的调速围要求。
该机床的主轴调速围为80，正传最低速度为25r/min，最高速度为2000r/min,分6级变速；进给运动的调速围为80，最低进给量是0.04mm/r,最高进给量是3.2mm/r，也分为16级变速。
在加工螺纹时，要求主轴能正反转，有机械方法变换的，所以电动机不需要反转。
（2）摇臂升降电动机
当工件与钻头高度不合适时，可将摇臂升高或降低，故需正反转。
（3）液压泵电动机
摇臂、立柱、主轴箱的夹紧放松，均采用液压传动菱形块夹紧机构，夹紧用的高压油是由一台电动机带动高压油泵送出的。
由于摇臂的夹紧装置与立柱的夹紧装置，主轴的夹紧装置不是同时动作，所以，采用一台电动机拖动高压油泵，有电磁阀控制油路。
（4）冷却液泵电动机
切削时，刀具及工件的冷却由冷却液泵供给所需的冷却液，冷却液流量大小有专用阀门调节，与电动机转速无关。
三、电动机的选择
根据前面的设计要求可知，本设计需配备四台电动机，各自分别为：
1.主轴电动机，M1，型号选定为Y100L2.4，性能指标为：
3KW、380V、6.82A、1430r/min
2.冷却泵电动机：
M4型号选定JCB-22，性能指标为：
0.125KW、0.43A、2790r/min
3.摇臂升降电动机：
M2，型号选定为Y908-4，性能指标为：
1.1KW、2.01A、1390r/min
4.液压泵电动机：
M3,型号选定为J031.性能指标为：
0.6KW、1.42A、2880r/min
四、夹紧机构的液压系统设计
主轴箱，力主和摇臂的夹紧与松开是由液压泵电动机拖动液压泵送出压力油，推动活塞，菱形块来实现的。
其中主轴箱和力主夹紧与放松由一个油路控制，而摇臂的夹紧松开因与摇臂升降构成自动循环，所以又另一个油路单独控制，这两个油路均由电磁阀操作。
在夹紧或松开主轴箱及立柱时，首先启动液压电动机拖动液压泵，送出压力油，在电磁阀操作下，使压力油经二位六通阀流入夹紧或松开油腔，推动活塞和菱形块实现夹紧或松开。
由于液压泵电动机是点动控制，所以主轴箱和力主夹紧与松开是点动的。
五、电气控制线路图的设计
1.主电路设计
电源由空气隔离开关QS引入，FU1用作系统的短路保护，主轴电动机M1由接触器KM2、KM3控制正反转，FR1作过载保护；接触器KM4、KM5的主触点控制液压泵电动机M3正反转，FR2作过载保护；冷却泵电动机M4的工作由组合开关SA1控制，熔断器FU2用作电动机M2、M3主电路的过流和短路保护。
2.控制电源的设计
考虑安全可靠和满足照明指示灯的要求，采用控制变压器TC降压供电，其一次侧为交流380V,二次侧为127V、36V、6.3V其中127V电压供给控制电路，36V电压控制局部照明电源，6.3V作为信号指示电源。
3.控制电路的设计
（1）主轴电动机M1的控制设计
根据设计要求，主轴电动机M1的起-停由按钮SB1、SB2和接触器KM1线圈及自锁触点来控制，当主轴电动机M1过载时，热继电器FR1起过载保护。
（2）摇臂升降电动机M2和液压泵电动机M3的控制设计
根据设计要求，这两个电机需完成升降和夹紧的工作任务，所以，要用行程开关SQ（1-4）和按钮SB（3-6）来控制两个电动机的起-停和正反转，SQ3、SQ4分别为松开与夹紧限位开关，SQ1、SQ2分别为摇臂升降极限开关，SB3、SB4分别为上升与下降按钮，SB5、SB6分别为立柱、主轴箱夹紧装置的松开与夹紧按钮。
综合以上考虑，绘出Z3040摇臂钻床的控制电路如附图一所示。
4.局部照明及信号指示电路的设计
局部照明设备用照明灯HL、灯开关SA2和照明回路熔断器FU3来组合。
信号指示电路由三路构成：
一路为“主电动机工作”指示灯HL3（绿）在电源接通后，KM1线圈得电，其辅助常开触点闭合后绿灯立即亮，表示主电动机处于供电状态；一路为（松开）指示灯HL1（红），若行程开关SQ4动断触点合上，红灯亮，表示摇臂放松；另一路为（夹紧）指示灯HL2（黄），若行程开关SQ4动合触点闭合，黄灯亮，表示摇臂夹紧，。
由此，绘出Z3040摇臂钻床的照明及信号指示电路图如下图一所示。
六、电气元件的选择
在电气原理图设计完毕之后就可以根据电气原理图进行电气元件的选择工作，本设计中需选择的电气元件主要有：
1.电源开关QS的选择
QS的作用主要是用于电源的引入及控制M1～M4起、停和正反转等。
因此QS
的选择主要考虑电动机M1～M4额定电流和启动电流，由前面已知M1～M4的额定
图一Z3040摇臂钻床电气控制原理图
电流数值，通过计算可得额定电流之和为10.68A，同时考虑到，M2、M3、M4量为满载启动，在功率较小，M1虽功率较大，但为轻载启动。
所以，QS最终选择组合开关HZ5-20型，额定电流为20A。
2.热继电器FR的选择
根据电动机的额定电流进行热继电器的选择，由前面M1、M2和M3的额定电流，现选择如下：
FR1选用JR16-20/3D型热继电器。
热元件额定电流11A额定电流调节围为6.8～11A工作时调整在6.82A.
FR2选用JR16-20/3型热继电器。
热元件额定电流2.4A额定电流调节围为1.5～2.4A工作时调整在1.42A。
3.接触器的选择
根据负载回路的电压、电流，接触器所控制回路的电压及所需点的数量等来进行接触器的选择。
本设计中KM1主要对M1进行控制，而M1额定电流为6.82A，控制回路电源为127V，需要主触点两对，所以，KM1选G0-10型接触器，主触点额定电流为10A，线圈电压为127V。
KM2与KM3对M2进行控制，而M2额定电流为2.01A，控制回路电源为127V，各需要主触点两对，KM2的辅助动断触点一对，KM3的辅助动断触点一对，所以，KM2、KM3选CD10-5型接触器，主触点额定电流为5A，线圈电压为127V。
KM4与KM5对M3进行控制，而M3的额定电流为1.42A，控制回路电源为127V，各需要主触点三对，KM4的辅助动断触点一对，KM5的辅助动断触点一对，所以，KM4、KM5选CJ10-5型接触器。
4.时间继电器的选择
本设计中由于摇臂的升降需要延时控制。
需要常开触点一个，延时闭合动断触点一个，延时断开动合触点一个，我们选ISSI型时间继电器。
额定电压AC127V、DC24V,额定功耗小于5W,动作频率1200次/h。
5.熔断器的选择
根据熔断器的额定电压、额定电流和熔体的额定电流等进行熔断器的选择。
本设计中涉及到熔断器有三个：
FU1、FU2、FU3。
FU1主要对M1、M4进行短路保护，M1、M4额定电流分别为6.82A、0.43A。
因此，熔体的额定电流为Iful≥（1.5-2.5）INmax+∑IN
计算可得Iful≥17.48A，因此FU1选择RL1-60型熔断器，熔体为20A.
同理：
FU2选择RL1-15型熔断器，熔体为10A；FU3选择RL1-15型熔断器，熔体为2A。
6.按钮的选择
根据需要的触点数目、动作要求、使用场合、颜色等进行按钮的选择。
本设计中SB1、SB4选择LA-18型按钮，颜色为红色，选择SB2、SB5选择LA-18型按钮，颜色为绿色，SB3、SB6选择LA-18型按钮，颜色为黑色。
7.照明及指示灯的选择
本设计中，电源指示灯EL选择JC2，交流36V、40W，与灯开关SA2成套配置；指示灯HL1、HL2、HL3选择ZSD-0型，指标为6.3V，0.25A，颜色为黄色，绿色，红色各一个。
8.控制变压器的选择
本设计中，变压器选择BK-100VA,380V、220V/127V、36V、6.3V。
综合以上的计算，绘出Z3040摇臂钻床的电器元件明细表如表一所示。
表一Z3040摇臂钻床的电器元件明细表
符号
名称
型号
规格
数量
M1
三相异步电动机
Y100L2-4
3.0KW,380V,6.82A,1430r/min
1
M2
摇臂升降电动机
Y90S-4
1.1KW,2.01A,1390r/min
1
M3
液压泵电动机
JO31-2
0.6KW,1.42A,2880r/min
1
M4
冷却泵电动机
JCB-22
0.125KW,0.43A,2790r/min
1
QS
组合开关
HZ5-20
三极，500V,20A
1
KM1
交流接触器
CJ-10
10A,线圈电压127V
1
KM2,KM3
KM4,KM5
交流接触器
CJ10-5
5A,线圈电压127V
5
KT
时间继电器
JSSI
AC127V,DC24V
1
FR1
热继电器
JR16-20/3
热元件额定电流11A,整定电流6.82A
1
FR2
热继电器
JR16-20/3
热元件额定电流2.4A,整定电流2.01A
1
FU1
熔断器
RL1-60
500V,熔体20A
1
FU2
熔断器
RL1-15
500V,熔体10A
1
FU3
熔断器
RL1-16
500V,熔体2A
1
TC
控制变压器
BK-100
100VA,380V/127,36,6.3V
1
SB1,SB4
控制按钮
LA-18
5A,红色
2
SB2,SB5
控制按钮
LA-18
5A,绿色
2
SB3,SB6
控制按钮
LA-18
5A,黑色
2
HL1,HL2,
HL3
指示灯
ZSD-0
6.3V,绿色1红色1黄色1
3
EL,SA1,
SA2
照明灯，控制开关
JC2
36V,40W
3
图二电器位置图
图二电器位置图
图三电气接线图
代号
穿线用管
径/mm
电线
截面
根数
#1
径15聚氯乙烯软管
4
3
#2
径15聚氯乙烯软管
4
2
1
7
#3
径15聚氯乙烯软管
1
13
#4
G3/4（in）螺纹管
#5
15金属软管
1
10
#6
径15聚氯乙烯软管
1
8
#7
18×16㎜2铝管
#8
11金属软管
1
2
#9
径8聚氯乙烯软管
1
2
#10
YHZ橡套电缆
1
3
八、主要线路的工作情况
1.主轴电机M1控制
按下启动按钮SB2，接触器KM1线圈通电吸合并自锁，其主触点接通主拖动电动机的电源，主电动机M1旋转。
需要使主电动机停止工作时，按停止按钮SB1，接触器KM1断电释放，主电动机M1被切断电源而停止工作。
主电动机采用热继电器FR1作过载保护，采用熔断器FU1作短路保护。
主电动机的工作指示由KM1的辅助动合出点控制指示灯HL1来实现，当主电动机在工作时，指示灯HL1亮。
2.摇臂的升降控制
摇臂升降运动必须在摇臂完全放松的条件下进行，升降过程结束后应将摇臂夹紧固定。
摇臂升降运动的动作过程为：
摇臂放松——摇臂升/降——摇臂夹紧。
（注：
夹紧必须在摇臂停止时进行）
摇臂上升与下降控制的工作过程如下：
按下上升（或下降）控制按钮SB3（或SB4），断电延时继电器KT线圈通电，同时KT动合触点使电磁铁YA线圈通电，接触器KM4线圈通电，电动机M3正转，高压油进入摇臂松开油腔，推动活塞和菱形块实现摇臂的放松。
放松至需要高度后，压下行程开关SQ3，接触器KM4线圈断电（摇臂放松过程结束），接触器KM2（KM3）线圈得电，主触点闭合接通升降电动机M2，带动摇臂上升。
由于此时要比已松开，SQ4被复位，HL2灯亮，表示松开指示。
松开按钮SB3（SB4），KM2（KM3）线圈断电，摇臂上升（下降）运动停止，时间继电器KT线圈断电（电磁铁YA线圈仍通电），当延时结束，即升降电机完全停止时，KT延时闭合动断触点闭合，KM5线圈得电，液压泵电动机反向序接通电源而反转，压力油井另一条油路进入摇臂夹紧油腔，反方向推动活塞和菱形块，使摇臂夹紧。
摇臂做夹紧运动，以定时间后KT动合延时断开触点断开，接触器KM5线圈和电磁铁YA线圈断电，电磁阀复位，液压泵电动机M3断电停止工作，摇臂上升（下降）运动结束。
SQ1（SQ2）为摇臂上升（下降）的限位保护开关。
3.主轴箱和立柱的夹紧与放松
根据液压回路原理，电磁换向阀YA线圈不通电时，液压泵电动机M3的正、反转，使主轴箱和立柱同时放松或夹紧。
具体操作过程如下：
按动按钮SB5，接触器KM4线圈通电，液压泵电动机M3正转（YA不通电），主轴箱和立柱的夹紧装置放松，完全放松后位置开关SQ4不受压，指示灯HL1做主轴箱和立柱的放松指示，松开按钮SB5,KM4线圈断电，液压泵电动机M3停转，放松过程结束。
HL1放松指示状态下，可手动操作外立柱带动摇臂沿立柱回转动作，以及主轴箱摇臂长度方向水平移动。
按动按钮SB6，接触器KM5线圈通电，主轴箱和立柱的夹紧装置夹紧，夹紧后压下位置开关SQ4，指示灯HL2做夹紧指示，松开按钮SB6，接触器KM5线圈断电，主轴箱和立柱的夹紧状态保持。
在HL2的夹紧指示灯状态下，可以进行孔加工（此时不能手动移动）。
九、检查和调整电器元件
根据电器元件明细表中所列的元件，并结合前面所讲述的容，逐件对其检验、检查和调整电器元件，及时发现不合格的电气设备。
在检查过程中要准确记住数据，方便以后的总结。
十、电气控制柜的安装配线
1.制作安装底板
根据Z3040摇臂钻床电气原理图，其制作安装底板有柜电气板，床头操作显示面板和刀架拖动操作板三部分，对于柜电器板，可以采用4mm的钢板或其他绝缘板作底板。
2.选配导线
根据钻床的特点，其电气控制柜的配线方式选用明线配线。
根据Z3040型摇臂钻床捏敷明细表中已选配好的导线进行配线。
3.规划安装线和弯电线管
根据安装的操作规程，首先在底板上规划安装的尺寸以及电线管的走向线,并根据安装尺寸锯电线管，根据走线方向弯管。
4.电器元件
根据安装尺寸线进行钻孔，并固定电器元件。
5.电器元件的编号
根据钻床的电气原理图给安装完毕的各电器元件和连接导线进行编号，给出编号标志。
6.接线
据接线的要求，先接控制柜的主电路、控制电路，再接柜外的其他
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