摇臂钻床电气控制系统的设计.docx
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摇臂钻床电气控制系统的设计
毕业设计说明书
题目：
Z3040B摇臂钻床电气控制系统的设计
Z3040B摇臂钻床电气控制系统的设计
摘要
本论文主要讲述了Z3040B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Z3040B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。
［关键词］：
电气控制；电气原理图；电器元件；常见故障分析；
DesignofelectricalcontrolsystemforZ3040Bradialdrillingmachine
Abstrct：
ThispaperfocusesontheZ3040electriccontrolsystemofrockerarmfromschematicdesignthroughtofinalelectricalcontrolcabinetinstallationandcommissioningandcommonfaultanalysisandremovalofthewholeprocess.Inthispaper,Z3040radialdrillpressworksandelectriccontrolandhydraulicsystemstodoafurtheranalysis,clearlyillustratestheimportantfunctionofelectricalcomponentsintheelectricalcontrolcircuit,aswellashowtoselectthesurfacesusinglowvoltageapparatushere.Meanwhile,thefulluseofACcontactorauxiliarycontacts,theelectricalcontrol.
[Keywords]:
electricalcontrol；schematicanalysisofthecommon；faultsofelectrical；components
目录
第一章Z3040B摇臂钻床的主要结构及设计要求1
1.1主要结构1
臂钻床主要运动形式1
1.3摇臂钻床的电力拖动特点2
1.4Z3040B摇臂钻床适用范围及主要技术参数
第二章Z3040B摇臂钻床电气元件的选择4
2.1电源开关QS的选择4
2.2热继电器FR的选择4
2.3接触器的选择4
2.4时间继电器的选择4
2.5熔断器的选择4
2.6按钮的选择5
2.7照明及指示灯的选择5
2.8控制变压器的选择5
第三章Z3040B摇臂钻床电气控制线路设计7
3.1主电路设计7
3.2控制电路设计9
3.3Z3040B摇臂钻床电气原理图的设计11
3.4Z3040B摇臂钻床电器位置图的设计12
3.5Z3040B摇臂钻床电气安装接线图的设计13
第四章故障检修与排除14
4.1机床电气设备故障的必然性14
4.2故障类型14
4.3故障的分析和检修方法15
4.4Z3040B摇臂钻床故障分析16
4.5Z3040B摇臂钻床的维修方法18
20
致谢21
参考文献22
第一章Z3040B摇臂钻床的主要结构及设计要求
1.1主要结构
Z3040B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、内外立柱、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。
1.2摇臂钻床主要运动形式
（1）主轴带刀具的旋转与进给运动主轴的转动与进给运动由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.图1-1Z3040摇臂钻
（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床外形图
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）；外立柱带动摇臂沿内立柱的回转运动等三种，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（外立柱和内立柱之间）。
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。
Z3040B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。
图1-2Z3040B摇臂钻床夹紧与放松机构液压原理图
1.3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。
整个机床由四台笼型感应电动机拖动，他们分别是
（1）主拖动电动机 M2
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范围要求。
该机床的主轴调速范围为80，正传最低速度为25r/min，最高速度为2000r/min,分6级变速；进给运动的调速范围为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，由机械方法变换，所以电动机不需要反转。
（2）摇臂升降电动机 M4
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M3
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，由电磁阀控制油路。
（4）冷却液泵电动机M1
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。
1.4Z3040B摇臂钻床适用范围及主要技术参数
该机床适用于加工中、小型零件。
它可以进行钻孔、扩孔、铰孔和攻螺纹等工作。
装置其他工艺装备时，还可以进行镗孔。
该机床主轴转速和进给量变换时采用液压预选变速机构；主轴箱、摇臂、内外立柱夹紧是采用液压-菱形块夹紧机构，夹紧力大，夹紧前后主轴偏心量小；摇臂升降有保险螺母和电器保险机构，进给有钢珠安全离合器等保护装置。
主要技术参数最大钻孔直径40毫米主轴中心线到立柱母线距离350---1250毫米
主轴箱水平移动距离900毫米主轴端面到底座面间距离350---1250毫米
摇臂升降距离600毫米
摇臂升降速度1.2米/分
摇臂回转角度360度
主轴前端孔锥度莫氏4号主轴转速范围（16级）25---2000转/分进给量范围（16级）0.04---3.2毫米/转主轴行程315毫米
刻度盘每转钻孔深度122.5毫米
主轴允许最大扭矩40公斤力*米
主轴允许最大进给抗力1600公斤力主电机功率3千瓦转速1430转/分
摇臂升降电机功率1.1千瓦转速1500转/分
液压系统用电机功率0.6千瓦转速1500转/分
冷却泵电机功率0.125千瓦转速3000转/分
机床重量3200公斤
机床外形尺寸2170*1013*2625毫米
第二章Z3040B摇臂钻床电气元件的选择
根据设计要求进行电气元件的选择工作，需选择的电气元件主要有：
2.1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。
2.2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额定电流调节范围为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额定电流调节范围为1.5～2.4A工作时调整在1.42A。
2.3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触点的数量等来进行选择。
本设计中接触器选择如下：
KM1主要对主拖动电动机M2进行控制，而M2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对液压泵电动机M3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对摇臂升降电动机M4进行控制，而M4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。
2.4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,时间继电器需要常开触点一个，延时闭合动断触点一个，延时断开动合触点一个.选择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。
2.5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；
同理：
FU3选择RL1-15型熔断器，熔体为2A。
2.6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;
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。
2.7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。
2.8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，列出Z3040B摇臂钻床的主要电器元件明细表如下所示:
表2-1Z3040B摇臂钻床电器元件明细表
符号
名称
型号
规格
数量
M2
三相异步电动机
Y100l2-4
3.0KW,380V,6.82A,1430r/min
1
M4
摇臂升降电动机
Y90s-4
1.1KW,2.01A,1390r/min
1
M2
液压泵电动机
JO31-2
0.6KW,1.42A,2880r/min
1
M1
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
M2,KM3KM4,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
第三章Z3040B摇臂钻床电气控制线路设计
根据该钻床的特点及电力拖动要求，设计出与之相符的电气控制线路：
电源由空气隔离开关QS引入，FU1用作系统的短路保护。
M2是主电动机，带动主轴及进给传动系统，由交流接触器KM1控制，只要求单方向旋转，主轴的正反转由机械手柄操作。
热继电器FR是过载保护元件，短路保护电器是总电源开关的电磁脱扣装置。
M4是摇臂升降电动机，装于主轴顶部，用接触器KM4和KM5控制正反转，因为该电机短时间工作，故不设过载保护电器。
M2是立柱夹紧松开电动机（液压油泵电动机），可以作正向转动和反向转动，正向转动和反向转动的启动与停止由接触器KM2和KM3控制，该电机的主要作用是供给夹紧装置压力油，实现摇臂和立柱的夹紧和松开。
M1是冷却泵电动机，功率小，故没有应用保护器件。
3.1主电路设计
图3-1Z3040B摇臂钻床主电路设计
（1）本机床的电源开关采用接触器KM控制。
这是由于本机床的主轴旋转和摇臂升降不用按钮操作，而采用了不自动复位的开关操作。
用按钮和接触器来代替一般的电源开关，就可以具有零压保护和一定的欠电压保护作用。
（2）主电动机M2和冷却泵电机M1都只需单方向旋转，所以用接触器KM1和KM6分别控制。
立柱夹紧松开电动机M3和摇臂升降电动机M2都需要正反转，所以各用两只接触器控制。
KM2和KM3控制立柱的夹紧和松开；KM4和KM5控制摇臂的升降。
KH－Z3040B型摇臂钻床的四台电动机只用了两套熔断器作短路保护。
只有主轴电动机M2具有过载保护。
因立柱夹紧松开电动机M3和摇臂升降电动机M4都是短时工作，故不需要用热继电器来作过载保护。
冷却泵电机M1因容量很小，也没有应用保护器件。
（3）在安装实际的机床电气设备时，应当注意三相交流电源的相序。
如果三相电源的相序接错了，电动机的旋转方向就要与规定的方向不符，在开动机床时容易发生事故。
KH－Z3040B型摇臂钻床三相电源的相序可以用立柱的夹紧机构来检查。
KH-Z3040B型摇臂钻床立柱的夹紧和放松动作有指示标牌指示。
接通机床电源，使接触器KM动作，将电源引入机床。
然后按压立柱夹紧或放松按钮SB1和SB2。
如果夹紧和松开动作与标牌的指示相符合，就表示三相电源的相序是正确的。
如果夹紧与松开动作与标牌的指示相反，三相电源的相序一定是接错了。
这时就应当关断总电源，把三相电源线中的任意两根电线对调位置接好，就可以保证相序正确。
3.2控制电路设计
图3-2Z3040B摇臂钻床控制电路设计
（1）电源接触器和冷却泵的控制
按下按钮SB3，电源接触器KM吸合并自锁，把机床的三相电源接通。
按SB4，KM断电释放，机床电源即被断开。
KM吸合后，转动SA6，使其接通，KM6则通电吸合，冷却泵电机即旋转。
（2）主轴电动机和摇臂升降电动机控制
采用十字开关操作，控制线路中的SA1α、SA1b和SA1c是十字开关的三个触头。
十字开头的手柄有五个位置。
当手柄处在中间位置，所有的触头都不通，手柄向右，触头SA1α闭合，接通主轴电动机接触器KM1；手柄向上，触头SA1b闭合，接通摇臂上升接触器KM4；手柄向下，触头SA1c闭合，接通摇臂下降接触器KM5。
手柄向左的位置，未加利用。
十字开关的使用使操作形象化，不容易误操作。
十字开关操作时，一次只能占有一个位置，KM1、KM4、KM5三个接触器就不会同时通电，这就有利于防止主轴电动机和摇臂升降电动机同时起动运行，也减少了接触器KM4与KM5的主触头同时闭合而造成短路事故的机会。
但是单靠十字开关还不能完全防止KM1、KM4和KM5三个接触器的主触头同时闭合的事故。
因为接触器的主触头由于通电发热和火花的影响，有时会焊住而不能释放。
特别是在运作很频繁的情况下，更容易发生这种事故。
这样，就可能在开关手柄改变位置的时候，一个接触器未释放，而另一个接触器又吸合，从而发生事故。
所以，在控制线路上，KM1、KM4、KM5三个接触器之间都有动断触头进行联锁，使线路的动作更为安全可靠。
（3）摇臂升降和夹紧工作的自动循环
摇臂钻床正常工作时，摇臂应夹紧在立柱上。
因此，在摇臂上升或下降之时，必须先松开夹紧装置。
当摇臂上升或下降到指定位置时，夹紧装置又须将摇臂夹紧。
本机床摇臂的松开，升（或降）、夹紧这个过程能够自动完成。
将十字开关扳到上升位置（即向上），触头SA1b闭合，接触器KM4吸合，摇臂升降电动机起动M4正转。
这时候，摇臂还不会移动，电动机通过传动机构，先使一个辅助螺母在丝杆上旋转上升，辅助螺母带动夹紧装置使之松开。
当夹紧装置松开的时候，带动行程开关SQ2，其触头SQ2（6-14）闭合，为接通接触器KM5作好准备。
摇臂松开后，辅助螺母继续上升，带动一个主螺母沿着丝杆上升，主螺母则推动摇臂上升。
摇臂升到预定高度，将十字开关扳到中间位置，触头SA1b断开，接触器KM4断电释放。
摇臂升降电动机M4停转，摇臂停止上升。
由于行程开关SQ2（6-14）仍旧闭合着，所以在KM4释放后，接触器KM5即通电吸合，摇臂升降电动机M4即反转，这时电动机只是通过辅助螺母使夹紧装置将摇臂夹紧,摇臂并不下降。
当摇臂完全夹紧时，行程开关SQ2（6-14）即断开，接触器KM5就断电释放，摇臂升降电动机M4停转。
根据Z3040B摇臂钻床的控制要求，综合主电路与控制电路的设计，设计出Z3040B摇臂钻床的电气原理图如下所示:
图3-3Z3040B摇臂钻床电气原理图
为了操作的安全、方便，设计Z3040B摇臂钻床电器位置图如下所示：
图3-4Z3040B摇臂钻床电器位置图
根据Z3040B摇臂钻床的电力拖动要求，设计Z3040B摇臂钻床安装接线图如下所示：
图3-5Z3040B摇臂钻床安装接线图
第四章故障检修与排除
4.1机床电气设备故障的必然性
尽管我们对机床电气设备采取了日常维护保养及定期校验检修等有效措施，但仍不能保证机床电气设备长期正常运行而永远不出现电气故障。
机床电气故障产生的原因主要有两方面：
（1）自然故障
机床在运行过程中，其电气设备常常要承受许多不利因素的影响，诸如电器动作过程中的机械振动；过电流的热效应加速电器元件的绝缘老化变质；电弧的烧损；长期动作的自然磨损；周围环境温度、湿度的影响；有害介质的侵蚀；元件自身的质量问题；自然寿命等原因。
以上种种原因都会使机床电器难免出现一些这样或那样的故障而影响机床的正常运行。
因此加强日常维护保养和检修可使机床在较长时间内不出或少出故障，而切不可误认为：
反正机床电气设备的故障是客观存在，在所难免，就忽视日常维护保养和定期检修工作。
（2）人为故障
机床在运行过程中，由于受到不应有的机械外力的破坏或因操作不当、安装不合理而造成的故障，也会造成机床事故，甚至危及人身安全。
4.2故障的类型
由于机床电气设备的结构不同，电器元件的种类繁多，导致电气故障的因素又是多种多样，因此电气设备所出现的故障必然是各式各样的。
然而这些故障大致可分为两大类：
（1）故障有明显的外表特征并容易被发现
例如电机、电器的显著发热、冒烟、散发出焦臭味或火花等。
这类故障是由于电机、电器的绕组过载、绝缘击穿、短路或接地所引起的。
在排除这类故障时，除了更换或修复之外，还必须找出和排除造成上述故障的原因。
（2）故障没有外表特征
这一类故障是控制电路的主要故障。
在电气线路中由于电气元件调整不当，机械动作失灵，触头及压接线头接触不良或脱落，以及某个小零件的损坏，导线断裂等原因所造成的故障。
线路越复杂，出现这类故障的机会也越多。
这类故障虽小但经常碰到，由于没有外表特征，要寻找故障发生点，常需要花费很多时间，有时还需借助各类测量仪表和工具才能找出故障点，而一旦找出故障点，往往只需简单的调整或修理就能立即恢复机床的正常运行，所以能否迅速的查出故障点是检修这类故障时能否缩短时间的关键。
4.3故障的分析和检修方法
当机床发生电气故障后，为了尽快找出故障原因，常按下列步骤进行检查分析，排除故障：
（1）修理前的调查研究
问：
首先向机床的操作者了解故障发生的前后情况，故障是首次突然发生还是经常发生；是否有烟雾、跳火、异常声音和气味出现，有何失常和误动作等。
因为机床的操作者最熟悉本机床性能，最先了解故障发生的可能原因和部位，这样有利于电气修理人员在此基础上利用有关电气工作原理来判断故障发生地点和分析故障产生原因。
看：
观察一下熔断器内的熔丝是否熔断；电气元件及导线连接处有无烧焦痕迹。
听：
电动机、控制变压器、接触器、继电器运行中声音是否正常。
摸：
在机床电气设备运行一段时间后，切断电源用手触摸有关电器的外壳或电磁线圈，试其温度是否显著上升，是否有局部过热现象。
（2）从机床电气原理图进行分析，确定产生故障的可能范围
机床电气线路有的很简单，但有的也很复杂。
对于比较简单的电气线路，若发生了故障。
仅有的几个电器元件和几根导线会一目了然，即使采用逐个电器、逐根导线的依次检查，也容易寻找出故障部位。
但是对线路较复杂的电气设备则不能采用上述方法来检查电气故障。
电气维修人员必须熟悉和理解机床的电气线路图，这样才能正确判断和迅速排除故障。
机床的电气线路是根据机床的用途和工艺要求而确定的，因此了解机床基本工作原理、加工范围和操作程序，对掌握机床电气控制线路的原理和各环节的作用具有一定的意义。
任何一台机床的电气控制线路，总是由主电路和控制电路两大部分组成，而控制电路又可分为若干个基本
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