机床电气控制技术课程设计

机床电气控制技术课程设计

附图 个人资料内

目录

一、设计前言 ················································································· 2

二 设计说明 ················································································ 2

三、夹紧机构液压系统原理示意图 ······································· 3

四、工作流程图 ·········································································· 4 五、电气控制电路的确定 ························································· 4 （一）电动机控制电路 ································································· 4 （二）照明电路与去磁器 ····························································· 8 六、一些低压电器的选择 ························································· 8

七、可编程控制器PLC控制系统的设计 ····························· 11 八、设计总结 ·············································································· 13 九、参考文献 ·············································································· 14

附图一、接触器-继电器电气控制原理图

附图二、PLC状态转移图 附图三、PLC梯形图

一：设计前言：

本次设计是对Z3040型摇臂钻床的电气控制设计，根据设计要求设计电气控制系统及连接，使其能实现自动完成各个工作要求。

设计的主要内容包括对继电器电气原理图的设计及绘制，对PLC电器原理图的设计与绘制，制成控制板并进行连接。

这次设计的目的在于通过完成设计，了解可编程控制器的结构、工作原理、特点和用途，掌握对继电器的选型和各型号继电器的用途和作用，掌握可编程控制器的编程方法和指令系统。

二：设计说明：

Z3040型摇臂钻床结构示意图如下图所示：

主轴箱上的四个按钮依次为主电动机停止、启动按钮、摇臂上升、下降按钮。分别对应原理图中的SB1、SB2、SB3、SB4。主轴箱转盘上的两个按钮为立柱、主轴箱的松开按钮及夹紧按钮，对应原理图中的SB5，SB6。转盘为主轴箱左右移动手柄，操纵杆则操纵主轴的垂直移动，两者均为手动。

1

Z3040型摇臂钻床的的运动有：摇臂的松开，摇臂下降及上升，摇臂加紧，主轴箱与立柱的松开夹紧。

如上图所示Z3040型摇臂钻床有四台工作电动机，一般采用笼型异步电动机，其中，M1为主电动机：控制主轴旋钻运动和进给运动，单向旋转，用机械变换完成加工螺纹所需的正、反向；M2为摇臂升降电动机：控制摇臂升降运动，双向旋转；M3为液压泵电动机：控制摇臂夹紧、放松，双向旋转；M4为冷却泵电动机：手动控制，单向旋转。

三：夹紧机构液压系统原理示意图：

2

四、工作流程图：

五：电气控制电路的确定：

（1）电动机控制电路

1、主电路 由电源引入开关Q控制整机电源的接通与断开。

3

M1为主轴电动机动，由KM1接触器控制；

M2为摇臂升降电动机，由KM2接触器控制摇臂下降，由KM3接触器控制摇臂下降；

M3为液压泵电动机，由KM4接触器控制摇臂松开，由KM5接触器控制摇臂上升；

M4为电源冷却泵电动机，由开关SA1接触器控制其开闭。

2、控制电路 电动机控制电路的控制电源直接采用交流380V，由按钮SB1、SB2和接触器KM1构成了主轴电动机M1单向起支和停止控制电路。由按钮SB3、SB4（SB5、SBH6）和接触器KM4，KM5构成了液压泵电动机M3单向旋转起动和停止控制电路。实现两台电动机操作控制，由按钮SB3、SB4和接触器KM3,KM2构成了摇臂升降电动机M2下降和上升。

4

①．主轴电动机控制 主轴电动机M1为单向旋转，由按钮SB1、SB2和接触器KM1实现起动和停止控制。主轴的正、反转则由M1电动机拖动齿轮泵送出压力油，通过液压系统操纵机构，配合正、反转摩擦离合器驱动主轴正转或反转。

②．摇臂升降控制 摇臂钻床在加工时，要求摇臂应处于夹紧状态，才能保证加工精度。但在摇臂需要升降时，又要求摇臂处于松开状态，否则电动机负载大，机械磨损严重，无法升降工作。摇臂上升或下降时，其动作过程是，随着升降指令发出，先使摇臂与外立柱处于松开状态，而后上升或下降，待升降到位时，要自行重新夹紧。由于松开与夹紧工作是由液压系统实现，因此，升降控制必须与松紧机构液压系统紧密配合。

M2为升降电动机，由按钮SB3、SB4点动控制接触器KM2、KM3接通或断开，使M2电动机正、反向旋转，拖动摇臂上升或下降移动。

M3为液压泵电动机，通过接触器KM4，KM5接通或断开，使M3电动机正向带动双向液压泵送出压力油，经二位六通阀至摇臂夹紧机构实现夹紧与松开。

下面以摇臂下降为例简述动作过程：按下SB4按钮，时间继电器KT线圈通电，瞬时常开触点(13-14)闭合，接触器KM4线圈得电，液压泵电动机M3起动旋转带动液压泵送出压力油，同时断电延时断开的KT常开触点(1-17)闭合，使

5

电磁阀YV线圈得电，液压泵输出的压力油经二位六通阀进入摇臂夹紧机构的松开油腔，推动活塞和菱形块，将摇臂松开。同时，活塞杆通过弹簧片压上行程开关SQ2发出摇臂已松开信号。此时，SQ2触点(6-13)断开，使接触器KM4线圈断电，液压泵电动机M3停转，油路单向阀保压，摇臂处于松开状态。与此同时，SQ2触点(6-7)闭合，接触器KM2线圈得电，升降电动机M2得电起动旋转，带动摇臂下降，待摇臂下降至所需位置时，松开按钮SB4，KM2线圈断电，M2电动机停转，摇臂停止下降。同时KT线圈也断电，KT常闭触点(17-18)瞬时闭合，而其延时断开的常开触点(1-17)仍未打开，使电磁阀YV继续得电，同时接触器

KM5线圈得电，液压泵电动机M3反转，反向送出压力油，经二位六通阀反方向推动活塞和菱形块，将摇臂夹紧。KT延时打开触点，经过1~3s延时后断开，同时活塞杆通过弹簧压下行程开关SQ3，使触点SQ3 (1-17)也断开，电磁阀YV、

KM5线圈断电。液压泵电动机M3停转，摇臂下降后重新夹紧过程结束。行程开关SQ2为摇臂放松信号开关。行程开关SQ3为摇臂夹紧信号开关。时间继电器KT延时断开常开触点是为保证当瞬间操作SB3或SB4，使KM4得电摇臂开始松开后放开SB3或SB4时，若KM4过早断电，可能造成摇臂处于半松开状态。有了KT延时断开触电(1-17)后，则能在KT线圈断电1~3s内处于闭合状态，使KM5线圈得电，液压泵电动机M3反向旋转，使摇臂重新夹紧，直到延时时间到，KT触点断开，SQ3动作，KM5断电为止，这样就保证了摇臂在加工工件前总是处于夹紧状态。

③．夹紧、松开控制 Z3040型摇臂钻床除了上述摇臂上升下降过程需要夹紧、松开控制外，还有主轴箱和立柱的松开、夹紧控制。主轴箱和主柱的松开、夹紧从液压系统中看出二者是同时进行的。

当按下松开按钮SB5，接触器KM4线圈得电，液压泵电动机M3正转，拖动液压泵输送出压力油，经二位六通阀，进入主轴箱与立柱的松开油缸推动活塞和菱形块，使主轴箱与立柱实现松开，此时由于YV不得电，压力油不会进入摇臂松开活塞，摇臂仍处于夹紧状态。当主轴箱与立柱松开时，行程开关SQ4不受压，触点(10l-102)闭合，指示灯HL1亮，表示主轴箱与立柱处于松开状态，可以手动操作主轴箱在摇臂的水平导轨上移动至适当位置。同时推动摇臂(套在内立柱上)使外立柱绕内立柱旋转至适当的位置，按下夹紧按钮SB6，接触KM5线圈得电，

M3电动机反转，拖动液压泵输送出反向压力油至夹紧油缸，使主轴箱和立柱夹紧。同时行程开关SQ4压下，触点(101-102)断开，HL1灯暗，而(101-103)闭合，

HL2灯亮，指示主轴箱与立柱处于夹紧状态，可以进行钻削加工。

④．冷却泵电动机控制 冷却泵电动机容量小(0.125kW)，由SA1开关控制单向旋转。

6

⑤．联锁、保护环节 电路中利用SQ2实现摇臂松开到位，开始升降的联锁控制，利用SQ3，实现摇臂完全夹紧的联锁控制。通过KT延时断开的常开触点实现摇臂松开后自动夹紧的联锁控制。摇臂升降除了按钮SB4、SB3机械互锁外，还采用KM2、KM3电气的双重互锁控制。主轴箱与立柱进行松开、夹紧工作时，为保证压力油不供给摇臂夹紧油路，通过SB5、SB6常闭触点切断YV线圈电路，达到联锁目的。

电路利用熔断器FU1作为总电路和电动机M1、M4的短路保护。利用熔断器

FU2作为电动机M2、M3及控制变压器T一次侧的短路保护，利用热继电器KR1为M1电动机的过载保护，KR2为M3电动机的过载保护。组合行程开关SQ1作为摇臂上升、下降的极限位置保护，SQ1有两对常闭触点，当摇臂上升下降至极限位置时，相应触点动作切断与其对应的上升下降接触器KM2、KM3，使M2电动机停止转动，摇臂停止升降，实现升降极限位置保护，电路中失压或欠压保护由各接触器实现。

⑥．照明与信号指示电路 通过控制变压器T降压提供照明灯EL安全电压，由SA2开关操作。熔断器FU3作为短路保护。

当主轴电动机工作时，KM1触点(101-104)接通，指示灯HL3亮，表示主轴工作； 当主轴箱、立柱处于夹紧状态时，SQ4触点(101-l03)接通，HL2灯亮。主轴箱、立柱处于松开状态，SQ4触点(101-102)接通，HL1灯亮。 3、联锁、保护环节

主电路与控制电路由熔断器FU1、FU2分别实现适中保护。摇臂升降与液压泵电动机利用热继电器KR1、KR2实现长期过载保护。

（2）照明电路与去磁器

照明电路由照明变压器T1，将380V电压降为24V，并由开关SA2控制照明灯EL，照明变压器二次侧装有熔断器FU3作为短路保护。其一次侧短路可由熔断器FU2实现保护。

六、一些低压电器的选择：

在设备电气控制线路中，为了满足生产工艺及电力拖动的需要，电动机要经常地起动、制动、改变运动方向、调节转速；当电路发生过载、短路、欠压或失压等情况时，控制电路的保护环节还应当自动切断电路，保护线路和设备。所有这些要求都需要借助于电器来完成。

由于各类电器在设备电气控制系统中所处的位置和所起的作用不同，其因此选用的方法也不尽相同。生产机械常用低压电器的选择，主要依据是电器产品目录上的各项指标或数据。正确合理地选择低压电器是电气系统安全运行、可靠工作的保证。

对于电气元件的选择，在选择时我们应注意以下几点： （1） 根据对控制元件功能的要求，确定电气元件功能的要求，确定电气

7

元件类型。如继电器与接触器，当元件用于通，断功率较大的主电路时，应选择交流接触器；若元件用于切换功率较小的电路（如控制电路）时，则应选择中间继电器；若伴有延时要求时，则应选用时间继电器。

（2） 根据电气控制的电压，电流及功率的大小来确定元件的规格，满足

元器件的负载能力及使用寿命。

（3） 掌握元器件预期的工作环境及供应情况，如防油，防尘，货源等。 （4） 为了保证一定的可靠性，采用相应的降额系数，并进行一些必要的

技术和校核。

1 按钮

按钮通常是用来短时间接通或断开小电流控制电路的开关。

目前按钮在结构上有多种形式：旋钮式——手动旋转进行操作；指

示灯——按钮内装入了信号指示灯；紧急式——装有蘑菇形式旋帽，用于紧急操作；等等。一般来说，停止按钮采用红色。按钮主要根据所需要的触点数，使用场合及颜色来选择。 2 低压开关

低压开关主要包括如下几种。 1） 刀开关

刀开关主要用于接通或切断长期改组设备的电源。一般刀开关的额定电压不超过500V额定电流为10A到上千安多种等级。有些刀开关附有熔断器。不带熔断器式刀开关主要有HD型及HS型，带熔断器式开关有HK，HR3系列等。刀开关主要根据电源种类，电压等级，电动机容量，所需极数及使用场来选择。 2） 组合开关

组合开关主要是作为电源引入开关，所以也称电源隔离开关。它可以启停5KW以下的异步电动机，但每小时的接通次数不宜超过10次，开关的额定电流一般取电动机额定电流的1.5~2.5倍。

组合开关主要根据电源种类，电压等级，所需触点数及电动机容量进行选用。常用的组合开关为HZ-10系列，额定电流10A，25A，60A和100A四种，适用于交流电压380V以下，支流电压220V以下的电气设备中。

3） 限位开关（行程开关）

限位开关是依据生产机械运动的行程位置而动作的小电流开关。它

的选用主要根据机械位置对开关形式的要求，对触点数目，电压种类，电压与电流等级的要求来确定。机床常用的有LX2型，LX19型，JLXK1型，LXW11型和JLXK-111型微动开关等。对于要求动作快，灵敏度高的行程控制，可采用接近开关。接近开关也称为无触点限位开关，它是通过运动部件引起的电磁场变化而动作的。接近开关寿命长，可靠性好，但精度和价格不如限位开关。 4） 自动开关

自动开关又称自动空气断路器，自动开关在压力机上应用的很广

泛。这是因为自动开关既接通或分断正常工作电流，也能自动分断过载或短路电流，分断能力强，有欠压和过载短路保护作用。

选择自动开关应考虑其主要技术参数：额定电压，额定电流和允许

8

切断的极限电流等。自动开关拖扣器的额定电流应等于或大于负载允许的长期平均电流；自动开关的极限分断能力要大于，至少要等于电路最大短路电流；自动开关拖扣器电流整定应按下面的原则：欠电压拖扣器额定电压等于主电路等于主电路额定电压；热拖扣器的整定电流与被控对象（负载）额定电流相等；电磁拖扣器的瞬时拖扣器整定电流应大于负载正常工作时的尖峰电流；保护电动机时，电磁拖扣器的瞬时拖扣电流为电动机启动电流的1.7倍。 3 接触器的选用

选择接触器主要依据以下数据：电源种类（直流或交流）；主触点额定电流；辅助触点的种类、数量和触点的额定电流；电磁线圈的电源种类、频率和额定电压；额定操作频率等。机床用的最多的是交流接触器。

交流接触器的选择主要考虑主触点的额定电流、额定电压、线圈电压等。

交流接触器主触点的额定电压一般按高于线路额定电压来确定。 根据控制回路的电压决定接触器的线圈电压。为保证安全，一般接触器吸引线圈选择较低的电压。但如果在控制线路比较简单的情况下，为了省去变压器，可选用380V电压。值得注意的是，接触器产品系列是按使用类 别设计的，所以要根据接触器负担的工作任务来选用相应的产品系列。

接触器辅助触点的数量、种类满足线路的需要。

4 继电器的选用

1）一般继电器的选用

一般继电器是指具有相同电磁系统的继电器，又称电磁继电器。选

用时，除满足继电器线圈电压或线圈电流的要求外，还应按照控制需要分别选用过电流继电器、欠电流继电器、过电压继电器、欠电压继电器中间继电器等。另外电压、电流继电器还有交流、直流之分，选择时也应当注意。

2）时间继电器的选择

时间继电器是压力机控制线路中常用电器之一。它的类型有：电磁式，空气阻尼式，电动式及电子式等。用的较多的是空气阻尼式时间继电器，它的特点是工作可靠，结构简单，延时整定范围较宽（可达0.4s～180s）

时间继电器型式多样，各具特点，选择时应从以下几方面考虑。 (1) 根据控制线路的要求来选择延时方式，即通电延时型或断电延时型。 (2) 根据延时准确度要求和延时时间的长短来选择。 (3) 根据使用场合、工作环境选择合适的时间继电器。

3）热继电器的选择

热继电器的选择应按电动机的工作环境、起动情况、负载性质等因素来考虑。一方面要充分发挥电动机的过载能力，另一方面，对电动机在短时过载与起动瞬间不受影响。

热继电器结构形式的选择。星形连接的电动机可以选择两相或三相结构的热继电器，三角形连接的电动机应当选择带断相保护装置的三相结构热继电器。

热元件选好后，还需根据电动机的额定电流来调整它的整定值。

9

根据以上步骤及参考资料的查找，制定了本课程设计中继电器元件表。（见下表所示）

摇臂钻床电气元件表 符号 名称 型号 规格 数量 M1 主轴电动机 Y160M-4 11KW 380V 3000r/min 1 M2 摇臂升降电动机 Y120M-2 8KW 380V 1850r/min 1 0.125KW 380V M4 冷却泵电动机 JCB-22 1 2790 r/min 1.1KW 380V M3 液压泵电动机 JO2-21-4 1 1410 r/min SA1、SA2 转换开关 HZ1-2/3 三极 380V 2A 2 Q 组合开关 HZ1-25/3 三极 380V 25A 1 KM1 交流接触器 CJ10-40 40A 线圈电压127V 1 KM2 交流中间接触器 CJ10-5 5A 线圈电压127V 1 KM3 交流中间接触器 CJ10-5 5A 线圈电压127V 1 KM3 交流中间接触器 CJ10-5 5A 线圈电压127V 1 KM4 交流中间接触器 CJ10-5 5A 线圈电压127V 1 KM5 交流中间接触器 CJ10-5 5A 线圈电压127V 1 KA 交流中间接触器 JZ7-44 5A 线圈电压127V 1 FU1 熔断器 RL1-15 500V 熔体10A 3 FU2 熔断器 RL1-15 500V 熔体2A 3 额定电流25A 整定电流KR1,KR2 热继电器 JR0-40 2 19.9A 100VA T 控制变压器 BK-100 2 380V/127-36-6.3V SB3 SB4 SB6 控制按钮 LA10 红色 3 SB1 SB2 SB5 控制按钮 LA10 黑色 3 七、可编程控制器PLC控制系统的设计

（一）可编程控制器控制系统设计的基本原则。

在设计可编程控制器系统时，应遵循以下基本原则。 1） 最大限速地满足控制要求

充分发挥可编程控制器功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，

是设计中最重要的一条原则。设计人员要深入现场进行调查研究，收集资料。同时要注意和现场工程管理和技术人员及操作人员紧密配合，共同解决重点问题和疑难问题。 2） 保证系统安全可靠

保证可编程控制器控制系统能够长期安全，可靠，稳定运行，是设计控制系统的重要原则。

3）力求简单，经济，使用与维修方便

在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断扩大工程的效益，另一方面也要注意不断降低工程的成本，不宜盲目追求自动化和高指标。 4）适应发展的需要

10

适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。

（二）可编程控制器系统设计的步骤 1）分析被控对象并提出控制要求

在设计继电器-接触器的时候我们已经对平面磨床的控制电路进行了的分析，确定了其控制方案并拟订了任务书。 2）确定输入/输出设备

根据压力机液压系统的控制要求，确定系统所需的全部输入设备和输

出设备。

输入设备：开关SB1，SB2，SB3，SB4，SB5,SB6

输出设备：电动机M1,M2,M3,M4和灯HL,HL1,HL2,HL3 3）选择可编程控制器

选择可编程控制器包括对可编程器的机型，容量，输入/输出模块，

电源等的选择。为此我们选择了FX2N-32MR

4）分配输入/输出点并设计可编程控制器的外围硬件线路

分配输入/输出点：画出可编程控制器的输入/输出点与输入/输出设

备的连接图或对应关系表，画出可编程控制器硬件接线图。见下图

可编程控制器硬件接线图

5）软件编制

11

根据分析进行梯形图的绘制（见附图三）。根据梯形图写出指令表见

下表所示：

系统指令表 步序 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 指令 LD M8002 SET S20 STL S20 LD X0 OUT Y0 LD X1 SET S21 STL S21 OUT Y1 LD X2 SET S22 STL S22 OUT T 39 步序 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 指令 LD T0 OUT Y2 LD X3 SET S23 STL S23 OUT Y3 LDI X4 SET S24 STL S24 OUT Y4 LD X5 SET S25 STL S25 步序 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 END 指令 OUT Y5 LD X6 SET S26 STL S26 OUT Y6 LDI X7 OUT Y7 LD X8 SET S27 STL S27 OUT Y8 LD X9 OUT Y9

八、设计总结：

通过这次课程设计，我对继电器、控制器、PLC有了进一步的了解。多亏了孙老师课堂上的仔细讲解，使我能在设计时回想起他的讲解，才得以顺利完成了本次课程设计。课堂上的知识有时感觉很抽象，在实践中，我不可避免地遇到一系列的问题，继而又进一步加深和巩固了所学知识，不仅对机器控制系统的工作原理和特点有了深入认识，而且对各类元器件的作用及选用也进行了仔细研究。

Z3040摇臂钻床看似简单，但其电气控制实现起来也比较困难，着实让我费了一番心思。正所谓理论与实践相结合，才使我更好地了解了这一门课程的知识。最重要的是我们体会到了集体的力量，学会了集中团队力量解决问题，培养了一定的团队意识，在此我还要多谢在整个设计过程中给过我帮助的同学们。总之，此次课程设计使我受益匪浅。

八、参考文献：

[1]机床电气控制技术/张万奎主编.—北京：中国林业出版社；北京大学出版社，2006.8

12

[2]电气控制与PLC应用/许翏 王淑英主编.—机械工业出版社，2005.1

13