臥式車床電氣控制系統(tǒng)課程設計.doc

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機床電氣控制技術(shù)課程設計報告 設計課題: 一臺普通臥式車床的電氣控制系統(tǒng)設計 姓 名: 學 院: 專 業(yè): 班 級: 學 號: 日 期 指導教師: 緒論 車床是機械加工中最廣泛的金屬切削機床，它可以用于切削各種工件的外圓、內(nèi)孔、端面、螺紋、螺桿及車削定型表面等?，F(xiàn)代生產(chǎn)機械多采用機械、電氣、液壓、氣動結(jié)合的控制技術(shù)。其中電氣控制技術(shù)起聯(lián)接中樞作用，應用最為廣泛。電氣控制系統(tǒng)是生產(chǎn)機械設備的重要組成部分，是保證J機械設備按生產(chǎn)工藝要求，完成各種運動狀態(tài)與協(xié)調(diào)工作，并保證機械設備安全可靠工作以及實現(xiàn)操作自動化。本設計的主要任務是根據(jù)車床的工作情況確定電氣設計的技術(shù)條件、電力拖動形式的選擇、電動機的選擇及其他電器元件、電氣控制原理圖，繪制機電設備的位置圖和接線圖，最后按要求寫出設計報告，繪出設計圖樣。 第一章 車床的運動形式 1．1主運動 車床的主運動是工件的旋轉(zhuǎn)運動，它是由主軸通過卡盤或頂尖帶動工件旋轉(zhuǎn)。 電動機的動力通過主軸箱傳給主軸，主軸一般只要單方向的旋轉(zhuǎn)運動，只有在車螺紋時才需要用反轉(zhuǎn)來退刀。 1．2進給運動 車床的進給運動是溜板帶動刀具作縱向或橫向的直線移動，也就是使切削能連續(xù)進行下去的運動。所謂縱向運動是指相對于操作者的左右運動，橫向運動是指相對于操作者的前后運動。 車螺紋時要求主軸的旋轉(zhuǎn)速度和進給的移動距離之間保持一定的比例，所以主運動和進給運動要由同一臺電動機拖動，主軸箱和車床的溜板箱之間通過齒輪傳動來聯(lián)接，刀架再由溜板箱帶動，沿著床身導軌作直線走刀運動。 第二章 電力拖動的特點及控制要求 2．1電力拖動的特點 （1）采用傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制系統(tǒng)。 （2）傳動方式采用多電動機拖動，即一臺設備由多臺電動機分別驅(qū)動各個工作機 構(gòu)。這種拖動方式不僅大大簡化了生產(chǎn)機械的傳動機構(gòu)，而且控制靈活，為生產(chǎn)機械的自動化提供了有利的條件，現(xiàn)代化機電傳動基本上均采用這種拖動形式。 （3）機床主運動和進給運動由主軸電動機M1集中傳動，主軸電動機選用三相籠式異步電動機，不進行電氣調(diào)速，主軸采用齒輪箱進行機械有級調(diào)速，由車床主軸箱通過變速箱與主軸電動機的連接來完成（為減小振動，主拖動電動機通過幾條傳動皮帶將動力傳遞到主軸箱）；刀架的給進運動方式有手動和自動兩種，在進行螺紋加工時，工作的旋轉(zhuǎn)與刀架的進給速度之間應有嚴格的比例關(guān)系，因此，車床刀架的縱向或橫向兩個方向進給運動是由主軸箱輸出軸依次經(jīng)掛輪箱、進給箱、光杠傳入溜板箱而獲得的。車削螺紋時要求主軸有正反轉(zhuǎn)，主軸電動機只作單向旋轉(zhuǎn)，主軸的正反轉(zhuǎn)一般由機械方法實現(xiàn)，采用多片摩擦片離合器實現(xiàn)；主軸制動采用液壓制動器；主軸電動機的啟動、停止采用按鈕操作；主軸電動機的容量不大，可采用直接啟動。 （4）冷卻泵由電動機M2拖動，只需要單向旋轉(zhuǎn)。車削加工時，由于刀具及弓箭溫度過高，有時需要冷卻，因而配有冷卻泵電動機，冷卻泵電動機與主軸電動機有連鎖關(guān)系，即冷卻泵電動機應在主軸電動機之后啟動，并在主軸電動機停車時，冷卻泵電動機也應立即停車。 （5）刀架快速移動由單獨的快速電動機M3拖動，刀架移動和主軸轉(zhuǎn)動有固定的比例關(guān)系，以便滿足對螺紋的加工需要。進給運動的縱向左右運動，橫向前后運動以及快速移動都集中由一個手柄操縱。 （6）車床控制電路應具有必要的短路、過載、欠壓和零壓等保護環(huán)節(jié)，并有安全、可靠的局部照明和信號指示。 1．3輔助運動 車床的輔助運動包括刀架的快進與快退，尾架的移動與工件的夾緊與松開等。 2．2電源形式 主電路采用交流380V電源直接供電，對于比較復雜的控制線路，應采用控制電源變壓器，將控制電壓由交流380V或220V降至110V或48V、24V等，這是從安全角度考慮的。 本設計由控制變壓器將交流380V變換成110V、24V、和6V分別供給控制回路、照明回路和信號回路。 第三章 電動機及其他電氣元件的選擇 3．1 電動機的選擇 3．1.1主軸電動機 當主運動和進給運動采用同一電動機時，只計算主運動電動機功率即可。多數(shù)機床負載情況比較復雜，切削用量變化很大，尤其是通用機床負載種類更多，不易準確地確定其負載情況。因此通常采用調(diào)查統(tǒng)計類比或采用分析與計算相結(jié)合的方法來確定電動機的功率。 （1）調(diào)查統(tǒng)計類比法 目前我國機床設計制造部門，往往采用這種方法來選擇電動機容量。這種方法就是對機床主拖動電動機進行實測、分析，找出了電動機容量與機床主要數(shù)據(jù)的關(guān)系，根據(jù)這種關(guān)系作為選擇電動機容量的依據(jù)。 臥式車床主電動機的功率： 式中：P 主拖動電機功率(kW)； D 工件最大直徑(m)。 （2）分折計算法 可根據(jù)機床總體設計中對機械傳動功率的要求，確定機床拖動用電動機功率。即知道機械傳動的功率，可計算出所需電動機功率： 式中：P 電動機功率； P1 機械傳動軸上的功率； η1 生產(chǎn)機械效率； η2 電動機與生產(chǎn)機械之間的傳動效率。 式中：η：為機床總效率，一般主運動為回轉(zhuǎn)運動的機床取 0.7~0.85；主運動為往復運動的機床取0.6~0.7（結(jié)構(gòu)簡單的取大值，復雜的取小值)。 根據(jù)實際情況，最后確定電動機的容量為11KW。 3．1.2冷卻泵電動機 冷卻泵電動機的容量比較小，一般選取90W即可。 3．1.3快速移動電動機 快速移動電動機所需要的功率，一般由經(jīng)驗數(shù)據(jù)來選擇， 選擇為250W。 3．2電動機轉(zhuǎn)速和結(jié)構(gòu)型式的選擇 3．2．1轉(zhuǎn)速的選擇 電動機功率的確定是選擇電動機的關(guān)鍵，但也要對轉(zhuǎn)速、使用電壓等級及結(jié)構(gòu)形式等項目進行選擇。異步電動機由于它結(jié)構(gòu)簡單堅固、維修方便、造價低廉，因此在機床中使用得最為廣泛。 電動機的轉(zhuǎn)速愈低則體積愈大，價格也愈高，功率因數(shù)和效率也就低，因此電動機的轉(zhuǎn)速要根據(jù)機械的要求和傳動裝置的具體情況加以選定。異步電動機的同步轉(zhuǎn)速有3000 r/min、1500 r/min、1000 r/min、750 r/min、600 r/min等幾種，這是由于電動機的磁極對數(shù)的不同而決定的。電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速由于存在著轉(zhuǎn)差率，一般比同步轉(zhuǎn)速約低2％~5％。一般情況下，可選用同步轉(zhuǎn)速為1500r/min的電動機，因為這個轉(zhuǎn)速下的電動機適應性較強，而且功率因數(shù)和效率也高。若電動機的轉(zhuǎn)速與該機械的轉(zhuǎn)速不一致，可選取轉(zhuǎn)速稍高的電動機通過機械變速裝置使其一致。 根據(jù)以上內(nèi)容選擇主軸電動機M1轉(zhuǎn)速為1450r/min；冷卻泵電動機M2轉(zhuǎn)速為3000r/min；快速移動電動機M3轉(zhuǎn)速為1360r/min。 3．2．2結(jié)構(gòu)型式的選擇 一般地說，金屬切削機床都采用通用系列的普通電動機。 Y系列三相異步電動機是機床上常用的三相異步電動機。 Y系列電動機是封閉自扇冷式籠型三相異步電動機，是全國統(tǒng)一設計的新的基本系列，它是我國取代JO2系列的更新?lián)Q代產(chǎn)品。安裝尺寸和功率等級完全符合IEC標準和DIN42673標準。本系列采用B級絕緣，外殼防護等級為IP44，冷卻方式為IC0.141。 因此，主軸電動機選擇Y160M-4型電動機； 冷卻泵電動機采用專門的AOB-25系列油泵電機，由封閉自冷的三星異步電動機和單級離心泵組合而成，主要是給一般機床和其他設備輸送循環(huán)冷卻液（冷卻液為肥皂水，蘇打水，輕礦物油和其他無腐蝕性的液體），該系列泵效率高，體積小，重量輕，運行平穩(wěn)，安全可靠。 刀架快速移動電動機選擇通用的AOS5634型電動機。 因此電動機的選擇如下： 主軸電動機M1：型號Y160M-4；容量11KW；轉(zhuǎn)速1450r/min。 作用： 工件的旋轉(zhuǎn)和刀具的進給 冷卻泵電動機M2：型號AOB-25；容量90W；轉(zhuǎn)速3000 r/min。作用：輸送冷卻液用 刀架快速移動電動機M3：型號AOS5634；容量0.25KW；轉(zhuǎn)速1360r/min。 作用：溜板快速移動用 3．3 電器元件的選擇 3．3 .1 熱繼電器 利用電流的熱效原理來工作的保護電器 主要用作：三相異步電動機的過載保護 由按鈕、接觸器、熱繼電器等組成的異步電動機直接起動控制電路 熱繼電器的圖形和文字符號 3．3．2 交流接觸器KM 用來頻繁的接通和分斷交直流主回路和大容量控制電路。主要控制對象是電動機，能實現(xiàn)遠距離控制，并有欠（零）電壓保護功能。 交流接觸器圖形符號和文字符號 3．3．3 熔斷器 作用：利用金屬的熔化來切斷電路，以保護電器，短路保護。 結(jié)構(gòu)：熔體（保險絲）和熔座（安裝熔體） 形狀：片狀、絲狀、和籠狀 型號：常用的熔斷器有瓷插式RCIA系列、封閉管式及螺旋式RL1系列等多種。 熔斷器圖形符號和文字符號 3．3．4 按鈕 按鈕，是一種常用的控制電器元件，常用來接通或斷開‘控制電路’（其中電流很?。?，從而達到控制電動機或其他電氣設備運行目的的一種開關(guān)。 3．3．5 行程開關(guān) 行程開關(guān)，位置開關(guān)（又稱限位開關(guān)）的一種，是一種常用的小電流主令電器。 在電氣控制系統(tǒng)中，位置開關(guān)的作用是實現(xiàn)順序控制、定位控制和位置狀態(tài)的檢測。用于控制機械設備的行程及限位保護。 位置開關(guān)的圖形符號及文字符號 3．3．6 信號燈HL。 型號：DX1-0 規(guī)格：白色，配6V0.15A燈泡 作用：電源指示燈 因為變壓后的電源為6V，所以選用DX1-0型的信號燈。 3．3．7 機床照明燈EL。 型號：K-1，螺口 規(guī)格：40W36V 作用：機床局部照明 因為在經(jīng)過電源變壓后變?yōu)?6V的電源電壓，所以用36V的K-1型的照明燈。 3．3．8斷路器QF。 因為QF保護主電路所以用：AM2-40、20A型的熔斷器。 3．3．9控制變壓器TC。 控制變壓器和普通變壓器原理沒有區(qū)別.只是用途不同.控制變壓器:用途廣泛,可做升壓,亦可做降壓用.。 表 電動機及電器元件明細表　 符號 名稱 符號 名稱 M1 主電動機 SB1 總停按鈕 M2 冷卻泵電動機 SB2 主電動機正向點動按鈕 M3 快速移動電動機 SB3 主電動機正轉(zhuǎn)按鈕 KM1 主電動機正轉(zhuǎn)接觸器 SB4 主電動機反轉(zhuǎn)按鈕 KM2 主電動機反轉(zhuǎn)接觸器 SB5 冷卻泵電動機停轉(zhuǎn)按鈕 KM 短接限流電阻接觸器 SB6 冷卻泵電動機起動按鈕 KM4 冷卻泵電動機起動接觸器 TC 控制變壓器 KM3 快移電動機起動接觸器 FU(1~5) 熔斷器 KA 中間繼電器 FR1 主電動機過載保護熱繼 電器 KT 通電延時時間繼電器 FR2 冷卻泵電動機保護熱繼電器 SQ 快移電動機點動行程開關(guān) R 限流電阻 SA 開關(guān) EL 照明燈 KS 速度繼電器 TA 電流互感器 A 電流表 QS 隔離開關(guān) 第四章 電氣控制原理圖的設計 4．1主回路的設計 如圖1所示，在主電路中，一共有三臺電動機。M1為主軸電動機，帶動主軸旋轉(zhuǎn)和刀架作進給運動；M2為冷卻泵電動機，用來輸送切削液；M3為刀架快速移動電動機。 4．1.1 主電動機正反轉(zhuǎn) 　　KM1與 KM2分別為交流接觸器KM1與KM2的主觸頭。根據(jù)電氣控制基本知識分析可知， KM1主觸頭閉合、KM2主觸頭斷開時，三相交流電源將分別接入電動機的U1、V1、W1三相繞組中，M1主電動機將正轉(zhuǎn)。反之，當KM1主觸頭斷開、KM2主觸頭閉合時，三相交流電源將分別接入M1主電動機的W1、V1、U1三相繞組中，與正轉(zhuǎn)時相比，U1與W1進行了換接，導致主電動機反轉(zhuǎn)。 4．1.2主電動機全壓與減壓狀態(tài) 　　當KM主觸頭斷開時，三相交流電源電流將流經(jīng)限流電阻R而進入電動機繞組，電動機繞組電壓將減小。如果KM3主觸頭閉合，則電源電流不經(jīng)限流電阻而直接接入電動機繞組中，主電動機處于全壓運轉(zhuǎn)狀態(tài)。 　4．1.3　繞組電流監(jiān)控 　　電流表A在電動機M1主電路中起繞組電流監(jiān)視作用，通過TA線圈空套在繞組一相的接線上，當該接線有電流流過時，將產(chǎn)生感應電流，通過這一感應電流間顯示電動機繞組中當前電流值。其控制原理是當KT常閉延時斷開觸頭閉合時，TA產(chǎn)生的感應電流不經(jīng)過A電流表，而一旦KT觸頭斷開，A電流表就可檢測到電動機繞組中的電流。 　4．1.4　電動機轉(zhuǎn)速監(jiān)控 　　KS是和M1主電動機主軸同轉(zhuǎn)安裝的速度繼電器檢測元件，根據(jù)主電動機主軸轉(zhuǎn)速對速度繼電器觸頭的閉合與斷開進行控制。 主軸電動機由熱繼電器FR1作過載保護，熔斷器FU1作短路保護。 4．1.5 冷卻泵電動機電路 冷卻泵電動機M2噴出冷卻液，實現(xiàn)刀具的冷卻，由接觸器KM4控制，熱繼電器FR2作為它的過載保護，熔斷器FU4作短路保護。 4．1.6 快移電動機電路 刀架快速移動電動機M3接觸器KM3控制，由于是點動控制，故不設過載保護,熔斷器FU5作短路保護。 主電路通過TC變壓器與控制線路和照明燈線路建立電聯(lián)系。TC變壓器一次側(cè)接入電壓為380V，二次側(cè)有36V、110V兩種供電電源，其中36V給照明燈線路供電，而110V給車床控制線路供電。FU2作控 制電路短路保護。 圖1 4．2控制回路的設計 　1）主電動機點動控制 按下SB2，KM1線圈通電，根據(jù)原態(tài)支路常斷現(xiàn)象，其余所有線圈均處于斷電狀態(tài)。因此主電路中為KM1主觸頭閉合，由QS隔離開關(guān)引入的三相交流電源將經(jīng)KM1主觸頭、限流電阻接入主電動機M1的三相繞組中，主電動機M1串電阻減壓起動。一旦松開SB2，KM1線圈斷電，電動機M1斷電停轉(zhuǎn)?！　B2是主電動機M2的點動控制按鈕。 　　2）主電動機正轉(zhuǎn)控制 按下SB3，KM線圈通電與KT線圈同時通電，并通過20區(qū)的常開輔助觸頭KM3閉合而使KA線圈通電，KA線圈通電又導致11區(qū)中的KA常開輔助觸頭閉合，使KM1線圈通電。而7~9區(qū)的KM1常開輔助觸頭與KA常開輔助觸頭對SB3形成自鎖。主電路中KM主觸頭與KM1主觸頭閉合，電動機不經(jīng)限流電阻R則全壓正轉(zhuǎn)起動。 繞組電流監(jiān)視電路中，因KT線圈通電后延時開始，但由于延時時間還未到達，所以KT常閉延時斷開觸頭保持閉合，感應電流經(jīng)KT觸頭短路，造成A電流表中沒有電流通過，避免了全壓起動初期繞組電流過大而損壞A電流表。KT線圈延時時間到達時，電動機已接近額定轉(zhuǎn)速，繞組電流監(jiān)視電路中的KT將斷開，感應電流流入A電流表將繞組中電流值顯示在A表上。 　　3）主電動機反轉(zhuǎn)控制 按下SB4，通過6、7、5、6線路導致KM線圈與KT線圈通電，與正轉(zhuǎn)控制相類似，11區(qū)的KA線圈通電，再通過7、8、9使KM2線圈通電。主電路中KM2、KM主觸頭閉合，電動機全壓反轉(zhuǎn)起動。KM1線圈所在支路與KM2線圈所在支路通過KM2與KM1常閉觸頭實現(xiàn)電氣控制互鎖。 　　4）主電動機反接制動控制 正轉(zhuǎn)制動控制 右KS是速度繼電器的正轉(zhuǎn)控制觸頭，當電動機正轉(zhuǎn)起動至接近額定轉(zhuǎn)速時，右KS閉合并保持。制動時按下SB1，控制線路中所有電磁線圈都將斷電，主電路中KM1、KM2、KM主觸頭全部斷開，電動機斷電降速，但由于正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動慣性，需較長時間才能降為零速。 一旦松開SB1，則經(jīng)1、6、右KS、8、9，使KM2線圈通電。主電路中KM2主觸頭閉合，三相電源電流經(jīng)KM2使U1、W1兩相換接，再經(jīng)限流電阻R接入三相繞組中，在電動機轉(zhuǎn)子上形成反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，并與正轉(zhuǎn)的慣性轉(zhuǎn)矩相抵消，電動機迅速停車。在電動機正轉(zhuǎn)起動至額定轉(zhuǎn)速，再從額定轉(zhuǎn)速制動至停車的過程中，右KS反轉(zhuǎn)控制觸頭始終不產(chǎn)生閉合動作，保持常開狀態(tài)。 反轉(zhuǎn)制動控制 左KS在電動機反轉(zhuǎn)起動至接近額定轉(zhuǎn)速時閉合并保持。與正轉(zhuǎn)制動相類似，按下SB1，電動機斷電降速。一旦松開SB1，則經(jīng)1、6、左KS、2、3，使線圈KM1通電，電動機轉(zhuǎn)子上形成正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，并與反轉(zhuǎn)的慣性轉(zhuǎn)矩相抵消使電動機迅速停車。 　5）冷卻泵電動機起?？刂? 按下SB6，線圈KM4通電，并通過KM4常開輔助觸頭對SB6自鎖，主電路中KM4主觸頭閉合，冷卻泵電動機M2轉(zhuǎn)動并保持。按下SB5，KM4線圈斷電，冷卻泵電動機M2停轉(zhuǎn)。 　　6）快移電動機點動控制 行程開關(guān)由車床上的刀架手柄控制。轉(zhuǎn)動刀架手柄，行程開關(guān)SQ將被壓下而閉合，KM3線圈通電。主電路中KM3主觸頭閉合，驅(qū)動刀架快移的電動機M3起動。反向轉(zhuǎn)動刀架手柄復位，SQ行程開關(guān)斷開，則電動機M3斷電停轉(zhuǎn)。 7） 照明電路 燈開關(guān)SA置于閉合位置時，EL燈亮。SA置于斷開位置時，EL燈滅。 4．3車床照明燈與電源指示燈的控制 照明、信號電路分析控制變壓器TC的二次側(cè)分別輸出36V和110V電壓，作為車床低壓照明燈和信號燈的電源。EL作為車床的低壓照明燈由開關(guān)SA控制，HL為電源信號燈。它們由FU3作為短路保護 4．4電氣保護環(huán)節(jié) （1）不要漏接接地線，不能用金屬軟管作為接地的通道。 （2）在控制箱外部進行布線時，導線必須穿在導線通道內(nèi)或敷設在機床底座內(nèi)的導線通道里。所有導線不得有接頭。 （3）在導線通道內(nèi)敷設導線進行接線時，必須作到查出一根導線，套一根線號。 （4）在進行快速進給時，注意將運動部件處于行程的中間位置，以防止運動部件與車頭或尾架相撞。 （5）主軸電動機不能啟動 發(fā)生主軸電動機不能啟動的故障時，首先檢查故障是發(fā)生在主電路還是控制電路，若按下啟動按鈕，接觸器KM1不吸合，此故障則發(fā)生在控制電路，主要應檢查FU2是否熔斷，過載保護FR1是否動作，接觸器KM1的線圈接線端子是否松脫，按鈕SB1、SB2的觸點接觸是否良好。若故障發(fā)生在主電路，應檢查車間配電箱及主電路開關(guān)的熔斷器的熔絲是否熔斷，導線聯(lián)接處是否有松脫現(xiàn)象，KM1主觸點的接觸是否良好。 （6）主軸電動機啟動后不能自鎖 當按下啟動按鈕后，主軸電動機能啟動運轉(zhuǎn)，但松開啟動按鈕后，主軸電動機也隨之停止。造成這種故障的原因是接觸器KM1的自鎖觸點的聯(lián)接導線松脫或接觸不良。 （7）主軸電動機不能停止 造成這種故障的原因多數(shù)為KM1的主觸點發(fā)生熔焊或停止按鈕擊穿所致。 （8）電源總開關(guān)合不上 電源總開關(guān)合不上的原因有兩個，一是電氣箱子蓋沒有蓋好，以致SQ2（1-11）行程開關(guān)被壓下；二是鑰匙電源開關(guān)SA2沒有右旋到SA2斷開的位置。 （9）指示燈亮但各電動機均不能啟動 造成這種故障的主要原因是FU3的熔體斷開，或掛輪架的皮帶罩沒有罩好，行程開關(guān)SQ斷開。 4．5 機電設備的電氣位置圖 4．6 電氣接線圖 結(jié)束語 此設計，在“電器與可編程控制器的應用技術(shù)”這門的基礎上，對電動機的各種起動，制動，調(diào)速方法所對應的控制線路進行分析，研究。同時也對電氣控制，典型機床和重機械控制線路進行詳細的分析和講解。期間，我們認識了各種電器元件及其作用（繼電器、熔斷器、主令開關(guān)、接觸器等等）。這次課程設計，讓我們有很多的機會實際運用一下所學的知識，運用AutoCAD繪制電氣原理圖、安裝接線圖、位置布置圖以及對電路的分析，在這個過程中提高了我們的額動手能力及解決實際問題能力。 通過在學校的學習和前幾次的課程設計以及之前的兼職工作（運用CAD繪圖）、以及通過的老師的講解和自己的學習，對這方面的知識，使我對電器控制有了更深的了解和增添了對這次運用CAD課程設計的信心。在此非常感謝輔導及教育我們的老師！ 參考書目： 《機械設計課程設計手冊》，第三版，高等教育出版社，吳宗澤主編。 《電器與可編程控制器應用技術(shù)》，第三版，機械工業(yè)出版社，鄧則名主編。