卧式车床电气控制系统设计.doc

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1、 卧式车床电气控制系统一、 任务书 1、设备简介 车床是机床中应用最广泛的一种，它可以用于切削各种工件的外圆、内孔、端面及螺纹。车 床在加工工件时，随着工件材料和材质的不同，应选择合适的主轴转速及进给速度。但目前中小型车床多采用不变速的异步电动机拖动，它的变速是靠齿轮箱的有级调速来实现的，所以它的控制电路比较简单。为满足加工的需要，主轴的旋转运动有时需要正转或反转，这个要求一般是通过改变主轴电动机的转向或采用离合器来实现的。进给运动多半是把主轴运动分出一部分动力，通过挂轮箱传给进给箱来实现刀具的进给。有的为了提高效率，刀架的快速运动由一台进给电动机单独拖动。车床一般都设有交流电动机拖动的冷却泵

2、来实现刀具切削时冷却。有的还专设一台润滑泵对系统进行润滑。2控制要求(1) 主要控制电器为三台电机：主电动机、冷却泵电机、快速移动电机。三台电机都要有短路保护措施。主电动机和冷却泵电机采用热继电器进行过载保护主电动机要采用降压起动方式起动主电动机要求能够正反转控制，并且有点动调整控制和长动控制，采用反接制动主回路负载的电流大小能够监控，但要防止启动电流对电流表产生冲击。机床要有照明设施表 1 车床控制系统信号说明 符 号 名 称 及 用 途 符 号 名 称 及 用 途 QF 断路器作电源引入及短路保护用 FR1 热继电器，主电动机过载保护用 FU1FU2 熔断器作短路保护 FR2 热继电器，

3、冷却泵电动机过载保护用 M l 主电动机 KM3 接触器，主电动机正向起动、停止用 M2 冷却泵电动机 KM4 接触器，主电动机反向起动、停止用 M3 快速电动机 KM接触器，主电动机型连接，降压启动用 SBlSB4 主电动机起、停、点动按钮 KMY 接触器，主电动机丫型连接，降压启动用SB5SB6 冷却泵电动机起停按钮 KM1接触器，冷却泵电动机起动、停止用SQ限位开关，快速移动电动机控制 KM2 接触器，快速电动机起动、停止用 HLl 主电动机起停指示灯 TC 控制与照明变压器 HL2 电源接通指示灯 SA机床照明灯开关HL 机床照明灯3设计任务1) 根据控制要求，进行卧式车床电气控制系统

4、硬件电路设计，包括主电路、控制电路及PLC硬件配置电路。2) 根据控制要求，编制卧式车床控制PLC应用程序。3) 编写设计说明书，内容包括： 设计过程和有关说明。 基于PLC的卧式车床电气控制系统电路图。 PLC控制程序（梯形图和指令表）。 电器元器件的选择和有关计算。 电气设备明细表。 参考资料、参考书及参考手册。 其他需要说明的问题，例如操作说明书、程序的调试过程、遇到的问题及解决方法、对课程设计的认识和建议等。二、 卧式车床电气控制系统总体设计过程 1、主电路原理图 图1为卧式车床的主电路图。断路器QF将三相电源引入，FU1为主电动机M1的短路保护用熔断器，FR1为M1电动机过载保护用热

5、继电器。通过互感器TA接入电流表A以监视主电动机绕组的电流。熔断器FU2为M2、M3电动机的短路保护，接触器KM1、KM2为M2、M3电动机启动用接触器。FR2为M2电动机的过载保护，因为快速电动机M3短时工作，所以不设计过载保护。 2、交流控制电路原理图 主电动机的点动调整控制 图2为点动环节的控制电路原理图。电路中KM3为M1电动机的正转接触器，KM和KM丫为M1电动机的降压启动接触器，KA为中间继电器。M1电动机的点动由点动按钮SB6控制。按下按钮SB6，接触器KM3得电吸合，它的主触电闭合，电动机的定子绕组先接成星形，启动后期接成三角形，电动机在较低电压下起动，减少了启动电流对电网的影

6、响。 主电动机的正反转控制电路 图3为主电动机正反转控制电路。主电动机正转由正向起动按钮SB1控制。按下SB1时，中间继电器KA首先得电动作，它的辅助触点闭合，接触器KM3线圈得电动作，接触器KM3线圈的主辅触点得电吸合，KM3的主触点将三相电源接通,。同时，时间继电器KT及接触器KM丫线圈得电，其常开主触点闭合，电动机M1在星形连接下运行。KM丫的常闭辅助触点断开，保证了接触器KM不得电。时间继电器KT的常开触点延时闭合；常闭触点延时断开，切断KM丫线圈电源，其主触点断开而常闭辅助触点闭合。接触点KM线圈得电，其主触点闭合，使电动机M1由星形连接切换为三角形运行。电动机M1得以实现降压起动。

7、KM3的动合触点和KA的动合触点的闭合将KM3线圈自锁。反转起动时用反向启动按钮SB2，按下SB2，同样是中间继电器KA得电，然后接通接触器KM4、KT、KM和KM丫，于是电动机在降压下反转起动。KM3的动断辅助触点，KM4的动断辅助触点分别串在对方接触器线圈的回路中，起到了电动机正转与反转的电气互锁作用。 主电动机的反接制动控制 图4是某卧式车床正反转与反接制动的控制电路图。该卧式车床采用了反接制动方式。当电动机的转速接近零时，用速度继电器的触点给出信号切断电动机的电源。速度继电器与被控电动机是同轴连接的，当电动机正转时，速度继电器的正转常开触电KS1闭合；电动机反转时，速度继电器的反转动合

8、触点KS2闭合。当电动机正向旋转时，接触器KM3和KM，继电器KA都处于得电工作状态，速度继电器的正转动合触点KS1也是闭合的，这样就为电动机正转时的反接制动做好了准备。需要停车时，按下停止按钮SB4，接触器KM失电，其主触电断开。与此同时接触器KM3也失电，断开了电动机的电源，KA失电，KA的动断触点闭合。在松开SB4后就使反转接触器KM4的线圈得电，电动机的电源反接，电动机处于反接制动状态。当电动机的转速下降到速度继电器的复位转速时，速度继电器KS的正转动合触点KS1断开，切断了接触器KM4的通电回路，电动机脱离电源停止。电动机的反接时的制动与正转时的制动相似。当电动机反转时，速度继电器的

9、反转动合触点KS2是闭合的，这是按一下停止按钮SB4，在SB4松开后正转接触器KM3线圈得电吸合，将电源反接使电动机制动后停止。 刀架的快速移动和冷却泵的控制 刀架的快速移动是由转动刀架手柄压动限位开关SQ来实现的。当手柄压动SQ后，接触器KM2得电吸合，M3电动机转动带动刀架快速移动。M2为冷却泵电动机，它的起动与停止是通过按钮SB3和SB5控制的。 3、 辅助电路分析 照明电路和控制电源分析 TC为多绕组变压器，二次侧有两路，一路为110V，为控制电路提供电源；而另一路为36V（安全电压），供照明电路照明，SA为控制照明电路的开关，SA闭合时照明灯EL点亮，断开则熄灭。 电流表保护电路分析

10、监视主回路负载的电流表是通过电流互感接入的。为防止电动机起动电流对电流表的冲击，电路中采用一个时间继电器KT。当起动时，KT线圈通电，而KT的延时断开的动断触点尚未动作，电流互感器二次电流只流经该触点构成闭合回路，电流表没有电流流过。起动后，KT延时断开的动断触点打开，此时电流流经电流表，反映出负载电流的大小。表2 为电气元件符号及功能说明表。表2 电气元件符号及功能说明序号名称及用途序号名称及用途M1主电动机SB1主电动机正向启动按钮M2冷却泵电动机SB2主电动机反向启动按钮M3快速移动电动机SB3冷却泵电动机启动按钮KM、KMY电动机三角形和星形连接SB4总停按钮KM1冷却泵电动机启动接触

11、器SB5冷却泵电动机停止按钮KM2快移电动机启动接触器SB6主电动机正向点动按钮KM3主电动机正转接触器TC控制变压器KM4主电动机反转接触器FU15熔断器KA中间继电器FR1主电机过载保护热继电器KT通电延时时间继电器FR2冷却泵电机保护热继电器SQ快移电动机点动行程开关R限流电阻SA开关EL照明灯KS速度继电器TA电流互感器A电流表QF低压断路器 三 、元器件的选择 1、 电动机选择 本次设计使用PLC控制系统取代传统继电器控制系统的逻辑控制线路部分，其余基本无变化。电动机亦保留原有主轴电机、冷却泵电机、快进电机，详见下表。表3 主轴电机、快进电机、冷却泵电机参数表参数主轴电机冷却泵电机快

12、进电机型 号Y255M-6Y2-631-2Y90L-2额定电压AC 380V 50HzAC 380V 50HzAC 380V 50Hz额定电流（A）59.50.354.8额定功率（KW）300.182.2额定转速98027302840功率因数0.850.80.86绝缘等级BEE 2、交流接触器的选择 交流接触器是一种频繁应用于工业电气控制，并用按钮或其他方式来控制其通断的自动切换电器。在功能上除了能自动切换外，还具有刀开关类手动开关所不能实现的远距离操作功能和失压（或欠压）保护功能。其生产方便，价格低廉，应用十分广泛。交流接触器由电磁机构，触点系统、灭弧系统、释放弹簧机构、辅助触点及基座等部分

13、组成。其原理是当接触器的电磁线圈通入交流电时，会产生很强的磁场使装在线圈中心的静衔铁吸动动衔铁，当两组衔铁合拢时，安装在动衔铁上的动触点也随之与静触点闭合，使电气线路接通。当断开电磁线圈中的电流时，磁场消失，接触器在弹簧的作用下恢复到断开的状态 。 在工业电气中，常用交流接触器的型号有CJX8(B系列)CJ12、CJ20、CJT1(CJ10)、CJX1(3TB、3TF系列)、CJ40、SMC等系列产品。在这次控制系统硬件的设计中，采用了CJ20系列的交流接触器，其额定电流应在控制电流的11.4倍之间, 在此控制主轴电机的KM3、KM4、KM，选取交流接触器型号为：CJ2063，线圈电压220V

14、控制冷却泵电机KM1和控制快进电机的KM2选取交流接触器型号为：CJ2010，线圈电压220V。 3、 中间继电器的选择 中间继电器用于继电保护与自动控制系统中，以增加触点的数量及容量。 它用于在控制电路中传递中间信号。中间继电器的结构和原理与交流接触器基本相同，与接触器的主要区别在于：接触器的主触头可以通过大电流，而中间继电器的触头只能通过小电流。所以，它只能用于控制电路中。它一般是没有主触点的，因为过载能力比较小。所以它用的全部都是辅助触头，数量比较多。新国标对中间继电器的定义是K，老国标是KA。常用的中间继电器型号有JZ7、JZ14等。本次设计选择的中间继电器型号为JZ7-44。 4、

15、 保护电器的选择 （1）熔断器 熔断器在电路中主要作短路保护和严重过载保护，用于保护线路。熔断器的熔体串接于被保护的电路中，当通过它的电流小于规定值时，其熔体相当于一根导线，起电气连接作用；当通过它的电流超过规定值（电路发生严重过载或短路时）一定时间后，其熔体自动熔断并切断电路，从而起到保护作用。一般电气控制线路中常用螺旋式熔断器，其常用的产品有RL5、RL6、RL7和RL8系列产品，一般选择熔体熔断电流应为电机额定电流的1.52.5倍。则主轴电机电路熔断器选取型号为:RL1-100/100.冷却泵电机电路、快进电机电路熔断器选取型号分别为：RL1-15/2、RL1-15/6.控制电路选取型号

16、RL1-15/2。（2）热继电器 热继电器是利用电流热效应原理来工作的保护电器，具有与电动机容许过载特性相近的反时限保护特性。主要用于电动机的过载保护、断相及电流不平衡运行保护。也常与接触器配合成电池启动器。三相异步电动机在实际运行中，常会遇到因电气或机械原因等引起的过电流(过载和断相)现象，如果过电流不严重，持续时间短，绕组不超过允许温升，这种过电流是允许；如果过电流情况严重，持续时间较长，则会加快电动机绝缘老化，甚至会烧毁电动机，因此，在电动机回路中应设置热继电器保护。选型原则：应根据被保护对象的使用条件、工作环境、启动情况、负载性质，电动机的形式以及电动机允许的过载能力等加以考虑。一般原

17、则是使热继电器的安秒特性位于电动机的过载特性之下，并尽可能地接近，以充分发挥电动机的过载能力，同时使电动机在短时过载和启动瞬间(56)Ie不受影响。通常热继电器选取的额定电流应为大于或等于电动机额定电流。整定电流一般为电动机额定电流的1.051.1倍。主轴电机电路热继电器选取型号为：JR36-63,整定电流为：60A；冷却泵电路热继电器选取型号为：JR36-20，整定电流为：0.36A。 5、控制开关电器的选择 1、转换开关 转换开关又称组合开关，一般用于电气设备中非频繁的通断电路、换接电源和负载、测量三相电压以及直接控制小容量感应电动机的运行状态。转换开关由动触头（动触片）、静触头（静触片）

18、转轴、手柄、定位机构及外壳等部分组成。其动静触头分别叠装于数层绝缘壳内，当转换手柄时，每层的动触片随方形转轴一起转动。一般选取的原则为允许通过的电流大于或等于电路的额定电流，按此选择转换开关。常用的产品有：HZ5、HZ10和HZ15等系列。本次设计选取HZ10-100/3。2、按钮开关盒 按钮开关（简称按钮）又称控制按钮，是一种接通或断开小电流电路的手动开关电器，一般不直接去控制主电路的通断，而在控制电路中发出启动或停止“命令”以远距离控制接触器、继电器、电磁启动器等电器线圈电流的接通或断开，再由它们去控制主电路。目前常用的按钮开关盒为LA4系列产品，本次设计选择的按钮开关型号为LA4-3H

19、 6、速度继电器选择 速度继电器是当转速达到规定值时触头动作的继电器。主要用于电动机反接制动控制电路中，当反接制动的转速下降到接近零时能自动地及时切断电源。速度继电器的结构如下图所示。1转子2电动机轴3定子4笼型绕组5定子柄6动触头7反力弹簧8静触头 速度继电器结构图转子是一块固定在轴上的永久磁铁。浮动的定子与转子同心，而且能独自偏摆，定子由硅钢片叠成，并装有笼型绕组。速度继电器的轴与电动机轴相连，电动机旋转时，转子随之一起转动，形成旋转磁场。笼型绕组切割磁力线而产生感应电流，该电流与旋转磁场作用产生电磁转矩，使定子随转子向转子的转动方向偏摆，定子柄推动相应触头动作。定子柄推动触头的同时，也

20、压缩反力弹簧，其反作用阻止定子继续转动。当转子的转速下降到一定数值时，电磁转矩小于反力弹簧的反作用力矩，定子返回原来位置，对应的触头恢复原始状态。调整反力弹簧的拉力即可改变触头动作的转速。 机床上常用的速度继电器有JY1型、JFZ0型两种。一般速度继电器的动作转速为120r/min，触头复位转速为100r/min以下。本次设计选择的速度继电器型号为JY1型速度继电器500V、2A。四、PLC控制电路设计 1、主电动机控制流程图 2、 车床控制PLC输入/输出接口分配表表4 I/O接口分配表序号名称符号输入端子序号名称符号输出端子1主电机反向点动启动按钮SB7X014控制照明灯HLY02照明电路

21、开关SAX115主电动机正转接触器KM3Y13主电动机正向启动按钮SB1X216主电动机反转接触器KM4Y24总停止按钮SB4X317主电机三角形连接接触器KMY35主电动机过载保护FR1X418主电动机星形连接接触器KMYY46主电机正向点动启动按钮SB6X519冷却泵电机接触器KM1Y57速度继电器正转触点KS1X620快移电动机接触器KM2Y68主电动机反向启动按钮SB2X721时间继电器KTY79速度继电器反转触点KS2X1022主电动机起停指示灯HL1Y1010冷却泵启动按钮SB3X1123主电动机接通指示灯HL2Y1111冷却泵停止按钮SB5X1212行程开关SQX1313冷却泵电

22、机过载保护FR2X14 3、 PLC控制原理电路设计由表4 I/O 口分配表可以知道，输入部分：按钮SB4为整个控制系统的停止开关；按钮SB1、SB2及SB6分别控制主轴电机M1的正反转及点动控制；按钮SB3、SB5分别控制冷却泵电机的M2启动与停止；按钮SA控制HL的照明与熄灭；行程开关SQ控制快进电机的点动；热继电器常闭开关FR1，FR2分别为M1、M2的过载保护；速度继电器KS1、KS2分别辅助主轴电机M1的正反转制动。输出部分：KM3、KM4接触器分别控制主轴电机M1的正反转；KM和KMY线圈接触器控制主轴电机M1的降压启动运行；KM1、KM2接触器分别控制冷却泵电机M2、快进电机M3

23、的运行；HL为车床照明。下图为，PLC的输入、输出I/O电气接线图，如图5。4、 梯形图的设计 由5 设计的各个部分梯形图汇总设计可以得到完整的卧式车床的梯形图，该梯形图能完成主电动机M1的点动正转、M1的正转、M1的反转、M1的反接制动，以及M2的起动、M2的停止、M3的起动，以及电流表的正常检测，图 4为卧式车床的梯形图。12 (1) 机床工作指示灯开关控制的梯形图设计 机床工作指示灯EL由SA控制指示灯的开关，对应的I/O接口分别为X1，并由Y0作为输出。 （2）电动机M1正、反转控制梯形图的设计 电动机M1由接触器KM、KMY、KM3、KM4控制，PLC中控制KM、KMY、KM3、KM

24、4的输出继电器分别为Y3、Y4、Y1、Y2。 在第Y1、Y2线圈电路中，分别串Y2、Y1的动断触点，线圈Y0， Y1实现互锁使电动机无法在正转过程中直接切换为反转或直接在反转过程中直接切换为正转；在线路中都串如了中间继电器KA，并用中间继电器KA对启动按钮进行自锁。使无论正反转电动机M1都是采用降压空载直接启动。在线路中也都使用了X3（SB4）总停按钮，使主电动机M1无论是在正传过程中还是在反转过程中都能过停下来。这样得到电动机正、反转控制梯形图如图所示。M1正反转控制的转换是由接触器KM3和KM4的主触点控制的，在主电机M1通电正转时，线路上面串联的常闭触点打开，所以此时无法直接切换完成电机

25、的反转，此时若想切换电机的转向必须先按下SB4（X3）总停车按钮，在按下反转启动按钮SB2（X0）完成电机的转向切换。同理在主电机M1通电反转时在线路上面串联的常闭触点打开，此时无法直接切换电机的转向，若想切换电机的转向必须先按下SB4（X3）总停车按钮，在按下正转启动按钮SB1（X2）完成电机的转向切换。 （3） 电动机M1正转点动控制的设计 主电动机M1的正转点动控制是由按钮SB6对应的X5控制的，由于是点动运行所以不能对X5产生自锁现象，为了保护电机的运行所以将热继电器FR1、总停车按钮X3与主电机Y1串联在一起，如图所示。 (4) 电动机M1的正、反转运行的反接制动的设计由于电动机的转

26、速过高，在切断电源之后如果使其正常停止花费的时间太长，使机床无法也充分使用，为了使主电机能够快速停下来创造更高的经济效益，在本次毕业设计中添加了速度继电器。将其与主电动机同轴连接，在电机断电后起制动作用。当主电动机M1正转时，速度继电器的正转常开触点KS1闭合；主电动机反转时，速度继电器的反转动合触点KS2闭合。转速低于120r/min时速度继电器的动合触点断开使电机自然停车。例如：要使主电动机M1快速停车，在电机正传运行时按下SB4（X3）所用元器件全部恢复到最初状态。梯形图中在线路中的中间继电器由于断电恢复到原来状态由原来的断开变为闭合状态，由于主电机M1是在高速正转所以速度继电器正转常开

27、触点KS1（X6）此时处于闭合状态，而反转动合触点KS2（X10）处于断开状态，并且此时Y1与Y3均已失电，处于导通状态，故在线路中使主电动机M1反转接触器KM3（Y1）得电，从而主电动机M1开始产生反转制动的力，当主电动机M1的正转速度低于120r/min时，速度继电器的正转常开触点KS1（X6）断开，使失电，此时反转制动力消失，主电机开始从120r/min的转速自然停下来，这样就用速度继电器完成了反接制动，使主电机快速的停了下来，如图5-7所示。主电动机M1反转时，反接制动的方法与正转时的制动方法类似，不同的是采用KS2（X10）来控制。(5) 快速移动电动机的控制设计快速移动电机为小容量

28、电机采用直接启动点动控制方式，用限位开关SQ（X13）作为点动按钮来完成快速移动电机的点动控制，如图所示。 (6) 冷却泵电动机的控制设计冷却泵电动机为一长动电机所以在梯形图中添加有自锁，并为其设有热继电器FR2做过载保护，设置的启动按钮为SB3，停车按钮为SB5如图所示。 (7) 梯形图中的其它控制设计监视主回路负载的电流表延时控制，由于电动机的直接起动瞬间电流过大，如果直接进行电流的检测必定对电流表造成极大的负面影响。为了时电流表正常工作在梯形图中使用延时器设定在主电机通电5S后开始检测主回路中电流，如图所示。 5、 卧式车床指令表 0 LD X001 1 = Y000 2 LDN X00

29、3 3 AN X004 4 A X005 5 LD X002 6 O Y001 7 A Y010 8 LDN Y010 9 A X010 10 OLD 11 AN Y002 12 = Y001 13 AN Y003 14 = Y007 15 AN X007 16 = Y004 17 LD Y010 18 = Y010 19 LD X000 20 O X007 21 O Y002 22 A Y010 23 LDN Y010 24 A X006 25 OLD 26 AN Y001 27 = Y002 28 AN Y004 29 = Y007 30 AN Y007 31 = Y003 32 LD X

30、014 33 AN X012 34 A X010 35 O Y005 36 = Y005 37 LD X013 38 = Y006 39 END五、 总结及参考文献 通过这次课程设计使我收获不少,在系统全面总结以前所学知识的同时,又学到了新的知识。不仅锻炼了思考能力，也提高了总结、归纳、综合运用的能力，是毕业前对所学的知识的回顾和检验。无论是基础知识方面还是软件应用，绘图方面都有提高，对可编程控制器有了更深一步的理解。 车床是一种应用极为广泛的金属切削机床，能够车削外圆、内圆、端面、螺纹和定型表面，并可以通过尾架进行钻孔、铰孔、攻螺纹。采用传统的继电器接触器控制，其技术落后, 可靠性差,工作效

31、率低,故障诊断和排除困难,已严重制约了企业的生产效率，而可编程控制器是在继电器控制和计算机控制基础上开发的工业自动化控制装置,是一种数字运算操作的电子系统,专门为在工业环境下应用设计的,它具有可靠性高、设计施工周期短、维修方便,价格也很便宜等优点。因而用PLC改造其继电器-接触器成了一种必然的选择。本设计主要是用程序的设计来实现其传统的继电器-接触器线路，以实现车床的各项控制要求。详细介绍了电动机的正反转控制、电动机的正转点动控制及其反接制动控制、电动机的正反转运行的反接制动控制等的设计。并分析了其工作过程。用文字、图表、动作的顺序的标示的形式展现出来，增加了可读性。最后对程序进行了调试，通过

32、调试的结果证明，此程序是可行的。参考文献1 方承远.工厂电气控制技术.M北京：机械工业出版社，20032 史国生.控制与可编程控制器技术.M北京：化学工业出版社，20053 廖常初.可程控制器的编程方法与工程应用.M重庆：重庆大学出版社，20014 江志锋.编程控制器原理与应用.M西安：西安电子科技大学出版社，20045 丁炜.编程控制器在工业控制中的应用.M杭州：化学工业出版社，20046 郑凤翼.郑丹丹.赵春江. 图解PLC控制系统梯形图和语句表.M北京：人民邮电出版社，20067 张运刚.宋小春.郭武强.从入门到精通-三菱FX2N PLC技术与应用.M 北京：人民邮电出版社，20078 漆汉宏.PLC电气控制技术. M北京：机械工业出版社，2006 目录一、 任务书 1、 设备简介 2、 控制要求 3、 设计任务二、 总体设计 1、 主电路原理图 2、 交流控制电路原理图 3、 辅助电路分析三、 元器件的选择 1、 电动机的选择 2、 交流接触器的选择 3、 中间继电器的选择 4、 保护电器的选择 5、 控制开关电器的选择 6、速度继电器的选择四、 PLC控制电器设计 1、 主电动机控制流程图 2、 车床控制PLC输入/输出接口分配表 3、 PLC控制原理电路设计 4、 梯形图设计 5、 指令表五、 总结及其参考文献