机床电气控制技术课程设计报告-一台普通卧式车床的PLC控制系统设计.doc

机床电气控制技术课程设计报告设计课题: 一台普通卧式车床的plc控制系统设计 姓 名: 学 院: 经 济 技 术 学 院 专 业: 机 械 设 计 制 造 及 其 自 动 化 班 级: 四 班 学 号: 日 期 2015年6月22日2015年6月28日 指导教师: 目录一、设计要求二、普通卧式车床控制简介1 plc控制线路设计2. 电气控制线路特点三、系统的硬件设计1. 确定电动机2. 控制要求3. 确定i/o设备4. plc的选择5. 分配i/o6电器元件选择四、plc对普通卧式车床的工作原理1. 主电动机正反转控制2. 主电动机电动控制3. 主电动机电动停止和反接制动4. 主电动机反接制动5. 主电路工作电流监视6. 冷却及快速电动机控制五、卧式车床电气控制主回路图六、安装般电器元件平面布置七、控制面板按钮、行程开关平面布置图八、车床控制系统plc外部接线图九、车床控制系统plc梯形图十、 电器元件一览表十一、参考文献一 设计要求一主要参数和拖动控制要求：1、 最大车削工件外圆直径为450mm。2、 要求主拖动电动机直接起动，点动串电阻，正反转动。3、 要求切削时提供冷却液。4、 刀架可以有电动机拖动快速移动。5、 必要的照明、信号指示。一普通卧式车床控制简介一 、plc控制线路设计1. 主电路设计 根据设计要求，需要使用三个电动机m1、m2、m3。机床的三相电源由电源引入开关q引入。主电动机m1的过载保护，由热继电器fr1实现，它的短路保护可由机床的前一级配电箱中的熔断器充任。冷却泵电动机m2的过载保护，由热继电器fr4实现。快速移动电动机m3由于是短时工作，不设过载保护。电动机m2、m3设有短路保护熔断器fu5。2. 控制电路设计考虑到操作方便，主电动机m1可在操作板上和刀架上分别设起动和停止按钮sb1、sb2、sb3、sb4进行操纵，接触器与控制按钮组成自锁的起停控制电路。冷却泵电动机m2由sb5、sb6进行起停操作，装在操作板上。快速电动机m3工作时间短，为了操作灵活由按钮sb7与接触器组成点动控制电路。3. 信号指示与照明电路设计可设电源指示灯hl2（绿色），在电源开关q接通后，立即发光显示，表示机床电气线路已处于供电状态；设指示灯hl1（红色）表示主电动机运行。这两个指示灯可由接触器的动合和动断两对辅助触点进行切换通电显示。在操作面板上设有交流电流表a，它串联在电动机主回路中，用以指示机床的工作电流。这样可根据电动机工作情况调整切削用量使主电动机尽量满载运行，提高生产率，并能提高电动机功率因数。设照明灯hl为安全照明（36v安全电压）。4. 控制电路电源。考虑安全可靠及满足照明指示灯的要求，控制线路的电压为127v，照明电压为36v，指示灯电压为6.3v。二 、电气控制线路的特点（1）主轴正反转用正反向接触器进行控制（2）主电机不经常启动，所以采用直接启动（3）为了对刀和工件进行调整，主轴电动机控制线路设置有电动环节（4）为了调高工作效率，主轴电动机采用反接制动，在反接制动时，为减小制动电流，定子回路串入限流电阻r，在点动时，r叶串入定子回路，防止频繁点动时使主电动机过热（5）未检测主轴电动机定子大电流，通过电流互感器介入电流表。为防止主轴电动机的启动电流以及反接制动电流对电流表造成冲击，在主轴电动机启动和反接制动时，与电流表并联一个时间继电器的通电延时打开的常闭触电（6）加工螺纹时，为了保证工件的旋转速度与刀具的进给速度间的严格传动比关系，刀架的进给运动也由主轴电动机拖动（7）为了减轻工人的劳动强度和节省辅助工时，专门设计了一台2.2kw的电动机拖动溜板箱快速运动（8）加工时为了防止刀具和工件的温度过高，用一台电动机驱动的冷却泵供给切削液实现冷却。冷却泵电动机在主轴电动机开动后方可起动旋转。 二. 系统硬件设计一 确定电动机 我国机床制造厂对不同类型机床目前采用的主电动机容量的统计分析公式如下：车 床：p = 36.5 d1.54 单位为 kw。 （4-1）d 车削最大工件直径 单位为 m 。立式车床： p = 20 d0.88 单位为kw。 （4-2）d 车削最大工件直径 单位为 m 。摇臂钻床：p = 0.0646 d1.10 单位为 kw。 （4-3）d 最大钻孔直径 单位为 mm 。卧式镗床：p = 0.004 d1.7 单位为 kw。 （4-4）d 镗杆直径 单位为 mm 。 龙门刨床：p = d1.16 /1.66 单位为 kw。 （4-5） b 工作台宽度 单位为 mm 。按上式结果，选用稍大于或等于计算值的标准容量电动机。根据上式4-1和设计要求可算出p=10.7kw。查表得可选电动机p=11kw。对于机床，当主运动和进给运动由同一电动机驱动时，可依主运动电动机功率选择。若进给运动由单独电动机并驱动快速移动时，电动机功率由快速移动来选择，而快速移动所需要的功率，一般由经验数据来选择。下表列出了其经验数据值。机 床 型 号运动部件移动速度值（v/min）所需电动机功率值(kw) dm= 400mm普通车床dm= 600mm dm= 1000mm溜 板6946340.61.00.81.23.2根据上表和y系列三相异步电动机技术表选进给电动机容量p=2.2kw,冷却电动机所需容量很小故选容量1.5kw。二 深入了解和分析被控对象的工艺条件和控制要求 a被控对象就是受控的机械、电气设备、生产线或生产过程。 b控制要求主要指控制的基本方式、应完成的动作、自动工作循环的组成、必要的保护和联锁等。对较复杂的控制任务分成几个独立的部分，有利于编成和测试。三 确定i/o设备根据被控对象对plc控制系统的功能要求，确定系统所需的用户输入设备、输出设备。常用的输入设备有按钮、选择开关、行程开关、传感器等，常用的输出设备有继电器、接触器、指示灯、电磁阀等。四 选择合适的plc类型plc类型，包括机型容量的选择、i/o模块的选择、电源模块的选择等，从对产品的熟程度及产品本身的可靠性及改造的要求，我们选择三菱系列的产品。（1）输入输出(i/0)点数的估算i/o点数的确定应以控制设备所需的所有输入/输出点数总和为依据。在一般情况下，plc 的i/o点应该有适当的余量。通常根据统计的输入输出点数，再增加10%20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。根据设计该普通卧式车床所需的输入点数为：14点；所需的输出点数为10点；所需i/o点数一共需要：24点 卧式车床的plc的i/o的端口分配输入端口输出端口i0.0sb3变频器和主轴电动机停止按钮q0.0主轴电动机交流接触器kmi0.1sb4变频器和主轴电动机启动按钮q0.1 冷却泵继电器ka1i0.2sa4冷却泵电动机启停开关q0.2刀架快移电动机继电器ka2i0.3sb5刀架快移电动机电动按钮q0.3未用i0.4 bc变频器异常检测 q0.4plc电源指示灯i0.5 fr1主轴电动机过载保护检测q0.5 故障指示灯hl3i0.6 fr2冷却泵过载检测保护q0.6故障指示灯hl4i0.7 km主轴接触器检测q0.7未用i1.0 ka1冷却泵继电器检测q1.0 未用i1.1 ka2刀架快移继电器检测q1.1 未用i1.2未用i1.3未用 i1.4 未用 i1.5 未用（2）plc存储器容量的估算程序容量是存储器中用户程序所使用的存储单元的大小，因此存储器容量应大于程序容量。容量的计算大体上是按数字量i/o点数的1015倍，加上模拟i/o点数的100倍，以此数为内存的总字数(16位为一个字)，另外再按此数的25%考虑余量。该plc有24点且为数字量，则所需的存储容量估算为：24*15*（1+25%）=450 （字）450*16/1024=7.3kb 取整： 8kb（3）lc通讯功能的选择该plc需要满足的通讯功能没有特殊的要求。（4）电源的选择根据我国的电网用电实用标准，我们选择电源为ac220的plc（5）plc机型的选择plc的类型：plc按结构分为整体型和模块型两类;整体型plc的i/0点数较少且相对固定，因此用户选择的余地较小，通常用于小型控制系统。在这里，根据控制系统的要求，与以上分析与计算，我们选择三菱fr系列的整体型plc，型号为：fr-e740-11k 输入点： 24，24 继电器输出五 分配i/o一般输入点和输入信号，输出点和控制信号是一一对应的。分配好后，按系统分配的通道和接点号，分配给每一个输入输出信号，即进行编号。在个别情况下也有两个信号用一个输入点的那样就应在接入输入点前，岸逻辑关系接好线（如两个接点先串联或并联），然后在接入输入点。六 选择电气元件1. 电源引入开关q。q主要作为电源隔离开关用，并不用它来直接启停电动机，可按电动机额定电流来选。中、小型机床常用组合开关，选用hz10-25/3型，额定电流为25a，为三极组合开关。2. 热继电器fr1、fr2。主电动机m1额定电流为23a，fr1应选用jr040型热继电器，热元件电流为25a，整定电流调节范围为1625a，工作时将额定电流调整为23a。同理，fr2应选用jr10-10型热继电器，选用1号元件，整定电流调节范围是0.400.64a，整定在0.43a。3. 熔断器fu1、fu2、fu3。fu1是对m1电动机进行保护的熔断器，其熔体电流为可选用rl1-15型熔断器，配10a的熔体。fu2、fu3、 fu4、fu5选用rl1-15型熔断器，配2a的熔体。4. 接触器km1、km2、km3、km4、km5。接触器km1、km2、km3，根据主电动机1m的额定电流in=23a，控制回路电源为127v，需主触点三对，动合辅助触点两对，动断辅助触点一对等情况，选用cj10-40型接触器，电磁线圈电压为127v。由于m2、m3电动机额定电流很小，km4、km5可选用jz7-44型交流中间继电器，其线圈电压为127v，触点电流为5a，可完全满足要求，对小容量的电动机常用中间继电器充任接触器。三. plc对普通卧式车床的工作原理一、主电动机正反转控制 1.正转控制 按下主电机正转按钮sb2，第6支路x2闭合，由于x3、m102均未动作，所以m101通电并通过第7支路的m101自锁。引起以下3个结果：第8支路m101闭合，t1开始0.5s计时；第12支路m101辅助常闭触头断开，使反转起动辅助继电器m102断电，实现正转与反转的互锁。 第17支路的m101闭合，y2通电，主电路中km3吸合，使串电阻r短接。 当第8支路t1延时0.5s到达后，导致第9支路t1闭合，因第9支路的y1处于闭合状态，所以y0通电；敬第15支路的y0断开，主电路中主触头km1闭合。电动机m1正向起动运行。 2.t1的延时作用 t1延时0.5s确保了主电路中km3先吸合，使串电阻r短接，然后再接通m1正转控制主触头km1；否则，接触器km1、km3接通的指令几乎同时从plc控制软件中发出，可能导致km1先接通、km3后接通，串电阻r不能先短接。 电动机m1起动后，转速上升，当转速升至100r/min时，速度继电器的正转触头ks1闭合，第22支路的x11闭合，为正转反接制动作好准备。 3.反转控制及t2延时 按下sb3，电动机m1将反向起动运行，通过t2延时0.5s的作用确保主电路中km3先吸合，使串电阻r短接，然后再接通m1反转主触头km2。二、主电动机点动控制按下正转点动按钮sb1，第2支路和第5支路的x1均闭合，通过第2支路的x1使第1支路的m103通电，并通过第3支路的m103自锁。同时第22支路的m103也闭合，为t3通电作好准备。 车床一旦上电，第5支路的m110立即闭合，此时因本支路中的x1闭合，所以m100通电，使第10支路m100闭合，第9支路y0通电，第22支路的常闭辅助触头y0断开。 车床电气控制主电路中因第9支路y0通电，接触器主触头km1吸合，主电动机m1正转起动升速，转速大于100r/min后，速度继电器的正转触头ks1保持闭合。同时第22支路的x11闭合，为反接制动作好准备。三、点动停止和反接制动 1.m1断电降速 松开正转点动按钮sb1，第2支路和第5支路的x1均断开，第5支路的m100断电，第10支路的m100随即断开，第9支路y0断电，第22支路的y0触头闭合。导致主电路中主触头km1断开，主电动机m1断电降速运转。 2.m1反接制动 由于降速初期，速度继电器触头ks1处在闭合状态，所以第22支路中的x11闭合，加之本支路的y0触头闭合，所以t3通电，开始延时。 t3延时到达后，第16支路的t3触头闭合，导致第15支路y1通电，主电路中主触头km2吸合，主电动机m1反接制动。 3.反接制动结束 转速降到低于100r/min时，速度继电器的正转触头ks1断开，第22支路的x11断开，使t3断电，第16支路的t3触头断开，第15支路的y1随之断电。 主电路中km3主触头断开，反接制动结束，主电动机m1停转。 4.t3的延时作用 t3延时0.5s的作用是确保先断开km1，再接通km2；否则km2先于km1断开前接通，将导致主电动机m1绕组烧损。四、主电动机反接制动 1.主电动机断电 按下停止按钮sb，第4支路x0断开，m110断电，使第5支路的常开触头m110断开，不再执行mc至mcr之间的主控电路，第9支路的y0因之断电。 主电路中km1断开，主电动机m1断电降速，但只要主电动机m1转速大于100r/min，速度继电器的正转触头ks1仍闭合，而第1支路的m103因自锁而通电。 按下停上按钮sb会使第9支路的常闭辅助触头x0断开，y0断电，电气控制主电路中受y0控制的主触头km1将断开。 2.进入反接制动状态 松开停止按钮sb，使sb由按下状态切换成未按下状态，则第4支路x0恢复闭合，m110通电，第5支路的m110闭合，接通并执行mc至mcr之间的主控电路。 第1支路中的常闭辅助触头x0也恢复闭合，所以m103通电，此时第22支路的m103保持闭合。由于主电动机m1转速大于100r/min，ks1处于闭合状态，第22支路的x11保持闭合，导致t3通电，计时开始。 当t3计时时间到达后，第16支路的t3闭合，使第15支路的y1通电，主电路中km2闭合，电动机m1进入反接制动状态，主电动机m1迅速降速。 3.t3延时的作用 t3延时0.5s作用体现在电气控制主电路中，km1主触头先断开，0.5s后km2主触头再闭合，杜绝了km1与km2瞬时的同时接通状态，有助于避免电动机绕组烧损。 4.m1停转 当主电动机m1降速至100r/min以下时，速度继电器的正转触头ks1断开，使22支路的x11断开，t3失电，导致第16支路的t3断开，y1断电，主电路中km2断开，反接制动结束，主电动机m1停转。 5.反转停止进入反接制动 若起动时按下sb3，主电路中主触头km3、km2间隔0.5s先后接通，电动机m1将反向起动运行。之后松开停止按钮sb，将进入反转停止反接制动过程。五、主电路工作电流监视 主电动机正反转起动过程中，因辅助继电器m101、m102中必有一个通电，所以第19支路的t5通电，10s计时开始。计时到达后，第21支路的t5闭合，导致y5通电，主电路中的常闭触头kt断开，交流电流表a进行工作电流监视，从而使a避开较大的起动工作电流。六、冷却及快速电动机控制 冷却泵电动机m2、快速移动电动机m3均为单向运转，控制较为简单。当按下冷却泵电动机起动按钮sb5时，第25支路的x5闭合，y3通电并自锁，冷却泵电动机m2起动；而按下停止按钮sb4时，第25支路的x4断开，y3断电，冷却泵电动机m2断电停转。 按下限位开关sq，第27支路的x6闭合，y4通电，快移电动机m3起动；松开限位开关sq，快移电动机m3断电停转电器元件一览表符号数量名称及用途m11主传动交流电动机m21冷却泵交流电动机m31快速移动交流电动机km1短路限流电阻交流接触器km11冷却泵交流电动机启停交流接触器km21快速移动交流电动机交流接触器km31主轴电动机正转交流接触器km41主轴电动机反转交流接触器kt11电流表时间继电器ka1轴电动机启停反接制动中间继电器sq11快速移动电动机启停限位开关fr11主轴电动机过载保护继电器fr21冷却泵电动机过载保护继电器sb1 sb51冷却电动机停止按钮sb21主轴电动机反接启动按钮sb11冷却电动机启动按钮sb41反接制动按钮sb51冷却电动机停止按钮sb41反接制动按钮sb61冷却电动机电动按钮符号数量名称及用途fu11主轴电动机短路保护熔断器fu21冷却泵电动机短路保护熔断器fu31照明电路短路保护熔断器fu4 fu51控制电路短路保护断路器el1照明ks11主轴电动机反转反接制动速度继电器ks21主轴电动机正转反接制动速度继电器a1监视电流表r1启动与反接制动限流电阻参考文献1 武可庚编著. 机械设备控制技术. 高等教育出版社,2002 ：125-1302 范永胜，王珉编著.电气控制与plc应用. 中国电力出版社,2001：76-803 方承远编著. 工厂电气控制技术. 机械工业出版社,2003 ：102-120 4 许廖编著. 工厂电