项目三简单机电一体化设备控制电路的分析及设计(覃勇崎)

电控与PLC控制技术

项目三简单机电一体化设备控制电路的分析及设计广西机电职业技术学院任务二镗床控制线路设计任务一车床、磨床、铣床、钻床电气线路分析任务一机床常用简单控制电路任务一车床、磨床、铣床、钻床电气线路分析单元一车床电气线路分析单元二磨床电气线路分析单元三铣床电气线路分析单元四钻床电气线路分析单元一车床电气线路分析一、C6140普通车床的主要结构及运动形式C6140普通车床主要由床身、主轴变速箱、进给溜板箱、溜板与刀架、尾架、主轴、丝杠与光杠等组成。其外形见图1-1。图1-1C6140车床结构C6140普通车床是加工零件的各种旋转表面的设备，车床分为切削运动与辅助运动。C6140普通车床的切削运动主要分为两部分，主轴通过卡盘带动工件旋转的运动称为主运动；溜板带动刀架的纵向或横向往复直线运动称为进给运动。中小型机床的主运动和进给运动一般都是由一台电动机拖动。车床的辅助运动为机床上除切削运动以外的其它一切必需的运动。如刀架的快进与快退、尾架的移动与工件的夹紧与放松等二、C6140普通车床电力拖动的特点及控制要求⑴主轴电动机一般选用三相笼型异步电动机，不进行电气调速。⑵采用齿轮变速箱进行机械有级调速。为减小振动，主轴电动机通过几条V型带将动力传递到主轴箱。⑶为车削螺纹，主轴要求正、反转。其正反转由机械方法来实现。⑷要求对主轴电动机实现自动控制。⑸在切削加工时，要求对刀具和工件用冷却液进行冷却，通常是选用三相笼型异步电动机，拖动冷却泵对刀具和工件进行冷却。⑹采用顺序控制，主轴电动机起动后，冷却泵方可选择开动与否，面当主轴电动机停止时，冷却泵应立即停止。⑺为提高工作效率，刀架需要快速移动，由一台三相笼型异步电动机拖动刀架快进与快退。⑻主轴电动机、冷却泵电动机具有必要的短路保护和过载保护，当任何一台电动机过载时，三台电动机都不能工作。⑼有过载、零压保护及安全的局部照明、指示装置。（图1-2为车床电器分布示意图）图1-2车床电器分布图三、C6140电气原理分析电气原理如图1-3所示。

图1-3C6140电气原理图1、主电路分析

QF为电源断路器，主电路有三台电动机，M1为主轴电动机，拖动主轴旋转，并通过进给机构实现车床的进给运动；M3为冷却泵电动机；M2为刀架快速移动电动机；接触器KM1控制M1电动机的通、断，FR1为主轴电动机的过载保护；接触器KM2控制电动机M2的启动与停止；接触器KM3控制冷却泵M3的启动与停止，FR2为冷却泵电动机的过载保护；熔断器为短路保护，QF也有为M1电机起短路保护的作用，由于快速移动电动机M2是短时间工作制，因此无需过载保护。图1-4车床电气主控制箱2、控制电路及辅助电路分析

辅助电路及控制电路电源经变压器TC降压后提供电源，HL为电源指示灯；EL为安全电压（36V）照明灯，经转换开关SA2控制；SQ1为电控箱安全门限位开关，SQ2为齿轮箱罩安全限位开关，正常工作时受压接通，电机可正常工作，当打开电控箱或齿轮箱时，控制电路断电，保证人员安全。SB1为停止按钮，SB2为主轴电机启动按钮，SB3为刀架快速移动电动机点动按钮；工作过程：按SB2→KM1线圈得电并自锁→主轴电动机运转，此时如果需要冷却液，可转动转换开关SA2，冷却泵必须是在主轴电动机工作后才能工作。刀架快速电动机在合上QF后，需要时都可以工作。四、思考与练习1、C6140车床中M1、M2、M3的作用是什么？它们的控制方式有什么特点？2、分析C6140车床中行程开关SQ1、SQ2的作用。3、C6140车床中M2电动机主电路中为什么没有使用热继电器？单元二磨床电气线路分析一、M7120型平面磨床的主要结构及运动形式M7120型平面磨床主要由床身、工作台、电磁吸盘、砂轮箱、滑座和立柱等组成。其外形见图2-1。磨床是用砂轮的圆周边或端面对工件的平面、端面、外圆、内孔、螺纹、球面等进行磨削加工的精密机床。磨床的种类有平面磨床、外圆磨床、内圆磨床、无心磨床以及一些专用磨床，如螺纹磨床、球面磨床、齿轮磨床和导轨磨床等。其中以平面磨床应用最为广泛。本课程以M7120型平面磨床为例进行分析。磨床结构图2-1磨床结构图二、M7120平面磨床电力拖动的特点及控制要求平面磨床功能：平面磨床的工作方式是：由砂轮电机带动砂轮旋转，需加工的工件固定在电磁吸盘上；工作台由液压油缸带动做往复运动，电磁吸盘和工件做左右的直线运动，旋转的砂轮在往复运动工件上打磨，从而完成对工件的加工面打磨。图2-2平面磨床的磨削加工三、M7120平面磨床电气原理图图2-3M7120磨床电气原理图电气原理图分析：主电路：液压泵M1由KM1控制，FR1为液压泵的过载保护；砂轮电机M2及冷却泵电机M3由KM2控制，FR2为砂轮电机的过载保护，FR3为冷却泵电机的过载保护，冷却泵只有在砂轮机工作后才能工作，由于冷却泵电机与床身是分开的，因此要通过XS2插座与电源连接。砂轮升降电机M4由KM3、KM4实现正反控制，由于砂轮升降行程很短，电机不会长时间工作，因此不需要过载保护。FU1为四个电机的短路保护。控制电路：经TC降压至127V为控制电路线圈电压；在电磁吸盘欠电压继电器KV工作正常的情况下（目的是确保吸盘吸力）1）液压泵控制：按SB2→KM1线圈得电并自锁，液压泵工作，按SB1→KM1断电，液压泵自由停车，FR1常闭点串在KM1线路中，当液压电机过载时切断KM1电路。2）砂轮电机控制：按SB4→KM2线圈得电并自锁→砂轮电机正常运转，按SB3→砂轮电机自由停车，FR2、FR3常闭点串在KM2电路中，当砂轮电机或冷却泵电机过载时切断KM2电路。3）砂轮箱升降控制：按SB5→KM3线圈得电，M4电机带动砂轮箱上升，松开SB5，M4断电；按SB6→KM4线圈得电，M4电机带动砂轮箱下降；砂轮升降控制都为点动控制，在KM3、KM4控制电路中应用了互锁触点。在KM4电路中串SQ限位开关常闭点，防止下降时砂轮与工件相撞；串KM2常闭点的目的是在砂轮旋转时，不可以下降。电磁吸盘见图2-4，采用直流供电，避免因交流供电出现过零点时而产生失磁现象，保证工件和人身的安全。。。图2-4电磁吸盘结构及示意图4）电磁吸盘控制：电磁吸盘工作原理及结构：电磁吸盘是平面磨床所特有的工件夹紧装置，它能牢牢吸紧铁质工件而不损坏工件，因此，电磁吸盘有足够的吸力是机床正常工作的保证。电磁吸盘结构图如图2-4所示：

电磁吸盘电路由整流装置、控制装置、保护装置组成。交流127V电源经VC桥式全波整流器整流后为电磁吸盘供电。充磁：按SB8充磁按钮→KM5线圈得电并自锁，KM5主触点接通，电磁吸盘线圈接通直流正向电源，充电吸附工件，可以开始加工；当需要取下工件时，按SB7，断开KM5接触器，停止充磁。去磁：停止充磁后，由于工作台及工件被磁化，仍有剩磁，工件需要去磁才容易取出，此时按SB9，KM6接触器工作，KM6主触点接通，使电磁吸盘线圈通入直流反向电源，产生反向磁场，对电磁吸盘及工件进行去磁，去磁时间不能太长，否则工作台及工件会被反向磁化，因此接触器KM6为点动控制；为防止整流电路短路，KM5与KM6之间也要采用互锁措施。5）电磁吸盘保护：欠电压保护：在磨削加工过程中，砂轮及工作台高速运动，如果整流输出电压不正常，电磁吸盘电流减小，电磁吸盘吸力不足，很有可能造成工件飞出的事故，因此设置了欠电压保护功能。在电磁吸盘线圈电路中并联了直流欠电压继电器KV；当整流电压正常时，欠电压继电器KV吸合，串在砂轮电机、液压电机电路中的KV常开触点闭合，平面磨床可以正常工作；当整流电压不足时，KV释放，使串在KM1、KM2电路中的KV常开点断开，液压泵电机、砂轮电机、冷却泵断电，停止运转，实现欠电压的吸力保护。过电压保护：由于电磁吸盘是一个大电感线圈，在充磁的过程中储存了大量的磁场能量，当线圈断电时，由于电磁感应，在线圈两端产生很大的感应电动势，出现高电压，会造成吸盘线圈及其他电器损坏，因此，在吸盘线圈两端并联了RC阻容放电电路，吸收电磁吸盘线圈在断电瞬间产生的磁场能量，实现过电压保护。四、思考与练习1、M7120平面磨床电磁吸盘线圈为什么要采用直流供电？2、M7120平面磨床电气控制电路中利用哪些电器实现什么保护？3、M7120平面磨床液压泵电机M1、砂轮电动机M2都无法起动的可能原因有哪些？单元三铣床电气线路分析一、X62W卧式万能铣床的主要结构及运动形式X62W卧式万能铣床外形图见图3-1。图3-1铣床结构图铣床主要用于加工零件的平面、斜面、沟槽等型面，装上分度头以后，可以加工直齿轮或螺旋面，装上回转圆工作台则可以加工凸轮和弧形槽。铣床用途广泛，在金属切削机床中的使用数量仅次于车床。铣床的种类很多，有卧铣、立铣、龙门铣、仿形铣以及各种专用铣床。X62W型卧式万能铣床是应用最广泛的铣床之一。图3-2铣床的铣削加工铣刀加工零件由图3-1铣床外形图可知，X62W型万能铣床主要由床身、悬梁、刀杆支架、工作台和升降台等几部分组成。床身固定在底座上，内装主轴电动机及传动、变速机构，床身顶部有水平导轨，悬梁可沿导轨水平移动，用以调整铣刀的位置；刀杆支架装在悬梁上，可在悬梁上水平移动，升降台可沿床身上的垂直导轨上下移动；下溜板在升降台的水平导轨上可作平行于主轴轴线方向的横向移动；工作台安装在上溜板上，可在下溜板导轨上作水平方向垂直于主轴轴线的纵向移动。此外，溜板可绕垂直轴线左、右旋转45°，所以工作台还能在倾斜方向进给，以加工螺旋槽。该铣床还可以安装圆工作台以扩大铣削能力。由上述分析可知，X62W型卧式万能铣床有三种运动。(1)主运动：主轴带动铣刀的旋转运动；(2)进给运动：加工中工作台带动工件的移动（包括升降台的上下移动、下溜板的横向移动和上溜板工作台的纵向移动）或圆工作台的旋转运动；(3)辅助运动：工作台带动工件在三个方向的快速移动以及悬梁、刀杆支架的移动。二、X62W卧式万能铣床电力拖动的特点及控制要求X62W铣床电气控制特点：1、主轴电动机控制的特点：1）为适应铣削加工，要求主轴调速，X62W铣床采用机械变速，由主变速机构中的拨叉来移动主轴传动系统中的两个三联齿轮和一个双联齿轮，使主轴获得30—1500r/min的18种转速。2）为使主轴变速时齿轮顺利啮合，减少齿轮端面的撞击，主轴变速时应有变速冲动环节，即要求主轴变速时，主轴电动机做瞬时点动。齿轮变速机构主轴变速手轮图3-3铣床主轴变速机构3）为满足铣床顺铣与逆铣两种加工方式，要求主轴电动机正、反转，由于加工方式在加工前已选定，加工时不会改变，因此采用转换开关选择主轴电动机的旋转方向。4）铣削加工为多刀加工，是不连续切削，切削过程中负载波动，为提高加工质量，在主传动系统中加入飞轮，以加大转动惯量，但又影响了主轴的准确停车，为此要求主轴电动机有停机电气制动环节。5）为使操作者在铣床的正面和侧面能方便操作，主轴电动机的启动、停止等控制需有两地控制的操作方式。2、进给电动机控制的特点：1）X62W铣床的工作台有手动与机动两种工作方式，而机动又有工作进给和快速移动两种运动方式；手动是转动工作台的垂直、横向、纵向操作手轮来获得，机动是由进给电动机拖动，工作进给时快速电磁铁不动作，需要快速移动时由进给变速箱中电磁铁带动快速移动传动机构工作。图3-4铣床进给电机位置进给电机2）为减少按钮数量，避免误操作，对进给电动机的控制采用机械电气联动的手柄操作；如扳动工作台横向操纵手柄时，压合相应电气开关，使进给电动机正转或反转，同时机械上使横向离合器啮合，驱动横向丝杠转动，实现工作台的横向移动。行程开关十字操作手柄图3-5具有联锁的操作手柄和行程开关3）进给电动机拖动工作台上下、左右、前后运动，故要求进给电动机能正、反转。4）工作台进给与快速移动也可以在正面与侧面操作，故工作台进给与快速移动控制也采用两地操作的方式。5）工作台进给的18级速度采用机械变速获得，为使变速时齿轮的顺利啮合，减少齿轮端面的撞击，进给电动机应在变速后瞬时点动6）只有在主轴电动机起动后，进给电动机才能工作。侧面按钮站侧面十字手柄正面十字手柄正面按钮站图3-6两地控制7）具有完善的互锁保护措施，工作台的上、下、左、右、前、后6个进给方向只能有一个动作，直线工作台与园工作台进给也只能是一个。6个直线方向的运动都有安全限位保护措施。3、冷却泵控制：由冷却泵电动机控制冷却液，可根据需要起动或停止冷却泵电动机，无需正反转。4、机床电气控制有完善的保护措施，如过载保护、短路保护等。三、X62W卧式万能铣床电气原理图3-6为X62W电气原理图：1、主电路分析：1）主轴电动机：M1由SA5实现旋转方向的预选，接触器KM3控制主电机的运转，KM2主触点串接电阻，实现主轴电机的反接制动；速度继电器KS与主轴电动机同轴联接，以速度原则控制反接制动的投入与切除；FR1为主轴电动机的过载保护热继电器。2）进给电动机：M2由KM4、KM5控制实现正反转，FR2为进给电动机M2的过载保护；KM6控制快速移动电磁铁，快速移动只有在进给电动机工作的情况下才能实现。3）冷却泵控制：由KM1控制冷却泵的工作，FR3为冷却泵过载保护热继电器。图3-7X62W铣床电气原理图2、控制电路分析：控制电路电源经控制变压器TC降压，127V交流电为控制电路工作电压。1）主轴电动机控制：起动按钮为SB3、SB4，停止按钮为SB1、SB2，采用两个按钮并联的目的是实现起动、停止按钮的两地控制；通过SA5转换开关选好主轴旋转方向后，按SB3或SB4→接触器KM1工作并自锁→主轴电动机M1连续运转；速度继电器KS转速超过动作值，正转KS-1触点闭合（反转时KS-2触点闭合），为主轴电动机反接制动做准备。当铣削加工结束时，按SB3或SB4→SB3或SB4常闭点使KM3断电，由于M1转速仍然较高，KS（正）（反转时KS反）仍保持接通，SB1或SB2常开点接通KM2电路并自锁，KM2主触点串联电阻R接通反向电源，使主轴电机反接制动，当主电机转速下降至100转以下时，KS（正）（反转时KS反）断开，KM2断电，主轴电动机停止，反接制动结束。2）、主轴变速冲动：主轴变速采用的是机械变速，主轴变速改变了变速箱中齿轮的啮合情况，变速冲动就是在变速时主轴电动机瞬时点动一下，以调整齿轮，使得变速后齿轮顺利进入正常啮合。就电气控制方面，铣床在拉出、推回变速手柄的过程中，都将瞬时压合SQ7，SQ7常闭点断开KM3电路，停止正常运行；SQ7常开点接通KM2电路，KM2主触点串联电阻R，让主轴电动机M1降压瞬时旋转，有利于主轴变速箱齿轮啮合。主轴变速完成后，变速手柄推回原位，SQ7不再受压，断开主电动机M1的点动电路，完成变速冲动。3）、进给电动机M2控制：由于进给电动机的控制电路在KM1常开点的后面，因此，进给电动机必须是在主轴电动机M1工作后才能工作，即KM1已工作。FR2、FR3常闭触点在进给电机控制电路前面，当进给电机M2或冷却泵电机M3过载时，进给电动机控制电路被切断，起到保护作用。进给运动有长工作台的直线运动：左右纵向运动、前后横向运动、上下垂直运动，以及圆工作台的单方向回转运动，直线运动与回转运动由转换开关SA3选择。

SA3转换开关工作状态SA3开关手柄位置断开接通SA3开关触点工作台直线运动工作台圆周运动SA3-110SA3-201SA3-310直线运动：SA3处于“断开”状态；长工作台的左右、上下、前后运动都是由接触器KM3、KM4控制进给电动机M2正反转实现的；而KM3、KM4又是由行程开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4控制的，行程开关是由两个机械操作手柄来压合的，一个是纵向手柄控制左右，另一个是横向与垂直操作手柄控制前后、上下。这两个手柄的操作方向与长工作台的运动方向完全一致，为操作者提供直观的操作模式。纵向操作机械手柄有左、中、右三个位置，扳向“左”时，手柄内的联动机构压下SQ2行程开关；扳向“右”时，压下SQ1行程开关；同时实现纵向机械挂档。手柄处于“中”时，不会压到行程开关，也不会有机械挂档。纵向手柄向“左”纵向手柄居“中”纵向手柄向“右”SQ1SQ2SQ1被压动SQ2被压动图3-8铣床纵向手柄操作垂直与横向操作十字机械手柄有上、下、前、后、中五个位置。当手柄扳向“前”或“下”时，压下SQ3，当手柄扳向“后”或“上”时，压下SQ4，同时实现横向或垂直机械挂挡。当手柄处于“中”时，不会压到行程开关也不会有机械挂档。SQ3SQ4图3-9铣床十字手柄与SQ3、SQ4的关系后前上下向右：若工作台需向右进给，将纵向操作手柄扳向“右”，机械上接通纵向进给机构；电气上压下行程开关SQ1，SQ1常闭触点断开（17-23）支路，常开触点接通（18-19）支路，前者断开了一条控制通路，后者使正转接触器KM4工作，进给电动机M2正向起动运转，经纵向丝杆拖动长工作台向右工作进给。当工作结束后，把手柄扳到“中”的位置，机械挂档脱离，行程开关SQ1不再受压，KM4断电释放，M2停止，工作台向右进给停止。向左：若工作台需向左进给，将纵向操作手柄扳向“左”，机械上接通纵向进给机构；电气上压下行程开关SQ2，SQ2常闭触点断开（22-23）支路，常开触点接通（18-24）支路，前者断开了一条控制通路，后者使反转接触器KM4工作，进给电动机M2反向起动运转，经纵向丝杆拖动工作台向左工作进给。当工作结束后，把手柄扳到“中”的位置，机械挂档脱离，行程开关SQ2不再受压，KM5断电释放，M2停止，工作台向左进给停止。向前与向下：若工作台需向“前”进给，将横向操作手柄扳向“前”，机械上接通横向进给机构；电气上压下行程开关SQ3，SQ3常闭触点断开（16-17）支路，常开触点接通（18-19）支路，前者断开了一条控制通路，后者使正转接触器KM4工作，进给电动机M2正向起动运转，经横向丝杆拖动长工作台向前工作进给。当工作结束后，把手柄扳到“中”的位置，机械挂档脱离，行程开关SQ3不再受压，KM4断电释放，M2停止，工作台向前进给停止。若需要向“下”进给，只需将垂直与横向操作手柄扳向“下”，其电气控制电路上完全与向“前”进给的电路一致，只是手柄向下压，机械上接通的是垂直进给机构，M2电机正转，带动垂直丝杆旋转，使工作台向下进给。向后与向上：若工作台需向“后”进给，将横向操作手柄扳向“后”，机械上接通横向进给机构；电气上压下行程开关SQ4，SQ4常闭触点断开（15-16）支路，常开触点接通（18-24）支路，前者断开了一条控制通路，后者使反转接触器KM5工作，进给电动机M2反向起动运转，经横向丝杆拖动工作台向后工作进给。当工作结束后，把手柄扳到“中”的位置，机械挂档脱离，行程开关SQ4不再受压，KM5断电释放，M2停止，工作台向后进给停止。若需要向“上”进给，只需将垂直与横向操作手柄扳向“上”，其电气控制电路上完全与向“后”进给的电路一致，只是手柄向上压，机械上接通的是垂直进给机构，M2电机正转，带动垂直丝杆旋转，使工作台向上进给。在铣床床身导轨旁安装了上、下两块挡铁，当升降台上、下运动到一定位置时，挡铁撞动操作手柄，使其返回“中”位；实现上、下运动的限位保护。在工作台左侧底部前、后位置安装了两块挡铁，当床鞍前、后运动到一定位置时，挡铁撞动操作手柄，使其返回“中”位；实现前、后运动的限位保护。图3-10铣床行程开关位置图4）工作台进给变速冲动控制：参见图3-10行程开关位置图。为便于进给变速时齿轮的啮合，电气控制电路中也设有进给变速冲动环节，由进给变速手柄及行程开关SQ6配合实现。进给变速必须是在主轴已工作，即KM1已工作的情况下，SA3转换开关在“断开”的状态，SA3-1、SA3-3通，SA3-2断；所有操作手柄处在“中”的位置，即SQ1—SQ4四个行程开关都不受压，其常闭点通，常开点断。在进给变速过程中，拉动变速手柄，变速连杆机构会瞬时压下行程开关SQ6，使SQ6常闭触点（13-15）断开，SQ6常开触点（15-19）接通；前者断开一条支路，后者经线号13→22→23→17→16→15→19电路，接通KM4接触器，使M2电机得电旋转，有利于进给变速箱中齿轮的啮合，当变速完成时，将变速手柄推回原位，进给变速冲动过程结束。5）工作台快速移动控制：工作台除能实现直线的进给运动外，还可以通过快速电磁铁，接通快速机械传动机构，实现工作台的直线快速运动；但快速运动必须是在工作台进给某方向已工作的情况下，按SB5或SB6，接触器KM6工作，接通快速电磁铁线圈YA，电磁铁机构带动工作台快速移动传动装置工作，使工作台快速移动。6）圆工作台回转运动控制：圆工作台的回转运动是由进给电动机经传动机构拖动。需要圆工作台工作时，长工作台的纵向操作手柄和横向垂直手柄都应位于“中”位置，即此时SQ1—SQ4四个行程开关都不受压，它们的常闭点保持接通；选择开关SA3应置于“接通”位置，此时SA3-1、SA3-3触点断开，SA3-2触点接通，在主轴电动机已工作的情况下，经线号13→15→16→17→23→22→22→19→KM3线圈，使得接触器KM4工作，进给电动机M2运转拖动圆工作台单向回转。若要停止圆工作台，可按主轴停止按钮SB3或SB4，也可将SA3旋转到“断开”位置。7）冷却泵电动机M3控制：冷却泵电动机由主令开关SA3控制KM1线圈，当SA3接通时，KM1线圈得电工作，冷却泵电动机M3工作，为切削加工提供冷却液。四、思考与练习1、X62W铣床电气控制电路由哪些基本环节组成？2、简述X62W铣床主轴变速冲动时电路工作过程。3、指出X62W铣床工作台作向左进给运动时进给电动机的工作状态，及其控制电路的工作过程。4、X62W铣床工作台要快速移动时，应如何操作有关电器？5、X62W铣床作圆工作台加工时，电路中有关电器应处于什么状态？6、X62W铣床工作台变速冲动时，应如何操作，有关的主令电器应处于什么状态？7、讨论X62W铣床电气控制电路中，通过哪些电器实现什么联锁？8、分析X62W铣床电气控制电路中，出现下列故障现象的原因？1）主轴电动机停机时，发现主轴没制动。2）工作台无法实现向前、向下进给运动。3）工作台无法实现向左进给运动。4）工作台无法实现快速移动单元四钻床电气线路分析一、Z3040摇臂钻床的主要结构及运动形式外形见图4-1。图4-1Z3040外形结构图钻床是一种使用广泛的普通机床，可以进行钻孔、扩孔、铰孔、攻螺纹及修剖端面等多种形式的加工。钻床按结构形式可分为立式钻床、卧式钻床、摇臂钻床、深孔钻床、多轴钻床等。在各种钻床中，摇臂钻床操作方便、灵活，适用范围广，特别适用于单件或成批生产中带有多孔的大型工件的孔加工，是机械加工中常用的机床设备，具有典型性。Z3040型摇臂钻床主要结构和运动特点如图4-2所示，它由底座、内立柱、外立柱、摇臂、主轴箱、工作台等部分组成。内立柱固定在底座的一端，外立柱套在内立柱上，并可绕内立柱回转360°。1—立柱2—主轴箱3—摇臂4—主轴5—工作台6—底座图4-2Z3040型摇臂钻床部件运动图摇臂的一端为套筒，它套在外立柱上，通过丝杠传动，即升降丝杠的正、反向旋转。摇臂可沿外立柱上下移动，并与外立柱一起绕内立柱回转。主轴箱由主传动电动机、主轴和主轴传动机构、进给和变速机构以及机床的操作机构等部分组成，主轴箱安装于摇臂的水平导轨上，通过手轮操作可使主轴箱沿摇臂水平导轨作径向运动。主轴和钻头由主轴电动机带动旋转，并可在垂直方向上进行纵向进给。二、Z3040型摇臂钻床电力拖动的特点及控制要求摇臂钻床电气控制特点：1）摇臂钻床的的运动控制由四台交流电机拖动，四台电动机容量均不大，都采用全压起动。由主轴电动机拖动主轴的旋转运动和主轴的进给运动；由摇臂升降电动机拖动摇臂的升降；由液压泵电动机控制液压油完成主轴箱、内外立柱、摇臂的夹紧与放松；由冷却泵电动机控制冷却液，为加工中的钻头提供冷却措施。各电动机都应有相应的保护措施。2）主轴旋转与进给要求有较大的调速范围，钻削加工要求主轴正反转，这些皆由液压和机械系统完成，主轴电动机只需要单向旋转。3）摇臂升降由摇臂升降电动机控制，电动机需要正、反转。4）液压泵电动机用来拖动液压泵送出不同流向的压力油，推动活塞、菱形块，以实现主轴箱、内外立柱、摇臂的夹紧与放松，液压泵电动机需要正反转。5）冷却泵电动机为钻头在加工过程中提供冷却液，无需反转。6）由于立柱、摇臂、主轴箱不夹紧，就可能出现自行下降或在加工中出现摆动，造成加工工件精度差的问题，正常情况下，主轴箱、立柱、摇臂都是处于夹紧状态，移动摇臂或主轴箱、升降摇臂，都应按照松开—移动或升降到位—自动夹紧方式工作，因此，摇臂升降与液压泵的工作紧密相连。7）夹紧装置液压系统简介：主轴箱、摇臂、立柱的夹紧与松开，是由液压油推动活塞、菱形块的实现的；夹紧、松开的油路有两个，由电磁阀YA控制，其中主轴箱和内外立柱的夹紧、松开是一个油路，此油路的状态是2位6通电磁阀YA断电；摇臂的松开夹紧要与摇臂的升降联动，必须先松开摇臂，才能升降摇臂，升降完毕，必须夹紧摇臂。电磁阀YA得电的油路就是摇臂升降松开、夹紧油路。菱形块图4-2钻床菱形块位置三、Z3040型摇臂钻床电气原理图图3-3Z3040摇臂钻床电气原理图1、主电路：接触器KM1主触点控制主轴电动机M1运转，FR1为M1的过载保护热继电器；KM2、KM3主触点控制摇臂升降电动机M2的正、反转，由于摇臂升降的距离都较短，摇臂升降电动机为短时工作制，无需过载保护；KM4、KM5主触点控制液压泵电动机M3的正、反转，FR2为M3的过载保护热继电器；冷却泵电动机M4由转换开关SA1控制。熔断器FU1为总的短路保护，熔断器FU2为M2、M3的短路保护。2、控制电路：控制电路电源经控制变压器TC降压，接触器线圈电压110V，照明灯电压为24V，信号灯电压为6V。各行程开关作用：SQ1a、SQ1b为摇臂上升、下降限位开关，SQ2为摇臂放松到位限位开关，SQ3为摇臂夹紧到位限位开关，SQ4为主轴箱及内外立柱夹紧、放松限位开关。1）主轴控制：主轴的控制电路是典型的“起保停”电路，按SB2→KM1得电并自锁，主轴电动机连续运转；按SB1→KM1失电，主轴电动机断电自由停车。2）摇臂上升、下降控制：摇臂上升、下降控制都是点动控制，必须按住按钮才能上升或下降。摇臂上升、下降限位开关SQ1a、SQ1b,当超限位时，会压到相应常闭点而断开电路，使M2电机停止，实现上、下限位保护。接触器KM2、KM3控制电路有接触器互锁措施，也有按钮互锁措施，防止KM2、KM3同时工作。摇臂上升、下降必须是先放松，然后才能上升或下降，上升、下降结束后自动完成夹紧动作，其油路是YA得电的状态。a、上升：按SB3→KT线圈得电→KT常开触点闭合→KM4接触器接通→液压泵电机M3正转，同时由于YA电磁阀得电，液压油推动使得摇臂放松，当放松到位时，SQ2受压→SQ2常闭点断→KM4断电M3停止，同时SQ2常开点接通→KM2接触器接通→M2电机正转，带动摇臂上升；当上升到位时，松开按钮SB3，KT、KM2断电→M2电机停止→摇臂停止上升；由于KT为断电延时继电器，KT延时断开触点延时1—2秒断开，保证YA仍为得电状态，保持油路不变；KT延时闭合常闭触点延时闭合，确保了横梁升降电动机M2在断开电源惯性旋转完全停止后，才开始摇臂夹紧动作。KT延时时间到→KT延时常闭闭合→摇臂处于放松状态，SQ3触点闭合→KM5工作→液压泵电动机M3反转，由于YA仍为得电状态，保持油路不变，液压油推动使得摇臂夹紧，当夹紧到位时SQ3受压，SQ3常闭触点断开，KM5、YA断电，M3停止运转；完成上升操作。b、下降：按SB4→KT线圈得电→KT常开触点闭合→KM4接触器接通→液压泵电机M3正转，同时由于YA电磁阀得电，液压油推动使得摇臂放松，当放松到位时，SQ2受压→SQ2常闭点断→KM4断电M3停止，同时SQ2常开点接通→KM3接触器接通→M2电机反转，带动摇臂下降；当下降到位时，松开按钮SB4，KT、KM3断电→M2电机停止→摇臂停止下降；由于KT为断电延时继电器，KT延时断开触点延时1—2秒断开，保证YA仍为得电状态，保持油路不变；KT延时闭合常闭触点延时闭合，确保了横梁升降电动机M2在断开电源惯性旋转完全停止后，才开始摇臂夹紧动作。KT延时时间到→KT延时常闭闭合→摇臂处于放松状态，SQ3触点闭合→KM5工作→液压泵电动机M3反转，由于YA仍为得电状态，保持油路不变，液压油推动使得摇臂夹紧，当夹紧到位时SQ3受压，SQ3常闭触点断开，KM5、YA断电，M3停止运转；完成下降操作。3）主轴箱与立柱的夹紧、放松控制：主轴箱与立柱的夹紧与放松均由液压油推动，它们是由同一油路控制，所以主轴箱与立柱的夹紧与放松是同时进行的，这一油路是2位6通电磁阀YA断电的状态；由主轴箱在的按钮SB5、SB6控制，按SB5为放松，此时SQ4不受压，HL1指示灯亮；按SB6为夹紧，此时SQ4受压，HL2指示灯亮。a、放松控制：按SB5→SB5常开点通→接触器KM4工作→M3液压泵电机正向运转，SB5常闭点断使YA断电，液压油使主轴箱及立柱处于放松状态，当完全放松后，SQ4不受压，SQ4常闭点通，使得HL1指示灯亮，表示可以移动主轴箱或转动摇臂。b、夹紧控制：按SB6→SB6常开点通→接触器KM5工作→M3液压泵电机反向运转，SB6常闭点断使YA断电，液压油使主轴箱及产柱处于夹紧状态，当完全夹紧后，SQ4受压，SQ4常开点接通，使得HL2指示灯亮，表示主轴箱与立柱已完全夹紧，可以进行加工。4）冷却泵控制：冷却泵由转换开关SA1手动控制，可根据加工的需要，接通或断开SA1，使冷却泵起动或停止。5）照明及指示灯控制：照明灯EL由SA2控制，照明灯电压经变压器降压至24V安全电压，需要时可通过SA2控制。指示灯电压为6V，HL1为放松指示灯，HL2为夹紧指示灯，HL3为主轴电机运转指示灯。四、思考与练习1、简述Z3040摇臂钻床电气控制电路中，摇臂要下降一定位置有哪几台电动机工作？并叙述电路工作过程。2、分析Z3040摇臂钻床电路中，行程开关SQ1、SQ2、SQ3及SQ4的作用。3、Z3040摇臂钻床，在电气大修后发现三根电源进线相序改变了，此时若操作各按钮，机床各运动部件将出现什么现象？任务二镗床控制线路设计图5-1T68镗床外形结构图镗床是一种精密加工机床。主要用于加工精确的孔和各孔间的距离要求较为精确的零件，如一些箱体零件主轴箱等，往往需要加工数个尺寸不同的孔，这些孔尺寸大，精度要求高，且孔的轴心线之间有严格的同轴度、垂直度、平行度与距离的精确性等要求，这些要求都是钻床难以胜任的。镗床本身刚性好，其可动部分在导轨上活动间隙很小，而且有附加支承，能达到上述要求。按用途的不同，镗床可分为卧式镗床、座标镗床、金刚镗床和专门化镗床等。图5-1为T68镗床外形结构图。一、主要结构及运动形式卧式镗床是镗床中应用最广泛的一种，具有万能性特点，它不但能完成孔加工，还能完成车削端及内外圆，铣平面等。其结构如图5-2所示。其主要由床身、前立柱、镗头架、后立柱、尾架、下溜板、上溜板、工作台等构成。图5-2T68镗床结构及运动示意图床身是一个整体的铸件，在它的一端固定有前立柱，在前立柱的垂直导轨上装有镗头架，镗头架可沿着导轨垂直移动，镗头架里集中地装有主轴部分、变速箱、进给箱与操纵机构等部件，切削刀具装在镗轴前端的锥形孔里，或装在花盘上的刀具溜板上。在工作过程中，镗轴一面旋转，一面沿轴向作进给运动。而花盘只能旋转，装在其上刀具溜板则可作垂直于主轴轴线方向的径向进给运动。镗轴和花盘主轴是通过单独的传动链传动，因此它们可以独立转动。平旋盘（花盘）刀架溜板刀架镗轴孔图5-3T68镗床平旋盘后立柱的尾架用来支持装夹在镗轴上的镗杆末端，它与镗头架同时升降，因而两者的轴心线始终在一直线上。后立柱可沿着床身导轨在镗轴的轴线方向调整位置。安装工件用的工作台安置在床身中的导轨上，它由下溜板、上溜板可绕上溜板圆导轨旋转至所需角度的工作台组成。工作台可在平行于（纵向）与垂直于（横向）镗轴轴线的方向移动。工作台（上溜板）下溜板图5-3T68镗床工作台卧式镗床的运动方式有：主运动——镗轴的旋转运动与花盘的旋转运动。进给运动——镗轴的轴向进给，花盘刀具溜板的径向进给，镗头架的垂直进给，工作台的横向进给与工作台的纵向进给。辅助运动——工作台的回转，后立柱的水平移动及尾架的垂直移动。镗轴伸出图5-4T68镗床镗轴运动方向二、电力拖动的特点及控制要求1.镗床为了造就各种工件加工工艺的要求，主轴应有较大的调速范围。卧式镗床主运动多采用交流电动机驱动的滑移齿轮有级变速系统，由于镗床主拖动要求恒功率调速，所以采用“Δ—YY”的双速电动机。2.当采用滑移齿轮变速时，在变速过程中经常出现顶齿现象，使滑移齿轮不能进入正常啮合位置。为克服这种现象，要求主轴运动系统在变速过程中能作低速或断续冲动。3.为适应加工过程中调整的需要，要求主轴可以正、反点动调整，这是通过主轴电动机低速点动来实现的。同时还要求主轴可以正、反向旋转，一般是通过主轴电动机的正、反转来实现的。4.主轴电动机低速时可以直接起动，在高速时控制电路要保证先接通低速经延时再接通高速以减小起动电流。5.由于卧式镗床主轴的制动要求快而准确，所以必须采用效果较好的停车制动。卧式镗床常用反接制动。6.进给运动直接影响切削用量的选择，影响机床的生产率。卧式镗床的进给运动，多是和主轴运动用同一电动机传动，利用滑移齿轮变速。根据镗床运动的要求，各进给部分应能快速移动。主轴电机速度继电器电气控制箱图5-5T68镗床主电机位置三、电气系统的设计（一）电气系统设计的方法任何一个设备的电气系统，都要根据设备机械运动对电气控制的要求进行分析，然后设计。一般由设计任务书先进行系统框图的设计，区分系统各个功能块的要求，以及适用的实现方法。然后再进行控制电路原理图样的设计，并进行参数计算，最后形成可行的电气控制总图，绘出电气安装图等其他技术图样。T68镗床电气系统框图可如图5-6所示编制。高低速接触器图5-6T68镗床控制系统框图电源双速主电机双速控制连续控制接触器线圈保护反接制动正反转接触器接触器线圈点动控制变速控制快速进给电机正反转接触器接触器线圈点动控制照明系统功能框图能清晰表明电气控制部件之间的控制关系，表明电源主通道能量的走向，表明信号传送方向。功能框图中的功能块之间，必要时要标注出相邻功能框图之间的接口参数。当系统复杂时，尤其需要借助功能框图来理顺对象之间的相互关系。建立好一个电气控制系统框架，然后才能方便准确设计出符合要求的电气原理图。电路设计的常用方法有两种：1）经验设计法。2）逻辑设计法。经验设计法：主要是利用各种熟知的定型线路，直接设计控制电路。方法较简单，但要求设计人员熟悉大量的控制线路，掌握多种线路的设计资料；同时具有丰富的经验，在设计过程中往往还要经过多次反复的修改、试验，才能使线路符合设计的要求。且所得出的方案也不一定是最佳方案。逻辑设计法：是利用逻辑代数来分析、设计控制线路。用这种方法设计出来的线路比较合理，特别适合完成较复杂的生产工艺所要求的控制线路设计。但是相对而言，逻辑设计法难度较大，不易掌握，而且所设计出来的电路不太直观。1.经验设计法的几个主要原则(1)电气控制系统满足生产机械和工艺的要求。(2)控制线路安全可靠。线路容错能力越强，电路就越健壮可靠。所谓“容错”能力，指的是线路误操作主令电器时，不引起有害事件发生的能力。

(3)控制线路简单、经济，便于维护。多用成熟电路，或在此基础上小改进电路。

2.逻辑设计法逻辑设计法主要依据逻辑代数运算法则的化简办法求出控制对象的逻辑方程，然后由逻辑方程画出电气控制原理图。其中电器开关的逻辑函数以执行元件作为逻辑函数的输出变量，而以检测信号中间单元及输出逻辑变量的反馈触点作为逻辑变量，按一定规律列出其逻辑函数表达式。继电器开关逻辑函数是电气控制对象的典型代表。图5-7所示为开关逻辑函数电路的一般形式。图5-7基本逻辑电路图(a)常用启-保-停电路图(b)通用基本逻辑电路图(c)具有约束条件的逻辑电路图

逻辑法设计，更多应用于复杂电路，或者程序控制要求严格的场合。逻辑法设计时，应该编制一个能反映机械动作和执行元件、信号元件之间关系的功能状态表，以利于建立各支路的逻辑式。例题：图5-8为一个液压进给机械系统，工作过程：按下启动按钮SB2→液压泵M启动，电磁阀YA1工作，快进→碰压SQ2→YA2工作，工进→碰压SQ3，YA1、YA2、停止，YA3工作，工退→再次碰压SQ2，YA3停止，工退→碰压SQ1，液压泵M停止工作，一个加工周期完成。根据任务，编制功能状态表5-1。图5-8某机器液压系统图表中程序表明，在某个信号的作用下，电路进入一个稳定工作的状态；只有当另一个信号作用后，电路才转入下一个稳定状态。切换信号可以是主令电器开关信号，也可以是继电器等其他开关信号。程序机械动作切换信号执行元件YA1YA2YA3KM1快进SB2112工进SQ21113工退SQ3114快退SQ215停SQ1表5-1状态表液压系统的三个电磁阀YA1、YA2、YA3分别用三个中间继电器KA1、KA2、KA3控制，液压泵M由接触器KM控制。依题意写出各控制支