机电控制技术平面磨床电气控制系统设计本科论文.docx

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机电控制技术平面磨床电气控制系统设计本科论文

各专业全套优秀毕业设计图纸

湖南工业大学

课程设计

资料袋

机械工程学院（系、部）2013~2014学年第二学期

课程名称机电控制技术指导教师孙晓职称教授

学生姓名李曲专业班级机械设计1104班学号11405701009

题目平面磨床电气控制系统设计

成绩起止日期2014年6月14日～2014年6月19日

目录清单

序号

材料名称

资料数量

备注

1

课程设计任务书

1

2

课程设计说明书

1

3

继电器电气原理图

1

张

4

PLC电气原理图

1

张

机械工程学院

课程设计任务书

2013—2014学年第二学期

机械工程学院机械设计专业1104班级

课程名称：

机电控制技术

设计题目：

平面磨床电气控制系统设计

完成期限：

自2014年6月14日至2014年6月19日共1周

内

容

及

任

务

一、设计的主要技术参数

具体要求见课程设计指导书

二、设计任务

完成系统的继电器控制原理图、PLC控制原理图及设计说明书一份

三、设计工作量

电气图2~3张，说明书不少于8000字

进

度

安

排

起止日期

工作内容

6.14

讲解设计目的、要求、方法，任务分工

6.15

根据指导书和任务书要求确定控制系统的输入输出点数、类型，确定输入、输出设备及元器件种类、数量，初步选定PLC型号

6.16

根据指导书和任务书绘制控制系统工作流程图，确定每个动作实现和解除必须的条件

6.17

绘制继电器控制原理图、电路计算、元器件选择列表

编制控制系统的PLC控制程序

6.18

编写设计说明书

6.20

答辩

主

要

参

考

资

料

1、郁建平主编，《机电控制技术》科学出版社、2013年11月

2、何献忠主编，《电气控制与plc应用技术》（西门子S7—200系列）化学工业出版社

3、陈远龄等机床电气自动控制.重庆重庆大学出版社1993.8

指导教师（签字）：

2014年6月日

系（教研室）主任（签字）：

2014年6月日

设计说明书

（课程设计名称）

平面磨床电气控制系统设计

起止日期：

2014年6月14日至2014年6月20日

学生姓名

李曲

班级

机械设计1104

学号

11405701009

成绩

指导教师（签字）

机械工程学院（部）

2014年6月18日

目录

第一章绪论............................................................................1

第二章平面磨床设计要求.......................................................2

第三章M7130型平面磨床电气控制电路.............................5

第四章PLC电气原理图.........................................................11

第五章总结..............................................................................14

第六章参考文献......................................................................15

第一章绪论

1.1 本课题的研究意义及必要性 

磨床是用砂轮周边或端面进行机械加工的精密机床。

它不但能加工一般金属材料，而且能加工一般金属刀具难以加工的硬材（如淬火钢，硬质合金等）。

利用磨削可获得较高加工精度和光洁度，而且加工余量较其他加工方法小的多。

所以磨床广泛用于零件加工。

由于精密铸造和精密锻造工艺的进步，使得零件不经其他切削加工而直接磨削成成品。

随着高速磨削和强力磨削工艺的发展，进一步提高了磨削的效率。

因此磨床的使用范围日益扩大，在金属切削机床中所占比重不断上升，在工业发达国家占金属切削机床的13%-27%。

磨床种类很多，按其工艺分为外圆磨床、内圆磨床、平面磨床、工具磨床以及一些专用磨床，如螺纹磨床、齿轮磨床、球面磨床、花键磨床、导轨磨床与无心磨床等。

其中以平面磨床最为普通。

第二章平面磨床设计要求

1、平面磨床简析

平面磨床是用砂轮磨削教工各种零件的平面。

M7130型平面磨床是平面磨床使用较普遍的一种机床。

该磨床炒作方便，磨削精度和光洁度都比较高，适用磨削精密零件和各种工具，并可作镜面磨削

M7130磨床型号含义如下所述：

M---磨床

7---平面

1---卧轴柜台式

30---工作台的工作面宽为300mm。

2、M7130平面磨床的原理 

工作台上装有电磁吸盘，用以吸持工件。

工作台在床身导轨上作往复运动（纵向运动）。

固定在床身上的立柱上带有导轨，滑座在立柱导轨上作垂直运动；而砂轮箱在滑座的导轨上作水平运动（横向运动），砂轮箱内装有电动机，电动机带动砂轮作旋转运动。

平面磨床在加工工件过程中，砂轮的旋转运动是主运动，工作台往复运动为纵向进给运动，滑座带动砂轮箱沿立柱导轨的运动为垂直进给运动，砂轮箱沿滑座导轨的运动为横向进给运动。

工作时，砂轮旋转，同时工作台带动工件右移，工件被磨削。

然后工作台带动工件快速左移，砂轮向前作进给运动，工作台再次右移，工件上新的部位被磨削。

这样不断重复，直至整个待加工平面都被磨削。

3.平面磨床设计要求

（1）要结构形式及运动形式

M7130型平面磨床主要由床身、工作台、电磁吸盘、砂轮架、滑座、立柱等部分组成。

在床身上装有液压传动装置，以便工作台在床身导轨上通过压力油推动活塞作往复直线运动，实现水平方向进给运动。

工作台面上有T形槽，用以安装电磁吸盘或直接安装大型工件。

床身上固定有立柱，滑座安装在立柱的垂直导轨上，实现垂直方向进给。

在滑座的水平导轨上安装砂轮架，砂轮架由装入式电动机直接拖动，通过滑座内部的液压传动机构实现横向进给。

平面磨床砂轮的旋转运动为主运动，工作台完成一次往复运动时，砂轮架作一次间断性的横向进给，直至完成整个平面的磨削，然后砂轮架连同滑座沿垂直导轨作间断性的垂直进给，直至达到工件加工尺寸。

平面磨床的辅助运动，如砂轮架在滑座的水平导轨上作快速横向移动，滑座在立柱的垂直导轨上作快速垂直移动，以及工作台往复运动速度的调整等。

（2）电力拖动及控制要求

基于上述磨床的工作性质和加工精度要求，对电力拖动控制方案提出如下要求：

1）平面磨床是一种精密加工机床，为了保证其加工精度要求，机床运行时要求平稳。

工作台往复运动在换向时要求惯性要小，无冲击力，因此，工作台的往复运动采用液压传动。

由电动机拖动液压泵，供应压力油，通过液压传动装置实现工作台的纵向进给运动，并通过工作台上的撞块操纵床身上的液压换向阀（开关），改变压力油的流向，实现工作台的换向和自动往复运动。

2）为了简化磨床的机械传动机构，采用多电动机单独拖动。

M7130型平面磨床采用三台电动机拖动，砂轮的旋转运动由装入式电动机直接拖动。

液压泵由液压泵电动机拖动，经液压传动装置完成工作台的往复（纵向进给）运动，砂轮架的横向进给运动，砂轮架的快速横向移动以及工作台导轨的润滑等。

拖动冷却泵的电动机为磨削加工提供冷却液。

3）为了提高磨削质量，要求砂轮有较高转速，通常采用两极（理想空载转速为3000r/min50Hz）的笼型异步电动机拖动。

为了提高调整运转的砂轮主轴的风度，采用装入式电动机拖动，电动机与砂轮主轴同轴，从而提高了磨床的加工精度。

4）平面磨削加工中，由于磨削温度高，为减少工件的热变形，必须使工件得到充分的冷却，同时冷却液能冲走磨屑和砂粒，以保证磨削精度。

5）平面磨床常用电磁吸盘，利用电磁吸力很方便地安装和加工小工件，且工件在加工过程中由于发热变形，电磁吸盘允许工件有自由伸缩余地，从而保证加工精度。

为了满足上述电力拖动控制方案的要求，对M7130型平面磨床的电力拖动控制系统提出以下几点要求：

1）砂轮、液压泵、冷却泵三台电动机都只要求单方向旋转。

2）冷却泵电动机应随砂轮电动机的开动而开动，若加工中不需要冷却液时，可单独关断冷却泵电动机。

3）在正常加工中，若电磁吸盘吸力不足或消失时，砂轮电动机与液压泵电动机应立即停止工作，以防止工件被砂轮切向力打飞而发生人身和设备事故。

不加工时，即电磁吸盘不工作的情况下，允许砂轮电动机与液压泵电动机开机，机床作调整运动。

4）电磁吸盘励磁线圈具有吸牢工件的正向励磁、松开工件的断开励磁、以及为抵消剩磁便于取下工件的反励磁控制环节。

5）具有完善的保护环节。

各电路的短路保护，各电动机的长期过载保护，零压、欠压保护，电磁吸力不足的欠电流保护，以及线圈断开时产生高电压，而危及电路中其它电器设备的过压保护等等。

6）机床照明电路与工件去磁的控制环节。

第三章M7130型平面磨床电气控制电路

1、电动机主电路控制思路

由电源引入开关QS1是控制整机电源的接通与断开。

三台电动机均要求单向旋转，M1砂轮电动机、M2冷却泵电动机，同时由接触器KM1控制，而M2电动机再经过X1插销实现单独判断控制，M3液压泵电动机由接触器KM3控制。

主电路（图1）

2、控制电路思路

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KM3构成了砂轮电动机M1单向起动和停止控制电路。

由按钮SB3、SB4和接触器KM3构成了液压泵电动机M3单向旋转起动和停止控制电路。

实现两台电动机独立操作控制。

控制电路（图2）

3.联锁、保护环节

平面磨床在加工中出现电磁吸盘吸力不足或消失时，为确保人身和设备的安全，不允许继续加工。

因此，在两台电动机的控制电路中应设定欠电流继电器KA常开触点，达到欠磁联锁保护。

在不加工时又能单独控制砂轮与液压泵电动机运转工作，因此，在控制电路中KA（3-4）触点处并接转换开关SA1于“去磁”位置时，主电路与控制电路由熔断器FU1、FU2分别实现适中保护。

砂轮与液压泵电动机利用热继电器FR1、FR2实现长期过载保护。

为了保护工件与砂轮的安全，当有一台电动机过载停机时，另一台电动机也应停止。

因此，应将FR1、FR2常闭触点串接在总控制电路中。

（2）电磁吸盘控制电路

电磁吸盘又称为电磁工作台，它也是安装工件的一种夹具。

具有夹紧迅速、不损伤工件、且一次能吸牢若干个工件，工作效率高，加工精度高等优点。

但它的夹紧程度不可调整，电磁吸盘要用直流电源，且不能用于加工非磁性材料的工件。

（3）照明电路与去磁器

照明电路由照明变压器T2，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。

在平面磨床上加工的零件可能存在有剩磁，若零件对剩磁有严格要求，应在电磁吸盘取下工件后进行去磁处理。

交流去磁器是平面磨床的一个附件。

使用时，将交流去磁器插头插在床身的XS插座上，再将工件放在去磁器上处理即可去磁。

照明电路（图3）

4、总电路设计

根据上述思路，设计了如下电路

磨床继电器原理图（图4）

图4中M1为砂轮电动机M2为冷却泵电动机都由KM1的主触点控制再经X1插

销向M2实现单独判断控制供电。

M3为液压泵电动机，由KM3的主触点控制。

一控制电路合上电源开关QS1，若转换开关QS2处于工作位置，当电源电压正常时欠电流继电器KA触点闭合，若SA1处于去磁位置KA触点得电，便可进行操作。

1、砂轮电动机M1的控制。

启动过程为按下SB1，SB1闭合——KM1得电自锁——M1启动。

停止过程为按下SB2SB2断开——KM1失电——M1停止。

2、冷却泵电动机M2的控制。

M2由于通过插座X1与KM1主触点相连，因此M2与砂轮电动机M1连锁控制，都由SB1和SB2操作。

若运行中M1或M2过载，触点FR1断开，保护电路。

3、液压泵电动机M3的控制。

启动过程为：

按下SB3，SB3闭合——KM3得电自锁——M3启动

停止过程为：

按下SB4，SB4闭合——KM3失电——M3停止。

过载时FR22-3断开——KM3失电——M3停止FR2起保护作用。

4、电磁吸盘控制电路

（1）电磁吸盘结构原理。

电磁吸盘与机械夹紧装置相比，具有夹紧迅速，不损伤工件，工作效率高，能同时吸持多个小工件，加工过程中工件发热可以自由伸延，加工精度高等优点。

但也有夹紧力不如机械夹得紧，调节不便，需用直流电源供电，不能吸持非磁性材料工件等缺点。

（2）电磁吸盘控制电路。

它由整流装置、控制装置及保护装置等部分组成。

如图2所示，电磁吸盘整流装置由整流变压器T1与桥式全波整流器VC组成，整流变压器T1将220V交流电压降为145V经桥式整流器输出110V直流电压对电磁吸盘供电。

电磁吸盘集中由QS2控制。

QS2的位置及触点闭合情况为

充磁吸合：

QS2打向右边

断电放松:

QS2中间位置

退磁:

QS2左边位置

当QS2置于“充磁”位置时电磁吸盘YH获得110V直流电压，同时欠电流继电器KA与YH串联，若吸盘电流足够大，则KA动作，KA得电反映电磁吸盘吸力足以将工件吸牢这时可分别操作按钮SB1与SB3，启动M1与M3进行磨削加工。

当加工完成时按下停止按钮SB2与SB4电动机M1M2与M3停止旋转，为便于从吸盘上取下工件，需对工件进行退磁，其方法是将开关QS2扳至“退磁”位置。

当SA1扳至“退磁”位置时，电磁吸盘中通入反向电流，并在电路中串入可变电阻R2，用以调节、限制反向去磁电流大小，达到既退磁又不致反向磁化的目的。

退磁结束将QS2拨到“断电”位置即可取下工件。

若工件对去磁要求严格,在取下工件后,还要用交流去磁器进行处理。

交流去磁器是平面磨床的一个附件,使用时,将交流去磁器插头插在床身的插座XS上,再将工件放在去磁器上适当地来回移动即可去磁。

5、保护及其他环节

（1）电磁吸盘的欠电流保护。

为了防止平面磨床在磨削过程中出现断电事故或吸盘电流减小，致使电磁吸盘失去吸力或吸力减小，造成工件飞出，引起工件损坏或人身事故，故在电磁吸盘线圈电路中串入欠电流继电器KA，只有当直流电压符合要求，吸盘具有足够吸力时，KA才能吸合，KA触点接通，为启动电动机做准备。

否则不能开动磨床进行加工。

若已在磨削加工中，则KA因电流过小而释放，触点KA断开，使得KM1失电,KM2失电M1停止，避免事故发生。

若将工件夹在工作台上，则不需要电磁吸盘时，应该将QS2扳到放松位置。

这时候可以在KA上并联个到开关QS3.用于手动控制启动电机

（2）电磁吸盘线圈YH的过电压保护。

电磁吸盘线圈匝数多，电感大，通电工作时存储大量磁场能量。

当线圈断电时在线圈两端将产生高电压，可能使线圈绝缘及其他电气设备损坏。

为此，该机床在线圈两端并联了电阻R3作为放电电阻。

（3）电磁吸盘的短路保护。

在整流变压器T1的二次侧或整流装置输出端装有熔断器作短路保护。

（4）其他保护。

在整流装置中还设有RC串联支路并联在T2二次侧，用以吸收交流电路产生过电压和直流侧电路通断时在T2二次侧产生浪涌电压，输出更平稳的电压，实现整流装置过电压保护。

FU1对电动机进行短路保护，FR1对M1进行过载保护，FR2对M3进行过载保护。

6、照明电路。

由照明变压器T2将380V降为24V并由开关SA控制照明灯EL。

在T2一次侧装有熔断器FU3作短路保护。

第四章PLC电气原理图

1、PLC的选用

用PLC设计M7130平面磨床控制线路。

控制电路中的电源电路、照明电路和主电路仍然保持不变。

在控制电路中，变压器T1的输出及整流器VC的输出部分去掉用可编程控制器实现。

为了保证各种联锁功能SB1～SB8接入PLC的输入端。

输出器件分三个电压等级，一个是接触器使用的380V交流电压，另一个是电磁吸盘使用的110V直流电压，还有一个是照明使用的24V交流电压，这样也将PLC的输出口分为三组连接点。

用PLC设计M7130平面磨床控制线路时，照明灯用开关SA控制，欠电流继电器KA作为输入信号，电磁吸盘的“充磁”与“退磁”转换开关QS2用两个按钮来替代。

接插器Xl用接触器KM3来替代。

并用两个按钮来控制冷却泵的启动与停止。

经过PLC改造后的M7130平面磨床，对PLC的最低要求l3个输入点和6个输出点。

考虑要有一定的余量以及以后升级扩展，选用西门子S7-200（CPU224），他有14个输入/10输出。

还可以有7个扩展模块，有内置时钟，有更强的模拟量和高速计数的处理能力。

2、I/O地址分配

I/O地址分配

输入

输出

功能

电路元件

PLC地址

功能

电路元件

PLC地址

砂轮启动按钮

SB1

I0.1

砂轮电机控制

KM1

Q0.0

砂轮停止按钮

SB2

I0.2

冷却泵电机控制

KM2

Q0.1

冷却泵启动按钮

SB3

I0.3

液压泵电机控制

KM3

Q0.2

冷却泵停止按钮

SB4

I0.4

电磁吸盘充磁控制

KM4

Q0.3

液压泵启动按钮

SB5

I0.5

电磁吸盘退磁控制

KM5

Q0.4

液压泵停止按钮

SB6

I0.6

照明灯

EL

Q0.5

地磁吸盘充磁按钮

SB7

I0.7

地磁吸盘退磁按钮

SB8

I1.0

充磁和退磁停止按钮

SB9

I1.1

调整磨床

SB0

I1.2

照明灯控制

SA

I1.3

欠点流继电器KA输入

KA

I0.0

不需电磁吸盘启动

SA3

I1.4

3、PLC的外部接线

根据上述硬件选型及工艺要求，绘制PLC控制电路原理图，绘制PLC控制电路。

1）KM3和KM4接触器线圈支路，设计了互锁电路，以防止操作故障。

2）PLC输入回路中，信号电源由PLC本身的24V直流电源提供，所有输入COM端短接后接人PLC电源DC24V的+端。

输入口如果有有源信号号装置根据驱动的负载的电压选择合适的交/直流电源。

3）PLC采用继电器输出380V接触器线圈电压更换为220V，照明灯的安全电压是24V。

4）根据上述设计对照主回路检查交流控制回路，PLC控制回路，PLC控制程序等。

全部符合设计要求后，绘制出最终的电气原理图。

经PLC改造的M7l30平面磨床电气控制线路的I/0接线如图3所示。

4、I/O接线图

图5

5、梯形图的设计

PLC设计M7130平面磨床电气控制线路的PLC梯形图（LAD）如图4所示

工作时，先按下充磁按钮，M7l30平面磨床处于充磁状态，当电磁吸盘的充磁电

流足够大时，欠电流继电器KA（I0.0）自动吸合。

三台电动机可启动工作。

在工作过程中，只要欠电流继电器KA松开（吸力不足）或按下了退磁按钮三台电动机便会立即停止。

起到保护作用。

照明灯可随时打开和关闭。

图6

第五章总结

经过这段时间不断的努力，课程设计终于做完了,身体有些疲惫，但看到劳动后的硕果，心中又有几分喜悦。

总而言之，感触良多，收获颇丰。

机电设计的过程是一个复杂细致的工作过程，不可能有固定不变的程序,这需要我们真正的动脑筋思考,进行细致入微的探索。

在做课程设计的过程中总是遇到这样那样的问题，比如对相关知识的模糊，感念的不清楚，还有很多与此相关的的东西都需要我们去查资料，去弄清楚，所以我认为课程设计也是一个对所学知识进行深化理解的过程，当然，在这其中也可以学到很多新的知识。

对于这个课程设计，做的太匆忙了，肯定还有很多的不足和错误之处，希望老师见谅。

但是，我也尽心去做了。

从这个课程设计我学到了很多的知识，也让我从理论到实践的运用。

在课程设计中遇到困难不断的去翻书，问别人，网上找资料，不知不觉中就让我学到一些知识。

通过这个课程设计，让我明白了只有动手去做才能把书本上的知识转化为自己所需要的。

也让我明白了电气控制的知识博大精深，还要继续学习才能跟的上时代的步伐。

这次做课程设计的经历也会使我终身受益，我感受到做课程设计是要真真正正用心去做的一件事情，是真正的自己学习的过程和研究的过程，没有学习就不可能有研究的能力，没有自己的研究，就不会有所突破，那也就不叫设计了。

希望这次的经历能让我在以后学习中激励我继续进步

第六章参考文献

1、郁建平主编，《机电控制技术》科学出版社、2013年11月

2、何献忠主编，《电气控制与plc应用技术》（西门子S7—200系列）化学工业出版社

3、陈远龄等机床电气自动控制.重庆重庆大学出版社1993.8