专用榫齿铣电气控制系统设计

1第1章绪论1.1选题背景及意义在自动化控制领域，PLC是一种重要的控制设备。目前，世界上有200多厂家生产300多品种PLC产品，应用在汽车（23%）、粮食加工（16.4%）、化学/制药（14.6%）、金属/矿山（11.5%）、纸浆/造纸（11.3%）等行业。为了使各位初学者更方便地了解PLC，本文对PLC的发展、基本结构、配置、应用等基本知识作一简介，以期对各位网友有所帮助。随着时代的发展，工业自动化程度的不断提高，电器控制行业已经在工业市场上占有一大片领地。在此次设计中，我将利用电器元件来实现对榫齿铣工作路径的自动和手动控制。对于榫齿铣工作路径的控制，可选用继电-接触系统完成。继电-接触系统：它的优点是线路直观，大部分电器均为常用电器，更换方便，价格较便宜。可编程控制器技术发展很快，给它下一个确切的定义很困难，因此，到目前为止，还未能对其下一最后的定义。1985年国际电工委员会（IEC）对PLC做了如下定义：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器。用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制，定时，计算和算术运算等操作的指令，并通过数字式，模拟式的输入和输出，控制各类行型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应该按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”1968年，美国最大的汽车制造商——通用汽车公司（GM）提出了研制可编程序控制器的基本设想，即：1)能用于工业现场；2)能改变其控制“逻辑”，而不需要变动组成他的元件和修改内部接线；3)出现故障时易于发现和维修。1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出了世界上第一台可编程序控制器。限于当时的元器件条件和计算机的发展水平，早期的可编程序控制器主要由分立元件和中小规模集成电路组成。它简化了计算机的内部电路，为了适应工业现场环境，对接口电路作了一些改进。20世纪70年代初期出现了微处理器，它的体积小，功能强，价格便宜，很快被用于可编程序控制器，使可编程序控制器的功能增强.工作速度加快.体积减小，可靠性提高，成本下降。现代可编程序控制器不仅能实现对开关量的逻辑控制，还具有数学运算，数据处理，运算控制，模拟量PID控制，联网通信等功能。在发达的工业化国家，可编程序控制器已经2被广泛地应用在所有的工业部门。在全世界上百个可编程序控制器制造厂中，有几家举足轻重的公司。他们是美国Rock-well自动化公司所属的A-B（Allen&Bradly）公司，GE-Fanuc公司，德国的西门子（Siemens）公司和法国的施耐德（Schneider）自动化公司，日本的三菱公司和欧姆龙（OMRON）公司。这几家公司控制着全世界80%以上的可编程序控制器市场，他们的系列产品有其技术深度和广度，从微型可编程序控制器到有上万个I/O（输入/输出）点的大型可编程序控制器应有尽有。可编程序控制器的推广应用在我国得到了迅猛的发展，可编程序控制器已经大量应用在引进设备和国产设备中，我国不少厂家引进或研制了一批可编程序控制器，各行各业也踊跃出大批应用可编程序控制器改造设备的成果，机械行业生产的设备越来越多地采用可编程序控制器装置。了解可编程序控制器的工作原理，具备设计，调试和维护可编程序控制器控制系统的能力，已经成为现代工业对电器技术人员和工科学生的基本要求基于上述原因，我选择用继电-接触系统来完成对榫齿铣工作路径的自动和手动控制。1.2设计要求及任务1.2.1设计要求榫齿铣的加工循环如图1-2-1(1)具有两种控制选择,即加工时的连动循环及调整中的点动（手动）操作。(2)设计带有照明系统。(3)设计应有必要的电气保护与互锁。图1-2-1加工循环图启动压SQ1松开SQ1压SQ2压SQ331.2.2设计任务本文针对设计要求而要完成的设计任务主要有以下三点：(1)设计并绘制电器原理图。(2)选择电器元件及编制元件目录清单。(3)设计并绘制控制面板布置图。(4)编制设计论文。4第2章专用榫齿铣电气控制系统设计2.1根据要求绘制电器原理图电气原理图是用来表明设备电气的工作原理及各电器元件的作用，相互之间的关系的一种表示方式。运用电气原理图的方法和技巧，对于分析电气线路，排除机床电路故障是十分有益的。电气原理图一般由主电路、控制电路、保护、配电电路等几部分组成。画电气原理图的一般规律如下：(1)画主电路绘制主电路时，应依规定的电气图形符号用粗实线画出主要控制、保护等用电设备，如断路器、熔断器、变频器、热继电器、电动机等，并依次标明相关的文字符号。(2)画控制电路控制电路一般是由开关、按钮、信号指示、接触器、继电器的线圈和各种辅助触点构成，无论简单或复杂的控制电路，一般均是由各种典型电路(如延时电路、联锁电路、顺控电路等)组合而成，用以控制主电路中受控设备的“起动”、“运行”、“停止”使主电路中的设备按设计工艺的要求正常工作。对于简单的控制电路：只要依据主电路要实现的功能，结合生产工艺要求及设备动作的先、后顺序依次分析，仔细绘制。对于复杂的控制电路，要按各部分所完成的功能，分割成若干个局部控制电路，然后与典型电路相对照，找出相同之处，本着先简后繁、先易后难的原则逐个画出每个局部环节，再找到各环节的相互关系。2.1.1主电路电器原理图榫齿机是用于某型发动机叶片根部榫齿铣削加工的一种高效专用铣床，有四台电动机拖动即：(1)铣刀主轴拖动电机M1：主要负责主轴的拖动。(2)铣刀架工进拖动电机M2：主要负责刀架的工进拖动。(3)铣刀架快进拖动电机M3：主要负责刀架的快进拖动和快退拖动。(4)冷却泵拖动电机M4：主要负责冷却泵的拖动。因此可设计出主电路电气原理图如图2-1-1：5图2-1-1主电路电气原理图控制电路原理分析：由图2-1-1可以看出刀开关QS控制整个电路的总电源。熔断器Fu在电路中起到保护整个电路防止各电气设备的电流过载或短路时破坏损失的进一步扩大。将四台电动机并联到电路上以使电动机可以同时启动。由交流接触器KM1对主轴拖动电机M1进行控制同时又由热继电器FR1对主轴拖动电机M1进行保护；由交流接触器KM2对铣刀架工进拖动电机M2进行控制同时又由热继电器FR2对铣刀架工进拖动电机M2进行保护；由交流接触器KM3Z对铣刀架快进拖动电机M3进行正转控制由交流接触器KM3F对铣刀架快进拖动电机M3进行反转控制同时又让交流接触器KM3Z和KM3Z构成互锁又由热继电器FR3对铣刀架快进拖动电机M3进行保护；交流接触器KM4对冷却泵拖动电机M4进行控制又由热继电器FR4对冷却泵拖动电机进行保护.2.1.2控制电路电器原理图6为了便于对设备的维修检测，控制系统一般设有手动自动两种模式。手动模式控制系统中单台设备的运行，以便对单台设备进行维护检修；自动模式为整套系统按各工艺流程自动完成全部过程。根据设计要求可设计出控制电路原理图如图2-1-2：图2-1-2控制电路电气原理图控制电路原理分析：当开启榫齿机后，按按钮开关SB2交流接触器自锁KM1铣刀主轴拖动电机M1开始转动从而带动主轴转动，按下开关SB1则铣刀主轴拖动电机M1停转。按手动选择开关SQ则可以设置照明电灯EL的开启或关闭。按按钮开关SB7交流接触器KM4自锁冷却泵拖动电机M4开始转动带动冷却泵运转工作，按下开关SB6则冷却泵拖动电机M4停转。7当主轴转动后将手动选择开关SA打到自动控制档则机床由4号线进入自动控制循环：铣刀架由铣刀架快进拖动电机M3拖动，当铣刀架行进到指定位置时压行程开关SQ1使铣刀架快进拖动电机M3停转而铣刀架工进拖动电机M2启动带动铣刀架工进，当铣刀架工进一段路径后行程开关SQ1被松开使铣刀架工进拖动电机M2停转而铣刀架快进拖动电机M3再次启动带动铣刀架快进，在铣刀架快进一段路径后压压行程开关SQ2使铣刀架快进拖动电机M3反转带动铣刀架快退，直至回到初始位置压行程开关SQ3使铣刀架快进拖动电机M3反转带动铣刀架快进，从而进入下一个循环。2.2绘制控制面板布置图主轴冷却液/照明自动控制手动控制快进快退工进手动图2-2控制面板布置图榫齿机是用于某型发动机叶片根部榫齿铣削加工的一种高效专用铣床。采用继电-接触系统控制。按现在控制面板的要求，其简单、方便、实用、安全等特点，根据以上的控制要求其控制板如图2-2。8第3章选择电器元件3.1主要电器元件的选择已知的四台电动机的参数为：M1：11.5Pkw1960/minnrM2：21Pkw21440/minnrM3：31Pkw32860/minnrM4：40.125Pkw42860/minnr以上参数可代入公式3.1.1熔断器的选择熔断器是根据电流超过规定值一定时间后，以其自身产生的热量使熔体熔化，从而使电路断开的原理制成的一种电流保护器。熔断器广泛应用于低压配电系统和控制系统及用电设备中，作为短路和过电流保护，是应用最普遍的保护器件之一。熔断器是一种过电流保护电器。熔断器主要由熔体和熔管两个部分及外加填料等组成。使用时，将熔断器串联于被保护电路中，当被保护电路的电流超过规定值，并经过一定时间后，由熔体自身产生的热量熔断熔体，使电路断开，起到保护的作用。以金属导体作为熔体而分断电路的电器。串联于电路中，当过载或短路电流通过熔体时，熔体自身将发热而熔断，从而对电力系统、各种电工设备及家用电器起到保护作用。具有反时延特性，当过载电流小时，熔断时间长；过载电流大时，熔断时间短。因此，在一定过载电流范围内至电流恢复正常，熔断器不会熔断，可以继续使用。熔断器主要由熔体、外壳和支座3部分组成，其中熔体是控制熔断特性的关键元件。由于各种电器设备都有一定的过载能力，当过载较轻时可以允许较长时间运行，而超过某一过载倍数时，相应要求熔断器在一定时间内熔断。选择熔断器保护过载和短路，必须了解用电设备的过载特性，使这一特性恰当地处在熔断器秒-安特性的保护范围之内。选用熔断器的一般原则为：(1)熔断器的保护特性应与被保护对象的过载特性有良好的配合。9(2)按线路电压等级选用相应等级的熔断器，一般熔断器额定电压不应低与线路额定电压。(3)根据配电系统中可能出现的最大短路电流，选择具有相应分断能力的熔断器。(4)各级熔断器应相应配合，一般要求前一级熔体比后一级熔体的额定电流大2～3倍，以免发生越级动作而扩大停电范围。(5)熔体的额定电流应小于或等于熔断器的额定电流。熔断器的额定电流与熔体的额定电流不同，某一额定电流等级的熔断器可以装设不同额定电流的熔体。选择熔断器作线路和设备的保护时，首先要明确选用熔体的规格，然后再根据熔体选择熔断器。本设计属于对多台电动机负载的短路保护其计算公式为1.52.5fuMIII注：其中MI为最大一台电动机的额定电流，I为其余几台电动机总的计算电流。将设计的数值代入得：1.52.53220.2510.25fuIA可以选用熔体为15A的熔断3.1.2热继电器的选择热继电器是一种电气保护元件。它是利用电流的热效应来推动动作机构使触头闭合或断开的保护电器，主要用于电动机的过载保护、断相保护、电流不平衡保护以及其他电气设备发热状态时的控制。热继电器的工作原理如图3-1-2图3-1-2热继电器原理图10由电阻丝做成的热元件，其电阻值较小，工作时将它串接在电动机的主电路中，电阻丝所围绕的双金属片是由两片线膨胀系数不同的金属片压合而成，左端与外壳固定。当热元件中通过的电流超过其额定值而过热时，由于双金属片的上面一层热膨胀系数小，而下面的大，使双金属片受热后向上弯曲，导致扣板脱扣，扣板在弹簧的拉力下将常闭触点断开。触点是串接在电动机的控制电路中的，使得控制电路中的接触器的动作线圈断电，从而切断电动机的主电路。热继电器的基本结构包括加热元件、主双金属片、动作机构和触头系统以及温度补偿元件。保护长期工作或间断长期工作的电动机时热继电器的选用计算方法是：一般情况下，按电动机的额定电流选取，使热继电器的整定值为setNI=(0.95-1.05)I(NI为电动机的额定工作电流)或选取整定范围的中值为电动机的额