CW6136A型卧式车床电气控制系统设计.doc

学院：机电工程学院
专业：农业电气化与自动化
班级：13级农电班
姓名：郑博宁 赵智辉 韦志杰
题目：CW6136A型卧式车床电气控制设计

指导教师：李海军 刘宇
设计日期：2016.5.6

摘 要

CW6136A型卧式车床是机床中应用最为广泛的一种，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，该车床会有变速的能力，应选择合适的主轴转速及进给速度。为了满足加工时的需要，主轴的旋转运动有时需要正转运动而有时需要反转运动，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，来实现刀具切削时冷却。

关键词：CW6136A型车床；电气控制；PLC

目 录

1 课题背景及任务要求…………………………………………………………1
1.1 课题背景…………………………………………………………………1
1.2 任务要求…………………………………………………………………1
2 设计方案（继电器控制）……………………………………………………1
2.1 M1电机……………………………………………………………………1
2.2 M2电机……………………………………………………………………1
2.3 总电路设计………………………………………………………………1
3 电气控制柜安装与调试………………………………………………………2
3.1 要求………………………………………………………………………2
3.2 元器件明细………………………………………………………………2
3.3 实物图……………………………………………………………………3
3.4 调试情况…………………………………………………………………4
4 PLC控制系统设计……………………………………………………………4
4.1 I/O分析与PLC选择……………………………………………………4
4.2 I/O分配及外围接线图…………………………………………………5
4.3 程序设计及调试…………………………………………………………5
4.4 梯形图……………………………………………………………………6
5 结论……………………………………………………………………………7
参考文献…………………………………………………………………………8

1 课题背景及任务要求
1.1 课题背景
工业生产部门的生产机械设备，基本上都是通过金属切削车床加工生产出来的，因此说车床是机械制造业中的主要加工设备，车床的质量、数量及自动化水平，都直接影响到整个机械工业的发展。而对于这些车床，我们都是通过电来控制，所以说车床的电气控制是尤为重要的，在车床电气控制方面，最初采用手动控制，如少数容量小、动作单一的车床，使用手动控制电器直接控制。后来由于切削工具、车床结构的改进，切削功率的增大，车床运动的增多，手动控制已不能满足要求，于是出现了以继电器---接触器为主的控制电器所组成的控制系统。
这种车床电气控制是继电器接触式控制系统，由继电器、接触器、按钮、行程开关等等组成，实现对车床多种活动控制。这种以继电器,接触器为主的的控制电器所组成的控制装置和控制系统可实现对车床各种运动的的控制，如启停，反转，改变速度等。继电器接触式控制系统的结构简单、维护方便、抗干扰强，工作稳定可靠，成本低，所以在工业生产中电气控制系统使车床自动化又迈进了一大步。
1.2 任务要求
（1）整个机床电路要具有短路保护，M1要具有短路、过载保护，M2具有短路保护；
（2）M1具有正、反转控制功能；
（3）M1为双速电机；
（4）M2为单向运转，不采用制动措施，可直接启动；
（5）控制回路工作电压为220V。
2 设计方案（继电器控制）
2.1 M1电机
电机M1分别通过线圈KM1、KM2、KML、KMH与KM来控制它们各自的正转运行、反转运行、低速运行、高速运行。
2.2 M2电机
电机M2则是通过控制线圈KM3来控制它自身的冷却时的正常运行。
2.3 总电路设计

图1 主电路及控制电路原理图

3 电气控制柜安装与调试
3.1 要求
1）全部机柜装配完整，全部电气工作满足电气规范的应用要求；
2）供电电源：两相交流220V，50HZ；
3）安装地点的环境温度：0到50摄氏度；
4）安装地点的相对湿度：空气的相对湿度<85%，无凝露；
5）控制柜安装地点不可有腐蚀性介质和爆炸危险介质；
6）控制柜外壳良好的接地保护，接地电阻小于4欧姆；
7）控制柜按一定容量与工作制设计，禁止用于设计外的其他场合。
3.2 元器件明细
1、接触器的选用
接触器用于带负载主电路的自动接通或切断。分直流、交流两类，机床中应用最多的是交流接触器。
选择接触器主要考虑一下技术数据：
1）电源种类：交流、直流。
2）主触点额定电压、额定电流。
3）辅助触点的种类、数量及触点额定电流。
4）电磁线圈的电源种类，频率和额定电压。
5）额定操作频率，即允许的没小时接通的最多次数。 主触点额定电流，一般根据电动机容量Pd计算触点电流Ic，即 Ic>=1000Pd/KUd。
式中，K—经验常数，一般取1~1.4；
Pd—电动机功率（kW）；
Ud—电动机额定线电压（V）；
Ic—接触器主触点电流（A）；
主电机：
接触器KM1、KM2、KM、KML、KMH，根据主电动机M1的额定电流Ie=,控制回路电源220V，KM1需要主触点3对，动合触点4对，动断触点1对；KM2需要主触点3对，动合触点3对，动断触点1对；KML需要要主触点3对，动合触点1对，动断触点1对；KMH需要主触点3对，动合触点2对，动断触点1对；KM需要主触点3对。根据上述情况，选用CJ0-40型接触器，电磁线圈电压为220V。
冷却泵：
由于M2电动机的额定电流较小，接触器KM3可选用CJ0-40交流接触器，线圈电压220V,触点电流5A，KM3需要主触点3对，动合触点1对。
2、热继电器的选用
热继电器用于电动机的过载保护。热继电器的选择主要是根据电动机的额定电流来确定其型号和规格。热继电元件的额定电流Irt应接近或者略大于电动机的额定电流Ied，即：Irt=（0.95—1.05）Ied
热继电器的整定电流值是指热元件通过的电流超过此值的20%时，热继电器应当在20min内动作。选用时整定电流应与电动机额定电流一致。主电动机M1额定电流30A,热继电器FR应选用JR0-40型的，热元件的电流为40A,整定电流调节范围25~40A,工作时将额定电流调节为30A。

表1 元器件明细表
符号
名称
型号
规格
数量
M1
三相异步电动机
Y160M-4
11KW
380V 1460r/min
1
M2
冷却泵电动机
JCB-22
0.125kW
380V 2790r/min
1
KM1、KM2、KM3 KMH、KML、KM
交流接触器
CJ0-40
额定电流40A
220V
6
FU
熔断器
RL1-100
380V 100A
熔体80A
1
SB1、SB4、SB7
按钮
LA19-11
黄色 5A
3
SB2、SB3、SB6
按钮
LA19-11
绿色 5A
3
SB5
按钮
LA19-11
红色 5A
1
FR
热继电器
JR0-40
额定电流40A，整定电流30A
1

3.3 实物图

图2 电气控制柜接线图

图3 按钮接线图 图4 按钮分布图

3.4 调试情况
主电动机M1的工作情况： 
（1）正转低速：当按SB2下按钮，KM1线圈得电，KM1主触点闭合，然后按下SB4按钮，KML线圈得电，KML主触点闭合，正转低速起动。
（2）正转高速：当按下SB2按钮，KM1线圈得电，KM1主触点闭合，然后按下SB5按钮，KMH线圈得电，KMH线圈得电，KM线圈得电，KMH主触点闭合，同时KM主触点闭合，正转高速起动。
（3）反转低速：当按下SB3 按钮，KM2线圈得电，KM2主触点闭合，然后按下SB4按钮，KML线圈得电，KML主触点闭合，反转低速起动。
（4）反转高速：当按下SB3按钮，KM2线圈得电，KM2主触点闭合，然后按下SB5按钮，KMH线圈得电，KM线圈得电，KMH主触点闭合，同时KM主触点闭合，反转高速起动。
冷却泵电动机M2的工作情况：
按下SB7按钮，KM3线圈得电，KM3主触电闭合，同时形成自锁，电机启动。
4 PLC控制系统设计
4.1 I/O分析与PLC选择
1、对输入／输出点的选择
盲目选择点数多的机型会造成一定浪费。要先弄清楚控制系统的 I／O 总点数，再按实际所需总点数的 15～20％留出备用量（为系统的改造等留有余地）后确定所需 PLC 的点数。
另外要注意，一些高密度输入点的模块对同时接通的输入点数有限制，一般同时接通的输入点不得超过总输入点的 60％；PLC 每个输出点的驱动能力（A／点）也是有限的，有的 PLC 每点输出电流的大小还随所加负载电压的不同而异；一般 PLC 的允许输出电流随环境温度为升高而有所降低等。在选型时要考虑这些问题。
PLC 的输出点可分为共点式、分组式和隔离式几种接法。隔离式的各组输出点之间可以采用不同的电压种类和电压等级，但这种 PLC 平均每点的价格较高。如果输出信号之间不需要隔离，则应选择前两种输出方式的 PLC。
2．对存储容量的选择
对用户存储容量只能作粗略的估算。在仅对开关量进行控制的系统中，可以用输入总点数乘 10 字／点＋输出总点数乘 5 字／点来估算；计数器／定时器按（3～5）字／个估算；有运算处理时按（5～10）字／量估算；在有模拟量输入／输出的系统中，可以按每输入（或输出）一路模拟量约需（80～100）字左右的存储容量来估算；有通信处理时按每个接口200 字以上的数量粗略估算。最后，一般按估算容量的 50~100%留有裕量。对缺乏经验的设计者，选择容量时应留有较大的裕量。
3．对 I/O 响应时间的选择
PLC 的 I/O 响应时间包括输入电路延迟、输出电路延迟和扫描工作方式引起的时间延迟（一般在 2～3 个扫描周期）等。对开关量控制的系统，PLC 的 I/O 响应时间一般都能满足实际工程的要求，可不必考虑 I/O 响应问题。但对模拟量控制的系统、特别是闭环控制系统要考虑这个问题。
4．根据输出负载的特点选型
不同的负载对 PLC 的输出方式有相应的要求。例如，频繁通断的感性负载，应选择晶体管或晶闸管输出型的，而不应选用继电器输出型的。但继电器输出型的 PLC 有许多优点，如导通压降小，有隔离作用，价格相对较便宜，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，其负载电压灵活（可交流、可直流）且电压等级范围大等。所以动作不频繁的交、直流负载可选择继电器输出型的 PLC。综上所述，我们的PLC所选择型号为CPM1A-20CDR-A型可编程控制器。
4.2 I/O分配及外围接线图

表2 I/O分配表格
输入
输出
元件
地址
功能
元件
地址
功能
SB1
00000
M1总停止
KM1
01001
M1正转
SB2
00001
KM1通电
KM2
01002
M1反转
SB3
00002
KM2通电
KML
01003
M1低速
SB4
00003
KML通电
KMH
01004
M1高速
SB5
00006
KMH、KM通电
KM
01005

M2运转
SB6
00009
M2总停止
KM3
01006
SB7
00010
KM3通电
FR

过载保护

FU

短路保护

图5 PLC控制系统外围接线图

4.3 程序设计及调试
（1）了解和分析被控对象的控制要求，确定输入、输出设备的类型和数量。 
（2）根据输入、输出设备的类型和数量，确定PLC的I/O点数，我们有7个输入端，6个输出端，并选择相应点数的PLC机型为CPM1A-20CDR-A型。 
（3）合理分配I/O点数，绘制PLC控制系统输入、输出端子接线图。 
（4）根据控制要求绘制工作循环图或状态流程图。 
（5）根据工作循环图或状态流程图编写梯形图、指令语句、汇编语言或计算机高级语言等形式的用户程序。 
（6）用编程器将用户程序输入到PLC内部存储器中，进行程序调试。 
（7）程序调试。先进行模拟调试，再进行现场联机调试；先进行局部、分段调试，再进行整体、系统调试。 
（8）调试过程结束，整理技术资料，投入使用.
4.4 梯形图

图6 M1电机正转工作时

图7 M1电机反转工作时

图8 M1电机低速运转工作时

图9 M1电机高速运转工作时

图10 M2电机工作

5 结论
通过这次课程设计我们知道很多关于卧式车床的知识，虽然在做程设计的过程中遇到很多问题，但是我们也从中收获到了许多原来不知道的知识。我们发现我们对CW6163A型卧式车床的认识还很少,我们要学习的东西还有很多,多翻看书籍是必不可少的。不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多书本上所没有学到过的知识。   
在课程设计的期间我们去查书，查资料，请教同学的过程就是我们提高的过程，久违的认真又体会了一次，尤其感谢老师的谆谆教诲，感谢同学们的积极帮忙，我们的课程设计终于顺利完成了。我们学到了许多关于卧式车床的知识，了解了卧式车床的各部分的组成，调速以及正反转。最后，经过一个星期的研究、学习与查阅相关资料，按要求完成了老师下发的课题，最终完成了设计，总体感觉收获还是非常大的。

参 考 文 献
1 齐占庆等.电气控制技术.机械工业出版社，2002
2 罗洪田.机械原理课程设计指导书.等教育出版社，1999
3 王仁祥.常用低压电器原理及其控制技术.机械工业出版社，2006
4 赵明.工厂电气控制设备.机械工业出版社，1985
5 陈伯时等.交流调速系统.北京：机械工业出版社，1997
6 方承远.工厂电气控制技术.北京：机械工业出版社，2006
7 原魁.变频器基础及应用.北京：冶金工业出版社，1997
8 陈绍华.机械设备电气控制.广州：华南理工大学出版社，1998
9 孟建军.电气控制基础与可编程控制器应用.西安：西安电子科技大学出版社，2007
10 韩安荣.通用变频器及应用.北京：机械工业出版社，2000
11 周明溥.机械原理课程设计.海科学技术出版社，1997
8