机床电气控制课程设计机床工作台的往复运动.doc

青岛理工大学（临沂）

《机电一体化技术与系统》课程设计说明书

设计题目：机床工作台的自动循环往复运动

院 （系）：机电工程系
专 业：机电一体化114班
学 号 : 201181126
学生姓名: 肖**
指导教师: 杨自娟
起迄日期: 2013.12.16-2013.12.27
机床工作台的自动循环往复运动
一、设计目的
在实际生产中,有些生产机械的工作台需要自动往复运动,并且有的还要求在两终端要有一定时间的停留,以满足生产工艺要求。在机床电气设备中，有些是通过工作台自动往复循环控制的，例如万能铣床，龙门刨床的工作台上下、前后、左右的运动等。这些生产机械运动部件的行程或位置要受到限制，或者需要其运动部件在一定范围内自动往返循环等。这些都要让我们会正确识别、选用安装、使用行程开关，熟悉电动机位置控制、自动往返控制电路的构成和工作原理。会安装与检测电动机位置控制和自动往返控制线路。还要让我们学会运用机械设计与制造的知识，正确选择工作台的传动装置、支撑部分，另外机床工作台系统的材料也要合理的选择以符合工程力学。电动机的正反转是实现工作台自动往复循环的基本环节。
二、设计要求
1.要有机械设计，电气控制设计
2.自动控制与手动控制相结合
3.运行过程中任一位置都可以停止和再次起动
4.要有必要的保护电器
5.所用元件应便于安装和调整，注意经济性。
6.了解和熟悉所设计机械设备的总体技术要求、加工工艺过程和生产现场的工作条件。
7.了解该设备中采用的其他系统，如液压系统、气动系统对电气控制系统的技术要求。
8.通过技术经济分析，确定该系统具有的自动化、通用化程度。
三、工作台传动方式
1.工作台类型选择
工作台的类型大体有以下几种

A 桥框式

B 悬臂移动式

C 立柱式
桥框式和悬臂移动式的工作台基本固定，机床的主轴部分驱动来进给作业，这类驱动在技术上要求较高，而且长时间的作业会让悬臂变形，影响精度作业。本设计选用的是X-Y工作台，即立柱式工作台，其结构牢靠、精度高，可以加工与检测合为一体，但是他有一个缺点就是XY两个方向运动，相对占用空间大一些。
2.基本传动方式选择
根据丝杠和螺母相对运动组合情况，其基本传动形式有四（1）螺母固定，丝杠转动并移动；（2）丝杠转动，螺母移动；（3）螺母转动，丝杠移动；（4）丝杠固定，螺母转动并移动。如图1所示。选择螺母固定、丝杠转动并移动传动形式。

图1 基本传动形式

该传动形式国螺母本身起着支承作用，消除了丝杠轴承可能产生的附加轴向窜动，结构较简单，可获得较高的传动精度，且其轴向尺寸不是太长，适用于300×400mm的行程。
四、导轨选择
导轨是机床的关键部件之一，其性能好坏，将直接影响机床的加工精度、承载能力和使用寿命。导轨设计应满足：导向精度、耐磨性、低速运动平稳性、刚度、结构简单、工艺性好、便于间隙调整，具有良好的润滑和防护等要求。
1.滚动导轨类型的选择
滚动导轨类型很多，有直线运动和回转运动导轨；按滚动体的开关分有滚珠，滚柱和滚针；按滚动体是否循环分为滚动体不循环和滚动体循环导轨。在此次设计中选用滚动体循环的直线滚动导轨副，这是因为直线滚动导轨副中，滚珠沟槽接触，因而许用载荷和刚度与点接触相比有较大提高，又采用直线滚动导轨副可简化设计、制造和装配工作。其定位精度可达到0.1-0.2μm，用于精密机械加工。

图2
根据使用要求不同，国内已开发出两种类型的直线滚动导轨副，选用适用于X-Y工作台的GGA型，其特性和结构如图2所示
2. .导轨的防护装置
导轨常用的防护装置有：1）刮板式 其宽度、形状与导轨相同，耐热 性好但只能排除大的颗粒；2）伸缩式 有软式皮腔式和叠层式。这类 结构可以把导轨全部封闭起来，防护可靠，在滚动导轨和滑动导轨中都能使用。其中皮腔式防护多用帆布、皮革做成，结构简单，但是不耐热；而叠层式的盖板由钢板制成，耐热性好，强度高，刚性好，寿命长。本设计选用伸缩叠层防护装置。
五、继电器-接触器控制电路设计
1.行程开关是一种将机械信号转换为电气信号，以控制运动部件位置或行程的自动控制电器。而位置控制就是利用生产机械运动部件上的挡铁与位置开关碰撞，使其触头动作，来接通或断开电路，以实现对生产机械运动部件的位置或行程的自动控制。
SB2
SQ1
9
8
7
6
5
4
3
2
0
1
KM1
KM2
FR
SB3
SB2
SB1
W11
U11
V11
W13
W121
V12
U12
V11
U11
W
V
U
KM1
KM2
FU1
FU2
PE
QS
L1
L3
L2

M
3～
FR
KM2
KM1
KM2
KM1

图3 位置控制电路

线路工作原理叙述如下：先合上电源开关QS。
按下SB1
移至限定位置，挡铁1碰撞位置开关SQ1
电动机M启动连续正转
KM1自锁触头闭合自锁
KM1线圈得电
KM1主触头闭合
KM1联锁触头分断对KM2联锁
行车停止前移
SQ1常闭触头分断
行车前移
电动机M失电停转
KM1自锁触头分断解除自锁
KM1线圈失电
KM1主触头分断
KM1联锁触头恢复闭合解除联锁
1、行车向前运动：

此时，即使再按下SB1，由于SQ1常闭触头已分断，接触器KM1线圈也不会得电，保证了行车不会超过SQ1所在的位置。
按下SB2
电动机M启动连续反转
KM2自锁触头闭合自锁
KM2线圈得电
KM2主触头闭合
KM2联锁触头分断对KM1联锁
行车后移（SQ1常闭触头恢复闭合）
移至限定位置，挡铁2碰撞位置开关SQ2
SQ2常闭
行车停止后移
触头分断
电动机M失电停转
KM2自锁触头分断解除自锁
KM2线圈失电
KM2主触头分断
KM2联锁触头恢复闭合解除联锁
2、行车向后运动：

停车时只需按下SB3即可。
2.机械设备中的机床工作台需要在一定的距离内能自动往复不断循环，以使工件能连续工作。图4是机床工作台往复循环的运动示意图和控制电路，实质上是用行程开关来自动实现电动机正反转的。

SQ4 SQ2

SQ1 SQ3
前进
后退
B
A

按下SB1
电动机M正转
KM1自锁触头闭合自锁
KM1线圈得电
KM1主触头闭合
KM1联锁触头分断对KM2联锁
线路的工作原理如下：先合上QS。

电动机停止
反转工作台
停止右移
……
电动机停止正转，工作台停止左移
移至限位开关挡铁1碰撞SQ1
工作台左移
KM1自锁触头分断解除自锁
KM1线圈失电
KM1主触头分断
KM1联锁触头恢复闭合解除联锁
SQ1—1先分断
SQ1—2后闭合
电动机M反转
KM2自锁触头闭合自锁
KM2线圈得电
KM2主触头闭合
KM2联锁触头分断对KM1联锁
工作台右移（SQ1触头复位）
移至限定位置
挡铁2碰SQ2
以后重复上述过程，工作台就在限定的行程内自动往返运动。
工作台又左移（SQ2触头复位）
KM2自锁触头分断解除自锁
KM2主触头分断
KM2联锁触头恢复闭合解除联锁
SQ1—1
先分断
SQ1—2
后闭合
KM2线圈失电
电动机M又正转
KM1自锁触头闭合自锁
KM1线圈得电
KM1主触头闭合
KM1联锁触头分断对KM2联锁
工作台停止运动。
停止时，按下SB3
整个控制电路失电
电动机M失电停转
KM1(或KM2)主触头分断

10
11
0
9
8
7
6
5
4
3
2
SQ2—1
SQ1—2
SQ1—1
KM1
KM2
KM2
KM1
FU2
SQ2—2
QS
L1
L3
L2
KM1
SB1
KM2
SB2
1
FR
SB3
W11
U11
V11
W13
W121
V12
U12
V11
U11
W
V
U
KM1
KM2
FU1
PE

M
3～
FR
SQ3
SQ4
图4 工作台自动往返行程控制线路

六、电动机及其他电气元件的选择
1.电动机的选择
电动机功率的确定是选择电动机的关键，但也要对转速、使用电压等级及结构形式等项目进行选择。异步电动机由于它结构简单坚固、维修方便、造价低廉，因此在机床中使用得最为广泛。 电动机的转速愈低则体积愈大，价格也愈高，功率因数和效率也就低，因此电动机的转速要根据机械的要求和传动装置的具体情况加以选定。异步电动机的同步转速有3000 r/min、1500 r/min、1000 r/min、750 r/min、600 r/min等几种，这是由于电动机的磁极对数的不同而决定的。电动机转子转速由于存在着转差率，一般比同步转速约低2％~5％。一般情况下，可选用同步转速为1500r/min的电动机，因为这个转速下的电动机适应性较强，而且功率因数和效率也高。若电动机的转速与该机械的转速不一致，可选取转速稍高的电动机通过机械变速装置使其一致。 根据以上内容选择主轴电动机M1转速为1450r/min。
2. 接触器的选用
选择接触器主要依据以下数据：电源种类（直流或交流）；主触点额定电流；辅助触点的种类、数量和触点的额定电流；电磁线圈的电源种类、频率和额定电压；额定操作频率等。机床用的最多的是交流接触器。
交流接触器的选择主要考虑主触点的额定电流、额定电压、线圈电压等。
交流接触器主触点的额定电压一般按高于线路额定电压来确定。
根据控制回路的电压决定接触器的线圈电压。为保证安全，一般接触器吸引线圈选择较低的电压。但如果在控制线路比较简单的情况下，为了省去变压器，可选用380V电压。值得注意的是，接触器产品系列是按使用类 别设计的，所以要根据接触器负担的工作任务来选用相应的产品系列。
接触器辅助触点的数量、种类满足线路的需要。
3. 继电器的选用
1）一般继电器的选用
一般继电器是指具有相同电磁系统的继电器，又称电磁继电器。选用时，除满足继电器线圈电压或线圈电流的要求外，还应按照控制需要分别选用过电流继电器、欠电流继电器、过电压继电器、欠电压继电器中间继电器等。另外电压、电流继电器还有交流、直流之分，选择时也应当注意。
2）时间继电器的选择
时间继电器是压力机控制线路中常用电器之一。它的类型有：电磁式，空气阻尼式，电动式及电子式等。用的较多的是空气阻尼式时间继电器，它的特点是工作可靠，结构简单，延时整定范围较宽（可达0.4s～180s）
时间继电器型式多样，各具特点，选择时应从以下几方面考虑。
(1) 根据控制线路的要求来选择延时方式，即通电延时型或断电延时型。
(2) 根据延时准确度要求和延时时间的长短来选择。
(3) 根据使用场合、工作环境选择合适的时间继电器。
3）热继电器的选择
热继电器的选择应按电动机的工作环境、起动情况、负载性质等因素来考虑。一方面要充分发挥电动机的过载能力，另一方面，对电动机在短时过载与起动瞬间不受影响。
热继电器结构形式的选择。星形连接的电动机可以选择两相或三相结构的热继电器，三角形连接的电动机应当选择带断相保护装置的三相结构热继电器。
热元件选好后，还需根据电动机的额定电流来调整它的整定值。

七、可编程序控制器控制设计
该工作台为单机运行工作，暂不考虑其他能力。经估算PLC内存容量约等于I/0总点数的10倍，即为280条指令，且机床的工作时间较长，选用ACMY-S256型控制器，其技术可满足控制要求

图5 工作台往复运动梯形图
根据下图程序指令表，将已经设计的程序输入PLC用户存储器中，按实际控制要求，用开关电器制成模拟板，模拟控制对象，进行程序功能的调试。
步序
指令
步序
指令
0
LD M8002
6
LD T0
1
SET S20
7
OUT Y2
2
STL S20
8
LD X3
3
LD X0
9
SET S23
4
OUT Y0
10
OUT T
5
LD X1
END
图6系统指令表