机电设备运行与维护钻床控制系统毕业论文设计.doc

毕业设计（论文）

论文题目 摇臂钻床控制系统工程

系 别 机 电 工 程 系
专 业 机电设备运行与维护
班 级 08302班
姓 名 周 川
指导教师 徐克根 陈林

2011年 5月

四川工商职业技术学院教务处制
目 录
1. 设计要求 3
1.1警告符号、标志、项目代号 3
1.1.1控制装置的标志 3
1.1.2项目代号和线路标记（线号） 3
1.2技术要求 3
1.3 防护措施 4
1.3.1电气设备的保护 4
1.3.2短路保护要求 4
1.3.3过载保护要求 4
1.3.4失压保护要求 4
1.3.5欠压保护要求 4
1.3.6对急停开关和电源开关要求 4
1.4对控制和信号电路的规定 5
1.4.1控制和信号电路的电源和保护 5
1.4.2控制电路 5
1.4.3信号电路 5
1.5 对成套电气设备的技术要求及电路的安排 5
1.5.1电器的安排 5
1.5.2方便性 6
1.5.3间隔和爬电距离 6
1.5.4控制箱内电器的安排 6
1.6 对控制器件的规定 6
1.6.1位置与安装 6
1.6.2按钮的相对位置及颜色 6
1.7 电线和电缆、布线等规定 6
1.7.1布线 6
2.摇臂钻床的主要结构及运动行式控制要求 8
2.1 主要结构 8
2.2 运动行式 8
2.3 控制要求 8
3电动机及电缆的选择 9
3.1电动机的选择及要求 9
3.2电缆的选择 9
4.控制线路的设计 9
4.1根据钻床运动要求设计电气控制原理图 9
5.工作过程 10
5.1主电路 10
5.2主轴电动机的控制 10
5.3摇臂升降控制 10
6.元件选择 11
6.1主回路元件选择 11
6.2控制回路元件表 11
6.3控制变压器选择 12
7.元件布置 12
8. 接线图 12
9. 结束语 12
10. 体会 13

钻床控制系统工程设计

摘 要
钻床是一种孔加工机床。可用来钻孔、扩孔、铰孔、攻丝及修刮端面等多种形式加工。在各种钻床中，摇臂钻操作床操作方便、灵活，适用范围广，具有典型性，特别适于单件或批量生产中加工多孔的大型零件。本文主要是探讨如何对摇臂钻床控制系统进行工程设计。

关键词：钻床 工程设计 控制系统
1. 设计要求
我国的工业及生产逐步趋于标准化规范化。“通用技术”是机床电气线路的设计、安装与检修等工作中不可缺少的指导性文件及准则。实施“通用技术”的目的是：保障人身和设备的安全；保证机床和电气设备的可靠性；便于机床及其电气设备的使用和维修。摇臂钻床作为机床的一种，其电气控制系统必须符合机床机床技术的通用要求。因此该设计满足以下要求：
1.1警告符号、标志、项目代号
1.1.1控制装置的标志
控制装置必须在其门或盖板装上数据铭牌。铭牌的内容为：制造厂名称或其商标；电源额定电压、相数和频率耗电总容量或满载电流总和；总电源短路保护器件的断流能力或熔断器的额定电流；设备的防护等级；设备的编号。
1.1.2项目代号和线路标记（线号）
电气设备中每一个元件、器件，必须有与原理图上一致的项目代号必须用耐久的方法标注在元、器件的附近或其上。所有的接线端子、电缆和导线耐久的、与原理图上相应接点一致的线号。
1.2技术要求
A. 所有元、器件在制造厂所规定的范围内使用。如电压、电流、温度等极限值以及冷却和预防冲击、振动、油雾、蒸汽等方面的技术要求。
B. 本控制系统根据用户指定的电源电压和频率设计，电动机工作电压为50Hz/380V，控制线路50Hz/220V。
C. 把摇臂钻床电气设备联接到一个电源上。照明用电设立变压器引出单独电源，电源电压为交流36V。
除摇臂钻床电气设备与供电系统采用插销连接外，电源线应直接联到电源切断开关的电源端子上。接地方式采用外部保护导线（PE）并接机壳端子。
1.3 防护措施
1.3.1电气设备的保护
电气设备在正常工作和事故情况下，具备保护人身安全防止电击能力。自动切断电源的防护。本控制系统防护方法采用：把裸露导体零件接到保护电路上和采用漏电自动切断电源的保护开关。
1.3.2短路保护要求
A. 总保护 该总保护器件无脱扣机构时，允许电动机有最长的起动时间。如果总保护器件具有瞬时切断功能，瞬时动作电流的整定值，至少等于由它负责同时联接、起动或控制的所有电动机和装置的峰值电流总和的110%。
B. 电路和支路的保护 所有导线必须用短路保护器件作保护，该熔断器的额定电流和其他短路保护器件的整定电流，尽可能选小些。但必须满足电动机起动电流和变压器合闸电流的要求。所有的动力导线必须设置短路电流探测和切断器件。短路保护采用熔断器，具体计算与选用见相关内容。
1.3.3过载保护要求
A. 对1kW以上的、连续工作电动机每台电动机有过载保护。过载保护采用热继电器，计算与选用见后相关内容。经常起动的电动机，配合过载保护很困难，因为时间常数与被保护的绕组的时间常数（例如快速移动、锁紧、快速退回等的电动机）相差太大。因此本控制系统中只配备短路保护。
B. 电动机过载保护部件复原后，必须手动复位，电动机才能重新启动。
1.3.4失压保护要求
在电源中断又恢复后，电动机重新自行开动可能危及人身、摇臂钻床，因此采用失压保护，防止重新开动。
1.3.5欠压保护要求
由于电压降低会引起电气设备误动作，从而对人身、摇臂钻床和正在加工的工作有潜在危险时，给设备配上最低电压保护器，以确保在预定电平上起到保护作用。
1.3.6对急停开关和电源开关要求
摇臂钻床电气设备必须具备下述电器，即出现险情时停止摇臂钻床控制系统工作，脱离危险；断开电气设备电源的开关。
A. 急停开关 当出现险情时，操作急停开关，必须能尽快地停止摇臂钻床故障部分，或者整台摇臂钻床的工作。因此采用急停开关切断出现险情的电路。急停开关复位后，摇臂钻床的任何部分不能自行开始动作。急停开关的操纵按钮为红色，手柄或按钮底部面板上必须衬托以黄色，使得容易识别。必须使得事先动作的所有操作件在人工复位后，才能重新开摇臂钻床。
B. 电源开关 电源开关的操作件为手动。在清冼、维修和长期停车期间，电源开关必须能把摇臂钻床的全部电气设备的电源切断。
电源开关满足下列要求：只能有一个断开位置和一个接通位置；看得见的间隔或位置指示；有外部操作手柄。在断开位置上，有能锁住的机构；能切断电源电路的所有带电导线，为黑色，急停开关为红色。
1.4对控制和信号电路的规定
1.4.1控制和信号电路的电源和保护
A. 变压器的使用 由于摇臂钻床具有5个以上电磁线圈（5个接触器、1 个时间继电器、1 个电磁阀等），因此采用控制变压器给控制和信号电路供电，并应接在电源切断开关的负载侧，接在两条相线之间。
B. 过电流保护 直接与电源电压联接的控制和信号变压器供电的电路，有短路保护。当控制和信号电路是通过变压器供电时，变压器二次侧的一根线接保护电路，而另一根线接短路保护器件。
1.4.2控制电路
线圈和触点的联接 每个电磁动作器件的线圈、信号灯或信号灯供电的变压器一次线圈，联接在控制电路接地的一边各个器件的触点应接在线圈和控制电路的另一边之间。各种操作同时进行会引起事故时，对这些操作设置可靠的互锁，如内外立柱加紧与放松之间的互锁。
1.4.3信号电路
采用独立的信号电路，电路电压为交流36V，根据要求选择指示灯的颜色。
1.5 对成套电气设备的技术要求及电路的安排
1.5.1电器的安排
电器在安排上尽可能组装在一起，使其成为一套控制装置。只有那些必须安装在特定位置上的器件，如按钮、手动控制开关、位置传感器、离合器、电动机等，才允许分散安装在指定的位置上。
1.5.2方便性
所有电器必须安装在便于更换、检测方便的地方。
为了便于维修或调整，箱内电气元件的部位，离地0.4～2m之间。所有接线端子，位于离地至少0.2m处，便于装坼导线。
1.5.3间隔和爬电距离
安装器件必须符合规定的间隔和爬电距离，并应考虑有关的维修条件。
控制箱中的裸露、无电弧的带电零件与控制箱导体壁板间间隙为：对于控制电压间隙应≥15；对于主回路的电压，间隙应≥25。
1.5.4控制箱内电器的安排
A. 除了手动控制开关、信号灯，门上不安装任何器件。
B. 电源开关安装在箱内右上方,其操作手柄装在控制箱前面或侧面。电源开关的上方不安装其他电器。
C. 箱内电器安接原理图上的编号顺序，牢固安装在控制箱底板上，并标注符号。
D. 控制箱内电器安装板的大小可自由通过控制箱门，便于装卸。
1.6 对控制器件的规定
1.6.1位置与安装
控制器件安装在干燥和清洁的地方，便于维护和检修，避免装卸材料或其他移动设备时对其损害。手控开关的手柄，必须安装在操作者容易摸到的范围内，不低于操作者站台的0.5m。
1.6.2按钮的相对位置及颜色
A. 对应的“运动”和“停止”按钮相邻安装。“停止”按钮在“起动”按钮的下边或上边。
B. 按钮的颜色，“停止”和急停按钮为红色。当按下红色按钮时，必须使设备停止工作或断电。“起动”按钮的颜色是绿色。
1.7 电线和电缆、布线等规定
1.7.1布线
A. 选用导线
导线的选用要求如下：
a.硬线在固定安装于不动部件之间，且导线的截面积应小于0.5若在有可能出现振动的场合或导线的截面积在大于等于0.5 时，则采用软导线。
b.导线必须经过CCC认证。
c.导线的截面积，必须在能承受正常条件下流过的最大稳定电流的同时，还应考虑到线路允许的电压降、导线的机械强度和熔断器相配合，导线的计算与选用见相关内容。
B. 缚线方法
所有导线从一个端子到另一个端子的走线中间不得有接头，有接头的地方应加装接线盒。
C. 接线方法
所有导线的联接牢固，不得松动。联接器件必须与联接的导线截面积和材料性质相适应。导线与端子的接线，一般一个端子只联接一根导线。有些端子不适合联接软导线时，在导线端头上采用针形、叉形等冷压接线头。
D. 导线的标志
a.动力电路的中线（N）和中间线（M）为浅蓝色；交流或直流动力电路应采用黑色；交流控制电路采用红色；直流控制电路采用蓝色。用作控制电路联锁的导线，如果是与外边控制电路连接，而且当电源开关断开仍带电时，应采用桔黄色或黄色；与保护导线联接的电路采用白色。
b.导线线号的标志应与原理图和接线图相符合。在每一根连线的线头上套上标有线号的套管，位置应接近端子处。线号的应按主电路和控制电路与照明、指示电路分别编制。控制电路与照明、指示电路：应从上至下、从左至右，用数字依次编号。每经过一个电器元件的接线端子，编号要依次递增。编号的起始数字，除开学电路必须从阿拉伯数字1 开始外，其他辅助电路依次递增100作为起始数字，如照明电路编号从101开始，信号电路编号从201开始等。
E. 控制箱内部配线方法
采用正面修改配线的方法，不采用板后配线的方法。
本箱布线采用线槽配线，线槽装线不要超过容积的70%。从外部控制、信号电路进入控制箱内的导线超过10根时，则接到端子板或联接器件过渡，但动力电路和测量电路的导线可以直接接到电器的端子上。
F. 控制箱外部配线方法
全部配线一律装在导线通道内，使导线有适当的机械保护，防止液体、铁屑和灰尘的侵入。导线通道留有余量，允许以后增加导线。导线通道必须固定可靠，内部不得有锐边和远离设备的运动部件。不同电路的导线可以穿在同一线管内，或处于同一个电缆槽中。如果它们的工作电压不同，则所用导线的绝缘等级必须满足其中的最高一级电压的要求。
2.摇臂钻床的主要结构及运动行式控制要求
2.1 主要结构
摇臂钻床由底座、内立柱、外立柱、摇臂、主轴箱、工作台等部分组成，如图1 所示。

图（1） 1 主轴箱 2摇臂 3工作台 4底座 5内外立柱
2.2 运动行式
A. 主运动——主轴旋转；
B. 进给运动——主轴垂直运动
C. 辅助运动——摇臂沿外立柱垂直移动，主轴箱沿摇臂径向水平移动，摇臂与外立柱一起相对于内立柱的回转运动。
2.3 控制要求
A. 床运动部件较多，因此采用多电机拖动。通常设有主轴电动机、摇臂升降电动机、液压泵电动机及冷却泵电动机。
B. 为适应多种形式的加工，要求具有多种切削速度，主轴的旋转和进给速度的控制一般由机械方法实现。主轴的旋转运动与进给运动由一台电动机拖动。
C. 加工螺纹，主轴要求正反转。摇臂钻床主轴正反转一般由液压系统实现。
D. 外立柱的升降由电动机的正反转实现。外立柱绕內立柱的旋转靠人力作用实现。
E. 有必要的连锁与保护。
3电动机及电缆的选择
3.1电动机的选择及要求
见表（1）：

电动机
功率(KW)
电压(V)
作用
M1四级电动机
3.0
380
带动主轴及进给电机
M2四级电动机
1.1
380
带动摇臂升降运动
M3四级电动机
0.6
380
液压泵电动机
M4四级电动机
0.12
380
冷却泵电动机

表（1）
3.2电缆的选择
由于钻床系统电动机额定电压为交流380V，钻床工作环境要求耐热、耐压、耐油污、耐腐蚀等特点故选用型号为YZW 的三相四芯橡胶电缆。
由此可得M1、M2、M3、M4的电流为：
根据计算电流选用电缆
如表（2）：

电动机类别
额定电流（A）
选用电缆类别
电动机M1
6.0
3×2.5mm+1×1.5mm
电动机M2
2.2
3×1.5mm+1×1.0mm
电动机M3
1.2
3×1.0mm+1×0.75mm
电动机M4
0.25
3×1.0mm+1×0.75mm

表（2）
4.控制线路的设计
4.1根据钻床运动要求设计电气控制原理图

图（2）摇臂钻床控制原理图
5.工作过程
5.1主电路
主电动机M1由接触器KM1控制，，由热继电器对其过载保护，电动机只作单向运动。升降电动机M2由接触器KM2、KM3控制实现正反转。M3为液压泵电动机，由接触器KM4、KM5实现正反转控制。M4为冷却泵电动机，由开关SA控制。
5.2主轴电动机的控制
按钮SB1、SB2与接触器KM1构成电动机单向旋转控制电路，控制电动机M1 的单向旋转启动和停止。
5.3摇臂升降控制
摇臂的升降与摇臂的松开、夹紧是一套连贯的动作。摇臂升降为点动控制，释放升降按钮1～3s后，夹紧机构工作，将摇臂夹紧，整套动作结束。以摇臂上升为例动作过程如下：按下SB3→KT线圈得电KT（13-14）闭合同时KT(17-18)断开→YV通电、KM4通电→夹紧装置放松→SQ3复位，其SQ3（1-17）闭合为KM5通电准备→放松完成→SQ2动作SQ2（6-13）断开 →KM4断电→M3停止同时SQ2（6-7）闭合→KM2通电M2正转→摇臂上升。上升到预定位置放开SB3→KM2断电→电动机M2停止→摇臂停止上升；放开SB3→KT也断电，经过1 至3 秒的延时KT（17-18）闭合，同时KT（1-17）断，因SQ3（1-17）闭合KM5得；又由于YV通电→夹紧装置开始夹紧→SQ2复位，为下次升降准备。
6.元件选择
6.1主回路元件选择
A. 刀开关：由于刀开关在主回路应为总额定电流的3倍，Zn=3×（6+2.2+1.2+0.25）=28.95A。应选用型号为HK1-30刀开关。
B. 熔断器：因四台电动机都是单独启动应选用M1额定电流的2.5倍：In=2.5×6=15A ，选用螺旋式熔断器，型号为RL1-15。
C. 热继电器：由于M1和M2长期工作，需用热继电器保护，其整定电流为电动机额定电流，型号为JR0-20/3D。
6.2控制回路元件表
时间继电器及接触器线圈电压统一选择交流220V，信号灯电压交流36V。元件清单详见表（3）：
代号
名称
型号与规格
件数
备注
M1
主轴电动机
Y-160-3 3KW
1
1430r/m
M2
摇臂升降电动机
Y-160-1.1 1.1KW
1
1410r/m
M3
液压泵电动机
Y-160-0.16 0.6KW
1
1380r/m
M4
冷却泵电动机
JCB-22 0.12KW
1
2790r/m
YV
液压分配电磁阀
MQJ1-3
1
线圈电压220V
EL
照明灯
JC2
1
40W 36V
FR1
主轴电动机热继电器
JR0-40
1
热元件 4-6.4A
FR2
液压泵电动机热继电器
JR0-41
1
热元件 1-1.6A
FU1
熔断器
RL1-15/15
3
熔体15A
FU2
熔断器
RL1-1/15
3
熔体10A
FU3
熔断器
RL1-2/15
1
熔体2A
HL1
立柱主轴放松指示灯
LA19-11D
1
黄色36V装于SB5内
HL2
立柱主轴加紧指示灯
LA19-11D
1
黄色36V装于SB5内
HL3
主轴运转指示灯
LA19-11D
1
黄色36V装于SB5内
KM1～KM5
交流接触器
CJ0-10B
5
线圈电压220V
KT
时间继电器
TST-1A
1
线圈电压220V
Q
主电源组合开关
HZ2-30/3
1
板后接线
SA
冷却源组合开关
HZ2-10/3
1
板后接线
SQ
照明灯开关

1
装于照明灯上
SB2 SB5 SB6
按钮
LA19-11D
3
分别带绿、黄、红指示灯
SB1 SB3 SB4
按钮
LA19-11
3
分别带绿、红、黄指示灯
SQ1
摇臂上下限位组合开关
HZ4-22
1

SQ2 SQ3
摇臂松开、加紧行程开关
LX5-11
2

SQ4
主轴箱加紧松开行程开关
LX3-11K
1

6.3控制变压器选择
液压分配电磁阀吸合容量350VA、吸持56VA；交流接触器吸合容量5×65VA、吸持容量5×11VA；时间电器机电吸合工作75VA、吸持工作12VA。假定各线包同时吸合，共计总容量780VA。选取控制变压器总容量为1000VA，规格380/220、36V。
7.元件布置
控制元件 KT、KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、变压器、熔断器及刀开关安装在控制柜中；阀及照明灯安装在设备机身相应位置；按钮安装在操作箱上；行程开关安装相应运动部位。元件部署示意图如图(3)：
8. 接线图
根据要求，接线图按接线分为元件接线图、箱体与机身之间的接线图。元件接线图如图（4）相同线号的接线端接在一起。走线要符合标准，达到安装方便，整齐美观的效果

操作箱 控制柜

图（3）电气元件部署示意图 图（4）接线图
9. 结束语
简单的开关量操作面板，能够尽可能减少伤及人身安全、破坏设备等事故发生。本设计达到生产要求，布局合理，整体结构紧凑美观，符合工艺要求，工作可靠，施工合理方便，满足现场安装和调试的要求。
10. 体会
经过两个多月的努力，企业职位（摇臂钻工）分析面临的问题及策略论文终于完成。在整个设计过程中，出现过很多的难题，但都在老师和同学的帮助下顺利解决了，在不断的学习过程中我体会到：
写论文是一个不断学习的过程，从最初刚写论文时对企业职位面临的问题的模糊认识到最后能够对该问题有深刻的认识，我体会到实践对于学习的重要性，以前只是明白理论，没有经过实践考察，对知识的理解不够明确，通过这次的做，真正做到林论时间相结合。
总之，通过毕业设计,我深刻体会到要做好一个完整的事情，需要有系统的思维方式和方法，对待要解决的问题，要耐心、要善于运用已有的资源来充实自己。同时我也深刻的认识到，在对待一个新事物时，一定要从整体考虑，完成一步之后再作下一步，这样才能更加有效。
参 考 文 献
[1] 赵秉衡主编.《工厂电气控制设备》.冶金工业出版社，2005
[2] 张万忠，孙晋编著.《可编程控制器入门与应用实例》.中国电力出版社，2005
[3] 李贞权，李义华，刘友斌著.《维修电工技师》.机械工业出版社，1999
[4] 郑祖斌主编。《通用机械设备》机械工业出版社 2004
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70. 基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究
71. 基于单片机的叠图机研究与教学方法实践
72. 基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现
73. 基于AT89S52单片机的通用数据采集系统
74. 基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究
75. 机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统
76. 基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究
77. 基于单片机系统的网络通信研究与应用
78. 基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究
79. 基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究
80. 基于双单片机冲床数控系统的研究与开发
81. 基于Cygnal单片机的μC/OS-Ⅱ的研究
82. 基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究
83. 基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现
84. 变频调速液压电梯单片机控制器的研究
85. 基于单片机γ-免疫计数器自动换样功能的研究与实现
86. 基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现
87. 单片机嵌入式以太网防盗报警系统
88. 基于51单片机的嵌入式Internet系统的设计与实现
89. 单片机监测系统在挤压机上的应用
90. MSP430单片机在智能水表系统上的研究与应用
91. 基于单片机的嵌入式系统中TCP/IP协议栈的实现与应用
92. 单片机在高楼恒压供水系统中的应用
93. 基于ATmega16单片机的流量控制器的开发
94. 基于MSP430单片机的远程抄表系统及智能网络水表的设计
95. 基于MSP430单片机具有数据存储与回放功能的嵌入式电子血压计的设计
96. 基于单片机的氨分解率检测系统的研究与开发
97. 锅炉的单片机控制系统
98. 基于单片机控制的电磁振动式播种控制系统的设计
99. 基于单片机技术的WDR-01型聚氨酯导热系数测试仪的研制
100. 一种RISC结构8位单片机的设计与实现
101. 基于单片机的公寓用电智能管理系统设计
102. 基于单片机的温度测控系统在温室大棚中的设计与实现
103. 基于MSP430单片机的数字化超声电源的研制
104. 基于ADμC841单片机的防爆软起动综合控制器的研究
105. 基于单片机控制的井下低爆综合保护系统的设计
106. 基于单片机的空调器故障诊断系统的设计研究
107. 单片机实现的寻呼机编码器
108. 单片机实现的鲁棒MRACS及其在液压系统中的应用研究
109. 自适应控制的单片机实现方法及基上隅角瓦斯积聚处理中的应用研究
110. 基于单片机的锅炉智能控制器的设计与研究
111. 超精密机床床身隔振的单片机主动控制
112. PIC单片机在空调中的应用
113. 单片机控制力矩加载控制系统的研究
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