四工位组合机床的电气控制电路设计

四工位组合机床的电气控制电路

概述

四工位组合机床的对某种特定工件进行特定加工的一种高效率、自动化的专用设备。这种机床是具有自动工作循环并能实现自动调整的加工设备，它能够用十几把刀甚至几十把刀具同时进行加工。

本组合机床是由通用部件组合而成，其控制系统是采用电气、液压、机械组合的控制方式。

该组合机床由液压动力头和液压回转工作台两大部分组合而成，它用来加工一种轮毂工件上十二个孔所用的专用机床，立式动力头上装有36把刀具，其中12把钻头，12把扩钻头和12把铰刀。加工位共有四个：第一是装卸工件；第二个是钻孔工序；第三个是扩孔工序；第四个是铰孔工序。加工工位布置图见下图所示。

图2-22 四工位组合机床示意图

一工位（装卸）

四工位（铰孔）

三工位

（扩孔）

二工位

（钻孔）

目录

第一章设计思想和步骤

1.1设计任务 1.2设计条件

1.3设计要求

1.4设计思想及步骤

第二章四工位的电路设计

2.1主电路设计

2.2变压器设计

2.3控制电路设计

第三章四工位机床的工作台电路设计

3.1液压回转工作台的控制电路设计

3.2液压动力头控制电路设计

3.3指示灯电路设计

3.4总电路设计

第四章PLC电路设计

4.1 PLC控制设计

4.2电路元件选择

4.3明细表

第五章总结

5.1参考文献

5.2设计小结

第一章设计思想和步骤1.1设计任务

1.1设计任务

1：根据条件与要求设计出KA-KM电路。

2：根据设计的KA-KM电路做一张J-C电路图。

3：根据KA-KM列出输入状态表。

4：根据KA-KM列出输出状态表。

5：根据KA-KM列出中间元件状态表。

6：根据KA-KM列出定时器状态表。

7：根据上表绘制梯形图。

8：根据梯形图编制程序。

9：作出现场接线图。

10：编写说明书。

1.2设计条件

（一）组合机床的启动工作状态

回转台抬起→回转抬回转→回转台反靠→回转台夹紧→动力头快进→动力头工进→延时停留→动力头快退。

（二）液压回转工作台回转控制状态

液压回转工作台是靠控制液压系统的油路来实现工作台转位动作，而液压系统的动作循环是靠电气电路控制。

1：回转台的转台动作。自锁销脱开及回转台抬起→回转台回转及缓冲→回转工作台反靠→回转工作台夹紧。

2：液压回转工作台控制电路采用低压直流信号控制。

（三）液压动力头控制状态

动力头是既能完成进给运动，又能同时完成刀具切削与动的动力部件。

1：液压动力头的自动工作循环

动力头快进→力头工进→延时停留→快速退回原位。 2：工作状态图

四工位组合机床动力头的工作状态示意图如下图所示。

图2-24 动力头工作示意图

3：动力头工作要求

本组合机床有三个动力头，分别控制钻头、扩孔、铰孔工作，这三个动力头是同步实现。钻孔、扩孔、铰孔的工艺分别是根据距离的不同由机械来保证，故在此我只作出一个动力头的电气控制原理图。 ①动力头必须在回转工作台夹紧后才能移动。 ②要求动力头能实现点动调整控制。 ③要求动力头在任意时刻实现快退控制。

1.3设计要求

①机床的主电路由三台三相交流异步电动机及、及其附属电气元件组成，由于各电动机容量不大，可采用直接起动控制。

②M1是主电动机，只需单方向起动，要求有短路及过载保护。

③M2是液压泵电动机，也只需单方向起动，要求有短路及过载保护。

④M3是冷却泵电动机，功率较小，单方向运转，要求有短路及过载保护。

⑤M1和M2可以同时起停，也可单独起停。

⑥要求在动力头工作时，M3才接通，但也可以随时调整。

⑦主电路供电电压为380V；控制电路电压为220V；直流控制电路电压24V，由桥式全波整流电路供给（整流之前为交流28V），指示灯电路为6.3V。

⑧要求各工作状态有指示灯显示，以便说明机床工作在什么状态。

⑨电路中设置必要的各种保护，联锁控制。

1.4设计思想及步骤

由于四工位组合机床是由一些电气控制基本环节组成。我们可以利用这些基本环节的组合机床进行设计，然后将各部分联系起来，再根据要求对整体电路进行分析，进行修正，直至达到控制要求，作出继电接触器原理图。

㈠电力拖动方案确定和电动机选择

①机床的主电路由三台三相交流笼型异步电动机及其附属电气元件组成，由于电动机容量都不大，故可采用直接起动控制。

②根据生产机械的技术要求，选择电动机。

主轴电动机为立式、防护式、断续周期性工作制，额定电压为380V。液压泵电动机为卧式、封闭式、连续工作制，额定电压为380V的交

流异步电动机。

㈡继电-接触器控制系统设计方案确定

①为满足生产机械的工艺要求，应充分了解工作性能、结构性能、运动情况、加工工艺及加工情况。考虑控制方案时，采用必要的联锁与保护环节，保证生产工艺要求。

②为满足控制电路的电压值要求，采用降压变压器，二次电压为6.3V、28V、220V三种电压再经桥式全波整流为24V直流输出供给电磁阀电路。

③为保证控制电路工作的可靠性，对电器元件的联接要求需考虑，应尽量减少触点数和联接导线数，防止出现寄生电路。各种指示灯与控制电路分开供电。

④为了保证操作人员、电器设备、生产机械设备的安全，并能有效地控制事故的扩大，在电器控制电路中，采取了一定的保护措施，有短路保护、过载保护、失电压、欠电压、零电压保护、联锁保护、限位保护、过电流保护等。

第二章四工位的电路设计

2.1主电路设计

1.设计要求

①主轴电动机单方向起动，要求有过载及短路保护。

②液压泵电动机单方向起动，过载及短路保护。

③冷却泵电动机单向工作，过载及短路保护。

2.元件选用

根据上面要求，要选用三台电动机：

M1——控制主轴的电动机；

M2——控制液压泵的电动机；

M3——控制冷却泵的电动机。

再根据电动机的控制要求选择元件：

QF——控制总电源的断路器，实现短路和过载保护；FU1～FU3——控制各电动机短路保护；

KM1——控制主轴电动机单向工作；

KM2——控制液压泵电动机工作；

KM3——控制冷却泵电动机工作；

FR1～FR3——用与各电动机的过载保护控制。

3.作出电路草图如下：

图2-25 主电路冷却泵电动机

液压泵电动机主轴电动机～

～

～

2.2变压器设计

1.设计条件：

①主电路要求供电电压为交流380V。

②控制电路要求供电电压为交流220V。

③直流控制电路（电磁阀电路）供电为直流24V，由桥整电路供给。

④指示灯电路供电为交流6.3V。

2.元件选用

TC——选用输出端的变压器，分别输出为220V、28V、6.3V；VC——桥式整流装置，输出24V。

3.作变压器草图如下：

～

～380

～

～6.3

图2-26 变压器电路

2.3控制电路设计

1.设计要求

主轴电动机M1和液压泵电动机M2可以同时起停，也可以单独起停。要求在动力头工作进给时，冷却泵电动机M3才接通，但也可以随时调整。

2.元件选用

KM1～KM3——控制M1～M3单向起动动作接触器；

SB1——总停按钮；

SB2、SB3——M1与M2起动按钮；

SB4、SB5——M1与M2停止按钮；

SB6——冷却泵电动机（M3）调整按钮；

SB7——冷却泵电动机单独停止按钮；

SA1——控制M1与M2的同时与单独起停开关；

SA2—实现动力头工进时自动起动与手动调整的开关；FR1～FR3——M1～M3过载保护热继电器；

SA3——照明开关；

HL1——电源指示灯；

EL——照明灯。

3.控制电路草图

根据所选元件与工作要求画出控制电路图，

如下图：

图2-27 控制电路

4.工作原理

⑴主轴起动

首先合QF→HL1灯亮，表示电源供电正常

按下SB2→KM1（+）→KM1主闭→M1起动运转，拖动主轴旋转，KM1辅闭自锁。

⑵主轴停止

按SB4（或SB1）→KM1（–）→KM1主复位→M1停止。

⑶液压泵起动

按SB3→KM2（+）KM2主闭→M2起动，提供高压油，为液压系统工作准备，KM2辅闭自锁。

⑷液压泵停止

按SB5→KM2（–）→RM2主复位→M2停止。

⑸主轴与液压泵同时工作

首先将SA1打开向左位置

按SB2→KM1（+）→KM1主闭→M1起动工作，同时KM2（+）→KM2主闭→M2同时起动工作。

⑹冷却泵手动控制

首先将SA2打在M位置，然后按SB6→KM3（+）→M3起动，提供冷却液，KM3辅闭自锁。停止冷却泵按SB7即可。

⑺冷却泵自动控制

首先将SA2打在A位置，当动力头工作进给时KA2（+）→KA2常开闭合→KM3（+）→KM3主闭→M3自行起动工作，提供冷却液。

第三章四工位机床的工作台电路设计

3.1液压回转工作台的控制电路设计

1.设计要求

①液压回转台是靠油路来实现工作台转位工作，液压系统的动作循环是靠电气电路控制。

②液压回转工作台上加工工位有四个，一装卸工件、二钻孔、三扩孔、四铰孔。

③回转台的转台动作→自锁销脱开→回转台抬起→回转台回转及缓冲→回转台反靠→回转工作台夹紧→向动力头发出工作信号。

④回转台转位必须动力头在原位时才能实现。

2.元件选用

一般电磁阀均由中间继电器控制，实现对各种现场信号的传递转换及放大功能。现选：

KA4——回转台抬起

KA5——回转台回转

KA6——回转台反靠

KA7——回转台夹紧

KA8——动力头退回原位

SA1——回转台手动、自动工作选择开关

SA2——回转台回转按钮

SA8——回转台回转按钮

3.液压回转工作台电气控制电路图如下所示：

图2-30 液压回转台电气控制电路

4.工作原理

本液压回转台可实现自动循环与调整的动能，由转换开关SA1实现，SA1打在M档，按动调整按钮SB8即可实现调整，若SA1打在

A档，当动力头快退至原位，则回转工作台可自动回转。

当动力头退回原位，压下行程开关SQ1，同时由于回转台在原位SQ9被压合，KA8得电，使YV5得电，回转工作台抬起，自锁销脱开，压下SQ5，由于KA5处于失电状态，电磁阀YV7得电，回转工作台由于YV10不得电，离合器合着而回转，回转了一定角度压下SQ6，SQ6常开闭合，使KA4得电并自琐，由于KA7、KA6、SQ8均处于常态，YV9得电，回转台实现反靠，反靠后压合行程开关SQ7，因为KA4一直得电，回转台自动落下夹紧。当回转台夹紧压力足够时，压力继电器KP合上，KA7得电，KA7常开闭合，YV10得电，离合器脱开，KA7常闭断开，YV9失电，离合器脱开后压下SQ8，电磁阀YV8得电，液压缸返回，为回转工作台下次工作做准备，同时由KA7常开触点发出向动力头工作信号，使动力头准备工作。

若SA1打在M档，按下SB8实现手动调整，控制回转工作台的工作，松开SB8，回转台则停止工作。

3.2液压动力头控制电路设计

动力头是既能完成进给运动，又能同时完成刀具的切削运动。现设计的四工位组合机床，有三个动力头，每个动力头上有12把刀，在回转台夹紧后要求从三个方面同时对工件进行钻、扩、绞功能，从而提高了生产效率。

1.设计要求

①动力头必须在回转工作台夹紧后才能起动工作。

②要求动力头能实现点动调整控制。

③要求动力头在任意时刻实现快退控制。④三个动力头同步工作，电路相同。⑤液压动力头的工作示意图见图2-24。⑥动力头工作循环状态夹紧信号（KA7）→动力头快进→延时停留→快退至原位。

2.元件选用

在图2-24中已知SQ1、SQ2、SQ3的工作状态，在此不用再选了，其他元件可根据工作要求逐一选用。

YV1——实现工进

YV3——实现快速进给

YV2——实现快退

KT——实现延时停留

KA1——控制快进电磁阀

KA2——控制工进电磁阀

KA3——控制快退电磁阀

SB9——动力头手动控制按钮

SB10——动力头手动快退按钮

3.作掖压动力头电气控制电路图

根据设计要求与工作示意图、工作循环状态作出液压动力头电气控制电路图，如下图2-31所示。

工进快进快退

图2-31液压动力头电气控制电路

4.工作原理

动力头由液压缸带动，可以做前后进给运动。电磁阀YV1和YV2都断电时，液压缸进油电磁阀处于中间位置，电磁阀YV3断电时，关闭回油油路，动力头在原位停止不动。这时，挡铁压动限位开关SQ1，其SQ1常闭断开，切断动力头工作电路，保证回转合工作时，动力头不工作。

⑴动力头自动控制

动力头必须在回转台夹紧后才能运动。首先将SA1打在“A”位置。当回转台夹紧时，KA7得电，KA7常开闭合，使KA1得电，KA1常开闭合。这时回转台的回转油缸活塞返回原位后压SQ9，SQ9常闭复位，切断回转台的工作电路，保证动力头工作时，回转台不动，SQ9常开闭合，使KA2得电，KA2常闭断开，使YV3失电，关闭了动力

头拖动液压缸回油循环电磁阀，从而减小了压力油的流量，使动力头由快进自动控制转换为工作状态。当动力头工进到终点时，压动行程开关SQ3，SQ3常开闭合，时间继电器KT得电，KT瞬时触点立即断开，使中间继电器KA1、KA2和电磁阀YV1、YV3均断电释放，动力头停止前进。经过延时，时间继电器KT延时闭合，使电磁阀YV2得电动作。压力油经电磁阀进入拖动液压缸右侧，推动活塞向左移动，使动力头快速退回。退至原位，压SQ1、SQ2常闭断开，使KA3失电，KA3常开复位使YV2失电，动力头停止运动，另一方面，SQ1的常开闭合，为回转工作台转位准备。

⑵动力头电动控制

将旋钮开关SA1置于M位，按下SB4，中间继电器KA1得电。因为回转台复位后，SQ9一直闭合，所以YV1和YV3通电动作，使动力头向前快进。

因为这时KA1没有自锁，松开SB4，故动力头停止运动，实现3点动功能。

⑶任意时刻动力头快退控制

当动力头不在原位时，SQ1常闭复位，需要动力头快退时，按下SB5，中间继电器KA3得电并自锁，电磁阀YV2通电动作，动力头快速退回，退到原位后，压SQ1，KA3和YV2相续断电，动力头停止运动。

3.3指示灯电路设计

1.设计要求

为了便于观察与维修、检查、故设置了指示灯电路，对各种状态进行指示，我们对本电路列出9个状态进行指示显示。

指示灯电路用低压6.3V交流电独立供电。

2.元件选用

HL1——电源指示

HL2——回转台转位指示

HL3——回转台夹紧指示

HL4——动力头共进指示

HL5——动力头快进指示

HL6——动力头快退指示

HL7——主轴电动机工作指示

HL8——液压泵电动机工作指示

HL9——冷却泵电动机工作指示

3.作指示灯电路图

根据上述所选元件及各状态指示要求化画出指示灯电路草图。为了避免发生寄生电路，用独立 6.3V电源供电，如图2-32所示。

电源回转夹紧工进快进快退主轴

液压泵冷却泵

～6.3

3.4总电路设计

首先将以上所有基本电路组合成一个完整的电路，然后根据任务书给出的条件进行逐一分析是否符合控制要求，主要是当电路组合成一体后，各环节相互之间的连接、互锁、保护等要考虑周全。经过反复多次的修改，最后画成总电路

第四章PLC 电路设计

4.1 PLC 控制设计

电路图在前面已设计出来，故现在重点阐述它的设计思路和方法。 设计梯形图的一般步骤为：

①列出对应元件的状态表（PLC 与J-C 对照表） ②割据状态表画梯形图。 ③根据梯形图编程。 ④将程序送入PLC 机调试。

⑤最后画出现场接线图。

下面具体予以阐述。

1.列出I/O、TMP/CNT、内部线圈的状态表

⑴输入状态表

在此我们采用中国无锡、美国EG公司及日本株社合资生产的PLC 机——SR—20/21，22系列PLC机型。

首先选机型。机型根据原设备电气控制电路中的I/O点数来确定。从电气控制电路图2-33或图2-24中可知，输入信号有22点，总共有48点，从总点数可知，选SR-20系列的五槽框架PLC机可使用，因为SR-20系列的五槽框架最大点数可控64点，看上去还有剩余，但是，因为输出点数中有三种不同电压的控制方式（220V、24V、6.3V），而不同电压一般不采用同一块模块控制，那么我们就要选用八槽模块的PLC机供本机床使用。具体分配为：接触器用1快、电磁阀用2快，指示灯用1快。输入信号用3快，它们的定义分别为：输入定义号：（2快8点模块）输出定义号：（8点模块）2快8点：000～017 接触器：30～37

一块16点：020～027 电磁阀：40～57

120～127 指示灯：60～67当机型确定、定义号确定后就可作输入状态表见表2-10。

表2-10输入状态表

状态表

输出信号分别由4个模块控制。其中电磁阀采用8点模块控制，每快只控制4个电磁阀，因为点数有多余，而电磁阀工作电流较大，为了减轻输出模块的承受力，则将负载工作频繁分开，这样输出模块就不会有超载而损坏，起到了保护的作用。输出状态表见表2-21。

①输出模块的选用，为了保护PLC机，可在输出端处用一中间继电器（放大器）进行放大与隔离控制，使负载出现故障时不直接影响PLC机，而由中间继电器控制动作。

②为了使PLC机工作可靠，一般要求采用单独变压器供电，分别起隔离、保护作用，使工作平稳。

表2-21输出状态表

⑶中间元件状态表

中间元件状态表2-12包括中间继电器、时间继电器等PLC内部