刨床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計方案

1、目錄前言 11 刨床相關(guān)簡介 21.1 刨床的常見類型 31.2 刨床的切削原理 . 31.3 刨床的作用和特點 . 42 實驗方案的設(shè)計 42.1 硬件設(shè)計 . 42.1.1 設(shè)計要求 42.1.2 三相異步電動機的調(diào)速方式 42.1.3 三相異步電動機的選擇及相關(guān)簡介 72.1.4 其它元器件的選擇 72.2 軟件設(shè)計 82.2.1 CADE_SIMU軟件的簡介 82.2.2 繪制圖形 103 軟件仿真 . 11參考文獻(xiàn) 14致信 15前言隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展， 生產(chǎn)力得到極大的開發(fā)與應(yīng)用。 與此同時， 刨床 在生產(chǎn)機械起到越來越重要的作用。 本次課程設(shè)計主要以電動機為控制對象， 以 繼

2、電器和接觸器為組成機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)， 在電氣控制理論的指導(dǎo)下組成電氣控制 系統(tǒng)，以達(dá)到控制電機轉(zhuǎn)速的目的。按照三相異步電動機結(jié)構(gòu)不同， 分為鼠籠型三相異步電動機和繞線式三相異 步電動機。 本次課程設(shè)計采用繞線式三相異步電動機， 通過轉(zhuǎn)子回路所串阻值的 不同實現(xiàn)調(diào)速機制。電氣控制系統(tǒng)是自動化專業(yè)的主干專業(yè)課， 具有很強的系統(tǒng)性、 實踐性和工 程背景，刨床電氣控制系統(tǒng)課程設(shè)計的目的在于培養(yǎng)學(xué)生綜合運用電氣控制系統(tǒng) 的知識和理論分析和解決控制系統(tǒng)設(shè)計問題， 使學(xué)生建立正確的設(shè)計思想， 掌握 工程設(shè)計的一般程序、 規(guī)和方法， 提高學(xué)生調(diào)查研究、 查閱文獻(xiàn)及正確實用技術(shù) 資料、標(biāo)準(zhǔn)、手冊等工具書的能力，理

3、解分析、制定設(shè)計方案的能力，設(shè)計繪圖 能力，編寫設(shè)計說明書的能力。我們在設(shè)計和仿真過程中雖然花了不少的精力，但仍難免有錯誤和不足之 處，殷切期望老師批評教誨。1 刨床相關(guān)簡介1.1 刨床的常見類型牛頭刨床是用來刨削中、小型工件的刨床，工作長度一般不超過lm。工件裝夾可調(diào)整的工作臺上或夾在工作臺上的平口鉗， 利用刨刀的直線往復(fù)運動 （切 削運動）和工作臺的間歇移動（進(jìn)刀運動）進(jìn)行刨削加工的。根據(jù)所能加工工件的長度，牛頭刨床可分為大、中、小型三種：小型牛頭刨 床可以加工長度為 400mm以的工件，如 B635-1 型牛頭刨床；中型牛頭刨床可以 加工長度為 400600mm的工件，如 B650 型牛

4、頭刨床；大型牛頭刨床可以加工長 度為 4001000mm的工件，如 B665 型和 B69O型牛頭刨床。龍門刨床是用來刨削大型工件的刨床， 有些龍門刨床能夠加工長度為幾十米 甚至幾十米以上的工件，如 B2063 型龍門刨床，工作臺面積為 6.3m 20m，可用 幾把刨刀同時刨削，生產(chǎn)率比較高。龍門刨床是利用工作臺的直接往復(fù)運動 （切削） 和刨刀的間歇移動 （進(jìn)刀運 動）來進(jìn)行刨削加工的， 按結(jié)構(gòu)形式的不同， 龍門刨床又分為單臂龍門刨床和雙 臂柱龍門刨床兩種。龍門刨床主要加工大型工件或同時加工多個工件。 與牛頭刨床相比， 從結(jié)構(gòu) 上看，其形體大，結(jié)構(gòu) 復(fù)雜，剛性好，從機床運動上看，龍門刨床的主運

5、動是 工作臺的直線往復(fù)運動，而進(jìn)給運動則是刨刀的 橫向或垂直間歇運動，這剛好 與牛頭刨床的運動相反。龍門刨床主要用來加工大平面，尤其是長而窄的平面， 一般可刨削的工件寬度達(dá) 1 米，長度在 3 米以 上。龍門刨床的主參數(shù)是最大刨削寬度。 龍門刨床橫梁上的刀架，可在橫梁導(dǎo) 軌上作橫向進(jìn)給運動，以刨削工件的水平面 ; 立柱上的側(cè)刀架，可沿立柱導(dǎo)軌作 垂直進(jìn)給運動， 以刨削垂直面。 刀架亦可偏轉(zhuǎn)一定角度以刨削斜面。 橫梁可沿立 柱導(dǎo)軌上下升降， 以調(diào)整刀具和工件的相對位置。 龍門刨床主要用于加工大型零 件上的平面或溝槽，或同時加工多個中型零件，尤宜于狹長平面的加工。插床又叫立式刨床， 主要是用來加工

6、工件的表面。 它的結(jié)構(gòu)與牛頭刨床幾乎 完全一樣，不同點主要是插床的插刀在垂直方向上作直線往復(fù)運動 （切削運動）， 工作臺除了能作縱、 橫方向的間歇進(jìn)刀運動外， 還可以在圓周房間上做間歇的回轉(zhuǎn)進(jìn)刀運動。1.2 刨床的切削原理滑枕帶著刨刀， 作直線住復(fù)運動的刨床， 因滑枕前端的刀架形似牛頭故又名 牛頭刨床。 刨床主要用于單件小批生產(chǎn)中刨削中小型工件上的平面、 成形面和溝 槽。中小型牛頭刨床的主運動， 大多采用曲柄搖桿機構(gòu)傳動， 故滑枕的移動速度 是不均勻的。大型牛頭刨床多采用液壓傳動， 滑枕基本上是勻速運動。 滑枕的返回行程速 度大于工作行程速度。 由于采用單刃刨刀加工， 且在滑枕回程時不切削，

7、牛頭刨 床的生產(chǎn)率較低。 機床的主參數(shù)是最大刨削長度。 刨床由滑枕帶著刨刀作水平直 線住復(fù)運動， 刀架可在垂直面回轉(zhuǎn)一個角度， 并可手動進(jìn)給， 工作臺帶著工件作 間歇的橫向或垂直進(jìn)給運動， 常用于加工平面、 溝槽和燕尾面等。 仿形牛頭刨床 是在普通牛頭刨床上增加一仿形機構(gòu)， 用于加工成形表面， 如透平葉片。 移動式 牛頭刨床的滑枕與滑座還能在床身 （ 臥式） 或立柱 （立式）上移動，適用于刨削特大 型工件的局部平面。1.3 刨床的作用及特點刨床是用刨刀對工件的平面、溝槽或成形表面進(jìn)行刨削的機床。刨床是使刀 具和工 刨床 件之間產(chǎn)生相對的直線往復(fù)運動來達(dá)到刨削工件表面的目的。在 刨床上可以刨削水

8、平面、垂直面、斜面、曲面、臺階面、燕尾形工件、 T 形槽、 V形槽，也可以刨削孔、齒輪和齒條等。 用刨床刨削窄長表面時具有較高的效率， 它適用于中小批量生產(chǎn)和維修車間。 刨床是用刨刀對工件的平面、 溝槽或成形表 面進(jìn)行刨削的直線運動機床。特點： 通用性好可加工垂直、水平的平面，還可加工 T型槽、 V型槽，燕尾槽等。 生產(chǎn)率低往復(fù)運動，慣性大，限制速度，單次加工，但狹長表面不比銑削低。 加工精度不高IT87，Ra為 1.6 6.3 m但在龍門刨床上用寬刀細(xì)刨， Ra為0.40.8m2 實驗方案的設(shè)計2.1 硬件設(shè)計2.1.1 設(shè)計要求當(dāng)按下啟動的 SB1，電機以正轉(zhuǎn)的中速運行。模擬刨床的正常切削

9、階段。刨 床的前進(jìn)減速， 前進(jìn)換向，后退減速和后退換向 4 個工作狀態(tài)分別用 4個鈕子開 關(guān)來模擬刨床的行程過程。 (把鈕子開關(guān)用作行程開關(guān)的作用)。所以鈕子開關(guān) 在模擬的狀態(tài)都是立即置位復(fù)位的過程。當(dāng)給定前進(jìn)減速的信號 K1 迅速置 ON再置 OFF，電機從正轉(zhuǎn)中速狀態(tài)切入正 轉(zhuǎn)低速狀態(tài)，刨床進(jìn)入刨刀開始切入工件階段。當(dāng)給定前進(jìn)減速的信號， K2 迅 速置 ON再置 OFF，電機從正轉(zhuǎn)低速狀態(tài)進(jìn)入反轉(zhuǎn)中速狀態(tài)。模擬刨床的正常切 削階段。當(dāng)給定電機后退減速的信號，把 K3 迅速置 ON再置 OFF，電機從反轉(zhuǎn)中 速進(jìn)入反轉(zhuǎn)低速狀態(tài)。模擬刨床低速返回階段。當(dāng)在給定后退換向的信號把 K7 置 ON

10、 立即置 OFF，電機從反轉(zhuǎn)低速進(jìn)入正轉(zhuǎn)中速狀態(tài)。這時就形成了循環(huán)往復(fù) 的工作過程。SB3正轉(zhuǎn)點動，,SB4 反轉(zhuǎn)點動高速狀態(tài)是電機高速進(jìn)入和返回階段的模擬狀 態(tài)。 K5,K6 模擬后退極限和前進(jìn)極限的信號給定，分別起保護(hù)刨床刨刀的作用。 當(dāng)刨刀在運行過程中， 碰到刨床的極限位， 電機會自動停止， 起到保護(hù)刨床刨刀 工件的作用。2.1.2 三相異步電動機的調(diào)速方式按照課程設(shè)計要求， 在電動機運動過程中出現(xiàn)三種速度的自動切換， 由此可 得應(yīng)首先選擇電動機的不同調(diào)速方式。 通過相關(guān)知識可以得到三相異步電動機轉(zhuǎn) 速公式為： n=60f/p(1-s) ，從上式可見，改變供電頻率 f 、電動機的極對數(shù)

11、p 及 轉(zhuǎn)差率 s 均可達(dá)到改變轉(zhuǎn)速的目的，故此主要由七種調(diào)速方式：一、變極對數(shù)調(diào)速方法 這種調(diào)速方法是用改變定子繞組接紅方式來改變籠型電動機定子極對 數(shù)達(dá)到調(diào)速目，特點如下：具有較硬機械特性，穩(wěn)定性良好； 無轉(zhuǎn)差損耗，效率高；接線簡單、控制方便、價格低； 有級調(diào)速，級差較大，不能獲平滑調(diào)速； 可以與調(diào)壓調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器配合使用，獲較高效率平滑調(diào)速特 性。二、變頻調(diào)速方法 變頻調(diào)速是改變電動機定子電源頻率，改變其同步轉(zhuǎn)速調(diào)速方法。 其特點：效率高，調(diào)速過程中沒有附加損耗； 應(yīng)用圍廣，可用于籠型異步電動機； 調(diào)速圍大，特性硬，精度高； 技術(shù)復(fù)雜，造價高，維護(hù)檢修困難。三、串級調(diào)速方法 串級調(diào)

12、速是指繞線式電動機轉(zhuǎn)子回路中串入可調(diào)節(jié)附加電勢來改變電動 機轉(zhuǎn)差，達(dá)到調(diào)速目。 大部分轉(zhuǎn)差功率被串入附加電勢所吸收， 再利用產(chǎn)生附加 裝置，把吸收轉(zhuǎn)差功率返回電網(wǎng)或轉(zhuǎn)換能量加以利用。其特點為： 可將調(diào)速過程中轉(zhuǎn)差損耗回饋到電網(wǎng)或生產(chǎn)機械上，效率較高； 裝置容量與調(diào)速圍成正比，投資省，適用于調(diào)速圍額定轉(zhuǎn)速70 90生產(chǎn)機械上；調(diào)速裝置故障時可以切換至全速運行，避免停產(chǎn)； 晶閘管串級調(diào)速功率因數(shù)偏低，諧波影響較大。四、繞線式電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方法 繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子串入附加電阻， 使電動機轉(zhuǎn)差率加大， 電動機較低轉(zhuǎn)速下運行。串入電阻越大，電動機轉(zhuǎn)速越低。此方法設(shè)備簡單，控制方便，但轉(zhuǎn) 差功率以

13、發(fā)熱形式消耗電阻上。屬有級調(diào)速，機械特性較軟 .五、定子調(diào)壓調(diào)速方法當(dāng)改變電動機定子電壓時， 可以到一組不同機械特性曲線， 獲不同轉(zhuǎn)速。 電 動機轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比， 最大轉(zhuǎn)矩下降很多， 其調(diào)速圍較小， 使一般籠型電 動機難以應(yīng)用。 擴(kuò)大調(diào)速圍， 調(diào)壓調(diào)速應(yīng)采用轉(zhuǎn)子電阻值大籠型電動機， 如專供 調(diào)壓調(diào)速用力矩電動機， 繞線式電動機上串聯(lián)頻敏電阻。 擴(kuò)大穩(wěn)定運行圍， 當(dāng)調(diào) 速 2： 1 以上場合應(yīng)采用反饋控制以達(dá)到自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速目。調(diào)壓調(diào)速主要裝置是一個能提供電壓變化電源， 目前常用調(diào)壓方式有串聯(lián)飽 和電抗器、自耦變壓器以及晶閘管調(diào)壓等幾種。晶閘管調(diào)壓方式為最佳。調(diào)壓調(diào)速特點：調(diào)壓調(diào)速線路簡單，

14、易實現(xiàn)自動控制； 調(diào)壓過程中轉(zhuǎn)差功率以發(fā)熱形式消耗轉(zhuǎn)子電阻中，效率較低。六、電磁調(diào)速電動機調(diào)速方法 電磁調(diào)速電動機由籠型電動機、電磁轉(zhuǎn)差離合器和直流勵磁電源（控制器） 三部分組成。直流勵磁電源功率較小， 通常由單相半波或全波晶閘管整流器組成， 改變晶閘管導(dǎo)通角，可以改變勵磁電流大小。電磁調(diào)速電動機調(diào)速特點： 裝置結(jié)構(gòu)及控制線路簡單、 運行可靠、維修方便； 調(diào)速平滑、無級調(diào)速 ; 對電網(wǎng)無諧影響；速度失大、效率低。七、液力耦合器調(diào)速方法液力耦合器是一種液力傳動裝置， 一般由泵輪和渦輪組成， 它們統(tǒng)稱工作輪， 放密封殼體中。 殼中充入一定量工作液體， 當(dāng)泵輪原動機帶動下旋轉(zhuǎn)時， 處于其 中液體受葉

15、片推動而旋轉(zhuǎn)， 離心力作用下泵輪外環(huán)進(jìn)入渦輪時， 就同一轉(zhuǎn)向上給 渦輪葉片以推力， 使其帶動生產(chǎn)機械運轉(zhuǎn)。 液力耦合器動力轉(zhuǎn)輸能力與殼相對充 液量大小是一致。 工作過程中， 改變充液率就可以改變耦合器渦輪轉(zhuǎn)速， 作到無 級調(diào)速.其特點為：1 、功率適應(yīng)圍大， 可滿足從幾十千瓦至數(shù)千千瓦不同功率需要；2 、結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，使用及維修方便，且造價低；3 、控制調(diào)節(jié)方便，容易實現(xiàn)自動控制。2.1.3 三相異步電動機的選擇及相關(guān)簡介三相異步電動機，按轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)分類電動機按轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)可分為鼠籠型異 步電動機和繞線型異步電動機。 按照課程設(shè)計要求， 本次課程設(shè)計采用繞線式三 相異步電動機， 通過改變轉(zhuǎn)

16、子回路串接阻值的不同， 實現(xiàn)調(diào)速機制。 下面是繞線 式異步電動機的簡介：繞線式三相異步電動機轉(zhuǎn)子的繞組和定子繞組相似 , 中型電動機多采用 雙層繞 組, 三相繞組連接成星形 ,三根端線連接到裝在轉(zhuǎn)軸上的三個銅 （或鋼）滑 環(huán)上 , 通過電刷與外電路相連接 .繞線型異步電機轉(zhuǎn)子繞組的相數(shù)、極對數(shù)總是跟定子相同 , 每相的匝數(shù)相對 較多,感應(yīng)電勢較大 ,轉(zhuǎn)子繞組對地絕緣需絕緣 .繞線式異步電動 機常用啟動方法：繞線式異步電動機啟動時通常采用直接啟動 .轉(zhuǎn)子串電阻啟動 , 或者是采用 頻敏變阻器啟動 .2.1.4 其它元器件的選擇按照方案的設(shè)計，所選器材為以下主要幾種：熔斷器（FU）: 數(shù)量為 5個

17、；熱繼電器（ FR）：數(shù)量為 1 個；交流接觸器（ KM）：數(shù)量為 6 個；空氣開關(guān)（ QS）：數(shù)量為 1 個；按鈕開關(guān)（ SB）：數(shù)量為 12 個；阻值不等的 R1、R2 和 R3：每組各有三個電阻。2.2.1 CADe_SIMU 軟件的簡介應(yīng)用 CADE_SIMU這一款繪圖仿真軟件來設(shè)計電路， 非常容易上手， 不但 可以快捷繪制電氣線路圖， 而且還能將繪制電氣線路圖實現(xiàn)電路仿真。 現(xiàn)對該軟 件的使用方法和步驟進(jìn)行了介紹： CADE_SIMU線路圖模擬仿真軟件不但包括各種 電氣元器件符號， 而且對應(yīng)每種器件還有多種類型， 并做成工具條提供使用， 是 該軟件最突出的特點，也是該軟件和其他軟件相

18、比較體現(xiàn)出的最大好處。 一、介面元器件菜單、繪圖與仿真1、繪圖在器件菜單中選用合適的器件，點擊一下器件，鼠標(biāo)移到圖紙上，單擊，器 件就放在圖紙上了， 器件被選中的狀態(tài)下， 使用下圖按鈕可以任意變換器件的方 向。2、參數(shù)設(shè)置 鼠標(biāo)左雙擊元件彈出對話框 設(shè)置元件名稱序號同一元件要同一名稱，大小寫要相同。3. 、連接導(dǎo)線連線時注意光標(biāo)前的小黑點要放在元件的連接點上4、仿真仿真按鈕見下圖單擊運行按鈕 , 開始仿真。單擊 停止。（1）在仿真狀態(tài)下，單擊 -FR 線圈，可仿真熱繼電器動作，單擊復(fù)位2）在仿真狀態(tài)下，單擊 -FU，可仿真熔斷器燒斷的情況。三，保存在保存時，不要選擇以下保存類型2.2.2 繪制

19、圖形使用該軟件對設(shè)計方案電路圖形進(jìn)行繪制，那么可得其繪制圖形如下圖所示：由圖可得 QS為空氣開關(guān)，對電路供電和短路保護(hù)作用。FU為熔斷器對線路進(jìn)行過載和短路保護(hù)。FR為熱繼電器，主要用來對異步電動機進(jìn)行過載保護(hù)。 不同的阻值連接方式實現(xiàn)對電動機的調(diào)速功能， SB為停止按鈕，SB1為啟動按鈕， 實現(xiàn)正轉(zhuǎn)中速； SB2為反轉(zhuǎn)按鈕，實現(xiàn)正轉(zhuǎn)低速到反轉(zhuǎn)中速的轉(zhuǎn)換； SB3為反轉(zhuǎn) 低速按鈕； SB4為反轉(zhuǎn)高速點動按鈕； SB5 為正轉(zhuǎn)極限位按鈕； SB6為反轉(zhuǎn)極限 位按鈕； SB7為正轉(zhuǎn)低速按鈕； SB8為正轉(zhuǎn)點動按鈕。KM1 線圈及相關(guān)觸頭為正轉(zhuǎn)配置； KM2 線圈及相關(guān)觸頭為反轉(zhuǎn)配置 ； KM3 線

20、圈及相關(guān)觸頭為慢速配置 ； KM4線圈及相關(guān)觸頭為中速配置 ； KM5 線圈及 相關(guān)觸頭為高速配置。 KA為中間繼電器線圈，相關(guān)觸頭為長動控制。3 軟件仿真使用該軟件進(jìn)行仿真，并根據(jù)設(shè)計要求可以得到以下結(jié)果：（ 1）按下啟動按鈕 SB1，電機正轉(zhuǎn)中速 :由圖可得，當(dāng)按下啟動按鈕時， KA線圈得電，自鎖觸頭閉合， KM1線圈得電 互鎖觸頭斷開，主觸頭閉合電機正轉(zhuǎn)；同時， KM4線圈得電，相應(yīng)觸頭閉合，實 現(xiàn)中速。故此可知，當(dāng)按下啟動按鈕 SB1時，電機正轉(zhuǎn)中速。（ 2）按下按鈕 SB7，電機正轉(zhuǎn)低速 :由圖可得，當(dāng)按下按鈕 SB7后，KM3線圈得電，相對應(yīng)的觸頭發(fā)生變化；同 時 KM1線圈和 K

21、A 線圈不變，故此實現(xiàn)正轉(zhuǎn)中速到正轉(zhuǎn)低速的轉(zhuǎn)變。3）當(dāng)按下按鈕 SB2時，電機反轉(zhuǎn)中速 :由圖可得，當(dāng)按下 SB2時，KM1線圈失電， KA線圈失電，主觸頭斷開，互鎖 觸頭閉合，常閉觸頭閉合；同時 KM2線圈得電，主觸頭閉合，電機反轉(zhuǎn)，自鎖觸 頭閉合，互鎖觸頭斷開；而且 KM4線圈保持不變，其相應(yīng)觸頭不變，故此，可以 得到反轉(zhuǎn)中速，從而實現(xiàn)正轉(zhuǎn)低速到反轉(zhuǎn)中速的轉(zhuǎn)變。（4）按下按鈕 S 時，電機反轉(zhuǎn)低速 :當(dāng)按下按鈕 S 時，KM3線圈得電，主觸頭閉合實現(xiàn)低速，其它相應(yīng)觸頭發(fā)生 變化。而且， KM2線圈保持不變，相應(yīng)觸頭保持不變。由此可以實現(xiàn)電機反轉(zhuǎn)中 速到反轉(zhuǎn)低速的轉(zhuǎn)換。（ 5）按下按鈕 SB4，電機處于反轉(zhuǎn)高速點動狀態(tài)如圖所示，當(dāng)按下按鈕 SB4時，KM5線圈得電，主觸頭閉合實現(xiàn)電機高速轉(zhuǎn) 動，同時， KM2線圈保持不變，其相應(yīng)觸頭不變，由此實現(xiàn)電機高速運轉(zhuǎn)點動狀 態(tài)。6