一、課程設計目的

本課程是機械設計制造及其自動化專業的專業必修課。課程設計的目的和任務在于使學

生駕馭機械設備電器限制的基本學問、基本原理和基本方法，以培育學生對電氣限制系統的

分析和設計的基本實力。加深學生對課程內容的理解，驗證理論和鞏固、擴大所學的基本理

論學問c

二、課程設計內容（含技術指標）

（一）機床概況：

本機為專用千斤頂油缸兩端面鉆孔加工的組合機床，接受裝在動力滑臺上的左、右兩個

動力頭（電機均為I.5KW）同時進行切削。動力頭的快進、工進及快退均由液壓油缸驅動。

液壓系統接受兩位四通電遴閥進行限制，并用死擋鐵方法實現位置限制。動作程序如下：

（1）零件定位。人工將零件裝入夾具后，接受定位油缸動力定位以保證零件的加工

尺寸；

（2）零件夾緊。零件定位后，夾緊油缸動作使零件固定在夾具內，同時定位油缸退

出以保證滑臺入位；

（3）滑臺入位。滑臺帶動夾具一起快速進入加工位置；

（4）加工零件。左右動力頭進行兩端面切削加工，動力頭到達加工終點，即停止工

進，快速退回原位，動力頭停轉并能耗制動；

（5）滑臺復位。左右動力頭退回原位后滑臺復位；

（6）夾具松開。當滑臺復位后夾具松開，取出零件。

液壓系統的油泵電機370W,由電磁閥（YV1-YV5）限制，其動作表如F：

YV1YV2YV3YV4YV5

定位(SB1)+----

夾緊（YJI）++---

入位(YJ2)-+一--

工進(SQ1\SQ5)-+—+-

退位(SQ2\SQ4)-+--+

復位(SQ3\SQ6)-----

全自動雙面鉆工作原理

全自動雙面鉆液壓系統圖

(-)設計要求：

1.動力頭為單向運轉，停車接受能耗制動；

2.只有在油泵工作，油壓達到確定的壓力后(由油壓繼電器限制)才能進行其它限制;

3.專用機床能進行半自動循環，又能對各個動作單獨進行調整；

4.須要一套局部照明裝置以及工作狀態指示燈；

5.有必要的過電流愛惜和聯鎖；

6.鉆孔過程中需用冷卻泵進行冷卻，冷卻泵電動機功率為0.125kw；

7.繪制電氣原理圖（A3）；

8.列出元件明細表；

9.繪制電氣接線圖［A3）；

10.完成限制系統的可編程限制器設計方案，包括可編程限制器的選型、限制系統的

PLC外部接線圖（A3,注明元件明細表），編寫限制系統的梯形圖和指令表（A3）。

（三）設計步驟

1.電動機的選擇：

依據設計要求需配備4臺電動機，油泵電機M1,冷卻泵電動機M2,動力頭電動機M3、

M4。依據設計要求查閱相關手冊選擇電機型號，注明所查閱的手冊的名稱、頁碼。

2.繪制工步循環圖：

依據系統的動作狀態表繪制工步循環圖。

3.電氣原理圖的設計（要求有詳細的分析過程）：

（1）主電路設計

（2）限制電源的設計

（3）限制電路的設計（依據設計要求列出各執行電器的邏輯表達式）

（4）局部照明與信號指示電路的設計

（5）機床工作原理分析

4.電氣元件型號的選擇：

（1）電源開關的選擇

（2）熱繼電器的選擇

（3）接觸器的選擇

（4）繼電器的選擇

（5）行程開關的選擇

（6）熔斷器的選擇

（7）按鈕的選擇

（8）照明燈及燈開關的選擇

（9）指示燈的選擇

（10）限制變壓器的選擇

5.電氣接線圖的繪制：

（1）電器元件按外形繪制，并與布置圖一樣，偏差不要太大

（2）全部電器元件及其引線應標注與電氣原理圖相一樣的文字符號及接線回路標號

（3）接線圖中應標出配線用的各種導線的型號、規格、截面積及顏色等。

6.限制系統的可編程限制器設計方案：

（1）可編程限制器的選型

（2）設計限制系統的PLC外部接線圖

（3）編寫限制系統的梯形圖和指令表

限制電源接受UOv溝通電壓、照明燈接受24V電壓、指示燈接受6V電壓，查《簡明電

工手冊》，選用型號為110的變壓器

（三）限制電路的設計

（1）電機限制電路的設計：

1）油泵和冷卻泵的運轉狀況分別由KMLKM2限制，并且運用最基本的“啟一保一停”

的限制電路；油泵電機的開關分別為SB8和SB19,冷卻泵的開關分別為SB7和SB9。

2）為保證兩臺電動機同時啟動，同時停車，兩臺同型號的動力頭電動機的運轉由一

個接觸器KU3限制，其中能耗制動過程由KM4限制，制動時間由時間繼電器KT來確

定；過我愛惜由FR3常閉觸頭串在動力頭及能耗限制回路中實現；SB5為啟動按鈕，

SB6為停止按鈕。

（2）電磁閥限制電路的設計：

SBlYJ：LYJ2

E--XE]--

]KA2]KA3

fJ|>KAcJ?>

777981

<<----------

SG311SQ2>1SQsl

j80

7G|7：

1__1L_|11

KAIKAZKAS

▲▲X

（電磁閥限制）

KA3T

6163666870

（中間繼電器）

由于電磁閥無自鎖功能，故引入中間繼電器，由于加工工程工步數N=6,故選用中間繼

KN飛

電器個數M=y=3,通電域m=3（傳遞電磁閥工步數），繼電器成菱形。其動作

表如下表所示：

YVIYV2YV3YV4YV5KAIKA2KA3

定位(SB1)+----100

夾緊(YJ1)++---110

入位(YJ2)-++--111

工進(SQ1XSQ5)-+++-011

退位(SQ2\SQ4)---+001

復位(SQ3\SQ6)-----000

表1-電磁閥限制邏輯狀態表

1）依據切削工藝要求，動力頭的前進運動和后退運動能夠進行半自動循環限制，其限

制過程如下：

①定位：當系統內油壓達到工作要求時（YJ3閉合），按下SB1,電流繼電器KA1和電磁

鐵YV1得電，KA1的常開觸點閉合，零件被精確定位。

②夾緊：由于電磁鐵YV1的得電，當壓力繼電器YJ：的常開觸點閉合，使YV2得電，定

位工序結束，指示燈HU亮。由于KA2起先得電，其常開觸點閉合，系統進入夾緊工序，零

件被夾緊。

③入位：由于電磁鐵通得電，，當壓力繼電器YJ2的常開觸點閉合，表明零件已被夾

緊，夾緊指示燈HL2亮。此時KA3起先得電,KA1和KA2保持得電狀態，滑臺入位，帶動夾

具一起進入加T位置.

④工進：滑臺入位后壓下限位開關SQ1/SQ5,其常開觸點SQ1/SQ5閉合，使YV4得電,

系統進入工進環節。

⑤退位：拖板左右兩邊的動力頭對零件進行兩端面銃削加工（工進），當動力頭達到加

工終點時，壓下限位開關SQ2/SQ4,其常開觸點SQ2/SQ4閉合，使YV5得電，系統進入退

位環節。

⑥復位：當動力頭退回原位時，壓下限位開關SQ3/SQ6,其常閉觸點SQ3/SQ6斷開，

則復位工序結束，同時夾緊工序也結束，指示燈HL2滅，夾具打開，取出零件。

經過上述六個步驟，機床的一次進給循環即

2）因設備調整須要，系統定位，夾緊，入位，工進及退位/復位操作環節既可實現半自

動循環，又可實現單獨的艱制，用SA2,SB2,SB3,SB4分別對其完成進行手動限制。

3）由FU6對限制電路進行短路愛惜。

4）限制線路邏輯表協?式推理：

Y=（開啟條件*限制條件+保持）*關閉條件

由邏輯狀態表及分析結果可得：

KA\=（SB\.屈+/C41}SQ\^SQ5

KA2=（YJ\KA\+KA2）SQ2^SQi

W=（K/2/G42+W）SQ3-SO6

YV\=KA\KA2KA3-i-KA\KA2^A3=KA]^A3

YV2=KA\KA2+KA]KA3=KA2+KA3

YV3=KA\KA2-KA3^^-KA2KA3=KA2-KA3

YV4=~KA\KA2KA3

YV5=KAIKA2-KA3

（3）局部照明與信號指示電路的設計

在機床上設置電源接通指示燈HL2（綠色），在電源開關QS接通后，HL2立刻發光顯示,

表示機床電氣線路已出入供電狀態；設置指示燈HL1（紅色），亮時表示電動機Ml,M2

己運行。其中指示燈HL1由接觸器KM1的常開觸點限制通電整示，如電氣原理圖所示。

設置照明燈EL,供平安照明運用。

(4)按設計要求檢查各動作程序，各種愛惜，聯鎖等，便于繪制電氣限制原理圖。

八、電氣元件型號的選擇

(-)電源開關的選擇

空氣開關主要起短路愛惜和過載愛惜兩個作用，并不用它干脆啟停電動機,

可按電動機額定電流來選。明顯，應依據四臺電動機來選。中小型機床常

用組合開關，選用HZ10-25/3型，額定電流為25A,三極組合開關。

(2)熱繼電器的選擇

熱繼電器是電流通過發熱元件產生熱量，使檢測元件受熱彎曲而推動機構動作的一種

繼電器。由于熱繼電器中發熱元件的發熱慣性，在電路中不能做瞬時過載愛惜和短路

愛惜。它主要用于電動機的過載愛惜、斷相愛惜和三相電流不平衡運行的愛惜及其它

電氣設備狀態的限制

〈1〉一般狀況下，可詵用兩相結構熱維電器，但當三相電壓的均衡性較差，工作環境惡

劣或無人看管的電動機，宜選用三相結構的熱繼電器。對于三角形接線的電動機，

應當選用帶斷相愛惜裝置的熱繼電器。

<2>、熱繼電器額定電流選擇。

熱繼電器的額定電流應大于電動機額定電流。然后依據該額定電流來選擇熱繼電器的

型號。

<3>,熱元件額定電流的選擇和核定"

熱元件的額定電流應略大于電動機的額定電流。當電動機啟動電流為其額定電流的6

倍及啟動時間不超過5s時，熱元件的整定電流調整到等于電動機的額定電流；當電

動機的啟動時間較長、拖動沖擊性負載或不允許停車時，熱元件整定電流調整到電

動機額定電流的

1.1?1.15倍。

假如啟動，制動，反轉頻繁將額定電流上丸級

T>_____PNtt(W)A

由公式iNiW=得主軸冷

(1_14)UN?L(V)IN211.3AIN1.3A,

IN油ril.3A

故選FR1、FR2選2個JR20—10—7參數為電流范圍7.8—29A。

(3)接觸器的選擇

溝通接觸器的選用方法

接觸器的選用應按滿足被限制設備的要求進行，除額定工作電壓應與被控設

備的額定電壓相同外，被控設備的負載功率、運用類別、操作頻率、工作壽

命、安裝方式及尺寸以及經濟性等是選擇的依據。

<2>選擇接觸器時應從其工作條件動身，主要考慮下列因素：1、限制溝通負載

應選用溝通接觸潛；2、接觸器的運用類別應與負載性質相一樣。3、主觸

頭的額定工作電流應大于或等于負載電路的電流；還要留意的是接觸器主觸

頭的額定工作電流是在規定的條件下（額定工作電壓、運用類別、操作頻率

等）能夠正常工作的電流值，當實際運用條件不同時，這個電流值也將隨之

變更。4、主觸頭的額定工作電流應大于或等于負載電路的電壓。5、吸引

線圈的額定電壓應與限制回路電壓相一樣，接觸器在線圈額定電壓85%及以

上時應能牢靠地吸合

溝通接觸器的選用，應依據負.荷的類型和T作參數合理選用-詳細分為以下

步驟：

<3>選擇接觸器的類型

溝通接觸器按負荷種類一般分為一類、二類、三類和四類，分別記為AC1、

AC2、AC3和AC4。一類溝通接觸器對應的限制對象是無感或微感負荷，如

白熾燈、電阻爐等；二類溝通接觸器用于繞線式異步電動機的起動和停上；

三類溝通接觸器的典型用途是鼠籠型異步電動機的運轉和運行中分斷；四類

溝通接觸器用于籠型異步電動機的起動、反接制動、反轉和點動。

<4>選擇接觸器的額定參數

依據被控對象和工作參數如電壓、電流、功率、頻率及工作制等確定接觸器

的額定參數。

1）接觸器的線圈電壓，一般應低一些為好，這樣對接觸器的絕緣要求可以降低,

運用時也較平安。但為了便利和削減設備，常按實際電網電壓選取。

2）電動機的操作頻率不高，如壓縮機、水泵、風機、空調、沖床等，接觸器額

定電流大于負荷額定電流即可。接觸器類型可選用CJ10、CJ20等。

3）對重任務型電機，如機床主電機、升降設備、絞盤、裂開機等，其平均操作

頻率超過100次/min,運行于起動、點動、王反向制動、反接制動等狀態，

可選用CJ10Z、CJ12型的接觸器。為了保證電壽命，可使接觸器降容運用。

選用時，接觸器額定電流大于電機額定電流。

4）對特重任務電機,如印刷機、鑲床等,操作頻率很高,可達600?12000次

/h,經常運行于起動、反接制動、反向等狀態，接觸器大致可按電壽命及起

動電流選用，接觸器型號選CJ10Z、CJ12等。

5）接觸器額定電流是指接觸器在長期工作下的最大允許電流，持續時間W8h,

且安裝于放開的限制板上，假如冷卻條件較差，選用接觸器時，接觸器的額

定電流按負荷額定電流的110%?120席選取。對于長時間工作的電機，由于其

氧化膜沒有機會得到清除，使接觸電阻增大，導致觸點發熱超過允許溫升。

實際選用時，可將接觸器的額定電流減小30%運用

故選KM1選2個CJ20—25參數為額定工作電壓380V額定制動功率為UKW

不間斷制下的額定工作電流32A

KM2、KM3、KM4選3個CJ17—9參數為額定工作電壓380V主觸頭額定電

流9A幫助觸頭額定電流4A吸引線圈電壓為U0V限制功率在4KW內

（4）繼電器的選擇

<1>繼電器的定義

繼電器是一種當輸入量（電、磁、聲、光、熱）達到確定值時，輸出量將發

生跳動式變更的自動限制器件。從動作的原理上有電子式、機械式等。電子

式的是接受電容充放電再協作電子元件的原理來實現延時動作。機械式的樣

式較多，有利用氣囊、彈簧的氣囊式；鐘表擒縱裝置的；也有運用小型罩極

同步電機帶動凸輪的。

<2>時間繼電器的繼電特性

當線圈通電時，銜鐵及托板被鐵心吸引而瞬時下移，使瞬時動作觸點接通或

斷開。但是活塞桿和杠桿不能同時跟著銜鐵一起下落，因為活塞桿的上端連

著氣室中的橡皮膜，當活塞桿在釋放彈簧的作用下起先向下運動時，橡皮膜

隨之向下凹，上面空氣室的空氣變得淡薄而使活塞桿受到阻尼作用而緩慢下

降。經過確定時間，活塞桿下降到確定位置，便通過杠桿推動延時觸點動作，

使動斷觸點斷開，動合觸點閉合。從線圈通電到延時觸點完成動作，這段時

間就是繼電器的延時時間。延時時間的長短可以用螺釘調整空氣室進氣孔的

大小來變更。

時間繼電器可分為通電延時型和斷電延時型兩種類型。

空氣阻尼型時間繼電港的延時范圍大（有0.4?60s和0.4?180s兩種），它

結構簡潔，但精確度較低。

D機械式。機械式主要是通過氣囊阻尼空氣來限制動做。

2）電子式。電子式就是通過脈沖來限制觸頭工作。它又分通電延時動作和斷

電延時動作。通電延時動作是指時間繼電器線圈起先通電就計時，到所設定

的時間就觸頭動作。反之就是斷電延時動作原理。延時觸頭又分延時斷開和

延時閉合。延時斷開分常閉延時斷開和常開延時斷開。延時閉合也分常閉和

常開。圖形符號中的圖弧開口方向就是延時后的動作方向。

<4>電磁繼電器的「作原理和特性

電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的。只要在線圈兩

端加上確定的電壓，線圈中就會流過確定的電流，從而產生電磁效應，銜鐵

就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的

動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消逝,

銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點（常

閉觸點）吸合。這樣吸合、釋放，從而達到了在電路中的導通、切斷的目的。

對于繼電器的“常開、常閉”觸點，可以這樣來區分：繼電器線圈未通電時

處于斷開狀態的靜觸點，稱為“常開觸點”；處于接通狀態的靜觸點稱為“常

閉觸點”。

<4>繼電器主要產品技術參數

1、額定工作電壓

是指繼電器正常工作時線圈所須要的電壓。依據繼電器的型號不同，可以

是溝通電壓，也可以是直流電壓。

2、直流電阻

是指繼電器中線圈的直流電阻，可以通過萬能表測量。

3、吸合電流

是指繼電器能夠產生吸合動作的最小電流。在正常運用時，給定的電流必需

大于吸合電流，這樣繼電器才能穩定地工作。而對于線圈所加的工作電壓，

一般不要超過額定工作電壓的1.5倍，否則會產生較大的電流而把線圈燒毀。

4、釋放電流

是指繼電器產生釋放動作的最大電流。當繼電器吸合狀態的電流減小到確定

程度時，繼電器就會復原到未通電的釋放狀態。這時的電流遠遠小于吸合電

流。

5、觸點切換電壓和電流

是指繼電器允許加載的電壓和電流。它確定了繼電器能限制電壓和電流的大

小，運用時不能超過此值，否則很簡潔損壞繼電器的觸點.

<5〉繼電器的選用

I.先了解必要的條件

①限制電路的電源電壓，能供應的最大電流；

②被限制電路中的電壓和電流；

③被控電路須要幾組、什么形式的觸點。選用繼電器時，一般限制電路的電源

電壓可作為選用的依據。限制電路應能給繼電器供應足夠的工作電流，否則繼

電器吸合是不穩定的。

2.杳閱有關資料確定運用條件后，可查找相關資料，找出須要的繼電器的型號

和規格號。若手頭已有繼電器，可依據資料核對是否可以利用。最終考慮尺寸

是否合適。

3.留意器具的容積。若是用于一般用電器，除考慮機箱容積外，小型繼電器主

要考慮電路板安裝布局。對于小型電器，如玩具、遙控裝置則應選用超小型繼

電器產品.

綜上選用可選用JZ11系列中間繼電器5個

參數：吸引線圈額定電壓溝通110V觸點額定電流5A,

觸點數量常開6個常閉2個操作頻率2000(次/h)

機械壽命1000萬次電壽命100萬次，時間繼電器KT選用JS7-2型，線圈電

壓為380V；

(5)熔斷器的選擇

1）工作原理：熔斷器是依據電流超過規定值確定時間后，以其自身產生的

熱量使熔體熔化，從而使電路斷開的原理制成的一種電流愛惜器。熔斷

器廣泛應用于低壓配電系統和限制系統及用電設備中，作為短路和過電

流愛惜熔體額定電流不等于熔斷落額定電流，熔體額定電流按被愛惜

設備的負荷電流選擇，熔斷器額定電流應大于熔體額定電流由于各種

電氣設備都具有確定的過載實力，允許在確定條件下較長時間運行；而

當負載超過允許值時，就要求愛惜熔體在確定時間內熔斷。還有一些設

備起動電流很大，但起動時間很短，所以要求這些設備的愛惜特性要適

應設備運行的須要，要求熔斷器在電機起動時不熔斷，在短路電流作用

下和超過允許過負荷電流時，能牢靠熔斷，起到愛惜作用。熔體額定電

流選擇偏大，負載在短路或長期過負荷時不能剛好熔斷；選擇過小，可

能在正常負載電流作用下就會熔斷，影響正常運行，為保證設備正常運

行，必需依據負載性質合理地選擇熔體額定電流

2）熔體額定電流=（1.5?2）X電動機額定電流。

3）熔斷器分類

<1>螺旋式熔斷器R/

在熔斷管裝有石英砂，熔體埋于其中，熔體熔斷時，電弧噴向石英砂及

其縫隙，可快速降溫而熄滅。為了便于監視，熔斷器一端裝有色點，不

同的顏色表示不同的熔體電流，熔體熔斷時，色點跳出，示意熔體已熔

斷。螺旋式熔斷器額定電流為5?200A,主要用于短路電流大的分支電

路或有易燃氣體的場所。

<2>有填料管式熔斷器RT：

有填料管式熔斷器是一種有限流作用的熔斷器。由填有石英砂的瓷熔管、

觸點和鍍銀銅柵狀熔體組成。填料管式熔斷器均裝在特別的底座上，如

帶隔離刀閘的底座或以熔斷器為隔離刀的底座上，通過手動機構操作。

填料管式熔斷器領定電流為50-1000A,主要用于短路電流大的電路或

有易燃氣體的場所。

<3>無填料管式熔斷器RM：

無填料管式熔斷器的熔絲管是由纖維物制成。運用的熔體為變截面的鋅

合金片。熔體熔斷時，纖維熔管的部分纖維物因受熱而分解，產生高壓

氣體，使電弧很快熄滅。無填料管式熔斷器具有結構簡潔、愛惜性能好、

運用便利等特點，一般均與刀開關組成熔斷器刀開關組合運用。

<4》有填料封閉管式快速熔斷器RS：

有填料封閉管式快速熔斷器是一種快速動作型的熔斷器，由熔斷管、觸

點底座、動作指示器和熔體組成。熔體為銅質窄截面或網狀形式，熔體

為一次性運用，不能自行更換。由于其具有快速動作性，一般作為半導

體整流元件愛惜用。

型式有：Z一自復式S—快速式L—螺旋式T一有填料封閉管式

M一無填料管式熔斷C—瓷插式

FG愛惜油泵電動機，選電115A/4A型熔斷器，F4愛惜冷卻泵電動機，選

W1—15A/2A型熔斷器，Fj尸。』愛惜動力頭電動機，選RL1—60A/20A型熔斷器,

F%為照明、信號燈電路的愛惜，選RLJ15A/2A型熔斷器，為系統限

制電路的愛惜，選R15A/2A型熔斷器.

(5)限制變壓器的選手

變壓器最大負載時是接觸器KM1、KM2、KM3和中間繼電器KAI、KA2、KA3、

KA4、KA5、KA6中的至少三個同時工作，依據公式得：

S62K6￡Sxc=1.2X(12X3+33+14X2)=116.4(VA)

故所需變壓器容量應大于116.4(VA)；再考慮信號燈及照明燈EL的容量，

可選用BK-150型變壓器，電壓等級:380V/127-36-6.3V,可滿足110V.

24V及6V各電源所需。

九、電氣元件明細表

符號名稱型號規格數量

Ml油泵電動機YS7U20.37kw,380V,2800r/min1

M2冷卻泵電動機Y2-802-80.25KW,380V,640r/min1

M3,M4動力頭電動機Y132S-45.5kw,380V,MdOr/min2

QS電源開關HZ10-25/3480V,25A1

FRi.FR2熱繼電器JR20—10—7380V,7.8—29A2

KM1溝通接觸器CJ20-10380V,32A1

KM2,KM3,KM4溝通接觸器CJ17—9380V,9A3

KA,,KA2,KA3電流繼電器JZU110V,5A3

KT時間繼電器JS7-2380V,2A1

FU1熔斷器7?￡1-15A/4A500V,4A1

FU1熔斷器/CL1-15A/2A500V,