一、课程设计目的本课程是电气系统及其自动化专业的专业必修课。
课程设计的目的和任务在于使学生掌握机械设备电器控制的基本知识、基本原理和基本方法,以培养学生对电气控制系统的分析和设计的基本能力。
加深学生对课程内容的理解，验证理论和巩固、扩大所学的基本理论知识。
二、课程设计内容（含技术指标）(一)机床概况：本机为专用千斤顶油缸两端面钻孔加工的组合机床，采用装在动力滑台上的左、右两个动力头（电机均为1.5KW）同时进行切削。
动力头的快进、工进及快退均由液压油缸驱动。
液压系统采用两位四通电磁阀进行控制，并用死挡铁方法实现位置控制。
动作程序如下：（1）零件定位。
人工将零件装入夹具后，采用定位油缸动力定位以保证零件的加工尺寸；（2）零件夹紧。
零件定位后，夹紧油缸动作使零件固定在夹具内，同时定位油缸退出以保证滑台入位；（3）滑台入位。
滑台带动夹具一起快速进入加工位置；（4）加工零件。
左右动力头进行两端面切削加工，动力头到达加工终点，即停止工进，快速退回原位，动力头停转并能耗制动；（5）滑台复位。
左右动力头退回原位后滑台复位；（6）夹具松开。
当滑台复位后夹具松开，取出零件。
(二)液压系统的油泵电机370W，由电磁阀（YV1-YV5）控制，其动作表如下：YV1 YV2 YV3 YV4 YV5 定位(SB1) + - - - -夹紧（YJ1）+ + - - -入位(YJ2) - + + - -工进(SQ1\SQ5) - + + + -退位(SQ2\SQ4) - + - - +复位(SQ3\SQ6) - - - - -表1 液压系统的油泵电机动作表图1 全自动双面钻工作原理图2 全自动双面钻液压系统图(三)设计要求：1.动力头为单向运转，停车采用能耗制动；2.只有在油泵工作，油压达到一定的压力后（由油压继电器控制）才能进行其它控制；3.专用机床能进行半自动循环，又能对各个动作单独进行调整；4.需要一套局部照明装置以及工作状态指示灯；5.有必要的过电流保护和联锁；6.钻孔过程中需用冷却泵进行冷却，冷却泵电动机功率为0.125kw；7.绘制电气原理图(A3)；8.列出元件明细表；9.绘制电气接线图(A3)；10.完成控制系统的可编程控制器设计方案，包括可编程控制器的选型、控制系统的PLC外部接线图(A3，注明元件明细表)，编写控制系统的梯形图和指令表(A3)。
(四)设计步骤1.电动机的选择：根据设计要求需配备4台电动机，油泵电机M1，冷却泵电动机M2，动力头电动机M3、M4。
根据设计要求查阅相关手册选择电机型号，注明所查阅的手册的名称、页码。
2.绘制工步循环图：根据系统的动作状态表绘制工步循环图。
3.电气原理图的设计（要求有详细的分析过程）：（1）主电路设计（2）控制电源的设计（3）控制电路的设计（根据设计要求列出各执行电器的逻辑表达式）（4）局部照明与信号指示电路的设计（5）机床工作原理分析4.电气元件型号的选择：（1）电源开关的选择（2）热继电器的选择（3）接触器的选择（4）继电器的选择（5）行程开关的选择（6）熔断器的选择（7）按钮的选择（8）照明灯及灯开关的选择（9）指示灯的选择（10）控制变压器的选择5.电气接线图的绘制：（1）电器元件按外形绘制，并与布置图一致，偏差不要太大（2）所有电器元件及其引线应标注与电气原理图相一致的文字符号及接线回路标号（3）接线图中应标出配线用的各种导线的型号、规格、截面积及颜色等。
6.控制系统的可编程控制器设计方案：（1）可编程控制器的选型（2）设计控制系统的PLC外部接线图（3）编写控制系统的梯形图和指令表三、电动机的选择1.油泵电机M1选型：由题目给定的要求油泵电机1台0.37KW，故选YS7112，参数为：电流：0.95 A 、电压：380V、额定功率：370W、效率：73.5 ﹪、额定转速：2800 r/min、功率因数：0.80、频率：50 Hz、额定转矩：2.2 n*m 。
2.冷却泵电机M2选型：由题目给定的要求油泵电机1台0.125KW，故选Y2-801-8,参数为:满载时电流0.88A 转速640r/min、效率65%、额定电流3.3A、额定转矩1.8 n*m、最大转矩1.9 n*m、电压380V 、额定功率250W。
3.动力头电动机M3、M4选型：（1）由液压组合机床对电机起动转矩高而起动电流小及需要小范围调速、铁屑飞溅多、灰尘多、而性能要求不很严故选YR系列（IP44）电机；（2）由题目给定的要求主轴电机2台5.5KW；（3）用于铣床：综合可选2台YR132M2－4,电机参数为额定功率5.5KW，满载时转速1440(r/min)、电流12.6A、效率86%功率因数0.77、最大转矩3.0 n*m、转子电压272V、电流13A、质量95Kg。
注：查《简明电工手册》第471页四、绘制工步循环图图3 PLC工步循环图五、电气原理图的设计（一）主电路设计图4 主电路主电路的设计中主要应满足一下几点要求：（1）动力头电机应实现能耗制动；（2）动力头电机、液泵电机、冷却泵电机三者应分开接向主电源，并由不同的接触器控制；（3）三种电机均应实现短路保护（过流保护）与过热保护；（4）电源处应有一个总闸控制电源的关断。
对于要求（1）我们将左右动力头的两电机接在同一个接触器上进行控制，然后在接触器的首位接上一个可控的直流电源（由变压器和整流桥组成）来实现。
对于要求（2）我们选用三个接触器来控制三种不同功率的电动机，并分开三个回路来控制即可。
对于要求（3）我们选用合适的熔断器，在三个回路接向电源出接上相应的熔断器来实现短路保护；再选用合适的热继电器，在接向电动机处接如相应热继电器来实现过热保护。
对于要求（4）我们在电源处，添加一个刀开关QS即可。
（二）控制电源的设计在控制回路中，主要有两部分：电机控制回路与液压控制回路。
这两部分均应接向110V 交流电压，故该回路与主回路相连接时，应将主电源的L1、L2相接如变压器来降压，以提供110V的两相交流电。
（1）电机控制电路的设计：图5 电机控制电路在控制电机时，为满足动力头电机的能耗制动，我们利用时间继电器来控制直流电源的延时断开。
在三种电机的启停控制上，我们利用接触器的“起保停”电路来控制，我们分别加入启停按钮。
而在动力头电机的停止上，我们利用联动开关来控制，以其常闭触点为停止，常开触点为直流电源的接入。
这样，保证了动力头电机的停止，同时也接入了能耗制动。
另外，我们在主电路的最后加上了一个急停回路，利用接触器KM0与刀开QS0关来控制。
同时，在控制回路的起始端接入接触器KM0的常闭触点，来实现急停功能。
控制线路逻辑表达式推理：Y=（开启条件*限制条件+保持）*关闭条件 由逻辑状态表及分析结果可得：()511311SQ SQ KA KA SB KA ⋅⋅+⋅= ()422112SQ SQ KA KA YJ KA ⋅⋅+⋅= ()633223SQ SQ KA KA YJ KA ⋅⋅+⋅=313213211KA KA KA KA KA KA KA KA YV ⋅=⋅⋅+⋅⋅= 3231212KA KA KA KA KA KA YV +=⋅+⋅=323213213KA KA KA KA KA KA KA KA YV ⋅=⋅⋅+⋅⋅= 3214KA KA KA YV ⋅⋅= 3215KA KA KA YV ⋅⋅=（2） 液压控制回路在液压控制回路中，应分为自动控制和手动控制两部分。
在自动控制中，主要由行程开关（SQ1到SQ6）、压力继电器（YJ1与YJ2）和按钮SB1来共同控制电磁阀（YV1到YV5）来实现整个动作。
其动作表如下：表2 液压回路电磁阀被控一览表由上表可知，在设计液压控制回路时，可以直接利用起保停电路直接控制电磁阀的动作。
在表中，每一列以第一个“+”为该电磁阀的得电信号，而以连续“+”后的第一个“-”为失电信号。
但应该注意的是行程开关的串并联关系：在夹紧动作时（YV2），若要使其失电，则应两动力头均达复位位置才可松开，故此时SQ3与SQ6应为并联关系；在工进或退位时（YV4、YV5），若要使其得电，则只要有一个行程开关的信号，则应该立即动作，故SQ1与SQ5或SQ2与SQ4应为并联关系；在要求入位、工进或退位（YV3、YV4、YV5）的停止信号YV1 YV2 YV3 YV4 YV5定位（SB1） + - - - -夹紧（YJ1） + + - - -入位（YJ2） - + + - -工进（SQ1\SQ5） - + + + - 退位（SQ2\SQ4） - + - - + 复位（SQ3\SQ6） - - - - -时，必须两个行程开关均有信号才可失电，故此时SQ2与SQ4或SQ3与SQ6应为串联关系。
在手动控制中，我们利用万能选择开关来控制自动与手动的转换。
另外，在控制电磁阀（YV1到 YV5）的电路上，我们直接设计5个按钮（SB2到SB6）来实现手动调节。
在万能转换开关与110V交流电源连接的部分，我们增加一盒压力继电器YJ0，以实现在液压回路中达到一定压力才进行控制动作的要求。
具体电路图如下：图6 液压控制回路设计图（3）辅助电路（照明显示）在辅助回路中，主要包含有照明灯的控制与显示灯的控制。
照明灯所需电源为24V交流电，而显示灯所需电源为6V交流电。
故将它们分别有变压器TC的不同变压接口引出即可。
照明灯应与总电源开关相同时亮灭，故在电源刀开关QS选型的时候应选择有三个主触点并带有一对常开常闭辅助触点的刀开关，并将照明灯的控制接入刀开关QS的辅助常开触点。
在本设计中，我们共设置了3个指示灯（HL1、HL2、HL3），分别为启动、工进与急停。
故它们分别由交流接触器KM1、KM3、KM0的辅助常开触点来控制。
另外，在控制回路的起始端（即由变压器TC引出的3端110V、24V、6V）应设置短路保护。
故在该处分别接上相合适的熔断器。
具体电路图如下：图7 辅助回路（照明与显示）设计图（4）按设计要求检查各动作程序，各种保护，联锁等，便于绘制电气控制原理图。
六、电气元件型号的选择（1）电源开关的选择在液压控制回路中，共有6个常开按钮。
其中SB2~SB6为手动控制按钮，故可选择黄色；SB1为定位启动按钮，故选择绿色。
在电机控制回路中，共有3个常开按钮、2个常闭按钮与1个联动开关。
其中SB11、SB21、SB31为电机启动按钮，故可选择绿色；SB10、SB20为电机停止按钮，故选择红色；SB30为联动开关，控制动力头电机的停止，同时也开始能耗制动，故也选择红色。
（2）热继电器的选择热继电器是电流通过发热元件产生热量，使检测元件受热弯曲而推动机构动作的一种继电器。
由于热继电器中发热元件的发热惯性，在电路中不能做瞬时过载保护和短路保护。
