单轴位置控制系统设计

单轴位置控制系统设计 一、单轴位置控制装置简介 单轴位置控制装置实际上是一个一维机械手装置，它以工业自动化生产系统中的一维机械手为参考对象，完全展现了实际一维机械手的运行状态，装置将机械、气动、电气控制、传感器等技术合理的融合在一起。

图1 单轴位置控制装置外形图 1、机械部分 单轴位置控制实训装置的机械部分主要由直线滑块模组机构、升降气缸、吸盘、接近传感器、磁感应开光及限位开关等构成。 1)直线滑块模组机构：由一个电机通过联轴器主同步带轮驱动，并通过同步带将滑块与从同步带轮配合成直线驱动机构，在型材上实现直线移动。在自动状态下将不同属性的工件放入对应的物品容器中，滑块上的气动抓手的位置判断是根据与工位对应的接近开关开关来判断滑块与工位见关系，在直线模组终端均设置行程开关，来保护模组的滑块在允许范围内运动。

X向的运动机构均设定有保护开关，为超小型基本开关。安装于各自机构的两头极限位置。一旦行走超出范围时，立即切断机构电气硬件回路。从而避免程序的误动作组成设备损坏。并将超程信号开放到IO面板。

2)接近传感器：是代替限位开关等接触式检测方式，以无需接触检测对象进行检测为目的的传感器的总称。能检测对象的移动信息和存在信息转换为电气信号。在换为电气信号的检测方式中，包括利用电磁感应引起的检测对象的金属体中产生的涡电流的方式、捕测体的接近引起的电气信号的容量变化的方式、利石和引导开关的方式。 本装置采用LJ8A3-2-Z/BX系列接近传感器。

产地：上海 特点： 1）非屏蔽式 2）直流型NPN常开（NO） 3）三线制 工作电压：DC10-36V 检测距离：2mm 按装开孔：螺丝固定安装

3) 升降气缸及吸盘 升降气缸和吸盘皆为气动执行器件，在本实训装置上的主要功能是实现工件的吸取、提升、下降及释放。提升、下降位置由装在气缸上的两个磁感应开关通过检测装在活塞上的磁环位置来判断，吸盘利用真空发生器产生的负压将工件吸住，负压消失工件在其自身重力作用下自然与吸盘分离。此过程是磁感应开关把升降气缸缸位检测信号反馈给控制器（PLC，自动控制时有效），再通过控制器控制电磁阀，使升降气缸与真空发生器实现气源换向， 从而实现工件的吸取、提升、下降及释放操作。 气缸、节流阀及磁感应开关：为了使气缸的动作平稳可靠，气缸的作用气口都安装了限出型气缸截流阀。气缸截流阀的作用是调节气缸的动作速度。截流阀上带有气管的快速接头，只要将合适外径的气管往快速接头上一插就可以将管连接好了，使用时十分方便。上图是一个双动气缸装有两个限出型气缸节流阀的连接和调节原理示意图，当调节节流阀A时，是调整气缸的伸出速度，而当调节节流阀B 时，是调整气缸的缩回速度。 从上图看到，气缸两端分别有缩回限位和伸出限位两个极限位置，这两个极限位置都分别装有一个磁感应接近开关。磁感应接近开关的基本工作原理是：当磁性物质接近传感器时，传感器便会动作，并输出传感器信号。若在气缸的活塞（或活塞杆）上安装上磁性物质，在气缸缸筒外面的两端位置各安装一个磁感应式接近开关，就可以用这两个传感器分别标识气缸运动的两个极限位置。当气缸的活塞杆运动到哪一端时，哪一端的磁感应式接近开关就动作并发出电信号。在PLC的自动控制中，可以利用该信号判断气缸的 运动状态或所处的位置，以确定工件是否被推出或气缸是否返回。在传感器上设置有LED 显示用于显示传感器的信号状态，供调试时使用。传感器动作时，输出信号“1”，LED亮；传感器不动作时，输出信号“0”，LED 不亮。传感器（也叫做磁性开关）的安装位置可以调整，调整方法是松开磁性开关的紧定螺钉，让磁性开关在气缸的滑轨里滑动，到达指定位置后，再旋紧紧定螺钉。

2、 机械部分工作原理 直线滑块模组的滑块通过（升降气缸固定在滑块上）移动，到达指定的工位后，升降气缸及吸盘工作，将工件吸取并提升，然后直线滑块模组机构的滑块又开始移动到达指定的工位后，升降气缸及吸盘又开始工作，将工件放到指定的工位上，达到搬运工件之目的。 1)X向直线滑块模组单元： 直线滑块模组机构由一个电机通过联轴器主同步带轮驱动，并通过同步带将滑块与从同步带轮配合成直线驱动机构，在型材上实现直线移动。在自动状态下将不同属性的工件放入对应的物品容器中，滑块上的气动抓手的位置判断是根据与工位对应的接近开关开关来判断滑块与工位见关系，在直线模组终端均设置行程开关，来保护模组的滑块在允许范围内运动。 2）Z向升降气缸单元 Z轴通过工厂自动化常用的气缸和气动真空吸盘来控制取放工件。Z轴方向的运动通过一个气缸来实现。真空吸盘安装在升降气缸的前端，通过电磁阀来控制气路通断，从而控制Z轴的升降和真空吸盘来吸取释放工件。在气缸上设置两个磁性传感器，来判断气缸的上下位置。 3)保护及定位检测装置 X向的运动机构均设定有保护开关，为超小型基本开关。安装于各自机构的两头极限位置。一旦行走超出范围时，立即切断机构电气硬件回路。从而避免程序的误动作组成设备损坏。并将超程信号开放到IO面板。 4）开关电源 利用开关电源将接入的交流220V通过开关电源转换出直流24V供设备中继电器、电磁阀等弱电设备使用。 5）空气过滤器 气压传动，往往使用空气压缩机将空气压缩后存储至专用的存储单元，通常称之为气源。空气中难免会有油污、水蒸气等等一些杂质在空气压缩的过程被吸入压缩机当中混合在气源中。为了设备更好的发挥性能，在气源接入设备之前安装了空气过滤器，保证较清洁的空气接入设备当中。

3气动回路部分 单轴位置控制实训装置的气动回路主要由过滤减压阀、电磁阀组（含有两个双电控二位五通电磁阀）、真空发生器、真空过滤器、数字式压力开关及气管等组成。 1）过滤减压阀 气源处理组件及其实物与回路原理图分别如下图所示。气源处理组件是气动控制系统中的基本组成器件，它的作用是除去压缩空气中所含的杂质及凝结水，调节并保持恒定的工作压力。该气源处理组件的气路入口处安装一个快速气路开关，用于关闭气源。在使用时，应注意经常检查过滤器中凝结水的水位，在超过最高标线以前，必须排放，以免被重新吸入。 气源处理组件输入气源来自空气压缩机，所提供的压力为0.6～1.0MPa, 输出压力为0～0.8MPa可调。输出的压缩空气通过快速三通接头和气管输送到供料单的各个电磁阀去控制气缸和真空发生器。

2）电磁阀组

压力调节旋钮 压力表 过滤及干燥系统 就是将多个阀与消声器、汇流板等集中在一起构成的一组控制阀的集成，

而每个阀的功能是彼此独立的。单轴位置控制实训装置的气动回路中共使用了2个双电控二位五通电磁阀，2个阀集中安装在汇流板上，汇流板中两个排气口末端均连接了消声器，消声器的作用是减少压缩空气在向大气排放时的噪声。阀组的结构如下图所示。

3）电磁阀 以双电控二位五通电磁阀为例，对电磁阀的组成结构加以说明：双电控电

磁阀采用两端都用电磁线圈控制的方式，与单电控电磁阀的区别在于，对于单电控电磁阀，在无电控信号时，阀芯在弹簧力的作用下会被复位，而对于双电

电源接线座 手动换向、加锁气管接口

电源接线座 手动换向、加锁气管接口 消声器 电磁阀 汇流板 控电磁阀，在两端都无电控信号时，阀芯的位置是取决于前一个电控信号。

电磁阀，带手动换向、加锁钮，有锁定（LOCK）和开启（PUSH）2个位置。用小螺丝刀把加锁钮旋到在LOCK位置时，手控开关向下凹进去，不能进行手控操作。只有在PUSH位置，可用工具向下按，信号为“1”，等同于该侧的电磁信号为“1”；常态时，手控开关的信号为“0”。在进行设备调试时，可以使用手控开关对阀进行控制，从而实现对相应气路的控制，以改变推料缸等执行机构的控制，达到调试的目的。 4）真空发生器 真空发生器产生真空的原理和传统真空泵是不一样的。它是让压缩空气在泵体内形成高速气流，大家知道，气体的流动速度越高，当地的气体压力就越低（从柏努利方程可以得出），因此就具有越强的抽吸能力。真空发生器就是利用这种原理制成的。 正因为如此，在同等真空抽气量的情况下，真空发生器体积小，基本不用维护，真正的无油，是一种既可靠效率又高的真空泵。 真空发生器分单级真空发生器和多级真空发生器两类，在消耗相同压缩空气的条件下，多级真空发生器在标准大气下的真空抽气量一般是单级真空发生器的好几倍，因此，多级真空发生器是真正高效率的真空泵。

消声器 真空管 真空发生器的使用环境要求很简单，只要有压缩空气源，就可以使用真空发生器。

真空发生器参数，如表1-1所示。

表1-1真空发生器参数表

压缩空气进气管 5）真空过滤器 它的主要作用是滤除压缩空气中的水分和微型颗粒杂质。

6）数字式压力开关

数字式压力开关的主要功能是将真空发生器的压力转换成对应的电信号，并通过数字表显示其压力值。数字式压力开关实物。 按钮面板盒 按钮面板盒在本套设备中提供众多实验所需要的操作按钮、指示灯、继电器、小心断路器，以及系统的传感器与执行器的快速迭插端子等。可实现对设备的简单测试运行，了解系统电路的组成等。

针对以上各项解释如下： 1. 小型断路器：适用于交流50/60HZ额定电压230/400V，额定电流至63A线路的过载和短路保护之用，也可以在正常情况下作为线路的不频繁操作转换之用。本套系统中，额定电流10A，若工作电流超过10A，将自动切断系统供电。 2. 继电器：用于继电保护与自动控制系统中，以增加触点的数量及容量。 它用于在控制电路中传递中间信号。本套系统，此继电器用作控制直流电机正反转，接线已在内部PCB板接好，不开放操作。但在第“6”区的“左移”、“右移”黄色的迭插端子收到DC24V电压时，中间继电器线圈吸合，导致触点接通，并将直流电机供电，致直线滑块模组移动。

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