YL235A机电一体化实训指导书西门子.docx

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YL235A机电一体化实训指导书西门子

亚龙YL-235A型光机电一体化实训指导书

亚龙YL－235A型光机电一体化实训考核装置，由铝合金导轨式实训台、上料机构、上料检测机构、搬运机构、物料传送和分拣机构等组成。

各个机构紧密相连，可以自由组装和调试。

控制系统采用模块组合式，由触摸屏模块、PLC模块、变频器模块、按钮模块、电源模块、接线端子排和各种传感器等组成。

触摸屏模块、PLC模块、变频器模块、按钮模块等可按实训需要进行组合、安装、调试。

该系统包含了机电一体化专业学习中所涉及的诸如电机驱动、机械传动、气动、触摸屏控制、可编程控制器、传感器，变频调速等多项技术，提供了一个典型的综合实训环境，使对过去学过的诸多单科的专业和基础知识，在这里能得到全面的认识、综合的训练和实际运用。

一、西门子PLC主机、变频器

电源模块：

三相电源总开关（带漏电和短路保护）、熔断器、单相电源插座用于模块电源连接和给外部设备提供电源，模块之间电源连接采用安全导线方式连接。

按钮模块：

提供了多种不同功能的按钮和指示灯（DC24V），急停按钮、转换开关、蜂鸣器。

所有接口采用安全插连接。

内置开关电源（24V/6A一组，12V/2A一组）为外部设备工作提供电源。

PLC模块：

主机采用西门子S7-200226继电器输出型+EM222CN（I/O扩展模块），所有接口采用安全插连接。

变频器模块：

变频器采用西门子MM420（三相输入），所有接口采用安全插连接。

警示灯：

共有绿色和红色两种颜色。

引出线五根，其中并在一起的两根粗线是电源线（红线接“+24”，黑红双色线接“GND”），其余三根是信号控制线（棕色线为控制信号公共端，如果将控制信号线中的红色线和棕色线接通，则红灯闪烁，将控制信号线中的绿色线和棕色线接通，则绿灯闪烁）。

二、送料机构

1－转盘2－调节支架3－直流电机4－物料5－出料口传感器6－物料检测支架

放料转盘：

转盘中共放三种物料：

金属物料、白色非金属物料、黑色非金属物料。

驱动电机：

电机采用24V直流减速电机，转速6r/min；用于驱动放料转盘旋转。

物料支架：

将物料有效定位，并确保每次只上一个物料。

出料口传感器：

物料检测为光电漫反射型传感器，主要为PLC提供一个输入信号，如果运行中，光电传感器没有检测到物料并保持若干秒钟，则应让系统停机然后报警。

三、机械手搬运机构

1－旋转气缸2－非标螺丝3－气动手爪4－手爪磁性开关Y59BLS5－提升气缸

6－磁性开关D-C737－节流阀8－伸缩气缸9－磁性开关D-Z7310－左右限位传感器

11－缓冲阀12－安装支架

整个搬运机构能完成四个自由度动作，手臂伸缩、手臂旋转、手爪上下、手爪松紧。

手爪提升气缸：

提升气缸采用双向电控气阀控制。

磁性传感器：

用于气缸的位置检测。

检测气缸伸出和缩回是否到位，为此在前点和后点上各一个，当检测到气缸准确到位后将给PLC发出一个信号；（在应用过程中棕色接PLC主机输入端，蓝色接输入的公共端）

手爪:

抓取和松开物料由双电控气阀控制，手爪夹紧磁性传感器有信号输出，指示灯亮，在控制过程中不允许两个线圈同时得电。

旋转气缸：

机械手臂的正反转，由双电控气阀控制。

接近传感器：

机械手臂正转和反转到位后，接近传感器信号输出。

（在应用过程中棕色线接直流24V电源“+”、蓝色线接直流24V电源“-”、黑色线接PLC主机的输入端）

双杆气缸：

机械手臂伸出、缩回，由电控气阀控制。

气缸上装有两个磁性传感器，检测气缸伸出或缩回位置。

缓冲器：

旋转气缸高速正转和反转时，起缓冲减速作用。

四、物料传送和分拣机构

1－磁性开关D-C732－传送分拣机构3－落料口传感器4－落料口5－料槽

6－电感式传感器7－光纤传感器8－过滤调压阀9－节流阀10－三相异步电机

11－光纤放大器12－推料气缸

落料口传感器：

检测是否有物料到传送带上，并给PLC一个输入信号。

落料孔：

物料落料位置定位。

料槽：

放置物料。

电感式传感器：

检测金属材料，检测距离为3~5mm。

光纤传感器：

用于检测不同颜色的物料，可通过调节光纤放大器来区分不同颜色的灵敏度。

三相异步电机：

驱动传送带转动，由变频器控制。

推料气缸：

将物料推入料槽，由电控气阀控制。

五、有关传感器（接近开关）

YL-235A各工作单元所使用的传感器都是接近传感器，它利用传感器对所接近的物体具有的敏感特性来识别物体的接近，并输出相应开关信号，因此，接近传感器通常也称为接近开关。

接近传感器有多种检测方式，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、捕捉检测体的接近引起的电气信号的容量变化的方式、利用磁石和引导开关的方式、利用光电效应和光电转换器件作为检测元件等等。

YL-235A所使用的是磁感应式接近开关、电感式接近开关、漫反射光电开关和光纤型光电传感器等。

下面只介绍简介它们的基本工作原理和安装调试方法。

1．磁感应式接近开关

磁感应式接近开关又称磁性开关，是气动系统最常用的检测位置的传感器。

图1是安装在一个直线气缸上的两个磁性开关。

图1安装上直线气缸的磁性开关

从图1可以看到，气缸两端分别有缩回限位和伸出限位两个极限位置，自动控制中往往需要这两个位置的信息，以便实现控制功能。

获取信息的方法是在这两个极限位置都分别装有一个磁感应接近开关。

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推料及顶料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。

在磁性开关上设置有LED显示用于显示其信号状态，供调试时使用。

磁性开关动作时，输出信号“1”，LED亮；磁性开关不动作时，输出信号“0”，LED不亮。

磁性开关的安装位置可以调整，调整方法是松开它的紧定螺栓，让磁性开关顺着气缸滑动，到达指定位置后，再旋紧紧定螺栓。

磁性开关有蓝色和棕色2根引出线，使用时蓝色引出线应连接到PLC输入公共端，棕色引出线应连接到PLC输入端。

磁性开关的内部电路如图2中虚线框内所示，为了防止实训时错误接线损坏磁性开关，YL-235A上所有磁性开关的棕色引出线都串联了电阻。

图2磁性开关内部电路

2、电感式接近开关

电感式接近开关是利用电涡流效应制造的传感器。

电涡流效应是指，当金属物体处于一个交变的磁场中，在金属内部会产生交变的电涡流，该涡流又会反作用于产生它的磁场这样一种物理效应。

如果这个交变的磁场是由一个电感线圈产生的，则这个电感线圈中的电流就会发生变化，用于平衡涡流产生的磁场。

利用这一原理，以高频振荡器（LC振荡器）中的电感线圈作为检测元件，当被测金属物体接近电感线圈时产生了涡流效应，引起振荡器振幅或频率的变化，由传感器的信号调理电路（包括检波、放大、整形、输出等电路）将该变化转换成开关量输出，从而达到检测目的。

电感式接近传感器工作原理框图如图3所示。

图3电感式传感器原理框图

在接近开关的选用和安装中，必须认真考虑检测距离、设定距离，保证生产线上的传感器可靠动作。

安装距离注意说明如图4所示。

图4安装距离注意说明

3、漫射式光电接近开关

（1）光电式接近开关

“光电传感器”是利用光的各种性质，检测物体的有无和表面状态的变化等的传感器。

其中输出形式为开关量的传感器为光电式接近开关。

光电式接近开关主要由光发射器和光接收器构成。

如果光发射器发射的光线因检测物体不同而被遮掩或反射，到达光接收器的量将会发生变化。

光接收器的敏感元件将检测出这种变化，并转换为电气信号，进行输出。

大多使用可视光（主要为红色，也用绿色、蓝色来判断颜色）和红外光。

按照接收器接收光的方式的不同，光电式接近开关可分为对射式、反射式和漫射式3种，如图5所示。

图5光电式接近开关

（2）漫射式光电开关

漫射式光电开关是利用光照射到被测物体上后反射回来的光线而工作的，由于物体反射的光线为漫射光，故称为漫射式光电接近开关。

它的光发射器与光接收器处于同一侧位置，且为一体化结构。

在工作时，光发射器始终发射检测光，若接近开关前方一定距离内没有物体，则没有光被反射到接收器，接近开关处于常态而不动作；反之若接近开关的前方一定距离内出现物体，只要反射回来的光强度足够，则接收器接收到足够的漫射光就会使接近开关动作而改变输出的状态。

YL-235A中，用来检测供料盘工件推出的漫射式光电接近开关选用OMRON公司的E3Z-L61型放大器内置型光电开关（细小光束型，NPN型晶体管集电极开路输出），。

该光电开关的外形和顶端面上的调节旋钮和显示灯如图6所示。

图7给出该光电开关的内部电路原理框图。

图6E3Z-L光电开关的外形和调节旋钮、显示灯

图7E3Z-L61光电开关电路原理图

从电路原理图可以看到，E3Z-L光电开关电路具有极性保护，电路连接时如果极性接反，不会损坏器件，但光电开关不能正常工作。

切勿把光电开关的信号输出线直接连接到+24V电源端，这样会造成器件的损坏。

用于检测皮带输送机进料口上有无物料的光电开关是一个园柱形漫射式光电接近开关，工作时向上发出光线，从而透过小孔检测是否有工件存在，该光电开关选用OTS41型，OTS41没有电源极性保护，使用时要小心。

4、光纤传感器

光纤型传感器也是一种光电传感器，光纤型传感器由光纤检测头、光纤放大器两部分组成，放大器和光纤检测头是分离的两个部分，光纤检测头的尾端部分分成两条光纤，使用时分别插入放大器的两个光纤孔。

光纤传感器组件如图8所示。

图9是放大器的安装示意图。

图8光纤传感器组件

图9光纤传感器组件外形及放大器的安装示意

光纤传感器也是光电传感器的一种。

光纤传感器具有下述优点：

抗电磁干扰、可工作于恶劣环境，传输距离远，使用寿命长，此外，由于光纤头具有较小的体积，所以可以安装在很小空间的地方。

光纤式光电接近开关的放大器的灵敏度调节范围较大。

当光纤传感器灵敏度调得较小时，反射性较差的黑色物体，光电探测器无法接收到反射信号；而反射性较好的白色物体，光电探测器就可以接收到反射信号。

反之，若调高光纤传感器灵敏度，则即使对反射性较差的黑色物体，光电探测器也可以接收到反射信号。

图10给出了放大器单元的俯视图，调节其中部的8旋转灵敏度高速旋钮就能进行放大器灵敏度调节（顺时针旋转灵敏度增大）。

调节时，会看到“入光量显示灯”发光的变化。

当探测器检测到物料时，“动作显示灯”会亮，提示检测到物料。

图10光纤传感器放大器单元的俯视图

E3Z-NA11型光纤传感器电路框图如图11所示，接线时请注意根据导线颜色判断电源极性和信号输出线，切勿把信号输出线直接连接到电源+24V端。

图11E3X-NA11型光纤传感器电路框图

5、接近开关的图形符号

部分接近开关的图形符号如图12所示。

图中（a）（b）（c）三种情况均使用NPN型三极管集电极开路输出。

如果是使用PNP型的，正负极性应反过来。

图12接近开关的图形符号

六、YL-235A的气动元件

1、标准双作用直线气缸

YL-235A传送带上的推料气缸和升降台的升降气缸都是标准双作用直线气缸。

标准气缸是指气缸的功能和规格是普遍使用的、结构容易制造的、制造厂通常作为通用产品供应市场的气缸。

双作用气缸是指活塞的往复运动均由压缩空气来推动。

图13是标准双作用直线气缸的半剖面图。

图中，气缸的两个端盖上都设有进排气通口，从无杆侧端盖气口进气时，推动活塞向前运动；反之，从杆侧端盖气口进气时，推动活塞向后运动。

双作用气缸具有结构简单，输出力稳定，行程可根据需要选择的优点，但由于是利用压缩空气交替作用于活塞上实现伸缩运动的，回缩时压缩空气的有效作用面积较小，所以产生的力要小于伸出时产生的推力。

图13标准双作用直线气缸

为了使气缸的动作平稳可靠，应对气缸的运动速度加以控制，常用的方法是使用单向节阀来实现。

单向节流阀是由单向阀和节流阀并联而成的流量控制阀，常用于控制气缸的运动速度，所以也称为速度控制阀。

图14给出了在双作用气缸装上两个单向节流阀的连接示意图，这种连接方式称为排气节流方式（或限出型节流方式）。

即，当压缩空气从A端进气从B端排气时，单向节流阀A的单向阀开启，向气缸无杆腔快速充气；由于单向节流阀B的单向阀关闭，有杆腔的气体只能经节流阀排气，调节节流阀B的开度，便可改变气缸伸出时的运动速度。

反之，调节节流阀A的开度则可改变气缸缩回时的运动速度。

这种控制方式，活塞运行稳定，是最常用的方式。

图14节流阀连接和调整原理示意

单向节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。

图15是安装了带快速接头的限出型气缸节流阀的气缸外观。

图15安装上气缸节流阀的气缸

2、气动手指（气爪）

气爪用于抓取、夹紧工件。

气爪通常有滑动导轨型、支点开闭型和回转驱动型等工作方式。

YL-235A所使用的是滑动导轨型气动手指，如图16（a）所示。

其工作原理可从其中剖面图（b）和（c）看出。

图16气动手指实物和工作原理

3、导向气缸

导向气缸是指具有导向功能的气缸。

一般为标准气缸和导向装置的集合体。

导向气缸具有导向精度高，抗扭转力矩、承载能力强、工作平稳等特点。

YL-235A机械手用于手臂水平伸出和缩回的导向气缸如图17所示。

图17导向气缸

4、摆动气缸

摆动气缸是利用压缩空气驱动输出轴在一定角度范围内作往复回转运动的气动执行元件。

用于物体的转位、翻转、分类、夹紧、阀门的开闭以及机器人的手臂动作等。

齿轮齿条式摆动气缸是气压力推动活塞带动齿条作直线运动，齿条推动齿轮作回转运动，由齿轮轴输出力矩并带动外负载摆动。

摆动平台是在转轴上安装了一个平台，平台可在一定角度范围内摆动。

叶片式摆缸是用内部止动块或外部挡块来改变其摆动角度。

止动块与缸体固定在一起，叶片与转轴连在一起。

气压作用在叶片上，带动转轴回转，并输出力矩。

叶片式摆动气缸有单叶片式和双叶片式。

双叶片式的输出力矩比单叶片式大一倍，但转角小于180度。

图18和图19分别给出了齿轮齿条式摆动气缸及叶片式摆缸的外观图。

图18齿轮齿条式摆动气缸

图19叶片式摆缸

表1两种摆动气缸的特点

品种

体积

质量

改变摆动角的方法

设置缓冲装置

输出力矩

泄漏

摆动角范围

最低使用压力

摆动速度

用于中途停止状态

齿轮齿条式

较大

较大

改变内或外部挡块位置

容易

较大

很小

可较宽

较小

可以低速

可适当时间使用

叶片式

较小

较小

调节止动块位置

内部设置困难

较小

有微漏

较窄

较大

不宜低速

不宜长时间使用

5、单电控电磁换向阀、电磁阀组

双作用气缸，其活塞的运动是依靠向气缸一端进气，并从另一端排气，再反过来，从另一端进气，一端排气来实现的。

气体流动方向的改变则由能改变气体流动方向或通断的控制阀即方向控制阀加以控制。

在自动控制中，方向控制阀常采用电磁控制方式实现方向控制，称为电磁换向阀。

电磁换向阀是利用其电磁线圈通电时，静铁芯对动铁芯产生电磁吸力使阀芯切换，达到改变气流方向的目的。

图20所示是一个单电控二位三通电磁换向阀的工作原理示意。

图20单电控电磁换向阀的工作原理

所谓“位”指的是为了改变气体方向，阀芯相对于阀体所具有的不同的工作位置。

“通”的含义则指换向阀与系统相连的通口，有几个通口即为几通。

图3-5中，只有两个工作位置，具有供气口P、工作口A和排气口R，故为二位三通阀。

图21分别给出二位三通、二位四通和二位五通单控电磁换向阀的图形符号，图形中有几个方格就是几位，方格中的“┯”和“┷”符号表示各接口互不相通。

图21部分单电控电磁换向阀的图形符号

YL-235A所有工作单元的执行气缸都是双作用气缸，因此控制它们工作的电磁阀需要有二个工作口和二个排气口以及一个供气口，故使用的电磁阀均为二位五通电磁阀。

传送带上两个推料气缸的运动是用两个二位五通的单电控电磁阀来控制的。

这两个电磁阀带有手动换向和加锁钮，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。

6、双电控电磁换向阀

用以控制机械手气缸运动的电磁阀均采用的是二位五通双电控电磁阀，电磁阀外形如图22所示。

图22双电控气阀示意图

双电控电磁阀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。

注意：

双电控电磁阀的两个电控信号不能同时为“1”，即在控制过程中不允许两个线圈同时得电，否则，可能会造成电磁线圈烧毁，当然，在这种情况下阀芯的位置是不确定的。

7、电磁阀组

YL-235A上所有电磁阀是集中安装在汇流板上的。

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。

这种将多个阀与消声器、汇流板等集中在一起构成的一组控制阀的集成称为阀组，而每个阀的功能是彼此独立的。

，阀组的结构如图23所示。

图23电磁阀组

8、气动控制回路的工作原理图

七、西门子MM420变频器简介

西门子MM420（MICROMASTER420）是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列。

该系列有多种型号，从单相电源电压，额定功率120W到三相电源电压，额定功率11KW可供用户选用。

YL-335A选用的MM420订货号为6SE6420-2UD17-5AA1，额定参数为：

电源电压：

380V～480V，三相交流

额定输出功率：

0.75KW

额定输入电流：

2.4A

额定输出电流：

2.1A

外形尺寸：

A型

操作面板：

基本操作板（BOP）

亚龙公司生产的YL-335或YL-235A中，变频器安装在模块盒中，变频器的电源端头、电动机端头、主要的输入、输出端头都引出到模块面板的安全导线插孔上，以确保实训接线操作时的安全。

在模块面板上还安装了调速电位器，用来调节变频器输出电压的频率。

变频器模块面板如图24所示。

图24亚龙MM420变频器模块

1、MM420变频器的接线

MM420变频器典型的电路方框图如图25所示。

图25MM420变频器方框图

进行主电路接线时，变频器模块面板上的L1、L2、L3插孔接三相电源，接地插孔接保护地线；三个电动机插孔U、V、W连接到三相电动机（千万不能接错电源，否则会损坏变频器）。

MM420变频器模块面板上引出了MM420的数字输入点：

DIN1（端子⑤）；DIN2（端子⑥）；DIN3（端子⑦）；内部电源+24V（端子⑧）；内部电源0V（端子⑨）。

数字输入量端子可连接到PLC的输出点（端子⑧接一个输出公共端，例如2L）。

当变频器命令参数P0700=2（缺省设置值，功能为外部端子控制）时，可由PLC控制变频器的启动/停止以及变速运行等。

在模块面板上还引出了MM420的模拟输入点：

AIN+（端子③）、AIN-（端子④）；内部电源+10V（端子①）；内部电源0V（端子②）。

同时，面板上还安装了一个用作频率调节的电位器，它的引出线为[1]，[2]，[3]端。

图25中，模拟输入回路可以另行组态，用以提供一个附加的数字输入（DIN4），接线如图26所示：

图26模拟输入端组态为数字输入

2、MM420变频器的BOP操作面板

MM420变频器的操作面板可以配用状态显示板（SDP）、基本操作板（BOP）和高级操作板（AOP）三种，YL-235A上配用的是基本操作板（BOP）。

图27是基本操作面板（BOP）的外形。

利用BOP可以改变变频器的各个参数。

图27基本操作板

BOP具有7段显示的五位数字LCD，可以显示参数的序号和数值，报警和故障信息，以及设定值和实际值。

参数的信息不能用BOP存储。

基本操作面板（BOP）上的按钮及其功能如下表2所示。

显示/按钮

功能

功能的说明

状态显示

LCD显示变频器当前的设定值

启动变频器

当设定P0700=1时，此键的操作有效。

按此键起动变频器。

缺省值运行时（P0700=2）此键是被封锁的。

停止变频器

当设定P0700=1时，此键的操作有效。

缺省值运行时（P0700=2）此键是被封锁的。

OFF1：

按此键，变频器将按选定的斜坡下降速率减速停车。

OFF2：

按此键两次（或一次，但时间较长）电动机将在惯性作用下自由停车。

此功能总是“使能”的。

改变电动机的转动方向

当设定P0700=1时，此键的操作有效。

缺省值运行时（P0700=2）此键是被封锁的。

按此键可以改变电动机的转动方向，电动机的反向时，用负号表示或用闪烁的小数点表示。

电动机点动

在变频器无输出的情况下按此键，将使电动机起动，并按预设定的点动频率运行。

释放此键时，变频器停车。

如果变频器/电动机正在运行，按此键将不起作用。

功能

此键用于浏览辅助信息。

变频器运行过程中，在显示任何一个参数时按下此键并保持不动2秒钟，将显示以下参数值（在变频器运行中从任何一个参数开始）：

1.直流回路电压（用d表示–单位：

V）

2.输出电流A

3.输出频率（Hz）

4.输出电压（用o表示–单位V）

5.由P0005选定的数值（如果P0005选择显示上述参数中的任何一个（3，4或5），这里将不再显示）。

连续多次按下此键将轮流显示以上参数。

跳转功能

在显示任何一个参数（rXXXX或PXXXX）时短时间按下此键，将立即跳转到r0000,如果需要的话，您可以接着修改其它的参数。

跳转到r0000后，按此键将返回原来的显示点。

访问参数

按此键即可访问参数。

增加数值

按此键即可增加面板上显示的参数数值。

减少数值

按此键即可减少面板上显示的参数数值。

例：

用BOP进行的基本操作

①操作的先决条件

P0010=0（为了正确地进行运行命令的初始化）。

P0700=1（使能BOP操作板上的起动/停止按钮）。

P1000=1（使能电动电位计的设定值）。

②操作步骤

·按下绿色按钮

，起动电动机。

·按下“数值增加”按钮

，电动机转动，其速度逐渐增加到50Hz。

·当变频器的输出频率达到50Hz时，按下“数值降低”按钮

，电动机的速度及其显示值逐渐下降。

·用按钮

，可以改变电动机的转动方向。

·按下红色按钮

，电动机停车。

3、MM420变频器的参数设置

3.1参数号和参数名称

参数号是指该参数的编号。

参数号用0000到9999的4位数字表示。

在参数号的前面冠以一个小写字母“r”时，表示该参数是“只读”的参数。

其它所有参数号的前面都冠以一个大写字母“P”。

这些参数的设定值可以直接在“最小值”和“最大值”范围内进行修改。

[下标]表示该参数是一个带下标的参数，并且指定了下标的有效序号。