单轴位置控制系统设计.docx

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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

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

消声器

真空管

压缩空气进气管

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。

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

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

1

2

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5

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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。

3.电源供电区：

将开关电源输出的电压接到此区域，提供系统直流供电，红色的迭插端子为DC24V，黑色为0V，中间为供电指示，单系统有DC24V输出时，红色指示灯亮。

4.按钮指示灯区域：

提供众多指示灯按钮，并将按钮的引脚接入到面板上。

启动、停止、复位按钮：

按钮作用的常开触点接引至正上方蓝色的迭插端子，公共端触点接引至正上方黑色端子上。

指示灯作用的“+”引脚信号接引至第“6”号区域内的启动、停止、复位黄色的迭插端子，“-”引脚信号接接引至第“6”号区域内的输出COM端子上。

按钮参数：

DC24V，最大电流3A；

指示灯参数：

DC24V（不可接AC220V）

急停按钮：

按钮作用的常闭触点接引至正上方蓝色的迭插端子，公共端触点接引至正上方黑色端子上。

按钮参数：

DC24V，最大电流3A；

手/自动按钮、吸附按钮、气缸上下按钮、左移右移安妮：

按钮作用的常开触点接引至正上方蓝色的迭插端子，公共端触点接引至正上方黑色端子上。

按钮参数：

DC24V，最大电流3A。

按钮符号中的虚线表示为同一个操作元件。

5.输入输出端子排区：

将本套系统的所有传感器、执行器、按钮等引脚接入此区域，用于实训时外部自行走线时使用。

此功能与迭插端子功能相异，两者只能选其中一种接线，不然系统为紊乱。

6.输入输出端子迭插端子区：

将本套系统的所有传感器、执行器、按钮等引脚接入此迭插端子区，用于实验实训迭插端子走线时使用。

此功能与端子排区相异，两者只能选其中一种接线，不然系统为紊乱。

7.外部接线端子区：

此区域用于按钮面板盒与外部传感器、执行器连接使用，非必要，不可自行插接。

PCB接线如图所示：

二、控制原理：

1、气动控制原理

装置的气动控制原理如图，气源将压缩空气首先送入过滤减压阀，经过滤减压阀过滤、减压处理后，输出洁净的、干燥的压力适合于工作要求的压缩空气，经电磁阀组汇流排的进气口到电磁阀内，电磁阀线圈与控制器（PLC，自动控制时有效）的输出端连接，并受控制器控制，然后由电磁阀控制进入升降气缸和真空发生器的气源并使其换向，实现升降气缸的伸缩、真空发生器的负压产生与消失控制，从而完成吸取、提升、下降、释放的运行动作。

1.开光电源：

提供将AC220V市电转换为DC24V，属于高压危险设备，请勿私自触摸接触。

2.按钮面板盒：

提供设备的输入输出接线端子的集中，并配套相应按钮、指示灯、继电器、小型断路器等实验必须件。

3.实验台架：

铝型材台架，承载设备框架。

4.负压传感器：

显示真空发生负压后的压力值，并判断工件吸取情况给PLC。

5.电磁阀：

有电磁线圈控制气阀的切换，实现气路的自由转换。

6.线槽：

设备走线槽。

7.工件：

设备吸放承载物。

8.工件放置座：

摆放要移动的物品。

9.X轴驱动电机：

X轴移动的动力源。

10.运动模组：

X轴驱动套件。

11.空气过滤器：

由气源接入空气过滤器，由空气过滤器过滤空气中的灰尘杂质，把较清洁的空气输入到实验设备当中，供气动部分运动。

12.真空发生器：

利用正压气源产生负压真空元器件，以便吸取工件的动力。

13.Z轴升降气缸：

通过电磁阀切换气路控制气缸伸缩，完成Z轴的升降。

14.拖链：

供移动的机构走线器件。

15.吸盘：

通过空气真空发生器吸出吸盘内的空气，吸住物体配合X、Z轴移动。

2、手动控制

要求

通过操作单轴位置控制实训装置控制盒面板上的按扭开关，控制直线滑块模组左右移动、控制升降气缸的活塞伸缩运动、控制吸盘完成吸取和释放工件动作，以达到抓取、提升、搬运、下降、释放工件之目的。

操作步骤

1）.接通气动机械手实训装置及空气压缩机的电源。

2）.合上小型断路器，接通空气过滤器的气动阀门，将空气压力调整为0.4MPa。

3）.将“手动/自动”按钮旋转至手动状态（对应指示灯为不亮）。

4）.通过按钮触发相应的动作，观察动作是否可靠的执行。

a）摇动“X+/X-”摇柄开关，观察X方向行走机构的行走方向是否正确。

b）按下“Z轴”按钮，升降气缸下降，松开“Z轴”按钮，升降气缸上升，其对应的检测开关（磁感应接近开关）应跟随其变化。

c）按下“吸盘”按钮，真空发生器动作，压力检测传感器有检测信号，可以吸取工件，松开“吸盘”按钮，真空发生器停止工作。

5）.根据手动的控制状态，分别考虑各传感器信号是如何测量。

6）.实验结束后，关闭实验设备、空气压缩机及PLC实验设备的电源开关。

接线注意事项

1）输出区域的红色的“COM”接24V；

2）输出区域的黄色“吸附”接按钮吸附上方的蓝色端子；

3）输出区域的黄色“气缸-上”接按钮气缸上上方的蓝色端子；

4）输出区域的黄色“气缸-下”接按钮气缸下上方的蓝色端子；

5）输出区域的黄色“左移”接按钮左移上方的蓝色端子；

6）输出区域的黄色“右移”接按钮右移上方的蓝色端子；

7）按钮区域的吸附按钮、气缸上下按钮、左移右移按钮正上方的黑色按钮均短接并接至按钮区域的手/自动按钮手动上方的蓝色按钮；

8）按钮区域的手/自动按钮上方的黑色按钮接至电源供电区的0V。

3、自动控制；

要求通过对PLC的编程，由PLC控制单轴位置控制实训装置自动完成，直线滑块模组的移动及定位、升降气缸活塞的伸缩运动及定位、吸盘吸取及释放工件等操作，以达到搬运工件之目的。

PLC程序设计

1）工艺流程要求

a将1#工位的工件搬到2#工位；

b将1#工位的工件搬到3#工位；

c将3#工位的工件搬到1#工位；

2）I/O地址分配表

3）PLC输入/输出端接线

4）PLC控制程序

操作步骤

1）、用计算机编写PLC控制程序；

2）、将单轴位置控制装置与空气压缩机间的气管连好；

3）、给单轴位置控制实训装置与空气压缩机供电并开起；

4）、将编写好的PLC控制程序下载到PLC控制器；

5）、观察控制盒电源指示灯是否点亮，空气压缩机气压表指示是否正常，若指示灯不亮或气压表指示不正常，停止实验，检查设备，直至正常，进行下列实验操作：

（1）将自动/手动切换开关SA1置于自动位置，SA1指示灯点亮；

（2）按启动按钮,指示灯点亮，仔细观察单轴位置控制实训装置的运行状态；

（3）按停止按钮SB5，SB5指示灯点亮，单轴位置控制实训装置将停止运行，并回到起始位置；

6）、实验结束关闭单轴位置控制实训装置与空气压缩机间的电源。