图1-8 光纤切割器
图1-9 光纤放大器结构示意图
如图1-10所示为光电开关电路原理和接线图,光电开关具有电源极性及输出反接保护功能。将光电开关褐色线（或棕色)接PLC输入模块电源“＋”端,蓝色线接PLC输入模块电源“－”端,黑色线接PLC的输入端。
图1-10 光电开关电路原理和接线图
光电开关具有自我诊断功能,当对设置后的环境变化的余度满足要求时,稳定显示灯亮;当光电光敏元件接收到有效信号,控制输出的三极管导通,同时动作显示灯亮。光电开关能检测自身的光轴偏离、传感器面的污染、地面和背景对其影响、外部干扰的状态等传感器的异常和故障,有利于进行养护,以便设备稳定工作。
灵敏度调整光电开关具有检测距离长,对检测物体的限制小,响应速度快、分辨率高、便于调整等优点。但光电传感器在安装过程中必须保证到被检测物体的距离在“检测距离”范围内,同时考虑被检测物体的形状、大小、表面粗糙度以及移动速度等因素。
灵敏度调整主要为光电开关调整位置不到位,对工件反应不灵敏,动作灯不亮。调整光电开关的位置,合适后将固定螺母锁紧。光电开关调整合适后,对工件的反应敏感,动作灯亮且稳定灯亮。
在主皮带颗粒填装位安装一个定位汽缸,定位汽缸上装的汽缸后限位磁性开关,用于检测汽缸位置。
磁性传感器的型号为CS1-G,如图1-11所示。
图1-11 磁性开关
磁性开关CS1-G是在密闭的金属或塑料管内设置一点或多点的磁簧开关,然后将管子贯穿一个或多个,中空而内部装有环形磁铁的浮球,并利用固定环,控制浮球与磁簧开关在相关位置上,使浮球在一定范围内上下浮动。利用浮球内的磁铁去吸引磁簧开关的接点,产生开与关的动作。
磁性开关顾名思义,就是通过磁铁来感应的开关。磁性开关是用来检测汽缸活塞位置的、即检测活塞运动行程的,它可以分为接点型和无接点型2种。无接点型又分NPN型和PNP型。
接点型磁感应式接近开关是一种舌簧管式接近开关（简称干簧管开关),是一种有触点的开关元件,具有结构简单、体积小、便于控制等优点。
干簧管开关结构如图1-12所示。该干簧管由一对磁性材料制造的弹性磁簧组成,磁簧密封于充有惰性气体的玻璃管中,磁簧端面互叠,但留有一条细间隙。磁簧端面触点镀有一层贵重金属,例如铑或者钌,使开关具有稳定的特性和延长使用寿命。
恒磁铁或线圈产生的磁场施加于干簧管开关上,使干簧管两个磁簧磁化,使一个磁簧在触点位置上生成一个N极,另一个磁簧的触点位置上生成一个S极,如图1-13所示。若生成的磁场吸引力克服了磁簧的弹性产生的阻力,磁簧被吸引力作用接触导通,即电路闭合。一旦磁场力消除,磁簧因弹力作用又重新分开,即电路断开。
图1-12 磁性开关结构图
图1-13 磁性开关磁化原理图
如图1-14所示磁性开关原理图,若在汽缸的活塞上安装磁性物质,在汽缸缸筒外面的两端位置各安装一个磁感应式接近开关,就可以利用这两个传感器分别标识汽缸运动的两个极限位置。汽缸的活塞运动到哪一端时,哪一端的磁感应式接近开关就发出电信号。在PLC的自动控制中,可以利用该信号判断推料缸的运动状态或所处的位置,目的是间接判断工件是否从料仓中分离出来,及是否送到预定的位置。在传感器上设置有LED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灯亮;传感器不动作时,输出信号0, LED灯不亮。传感器的安装位置可以调整。
图1-14 干簧管接近开关原理
1—永久磁环;2—舌簧片;3—保护电路;4—指示灯
磁性开关的调节:打开气源,待汽缸在初始位置时,移动磁性开关的位置,调整汽缸的缩回限位,待磁性开关点亮即可,如图1-15所示;再利用小一字螺丝刀对气动电磁阀的测试旋钮进行操作,按下测试旋钮,顺时针旋转90°即锁住阀门,如图1-16所示,此时汽缸处于伸出位置,调整汽缸的伸出限位即可。
图1-15 移动磁性开关
图1-16 顺时针旋转90°
在主皮带颗粒填装位处安装一定位汽缸,用于固定瓶子。也就是说,当传送带将瓶子送到颗粒填装位,光纤传感器检测到物料时,定位汽缸延时伸出,将瓶子固定,等待颗粒吸取机构进行颗粒填装,当颗粒数达到填装要求,定位汽缸缩回。定位汽缸的伸出、缩回由PLC程序控制单向电磁阀的气流方向决定,伸出缩回速度由汽缸上的节流阀控制。
下面就简单介绍电磁阀、节流阀和汽缸的结构和原理。
电磁阀是电磁控制换向阀的简称,是气动控制元件中最主要的元件,其品种繁多,种类各异,按操作方式分为直动式和先导式2类。
直动式电磁阀是利用电磁力直接驱动阀芯换向,如图1-17所示为直动式单电控二位三通换向阀。当电磁阀得电,电磁阀的1口与2口接通;电磁线圈失电,电磁阀在弹簧作用下复位,则1口关闭。
图1-17 单电控电磁换向阀工作原理
图1-18 双电控电磁铁换向阀符号
图1-18所示为双电控电磁铁换向阀的符号。电磁线圈得电,双电控二位五通阀的1口与4口接通,且具有记忆功能,只有当另一个电磁线圈得电,双电控二位五通阀才复位,即1口与2口接通。
直动式电磁铁只适用于小型阀,如果控制大流量空气,则阀的体积和电磁铁都必须加大,这势必带来不经济的问题,克服这些缺点可采用先导式结构。先导式电磁阀是由小型直动式和大型气控换向阀组合而成的,它利用直动式电磁铁输出先导气压,此先导气压使主阀芯换向,该阀的电控部分又称为电磁先导阀。这里不介绍。
电磁阀组就是将多个阀集中在一起构成的一组阀,而每个阀的功能是彼此独立的,阀组中,手控开关是向下凹进去的,须使用专用工具才可以进行操作。
①双作用汽缸。单活塞双作用汽缸是气动系统中最常使用的汽缸。如图1-19所示,它由缸筒、活塞、活塞杆、前端盖、后端盖及密封件等组成。双作用汽缸内部被活塞分成两个腔,有活塞杆腔称为有杆腔,无活塞杆腔称为无杆腔。当压缩空气从无杆腔（左)进气从有杆腔排气时,在汽缸的两腔形成压力差,推动活塞运动,使活塞杆伸出;当从有杆腔（右)进气无杆腔排气时,压力差使活塞杆缩回。若使有杆腔和无杆腔交替进气和排气,活塞便可实现往复直线运动。
图1-19 单活塞双作用汽缸的结构示意图
1、3—缓冲柱塞;2—活塞;4—缸筒;5—导向套;6—防尘圈;7—前端盖;8—气口; 9—传感器;10—活塞杆;11—耐磨环;12—密封圈;13—后端盖;14—缓冲节流阀
如图1-20所示为双作用汽缸的动作过程,控制双作用汽缸的前进、后退可以采用二位四通阀,也可采用二位五通阀。
图1-20 双作用汽缸动作过程
图1-21（a)所示为采用二位五通阀直接控制,按下按钮,压缩空气从1口流向4口进气,同时2口流向3口排气,活塞伸出;松开按钮,阀内弹簧复位,压缩空气由1口流向2口,同时4口流向3口排放,汽缸活塞缩回。图（b)所示为双作用汽缸间接控制回路,信号元件1S1或1S2只要发出信号,便可使阀1V1切换,控制汽缸伸出或缩回。
图1-21 二位五通阀原理图
图1-22 双作用汽缸节流阀示意图
②单向节流阀。单向阀和节流阀并联而成的组合控制阀,图1-22所示为双作用汽缸安装限出型节流阀的连接和调节示意图。当调节节流阀A时,用以调整汽缸的伸出速度;调节节流阀B时,用以调节汽缸的缩回速度。
（2)选料模块
图1-23所示为选料模块结构示意图,选料模块主要任务是按照控制要求选择颗粒。主要结构有选料皮带、A料筒、B料筒、推料汽缸A、推料汽缸B、传感器（颜色确认色)等。
选料皮带由三相交流异步电动机拖动其正反转,而三相交流异步电动机的旋转方向和转速又由PLC程序控制变频器输出控制。
想一想？
三相交流异步电动机的调速方式有哪些？三相异步电动机的转速与频率的关系？
1)变频器FR-D700的使用
图1-24所示为FR-700的变频器,图1-25所示为变频器电源接线图,图1-26所示为信号接线图,图1-27所示为变频器操作面板示意图。
图1-23 选料模块结构示意图
图1-24 FR-700变频器
图1-25 变频器电源接线图
图1-26 变频器信号接线
图1-27 变频器操作面板
变频器各功能键的作用为:
运行模式显示:PU运行时,PU亮灯;外部模式运行时,EXT亮灯,网络运行模式时,NET亮灯。
监示区:显示频率、参数号等。
单位显示:显示频率时,Hz亮灯;显示电流时,A亮灯。
M旋钮:用于变更频率设定、参数设定值等。
模式切换:用于切换各设定模式。
运行模式切换:用于PU/EXT模式切换。
运行状态显示:用于变频器动作中亮灯/闪烁。
变频器基本操作步骤如图1-28所示,出厂时设定值。变更频率参数时步骤为:
①电源接通时显示的监视器画面;
②按
键,进入PU运行模式;
图1-28 变频器基本操作步骤（出厂时设定值)
③按
键,进入参数模式;
④旋转
旋钮,将参数编号设定为P.1;
⑤按
键,读取当前的设定值,显示“1200”;
⑥旋转
旋钮,将值设定为“50.00”;
⑦按
键设定。
按同样步骤可设置其他频率,如电动机高速、中速和低速的参数编号分别为Pr.4、Pr.5、Pr.6,可分别设置它们的频率值来得到电动机的不同转速。
2)变频器的应用原理
控制输入信号如图1-29所示,控制输出信号如图1-30所示。
图1-29 变频器输入信号控制
图1-30 变频器输出信号
3)选料机构的调试
①料筒物料传感器调试:传感器安装时要注意光纤头顶端与料筒内壁平齐,不能超出内壁。料筒没物料时,检测传感器没有输出;向料筒加入一个物料时,检测传感器要有输出。阀值可以通过放大器调节。
②物料颜色确认传感器调试:选两个（蓝白各一个)颗粒物料分别置于颜色确认传感器的正下方,白色物料时,X2和X3都有输出;蓝色物料时,只有X3有输出。这两个传感器可以用组合的方式鉴别出蓝白色物料,在演示程序里是选取白色物料为例。X2和X3的光纤放大器预设值两者之间的差值不低于500。
③物料颜色确认传感器位置调试:物料颜色确认传感器与正下方的物料之间的距离为5～10mm,传感器的安装位置要在颗粒物料每次运行轨迹的正上方,保证物料经过传感器时是检测物料的中心;调整传感器的安装片的位置,保证物料在反转之前停止时,物料至少有4/5的部分在反转皮带上面。
在初始启动时,首先用颗粒物料将料筒填满料,不被选取物料数量为被选取物料数量的1/6。在两条循环带上可以放置1～8个物料,不宜过多,避免物料在筛选时拥挤,如图1-23所示。
（3)物料填装机构
该模块的主要任务是将选料机构按控制要求选出来的颗粒吸取搬运到物料填装位装入瓶子里。
物料填装机构的调试
①传感器调试:填装机构的上下、左右限位参考磁性开关的调节进行调试。吸盘填装时传感器检测位置为吸盘填装进入料瓶的1/5处,传感器能感应到的位置。
②物料填装机构位置调试:填装机构位置包括取料位和填装位,如图1-31和图1-32所示。取料位应与循环输送带反转后物料停止位置一致,吸盘下行取料时应正对物料中心,如有偏差可以调整整个填装机构的位置（偏差较大时)也可以调节旋转汽缸的调整螺丝（偏差较小时)。填装位为定位汽缸顶住物料瓶,吸盘吸住的物料块正好在瓶口中心的正上方位置,如有偏差可以调整整个填装机构的位置（偏差较大时),也可以调节旋转汽缸的调整螺丝（偏差较小时),如图1-33所示。
图1-31 取料位
图1-32 填装位
图1-33 调整螺丝位置
（4)操作面板（按钮板)
如图1-34所示为设备操作面板,包括电源操作和控制操作面板,电源操作面板上标有“开”“关”按钮,另有一急停开关,如图1-35所示。控制面板上标有“启动”“停止”“复位”“单机”“联机”5个按键及指示灯,如图1-36所示。
图1-34 操作面板
图1-35 电源按钮板
图1-36 控制面板
（5)设备单元内部接线
设备单元内部接线如图1-37所示。
（6)各单元间的连接
各单元间的连接如图1-38所示。
图1-37 设备单元内部接线
图1-38 各单元间的连接
二、决策计划
表1-2 决策计划
确定工作组织方式,划分工作阶段,分配工作任务,讨论安装调试工艺流程和工作计划,填写材料工具清单表1-3。
表1-3 材料工具清单
安装调试各模块的工艺流程如下:
三、组织实施
表1-4 安装中的问题
（一)安装调试准备
在安装调试前,应准备好安装调试用的工具、材料和设备,并做好工作现场和技术资料的准备工作。
1.工具
安装所需工具:电工钳、尖嘴钳、斜口钳、水口钳、气管钳、剥线钳、压接钳、一字螺丝刀、十字螺丝刀（3.5mm)、电工刀、管子扳手（9mm×10mm)、套筒扳手（6mm×7mm,12mm× 13mm,22mm×24mm)、内六角扳手（5mm)各1把,数字万用表1块。
2.材料
导线BV—0.75、BV—1.5、BVR型多股铜芯软线各若干米,尼龙扎带,线鼻子（单线、多线)、带帽垫螺栓、异形管（编码套管)各若干。
3.设备
SX-815Q机电一体化综合设备的颗粒上料单元:PLC、操作面板（控制面板和电源面板,已安装好)、控制挂板（已安装好)、电源控制盒、光纤传感器7个、磁感应式接近开关8个、物料填装模块1个、选料模块1个、走线槽若干、铝合金板1个、直流电动机2台、交流电动机1台、变频器材、装配工作台2张、计算机及电脑桌2套等组成。
4.工作现场
现场工作空间充足,方便进行安装调试,工具、材料等准备到位。
5.技术资料
颗粒上料单元的电气图纸和气动图纸;
相关组件的技术资料;
重要组件安装调试的作业指导书;
工作计划表、材料工具清单表。
（二)安装工艺要求
①工具、材料及各元器件准备齐全。
②导线及元件选择正确、合理。选用的导线（相、中性、地)颜色应有区别,截面应根据负荷性质确定;各元件选择均应满足负载要求。
③工具使用方法正确,不损坏工具及各元器件。
④线管下料节省,固定位置合理、排列整齐并且充分利用板面,固定点距离均匀、尺寸合理,每根管至少固定1个线卡。
⑤所有的线缆应敷设在线槽内,缆线的布放应平直,不得产生扭绞、打圈等现象,导线直角拐弯不能出现硬弯。
⑥敷设多条线缆的位置应用扎线带绑扎,扎线带应保持相应间距,绑扎不能太紧,以免影响线缆的使用。
⑦导线剥削处不应损伤线芯或线芯过长,导线压头应牢固可靠,如多股导线与端子排连接时,应加装压线端子（线鼻子),再压接在端子排上。
⑧接线端子各种标志应齐全,接线端接触应良好。
⑨执行器应按图纸示意角度安装,螺钉安装应牢固,机械传动灵活,无松动或卡涩现象。
（三)安装调试的安全要求
①安装前应仔细阅读数据表中每个组件的特性数据,尤其是安全规则。
②安装各元器件时,应注意底板是否平整。若底板不平,元器件下方应加垫片,以防安装时损坏元器件。
③操作时应注意工具的正确使用,不得损坏工具及元器件。注意剥线时不要削手,配线时不要让线划伤脸。
④只有关闭电源后,才可以拆除电气连接线。系统允许的最大电压为24DC。
⑤气动回路供气压力不要超过最大允许压力8bar（800kPa),不要在有压力的情况下拆卸连接气动回路。
⑥将所有元件连接完并检查无误后再打开气源。
⑦当打开气泵时要特别小心。汽缸可能会在接通气源的一瞬间伸出或缩回。
⑧通电试验时,操作方法应正确,确保人身及设备的安全。
图1-39 传送带
⑨试运行时,元件工作时不要用手触动,发现异常现象或异味应立即停止,进行检查。
（四)安装调试的步骤
1.传送带的安装
①根据技术图纸,分析气动回路和电气回路,明确线路连接关系。
②按给定的标准图纸选工具和元器件。
③在指定的位置安装工作平台元器件和相应模块。
安装传送带（如图1-39所示)的步骤如下:
步骤1:安装导板1。
步骤2:安装主动轮。
步骤3:安装调节轮。
步骤4:安装副动轮。
步骤5:安装皮带。
步骤6:安装侧板。
步骤7:安装底板。
步骤8:安装张紧轮。
步骤9:安装同步轮。
2.选料机构的安装
①根据技术图纸,分析气动回路和电气回路,明确线路连接关系。
②按给定的标准图纸选工具和元器件。
③在指定的位置安装工作平台元器件和相应模块。
图1-40所示为选料机构结构示意图。其安装步骤如下:
图1-40 选料机构
步骤1:安装横梁。
步骤2:安装从动轮组1。
步骤3:安装从动轮组1。
步骤4:安装主动轮。
步骤5:安装从动轮组2。
步骤6:安装从动轮组3。
步骤7:安装皮带。
步骤8:安装侧板。
步骤9:安装底板。
步骤10:安装调节螺钉。
步骤11:安装同步轮。
步骤12:安装张紧轮。
步骤13:安装导向板。
步骤14:安装左右挡板。
步骤15:安装中档板。
步骤16:安装料筒。
步骤17:安装左推料组件。
步骤18:安装右推料组件。
步骤19:安装传感器。
3.气动回路和电气控制回路连接
根据线标和设计图纸要求,进行工作平台气动回路和电气控制回路连接。
4.系统导线连接
系统导线连接如图1-36所示。
5.上电前检查
①观察机构上各元件外表是否有明显移位、松动或损坏等现象,如果存在以上现象,及时调整、紧固或更换元件。
②对照接口板端子分配表（见表1-5、表1-6)或接线图检查桌面和挂板接线是否正确,尤其要检查24V电源,电气元件电源线等线路是否有短路、断路现象。
③接通气路,打开气源,手动控制电磁阀,确认各汽缸及传感器的原始状态。
表1-5 挂板接口板CN471端子分配表
表1-6 桌面接口板CN472端子分配表
6.编程调试
编程调试思路:将设备分成3大模块:输送皮带、选料（物料分拣)机构、物料填装（吸取)机构;3大模块各自写成一个子程序;各模块之间通过自己的交换信号,连接成一个完整的单元控制程序。
（1)传送皮带
I/O分配表见表1-7。
表1-7 传送带I/O分配表
工作流程如下:
人工将瓶子放到上料皮带上,按下启动按钮→上料皮带启动→当料传感器X0检测到物料时→主皮带启动,上料皮带延时停止→当填装位传感器X1检测到物料时,延时一定时间→主皮带停止,定位汽缸伸出,将瓶子固定在填装位,等待填装机构进行颗粒填装→当瓶内填装完成后,定位汽缸缩回,主皮带启动将填装好的瓶子送到下一单元。
编程调试。
（2)选料（物料分拣)机构
I/O分配表见表1-8。
工作流程如下:人工将颗粒放入料筒内,当传感器X4或X4检测到物料时,推料汽缸A或B伸出,A汽缸或B汽缸伸出到位（X21或X22＝ON)循环皮带启动运行,对颗粒颜色进行筛选,（当X2＝ON,X3＝ON时为白色;当X2＝ON,X3＝OFF时为蓝色),当筛选出符合控制要求的颗粒时,传送带停止,延时0.5s后反转,将筛选出的颗粒送到取料位,当取料位传感器X6检测到物料时,传送带停止等待取料机构取料,当取料机构将颗粒料取走后,传送带又启动选料。
编程调试。
表1-8 选料（物料分拣)机构I/O
续表
（3)物料填装（吸取)机构
I/O分配表见表1-9。
表1-9 物料填装（吸取)机构I/O分配表
工作流程如下:
M17状态:颗粒上料机构将瓶定位结束标志。
编程调试。
（4)颗粒上料单元的整体调试
颗粒上料单元的I/O分配表见表1-10。
颗粒上料单元的I/O接线图,如图1-41所示。
颗粒上料单元的工作流程,如图1-42所示。
编程调试。
表1-10 颗粒上料单元的I/O分配表
续表
检查并清理工作现场,确认工作现场无遗留的元器件、工具和材料等物品。
图1-41 颗粒上料单元的I/O接线图
图1-42 颗粒上料单元的工作流程图
四、检查评估
该任务的检查主要包括三个方面:颗粒上料单元组装、整机调试和安全操作。检查表格见表1-11。
表1-11 考核表
续表
【自我测试】
一、填空题
1.颗粒上料单元PLC的I/O接线端口有＿＿＿个输入接线端子和＿＿＿个输出接线端子,在每一路输入、输出上都有＿＿＿显示,用于显示相应的输入、输出信号状态,供系统调试使用。在每一个端子旁都有＿＿＿标号,以说明端子的位地址。
2.系统调试时气压力应调＿＿＿bar。
3.光电式传感器是用光电转换器件作敏感元件,将＿＿＿转换为＿＿＿的装置。光电式传感器的种类很多,按照其输出信号的形式,可以分为＿＿＿、＿＿＿、＿＿＿。
4.光电式接近开关主要由＿＿＿和＿＿＿组成。＿＿＿用于发射红外光或可见光。＿＿＿用于接收发射器发射的光,并将光信号转换成电信号以开关量形式输出。
5.对射式光电接近开关是指光发射器（光发射器探头或光源探头)与光接收器（光接收器探头)处于＿＿＿的位置工作的光电接近开关。
6.真空检测开关具有开关量输出的真空压力检测装置,当进气口的气压小于一定的值时,传感器动作,输出开关量1,同时,LED灯＿＿＿,否则,输出信号0,LED灯＿＿＿。
7.干簧管由一对由＿＿＿材料制造的弹性磁簧组成。恒磁铁或线圈产生的磁场施加于干簧管开关上,使干簧管两个磁簧磁化,使一个磁簧在触点位置上生成一个＿＿＿极,另一个磁簧的触点位置上生成一个＿＿＿极。若生成的磁场吸引力克服了磁簧的弹性产生的阻力,磁簧被吸引力作用接触导通,即电路＿＿＿。一旦＿＿＿消除,磁簧因弹力作用又重新分开,即电路断开。
8.在安装调试工作站气动回路时,将所有元件连接完并检查无误后再打开＿＿＿,不要在有压力的情况下＿＿＿和连接。
9.在安装调试各个单元站时,只有＿＿＿电源后,才可以拆除电气连接线。
二、问答题
1.对射式光电传感器的工作原理是什么？
2.磁感应式接近开关的结构和工作原理是什么？
3.二位五通的带手控开关的单侧电磁先导控制阀的工作原理是什么？
4.安装前需要做哪些准备工作？
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