基于PLC的气压基本回路设计（二）

基于PLC的气压控制回路设计摘要:本设计的内容是完成机床上工件夹紧的气压传动回路设计。首先要对气压传动、工件夹紧装置以及PLC进行学习，但重点放在气动回路的设计和PLC编程上，掌握气动原件和JDY-B机电液气综合实验台各模块的使用方法，然后设计工件夹紧的气压回路，完成气压回路在JDY-B机电液气综合实验台上的搭接，再通过PLC编程进行控制，来实现回路的自动化控制。以JDY-B机电液气综合实验台为基础，对设计好的回路系统在实验台上进行验证，结果表明该回路设计可行。关键词：气压传动，工件夹紧装置，PLCPneumaticcontrolcircuitdesignbasedonPLCAbstract:Thecontentofthisdesignistocompletemachinetoolontheworkpiececlampingcircuitdesignofpneumatictransmission.Firstofpneumatictransmission,workpiececlampingdeviceandPLCforstudy,buttheemphasisonthedesignofthepneumaticcircuitandPLCprogramming,mastertheoriginalpneumaticandJDY-Bmechanicalandelectricalliquidgasusingmethodofthecomprehensiveexperimentalplatformmodule,andthendesigntheworkpiececlampingpressureloop,completepneumaticcircuitinJDY-Bmechanicalandelectricalhydraulicpneumaticlapofcomprehensiveexperimentplatform,andthenthroughthePLCprogrammingcontrol,toachievetheautomaticcontrolcircuit.JDY-Bmechanicalandelectricalliquidgascomprehensiveexperimentplatformasthefoundation,todesignagoodloopsystemintheexperimentalstage,theresultsshowthatthecircuitdesignisfeasible.Keywords:pneumatictransmission,workpiececlampingdevice,PLC目录1前言.11.1课题的意义.11.2气压传动简介.21.2.1气压传动的概述.21.2.2气压传动的应用.21.2.3气压传动的优、缺点.21.2.4气压传动的发展.31.3工件夹紧装置简介.31.3.1工件夹紧装置分类.31.3.2工件夹紧装置作用.41.3.3对夹紧装置的要求.41.4PLC的简介.41.4.1可编程控制器的概念.41.4.2可编程控制器的工作原理.41.4.3可编程控制器的特点.51.4.4可编程控制器的发展.62实验台元件.72.1气压元件的简介.72.1.1气压系统组成.72.1.2气源装置.72.1.3气压缸.102.1.4气压控制阀.122.2实验所用的各模块简介.152.2.1交流电源模块DB-1.152.2.2直流电源模块DB-2.162.2.3继电器模块DB-6.172.2.4可编程控制模块DB-8.182.2.5按钮控制模块DB-9.202.3.辅助开关.213气压回路系统设计.223.1概述.223.2气压回路的设计.223.3PLC程序设计.233.3.1PLC选型.233.3.2气压夹紧回路的I/O地址分配表.253.3.3PLC外部接线.263.3.4程序设计梯形图.27结论.29参考文献.30致谢.3101前言1829年出现了多级空气压缩机，为气压传动的发展创造了条件。1871年风镐开始用于采矿。1868年美国人G.威斯汀豪斯发明气动制动装置，并在1872年用于铁路车辆的制动。后来，随着兵器、机械、化工等工业的发展，气动机具和控制系统得到广泛的应用。1930年出现了低压气动调节器。50年代研制成功用于导弹尾翼控制的高压气动伺服机构。60年代发明射流和气动逻辑元件，遂使气压传动得到很大的发展。我国气动行业通过产品结构调整，改善经营管理，自20世纪90年代后期开始，一直保持着良好的经济运行态势，生产稳步、持续增长。由于它具有节能、无污染、高效、低成本、安全可靠、结构简单等优点，广泛应用于各种机械和生产线上。气动技术应用面的扩大是气动工业发展的标志。国产气动元件的应用，从价值数千万元的冶金设备到只有12百元的椅子。铁道扳岔、机车轮轨润滑、列车的煞车、街道清扫、特种车间内的起吊设备、军事指挥车等都用上了专门开发的国产气动元件。这说明气动技术已“渗透”到各行各业，并且正在日益扩大。1.1课题的意义气压传动技术应用相当普遍且正在日益扩大，许多机器设备中装有气压传动系统在工业各领域，气压传动技术已成为基本组成部分。在尖端技术领域，气压传动技术也占据着重要的地位。它们分别在实现高压、高速、大功率、高效率、低噪声、长寿命、高度集成化、小型化与轻量化、一体化和执行件柔性化等方面取得了很大的进展。气压传动技术的飞速发展离不开与PLC的结合，二者相结合才使得机械设备或生产过程自动化。通过可编程控制器可以实现由继电器实现的逻辑控制功能，而且最主要的是可编程控制器的可编程功能使得当改变回路的控制功能时，只要更改程序即可，而不需要想继电器控制系统那样改变硬件和接线。因而利用PLC进行控制大大提高了气压传动系统的安全性和可靠性同时也降低了成本。本设计通过实际操作，可以准确、深入地了解气压传动系统和可编程控制器，掌握气动元件的结构和气动回路的控制原理及设计方法，以及掌握PLC可编程控制原理及编程技巧等，对个人以后的发展起到了极其重要的作用。11.2气压传动简介1.2.1气压传动的概述气压传动以压缩气体为工作介质，靠气体的压力传递动力或信息的流体传动。工作压力低,一般为0.30.8兆帕，气体粘度小，管道阻力损失小，便于集中供气和中距离输送，使用安全，无爆炸和电击危险，有过载保护能力；但气压传动速度低，需要气源。1.2.2气压传动的应用气动技术应用的最典型的代表是工业机器人。代替人类的手腕、手以及手指能正确并迅速的做抓取或放开等细微的动作。除了工业生产上的应用之外，在游乐场的过山车上的刹车装置，机械制作的动物表演以及人形报时钟的内部，均采用了气动技术，实现细小的动作。液压可以得到巨大的输出力但灵敏度不够；另一方面要用电能来驱动物体，总需要用一些齿轮，同时不能忽视漏电所带来的危险。而与此相比，使用气动技术即安全又对周围环境无污染，即使在很小的空间里，也可以实现细小的动作。如果尺寸相同，其功率能超过电气。与此特性所带来的需求完全相一致的就是半导体产业。在生产线上，实现前进、停止、转动等细小简单的动作，在自动化设备中不可或缺。在其它方面，如制造硅晶片生产线上不可缺少的电阻液涂抹工序中使用的定量输出泵以及与此相配合的周边机器。1.2.3气压传动的优、缺点气压传动具有以下独特的优点：（1）以空气作为工作介质，取之不尽，处理方便，用过以后直接排入大气，不会污染环境，且可少设置或不必设置回气管道。（2）空气的黏度很小，只有液压油的万分之一，流动阻力小，所以便于集中供气，中、远距离输送。（3）气动控制动作迅速，反应快；维护简单，工作介质清洁，不存在介质变质和更换等问题。（4）工作环境适应性好。无论是在易燃、易爆、多尘埃、辐射、强磁、振2动、冲击等恶劣的环境中，气压传动系统工作安全可靠。（5）气动元件结构简单，便于加工制造，使用寿命长，可靠性高。气压传动的缺点:（1）由于空气的可压缩性大，气压传动系统的速度稳定性差，给系统的速度和位置控制精度带来很大的影响。（2）气压传动系统的噪声大，尤其是排气时，需要加消音器。1.2.4气压传动的发展气动行业的发展也是趋向于保护环境、提高产品的性能、降低成本，同时由于性能的提高和成本的降低又助于节省能源从而利于环境保护，其关键在于提高气动行业的自动化水平，使其产品更加优越，所以气动行业的发展方向大致为：1.机电气一体化一体化一体化一体化2.高压、小型化3.高效、低成本4.无油化5.高寿命、高可靠性6.集成化、复合型、多功能7.高速化随着气动产品越来越多地应用于生物工程、医药、原子能、微电子、机器人等各行业，相应地提出了许多新的要求，因此大力发展新材料、铸造技术、表面热处理、密封技术、计算机技术、传感技术等许多基础技术越来越受到人们的重视。1.3工件夹紧装置简介1.3.1工件夹紧装置分类夹紧装置与工件相接触，用于确定工件在夹具中的正确位置，夹紧工件从而保证加工时工件相对于刀具和机床加工运动间的相对正确位置。根据夹具所采用的夹紧动力源不同，可分为：手动夹具、气动夹具、液压夹具、气液夹具、电动夹具、磁力夹具、真空夹具等。气动夹紧装置以压缩空气作为动力源推动夹紧机构夹紧工件。常用的气缸结构有活塞式和薄膜式两种。活塞式气缸按照气缸装夹方式分类有固定式、摆动式和回转式三种，按工作方式分类有单向作用和双向作用两种，应用最广泛的是双作用固定式气缸。与液压夹紧装置相比，气压夹紧具有以下优点：动作迅速，维护简单，结构简单，便于加工制造，使用寿命长，应用范围大。它的不足之处是传动力小、3有噪音。1.3.2工件夹紧装置作用机床工件夹紧装置的作用可归纳为以下三个方面：（1）保证加工精度工件夹紧装置可准确确定工件、刀具和机床之间的相对位置，可以保证加工精度。（2）提高生产效率机床夹具可快速地将工件定位和夹紧，减少辅助时间。（3）减少劳动强度采用机械、气动、液动等夹紧机构，可以减轻工人的劳动强度。1.3.3对夹紧装置的要求对机床工件夹紧装置有以下四个要求：（1）夹紧过程不得破坏工件在夹具中占有的定位位置。（2）夹紧力要适当，既要保证工件在加工过程中定位的稳定性，又要防止因夹紧力过大损伤工件表面或使工件产生过大的夹紧变形。（3）操作安全、省力。（4）结构应尽量简单，便于制造，便于维修。1.4PLC的简介1.4.1可编程控制器的概念PLC即可编程逻辑控制器，可编程逻辑控制器，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。1.4.2可编程控制器的工作原理4当可编程逻辑控制器投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。5（1）输入采样阶段在输入采样阶段，可编程逻辑控制器以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。（2）用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。（3）输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，可编程逻辑控制器就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是可编程逻辑控制器的真正输出。1.4.3可编程控制器的特点可编程逻辑控制器具有以下鲜明的特点。（1）使用方便，编程简单6（2）功能强，性能价格比高（3）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强（4）可靠性高，抗干扰能力强（5）系统的设计、安装、调试工作量少（6）维修工作量小，维修方便1.4.4可编程控制器的发展20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程逻辑控制器，使可编程逻辑控制器增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。此时的可编程逻辑控制器为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机发展起来后，为了方便和反映可编程控制器的功能特点，可编程逻辑控制器定名为ProgrammableLogicController（PLC）。20世纪70年代中末期，可编程逻辑控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程逻辑控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。20世纪80年代至90年代中期，是可编程逻辑控制器发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，可编程逻辑控制器逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。20世纪末期，可编程逻辑控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程逻辑控制器的工业控制设备的配套更加容易。72实验台元件2.1气压元件的简介2.1.1气压系统组成气压传动以压缩气体为工作介质，靠气体的压力传递动力或信息的流体传动。传递动力的系统是将压缩气体经由管道和控制阀输送给气动执行元件，把压缩气体的压力能转换为机械能而作功；传递信息的系统是利用气动逻辑元件或射流元件以实现逻辑运算等功能，亦称气动控制系统。气压系统的组成主要有：动力元件气源；执行元件双作用气缸，单作用气缸控制元件气压阀，单向节流阀，辅助元件管件、气罐、三联件，工作介质空气2.1.2气源装置气压传动系统中的气源装置是为气动系统提供满足一定质量要求的压缩空气，它是气压传动系统的重要组成部分。由空气压缩机产生的压缩空气，必须经过降温、净化、减压、稳压等一系列处理后，才能供给控制元件和执行元件使用。而用过的压缩空气排向大气时，会产生噪声，应采取措施，降低噪声，改善劳动条件和环境质量，具体对压缩空气的要求如下：(1)要求压缩空气具有一定的压力和足够的流量。因为压缩空气是气动装置的动力源，没有一定的压力不但不能保证执行机构产生足够的推力，甚至连控制机构都难以正确地动作；没有足够的流量，就不能满足对执行机构运动速度和程序的要求等。总之，压缩空气没有一定的压力和流量，气动装置的一切功能均无法实现。(2)要求压缩空气有一定的清洁度和干燥度。清洁度是指气源中含油量、含灰尘杂质的质量及颗粒大小都要控制在很低范围内。干燥度是指压缩空气中含水量的多少，气动装置要求压缩空气的含水量越低越好。由空气压缩机排出的8压缩空气，虽然能满足一定的压力和流量的要求，但不能为气动装置所使用。因为一般气动设备所使用的空气压缩机都是属于工作压力较低(小于1MPa)，用油润滑的活塞式空气压缩机。它从大气中吸人含有水分和灰尘的空气，经压缩后，空气温度均提高到140180，这时空气压缩机气缸中的润滑油也部分成为气态，这样油分、水分以及灰尘便形成混合的胶体微尘与杂质混在压缩空气中一同排出。因此气源装置必须设置一些除油、除水、除尘，并使压缩空气干燥，提高压缩空气质量，进行气源净化处理的辅助设备。压缩空气站的设备一般包括产生压缩空气的空气压缩机和使气源净化的辅助设备。图21是压缩空气站设备组成及布置示意图。图21压缩空气站设备组成及布置示意图1-空气压缩机；后却器；3-油水分离器；4、7-贮气罐；5-干燥器；6-过滤器在图21中，l为空气压缩机，用以产生压缩空气，一般由电动机带动。其吸气口装有空气过滤器以减少进人空气压缩机的杂质量。2为后冷却器，用以降温冷却压缩空气，使净化的水凝结出来。3为油水分离器，用以分离并排出降温冷却的水滴、油滴、杂质等。4为贮气罐，用以贮存压缩空气，稳定压缩空气的压力并除去部分油分和水分。5为干燥器，用以进一步吸收或排除压缩空气中的水分和油分，使之成为干燥空气。6为过滤器，用以进一步过滤压缩空气中的灰尘、杂质颗粒。7为贮气罐。贮气罐4输出的压缩空气可用于一般要求的气压传动系统，贮气罐7输出的压缩空气可用于要求较高的气动系统(如气动仪表及射流元件组成的控制回路等)。空气压缩机的分类：空气压缩机是一种气压发生装置，它是将机械能转化9成气体压力能的能量转换装置，其种类很多，分类形式也有数种。如按其工作原理可分为容积型压缩机和速度型压缩机，容积型压缩机的工作原理是压缩气体的体积，使单位体积内气体分子的密度增大以提高压缩空气的压力。速度型压缩机的工作原理是提高气体分子的运动速度，然后使气体的动能转化为压力能以提高压缩空气的压力。空气压缩机的工作原理：气压传动系统中最常用的空气压缩机是往复活塞式，其工作原理如图22所示。当活塞3向右运动时，气缸2内活塞左腔的压力低于大气压力，吸气阀9被打开，空气在大气压力作用下进入气缸2内，这个过程称为“吸气过程”。当活塞向左移动时，吸气阀9在缸内压缩气体的作用下而关闭，缸内气体被压缩，这个过程称为压缩过程。当气缸内空气压力增高到略高于输气管内压力后，排气阀l被打开，压缩空气进入输气管道，这个过程称为“排气过程”。活塞3的往复运动是由电动机带动曲柄转动，通过连杆、滑块、活塞杆转化为直线往复运动而产生的。图中只表示了一个活塞一个缸的空气压缩机，大多数空气压缩机是多缸多活塞的组合。图2.2往复活塞式空气压缩机工作原理图1-排气阀；2-气缸；3-活塞；4-活塞杆；5、6-十字头与滑道；7-连杆；8-曲柄；9-吸气阀；10-弹簧气源装置是用来产生具有足够压力和流量的压缩空气并将其净化、处理及储存的一套装置。图2.3所示为常见的气源装置。10图2.32.1.3气压缸气缸是气动系统的执行元件之一。除几种特殊气缸外，普通气缸其种类及结构形式与液压缸基本相同。气压传动中将压缩气体的压力能转换为机械能的气动执行元件。气缸有作往复直线运动的和作往复摆动的两类。作往复直线运动的气缸又可分为单作用、双作用、膜片式和冲击气缸4种。气缸是由缸筒、端盖、活塞、活塞杆和密封件组成，如图所示：图2.4双作用气缸图2.5单作用气缸单作用气缸只有一腔可输入压缩空气，实现一个方向运动。其活塞杆只能借助外力将其推回；通常借助于弹簧力，膜片张力，重力等。机械手抓通过单作用气缸抓放，夹持力度通过气缸的弹簧来调整。其原理及结构见下图11图2.6单作用气缸的特点是：（1）仅一端进（排）气，结构简单，耗气量小。（2）用弹簧力或膜片力等复位，压缩空气能量的一部分用于克服弹簧力或膜片张力，因而减小了活塞杆的输出力。（3）缸内安装弹簧、膜片等，一般行程较短；与相同体积的双作用气缸相比，有效行程小一些。气缸复位弹簧、膜片的张力均随变形大小变化，因而活塞杆的输出力在行进过程中是变化的。由于以上特点，单作用活塞气缸多用于短行程。其推力及运动速度均要求不高场合，如气吊、定位和夹紧等装置上。单作用柱塞缸则不然，可用在长行程、高载荷的场合。双作用气缸指两腔可以分别输入压缩空气，实现双向运动的气缸。其结构可分为双活塞杆式、单活塞杆式、双活塞式、缓冲式和非缓冲式等。此类气缸使用最为广泛。双活塞杆双作用气缸双活塞杆气缸有缸体固定和活塞杆固定两种。缸体固定时，其所带载荷（如工作台）与气缸两活塞杆连成一体，压缩空气依次进入气缸两腔（一腔进气另一腔排气），活塞杆带动工作台左右运动，工作台运动范围等于其有效行程s的3倍。安装所占空间大，一般用于小型设备上。活塞杆固定时，为管路连接方便，活塞杆制成空心，缸体与载荷（工作台）连成一体，压缩空气从空心活塞杆的左端或右端进入气缸两腔，使缸体带动工作台向左或向左运动，工作台的运动范围为其有效行程s的2倍。适用于中、大型设备。12其它几种较为典型的特殊气缸有气液阻尼缸、薄膜式气缸和冲击式气缸等。2.1.4气压控制阀在气压传动系统中，气动控制元件是控制和调节压缩空气的压力、流量和方向的种类控制阀，其作用是保证气动执行元件(如气缸、气马达等)按设计的程序正常地进行工作。（1）节流阀图2.7所示为圆柱斜切型节流阀的结构图。压缩空气由户口进入，经过节流后，由A口流出。旋转阀芯螺杆，就可改变节流口的开度，这样就调节了压缩空气的流量。由于这种节流阀的结构简单、体积小，故应用范围较广。图2.7节流阀、单向节流阀的工作原理图（2）单向节流阀单向节流阀是由单向阀和节流阀并联而成的组合式流量控制阀，如图2.7所示。当气流沿着一个方向，例如P-A见图(a)流动时，经过节流阀节流；反方向见图(b)流动，由A-P时单向阀打开，不节流，单向节流阀常用于气缸的调速和延时回路。节流阀和单向节流阀是简易的流量控制阀，它们在定量泵液压系统中的主要作用是与溢流阀配合，组成三种节流调速系统：即进气节流调速系统、回气节流调速系统和旁路节流调速系统。对于执行元件要求往返节流调速的系统可使用两个单向节流阀。节流阀也在容积节流调速回路中使用。这种阀没有压力及温度补偿装置，不能自动补偿载荷及油液粘度变化时造成的速度不稳定，但13其结构简单，制造和维护方便。所以在载荷变化不大或对速度稳定性要求不高的一般液压系统中得到广泛应用。图2.8实物图（3）电磁阀电磁动换向阀简称电磁换向阀，是靠通电线圈对衔铁的吸引转化而来的推力操纵阀芯换位的换向阀。常用的电磁阀有直动式和先导式两种。直动式电磁阀是由电磁铁直接推动阀芯移动的，当阀通径较大时，用直动式结构所需的电磁铁体积和电力消耗都必然加大，为克服此弱点可采用先导式结构。先导式电磁阀是由电磁铁首先控制气路，产生先导压力，再由先导压力推动主阀阀芯，使其换向。先导式电磁阀便于实现电、气联合控制，所以应用广泛。电磁阀的工作原理：电磁阀里有密闭的腔，在的不同位置开有通孔，每个孔都通向不同的气管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来档住或漏出不同的排气的孔，而进气孔是常开的，气就会进入不同的排气管，然后通过气的压力来推动气缸的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞竿带动机械装置动。这样通过控制电磁铁的电流就控制了机械运动。如图2.6二台肩结构的三位四通O型中位机能的电磁换向阀，阀体的两侧各有一个电磁铁和一个对中弹簧。图示为电磁铁断电状态，在弹簧力的作用下，阀芯处在常态位（中位）。当左侧的电磁铁通电吸合时，衔铁通过推杆将阀芯推至右端，则P、A和B、T分别导通，换向阀在图形符号的左位工作；反之，右端电磁铁通电时，换向阀就在右位工作。电磁铁不仅有交流和直流之分，而且有干式和湿式之别。交流电磁铁结构简单、使用方便，启动力大，动作快，但换向冲击大，噪声大，换向频率不能14太高（约30次min），当阀芯被卡住或由于电压低等原因吸合不上时，线圈易烧坏。直流电磁铁需直流电源或整流装置，但换向冲击小，换向频率允许较高（最高可达240次min），而且有恒电流特性，电磁铁吸合不上时线圈也不会烧坏，故工作可靠性高。图2.9三位四通换向阀二位三通电磁阀由阀体和电磁线圈两部分组成，是自带桥式整流电路，并带过电压、过电流安全保护的直动式结构系统中工作状态一：电磁阀线圈不通电。此时，电磁阀铁芯在回复弹簧的作用下靠在双管端，关闭双管端出口，单管端出口处于开启状态，制冷剂从电磁阀单管端出口管流向冷藏室蒸发器、冷冻室蒸发器流回压缩机，实现制冷循环。系统中工作状态二：电磁阀线圈通电。此时，电磁阀铁芯在电磁力的作用下克服回复弹簧作用力移到单管端，关闭单管端出口，双管端出口处于开启状态，制冷剂从电磁阀双管端出口管流向冷冻室蒸发器流回压缩机，实现制冷循环。电磁阀是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器；并不限于液压，气动。电磁阀用于控制液压流动方向，工厂的机械装置一般都由液压钢控制，所以就会用到电磁阀。电磁阀是利用电磁力的作用来实现阀的切换以控制气流的流动方向。常用的电磁阀有直动式和先导式两种。直动式电磁阀是由电磁铁直接推动阀芯移动的，当阀通径较大时，用直动式结构所需的电磁铁体积和电力消耗都必然加大，为克服此弱点可采用先导式结构。先导式电磁阀是由电磁铁首先控制气路，产生先导压力，再由先导压力推动主阀阀芯，使其换向。15先导式电磁阀便于实现电、气联合控制，所以应用广泛。2.2实验所用的各模块简介2.2.1交流电源模块DB-1（1）功能简介：该模块为交流电源模块，背面连接为其它模块提供所需要的AC380V和AC220V电压。（2）基本结构说明：剩余电流动作保护器：设备总电源开关,起到对地漏电保护作用，对地漏电不大于0.03mA；如果漏电跳闸，请专业人员进行检修，查出问题并解决后将漏电指示按钮按下，开关才能推上去使断路器吸合（注：未解决跳闸问题之前严禁合起断路器，以免造成人身伤害）；交流电压表：显示外接电网电压；指示灯：提示三相电U、V、W的通断情况，灯亮表示相对应的电源导通，反之则断开；如果发现某一相指示灯熄灭，请检查是否对应熔断器烧坏，或者电网供电是否正常；AC380V电压输出：护套插座，连接设备专用护套插线给其他模块提供AC380V电压（注：无外接元件时严禁用手或导体去碰触插座）；熔断器：对电路起过载保护作用，额定电流10A；如果红色指示灯亮，说明相对应的熔断器被烧坏，请及时更换；交流电流表：显示设备总电流；指示灯：提示AC220V的通断情况，灯亮表示相对应的电源是通的，反之则断开；AC220V电压输出：护套插座，连接配套的护套插线给其他模块提供AC220V电压（注：无外接元件时严禁用手或导体去碰触插座）。（3）使用注意事项：该电源模块提供负载能力最大为4KW，请注意外部负载不要超过4KW。16实物图图2.10DB-1内部电路图2.2.2直流电源模块DB-2图2.11DB-2实物图和内部电路图17（1）功能简介：该模块为直流电源模块，为其它模块和元器件提供所需要的DC5V、DC12V和DC24V电压。（2）基本结构说明：保险管：对电路起过载保护作用(通常用2A的保险管)；指示灯：提示AC220V的通断情况，灯亮表示模块供电已导通，反之则断开；AC220V电压输入：护套插座，连接配套的护套插线接受DB-1模块供的AC220V电压；电源开关：控制该模块总电路的通断；DC12V电压表：显示DC12V电压输出的实际电压；DC5V电压输出：大孔为护套插座，小孔为针式插线孔，相同颜色的三个孔是导通的；连接设备专用的插线给其他模块提供DC5V电压；DC12V电压输出：大孔为护套插座，小孔为针式插线孔，相同颜色的三个孔是导通的；连接设备专用的插线给其他模块提供DC12V电压；DC24V电压输出：大孔为护套插座，小孔为针式插线孔，相同颜色的三个孔是导通的；连接设备专用的插线给其他模块提供DC24V电压；DC5V电压表：显示DC5V电压输出的实际电压；DC24V电压表：显示DC24V电压输出的实际电压。（3）使用注意事项：使用本模块，必须先用带护套插导线从交流电源模块DB-1的AC220VOUT与本模块AC220VIN相连接，提供必要的供电电源；该电源模块提供DC24V、DC12V、DC5V直流电源，最大负载电流4.5A，请注意外部负载必须在负载能力范围以内。2.2.3继电器模块DB-618图2.12实物图(1)基本结构说明：1常开触点2线圈3接触器4常闭触点(2)功能简介：主要完成液压接触器控制应用实验、气动回路继电器控制实验、机电类电气控制实验等主要辅助实验模块；（能完成实验详见实验项目）电源插孔全部采用带护套保护的插座，保证了实验的安全性能。(3)使用说明：禁止带电连接导线、带电取放保险管、用手指抠护套内芯、触摸继电器触头等，以免触电；使用该模块前，必须仔细检查电气控制线路是否准配无误，确认后再进行电气线路连接；各个端口均与接触器触头一一对应，端口全部开放，线路控制电压DC24V，请勿将控制电压连接错误烧坏接触器；在使用过程中，若发现外部控制有误动作、误操作等危险情况发生时，请及时切断电源停止控制或操作。2.2.4可编程控制模块DB-819图2.13DB-8实物图(1)功能简介:该模块为西门子S7-200CPU224CN可编程控制器模块，输入相对应的程序就可以实现自动控制。(2)基本结构说明：I/O输入端公共端：与M端口相连接；AC220V电压输入：护套插座，连接配套的护套插线接受DB-1模块供的AC220V电压；保险管：对电路起过载保护作用(通常用2A的保险管)；电源开关：控制该模块总电路的通断；PLC模块：S7-200CPU224CN继电器输出,I/O输入点14个、输出点10个；串行口：用配套的电缆线和电脑相连接用来下载程序程序；I/O输出公共端:与DC24V+相连接，每个公共端的额定电流最大为10A；I/O输出端：接负载，每点额定电流最大为2A；I/O输入端：接开关量与L+相连M端口:PLC内部供电负极；L+端口：PLC内部供电正极。(3)PLC控制器连接电路图20图2.14S7-200224CNPLC输I/O点外部接线方法示意图（4）使用注意事项：下载程序时要将PLC上的开关拨到stop位置，下载完程序运行时再将其拨到run位置。2.2.5按钮控制模块DB-9(1)结构特点介绍：1三位旋钮2按钮3常开触点4常闭触点5急停按钮(2)使用说明：禁止带电连接导线，该模块控制电压为DC24V，请勿采用AC220V作为控制电压；使用该模块前，必须仔细检查电气控制线路是否准确无误，确认后再进行电气线路连接；各个端口全部开放，电气可根据自己实际需求在外部进行连接；21在使用过程中，若发现外部控制有误动作、误操作等危险情况发生时，请及时切断电源停止控制或操作。2.3.辅助开关接近开关又称无触点行程开关。它能在一定的距离（几毫米至几十毫米）内检测有无物体靠近。当物体与其接近到设定距离时，就可以发出“动作”信号接近开关的核心部分是“感辨头”，它对接近的物体有很高的感辨能力，是一种非接触测量。接近开关与被测物不接触、不会产生机械磨损和疲劳损伤、工作寿命长、响应快、无触点、无火花、无噪声、防潮、防尘、防爆性能较好、输出信号负载能力强、体积小、安装、调整方便；但是触点容量较小、输出短路时易烧毁。如图2.15图2.15实物图223气压回路系统设计3.1概述设计的整体思路如下：首先基于昆山巨林科教实业有限公司的机电液气综合试验台设计出简单的接触器控制回路，进一步了解相应原件和模块的使用方法，然后搭接所用的工件夹紧气压回路，在实现接触器控制的基础上，通过PLC进行控制，并加入行程开关，来实现回路的自动化控制。3.2气压回路的设计机床上工件夹紧气动回路系统中的气压执行元件为双作用气缸，系统要求三个缸从三个方向对工件进行夹紧，三个方向不能同时夹紧，需要先从一个方向夹紧，在这个方向上要求对速度进行换接，不能运动太快，其他两个方向需要同时快速夹紧，根据该系统的工作特点和性能要求来确定基本回路，有多个执行元件要有顺序、同步回路，在单一个方向上有调速和速度换接回路。将选出来的气压基本回路综合放在一起，进行归并、整理，再增加一些必要的元件和辅助回路，保证每个动作都安全可靠的前提下，简化系统结构，最终得到了工件夹紧的气压传动回路，如图3.1。图3.1工件夹紧的气压传动回路原理图23图3.1是机械加工自动线、组合机床中常用的工件夹紧的气压传动原理图。其工作原理是：当工件运行到指定位置后，气缸1的活塞杆伸出，将工件定位锁紧后，两侧的气缸2和3的活塞杆同时伸出，从两侧面压紧工件，实现夹紧，然后进行机械加工，其气压系统的动作过程如下。活塞杆A在没有伸出的位置设有一个限位开关8，此时限位开关8得电，使得二位四通电磁阀5左侧得电，压缩空气经二位四通电磁阀5左侧通过二位五通电磁阀3，进入气缸A的无杆腔，A杆夹紧头快速移动到限位开关9位置，限位开关9得电，使得二位五通电磁阀3得电，压缩空气进入二位五通电磁阀3右侧，经过单向节流阀2、单向阀1进入气缸A的无杆腔，A杆夹紧头慢速移动到限位开关10位置，A杆夹紧头夹紧工件，限位开关10得电，使得二位四通电磁阀6左侧得电，压缩空气进入二位四通电磁阀6左侧，进入气缸B、C的无杆腔,B、C杆同时伸出，夹紧工件。延时一段时间后，限位开关11得电，使得二位四通电磁阀5、6右侧得电，气缸A、B、C返回，由此完成缸A伸出夹紧缸B、C伸出夹紧缸A、B、C返回的动作循环。图3.2实际工件夹紧的气压传动回路图3.3PLC程序设计3.3.1PLC选型PLC的选型目前，世界上有200多个厂家生产可编程控制器产品，比较著名的PLC生产厂家主要有美国的AB、通用（GE）、日本的三菱（MITSBISHI）、24欧姆龙（OMRON）、德国的西门子（SIMENS）、法国的TE、韩国的三星（SUMSUNG）、LG等。本文选择的是德国的西门子公司生产的S7200系列PLC是西门子公司生产的一种小型PLC，其许多功能达到大、中型PLC的水平，而价格却和小型PLC的一样，因此它一经推出，即受到了广泛的关注。特别是S7200CPU22*系列PLC，由于它具有多种功能模块和人机界面（HMI）可供选择，所以系统的集成非常方便，并且可以很容易地组成PLC网络。同时它具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得在完成控制系统的设计时更加简单，其速度快，具有极强的通信能力，几乎可以完成任何功能的控制任务。CPU22*系列PLC它有如下五种不同结构的配置单元：1、CPU221，它具有6输入/4输出，I/O共计10点，无扩展能力；2、CPU222，它具有8输入/6输出，I/O共计14点，并可以进行一定的模拟量控制和2个模块的扩展；3、CPU224，它具有14点输入/10点输出，I/O点数共计24点，它有七个扩展模块，有内置时钟；4、CPU226，它具有24输入/16输出，I/O共计40点，与CPU224相比，它增加了通信口的数量，通信能力大大增强；5、CPU226XM，这是西门子公司后推出的一种增强型主机，它在用户程序存储容量和数据存储容量上进行了扩展，其他指标和CPU226相同。当CPU的I/O点数不够用或需要进行特殊功能的控制时，就要进行I/O的扩展。I/O扩展包括I/O点数的扩展和功能模块的扩展。不同的CPU有不同的扩展规范，它主要受CPU的功能限制。典型的数字量输入/输出扩展模块有：输入扩展模块EM221有两种：8点DC输入、8点AC输入。输出扩展模块EM222有三种：8点DC晶体管输出、8点AC输出、8点继电器输出。输入/输出混合扩展模块EM223有六种：分别为4点（8点、16点）DC输入/4点（8点、16点）DC输出、4点（8点、16点）DC输入/4点（8点、16点）继电器输出。本次设计中共27个输入量，共15个输出量，共计32点，因此选用了S7200系列CPU224，CPU224具有14点输入/10点输出，I/O点数共计24点，它可以有七个扩展模块，有内置时钟，它有更强的模拟量和高速计数的处理能力，是使用最多的S7200产品。3.4IO地址分配根据机械手的输入信号为27个，输出信号为15个，建立I/O地址分配表。建立输入信号地址分配表如表3.1所示：25表3.1I/O地址分配表序号名称地址1SB1I0.02SB2I0.13SB3I0.24SB4I0.35SB5I0.46SB6I0.57SB7I0.38SB8I1.09SB9I1.110SQ1I0.711SQ2I1.212SQ3I1.313SQ4I2.014SQ5I2.115SQ6I2.