机电一体化实验指导用书2016.10.25

1、机电一体化实验指导用书机械基础实验教学中心目 录实验一 可编程控制器与步进电机驱动3实验二 可编程控制器与伺服电机驱动7实验三 来电自动复位10实验四 气动回路控制13实验五 传感器的应用19实验六 自动分料机构28实验一 可编程控制器与步进电机驱动一、实验目的：1.掌握PLC与上位机的接线。2.熟悉PLC的一些指令，输出脉冲信号控制步进电机。3.熟练应用GX Developer软件。4.了解步进电机及其驱动器的应用。二、实验器件：1.个人电脑PC。2.PLC实验装置，型号FX3U。3.RS485数据通讯线。4.步进电机，步进电机驱动器。5.稳压电源一台,导线若干。三、实验内容： 步进电机驱动

2、器采用高频脉宽调制技术，具有噪声低、效率高、电压范围宽、设置灵活、保护齐全运行特性良好等优点。步进电机接线图如下图所示： 说明：LED指示灯绿灯表示驱动器正常，红灯表示报警，驱动器报警时将停止工作，需要复位才能清除报警状态。注意：（1）当控制器的控制信号的电压为5V时，连接线路中R1电阻为0欧姆；当控制信号的电压为24V时，为保证控制信号的电流符合驱动器的要求，在连接线路中R1的电阻为2K欧姆。 （2）驱动器上的FREE接口为脱机控制信号输入端口，当控制信号回路接通时，驱动器会立即切断输出的相电流，电机此时处于自由状态。1.Kinco2M530型驱动器采用拔位开关设定电流和细分，其拨位开关设定

3、为设定所要驱动的步进电机的电流，应与步进电机的额定电流相适应，该实验的步进电机的额定电流为2.8A细分为32。，具体设定如下：200*细分为一个螺距所需要的脉冲数，螺距为5mm.注意：更改拨码开关的设定之前请先切断电源。2.输入信号的连接： 公共阳端OPTO：为输入信号的公共端，OPTO端须接外部系统的VCC。若VCC为5V则可直接连接，若VCC不是5V，则须外接限流电阻R，保证给内部光耦提供815mA的驱动电流。 方向电平DIR：方向电平信号输入端，高低电平控制电机正/反转。信号电平稳定时间大于10ms。脱机电平FREE：脱机信号（低电平有效），当此输入控制端为低时，电机励磁电流被关断，电机

4、处于脱机自由状态。步进脉冲CP：步进脉冲信号输入，下降沿有效，最高响应频率100K，负脉冲宽度不小于4us。3.电机接口：对于二相四线电机，可直接与驱动器相连。对于四相六线电机，中间两抽头悬空不接，其余四线与驱动器相连。对于四相八线电机，通常将电机绕组两两并联后与驱动器相连。（如图）本驱动器的驱动方式（如图）接线说明： OPTO：公共阳端（+24V）A+:接电机A+线包PLS：脉冲数（低电平有效）A-:接电机A-线包DIR：脉冲方向（低电平有效）B+:接电机B+线包FREE：脱机端（低电平有效）B-:接电机B-线包四、实验步骤1.在计算机上编制梯形图。要求用连续脉冲输出及升降速脉冲输出控制步进

5、电机启动Z轴。（1） 初始位置为中间任意位置，使上下两个光电传感器处于非工作状态。（2） 要求用步进电机式Z轴向上移动5cm。2.运行自己编制的梯形图，观察步进电机的运转情况，观察是否和要求相符合。（仅供参考）五、思考题1可编程控制器的输入方式有几种？实验中采用的哪种方式，画出原理图。2.DDRVI是什么指令？如何准确控制实验台机械手的移动的距离？实验二 可编程控制器与伺服电机驱动一、实验目的：1.掌握PLC与上位机的接线。2.熟悉PLC的一些指令，输出脉冲信号控制伺服电机。3.熟练应用GX Developer软件。4.了解伺服电机及其驱动器的应用。二、实验器件：1.个人电脑PC。2.PLC编

6、程控器实验装置，型号FX3U。3.RS485数据通讯线。4.伺服电机，伺服电机驱动器。5.稳压电源一台,导线若干。三、实验内容：1.伺服电机在自动控制系统中用作执行元件，它将接收到的控制信号转换为轴的角位移或角速度输出。通常的控制方式有三种：通讯方式，利用RS232或RS485方式与上位机进行通讯，实现控制；模拟量控制方式，利用模拟量的大小和极性来控制电机的转速和方向；差分信号控制方式，利用差分信号的频率来控制电机速度。简单、方便的实现对伺服电机转速的精确控制是工业控制领域内的一个期望目标，本文主要研究如何利用PLC输出的模拟量实现对伺服电机的速度较为精准的控制。2.控制系统电路控制装置选用三

7、菱PLC，型号为FX3U，其能够满足控制伺服电机的需要。具体控制方案如图l所示。PLC输出模拟量，并连接到伺服控制器的模拟量输入端口。伺服控制器对接收到的模拟量进行内部运算，而后驱动伺服电机达到相应的转速。伺服电机通过测速元件将转速信息反馈到伺服控制器，形成闭环系统，实现转速稳定的效果。 图1   控制方案3.伺服驱动器的设置上图中电机编码器反馈脉冲频率为2500，本实验中F 0f和F 10都设置为1，所以由上式得到X轴移动一个螺距需要的脉冲数为10000.注意：1.伺服驱动器内部有大电容，如需要拆装必须在断电15分钟后进行。 2.伺服驱动器驱动电压为220V,输入给伺服电

8、机电压为380V，都为高电压，使用时注意安全。4.接线说明型号地： 0V输入共+：+24V使能-： 0V脉冲+: +24V脉冲-: 脉冲量输出口方向+: +24V方向-: 脉冲方向输出口四、实验步骤1.在计算机上编制梯形图。要求用连续脉冲输出及升降速脉冲输出控制伺服电机启动X轴。（1） 初始位置为中间任意位置，使左右两个光电传感器处于非工作状态。（2） 要求用步进电机式Z轴向右移动5cm。2.运行自己编制的梯形图，观察步进电机的运转情况，是否与要求相吻合。（仅供参考）五、思考题1.步进电机与伺服电机的区别是什么？2.电机的正反转及转速怎么控制？实验三 来电自动复位一、实验目的：1.掌握PLC与

9、上位机的接线。2.熟悉PLC的一些指令。3.熟练应用GX Developer软件。二、实验器件：1.个人电脑PC。2.JL-813实验台3.RS485数据通讯线。4.气泵三、实验内容驱动一个伺服电机和两个步进电机，使X、Y、Z三轴无论开始时在哪个位置，都使其得电复位回到原点。四、实验步骤1.参考程序（仅供参考）2.接线方式五、思考题1.指令DPLSV和PLSV的区别？2.怎么保证机械手安全地回到原点？实验四 气动回路控制一、实验目的：1.掌握PLC与上位机的接线。2.熟悉PLC的一些指令。3.熟练应用GX Developer软件。4.熟悉各种气动元件原理及应用。二、实验器件：1.个人电脑PC。

10、2.PLC程控器实验装置，型号FX3U。3.RS485数据通讯线。4.稳压电源一台,导线若干。5.气缸及对应电磁阀6.气泵三、气动原理气动主要分为两部分：1、气动执行元件部分有单出杆气缸、气动手爪。2、气动控制元件部分有单控电磁换向阀、节流阀、磁性限位。1气动元件使用（1）电磁阀电磁阀所带手控开关有锁定（LOCK）和开启（PUSH）2种位置。在进行设备调试时，使手控开关处于开启位置，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，从而实现对相应气路的控制，以改变冲压缸等执行机构的控制，达到调试的目的。（单控电磁阀）单向电控阀用来控制气缸单个方向运动，实现气缸的伸出、缩回运动。与双向电控

11、阀区别在双向电控阀初始位置是任意的可以随意控制两个位置，而单控阀初始位置是固定的只能控制一个方向。（双控电磁阀）双向电控阀用来控制气缸进气和出气，从而实现气缸的伸出、缩回运动。电控阀内装的红色指示灯有正负极性，如果极性接反了也能正常工作，但指示灯不会亮。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。（2）电磁阀组将多个单控电磁阀安装在带有消声器的汇流板上，如下图所示。而每个电磁阀对应于不同气动元件进行气路控制，以改变各自的动作状态。（电磁阀组参考图）表2：电磁阀技

12、术参数规格说明使用流体空气（经40µm滤网过滤）动作方式内部引导式润滑不需要（适当润滑可提高使用寿命，建议润滑油ISO VG 32）使用压力0.150.8Mpa （1.58.0bar）(21114Psi)工作温度-560最大耐压力1.2Mpa （12.0bar）(171Psi)电压范围±10%耗电量DC:2.5W AC:3.0VA耐热等级B级使用寿命正常使用情况下3000万次以上最高动作频率（次/秒）5励磁时间0.052.气源处理组件气源处理组件及其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

13、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。（气源处理组件参考图）（气源处理组件的气动原理图）气源处理组件输入气源来自空气压缩机，所提供的压力为0.61.0MPa, 输出压力为0.60.8MPa可调。输出的压缩空气通过快速三通接头和气管输送到各工作单元，提供它们的工作气源。表3：处理组件技术参数型号GFC200-06工作介质空气接管口径PT1/8滤芯精度标准：40µ 可选：5µ适用压力范围标准型0.150.9Mpa (20130Psi)低压型0.150

14、.4Mpa (2058Psi)最大可调压力标准型1.0Mpa (145Psi)低压型0.5Mpa (72Psi)保证耐压力1.5Mpa (215Psi)适用温度范围560滤水杯容量10CC给油杯容量25CC建议润滑用油ISO VG 32或同级用油重量425g构成元件过滤器GFR200-06调压阀给油器GL200-06附：机械阀规格规格S3B动作形式外部控制使用流体空气（经40µm滤网过滤）接管口径M5型:M5 06型：PT1/8 08型：PT1/4使用压力00.8Mpa （08.0bar）(0114Psi)工作温度-560润滑不需要（适当润滑可提高使用寿命，建议润滑油ISO VG 3

15、2）3.节流阀在气压传动系统中，有时需要控制气缸的运动速度，有时需要控制换向阀的切换时间和气动信号的传递速度；这些都需要调节空气的流量来实现。流量控制阀是通过改变阀的通流截面积来实现流量控制的元件。流量控制阀包括节流阀、单向节流阀、排气节流阀和快速排气阀等。（安装上节流阀的气缸）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节流阀。气缸节流阀的作用是调节气缸的动作速度。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。上图是安装了带快速接头的限出型气缸节流阀的气缸外观。（节流阀连接和调整原理示意）该图是一个双动气缸装有两个限出型气缸

16、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。4.气动手爪控制图当手爪由单向电控气阀控制时，如上图所示，当电控气阀得电，手爪夹紧。当电控气阀断电后手爪张开。当手爪由双向电控气阀控制时，手爪抓紧和松开分别由一个线圈控制，在控制过程中不允许两个线圈同时得电。四、实验步骤1.使用PLC分别控制一个推料气缸，2个挡料气缸，一个气抓的运动。要求如下：（1）YA1与YA2互锁，并有总停止按钮。（2）Y3，Y4分别带有启动停止按钮。运行自己编制的梯形图，观察动作情况，是否与要求相吻合。（仅供参考）实验五 传感器的应用一、实验目的：1.掌握PL

17、C与上位机的接线。2.熟悉PLC的一些指令。3.熟练应用GX Developer软件。4.熟悉各种传感器的原理及应用。二、实验器件：1.个人电脑PC。2.PLC程控器实验装置，型号FX3U。3.RS485数据通讯线。4.电感传感器，电容传感器，磁性传感器，光电传感器。5.稳压电源一台,导线若干。6.直流电机7.气缸及对应电磁阀8.气泵9.传送带三、常用传感器的使用说明1.光电开关光电开关亦称光敏传感器，或称光电探测器。它是一种能量转换器件，是利用各种手段将光能量变换成相应的电信号的器件。红外线属于一种电磁射线，其特性等同于无线电波或X射线。其工作原理，如下图所示：（光电开关工作原理图）光电开关

18、是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均可检测。光电开关具有体积小、精度高、检测距离远、防水、防腐蚀、抗光、电、磁等干扰能力。根据检测方式的不同，光电开关可分为以下几种类型：（1）对射式（透过型）对射式光电开关是将投光器与受光器置于相对的两个装置，光束也是在相对的两个装置之间，穿过投光器与受光器之间的物体会阻断光束并启动受光器。 （2）直接反射式（扩散反射型）直接反射式光电开关将投光器与受光器置于一体内，光电开关反射的光被检测物体反射回受光器。（3）反射板型反射式（反馈反射型）反射板型的反射式光电开关也将投光器与受光器置

19、与一体，它不同于其它模式是它采用反射板将光线反射到光电开关，光电开关与反射板之间的物体虽然也会反射光线，但其效率远低于反射板，因而切断反射光束。（4）会聚型反射式会聚型反射式的光电开关的工作原理类似于直接反射式光电开关，然而其投光器与受光器聚焦于特定距离，只有当物体出现在聚焦点时，光电开关才有动作。（表1）项目说明图定义检测距离透过型透过型、反馈反射型可稳定设定的最大距离扩散反射型以标准检测物稳定动作的最大距离。反馈反射型扩散反射型指向角透过型、反馈反射型能以光电传感器动作的角度范围。差动距离扩散反射型动作和复位的距离之差，一般以对额定检测距离的比率表示。响应时间指从光输入的断续到控制输出动作

20、或复位的迟后时间。光电开关动作时间（Ton）复位时间（Toff）。遮光动作暗接通遮光动作（Dark ON）遮光或减少了进入受光器的光束时，有输出的。入光动作（Light ON)进入受光器的光束增加时，有输出。入光动作亮接通工作环境照度在B和C的照度，根据设定距离D及白纸反射率等，对接收器的影响程度产生的变化，基准变得不明确。（光电开关实物图）在实训平台中用到的光电开关，它由光电开关辐射出来的调制红外光束被检测物体反射回来的红外线经同步选通接收，由电子开关电路驱动回路，从而来检测物体的有无。此类型光电开关的检测距离约为10cm。接线说明：1、该传感器为DC24V供电，不要在其它超压或欠压电源中使

21、用。（使用前仔细阅读传感器使用说明）。2、传感器为四线制的光电开关，使用时必须正确连接传感器 正、负极连接线，黑色（常开）和白色（常闭）信号线接入可编程控制器输入端口。3、传感器黑色和白色信号线不能直接接在电源的“+”“-”极上，这样当开关有信号发生时会产生短路，烧毁传感器或电源。(详细请参阅该型号传感器使用说明书)2.接近开关（1）电感式接近开关电感式接近开关属于一种有开关量输出的位置传感器，它由LC高频振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体在接近这个能产生电磁场的振荡感应头时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物

22、体接近，进而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须是金属物体。工作流程方框图，如下图所示：（电感式接近开关工作原理图）（电感式接近开关实物图）在实训平台中用到的电感式接近开关，它呈圆柱形外面是M12螺蚊，探测头能检测距离约5mm，当检测到有金属物体是时指示灯亮起。（电感式接近开关实物图）在实训平台中用到的另一种电感式接近开关，它呈侧面感应状，探测头能检测距离约5mm，当检测到有金属物体是时指示灯亮起。开关性能：检测距离：15mm工作电压：DC24V工作电流：<5mA响应频率：5000HZ 输出驱动电流：100 mA，感性负载50 mA温度范围：1070接线说明：1、该传感器为D

23、C24V供电，不要在其它超压或欠压电源中使用（使用前仔细阅读传感器使用说明）。2、该传感器为二线制接近开关，在使用时必须是一端接在触发电源，另一端接在可编程控制器的输入端口。（如：当PLC输入COM端接“24V-”时，电感式接近开关的“24V+”线接在电源的24V+极，另一端则接到可编程控制器输入端。当检测有信号发生时，开关接通。）3、传感器两端绝对不能同时直接接在电源的“+”“-”极上，这样当开关有信号发生时会产生短路，烧毁传感器或电源。(详细请参阅该型号传感器使用说明书)（2）电容式接近开关电容式接近开关亦属于一种具有开关量输出的位置传感器，它的检测面由两个同轴金属电极构成，该电极串联接在

24、RC振荡回路内。，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，由此便可控制开关的接通和关断。这种接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体,不同的物体介电常数也不一样，因此坚检测到的距离也不相同。在检测较低介电常数的物体时，可以顺时针调节多圈电位器（位于开关后部）来增加感应灵敏度，一般调节电位器使电容式的接近开关在0.7-0.8Sn（Sn：最大检测距离）的位置动作。工作流程图如下所示：（电容式接近开关工作原理图）（电容式接近开关实物图）在实训装置中用到的电容式接近开关，它呈圆柱形外面是M18螺蚊，探测头能检测距离约0

25、5mm，检测灵敏度可以通过尾部旋钮进行调节，当检测到有物体时指示灯亮起，黑色信号线发生信号变化。开关性能：检测距离：15mm 工作电压：DC24V工作电流：<5mA响应频率：5000HZ 输出驱动电流：100 mA，感性负载50 mA温度范围：1070接线说明：1、该传感器为DC24V供电，不要在其它超压或欠压电源中使用。2、传感器为三线制接近开关，使用时必须正确连接传感器 正、负 极连接线，黑色信号线接入可编程控制器输入端口。3、传感器黑色信号线不能直接接在电源的“+”“-”极上，这样当开关有信号发生时会产生短路，烧毁传感器或电源。(详细请参阅该型号传感器使用说明书)3.磁性传感器当磁

26、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。用磁性开关来检测活塞的位置，从设计、加工、安装、调试等方面，都比使用其它限位开关方式简单、省时。而且响应速度快，动作时间为1.2ms；耐冲击，冲击加速度可达300/2；无漏电流存在。但触点电阻小，一般为50200毫欧，吸合功率小，过载能力较差，只适用于低压回路。（磁性传感器实物图）使用注意事项：（1）安装时，不得让开关受过大的冲击力，如将开关抛扔等；（2）不要把连接导线与动力线（如电动机等）、高压线并在一起；（3）该传感器为二线制接近开关，在使用时必须是一端接在触发电源，另一端接在