自动机与生产线04自动机的检测与控制装置

1、自动机与自动线的设计原理自动机与自动线的设计原理本本章章要要点点自动机的循环图设计自动机的循环图设计 系统检测工具系统检测工具SiSoftware SandraSiSoftware Sandra。 本本章章难难点点 使用使用3DMark3DMark系统测试工具对电脑系统测试。系统测试工具对电脑系统测试。 第第4 4章章 自动机的检测与控制装置自动机的检测与控制装置4.1 4.1 概概 述述（1 1）机械控制）机械控制 1 1控制技术的种类及特点控制技术的种类及特点l 机械控制主要是由分配轴、凸轮、从动杆及一些调整环节所构成。机械控制主要是由分配轴、凸轮、从动杆及一些调整环节所构成。（2 2）流

2、体控制）流体控制 l 流体控制是利用流体的各种控制元件及装置，组成控制回路，进流体控制是利用流体的各种控制元件及装置，组成控制回路，进 行自动控制。流体控制分为液压控制和气动控制两种行自动控制。流体控制分为液压控制和气动控制两种: : 1 1、液压控制、液压控制: :液压传动与控制是以液压油作为工作介质，进行能量传液压传动与控制是以液压油作为工作介质，进行能量传 递和控制的一种形式。递和控制的一种形式。 2 2、气动控制技术是利用压缩空气作为传递动力或信号的工作介质，、气动控制技术是利用压缩空气作为传递动力或信号的工作介质， 配合气动控制系统的主要气动元件，与机械、液压、电气（包含配合气动控制

3、系统的主要气动元件，与机械、液压、电气（包含PLGPLG 控制器和微机）等部分或全部综合机构成的控制回路，使气动元件按控制器和微机）等部分或全部综合机构成的控制回路，使气动元件按 生产工艺要求的工作状况，自动按设定的顺序或条件动作的一种自动生产工艺要求的工作状况，自动按设定的顺序或条件动作的一种自动 化技术。化技术。 4.1 4.1 概概 述述1 1控制技术的种类及特点控制技术的种类及特点l 电气控制由电动机，各种低压电器（如接触器、继电器、电磁阀、电气控制由电动机，各种低压电器（如接触器、继电器、电磁阀、 行程开关等）和保护电器（如熔断丝、热继电器等），通过导线连行程开关等）和保护电器（如熔

4、断丝、热继电器等），通过导线连 接而组成。接而组成。（3 3）电气控制）电气控制（4 4）计算机控制（电子控制）计算机控制（电子控制） l 计算机的微型化、高速、大内存、高性能，促进了工业自动化，导计算机的微型化、高速、大内存、高性能，促进了工业自动化，导 致了制造工业机电一体化变革，机电一体化技术已从早期的机械电致了制造工业机电一体化变革，机电一体化技术已从早期的机械电 子化变为机械微电子化和机械计算机化。在控制过程中，微型计算子化变为机械微电子化和机械计算机化。在控制过程中，微型计算 机收集和分析处理信息，发出各种指令去指挥和控制系统运行，还机收集和分析处理信息，发出各种指令去指挥和控制系

5、统运行，还 提供多种人机接口，以便观测结果，监测运行状态和实现人对系统提供多种人机接口，以便观测结果，监测运行状态和实现人对系统 的控制和调整。的控制和调整。4.1 4.1 概概 述述图图2.2 2.2 自动机的组成自动机的组成2 2控制系统的构成控制系统的构成4.1 4.1 概概 述述2 2控制系统的构成控制系统的构成（1 1）给定装置）给定装置 l 给定装置（亦称发令器）是人对机器下命令的装置，在自动设给定装置（亦称发令器）是人对机器下命令的装置，在自动设备中多以手动发讯和程序寄存器按预订顺序发讯两种方式出现。备中多以手动发讯和程序寄存器按预订顺序发讯两种方式出现。（2 2）检测装置）检测

6、装置l 检测装置是检测现场工作情况的装置，它如同人的视觉、听觉、检测装置是检测现场工作情况的装置，它如同人的视觉、听觉、触觉等器官，把现场工作情况以信息形式传给控制器（或称处理触觉等器官，把现场工作情况以信息形式传给控制器（或称处理装置）。装置）。 检测装置主要起以下监督作用：检测装置主要起以下监督作用：1 1）被加工的物品或工件的参数，如强度、压力、流量、料位、色度、相对）被加工的物品或工件的参数，如强度、压力、流量、料位、色度、相对密度和成分等。密度和成分等。 2 2）工作机构参数，如位移行程、速度、加速度、工作时间和作用力大小等。）工作机构参数，如位移行程、速度、加速度、工作时间和作用力

7、大小等。3 3）运行综合条件，如强度、压力、流量、料位、色度、相对密度和成分等。）运行综合条件，如强度、压力、流量、料位、色度、相对密度和成分等。4.1 4.1 概概 述述2 2控制系统的构成控制系统的构成（3 3）控制器）控制器 l 使被控参数按某一规律变化的装置称为控制器。因此控制器是使被控参数按某一规律变化的装置称为控制器。因此控制器是对给定指令和检测信号进行逻辑处理的装置，相当于人的大脑，对给定指令和检测信号进行逻辑处理的装置，相当于人的大脑，并能给出处理结果的执行情况。控制器也称调节器、数据处理装并能给出处理结果的执行情况。控制器也称调节器、数据处理装置或运算装置等。置或运算装置等。

8、（4 4）执行机构）执行机构l执行机构是根据执行指令的大小、方向、速度等要求，忠实地执执行机构是根据执行指令的大小、方向、速度等要求，忠实地执行动作的机构，它好比人的手脚，在大脑中枢指令下完成各种动作。行动作的机构，它好比人的手脚，在大脑中枢指令下完成各种动作。l按运动形式分，执行机构有直线式和回转式两种；按能源分，有按运动形式分，执行机构有直线式和回转式两种；按能源分，有电气式（直流、交流、脉冲）、液压式、气动式。对执行机构的要电气式（直流、交流、脉冲）、液压式、气动式。对执行机构的要求，除能控制其输出力、速度、方向和位置外，还要求它工作时反求，除能控制其输出力、速度、方向和位置外，还要求它

9、工作时反应灵敏、动作可靠、性能稳定、结构简单、价格低廉。应灵敏、动作可靠、性能稳定、结构简单、价格低廉。4.1 4.1 概概 述述3. 3. 控制系统的分类控制系统的分类 v控制系统按其控制依据（或称控制原则）分为时间控制、行程控制和时间、控制系统按其控制依据（或称控制原则）分为时间控制、行程控制和时间、 行程混合控制三种类型。行程混合控制三种类型。 （1 1）时间控制）时间控制 l时间控制系统具有中央控制器（即发令器、分配器）。指令集中时间控制系统具有中央控制器（即发令器、分配器）。指令集中从这里发出，故又称为集中式控制。图从这里发出，故又称为集中式控制。图4.24.2所示为分配轴式中央控所

10、示为分配轴式中央控制器：制器：1电机 2传动带 3变速箱 4分配轴 5、7凸轮 6微动开关 8拨位销图4.2 分配轴式的中央控制器4.1 4.1 概概 述述3. 3. 控制系统的分类控制系统的分类 （1 1）时间控制）时间控制 如图如图4.3所示为用码盘控制的中央控制器。所示为用码盘控制的中央控制器。图4.3 码盘式中央控制器1码盘 2接收喷嘴 3信号喷嘴 4光电元件 5光源 6微电机4.1 4.1 概概 述述3. 3. 控制系统的分类控制系统的分类 （2 2）行程控制）行程控制图图4.5是按行程控制的电气原理图。是按行程控制的电气原理图。图4.5 行程控制的电气原理图按下动按钮按下动按钮K

11、K1 1后，部件后，部件开始运动。当部件开始运动。当部件运动到规定位置时，其上的运动到规定位置时，其上的挡块压下行程开关挡块压下行程开关K K2 2，部件，部件开始运动，部件开始运动，部件停止运动或快速退回。当部停止运动或快速退回。当部件件运动到规定位置时，压下行程开关运动到规定位置时，压下行程开关K K3 3，部件，部件开始运动，部件开始运动，部件停止运停止运动。如此类推，使各个部件获得顺序动作。动。如此类推，使各个部件获得顺序动作。4.1 4.1 概概 述述3. 3. 控制系统的分类控制系统的分类 （2 2）行程控制）行程控制如果工作循环较为复杂，用机械传动机构作为部件之间命令的传递，如果

12、工作循环较为复杂，用机械传动机构作为部件之间命令的传递，构造常比较复杂，甚至不可能。所以，在行程控制系统中很少采用机械控构造常比较复杂，甚至不可能。所以，在行程控制系统中很少采用机械控制系统。用得最多，也最方便的是电气的、电子的、气动的、液压的以及制系统。用得最多，也最方便的是电气的、电子的、气动的、液压的以及以上几种混合的控制系统。其控制原理可用如图以上几种混合的控制系统。其控制原理可用如图4.6所示的方框图表示。所示的方框图表示。图4.6 行程程序控制原理方框图4.1 4.1 概概 述述3. 3. 控制系统的分类控制系统的分类 （3 3）时间、行程混合控制）时间、行程混合控制时间、行程混合

13、控制，是指在一个工作程序中，部分节拍的执行元件时间、行程混合控制，是指在一个工作程序中，部分节拍的执行元件是根据时序动作的，而另一部分是依据前一节拍动作的终端行程信号动作是根据时序动作的，而另一部分是依据前一节拍动作的终端行程信号动作的。的。图4.7 时间-行程混合控制框图4.2 4.2 检检 测测 装装 置置 检测装置中最重要的部分是传感器，各种控制程序都离不开传感器，检测装置中最重要的部分是传感器，各种控制程序都离不开传感器，因此应当熟知各种传感器的结构和原理。传感器的应用很广，品种极多，因此应当熟知各种传感器的结构和原理。传感器的应用很广，品种极多，所以它也有很多种叫法，如变换器、一次仪

14、表、换能器、受感器、敏感所以它也有很多种叫法，如变换器、一次仪表、换能器、受感器、敏感元件等。元件等。1 . 1 . 传感器的定义传感器的定义 传感器是一种能将被测量（各种物理量、化学量和生物量等）变换成传感器是一种能将被测量（各种物理量、化学量和生物量等）变换成可以测量的有用信号的一种装置。可以测量的有用信号的一种装置。4.2 4.2 检检 测测 装装 置置 按使用特点，传感器可分为如下几类：按使用特点，传感器可分为如下几类：1 1）压力传感器：把压力和压差值变为电量，用于压力的测量。常用差动变）压力传感器：把压力和压差值变为电量，用于压力的测量。常用差动变 压器原理，电阻应变片或半导体压敏

15、效应等机理实现。压器原理，电阻应变片或半导体压敏效应等机理实现。2 2）温度传感器：用于各种温度的测量。常用热电偶、热阻、电半导体单晶）温度传感器：用于各种温度的测量。常用热电偶、热阻、电半导体单晶 等元件制成。等元件制成。3 3）位移传感器：把线位移和角位移变成对应的电量，常用的有差动变压器）位移传感器：把线位移和角位移变成对应的电量，常用的有差动变压器 式、电容式、莫尔条纹式等。式、电容式、莫尔条纹式等。4 4）湿度传感器：用于湿度的测量，常用的有电容介质式、毛发式、红外线）湿度传感器：用于湿度的测量，常用的有电容介质式、毛发式、红外线 吸收式和陶瓷表面吸收式等。吸收式和陶瓷表面吸收式等。

16、5 5）气体传感器：用于对气体种类及密度的测量，常用的有半导体气敏式、）气体传感器：用于对气体种类及密度的测量，常用的有半导体气敏式、 热导式等。热导式等。6 6）光学传感器：用来测量光的强度，常用的有光电导型、光电子发射型和）光学传感器：用来测量光的强度，常用的有光电导型、光电子发射型和 光热效应型等。光热效应型等。7 7）流量传感器：用于测量流体（气体和液体）的流量，常用膜片式、叶轮）流量传感器：用于测量流体（气体和液体）的流量，常用膜片式、叶轮 式和半导体电磁式等。式和半导体电磁式等。其他还有速度和加速度传感器、化学量（密度、其他还有速度和加速度传感器、化学量（密度、pHpH值、浓度等）

17、传感器等。值、浓度等）传感器等。2. 2. 传感器的分类传感器的分类4.2 4.2 检检 测测 装装 置置3 . 3 . 几种常用的传感器几种常用的传感器 1 1）触点式行程开关：常见的触点式行程开关，具有一对以上的常开与触点式行程开关：常见的触点式行程开关，具有一对以上的常开与常闭触点，由机械碰撞而动作，靠弹簧复位。常闭触点，由机械碰撞而动作，靠弹簧复位。 优点：触点行程开关的优点是结构简单，动作确实，触点承载能力高，优点：触点行程开关的优点是结构简单，动作确实，触点承载能力高，可以直接使用强电；不需要放大检波等其他电子线路，对电源无特殊要求，可以直接使用强电；不需要放大检波等其他电子线路，

18、对电源无特殊要求，交直流都能用。交直流都能用。 缺点：有触点，有火花，易于磨损疲劳，使用寿命短。因此要做定期检缺点：有触点，有火花，易于磨损疲劳，使用寿命短。因此要做定期检修，定期更换元件，以免在工作过程中发生故障。另外，其动作响应速度低，修，定期更换元件，以免在工作过程中发生故障。另外，其动作响应速度低，不宜用于复杂和高速的控制系统中。不宜用于复杂和高速的控制系统中。（1 1）行程开关）行程开关4.2 4.2 检检 测测 装装 置置3 . 3 . 几种常用的传感器几种常用的传感器 2）无触点行程开关：无触点行程开关（接近开关）的工作原理如图）无触点行程开关：无触点行程开关（接近开关）的工作原

19、理如图4.8所示。实际上它是一个电磁感应式接近开关。当金属片（随运动件移动，常所示。实际上它是一个电磁感应式接近开关。当金属片（随运动件移动，常称为动片）接近磁心时，线圈称为动片）接近磁心时，线圈L1与与L2之间的耦合被逐渐削弱，到动片接近之间的耦合被逐渐削弱，到动片接近到到某一位置时，使线路振荡突然停止，从而输出一个脉冲电压信号达到检测某某一位置时，使线路振荡突然停止，从而输出一个脉冲电压信号达到检测某一种状态的目的。一种状态的目的。 （1 1）行程开关）行程开关 图4.8 感应式接近开关原理图4.2 4.2 检检 测测 装装 置置3 . 3 . 几种常用的传感器几种常用的传感器 差动变压器

20、式传感器的工作原理如图差动变压器式传感器的工作原理如图4.11（a）所示。在磁性材料制成的）所示。在磁性材料制成的线圈骨架线圈骨架 5上装有一个初级线圈上装有一个初级线圈3和两个完全相同的次级线圈和两个完全相同的次级线圈2与与4。磁心。磁心1可可在线圈中移动，它的一端与被测物体相连并与被测物体一起运动。当初级线在线圈中移动，它的一端与被测物体相连并与被测物体一起运动。当初级线圈中通以高频交流电时，在次级线圈圈中通以高频交流电时，在次级线圈2、4中分别产生感应电动势中分别产生感应电动势ul和和u2，由，由于两个次级线圈反相串联图于两个次级线圈反相串联图4.11（b），在两个次级线圈的输出端），在

21、两个次级线圈的输出端c、d之间的输出压之间的输出压u0，由两个次级线圈感应电动势之差来决定，即，由两个次级线圈感应电动势之差来决定，即 u0= u1u2 （4.1）（2 2）差动变压器式传感器）差动变压器式传感器 图4.11 差动变压器的工作原理1磁心 2、4次级线圈 3初级线圈 5线圈骨架4.2 4.2 检检 测测 装装 置置3 . 3 . 几种常用的传感器几种常用的传感器 当磁心处于两个次级线圈的对称位置时，输出电压当磁心处于两个次级线圈的对称位置时，输出电压u0=u1u2=0，当磁心，当磁心移向次级线圈移向次级线圈2时时ulu2，反之则，反之则u2ul。图。图4.12所为输出电压与磁心位

22、移的关所为输出电压与磁心位移的关系图。由图中可知，磁心位移越大，则输出电压也越大。由此可知，差动变压系图。由图中可知，磁心位移越大，则输出电压也越大。由此可知，差动变压器式传感器可以将位移或力等机械量转变成电量，对被控制对象进行检测。器式传感器可以将位移或力等机械量转变成电量，对被控制对象进行检测。（2 2）差动变压器式传感器）差动变压器式传感器 图4.12 输出电压与磁心位移的关系4.2 4.2 检检 测测 装装 置置3 . 3 . 几种常用的传感器几种常用的传感器 利用导体的电阻应变特性进行检测的元件称为电阻应变元件。一般将此利用导体的电阻应变特性进行检测的元件称为电阻应变元件。一般将此类

23、电阻应变元件制成丝或箔式应变片。类电阻应变元件制成丝或箔式应变片。 如图如图4.14所示为电阻应变传感器工作原理。用所示为电阻应变传感器工作原理。用4片电阻应变片连接成桥片电阻应变片连接成桥式电路，贴在所测量的弹性物件表面上。电阻应变片式电路，贴在所测量的弹性物件表面上。电阻应变片R1和和R4顺着弹性构件顺着弹性构件主轴（秤盘主支承）线粘贴，感受弹性。主轴（秤盘主支承）线粘贴，感受弹性。 支承中主应变，作为检测电桥的检测桥臂；支承中主应变，作为检测电桥的检测桥臂；R2、R3横着弹性构件主轴横着弹性构件主轴线方向粘贴，应变很小，可作为温度补偿桥臂。设加于检测电桥的电源电压线方向粘贴，应变很小，可

24、作为温度补偿桥臂。设加于检测电桥的电源电压为为u0，当秤盘处于平衡位置时，弹性元件不受力，无变形产生，此时按四臂，当秤盘处于平衡位置时，弹性元件不受力，无变形产生，此时按四臂交流电桥平衡条件选定应变片电阻值为交流电桥平衡条件选定应变片电阻值为R1R4=R2R3，检测电桥的输出，检测电桥的输出电压为电压为u0=0。当秤盘上的物流质量量值变化时，电阻应变片。当秤盘上的物流质量量值变化时，电阻应变片R1、R4受力也受力也发生变化，其电阻增（减）量分别为发生变化，其电阻增（减）量分别为R1，R4，而，而R2、R3受力极小，其受力极小，其增（减）量可略去不计。此时电桥输出电压增（减）量可略去不计。此时电

25、桥输出电压u0为为 （3 3）电阻应变式检测传感器）电阻应变式检测传感器4.2 4.2 检检 测测 装装 置置3 . 3 . 几种常用的传感器几种常用的传感器（3 3）电阻应变式检测传感器）电阻应变式检测传感器4.2 4.2 检检 测测 装装 置置3 . 3 . 几种常用的传感器几种常用的传感器（3 3）电阻应变式检测传感器）电阻应变式检测传感器 图4.14 电阻应变传感器工作原理1秤体部件 2弹性构件 3信号放大器 4信号调制器 5信号调节器 6定量给定值装置 7控制系统4.2 4.2 检检 测测 装装 置置3 . 3 . 几种常用的传感器几种常用的传感器 图图4.16为电容传感器的原理图。

26、它由两块平行板构成，图为电容传感器的原理图。它由两块平行板构成，图4.16（a） 为双极型，一对平行板的间距为双极型，一对平行板的间距d发生变化，则两板构成的电容也发生变化；发生变化，则两板构成的电容也发生变化； 图图4.16 （b）为差动型，是由两个固定板及一块可动板组成，如果可动板）为差动型，是由两个固定板及一块可动板组成，如果可动板 上移，则可动板与上板构成的电容将增加，而与下板构成的电容将减少。用上移，则可动板与上板构成的电容将增加，而与下板构成的电容将减少。用 平行板电容来测量位移的原理如下：两平行板间的电容量为平行板电容来测量位移的原理如下：两平行板间的电容量为（4 4）电容传感器

27、）电容传感器 式中，式中，s为两板极间遮盖的面积；为两板极间遮盖的面积；d为活动板与固定板间的距离；为活动板与固定板间的距离； 为板极为板极 间介质的介电常数。间介质的介电常数。图4.16 板间距可调电容传感器4.2 4.2 检检 测测 装装 置置3 . 3 . 几种常用的传感器几种常用的传感器 图图4.17为电容传感器在测厚仪上的应用示例，电容测厚仪可以用来测为电容传感器在测厚仪上的应用示例，电容测厚仪可以用来测 量金属带材在扎制过程中的厚度。量金属带材在扎制过程中的厚度。（4 4）电容传感器）电容传感器 图4.17 电容传感器在测厚仪上的应用示例1金属带材 2电容极板 3导向轮 4轧辊5.

28、 热电传感器4.2 4.2 检检 测测 装装 置置3 . 3 . 几种常用的传感器几种常用的传感器 工程上常用的热电传感器有热电偶传感器和热敏电阻传感器。工程上常用的热电传感器有热电偶传感器和热敏电阻传感器。 1）热电偶传感器）热电偶传感器 把两种不同导电性能的导体材料或半导体材料连接成如图把两种不同导电性能的导体材料或半导体材料连接成如图4.18（a）所示的闭）所示的闭 合回路，并将两节点置于温度各为合回路，并将两节点置于温度各为t和和t0的热环境中，则两节点间将产生热电的热环境中，则两节点间将产生热电 势，这种现象称为热电效应。能产生热电势的元件称为热电偶传感器。势，这种现象称为热电效应。

29、能产生热电势的元件称为热电偶传感器。（5 5）热电传感器）热电传感器 图4.18 热电偶传感器4.2 4.2 检检 测测 装装 置置3 . 3 . 几种常用的传感器几种常用的传感器 2）热敏电阻传感器）热敏电阻传感器 某些材料的电阻值与温度有关。用这些材料制成的电阻称为热敏电阻。某些材料的电阻值与温度有关。用这些材料制成的电阻称为热敏电阻。 金属热敏电阻由纯金属铜、铁、镍及铂等制成。它的电阻值随温度的升高金属热敏电阻由纯金属铜、铁、镍及铂等制成。它的电阻值随温度的升高 而增加。金属热敏电阻可用来测量而增加。金属热敏电阻可用来测量120500的温度。的温度。（5 5）热电传感器）热电传感器4.2

30、 4.2 检检 测测 装装 置置3 . 3 . 几种常用的传感器几种常用的传感器 光电继电器主要由投光器和受光器两部分组成，根据受光器所感知光电继电器主要由投光器和受光器两部分组成，根据受光器所感知 的信号判断被测对象的有无、形状、方位、颜色等。的信号判断被测对象的有无、形状、方位、颜色等。 1）投光器：投光器的作用是向受光器投去可靠的光束，光束质量对光电继）投光器：投光器的作用是向受光器投去可靠的光束，光束质量对光电继 电器的性能影响很大。作为光电继电器检测用的投光器一般是白炽灯泡、荧电器的性能影响很大。作为光电继电器检测用的投光器一般是白炽灯泡、荧 光灯或卤族灯。光灯或卤族灯。 2）受光器

31、：受光器是能将光信号转变成电信号的光电元件。这种光电元件）受光器：受光器是能将光信号转变成电信号的光电元件。这种光电元件 有光电二极管、光电三极管、光敏电阻（光导管）及光电池等几种。有光电二极管、光电三极管、光敏电阻（光导管）及光电池等几种。 3）光电继电器：就是将受光器受光后所产生的光电流放大，推动灵敏继电）光电继电器：就是将受光器受光后所产生的光电流放大，推动灵敏继电 器动作的一种控制元件。图器动作的一种控制元件。图4.21所示为光电转换电路（即光电继电器）线路所示为光电转换电路（即光电继电器）线路 图，它是由光电三极管作为受光器的光电继图，它是由光电三极管作为受光器的光电继 电器。电器。

32、（6 6）热电传感器）热电传感器4.2 4.2 检检 测测 装装 置置3 . 3 . 几种常用的传感器几种常用的传感器 气动传感器一般都是由气动测量头和气体计量仪组成，其测量原理气动传感器一般都是由气动测量头和气体计量仪组成，其测量原理 可用图可用图4.24说明。说明。（7 7）气动传感器）气动传感器 图4.24 气动传感器的工作原理图 经过滤清和稳压的压缩空气进入计量仪的气室经过滤清和稳压的压缩空气进入计量仪的气室A，其压力为，其压力为p1，压缩空气，压缩空气 再经过小孔进入气室再经过小孔进入气室B，经喷嘴后在前面形成一个气隙，经喷嘴后在前面形成一个气隙Z，此时，压缩空气必，此时，压缩空气必

33、 须经过此气隙排入大气，所产生的节流效应与此气隙的大小有一定关系。当须经过此气隙排入大气，所产生的节流效应与此气隙的大小有一定关系。当 工件尺寸增大时，气隙工件尺寸增大时，气隙Z减小，气室减小，气室B的压力的压力p2上升，当工件尺寸减小时，气上升，当工件尺寸减小时，气 隙隙Z增大，气室增大，气室B的压力的压力p2下降，显然，通过测量压力，即可测得工件尺寸的下降，显然，通过测量压力，即可测得工件尺寸的 变化。变化。4.3 4.3 执执 行行 机机 构构 定义：执行机构是检测与控制系统中的重要机构，它能根据控制信号的内定义：执行机构是检测与控制系统中的重要机构，它能根据控制信号的内 容，产生预定的

34、输出力、运动方向和停止位置等。容，产生预定的输出力、运动方向和停止位置等。 根据使用能量的不同，常见执行元件的种类如图根据使用能量的不同，常见执行元件的种类如图4.25所示。所示。图4.25 执行元件的种类4.3 4.3 执执 行行 机机 构构 电磁铁是在直线式执行机构中最简单和价廉的一种，但动作速度无法电磁铁是在直线式执行机构中最简单和价廉的一种，但动作速度无法控制，冲击较大，行程较小，输出力有限，所以多用于作用力不大，行程控制，冲击较大，行程较小，输出力有限，所以多用于作用力不大，行程较短，要求两个位置的场合。较短，要求两个位置的场合。1. 1. 电磁铁电磁铁 电磁铁有交流和直流两种。交流

35、牵引电磁铁因是交流供电，为了减少电磁铁有交流和直流两种。交流牵引电磁铁因是交流供电，为了减少磁滞及涡流损耗，铁心均用硅钢片叠成。线圈一般是并联的。直流螺管式磁滞及涡流损耗，铁心均用硅钢片叠成。线圈一般是并联的。直流螺管式电磁铁，因是直流供电，无磁滞与涡流损耗，铁心可用低碳钢或工业纯铁电磁铁，因是直流供电，无磁滞与涡流损耗，铁心可用低碳钢或工业纯铁制成。制成。4.3 4.3 执执 行行 机机 构构 电磁离合器常用来将电信号转换成机械动作，如将轴连上或断开。电磁离合器常用来将电信号转换成机械动作，如将轴连上或断开。2. 2. 电磁离合器电磁离合器 （1 1）盘式电磁离合器）盘式电磁离合器 盘式电磁

36、离合器的结构原理如图盘式电磁离合器的结构原理如图4.264.26所示。所示。7 7为输入轴，其上装有可轴向为输入轴，其上装有可轴向 滑动的右盘滑动的右盘6 6，在吸引线圈，在吸引线圈4 4中无电流通过时，右盘借助弹簧中无电流通过时，右盘借助弹簧8 8的弹力作用而的弹力作用而 与左盘与左盘5 5脱开。装有吸引线圈脱开。装有吸引线圈4 4的左盘固定在输出轴的左盘固定在输出轴1 1上，并有上，并有2 2、3 3两滑环将两滑环将 线圈与控制电路（图中未画）相连接。吸引线圈未通电时，输入轴旋转而输线圈与控制电路（图中未画）相连接。吸引线圈未通电时，输入轴旋转而输 出轴不转。吸引线圈通电时，电磁力将右盘吸

37、向左盘，依靠两盘间的摩擦力，出轴不转。吸引线圈通电时，电磁力将右盘吸向左盘，依靠两盘间的摩擦力， 带动输出轴旋转。如将输出轴固定，则可用此离合器对输入轴起制动作用。带动输出轴旋转。如将输出轴固定，则可用此离合器对输入轴起制动作用。4.3 4.3 执执 行行 机机 构构2. 2. 电磁离合器电磁离合器 （2 2）磁粉离合器）磁粉离合器 如图所示力磁粉离合器工作原理图。输入轴如图所示力磁粉离合器工作原理图。输入轴1与定转子与定转子2相连，输出轴相连，输出轴9与与 转子转子8相连，两转子之间封装着磁粉相连，两转子之间封装着磁粉3。定子。定子6中装有线圈中装有线圈4。线圈未通电时，。线圈未通电时， 由

38、于输入轴转动的离心力作用，使磁粉紧压在定转子由于输入轴转动的离心力作用，使磁粉紧压在定转子2的内壁上，而与输出转的内壁上，而与输出转 子子8之间存在间隙，输出轴之间存在间隙，输出轴9不转动。当定子线圈通电时，定子与转子之间形成不转动。当定子线圈通电时，定子与转子之间形成 磁路。磁通通过磁粉时，每粒磁粉处于磁化状态，磁粉之间互相吸引和挤压，磁路。磁通通过磁粉时，每粒磁粉处于磁化状态，磁粉之间互相吸引和挤压， 因此带动输出轴因此带动输出轴9转动。转动。 磁粉离合器传递扭矩的大小可通过调节定子电流来调节。它可用于通、磁粉离合器传递扭矩的大小可通过调节定子电流来调节。它可用于通、断、张力、位置、速度及

39、制动的控制。断、张力、位置、速度及制动的控制。4.3 4.3 执执 行行 机机 构构3. 3. 伺服电机伺服电机 与普通的交直流电机的差别在于，能用简单的方法获得与输入信号相对与普通的交直流电机的差别在于，能用简单的方法获得与输入信号相对应的转速变化，反应灵敏，适用于频繁启动、变速、反转、停止等场合。应的转速变化，反应灵敏，适用于频繁启动、变速、反转、停止等场合。按所用电源种类分，有直流与交流伺服电机两大类。按所用电源种类分，有直流与交流伺服电机两大类。（1）直流伺服电机）直流伺服电机 直流伺服电机有两个绕组：电枢绕组及励磁绕组。按励磁方式可分为它直流伺服电机有两个绕组：电枢绕组及励磁绕组。按

40、励磁方式可分为它励式、并励式及串励式。如图所示为它励式伺服电机接线图。励式、并励式及串励式。如图所示为它励式伺服电机接线图。转速、转矩与控制电转速、转矩与控制电压三者之间的关系为：压三者之间的关系为：4.3 4.3 执执 行行 机机 构构3. 3. 伺服电机伺服电机（2）交流伺服电机）交流伺服电机 交流伺服电机就是两相异步电动机，如图交流伺服电机就是两相异步电动机，如图a所示为具有杯形转子所示为具有杯形转子5的交流的交流伺服电机结构图，其外定子伺服电机结构图，其外定子4上装有两个绕组，一个为励磁绕组上装有两个绕组，一个为励磁绕组1，一个为控，一个为控制绕组制绕组2。装设内定子。装设内定子3是为

41、了减小磁路的磁阻。图是为了减小磁路的磁阻。图b为该交流伺服电机的接为该交流伺服电机的接线图。线图。直流伺服电机相比：直流伺服电机具有电刷和整流子，尺寸较大且须经常直流伺服电机相比：直流伺服电机具有电刷和整流子，尺寸较大且须经常维修，受使用环境影响；而交流伺服电机则采用了全封闭无刷构造，结构紧维修，受使用环境影响；而交流伺服电机则采用了全封闭无刷构造，结构紧凑、外形小、重量轻（只有同类直流伺服电机的凑、外形小、重量轻（只有同类直流伺服电机的75%90%），环境适应能），环境适应能力强，不需经常检查与维修。力强，不需经常检查与维修。4.3 4.3 执执 行行 机机 构构4. 4. 步进电机步进电机

42、 步进电机是一种将电脉冲信号转换为线位移或角位移的执行元件。一般步进电机是一种将电脉冲信号转换为线位移或角位移的执行元件。一般电机是连续转动的，而步进电机则是每当电机绕组接收到一个电脉冲时，转电机是连续转动的，而步进电机则是每当电机绕组接收到一个电脉冲时，转子就转过一个相应的角度（称为步距角）。低频运行时，明显可见电机转轴子就转过一个相应的角度（称为步距角）。低频运行时，明显可见电机转轴是一步一步地转动的，因此称为步进电机。是一步一步地转动的，因此称为步进电机。如图如图4.30所示为四相反应式步进电机工作原理图。所示为四相反应式步进电机工作原理图。4.3 4.3 执执 行行 机机 构构5. 5

43、. 直线电机直线电机 直线电机是一种利用电能直接产生直线运动的电气装置，它是机、电和直线电机是一种利用电能直接产生直线运动的电气装置，它是机、电和系统控制三门学科巧妙结合的产物。在生产实践中，存在许多需要直线运动系统控制三门学科巧妙结合的产物。在生产实践中，存在许多需要直线运动的场合，采用直线电机的最大优点就是可实现直接传动，而不需要一套将旋的场合，采用直线电机的最大优点就是可实现直接传动，而不需要一套将旋转运动转换成直线运动的中间转换机构，从而使总体结构简单，体积减小。转运动转换成直线运动的中间转换机构，从而使总体结构简单，体积减小。 图图4.31（a）所示为一台旋转式环形电枢绕组的直流电机

44、，若沿电机径）所示为一台旋转式环形电枢绕组的直流电机，若沿电机径向向A-A处截开，再向两边拉开，展开后就演变成了直线电机图处截开，再向两边拉开，展开后就演变成了直线电机图4.31（b）。）。图4.31 从旋转电机演变的直线电机4.3 4.3 执执 行行 机机 构构5. 5. 直线电机直线电机 基本原理：基本原理： 线圈行程范围内，永久磁铁给予它大致均匀的磁场强度，当线圈中通入线圈行程范围内，永久磁铁给予它大致均匀的磁场强度，当线圈中通入直流电流时，载有电流的导体在磁场中就受到电磁力的作用，电磁力的方向直流电流时，载有电流的导体在磁场中就受到电磁力的作用，电磁力的方向可由左手定则来确定。设在铁棍

45、下面线圈截面中的电流方向为垂直纸面向内，可由左手定则来确定。设在铁棍下面线圈截面中的电流方向为垂直纸面向内，则线圈所受的电磁力的方向由图中则线圈所受的电磁力的方向由图中F所示。改变电流方向就可改变线圈受力所示。改变电流方向就可改变线圈受力方向。只要线圈受到的电磁力大于线圈支承上存在的静摩擦力，就可使线圈方向。只要线圈受到的电磁力大于线圈支承上存在的静摩擦力，就可使线圈产生来回直线运动，从而带动执行机构作直线运动。这就是直线电机的基本产生来回直线运动，从而带动执行机构作直线运动。这就是直线电机的基本原理。原理。图4.32 直流直线电机的工作原理图1软铁板 2移动线圈 3软铁棍 4斜极块 5漏磁通

46、 6磁通平行线 7Id电流通入线圈4.4 4.4 可编程序控制器可编程序控制器1.1.可编程序控制器的产生与发展可编程序控制器的产生与发展 可编程序控制器是可编程序控制器是1969年由美国年由美国DEC公司首先研制出来的一种新型自公司首先研制出来的一种新型自动化控制装置。当时主要是用于替代传统的继电器控制装置，功能上只有逻动化控制装置。当时主要是用于替代传统的继电器控制装置，功能上只有逻辑运算、定时、计数以及顺序控制等，而且只能进行开关量控制。这种控制辑运算、定时、计数以及顺序控制等，而且只能进行开关量控制。这种控制器的英文名称为器的英文名称为“Programmable Logic Contr

47、oller”，简称，简称PLC，中文称，中文称为为“可编程序逻辑控制器可编程序逻辑控制器”。随着科学技术的发展与进步，在。随着科学技术的发展与进步，在PLC基础上，基础上，再与先进的微机控制技术相结合，就发展起来一种崭新的工业控制器，其控再与先进的微机控制技术相结合，就发展起来一种崭新的工业控制器，其控制功能已远远超出逻辑控制的范畴，制功能已远远超出逻辑控制的范畴，1980年美国电气制造协会正式将它命名年美国电气制造协会正式将它命名为为“Programmable Controller”，简称，简称 PC。但。但 PC又容易与个人计算机又容易与个人计算机“Personal Computer”的简

48、称的简称PC相混淆，所以，近年来人们又倾向于使相混淆，所以，近年来人们又倾向于使用原先的名称，简称用原先的名称，简称PLC，中文称为，中文称为“可编程序控制器可编程序控制器”。近几年来，。近几年来，PLC技术发展很快，据不完全统计，美国、日本、德国等国的技术发展很快，据不完全统计，美国、日本、德国等国的PLC厂家多达厂家多达150多家，产品数百种。我国多家，产品数百种。我国1974年开始研制，现在也有不少厂家在生产，其技年开始研制，现在也有不少厂家在生产，其技术水平也有长足提高。术水平也有长足提高。4.4 4.4 可编程序控制器可编程序控制器2.2.可编程序控制器的含义可编程序控制器的含义 国

49、际电工委员会（国际电工委员会（IEC）颁布了可编程序控制器的国际标准草案，对）颁布了可编程序控制器的国际标准草案，对PLC给出如下定义：给出如下定义：“可编程序控制器是一种专为在工业环境下应用而设计可编程序控制器是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储的数字运算操作的电子系统。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械设备和生产过程，可编程字式、模拟式的输入和输出，

50、控制各种类型的机械设备和生产过程，可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统连成一个整体，易于扩序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统连成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。充其功能的原则设计。” 由定义可知，可编程序控制器（由定义可知，可编程序控制器（PLC）是有别于个人计算机）是有别于个人计算机PC、便携、便携式计算机式计算机PC和程序计数器和程序计数器PC的。的。4.4 4.4 可编程序控制器可编程序控制器3.3.可编程序控制器的组成可编程序控制器的组成 如图所示为小型如图所示为小型PLC结构示意图。它按功能可以分为三大部分：输入部结构示意图。它按功能可以分为三大部分：

51、输入部分、逻辑部分和输出部分。分、逻辑部分和输出部分。 输入部分的作用是把这些信息收集并保存起来，通过输入接口送入逻输入部分的作用是把这些信息收集并保存起来，通过输入接口送入逻 辑部分；逻辑部分是辑部分；逻辑部分是PLC的主体部分，它包括中央处理单元、存储器等。的主体部分，它包括中央处理单元、存储器等。它的作用是处理由输入部分送入的各种信息，并按照程序规定对这些信息它的作用是处理由输入部分送入的各种信息，并按照程序规定对这些信息进行逻辑判断，最后确定需要何种输出。输出部分是根据逻辑部分处理的进行逻辑判断，最后确定需要何种输出。输出部分是根据逻辑部分处理的结果，保存输出的信息并将输出的信号送给电

52、磁装置、信号指示灯、伺服结果，保存输出的信息并将输出的信号送给电磁装置、信号指示灯、伺服电机、各种接触器等执行机构。电机、各种接触器等执行机构。4.4 4.4 可编程序控制器可编程序控制器4.4.可编程序控制器与传统继电器控制系统的关系可编程序控制器与传统继电器控制系统的关系 PLC控制系统与继电器控制系统都是由上述控制系统与继电器控制系统都是由上述3部分组成的，而且各个部部分组成的，而且各个部分的功能也完全相似，但它们也有一些区别：分的功能也完全相似，但它们也有一些区别：1）PLC控制系统与继电器控制系统，都用行程开关、光电开关、操作开关控制系统与继电器控制系统，都用行程开关、光电开关、操作

53、开关等作为系统的输入元件，用电磁阀、信号灯、各种接触器等作为系统的输出等作为系统的输入元件，用电磁阀、信号灯、各种接触器等作为系统的输出的执行机构。的执行机构。2）继电器控制系统的逻辑部分是由许多继电器按某一接线方式接好的线路，）继电器控制系统的逻辑部分是由许多继电器按某一接线方式接好的线路，用这种接线方式来实现一定的程序。用这种接线方式来实现一定的程序。3）当控制参数需要变更时，继电器控制系统需要重新选择继电器，重新布）当控制参数需要变更时，继电器控制系统需要重新选择继电器，重新布线接线，而线接线，而PLC只需重编程序即可。只需重编程序即可。总之，继电器控制系统用的是继电器组成的线路，总之，

54、继电器控制系统用的是继电器组成的线路，PLC控制系统则用的是集控制系统则用的是集成电路和程序。但从本质上讲，成电路和程序。但从本质上讲，PLC采用了继电器控制系统的逻辑关系，即采用了继电器控制系统的逻辑关系，即在在PLC的集成电路中也有的集成电路中也有“继电器继电器”，有，有“触点触点”，并且它们之间有一定的，并且它们之间有一定的逻辑关系，但两者的继电器、触点是完全不同的。逻辑关系，但两者的继电器、触点是完全不同的。4.4 4.4 可编程序控制器可编程序控制器5.5.可编程序控制器的功能及特点可编程序控制器的功能及特点1、PLC的功能的功能（1）逻辑控制功能）逻辑控制功能PLC设置了与（设置了

55、与（AND）、或（）、或（OR）、非（）、非（NOT）等逻辑指令，因此它）等逻辑指令，因此它可以代替继电器进行开关控制。可以代替继电器进行开关控制。（2）定时控制功能）定时控制功能 PLC内有若干个计时器（定时器），并设置了计时指令。内有若干个计时器（定时器），并设置了计时指令。（3）计数控制功能）计数控制功能 PLC有若干个计数器，并设置了计数指令。有若干个计数器，并设置了计数指令。（4）步进控制功能）步进控制功能 PLC有若干个位移寄存器，用于步进控制，即在一道工序完成以后，再有若干个位移寄存器，用于步进控制，即在一道工序完成以后，再进行下一道工序。进行下一道工序。（5）A/D、D/A转换

56、功能转换功能 可将生产过程中测量到的温度、压力等模拟量（可将生产过程中测量到的温度、压力等模拟量（A）转换成数字（）转换成数字（D），），因为因为PLC只能识别数字量。只能识别数字量。（6）监控功能）监控功能 PLC配置有较强的监控功能。它能记忆某些异常情况，或在发生异常情配置有较强的监控功能。它能记忆某些异常情况，或在发生异常情况时可自动中止运行。况时可自动中止运行。4.4 4.4 可编程序控制器可编程序控制器5.5.可编程序控制器的功能及特点可编程序控制器的功能及特点2、 PLC的特点的特点（1）可靠性高）可靠性高PLC有很强的抗干扰能力，能在恶劣的工业环境中可靠地工作，此外，有很强的抗干

57、扰能力，能在恶劣的工业环境中可靠地工作，此外，PLC还采用了屏蔽、滤波等措施，有效地防止了空间电磁干扰，对高频干扰还采用了屏蔽、滤波等措施，有效地防止了空间电磁干扰，对高频干扰信号起到良好的抑制作用。信号起到良好的抑制作用。（2）通用性好）通用性好 在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不需改变在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不需改变PLC的硬设备，的硬设备，只需改变用户程序就可满足控制要求。只需改变用户程序就可满足控制要求。（3）编程简单，使用方便）编程简单，使用方便 PLC采用梯形图编程，尤其对从事继电器控制工作的技术人员和工人，采用梯形图编程，尤其对从事继电器控制工作的技术

58、人员和工人，不必掌握很多复杂难懂的计算机语言和控制技术，能在短期内学会使用不必掌握很多复杂难懂的计算机语言和控制技术，能在短期内学会使用PLC。（4）便于实现机电一体化）便于实现机电一体化 由于由于PLC体积小，重量轻，功耗低，所以容易装入机械设备内部，实现体积小，重量轻，功耗低，所以容易装入机械设备内部，实现机电一体化。机电一体化。 缺点：一是价格还比较高，一般说来比继电器控制和单片机控制要高；缺点：一是价格还比较高，一般说来比继电器控制和单片机控制要高；二是工作速度比计算机慢；三是使用中、高档二是工作速度比计算机慢；三是使用中、高档PLC时，要求使用者具有相当时，要求使用者具有相当的计算机知识。的计算机知识。4.5 4.5 控制系统实例控制系统实例1.1.塑料薄膜位置控制系统塑料薄膜位置控制系统 如图所示为某包装机的塑料薄膜位置控制系统原理图。塑料薄膜卷筒如图所示为某包装机的塑料薄膜位置控制系统原理图。塑料薄膜卷筒4上印有商标和文字，并印有定位用的色标。包装时要求商标及文字定位准确，上印有商标和文字，并印有定位用的色标。包装时要求商标及文字定位准确，不得将图案在当中切断。不得将图案在当中切断。薄膜上商标的位置由光电系统检测，并经放大后去控制电磁离合器薄膜上商标的位置由光电系统检测，并经放大后去控