多功能气动实验台的系统设计卢小辉 (华南理工大学 机械与汽车工程学院，广东 广州 510641) 摘 要：介绍了一种用于实验教学的多功能气动实验台的结构组成和系统设计。实验台是由PLC控制的六气缸系统，可以满足顺序控制、同步控制和时间控制等多种功能。实例证明，该实验台操作简单，程序修改方便，有利于学生工程实践能力和创新思维的培养，具有良好的教学效果。 关键词：气动实验台；PLC；系统设计 《液压与气压传动》课程是一门实践性很强的机械类本科生必修课程。其中，气动技术是以压缩空气为工作介质进行能量传递或信息传递的工程技术，广泛应用于工业生产过程中的自动化以及各种机械手[1-3]。在工业控制中，气动设备多采用电气控制，由可编程控制器(PLC)组成的控制系统，可以实现自动化生产的柔性控制[4-5]；因此，在气动技术实验教学中，学生应掌握PLC在气动自动控制中的应用。为适应卓越工程师培养计划[6]，满足学生工程实践的要求，激发学生的工程意识，本文设计了多功能气动系统教学实验台。 1 实验台总体结构实验台系统是可编程序控制的气动系统，可满足气动顺序控制、同步控制和延时控制等多种功能的要求。对于气动控制系统的设计来说，要解决2个回路的设计：气动回路和电气逻辑控制回路(PLC控制系统)，并将这2个回路组合起来，以满足实验台系统的要求。 实验台面板(长×宽×厚为1 200 mm×900 mm×2 mm)布置如图1所示。正反两面安装所需的元件如下：面板正面上部安装有6个φ20 mm×80 mm的双作用无给油润滑气缸(带磁环)、12个行程开关、12个排气消声节流阀和6个先导式双电控二位五通电磁换向阀；面板正面下部装有气源三联件，气源开关，电源开关，起动、停止、复位按钮，电源显示灯，电压表，4个保险丝(FUSE)，12个气缸状态显示灯和1台三菱FXos-30MR可编程序控制器；面板背面安装有常控气容和接线槽。 2 气动回路的设计为了便于区分和系统程序设计的要求，整个实验台上的6个气缸分别记为A、B、C、D、E和F，每个气缸的顶部分别装有2个行程开关，下方对应位置分别有1个先导式双电控二位五通电磁换向阀。6个气缸上的行程开关依次记为1XK、2XK，3XK、4XK，5XK、6XK，7XK、8XK，9XK、10XK，11XK、12XK。行程开关用来控制气缸到达规定的行程时改变气缸的运动方向，这种方向的改变依靠先导式双电控二位五通电磁换向阀来实现。6个电磁换向阀的电磁线圈依次记为1DT、2DT，3DT、4DT，5DT、6DT，7DT、8DT，9DT、10DT，11DT、12DT。双电控换向电磁阀具有记忆功能，即通电时换向，断电时并不返回，可用单脉冲信号控制，为保证主阀正常工作，2个电磁阀不能同时通电，电路中应考虑互锁保护。每个电磁换向阀的排气口处都安装有排气消声节流阀，能够降低排气噪声；通过调节节流阀排入大气的气流流量，可以控制气缸的运动速度；气源开关采用先导式旋钮阀[7]。根据实验台的要求，气动回路的设计如图2所示。  图1 实验台面板布置图  图2 实验台气动回路图 实验台气源由型号为HAS-7.5的螺杆式空气压缩机供给，排气量为0.8 m3/min，调定空压机最高输出压力为7 bar(700 kPa)，经止回阀接至容积为0.3 m3的储气罐，再经过滤精度为5 μm的过滤器至供气管网，最后调整实验台上气源三联件减压阀的输出压力约为5 bar。 3 电气控制系统的设计与传统的继电器电路相比，可编程控制器(PLC)具有体积小、质量轻、抗干扰能力强、可靠性高、价格低、使用方便和易于编程等优点，广泛用于电气控制领域。实验台的电气控制系统采用PLC进行控制，可以实现实验台的多功能应用，适用于模拟多种工业生产过程。 3.1 输入/输出(I/O)分配 由图2可知，电气控制系统有起动、停止和复位(保证各气缸处于初始状态)输入信号3个，行程开关输入信号12个，共15个开关量输入信号；有6个电磁换向阀的12个电磁铁的输出信号，即12个开关量输出信号。考虑到实验台系统的可靠性和操作方便性，根据控制系统需要的输入/输出(I/O)数量、扩展能力及经济性，选用三菱微型可编程序控制器FXos-30MR。该PLC具有16个输入和14个输出点，操作简单、结构小巧。输入/输出(I/O)地址分配见表1。 表1 PLC的输入/输出(I/O)地址分配表  输入端输出端输入设备PLC输入端输出设备PLC输出端1XKX001DTY012XKX012DTY023XKX023DTY034XKX034DTY045XKX045DTY056XKX056DTY067XKX067DTY078XKX078DTY119XKX119DTY1210XKX1210DTY1311XKX1311DTY1412XKX1412DTY15起动按钮QAX15停止按钮TAX16复位按钮RSTX17 3.2 控制系统电气原理图 根据实验台控制系统的输入/输出分配表，设计PLC控制系统外部接线图如图3所示。控制系统采用AC电源DC输入型，输出为继电器输出型。因为输出电路上没有安装保险丝，为防止因短路而毁坏PLC的内部电路，每4点安装1个5 A的保险丝，共4个。  图3 实验台PLC控制系统外部接线图 4 设计实例为了同时模拟自动化生产过程中的顺序控制、同步控制和延时控制等多种功能，6个气缸的动作设计为  图4 PLC梯形图 5 结语多功能气动系统实验台采用PLC控制，通用性好，学生可以根据气缸的不同动作编写相应的PLC程序，能够模拟工业生产过程中气动技术的不同应用。该实验台操作简单，可满足实验教学的要求，有利于学生工程实践能力和创新思维的培养，具有良好的教学效果。 参考文献： [1] 吴海荣. “液压与气压传动”课程设计性实验的探索与实践[J]. 实验室研究与探索, 2014, 33(11):201-204. [2] 谢丽, 吴张永, 吴喜. 基于PLC控制的气动机械手系统设计[J]. 新技术新工艺, 2012(11):48-50. [3] 王文红, 秦艳, 郭琳. 四自由度机械手PLC控制[J]. 新技术新工艺, 2013(5):95-98. [4] 胡志刚, 陈伟卓. 机械手搬运物料精确定位控制系统设计[J]. 实验技术与管理, 2014, 31(6):93-96. [5] 李异河, 魏青帝. PLC控制气动系统试验台的设计与研究[J]. 液压与气动, 2004(10):33-34. [6] 李晶, 王保建, 李小虎, 等. 液压与气动技术实验教学改革与实践[J]. 实验室科学, 2016, 19(1):92-95. [7] 卢小辉, 童伟. 基于PLC控制气动实验台的设计[J]. 机械与电子, 2010(S1):304-305. [8] 童伟, 刘树道. 气动PLC顺序控制系统的设计[J]. 液压与气动, 2004(10):12-13. 责任编辑 郑练 Design of Multi-function Pneumatic Experiment Platform System LU Xiaohui (School of Mechanical & Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China) Abstract：The structural composition and system design of multi-function pneumatic experiment platform used for experimmental teaching are introduced. The experiment platform is the 6 cylinders system controlled by PLC. The platform satisfys multi-function included sequential control, synchronous control and time control. Practice has proved that the platform is easy to operate and to modify program, is conducive to cultivating engineering practic ability and innovative thinking for students, and has good effect for experimmental teaching. Key words：pneumatic experiment platform, PLC, system design 中图分类号：TH 138.9 文献标志码：A 作者简介：卢小辉(1982-)，男，实验师，主要从事机电一体化方面的教学和研究工作。 收稿日期：2017-01-16 |
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同时动作→E
