工程訓練中心
2023年11月
適用專業：機械、電子各專業
一、目的與要求
(1)、了解電氣基礎與用電安全知識；
(2)、了解常用低壓電氣元件，掌握一般電氣控制原理及簡單應用；
(3)、了解氣動技術的特點，了解氣動元件與相關電氣控制項的工作原理；
(4)、掌握電子氣動系統的工作原理，能搭建簡單電氣控制氣動系統。
二、教學裝置
氣動實驗台、自動化生產教學系統
三、時間及進行方式
四、教學內容、方法及步驟
單元1、電氣安全與工具基本知識、低壓電氣元件（4學時）
單元2、電氣控制原理及應用（4學時）
單元3、氣動元件與電氣控制項的工作原理（4學時）
一、氣動技術概述
1、氣動的工作原理
氣動（pneumatic）是「氣動技術」或「氣壓傳動與控制」的簡稱。氣動技術是以空氣壓縮機為動力源，以壓縮空氣為工作介質，進行能量傳遞或控制的工程技術。它是實現各種生產控制、自動控制的重要手段。
現以客車門開關機構來說明氣動技術的工作原理。它是利用壓縮空氣來驅動氣缸從而帶動門的開關，當氣缸活塞桿伸出，門就關上；氣缸活塞桿收縮，門就開啟。
a) 客車門工作機構圖
b) 純氣動控制c) 氣動與電動控制
圖3-1 客車門控制示意圖
從這兩種控制方式可以把氣動系統的基本組成歸納如下。
(1)、氣源裝置主要是提供潔淨、乾燥的壓縮空氣。
(2)、執行元件是將氣體的壓力能轉換成機械能的一種能量轉換裝置。它包括實現直線往復運動的氣缸和實現連續迴轉運動或擺動的氣馬達或擺動馬達等。
(3)、控制項用來調節和控制壓縮空氣的壓力、流量和流動方向，使執行機構按要求的程式和效能工作。以控制方式而言，有純氣動控制和氣動—電氣控制之分。
(4)、輔助元件連線元件之間所需的一些元件，以及系統進行消聲、冷卻、測量等方面的一些元件。
2、氣壓傳動的優缺點
氣壓傳動具有以下獨特的優點：
(1)、空氣作為氣壓傳動的工作介質，取之不盡，**方便，用過以後直接排入大氣，不會汙染環境。
(2)、工作環境適應性好。在易燃、易爆、多塵埃、輻射、強磁、振動、衝擊等惡劣的環境中，氣壓傳動系統工作都是安全可靠的。
(3)、空氣粘度小，流動阻力小，便於介質集中**和遠距離輸送。
(4)、氣動控制動作迅速，反應快，可在較短的時間內達到所需的壓力和速度。
(5)、氣動元件結構簡單，易於加工，使用壽命長，可靠性高，易於實現標準化、系列化、通用化。
當然，由於氣動技術是以壓縮空氣作為工作介質，必然存在一些缺點：
(1)、由於空氣壓縮性大，氣缸的動作速度易隨外加負載的變化而變化，穩定性差，給位置和速度控制帶來較大影響。
(2)、目前氣動系統的壓力級(一般小於0.8mpa)不高，總的輸出力不大。
(3)、工作介質(空氣)沒有潤滑性，系統中必須採取措施進行給油潤滑。
(4)、雜訊大，一般需要加裝消聲器。
當前的自動化系統中，氣動技術雖然發展歷史不長，但由於其優越的特性，其應用範圍已越來越廣泛。在自動化生產線，尤其是在汽車製造業、電子半導體製造業等工業生產領域有著廣泛的應用。2023年，氣動產品產量約佔整個流體工程產量的20%，到了2023年，已經上公升到32%。
氣動技術的控制方式多種多樣，適應於不同的工藝環境，從由氣動邏輯元件或氣控閥組成的純氣動控制，到由電氣技術參與的電—氣控制，直到目前的plc（可程式設計邏輯控制器）控制。電—氣控制主要由繼電器迴路控制發展而來，其主要特點是用「電—訊號」和「電—控制項」來取代「氣—訊號」和「氣—控制項」，其可操作性和效率遠遠高於「純氣動控制」。同時，該控制方法也適用於plc控制，使龐大、複雜、多變的氣動系統的控制簡單明瞭，使程式的編制、修改變得容易。
二、氣動主要元件
1、氣缸
氣動執行元件是以壓縮空氣為動力源，將氣體的壓力能再轉化為機械能的裝置，用來實現既定的動作。它主要有氣缸和氣馬達。前者作直線運動，後者作旋轉運動。
(1)、單作用氣缸
在壓縮空氣作用下，單作用氣缸活塞桿伸出，當無壓縮空氣時，缸的活塞桿在彈簧力作用下回縮。氣缸活塞上永久磁環可用於驅動磁感應感測器動作。對於單作用氣缸來說，壓縮空氣僅作用在氣缸活塞的一側，另一側則與大氣相通。
氣缸只在乙個方向上做功，氣缸活塞在復位彈簧或外力作用下復位。在無負載情況下，彈簧力使氣缸活塞以較快速度回到初始位置。復位力大小由彈簧自由長度決定。
單作用氣缸具有乙個進氣口和乙個出氣口。出氣口必須潔淨，以保證氣缸活塞運動時無故障。
（排氣口在**）
a) 結構原理圖
b) 實物圖
圖3-2 單作用氣缸
b、雙作用氣缸，如圖所示。氣缸兩個方向的運動都是通過氣壓傳動進行的，氣缸的內部結構如圖所示，它的兩端具有緩衝。在氣缸軸套前端有乙個防塵環，以防止灰塵等雜質進入氣缸腔內。
前缸蓋上安裝的密封圈用於活塞桿密封，軸套可為氣缸活塞桿導向，其由燒結金屬或塗塑金屬製成。指出缸體、活塞、缸蓋、活塞密封、活塞桿、軸套和防塵環。
在壓縮空氣作用下，：雙作用氣缸活塞桿既可以伸出，也可以回縮。通過緩衝調節裝置，可以調節其終端緩衝。
a)結構原理圖
b)實物圖
圖3-3 單作用氣缸
2、方向控制閥
換向閥的控制端的控制形式有很多種，比如電壓、氣壓、機械壓力等，在敘說某個換向閥時，需要加上控制形式的說明，比如「單電控」、「雙電控」等。後面所涉及的方向控制閥都是採用電磁力來獲得軸向力使閥芯迅速移動來實現閥的切換以控制氣流的流動方向，稱為電磁控制換向閥。
（1）、單電控二位三通閥
二位三五通的含義是有兩個確定的工作狀態（兩個工作位置）並且總共有五個通氣口。同理如果有三個確定的工作狀態，並且有五個通氣口，那麼就是三位五通閥。
圖所示為單電控二位三通電磁閥的工作原理圖。它只有乙個電磁鐵。中圖為常態情況，即激勵線圈不通電，此時閥在復位彈簧的作用下處於左端位置。
其通路狀態為a與t相通，a口排氣。當通電時，電磁鐵1推動閥芯向右移動，氣路換向，其通路為p與a相通，a口進氣所示。右圖為其圖形符號。
a)工作原理圖
b)實物圖
圖3-4 單電控二位三通閥
（2）、雙電控二位五通閥
圖為雙電控二位五通閥的工作原理圖。它有兩個電磁鐵，當右線圈通電、左線圈斷電時，閥芯被推向右端，其通路狀態是p與a、b與t2相通，a口進氣、b口排氣。當右線圈斷電時，閥芯仍處於原有狀態，即具有記憶性。
當電磁左線圈通電、右斷電時，閥芯被推向左端，其通路狀態是p與b、a與t1相通，b口進氣、a口排氣。若電磁線圈斷電，氣流通路仍保持原狀態。
a)工作原理圖
b)實物圖
圖3-5 雙電控二位五通閥
三、常用感測器
在自動化系統中，感測器的選擇有兩類：數字量感測器和模擬量感測器。但在氣動控制系統中，數字量感測器用得較多，主要用於訊號檢測。
在氣動控制迴路中，執行元件的每一步動作完成時都有相應的發信元件發出完成訊號。下一步動作都應由前一步動作的完成訊號來起動。氣動系統所用感測器多用於測量裝置執行中工件和氣動執行元件運動的位置、速度、力、流量、溫度等各種物理引數，並將這些被測引數轉換為相應的訊號，以一定的介面形式輸送給控制器。
位置檢測可通過接觸式感測器如行程閥、行程開關來控制，也可通過非接觸式感測器如磁性開關、背壓式感測器等來完成。
1、磁性開關
磁性開關是利用磁性物體的磁場作用來實現對物體感應的，從而檢測氣缸活塞的位置。它可分為有觸點式(舌簧式)和無觸點式(固態電子式)兩種。有觸點的舌簧式開關如圖3-6所示，當帶磁環的氣缸活塞移動到磁性開關所在位置時，磁性開關內的兩個金屬簧片在磁環磁場的作用下吸合，發出一電訊號；活塞移開，舌簧開關離開磁場，觸點自動脫開。
磁性開關的圖形符號如圖所示。
圖3-6 舌簧式磁性開關工作原理圖
磁性開關一般與磁性氣缸配套使用。磁性氣缸的活塞上都有乙個永久性的磁環，把磁性開關安裝在氣缸的缸筒上，當活塞往復運動時帶動永久性磁環一起運動，而磁性開關檢測到永久磁環時就發出乙個訊號，使得開關「通」或「斷」。
2、電容式感測器
電容式感測器的感應面由兩個同軸金屬電極構成，很像「開啟的」電容器電極。這兩個電極構成乙個電容，串聯在rc振盪迴路內，其工作原理如圖6-9所示。電源接通時，rc振盪器不振盪，當一物體朝著電容器的電極靠近時，電容器的容量增加，振盪器開始振盪。
通過后級電路的處理，將不振和振盪兩種訊號轉換成開關訊號，從而起到了檢測有無物體的目的。這種感測器能檢測金屬物體，也能檀測非金屬物體。對金屬物體，可以測得較大的動作距離；而對非金屬物體，動作距離的決定因素之一是材料的介電常數。
材料的介電常數越大，可測得的動作距離越大。材料的面積對動作距離也有一定影響。實物圖和圖形符號如圖3-7所示。
圖3-7 電容式感測器工作原理圖
3、電感式感測器
電感式感測器的工作原理如圖所示。電感式感測器內部的振盪器在感測器工作表面產生乙個交變磁場。當金屬物體接近這一磁場並達到感應距離時，在金屬物體內產生渦流，從而導致振盪衰減，以至停振。
振盪器振
蕩及停振的變化被后級放大電路處理並轉換成開關訊號，觸發驅動控制器件，從而達到非接觸式的檢測目的。電感式感測器只能檢測金屬物體。實物圖和圖形符號如圖3-8所示。
圖3-8 電感式感測器工作原理圖
4、光電式感測器
光電式感測器是通過把光強度的變化轉換成電訊號的變化來實現檢測的。光電式感測器一般由發射器、接收器和檢測電路三部分構成。發射器對準物體發射光束，發射的光束一般**於發光二極體和雷射二極體等半導體光源。
光束不間斷地發射，或者改變脈衝寬度。接收器由光敏二極體或光敏電晶體組成，用於接收發射器發出的光線。檢測電路用於濾出有效訊號和應用該訊號。
常用的光電式感測器又可分為漫射式、反射式、對射式等幾種。
漫射式光電感測器集發射器與接收器於一體，在前方無物體時，發射器發出的光不會被接收器接收到。當前方有物體時，接收器就能接收到物體反射回來的部分光線，通過檢測電路產生開關量的電訊號輸出。其工作原理如圖3-9所示。
電子測量電子教案
第一章電子測量和儀器的基本知識 教學要求 了解電子測量的意義和特點 熟悉測量方法的分類 掌握測量誤差的概念及誤差的表示方法。教學重點 誤差的表示方法 教學難點 誤差的表示方法 教學方法 講授法 教學時間 6課時 教學過程 1 2課時 一 匯入新課 簡述電子測量的重要性 二 新授 1 測量及意義 1 ...
常用電子元器件檢測實習教案
實習教學方案 元器件識別與檢測 授課教師 該專案知識能力目標如下表所示 教案 一 下圖 a 是用四色環表示標稱阻值和允許偏差，其中，前三條色環表示此電阻的標稱阻值，最後一條表示它的偏差 如圖 b 中色環顏色依次黃 紫 橙 金，則此電阻器標稱阻值為47x10 47k 偏差為 5 如圖 c 電阻器的色環...
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