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氣動(dòng)

目的：

本活動(dòng)旨在向您介紹氣動(dòng)系統(tǒng)中使用的一些組件。氣動(dòng)涉及通過(guò)使用壓縮氣體來(lái)傳遞能量，從而控制機(jī)械的運(yùn)動(dòng)。使用氣動(dòng)系統(tǒng)的裝置很多，例如噴漆設(shè)備、千斤頂錘、鑿巖機(jī)、施工土釘支護(hù)設(shè)備、食品加工設(shè)備、冷飲柜、管道機(jī)構(gòu)和各種工業(yè)設(shè)備等。氣動(dòng)裝置由于其簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)、可靠性和安全性而受到歡迎。

本節(jié)你將學(xué)習(xí)如何使用慧魚的氣動(dòng)組件。

設(shè)備：

過(guò)程：

電磁閥通過(guò)雙面膠帶連接到30mm的梁上。這樣做允許您將電磁閥連接到結(jié)構(gòu)上，使其保持穩(wěn)定。參看下圖：

上圖中這個(gè)電磁閥是一個(gè)三位二通電磁閥，它允許流體從一個(gè)端口進(jìn)入，并從另一端口排出。三位二通電磁閥名字中的“三”代表有3個(gè)端口，從電磁閥的外觀上我們可以看到兩個(gè)端口（1和2），第3個(gè)端口隱藏在電磁閥的底部覆蓋物之下。當(dāng)壓縮空氣從端口3排出時(shí)，該覆蓋物起到消聲器和擴(kuò)散器的作用。

當(dāng)電磁閥得電時(shí)，端口1和端口2導(dǎo)通。當(dāng)電磁閥斷電時(shí)，端口2和端口3導(dǎo)通。

下圖是雙向活塞缸，壓縮空氣通過(guò)軟管進(jìn)入氣缸，推動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng)直到氣缸頂部。

我們將軟管與電磁閥連接，通過(guò)控制電磁閥的得電或斷電來(lái)控制是否將空氣沿軟管送入活塞缸。如果在雙向活塞缸另一側(cè)端口也接入另一組氣動(dòng)軟管和電磁閥，這樣就可以控制活塞的雙向運(yùn)動(dòng)。

參考下圖，在本實(shí)例中，我們將活塞缸安裝到空氣壓縮機(jī)的上面。

空氣壓縮機(jī)是空氣動(dòng)力泵。對(duì)于較大的氣動(dòng)系統(tǒng)，一般使用一個(gè)儲(chǔ)氣罐來(lái)保持空氣壓力，這樣情況下，壓力可以保持的相當(dāng)穩(wěn)定。如果沒有儲(chǔ)氣罐，當(dāng)氣缸工作時(shí)，您會(huì)聽到壓縮機(jī)發(fā)出的聲音有一些變化。

在處理氣壓時(shí)，我們希望有一個(gè)恒定的壓力?？諝鈮嚎s機(jī)的運(yùn)行電壓為9V，因此我們將使用TXT控制器底部的9V +輸出和I8的接地引腳為壓縮機(jī)供電。參考下圖：

本例中，為了控制電磁閥，我們將其的兩根導(dǎo)線接入到TXT控制器上的M1端口。

連接各組件的氣動(dòng)軟管是靈活的，但是需要使用接頭來(lái)保護(hù)兩端的組件。與空氣壓縮機(jī)連接的接頭是灰色的，而電磁閥的接頭是白色的。參看下圖：

氣動(dòng)系統(tǒng)整體的組件連接示意圖如下：

我們使用一個(gè)開關(guān)來(lái)控制氣體是否流入到活塞缸。將開關(guān)以常開觸點(diǎn)的接法接到TXT控制器上的I1輸入端口。

本實(shí)驗(yàn)整體示意圖如下：

現(xiàn)在我們開始進(jìn)行編程，將以下模塊拖拽到編程窗口中。

右鍵單擊“電機(jī)輸出（motor output）”模塊并調(diào)整其屬性設(shè)置。選擇“電磁閥（solenoid valve）”并選擇OK，模塊上的圖標(biāo)將會(huì)發(fā)生改變。

參考下圖編寫你的程序：

在線運(yùn)行上面的程序 ，觀察實(shí)驗(yàn)效果。你可能會(huì)發(fā)現(xiàn)活塞缸中的推桿被推出后不會(huì)發(fā)生回縮。如果我們將電磁閥的另一側(cè)端口也接入一組軟管和電磁閥，并通過(guò)另一個(gè)開關(guān)來(lái)控制這一側(cè)的通斷。那么試著寫一個(gè)程序來(lái)通過(guò)兩個(gè)電磁閥來(lái)控制雙向活塞缸中的推桿既可以伸出也可以回縮。

下面我們來(lái)介紹另一種彈性活塞缸。

上圖是彈性活塞缸（內(nèi)置有彈簧），端口1既可進(jìn)氣也可出氣，端口2只有出氣。我們用這個(gè)彈性活塞缸替換上面實(shí)驗(yàn)中的雙向活塞缸，當(dāng)電磁閥得電時(shí)，活塞桿被推出，當(dāng)電磁閥斷電時(shí)，由于彈簧的作用，活塞桿可以自動(dòng)收回。

編碼電機(jī)

基礎(chǔ)知識(shí)：

慧魚電機(jī)的內(nèi)部實(shí)際上是一個(gè)永磁直流電機(jī)。

電機(jī)本身由兩個(gè)永磁體組成，在它們之間建立磁場(chǎng)。

在磁場(chǎng)內(nèi)部，我們放置一根可以自由旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)線。這個(gè)軸被稱為電樞。通過(guò)電樞導(dǎo)線的電流引起磁場(chǎng)的產(chǎn)生。金屬絲纏繞在一系列分割板上以集中磁場(chǎng)。

電流通過(guò)左側(cè)紅色圓圈中的兩個(gè)刷子。這些電刷接觸銜鐵上的換向器，使電樞在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)。

電動(dòng)機(jī)有各種尺寸，但它們都是通過(guò)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)來(lái)工作的。雖然它們能非常有效地工作，驅(qū)動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)，但是當(dāng)你試圖精確地控制運(yùn)動(dòng)，并想知道確切的位置信息時(shí)，還是會(huì)遇到一些問題。為了克服這個(gè)問題，我們開始計(jì)算電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)。

慧魚編碼電機(jī)是一端為齒輪輸出軸的直流電機(jī)，轉(zhuǎn)矩增大時(shí)，該齒輪輸出軸的轉(zhuǎn)速會(huì)減慢。

齒輪箱顯示在下圖中的右側(cè)。你可以看到連接到輸出軸的齒輪系。

在另一端有一個(gè)電路板。該電路板具有霍爾效應(yīng)傳感器，通過(guò)檢測(cè)黑色旋轉(zhuǎn)磁鐵的磁場(chǎng)來(lái)計(jì)數(shù)每一次旋轉(zhuǎn)。

編碼電機(jī)的接線使用和普通電機(jī)一樣的紅綠導(dǎo)線（控制正反轉(zhuǎn)和電機(jī)轉(zhuǎn)速），但通過(guò)編碼電機(jī)里的傳感器，我們可以更加精確地控制電機(jī)。通過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)數(shù)，我們可以控制編碼電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的次數(shù)。

簡(jiǎn)單的描述一下，如果我們想控制機(jī)器人車回到同一個(gè)地方，我們可以計(jì)算從起始點(diǎn)去到某個(gè)地方所需要的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)，然后進(jìn)行相反的次數(shù)控制，這樣就可以使機(jī)器人車回到我們開始的地方。

編碼電機(jī)中的傳感器（編碼器）是需要獨(dú)立電源（9V）才能工作的有源傳感器，編碼器的接線有一個(gè)單獨(dú)的線束。

上圖中，藍(lán)色接插件的線束（含有三根線）是與編碼電機(jī)上的編碼器進(jìn)行連接的。其中，紅線的是接9V電源，綠線是傳感器的地線。黑線是編碼器信號(hào)線。

典型的接線如下所示。電機(jī)左右兩側(cè)的兩根紅綠導(dǎo)線連接到M1。傳感器獨(dú)立線束中的紅線連接到9V +，綠色線連接到C1的接地端，黑色信號(hào)線連接到C1。C1是一個(gè)計(jì)數(shù)器輸入端口，控制器通過(guò)這個(gè)端口對(duì)脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。不論電機(jī)是正轉(zhuǎn)（CW）還是反轉(zhuǎn)（CCW），C1都是進(jìn)行正數(shù)計(jì)數(shù)。

這里需要注意的，如果編碼電機(jī)接入M1，那么它上面的脈沖器的黑色信號(hào)線就要接入對(duì)應(yīng)的C1，以此類推，如果編碼電機(jī)接入M4，那么它上面的脈沖器的黑色信號(hào)線就要接入對(duì)應(yīng)的C4。

設(shè)備：

RoBo Pro軟件

搭建“發(fā)現(xiàn)者機(jī)器人套裝（TXT Discovery Set）”中“機(jī)器人車（mobile robot）”模型，參照拼裝手冊(cè)中第24頁(yè)的搭建步驟，并在其上加裝一個(gè)開關(guān)，開關(guān)以常開觸點(diǎn)的接法接入到控制器的I1端。

過(guò)程：

上圖中，我們將控制左右輪的兩個(gè)編碼電機(jī)分別接到M1和M2，對(duì)應(yīng)的，M1編碼電機(jī)上的獨(dú)立線束中的黑色信號(hào)線接到C1，M2編碼電機(jī)上的獨(dú)立線束中的黑色信號(hào)線接到C2。將開關(guān)接到I1輸入口。

為了調(diào)試時(shí)的方便，我們用慧魚的結(jié)構(gòu)件搭建一定高度的支架，將小車模型架高，以便在測(cè)試電機(jī)的時(shí)候小車不會(huì)在地面上隨便移動(dòng)。

現(xiàn)在打開RoboPro軟件，創(chuàng)建一個(gè)新文件。將“Enviroment（環(huán)境）”設(shè)置為“ROBO TX/TXT Controller”，將使用級(jí)別設(shè)置為“Level 3：Variables （變量）”。

點(diǎn)擊工具欄中的“COM / USB”，設(shè)置連接方式為USB連接TXT控制器。

每當(dāng)有傳感器或者執(zhí)行器連接到TXT控制器時(shí)，最好在工具欄中中打開“Interface Test（測(cè)試接口板）”工具，測(cè)試傳感器的設(shè)置是否正確以及是否能提供正確的信號(hào)輸入，同時(shí)在這個(gè)工具面板中我們還對(duì)執(zhí)行器（一般是電機(jī)、燈）進(jìn)行測(cè)試以排除硬件連接上的問題。

如上圖所示，當(dāng)你點(diǎn)擊M1旁邊的CW或CCW時(shí)（這時(shí)小車一側(cè)的輪子也會(huì)開始轉(zhuǎn)動(dòng)），你會(huì)注意到C1旁邊的計(jì)數(shù)文字框中的數(shù)值發(fā)生變化，同理，點(diǎn)擊M2旁邊的CW或CCW時(shí)，C2旁邊的計(jì)數(shù)文字框中的數(shù)值也發(fā)生相應(yīng)的變化。

點(diǎn)擊STOP，停止電機(jī)，這時(shí)你會(huì)看到電機(jī)從啟動(dòng)一直到電機(jī)停止，C1一共記錄了多少個(gè)脈沖數(shù)，點(diǎn)擊計(jì)數(shù)文字框旁邊的Reset復(fù)選框，可以進(jìn)行清零，也就是重置計(jì)數(shù)器。對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行清零可以允許你準(zhǔn)確的記錄小車從你想要的位置開始 ，運(yùn)行到你想要它停止的位置所行進(jìn)的實(shí)際“距離”（脈沖數(shù)）。

編程

將以下三個(gè)模塊拖拽到編程窗口中。

右鍵單擊“Advanced motor control（高級(jí)馬達(dá)控制）”模塊。這個(gè)模塊專門用于控制編碼電機(jī)。在其屬性面板中我們不僅可以開啟或關(guān)閉電機(jī)，還可以設(shè)置兩個(gè)電機(jī)之間的同步。在“action（動(dòng)作）”標(biāo)簽中選擇“synchronous distance（同步同距離）”，然后將“speed（速度）”設(shè)置為8，“distance（距離）”設(shè)置為200，M1和M2兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)向均設(shè)置為CW。參看下圖。

當(dāng)你選擇OK退出后，你會(huì)看到這個(gè)模塊已經(jīng)改變了外觀。這個(gè)指令集的作用是命令兩個(gè)編碼電機(jī)向前移動(dòng)200個(gè)脈沖。

按照下圖編輯程序。

在線運(yùn)行上面的程序，你會(huì)發(fā)現(xiàn)什么現(xiàn)象？如果你將距離脈沖數(shù)從200改為2000會(huì)發(fā)生什么？或者如果你改變其中一個(gè)電機(jī)的運(yùn)行方向，再次運(yùn)行程序時(shí)會(huì)發(fā)生什么？你會(huì)發(fā)現(xiàn)程序啟動(dòng)后，電機(jī)僅僅“動(dòng)”了一下，這個(gè)程序就自動(dòng)結(jié)束了。

現(xiàn)在在編程窗口中添加一個(gè)“wait for input（等待輸入）”模塊，右鍵單擊該模塊，打開其屬性設(shè)置面板。

在屬性面板中，我們將“wait for（等待）”選項(xiàng)設(shè)置為“1”。將“digital input（數(shù)字輸入）”選項(xiàng)設(shè)置為“M1E”。

M1E這個(gè)信號(hào)是一個(gè)內(nèi)置信號(hào)，當(dāng)我們?yōu)榫幋a電機(jī)設(shè)置了脈沖數(shù)后，當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)并達(dá)到了你所指定的脈沖數(shù)時(shí)，這個(gè)內(nèi)置的“M1E”（位置到達(dá)信號(hào)）就會(huì)從數(shù)字“0”變?yōu)閿?shù)字“1”。M1E這個(gè)位置信號(hào)是監(jiān)測(cè)的C1口上的脈沖讀數(shù)，以此類推，M4E這個(gè)就是監(jiān)測(cè)的C4口上的脈沖讀數(shù)。

點(diǎn)擊屬性設(shè)置面板上的“OK”退出，你會(huì)看到該模塊的圖示發(fā)生變化。

參照下圖再次編輯你的程序：

再次運(yùn)行你的程序，觀察小車車輪的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，這時(shí)你會(huì)發(fā)現(xiàn)小車如你希望的那樣開始運(yùn)行。如果在CW或CCW時(shí)小車兩側(cè)的車輪并不是按照同一個(gè)方向運(yùn)轉(zhuǎn)的，那么你可以在調(diào)換電機(jī)上的紅綠兩個(gè)導(dǎo)線的接線位置。

現(xiàn)在，你可以將小車從支架上取下，放在堅(jiān)硬平滑的地面上，以便觀察實(shí)際運(yùn)行效果。你可以測(cè)量出編碼電機(jī)在200個(gè)脈沖數(shù)的設(shè)置下，小車實(shí)際的前進(jìn)距離。

這里我們需要說(shuō)明一點(diǎn)，有的時(shí)候，我們會(huì)在一個(gè)程序中既使用“Advanced motor control（高級(jí)馬達(dá)控制）”模塊，又使用“motor output（馬達(dá)輸出）”模塊，這時(shí)在兩種控制模式切換之間我們就要使用“stop（停止）”這個(gè)命令。參考下面的程序：