通过限位开关实现精度

检测机器自动化应用中的存在和位置有许多选择，但是当需要高精度时，限制开关通常是最佳选择。

作者:Tim Wheeler, AutomationDirect技术应用工程师

许多类型的传感器可用于检测工业自动化应用中的存在和位置，从课程到精确精度。常用的照片眼睛和电感开关，但是当需要高度的精度时，精密限位开关通常是更好的选择，因为它们为子微米水平提供可重复的精度。

行业的主力
工业限位开关是传感器世界的战列舰，已经在手动、半自动和自动化机械应用中使用了100多年，用于检测部件和机构的存在和位置。这些传感器有几种配置，包括NEMA，重型IEC，双绝缘IEC，紧凑，微型和精密，图1。

NEMA和IEC限位开关之间的主要区别是鲁棒性，在这些比较中的共同区分器。NEMA专为要求苛刻的应用而设计，如重型机械，铸造和采矿，往往更昂贵。在材料处理和龙门设备等应用中，类似但更具成本效益的重型IEC限位开关通常是合适的。NEMA和重型IEC壳体通常由金属，压铸锌合金或铝制成，根据该装置。

双绝缘IEC限位开关通常由塑料制成，紧密型IEC开关则由塑料或金属制成。许多精密触控限位开关都是不锈钢制造的。精密限位开关采用筒形设计，类似于非常小的(M5 x 0.5)接近开关。这些不锈钢，柱塞驱动开关具有高度的可重复性精度。

值得一提的是，安全开关是用来监控移动警戒器的位置，保护人员和设备免受危险。它们通常用于铰链防护门上，当防护门关闭时，执行器钥匙与开关体相啮合。电缆操作的安全开关也用于启动紧急停止时，电缆被拉。

键选择注意事项
由于其易于安装，可靠的操作和坚固的设计，限制开关适用于广泛的应用和工厂车间的恶劣环境，如图2所示。限位开关通常用于物理接触场合，会导致开关执行器和电触点的磨损，因此应避免每秒超过两次的操作。当选择限位开关时，首先考虑应用和驱动方法，因为它们通常是更明确的决定因素。

其他传感选项包括感应接近开关和照片眼，这两种都是一种无需触摸的方法来感知位置和存在。感应接近(prox)开关检测黑色金属和有色金属，不需要机械接触。代理开关通常具有固态输出，而不是像限位开关那样具有机械触点。它的非接触传感方法和固态输出使其成为高循环率应用的良好选择，当碎片可能干扰限位开关驱动器时。

然而，有许多高质量和持久的限制开关可用。使用适当指定的限位开关，它的机械寿命为3000万个动作，电气寿命为500万个操作，这并不罕见。限制因素通常是电触点寿命，但更换触点块可用一些限位开关以低成本快速更换。

NEMA和重型IEC极限开关都适用于恶劣环境。铸造厂、航运和码头作业是常见的应用。在汽车、食品和饮料、纸浆和造纸、电力等行业的机器中也发现了它们。这些开关在大型输送机和焊接设备上也能很好地工作。

限位开关也用于更多中型应用，如土方移动设备，农业机械，农场和拖拉机工具。其他中型应用包括数控机床，高架起重机，大型起重机，纺织和印刷机械，图3。

限位开关通常用于消费级机器和设备，如自动扶梯和电梯，工业自动门，飞机接入平台，销售点分配亭，剪刀升降机和老虎机。通过仔细设计，限制开关在大多数这些应用中运行良好，并且很容易接地到可编程逻辑控制器。

限位开关选择标准
超前限位开关的选择标准列于表1并在下面解释。

表1限位开关选择标准

• 驱动方法
• 可重复性
• 旅行操作和重置
• 操作力
• 接触配置
• 环境要求

限位开关有几种驱动方式，包括侧旋转，顶推和侧推，以及摆动杆。这些驱动器通常安装在90°可调头。操作触点的行程和所需的力大小各不相同，在选择开关之前应高度确定。

杠杆可调到操作轴上的任何角度，需要大约5°旋转，从总的90°旅行或更多，在任何方向上操作触点。典型的执行机构类型包括各种长度的不锈钢杠杆与尼龙或金属滚轮。弹簧不锈钢棒(须)，尼龙环或金属电缆，也可。

推动式（柱塞式）限位开关是在按钮或滚轮样式中的顶部或侧面致动，以操作触点，并且需要2毫米或更少的行程。摆动头部限位开关通常是使用不同杆式操作员的顶部操作，例如尼龙棒，不锈钢棒或弹簧钢 - 并且将在任何方向上以约10°的致动，垂直于杆。

组装的限位开关的重复性是由所使用的操作头的类型决定的。具有最佳重复性的开关是直接操作的按钮或柱塞类型，通常为0.003英寸。或更少的可重复精度。由于同心度的关系，添加滚轮和操作杠杆增加了公差粘贴。当使用滚轮时，公差很容易加倍。

限位开关操作在休息时以初始正常位置开始。当操作时，它们通过预览范围移动到操作点，其中电触点关闭，然后进入超行程范围。运行的行程和重置的行程是不同的。限位开关致动有滞后。它可能需要1到2毫米或5°到10°到10°的预尺，操作限制开关的触点，但只有在返回时重置的一半，但精密限位开关通常具有零预估。

根据设备的不同，操作限位开关的力有很大的不同。许多重型开关需要4磅或更多的重量来操作触点。小型，精密的限位开关可能只需要0.1磅的操作。

许多限位开关具有单极、单抛出电触点配置，或常开或常闭。有些有更多的联系配置可用。当触点的运动与执行器的速度无关时，可以使用快扣触点。即使执行机构动作非常缓慢，触点仍然会快速闭合。或者，当触点运动依赖于执行机构的速度时，也可以使用慢速闭合/慢速断开触点。

极限开关可以在极端环境下可靠工作;在高温或低温下;以及在潮湿、潮湿或污染的地区。防护等级IP40 ~ IP67/NEMA/UL。常用外壳类型有1、3、3S、4、4X、6和6P。

设计注意事项
限位开关的设计考虑如表2所示，可能会影响操作和可靠性，但仔细的设计可以减少潜在的问题。

表2，限位开关设计注意事项

• 机械的生活
• 传感器影响
• 开关频率
• 最大驱动速度

通过遵守这些指导原则，极限开关的机械寿命可以延长。限制目标材料对限位开关操作器的影响的严重程度是很重要的，因为在操作过程中尽可能地限制开关的超行程。不需要旋转或推动开关执行机构超过必要的可靠执行机构，杠杆可调到操作轴上的任何角度，以减少冲击和超行程。将限位开关柱塞按到行程末端可能会由于冲击而导致故障，但安装硬止动器可以缓解这一问题。

一些限位开关允许在凸轮角度下具有适当的引线的柱塞的直角操作，通常为30°。然而，许多限位开关需要以直角或在几度内与物体接触。尖端和内部轴承边缘之间的动作是有限的，但侧载会随着时间的推移对切换造成损坏。如果受到影响，壳体的末端可能会变形，导致返回失效。

在设计时应仔细考虑冲击和振动规格。严重时，可操作开关，造成故障。应避免将限位开关安装在可能被意外撞击的位置，在旋转轴上放置侧负载，或造成柱塞过度移动。

如前所述，由于机械和电子激活受到限制，开关频率必须小于每秒2个周期。限位开关的动作速度可能太快，也可能太慢。如果启动太快，开关可能弹跳或磨损很快。慢激活，小于50毫米/分钟，会导致重复性误差，特别是在精密限位开关。

精确限位开关
传统的极限开关，接近传感器和照片眼睛在精度和可重复性方面有些有限，通常在25至100μm范围内，这取决于器件。然而，在0.5至10μm的范围内具有一些具有成本效益和超精密的机械限位开关，其可重复性，图4.考虑到人的头发的直径通常为50至60μm，这是精确的感测。

这些精密限位开关经常被用来替代用于定位部件的光纤传感器。当使用光眼时，零件上不均匀的表面、水滴甚至指纹都可能会降低精确位置传感的准确性。然而，由于精密限位开关接触零件，它最大限度地减少了不均匀表面的影响，并可以推动通过水滴或指纹。

在薄板厚度应用中，例如检测双馈标签，由于重复性低，设计人员可能认为限位开关不适合检测额外的标签。然而，新的高精度触摸和工具设置开关能够0.5µm的重复性，可以可靠地检测50µm或更薄的薄片。可检查卷料，确保标签已被移除。

这些精密限位开关可用于严酷的环境，包括带有冷却剂喷雾和金属刨花的数控机床，以及运动控制和机器人自动化。在这些应用中，开关通常用于查找主位置、工具边缘或零件边缘。这些应用包括寻找焊接工具的尖端来调整机器人的z轴，定位x-y表，以及在数控磨削应用中检测砂轮的边缘

在自动化机器和机器人上，有许多传感器，如视觉系统，激光和照片的眼睛。找到工具或部件的位置通常对操作至关重要。精密限位开关是找到可重复的家庭或起始位置的绝佳选择。在0.5微米，1/2000的毫米内找到一个位置，机械开关在加工和组装前面增加了精度。

在机器自动化应用中，限位开关是可靠的，你可能以前使用过它们。不要太用力或太快地运行开关，并使用正确的激活方法。别忘了精密限位开关。由于可重复性从千分之一英寸(10µm)以下开始，一直到亚微米的可重复性精度，找到精确的位置变得前所未有的容易。

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