漫谈各种限位开关在各种机电整合系统中所扮演的关键元件角色

前言 今天进入高度竞争的工业化的时代里，无论是在电源供应系统、汽车产业、石化工业、食品工业、机械工业，以及交通运输工程等应用领域，生产力已成为各应用工程领域中竞争优势之关键指标。自动化是现代工业之母，借着技术的精进，工业制程的生产效率与效能得以提升，日常生活也更为便捷，故全球各主要工业大国无不在自动化产业的关键技术与应用上进行长期的布局与深耕。而身处世界一隅的台湾自然无法避免在全球工业应用的市场竞争，因此要积极竞争自动化产业的市场，势必须从发展机电整合系统的建构能耐来思考可能的最佳发展路径，而欲达成此一目标，则业者首先必须亟思如何掌握在建构机电整合系统中之关键零组件技术。 限位开关技术是机电控制系统的一环 限位开关是一种广泛应用于所有的自动化装置与许多的相关设备应用上之关键感测元件，主要是因为其涉及到使用者在机电整合系统上传输资料到逻辑处理系统的可控制性优点，这些由关键性技术所带来的优点包括确认资料传输的执行状态─例如有无资料传输的状态确认、资料传输的流动状态、定位状态以及结束状态的判定等。举凡起重机、磨粉机、橡塑胶模具制程设备、物料输送机具、饮料食品包装机器、升降机等其他一般机械设备中，都需要使用这种关键零组件来达到精准控制制程的目的。限位开关主要由开关元件、接线端子、开关操动件、传动部分组成，根据开关触头接通和断开机械处理的操作特性而言，限位开关是一种开关的接通和开关动作切换时间与开关操动速度有关的开关元件，换句话说，当操动速度越快时，开关的切换也会越快。 谈到一般工业系统设计者选用最适用的限位开关产品上之考量，各家厂商所标榜的产品优点与特色不一而足，一般工业用户咸认为安装容易的灵巧设计往往是使用者首要的关注焦点，其次才会考量到产品操作时的电气性能和机械性能。从产品的电气性能而言，主要包括电路操作时的电流隔离安全性、低功耗开关动作的适用性、电气使用上的耐久性、与保险丝连接时的绝佳短路特性、电磁干扰免疫性、高的额定供佐电压等特性，而从产品的机械性能来看，则须注重在正向打开开关的操作动作上是否为常闭状态、是否能承受各种工业作业环境中的大气条件、高的复现精确性须达到0.01mm以上。至于在开关移动模式的设计方面，则有常见的线性移动、单一旋转面摆动与全向式摆动模式等三种侦测操作的移动方式。 另外，在选用好的限位开关产品的一项重要准则为供应商是否有通过安规与测试技术性的认证，目前的主流规范为IEC 60947-5-1，包括有电气绝缘上的协调性(与介电强度)、端子连结性、开关之切换容量、正向打开开关的操作动作(IEC 60947-5-1 附录K)、接触点的电器符号与正向打开开关的操作动作的符号。只有在通过这些安规与测试技术性的认证下，才能获得进军各工业大国主流应用市场的青睐。 掌握应用面的技术才能进行市场定位 而各种产业应用的设备规格需求上所采用的限位开关产品，往往亦因着实际的机具或设备操作型态而异。例如有杠杆制动器设计的限位开关能够应用在制动作用力与杠杆臂近乎垂直的方向，提高了各种机具与设备的操作效率，图一所示者为在重型机械产业中所常用的正确安装考量。

图一：在重型机械产业中所常用的正确安装考量上，是以作用力与杠杆臂近乎垂直的方向来定位。 当使用环境若涉及相当高速的运动时，则凸轮的设计上应考虑到限位开关必须能够操作的够久，以便于搭配继电器与其他阀门的操作用应用。

图二：在高速运动的操作条件下，凸轮的设计上应考虑到限位开关必须能够操作的够久，以便于搭配继电器与其他阀门的使用。 限位开关的结构图与基本动作特性 以下将详细的介绍限位开关的结构图以及其相关的动作特性机制，好让各种自动化产业或机电整合领域的使用者能够快速了解其功能性，兹说明双回路与通用封装限位开关的外观结构图如下。

图三：双回路限位开关的外观结构图 如上图所示，兹分述各个组成部分之结构性说明如下： 驱动头部：可将外部之力或行程传输到内置开关，一般的设计可依客制化的需求来选择不同结构之驱动头部。 开关保护部：机械强度佳，可将开关置入保护状态。 密封部：可将内部机构开关与外界进行隔离保护，并能依据不同的防护等级来决定使用位置或使用状态。

图四：通用封装限位开关的外观结构图 内置开关部：可接受驱动头部所传递之讯号，使接点分别接受打开与关上的动作。 接线部：固定外部连接用电缆，对内外部进行隔离保护。

图五：限位开关在射出成形机台与模具设备中扮演关键控制元件的角色

图六：限位开关在工具机设备中也是控制机制上重要的一环 而关于限位开关的基本动作特性，则如图七所示者为其动作分解展开图。 FP(自由位置)：未施加外力时的传动轴位置。 OP(动作位置)：由于传动轴受到外力作用，使得可动接点从自由位置产生状态反转时的位置。

图七：限位开关的基本动作特性，可展开为其动作分解图。 TTP(动作限度位置)：传动作用抵达传动轴只动元件时的传动轴位置。 RP(复归位置)：减少传动轴之外力可动接点，从动作位置反转至自由位置时的传动轴位置。 OF(产生动作所需的力)：从自由位置移动到动作位置所需施加于传动轴上的外力。 RF(复归力)：从动作限度位置移动到复归位置所需施加于传动轴上的外力。 PT(动作前移动)：从传动轴之自由位置移动到动作位置的移动距离又称为移动速度。 OT(动作后移动)：从传动轴之动作位置移动到动作限度位置的移动距离又称为移动角度。 MD(应差移动)：从传动轴之动作位置移动到复归位置的移动距离又称为移动角度。 TT(整体移动)：从传动轴之自由位置移动到动作限度位置又称为移动角度。 各种常见的限位开关之工业应用案例 范例一：温度与压力控制器的应用 限位开关可以根据一个过程或环境参数如温度、压力的变化或基于测量结果与限位开关设置点之间的关系来改变某一电参数。 限位开关的一个简单应用例子是房间里暖气的温度控制器。设置点是房间里希望保持的温度当温度低于设置点时，温度控制器将闭合一系列供暖的开关触点。一个温度控制器经常还有一个另外的调节功能用来控制从停止加热到重新开始加热这段时间内温度的变化量。 一个合理的温度变化带可确保在调节室温过程中不会由于在设置点附近过窄的温度变化带而造成加热器以很快的速度频繁启动。 如果你试图在非常窄的范围稳定室温，那么它带来的后果将是：1)加热器很快被损坏。 2)由于加热器工作效率低，用电费用会剧增。在加热器的一次开关周期中，温度变化2-5°C是不足为奇的。这个温度差被称之为限位开关的死角区。在过程工业，限位开关有很广泛的应用，一个例子就是温度控制过程。另一个例子是某些重要控制过程的压力控制以防压力过高引发事故或损坏。其他例子还包括控制化学反应的PH值。 范例二：量测设备上常用之高精密度机械限位开关 为了能够达到重复精度1微米的操作条件，也有业者积极开发出极精密的机械限位开关。由于在材质的设计上采用了高性能陶瓷、不锈钢或球磨红宝石制成的坚固探针，因此即使在恶劣条件下，也能以稳定的重复精度可靠地工作。对于在潮湿或严重多尘环境下的应用，该精密开关的防护等级可达到IP67。其工作温度范围从-20°C到+75°C。机械限位开关的应用领域非常广泛。由于其多用途特点及其紧凑的外壳设计(M8 X 0.5)，这种顶级的款式也深受机床或自动装配与搬运机械制造商的青睐。该精密开关还可用于检验各种测量设备，或者用于生产过程中的校准和品质控制。该产品结构简单，设计精巧，能够保证极高的开关次数。目前这种采用优质材料的精密开关在设计上只有3个运动件，从而确保了+/-0.001mm的重复精度，且仅需30cN的驱动力即可操作。

图八：极精密的机械限位开关 范例三：可编程电子式限位开关

图九：可编程电子式限位开关 可编程电子式限位开关装置可以弥补在每个应用中出现的所有测量误差；有了该装置，我们就无须再使用测量工具和游标卡尺进行繁琐的调整了。每个装置都有一个可自由设定操作点，可以满足应用的需要进行单独调整，并且可以按照要求频繁更换。创新的可编程电子式限位开关作为第一次以普遍适用的单一装置，并兼顾与安全有关的任务和应用的形象出现在人们视野中。仅仅使用某个单一型号的产品就可以提供很多优势；在众多领域内，例如物流，订单处理，仓储管理及与材料单据相关的管理方面，可以大大降低复杂程度并减少成本方面的投入。 可编程电子式限位开关的主要优势为附件锥孔的位置分散或支架和翼板的误差不会对限位开关的操作点带来影响。安装本装置之后，操作点随即可达”自动心领神会”的境界，进而免除任何费时的精调工作。这样不仅节省了宝贵的时间，更加避免了高昂的工具成本。此外，全球的每一位电子式技师和机械技师都可以毫不费力的对装置进行调节。这些装置会对包括光学指令在内的所有行动发出信号指令，目前这款产品需经过TUV-Rheinland的功能式的安全性认证(TUV-Rheinland系德国莱茵区授权的检验机构)，方能顺利地打进欧洲德国的工业应用市场。 LSE-AI和LSE-AU模拟感测器 LSE-AI(4-220mA)和LSE-AU(0-10V)类比限位开关在该领域内提供了另一种进步。首次实现了对烟道气翼板或执行器的实际位置进行连续监控。位置资料被转换成类比电流或电压值。并持续发送至自控系统。即便大小和厚度不同的物体(如制动停止块)的资料，现在也能测出对其进行监控并做进一步处理。 用于风机马达或通风系统的简单的以速度为基础的控制系统检测进气叶片的开启程度(例如25%，50%和75%)，以节约能耗。类比限位开关也突出诊断输出的特性，进行冗余数据的处理。这样可以保证对安全操作的状态进行监控并随时进行评估。限位开关还有自我检测功能。它将持续测试输出Q1和Q2的超载情况，确保短路为0V和+Ue。 与电动机械式限位开关一样，LSE-TitanR限位开关在配置为冗余系统时，可确保符合EN954-1标准中的3类或4类的设备安全。所有装置均适用于人身和工艺保护安全应用领域。 行程解析度及随后的类比信号的解析度提高了100。基本部件的机械滞后为0.4mm；重现性为+/-0.02mm。滚珠直动头，滚轮摇臂，可调滚轮摇臂或长杆摇臂具有机械额外预载的特点。 LSE-AI和LSE-AU经TUV-Rheinland认证符合EN954-1的要求(TUV-Rheinland系德国莱茵区授权的检验机构) LSE-TitanR：设置操作点 移至操作点一按下SET按钮一准备启动。如同设置车载广播的频道一样简单！ 注意：如果操动头已被移动，或是SET键过早松开，操动点不会有任何变动。 LSE会继续按原有的操作点工作。 可调式操作点沿着执行区域延伸0.5到5.5毫米。增量步进范围的相关解析度为0.04毫米。同样的，操作点可以按0.02毫米进行精确重现。结果是连续精确的位置检测。 LSE电子限位开关可选的类型包括：含一个断开触点和一个闭合触点的型号，或是带双断触点的型号。操作电压的范围是12-30V直流。 两个快速，无震动型PNP开关输出保证了较高的操作频率(多达6000次开关操作/小时)。这些开关含有超载及短路保护及紧急开断开关，可以保证操作点按指定要求进行重现。 电子限位开关LSE-11和LSE-02在限位监控方面可替代电子机械式限位开关。在功能和与安全相关的使用方面与电子机械式限位开关相同。使用两个普通的电子机械式限位开关或两个电子限位开(LSE-11；LSE-02)可以实现符合EN954-1中第3和第4类的限位监控。