时间：2022-06-24 06:45:29
序论：在您撰写机械手毕业设计总结时，参考他人的优秀作品可以开阔视野，小编为您整理的7篇范文，希望这些建议能够激发您的创作热情，引导您走向新的创作高度。
指导老师：戴胜坤
设计要求：1、安装资料及要求。包括：平面图；用电负荷情况；供电电源情况；气象及水文资料等。
2、选子：位置、型号的选择
3、土建施工
4、设备安装
课题二、小电流接地系统的故障选线的研究
指导老师：戴胜坤 地故障时，故障特点不是非常明显，故障选线就显得很有必要，所以，要求学生
比较详细的了解国内外小电流接地系统故障选线的研究现状和研究方法，对现有
的选线方法进行总结并加以改进，找到适合的故障选线的方法；3、 利用ATP的仿真软件对小电流接地系统进行仿真；4、撰写毕业论文。
课题三、64点温度监测与控制系统的设计
指导老师：游佳
设计内容：64点温度监测与控制系统针对室温环境下的温度监控，如大型机组的轴温，大型变压器油温，化学反应过程，环境测试等。控制核心采用微处理器或单片机，监测64点温度，温度范围0～100℃，采用半导体温度传感器AD590，按矩阵方式切换输入信号。输出8路开关控制信号和2路PWM模拟信号（具备PID控制能力）。同时要求利用微处理器或单片机的已有通讯接口或其它工业控制网络实现数据上传和控制。
设计要求：1.总体方案设计，需要提出至少两种切实可行的方案，并加以比较，选择一种最优方案；
2.根据总体方案设计硬件电路，需要有理论依据，有分析计算过程，选择的主要元件要有原理和说明，所有元件必须有型号和参数；
3.软件设计，使用汇编语言或C语言编成。主要软件必须能在设计制作的硬件电路上正确运行 ，且能够显示被测试对象的温度；
4.制作硬件电路，调试硬件和软件，完成温度检测与测试点切换，实现温度上传并在屏幕上显示或存盘；
5.撰写毕业论文，严格按照毕业论文标准，论文引用其它文章和相关技术资料不得多于40%。
课题四、 用8051单片机设计一交通信号灯模拟控制系统的设计
指导老师：潘纹
一、设计任务与要求：
用单片机8051设计一个十字路口的红、绿、黄交通信号灯控制系统，要求如下：
1）用红、绿、黄三色发光二极管作信号灯。考虑到学生设计时的难度，只考虑一条道路相对的两个方向，每个方向有红、绿、黄三个灯。红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行，每隔30秒红绿灯交替变化。在每次由绿灯亮变成红灯亮或者由红灯亮变成绿灯亮的交替变化转换时要求黄灯闪烁5秒，给行驶中的车辆有时间停靠到禁行线之外。
2）能实现正常的计时显示功能。用倒计时方法显示红灯、绿灯、黄灯还需亮的时间。
3）能实现控制器总清零功能。 按下某个键后，系统实现总清零，计数器由初始状态开始计数，对应状态的指示灯亮。 二、根据设计任务与要求：画出设计总电路图，写出设计程序。
课题五、单片机步进电机控制器的设计
指导教师：游佳
设计要求:1.用MCS-51单片机,通过软件编程,设计一个步进电机控制器。要求能对步进电机实现正、反转及速度控制，同时能对步进电机进行位置控制，即能控制步进电机从一个位置精确地运行到另一个位置。
课题六、传感器在机电一体化系统中的应用及发展的研究
指导老师：周小薇
论文要求：1.了解传感器在机电一体化系统中的作用及地位
2.机电一体化系统中常用传感器的类型、特点、结构及用途等
3.如何为机电一体化系统选择传感器（举例说明）
4.机电一体化系统中常用传感器的发展
相关知识：本课题要求学生综合《传感器技术》《机电一体化技术》《控制电机》等相关知识进行编写。
课题七、水轮机制动系统的设计
指导老师：周小薇
设计要求：
掌握一定的电气控制技术的基础知识，可以利用PLC进行编程，并且对气压传动和液压传动有一定的了解。还要求能够运用基本的绘图软件进行绘图。
设计内容：
本设计共有三个部分：电气控制部分、流体控制部分、PLC编程部分。
（一）电气控制部分设计任务： 2.24点制动闸动作后向PLC发出制动成功或复位信号
3.压力站气路压力数显示向PLC发出4～20mA的模拟信号
4.根据PLC传送来的4～20mA的模拟信号，显示相应的转速。
（二）流体控制部分设计任务：
采用节流阀控制流量，水份分离器净化空气，两个三通换向阀分别控制汽缸的上、下腔；气液混用三通球阀进行气、油的转换控制，多块压力表可直接读数等。
（三）PLC编程部分设计任务：
根据给出的梯形图进行编程。
课题八、毕业设计题目：恒压供水系统设计
指导教师：黄卫庭
构成：PLC系统、变频器、检测保护电路、转速测量等环节
要求：1、采用PWM变频调速
2、有具体结构图及外形图
3、选用元器件合适
4、有控制电路图、主电路原理图、PLC程序框图和清单
[注意：选题要结合实际供水工作。要求写明本设计所涉及的分析方法或技术手段（如定性、定量分析的方法）；要求有学生独立的见解，设计内容要详细写明具体步骤]。
课题九、两种液体混合的设计
指导老师：叶俊 一、控制要求
1．初始状
此时各阀门关闭，容器是空的。 SL1=SL2=SL3=OFF
M＝OFF
二、起动操作
按下起动按钮，开始下列操作： (2)液体B流入，液面达到SL1时，YV2=OFF，M＝ON，开始搅拌；
(3)混合液体搅拌均匀后（设时间为l0s），M＝OFF，YV3＝ON，放出混合液体；
(4)当液体下降到名 SL2时，SL2从ON变为OFF，再过20s后容器放空，关闭YV3，YV3=OFF，完成一个操作周期；
(5)只要没按停止按钮，则自动进入下一操作周期。·
三、停止操作
按一下停止按钮，则在当前混合操作周期结束后，才停止操作，使系统停止于初始状态。
四、要求：用欧姆龙型PLC技术设计
课题十、机械手控制的设计
指导老师：叶俊
一、机械手工作过程，且每次循环动作均从原位开始。
二、控制要求
1．在传输带A端部，安装了光电开关PS，用以检测物品的到来。当光电开关检测到物品时为ON状态。
2.机械手在原位时，按下起动按钮，系统起动，传送带A运转。当光电开关检测到物品后，传送带A停。
3．传输带A停止后，机械手进行一次循环动作，把物品从传送带A上搬到传送带B(连续运转）上。
4.机械手返回原位后，自动再起动传送带A运转，进行下一个循环。
5．按下停止按钮后，应等到整个循环完成后，才能使机械手返回原位，停止工作。
6.机械手的上升／下降和左移／右移的执行结构均采用双线圈的二位电磁阀驱动液压装置实现，每个线圈完成一个动作。
7.抓紧／放松由单线圈二位电磁阀驱动液压装置完成，线圈通电时执行抓紧动作，线圈断电时执行放松动作。
8.机械手的上升、下降、左移、右移动作均由极限开关控制。
9.抓紧动作由压力继电器控制，当抓紧时，压力继电器动合触点闭合。放松动作为时间控制（设为2s）。
要求：用欧姆龙型PLC技术设计
课题十一、建立机械全自动洗衣机的工作电路模型
指导老师：方玮
结构：由电动程控器、水位开关、安全开关（盖开关）、排水选择开关、 不排水停机开关、贮水开关、漂洗选择开关、洗涤选择开关等组成。工作原理：通过各种开关组成控制电路，来控制电动机、进水阀、排水电磁铁及蜂鸣器的电压输出，使洗衣机实现程序运转。
主要内容：进水控制电路，电动机控制电路，排水系统电路等。
要求：结合洗衣机的工作过程，给出以上电路模型号并说明原理，论文不少于5000字
课题十二、工厂变配电所的设计
指导老师：居剑文
一、设计的要求
根据设计课题的技术指标和给定条件，能够独立而正确地进行方案认证和设计计算，要求概念清楚，方案合理，方法正确，步骤完整。
要求会查阅有关参考资料和手册等
要求学会选择有关元件和参数
要求学会编制有关电气系统图和编制元件明细表
要求学会编写设计说明书
二、设计说明书的内容
负荷计算及无功功率补偿计算。
变配电所所址和型式的选择。
变电所主变压器台数、容量及类型的选择（配电所设计不含此内容）。
变电所主结线方案的设计
短路电流的计算
变配电所一次设备的选择
变配电所二次回路方案的选择及继电保护装置的选择与整定
变电所防雷保护与接地装置的设计
编写设计说明书及主要设备材料清单
10、绘制变电所主结线图、平面图和必要的剖线图、二次回路图及其它的施工图样。
课题十三、电缆－架空混合线路的继电保护问题的研究
指导老师：方玮 研究现状，了解目前电缆－架空混合线路的保护的配置的方法，优缺点，并根据
电缆的特点，架空线路的特点，提出适合于混合线路的保护的方案；
3、 提出适合于电缆－架空混合线路的继电保护的方案； 4、撰写毕业论文。
课题十四、铰链四杆机构的运动特性分析
指导老师：潘纹
设计任务与要求
1）对铰链四杆机构中的曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构三种基
本类型的运动特性进行分析。
2）每种类型各举一个日常生活中常见的实例，画出其基本图表。对每种
类型要求用falsh或者authorware等做一个能动的形象逼真的例子。如吊起重物的起重机、运动的火车的机轮、椭圆仪、翻箱机、机械手爪等。
课题十五、数控铣床及加工中心产品加工工艺设计
指导老师：倪祥明 课题十六、机械手直线运动液压系统的制作
指导教师：黄国祥
目的：实现机械手水平、垂直两个方向的机械运动
任务：1、系统方案的设计与计算；液压泵、液压阀等技术参数的选择；液压辅助部件的选择与购买。
2、液压缸的加工制作。
3、液压系统的安装与调试。
4、电路系统的安装。
5、技术资料整理与电子文档的制作。
要求： 1、分组布置任务，每组可以是1人以上。
2、电子文档要求打印，字数不少于5000字。
3、现场展览制作产品，参加答辩。
课题十七、“中国结”造型设计
指导教师：张蓉
1.毕业设计的基本任务
着重提高在CAD/CAM软件应用方面的实践技能，树立严谨的科学作风，培养综合运用理论知识解决实际问题的能力。通过创建中国结造型设计、市场推广、资料整理等环节，初步掌握应用CAD/CAM进行工业造型设计的方法和基本技能。
2.毕业设计的基本要求
通过毕业设计各环节的实践，应达到如下要求：
灵活运用所学Pro/e软件创建“中国结”,打印出造型设计步骤和造型图；
对造型出来的“中国结”进行包装设计。如用Photoshop或3dmax等软件进行包装，打印出用于市场推广的效果图；
写出500字左右的论文小结
培养一定自学能力和独立分析问题、解决问题能力；
通过毕业设计实践，树立严肃认真、一丝不苟、实事求是的工作作风，并培养自己具有一定的生产观点、经济观点、全面观点及团结协作的精神。
3.“中国结”造型参考图：
（造形和尺寸自定义）
课题十八、“福娃”造型设计
指导教师：罗进生
1.毕业设计的基本任务
着重提高在CAD/CAM软件应用方面的实践技能，树立严谨的科学作风，培养综合运用理论知识解决实际问题的能力。通过创建“福娃”造型设计、市场推广、资料整理等环节，初步掌握应用CAD/CAM进行工业造型设计的方法和基本技能。
2.毕业设计的基本要求
通过毕业设计各环节的实践，应达到如下要求：
灵活运用所学Pro/e软件创建“福娃”,打印出造型设计步骤和造型图；
对造型出来的“福娃”进行包装设计。如用Photoshop或3dmax等软件进行包装，打印出用于市场推广的效果图；
写出500字左右的论文小结；
培养一定自学能力和独立分析问题、解决问题能力；
通过毕业设计实践，树立严肃认真、一丝不苟、实事求是的工作作风，并培养自己具有一定的生产观点、经济观点、全面观点及团结协作的精神。
3.“福娃”造型参考图：
课题十九、大功率高频直流开关电源的设计
指导老师： 倪涛
通过该题目的设计,加强电力电子的学习和理解，系统学习开关电源的设计方法，综合运所学过的知识,培养独立工作，解决实际问题的能力，为走向工作岗位打一定的基础
内容：
按技术参数设计一台直流开关电源
主要技术参数：
输入电压：三相交流380V 输入频率：50HZ
输 出：恒流50安 输出电流变动范围：0---50安连续可调
输出电压：0—60伏
要求：
1.按要求分阶段写文字材料；
2. 3.论文要按要求格式打印；
4.独立完成
设计步骤：
1.阅读国内外有关 2.选定开关电源集成控制器，学习其工作原理、应用方法；
3.主电路方案选择，要有技术经济比较；
4.主电路设计；
5.元器件的设计、计算、选择；
6.控制电路、保护电路的设计；
7.打印论文
课题二十、三层楼电梯PLC控制系统设计与调试
指导老师：倪涛
设计内容： 1、不允许同时有两层楼要求停电梯；
2、当二层不需要停时，能越过二层直接到达所需楼层。
要求：
分阶段写文字材料；
2、 3、论文要按要求格式打印；
4、独立完成
步骤：
1、设计I/O配线表。
2、设计出电梯控制的梯形图。
3、写出指令表。
4、用编程器输入指令。
调试运行。
课题二十一、车辆出入库管理PLC系统设计
指导老师：杨芳
内容：编制一个用PLC控制的车辆出入库管理梯形图控制程序,控制要求如下:
1、入库车辆前进时,计数器加1,后退则减1.
2、出库车辆前进时计数器减1,后退则加1.
3、要求有显示屏指示车库内车辆的实际数目.
要求：
1.根据题意设计显示电路，并按图连接。
2.画PLCI/O接口连线图，并按图连接。
3.编制梯形图及指令语句表。
4.完成系统调试，实现控制要求。
课题二十二、水塔水位控制PLC系统设计
指导老师：杨芳
内容：1、保持水池的水位在S3——S4之间，当水位低于S3，则打开阀门进水，水位到达S4时，则关闭阀门。 水塔水位控制面板
要求：1.根据题意设计显示电路，并按图连接。
2.画PLCI/O接口连线图，并按图连接。
3.编制梯形图及指令语句表。
4.完成系统调试，实现控制要求。
课题二十三、用PRO/E软件进行玩具造型设计
指导教师：罗进生
要求：利用软件进行实体造型，写出具体造型步骤。步骤清晰合理，造型思路明确。可以自己设计玩具形状，分析所设计玩具市场前景。
参考图样：
课题二十四、基于PROE软件的机械制图三维模型库开发及应用
指导老师：李广坤
目前存在的主要问题我院机械类专业含机电、机械、数控、模具、汽车等相关专业。目前，毕业设计中存在的主要问题有以下几种：
1.关注点不一样，学校和学生意见分歧由于教育行政部门每年都要对毕业论文（设计）进行抽检评优，所以学校很紧张，万一结果不好，影响学校的声誉。但现状是，机械类专业绝大多数学生从第5学期中后期开始进行顶岗实习，而且大部分从事的是机床操作和产品检验、包装等工种，没有太多的技术含量，与“设计”无缘。少部分学生在产品销售岗位实习，还有部分在售后服务岗位实习，与“设计”关系都不大，学生看不到毕业设计对他们将来的工作有多大作用，他们更关注的是就业。因此，没有太大的动力去认真地搞毕业设计。由于学校对老师有要求，老师本意当然想认真地指导学生，可是学生在顶岗实习阶段，不能与老师经常见面，有的根本见不了面，只能通过电话、网络沟通，学生上网不便，邮件也说不清楚，老师只能过一段时间督促一下，指导效果大打折扣。
2.毕业设计所需信息和资料难以搜集，影响进度毕业设计阶段，学生都在企业顶岗实习，企业没有专门的提供给学生的图书馆、机房、网络、实验室等毕业设计所必须的基本条件。学生对相关专业资料的搜集、分析、利用等能力相对较弱，这些资源的缺乏令学生在选题、开题和具体实施阶段显得无从下手，只能胡乱参照往年或网上资料相关题目。例如，机械类专业学生中期检查交上来的题目大多是轴类、箱体类、圆盘类零件的加工工艺及数控编程、各种零件的模具设计、各种普通机床经济型数控化改造、电梯和机械手、水位、各种生产线等的PLC控制、机床夹具设计、机械设备的故障诊断与维修等等，题目有的大而空，有的是课程设计内容，有的是教材上的实例。学生撰写论文时参考教材或网络公开资料过多，没有什么数据支撑，也没有什么自己的观点和实际作品，谈不上论文的质量及学生水平的提高。
3.学生方面的原因江苏省这几年的高职招生，有提前单招，有注册入学，还有中职对口单招，最后，通过真正参加高考录取的考生，所占比例已经较少了。即使是这些学生，录取的分数也很低。而且，江苏省录取的总人数已经超过了报考学生总数，基本上只要想上学，都能上。所以招进来的学生的知识基础较差，学习兴趣不高，水平和能力又参差不齐。毕业设计和顶岗实习时间重叠，绝大部分学生是自己通过人才市场选择的实习企业，岗位要求学生和正式用工一样的工作时间和强度，学生每天上8小时甚至12小时的班，有的企业两班倒，有的三班倒，没有精力再去搞毕业设计。另一方面，在学校的前两年，也没有好好学习专业知识，造成很多学生不知道毕业设计要做什么，怎么做。老师给学生的课题，学生做不了，学生自己定的题目，又很不恰当。勉强写出的论文不规范，文字欠通顺，表述设计意图和设计方案逻辑性不强，质量很低，有的直接抄袭论文或干脆购买，没有起到培养综合能力和科研水平的目的。
4.指导老师方面的原因由于学生多而专业教师少，教师的指导工作量过大，一般平均每位专业教师要承担十多个学生的毕业设计指导，学生远在四处各地，老师无法对学生进行细致、系统和及时的指导和检查。而且本身又有繁重的教学工作，老师的精力跟不上。另外，各个学校重点关注的是招生就业，使得老师可能不太重视毕业设计工作，不愿多花时间与精力。从教师本身来看，高职院校的年轻教师很多是刚从学校毕业的，没有实践环节，只能照本宣科；年长教师，没有知识更新的再教育环节，对新技术不太了解。老师自己实践水平不高，给学生的选题，为回避实践环节，很多选择了与工程实际相脱离的综述类题目或计算机仿真题目。这些都使毕业设计指导工作难度增大，难以保证质量。
二、对策分析
1.提前启动毕业设计工作在人才培养方案中，将各主要专业课程向前两学年转移，减少第三学年的计划课程。第五学期初开始毕业设计，包括落实任务、查阅资料，掌握毕业设计的基本程序、要求，完成毕业论文的总体框架设计。学生在校完成毕业论文总体框架后，到企业、实习基地边实习边做毕业设计，更有针对性，学生不再感到茫然。
2.充分利用毕业顶岗实习到用人单位进行半年以上顶岗实习，是高职院校落实《教育部关于全面提高高等职业教育教学质量的若干意见》（教高[2006]16号）文件精神，大力推行“校企合作、工学结合”，突出高职教育特色，改革人才培养模式的重要举措。这几年，我院机械类学生的顶岗实习已提前至第5学期的下半学期，由于企业对技能型人才的需求较旺，所以，绝大部分学生自己都能较容易找到相关实习岗位。学生带着各自初拟的毕业设计课题，分散到不同地方、不同部门进行毕业实习，这种分散实习的方式不会影响企业的生产秩序，比较容易被企业接受；还有部分学生，在第3或者第4学期已经选择了进入与学校签有合作培养协议的“订单班”学习，我系有“上海鸿得利”、“富士康”、“亿滋”、“无锡松下”等众多订单班，学生完成基本专业知识学习后直接进入这些单位顶岗实习。毕业设计的内容与实际所从事的岗位联系，如果与初拟的框架有冲突，可再作研究内容和方法的调整，甚至重新开展课题研究。做到理论联系实际，提高学生的解决实际问题能力，提高毕业设计的质量。
3.校企共同指导学校自己聘请公司的技术人员做企业兼职指导教师，实现校企共同指导毕业设计。校内指导教师主要负责毕业设计规范化指导，负责过程管理，制定毕业设计流程，对毕业设计的各个环节进行监督检查，对后期的毕业论文的撰写进行指导和审核。保持与企业指导教师、毕业生的联系与沟通。企业的指导教师负责具体的技术、内容指导，提供企业相关资料以及学生与实习企业合作环境的协调。学校应支付企业导师一定报酬，同时，企业导师参与答辩要占到一定比例。我院建立了顶岗实习管理平台，要求学生顶岗实习期间至少每周写一次周记，每个周记提出一个工作问题，解决一个工作问题，学习一个工作中需要的新知识点，详细记录，并报告指导教师，指导老师进行点评、指导，随时关注学生动态，及时解决学生在实习过程中遇到的问题。另外，学生还要完成手写的实习报告，也按周填写，学生的企业指导老师，对学生一周的工作进行评价、总结.
4.丰富毕业设计课题来源
（1）指导教师的科研课题。此类型题目所占比例呈逐年上升趋势。原因主要是近几年学校科研环境的改善及本系教师队伍的完善，科研项目逐渐增多，项目层次包括院级、市级、省级、国家级。
（2）依托技能竞赛及各级各类创新创业大赛开展毕业设计的实践活动。鼓励学生积级申报江苏省大学生实践创新项目，参加大学生机械设计大赛、自动化生产线安装与调试、汽车维修、汽车营销、数控操作大赛、大学生创业大赛、职业规划大赛等。毕业设计开始时间可以依据竞赛时间进行调整，毕业设计可以以综合性竞赛项目实物作为成果，由竞赛辅导教师兼任毕业设计指导教师，对学生在前期创新过程中的作品进行完善和理论升华。通过技能竞赛学生熟练了技能，树立了竞争意识、团队意识，更尝到了学习技能、精通技能的甜头。
（3）学生自己确立的课题。题目主要来自毕业顶岗实习或者将要就业的单位，收集与实际工作相关的资料，在导师的指导下确定毕业设计题目。这说明学生下企业顶岗实习为毕业设计的选题提供了大量的专业实践机会。对于部分搞不了设计的学生，要求他们将实习体会写下来，形成实习报告。
（4）模具、数控、机械、机电专业跨专业整合，开展任务驱动、项目导向的毕业设计课题探索，使学生综合能力与素质得到全面提升。
（5）参与教师的教学活动。学生参与教学课件的制作，如机械设计基础、液压与气动技术、夹具设计、数控编程、模具设计等课程中的动画、视频的制作。既巩固了所学专业知识，又熟练掌握常用软件的操作，为将来的工作打下了良好的基础。
（6）不断完善毕业设计课题类型，开设毕业设计指导课程。经过这几年的实践总结，我们大体上把机械类高职毕业设计的类型分为以下几类，同时，我院已开设指导毕业设计的相关课程或讲座。1）工艺夹具类。此类主要完成各种零件的加工工艺编制及加工零件所需夹具的设计。2）数控编程类。主要完成零件的加工工艺编制及数控编程，可以和机械设计类结合，以团队的形式，完成机构的设计、机构零件的数控编程、加工。3）注塑、冲压模具类。主要完成各种注塑、冲压模具设计。4）机械设计类。减速器、机器人、机械手、各种泵、控制装备、农业机械、汽车、液压系统及各种设备的设计。5）机床类。机床主传动系统及进给系统设计、钻床、铣床、组合机床设计，也可以利用学校的金工实习车间进行各类机床的拆装、测绘训练。6）机械类课程图形库、动画库、试题库建设。7）机电一体化类普通车床数控化改造及各种设备的PLC控制系统设计。8）机电设备或生产线故障分析与诊断。
（7）答辩形式多样化。答辩可以采取多种形式，答辩地点可以选择校内的多媒体教室、实训室，也可以搬到校外学生顶岗实习的企业现场，邀请企业指导老师、技术人员、学生的同事一起参加答辩；答辩形式可以是陈述性答辩，也可以是作品展示性答辩；团队项目，可指定一人进行答辩。要保证各类形式如实习报告类、调查报告类、市场调研类、创业计划类、售后报告分析类、设计类都可以参加答辩。
三、总结
根据上面分析，现在的毕业设计质量较难保证，而现有国情下高职毕业设计暂时无法替代。但是，毕业设计也应随着形势的发展进行较大程度的改革，否则，不能发挥起应有的过渡桥梁作用，有以下几点值得思考：
（1）是否能强化课程综合实训和课程设计，淡化毕业设计。例如机械设计基础课程结合CAD/CAM课程进行综合实训；液压与气动技术、机械制造基础、PLC等进行课程设计；数控编程与操作理论课程结合实训进行典型零件的数控编程与加工训练。这样的训练更扎实，更有实效。
（2）毕业设计过程要增强学生对毕业设计的认识、让学生明确其目的和意义。
（3）毕业设计是一个综合训练的环节。完整的毕业设计过程应该包括专业实习、文献检索、题目选择、资料收集整理、大纲拟定、试验数据获取、理论计算、论文写作与论文答辩等环节。这些环节能使学生受到完成一个实际项目所必需的综合基本训练，对学生将来的工作和可能情况下的深造意义非凡。
关键词：机械手；PLC；液压伺服定位；电液系统
目 录
第1章 前言............................................................. 1
1.1 选题背景. 1
1.2 设计目的. 1
1.3 发展现状和趋势. 1
第2章 机械手各部件的设计. 3
2.1机械手的总体设计. 3
2.1.1 机械手总体结构的类型. 3
2.1.2 具体设计方案. 4
2.2机械手手爪结构的设计. 4
2.2.1 设计要求. 4
2.2.2 驱动方式. 5
2.2.3 典型结构. 5
2.2.4 具体设计方案. 6
2.3机械手手腕结构的设计. 7
2.3.1 手腕结构的设计要求. 7
2.3.2 具体设计方案. 7
2.4机械手手臂构的设计. 8
2.4.1 手臂结构的设计要求. 8
2.4.2 具体设计方案. 8
2.5机械手腰座结构的设计. 9
2.5.1 腰座结构的设计要求. 9
2.5.2 具体设计方案. 9
2.6机械手的机械传动机构的设计. 10
2.6.1 传动机构设计应注意的问题. 10
2.6.2 常用的传动机构形式. 10
2.6.3 具体设计方案. 11
2.7机械手驱动系统的设计. 12
2.7.1 常用驱动系统及其特点. 12
2.7.2 具体设计方案. 12
2.8机械手手臂的平衡机构设计. 12
2.8.1 平衡机构的形式. 12
2.8.2 具体设计方案. 13
第3章 理论分析和设计计算. 14
3.1电机选型有关参数计算. 14
3.1.1 有关参数的计算. 14
3.1.2 电机型号的选择. 16
3.2液压传动系统设计计算. 18
3.2.1 确定液压系统基本方案. 18
3.2.2 拟定液压执行元件运动控制回路. 19
3.2.3 液压源系统的设计. 19
3.2.4 绘制液压系统图. 20
3.2.5 确定液压系统的主要参数. 21
3.2.6 计算和选择液压元件. 26
第4章 机械手控制系统的设计. 28
4.1系统硬件设计. 28
4.1.1 操作面板布置. 28
4.1.2 工艺过程与控制要求. 28
4.1.3 作业流程. 29
4.1.4 控制器的选型. 30
4.1.5 控制系统原理分析. 31
4.1.6 PLC外部接线设计. 31
4.1.7 I/O地址分配. 32
4.2系统软件设计. 33
4.2.1 控制主程序流程图. 33
4.2.2 控制程序设计. 34
结论. 51
致谢................................................................52
参考文献.......................................................... 53
第一章 前言
1.1选题背景
由于工业自动化的全面发展和科学技术的不断提高，对工作效率的提高迫在眉睫。单纯的手工劳作以满足不了工业自动化的要求，因此，必须利用先进设备生产自动化机械以取代人的劳动，满足工业自动化的需求。其中机械手是其发展过程中的重要产物之一，它不仅提高了劳动生产的效率，还能代替人类完成高强度、危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，可以说是一举两得。在机械行业中，机械手越来越广泛的得到应用，它可用于零部件的组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更为普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。但目前我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国机械行业自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计具有重要意义。
1.2设计目的
目前，我国大多数工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，其劳动强度大、生产效率低，而且具有一定的危险性，已经满足不了生产自动化的发展趋势。为了提高工作效率，降低成本，并使生产线发展成为柔性制造系统，适应现代机械行业自动化生产的要求，针对具体生产工艺，结合机床的实际结构，利用机械手技术，设计用一台上下料机械手代替人工工作，以提高劳动生产率。本机械手主要与数控机床组合最终形成生产线，实现加工过程的自动化和无人化。
1.3发展现状和趋势
目前，国内外各种机械手和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体趋势如下：
一．机械结构向模块化、可重构化发展。
二．工业机械手控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，结构小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性，而且维修方便。
三．机械手中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，还引进了视觉、听觉、接触觉传感器，使其向智能化方向发展。
四．关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机械手产品标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机械手开发，柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发；
五．焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机械手产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态仿真。
总的来说，大体是两个方向：其一是机械手的智能化，多传感器、多控制器，先进的控制算法，复杂的机电控制系统；其二是与生产加工相联系，性价比高，在满足工作要求的基础上，追求系统的经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件。
第二章机械手各部件的设计
2.1机械手的总体设计
2.1.1机械手总体结构的类型
工业机械手的结构形式主要有四种：直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构和关节型结构。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下：
1.直角坐标机械手结构特点
直角坐标机械手的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图2-1.a。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，因此，其运动位置精度高，但此种类型机械手的运动空间相对较小，如要达到较大运动空间，则要求机械手的尺寸足够大。直角坐标机械手的工作空间为一空间长方体，主要用于装配作业及搬运作业。直角坐标机械手有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。
2.圆柱坐标机械手结构特点
圆柱坐标机械手的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图2-1.b。其工作空间是一个圆柱状的空间。这种机械手构造比较简单，精度相对较高，常用于搬运作业。
3.球坐标机械手结构特点
球坐标机械手的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图2-1.c。其工作空间是一个类球形的空间。这种机械手结构简单、成本较低，但精度不很高，主要应用于搬运作业。
4.关节型机械手结构特点
关节型机械手的空间运动是由三个回转运动实现的，如图2-1.d。相对机械手本体尺寸，其工作空间比较大，动作灵活，结构紧凑，占地面积小。此种机械手在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业。关节型机械手又分为水平关节型和垂直关节型两种。
2.1.2具体采用方案
如图2-2所示机械手模拟工作布局图，根据实际操作的需要，该机械手在工作中需要3种运动，其中手臂的伸缩和立柱升降为直线运动，另一个为手臂的回转运动，因此其自由度数目为3，综合考虑，应选择圆柱坐标机械手结构，其结构简单，工作范围相对较大，且有较高的精度，满足设计要求。
2.2机械手手爪结构设计
2.2.1设计要求
手爪是用来进行操作及作业的装置，其种类很多，根据操作及作业方式的不同，分为搬运用、加工用、测量用等。搬运用手爪是指各种夹持装置，用来抓取或吸附被搬运的物体；加工用手爪是带有喷枪、焊枪、砂轮、铣刀等加工工具的机械手附加装置，用来进行相应的加工作业；测量用手爪是装有测量头或传感器的附加装置，用来进行测量及检验作业。
机械手手爪设计有如下要求：
1、机械手手爪是根据机械手作业要求来设计的。既根据其应用场合设计手爪，在满足作业要求的前提下，机械手手爪还要求体积小、重量轻、结构紧凑。
2、机械手手爪的万能性与专用性是矛盾的。万能手爪在结构上很复杂，甚至很难实现，从工业实际应用出发，应着重开发各种专用的、高效率的机械手手爪，加之以快速更换装置，以实现机械手的多种作业功能，而不主张用一个万能的手爪去完成多种作业，以考虑设计的经济效益。
3、机械手手爪的通用性。通用性是指有限的手爪，可适用于不同的机械手，这就要求末端执行器要有标准的机械接口（如法兰），使末端执行器实现标准化。
4、机械手手爪要便于安装和维修，易于实现计算机控制。
2.2.2驱动方式
一般工业机械手手爪，多为双指手爪。按手指的运动方式，可分为回转型和移动型；按夹持方式来分，有外夹式和内撑式两种。
机械手夹持器（手爪）的驱动方式主要有三种：
1.气动驱动方式
这种驱动系统是用电磁阀来控制手爪的运动方向，用气流调节阀来调节其运动速度。由于气动驱动系统价格较低，所以气动夹持器在工业中应用较为普遍。另外，由于气体的可压缩性，使气动手爪的抓取运动具有一定的柔顺性，这一点是抓取动作十分需要的。
2.电动驱动方式
电动驱动手爪应用也较为广泛。这种手爪，一般采用直流伺服电机或步进电机，并需要减速器以获得足够大的驱动力和力矩。电动驱动方式可实现手爪的力与位置控制。但是，这种驱动方式不能用于有防爆要求的条件下，因为电机有可能产生火花和发热。
3.液压驱动方式
液压驱动方式是利用液压系统进行控制，传动刚度大，可实现连续位置控制。
2.2.3典型结构
机械手手爪的典型结构有以下五种：
1.楔块杠杆式手爪
利用楔块与杠杆来实现手爪的松、开，来实现抓取工件。
2.滑槽式手爪
当活塞向前运动时，滑槽通过销子推动手爪合并，产生夹紧动作和夹紧力，当活塞向后运动时，手爪松开。这种手爪开合行程较大，适应抓取大小不同的物体。
3.连杆杠杆式手爪
在活塞的推力下，连杆和杠杆使手爪产生夹紧（放松）运动，由于杠杆的力放大作用，这种手爪有可能产生较大的夹紧力。通常与弹簧联合使用。
4.齿轮齿条式手爪
通过活塞推动齿条，齿条带动齿轮旋转，产生手爪的夹紧与松开动作。
5.平行杠杆式手爪
采用平行四边形机构，因此不需要导轨就可以保证手爪的两手指保持平行运动，且比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小得多。
2.2.4具体设计方案
结合具体的工作情况，本设计采用连杆杠杆式的手爪。驱动活塞往复移动，通过活塞杆端部齿条，中间齿条及扇形齿条使手指张开或闭合。手指的最小开度由加工工件的直径来调定。本设计按照工件的直径为50mm来设计。手爪的具体结构形式如图2-3所示：
2.3机械手手腕结构的设计
机械手手腕是机械手操作机的最末端，与手爪相连接，它与机械手手臂配合，使手爪在空间运动，完成所需要的作业动作。
2.3.1 手腕结构的设计要求
1、由于手腕安装在机械手末端，因此要求手腕设计应尽量小巧轻盈，结构紧凑。
2、根据作业需要，设计机械手手腕的自由度。一般情况下，自由度数目愈多，腕部的灵活性愈高，对对作业的适应能力也愈强。但自由度的增加，必然使腕部结构更复杂，控制更困难，成本也会相应增加。因此，手腕的自由度数，应根据实际作业要求来确定。
3、为实现腕部的通用性，要求有标准的连接法兰，以便于和不同的机械手手爪进行连接。
4、为保证工作时力的传递和运动的连贯，腕部结构要有足够的强度和刚度。
5、要设有可靠的传动间隙调整机构，以减小空回间隙，提高传动精度。
6、手腕各关节轴转动要有限位开关，并设置硬限位，以防止超限造成机械损坏。
2.3.2具体设计方案
通过对数控机床上下料作业的具体分析，考虑数控机床加工的具体形式及对机械手上下料作业时的具体要求，在满足系统工艺要求的前提下提高安全和可靠性，为使机械手的结构尽量简单，降低控制的难度，本设计手腕不增加自由度，实践证明这是完全能满足作业要求的，3个自由度来实现机床的上下料完全足够。具体的手腕（手臂手爪联结梁）结构见图2-4。
2.4机械手手臂结构的设计
2.4.1手臂结构的设计要求
机械手的手臂在工作时，要承受一定的载荷，且其运动本身具有一定的速度，因此，机械手手臂的设计需要遵循以下设计要求：
1、工作空间的形状和大小与机械手手臂的长度，手臂关节的转动范围有密切的关系，因此手臂尺寸设计应合理，一般满足其工作空间即可。
2、为了提高机械手的运动速度与控制精度，应在保证机械手手臂有足够强度和刚度的条件下，尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量。
3、应尽可能使机械手手臂各关节轴相互平行；相互垂直的轴应尽可能相交于一点，这样可以使机械手运动学正逆运算简化，有利于机械手的控制。
4、机械手各关节的轴承间隙要尽可能小，以减小机械间隙所造成的运动误差。
5、为提高机械手手臂运动的响应速度、减小电机负载，机械手的手臂相对其关节回转轴应尽可能在重量上平衡。
2.4.2具体设计方案
由于机械手手臂运动为直线运动，且考虑到搬运工件的重量较大（质量达30KG），以及机械手的动态性能及运动的稳定性，安全性和较高的刚度要求，因此选择液压驱动方式。通过液压缸的直接驱动，液压缸既是驱动元件，又是执行运动件，因此不用再额外设计执行件；而且液压缸实现直线运动，控制简单，易于实现计算机的控制。
由于液压系统能提供很大的驱动力，因此驱动力和结构的强度都较容易实现，其关键在于机械手运动的稳定性和刚度的设计。因此手臂液压缸的设计原则是液压缸的直径取得大一点（在整体结构允许的情况下），再进行强度的较核。
同时，因为控制和具体工作的要求，机械手的手臂的结构不能太大，若仅仅通过增大液压缸的直径来增大刚度，是不能满足系统刚度要求的。因此，在设计时另外增设了导杆机构，小臂增设了两个导杆，与活塞杆一起构成等边三角形的截面形式，尽量增加其刚度；大臂增设了四个导杆，成正四边形布置，为减小质量，各个导杆均采用空心结构。通过增设导杆，能显著提高机械手的运动刚度和稳定性，比较好的解决了结构、稳定性的问题。
2.5机械手腰座结构的设计
2.5.1腰座结构的设计要求
机械手的腰座，就是机械手的回转基座。它是机械手的第一个回转关节，承受了机械手的全部重量。因此在设计机械手腰座结构时，有以下设计要求：
1、由于腰座要承受机械手全部的重量和载荷，因此，机械手腰座的结构要有足够大的强度和刚度，以保证其承载能力，且腰座是机械手的第一个回转关节，它对机械手末端的运动精度影响最大，因此，在设计时要特别注意腰部轴系及传动链的精度与刚度。
2、腰部结构要便于安装、调整。要有可靠的定位基准面和调整机构。且腰座要安装在足够大的基面，以保证机械手在工作时整体安装的稳定性。
3、腰部的回转运动要有相应的驱动装置，它包括驱动器及减速器。驱动装置一般都带有速度与位置传感器，以及制动器。
4、为了减轻机械手运动部分的惯量，提高控制精度，要求回转运动部分由比重较小的铝合金材料制成，而不运动的基座是用铸铁或铸钢材料制成。
2.5.2具体设计方案
腰座回转的驱动形式主要有两种，一是电机通过减速机构来实现，二是通过摆动液压缸或液压马达来实现。考虑到腰座是机械手的第一个回转关节，对机械手的最终精度影响大，故采用电机驱动来实现腰部的回转运动。因为电动方式控制的精度高，结构紧凑，不用额外设计液压系统及其辅助元件。由于电机都不能直接驱动，并考虑到转速以及扭矩的具体要求，故采用大传动比的齿轮传动系统进行减速和扭矩的放大。由于齿轮传动存在着齿侧间隙，影响传动精度，故仅采用一级齿轮传动，采用大的传动比（大于100），同时为了减小传动误差，齿轮采用高强度、高硬度的材料，高精度加工制造。腰座具体结构如图2-5所示：
2.6机械手的机械传动机构设计
2.6.1传动机构设计应注意的问题
由于传动部件直接影响着机械手的精度、稳定性和快速响应能力，因此，在设计机械手的传动机构时要注意以下问题：
1、机械手的传动机构要力求结构紧凑，重量轻，体积小，以提高机械手的运动速度及控制精度。并在传动链及运动副中采用间隙调整机构，以减小反向空回所造成的运动误差。
2、尽量减少系统运动部件的静摩擦力，而正摩擦力为尽可能小的正斜率，以消除爬行现象，增加系统寿命。
3、尽量缩短传动链，提高传动与支承刚度。
4、选用最佳传动比，以达到提高系统分辨率、减少等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能提高加速能力。
5、适当的阻尼比。阻尼比越大，零件产生振动时最大振幅越小，衰减越快。但大的阻尼会使系统误差增大，精度降低。故应采取合适的阻尼比。
2.6.2常用的传动机构形式
常用的机械传动机构主要有螺旋传动、齿轮传动、链传动、同步带传动等。
1.螺旋传动
它主要是用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。有传递能量为主的，如螺旋压力机、千斤顶等；有以传递运动为主的，如机床工作台的进给丝杠。
2.齿轮传动
在机械手中常用的齿轮传动机构有圆柱齿轮，圆锥齿轮，谐波齿轮，摆线针轮及蜗轮蜗杆传动等。
齿轮传动部件是转矩、转速和转向的变换器，用于伺服系统的齿轮减速器是一个力矩变换器。齿轮传动时，齿轮传动形式及其传动比必须是最佳匹配，应满足驱动部件与负载之间的位移及转矩、转速的匹配要求，其输入电动机为高转速，低转矩，而输出则为低转速，高转矩，且系统要有足够的刚度。同时，为保证在同一驱动功率时，其加速度响应最大，还要求其转动惯量尽量小。为使系统稳定，不产生传动死区，要尽量采用齿侧间隙小，精度高的齿轮，并采用调整齿侧间隙的方法来消除或减小啮合间隙，从而提高传动精度和系统的稳定性，降低成本。
3.链传动
在机械手中链传动多用于腕传动上，为了减轻机械手末端的重量，一般都将腕关节驱动电机安装在小臂后端或大臂关节处。由于电机距离被传动的腕关节较远，故采用精密套筒滚子链来传动。
4.同步带传动
同步带传动是综合了普通带传动和链传动优点的一种新型传动。为保证带和带轮作无滑动的同步传动，在带的工作面及带轮外周上均制有采用承载后无弹性变形的高强力材料制成啮合齿，通过齿间啮合进行传动。其特点是传动比准确、传动效率高（可达98%）、节能效果好；能吸振、噪声低、不需要；传动平稳，能高速传动（可达40m/s）、传动比可达10，结构紧凑、维护方便等优点，故在机械手中使用很多。
2.6.3具体设计方案
因为选用了液压缸作为机械手的手臂，它既是关节结构，又是动力单元，因此不需要中间传动机构，既简化了结构，又提高了精度。而其腰座的回转采用步进电动机驱动，而电动机不能作为直接驱动元件，因此为取得较大的转矩，经分析比较，选择圆柱齿轮传动。为了保证比较高的精度，尽量减小因齿轮传动造成的误差；同时大大增大扭矩，以较大的降低电机转速，使机械手的运动平稳，动态性能好。这里只采用一级齿轮传动，采用大的传动比（大于100），齿轮采用高强度、高硬度的材料，高精度加工制造。
2.7机械手驱动系统设计
2.7.1常用驱动系统及其特点
工业常用驱动系统，按动力源分为液压、气动和电动三大类。根据需要也可将这三种基本类型组合成复合式的驱动系统。这三类基本驱动系统的主要特点如下。
1.液压驱动系统
具有动力大、力（或力矩）与惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动、精度高等特点。适合于在承载能力大，惯量大以及在防火防爆的环境中工作的机械手。
2.气动驱动系统
具有速度快，系统结构简单，维修方便、价格低等特点。适用于中、小负荷的机械手中采用。但是因难于实现伺服控制，多用于程序控制的机械手中。
3.电动驱动系统
具有使用方便，噪声较低，控制灵活等特点。这类驱动系统不需要能量转换，但大多数电机后面需安装精密的传动机构。
2.7.2具体设计方案
在分析了具体工作要求后，综合考虑各个因素，机械手腰部的旋转运动需要一定的定位控制精度，因此采用步进电动机来实现。由于手臂采用液压缸，故用液压驱动。随着机床加工的工件的不同，手臂伸出长度不同，要求手臂具有伺服定位能力，故采用电液伺服液压缸进行驱动。而手爪的张开和夹紧通过液压柱塞缸活塞与中间齿轮和扇形齿轮配合来实现，即手爪在柱塞缸推力作用下通过活塞杆端部齿条、中间齿轮及扇形齿轮使手指张开和闭合。
2.8 机械手手臂的平衡机构设计
直角坐标型、圆柱坐标型和球坐标型机械手可以通过合理布局，优化设计结构，使得手臂本身可能达到平衡。关节机械手手臂一般都需要平衡装置，以减小驱动器的负荷，同时缩短启动时间。
2.8.1平衡机构的形式
1.配重平衡机构
这种平衡装置结构简单，平衡效果好，易于调整，工作可靠，但增加了机械手手臂的惯量与关节轴的载荷。一般在机械手手臂的不平衡力矩比较小的情况下采用这种平衡机构。
2.弹簧平衡机构
弹簧平衡机构，机构简单、造价低、工作可靠、平衡效果好、易维修，因此应用广泛。
3.活塞推杆平衡机构
活塞式平衡系统分为两种，一是液压平衡系统，二是气动平衡系统。其中液压平衡系统平衡力大，体积小，有一定的阻尼作用；而气动平衡系统，具有很好的阻尼作用，但体积比较大。活塞式平衡需要配备有专门的液压或气动装置，系统复杂，因此造价高，设计、安装和调试都增加了难度，但是平衡效果好。用于配重平衡、弹簧平衡满足不了工作要求的场合。
2.8.2具体设计方案
因为本机械手采用圆柱坐标型的结构，而且在手臂的结构设计以及整个机械手的设计和布局中都重点考虑了机械手手臂的平衡问题，通过合理布局，优化设计结构，使得手臂本身尽可能达到平衡。若实际工作中平衡结果不满足，则设置弹簧平衡机构进行平衡。
第3章 理论分析和设计计算
3.1电机选型有关参数计算
3.1.1有关参数的计算
1.若传动负载作直线运动（通过滚珠丝杠）则有
具体到本设计，因为步进电机是驱动腰部的回转，传递运动形式属于第二种。下面进行具体的计算。
因为腰部回转运动只存在摩擦力矩，在回转圆周方向上不存在其他的转矩，则在回转轴上有；
3.1.2电机型号的选择
根据以上计算结果，并综合考虑各方面因素，决定选择北京和利时电机技术有限公司（原北京四通电机公司）的步进电机，具体型号为：
110BYG550B-SAKRMA-0301 或 110BYG550B-SAKRMT-0301 或 110BYG550B-BAKRMT-0301，该步进电机高转矩，低振动，综合性能很好，各项参数如表3-2。
其中 110BYG550B-SAKRMA-0301型步进电机矩频特性曲线和相关技术参数。如图3-3所示
驱动方式为升频升压 ，步距角为0.36°。同时因为腰部齿轮传动比为1：120，步进电机经过减速后传递到回转轴，回转轴实际的步距角将为电机实际步距角的1/120（理论上），虽然实际上存在着间隙和齿轮传动非线性误差，实际回转轴的最小步距角也仍然是很小的，故其精度相当高，完全满足机械手的定位精度要求。
3.2液压传动系统设计计算
3.2.1确定液压系统基本方案
液压执行元件大体分为液压缸和液压马达，液压缸实现直线运动，液压马达实现回转运动。二者的特点及适用场合见表3-1：
因为机械手设计为圆柱坐标形式，且具有3个自由度，一个为腰座的转动，两个为手臂的移动自由度。同时考虑机械手的工作环境和载荷对其布局和定位精度的要求，以及计算机的控制的因素，腰部的回转用电机驱动实现，机械手的水平手臂和垂直手臂都采用单活塞杆液压缸，来实现直线往复运动。
3.2.2拟定液压执行元件运动控制回路
液压执行元件确定后，其运动速度和运动方向的控制是液压回路的核心问题。
速度控制通过改变液压执行元件输入或输出的流量或者利用密封空间的容积变化来实现。相应的调速方式有节流调速、容积调速以及二者结合的容积节流调速；方向控制是用换向阀或是逻辑控制单元来实现。对于一般中小流量的液压系统，通过换向阀的有机组合来实现所要求的动作。对高压大流量的系统，多采用插装阀与先导控制阀的逻辑组合来实现。
本设计的速度的控制主要采用节流调速，利用用比较简单的节流阀来实现，而方向控制采用电磁换向阀来实现。
3.2.3液压源系统的设计
液压系统的工作介质完全由液压源来提供，液压源的核心是液压泵。节流调速系统一般用定量泵供油，在无其他辅助油源的情况下，液压泵的供油量要大于系统的需油量，多余的油经溢流阀流回油箱，溢流阀同时起到控制并稳定油源压力的作用。容积调速系统多用变量泵供油，用安全阀来限定系统的最高压力。
油液的净化装置是液压源中不可缺的元件。一般泵的入口要装粗滤油器，进入系统的油液根据要求，通过精滤油器再次过滤。为防止系统中杂质流回油箱，可在回油路上设置磁过滤器。根据液压设备所处的环境及对温升的要求，还要考虑加热、冷却等措施。
本设计的液压系统采用定量泵供油，由溢流阀V1来调定系统压力。为了保证液压油的洁净，避免液压油带入污染物，故在油泵的入口安装粗过滤器，而在油泵的出口安装精过滤器对循环的液压油进行净化。
3.2.4绘制液压系统图
本机械手的液压系统图如图3-2所示（详见图纸第四页），
它拥有垂直手臂的上升、下降，水平手臂的前伸、后缩，以及执行手爪的夹紧、张开三个执行机构。
其中，泵由三相交流异步电动机M拖动；系统压力由溢流阀V1调定；1DT的得失电决定了动力源的投入与摘除。
考虑到手爪的工作要求轻缓抓取、迅速松开，系统采用了节流效果不等的两个单向节流阀。当5DT得电时，工作液体经由节流阀V5进入柱塞缸，实现手爪的轻缓抓紧；当6DT失电时，工作液体进入柱塞缸中，实现手爪迅速松开。
另外，由于机械手垂直升降缸在工作时其下降方向与负荷重力作用方向一致，下降时有使运动速度加快的趋势，为使运动过程的平稳，同时尽量减小冲击、振动，保证系统的安全性，采用V2构成的平衡回路相升降油缸下腔提供一定的排油背压，以平衡重力负载。
3.2.5确定液压系统的主要参数
液压系统的主要参数是压力和流量，他们是设计液压系统，选择液压元件的主要依据。压力决定于外载荷，流量取决于液压执行元件的运动速度和结构尺寸。
1.计算液压缸的总机械载荷
3.液压缸主要参数的确定
考虑到机械手的特点，系统的刚度及其稳定性是很重要的。因此，先从刚度角度进行液压缸缸径的选择，以尽量优先保证机械手的结构和运动的稳定性和安全性。至于液压缸的工作压力和缸的工作速度，放在液压系统设计阶段，通过外部的液压回路、采用合适的调速回路和元件来实现。经过仔细分析，综合考虑各方面的因素，初步确定各液压缸的基本参数如下；
因为伸缩缸的作用主要是实现直线运动，在其轴向上并不承受显性的工作载荷（因为手爪夹持工件，受力方向为垂直方向），轴向主要是克服摩擦力矩，其所受的载荷主要是径向载荷，载荷性质为弯矩，使其产生弯曲变形。而且因为机械手要求具有一定的柔性，水平液压缸活塞杆要求具有比较大的工作行程。同时具有比较大的弯矩和比较长的行程，这对液压缸的稳定性和刚度有较高的要求。
因此，在水平伸缩缸的设计上，一是增大其抗弯能力，二是通过合理的结构布局设计，使其具有尽量大的刚度。为了达到这个目的，设计中采用了两个导向杆，以满足长行程活塞杆的稳定性和导向问题。另一方面，为增大结构的刚度和稳定性，将两个导向杆与活塞杆布局成等边三角形的截面形式，以增大抗弯截面模量，也大大增加了液压缸的工作刚度。
因为垂直液压缸所承受的载荷方式既有一定的轴向载荷，又存在着比较大的倾覆力矩（由加工工件的重力引起的）。作为液压执行元件，满足此处的驱动力要求是轻而易举的，要解决的关键问题仍然是它的结构设计能否有足够的刚度来抗倾覆。这里同样采用了导向杆机构，围绕垂直升降缸设置四根导杆，较好的解决了这一问题。
4.液压缸强度的较核
（1）活塞杆直径的较核
3.2.6计算和选择液压元件
1. 控制元件的选择
根据系统最高工作压力和通过该阀的最大流量，在标准元件的产品样本中选取各控制元件。
2. 液压泵的计算
第4章 机械手控制系统的设计
4.1硬件设计
4.1.1操作面板布置
操作面板布置如图4-2所示：
机械手的操作方式分为手动操作和自动操作两种。
1.手动操作：就是用按钮作机械手的每一步运动进行单独的控制。当选择升／降按钮时，按下启动按钮，机械手上升；按下停止按钮时，机械手上升。当选择正转/逆转按钮时，按下启动按钮，机械手顺时针转动，而按下停止按钮时，机械手逆时针转动。同理，当选择夹紧/放松按钮时，按下启动按钮，机械手爪夹紧，而按下停止按钮时，手爪松开。
2.自动操作：机械手从原点开始，按下启动按钮，机械手的动作将自动的、连续的周期性循环。在工作中若按下停止按钮，机械手将继续完成一个周期动作后，回到原点位置。
4.1.2工艺过程与控制要求
机械手的动作有腰座的旋转，垂直手臂的升降，水平手臂的伸缩及手爪的夹紧与松开。手臂垂直升降和水平伸缩由液压实现驱动；手爪的夹紧与放松，通过柱塞缸与齿轮来实现；腰座旋转通过步进电动机与齿轮来实现。
其中，液压缸由相应的电磁阀控制，升降分别由双线圈的两位电磁阀控制，当下降电磁阀通电时，机械手下降；断电时，机械手下降停止；当上升电磁阀通电时，机械手上升；断电时，机械手上升停止。而水平方向的伸缩主要由电液伺服阀、伺服驱动器、感应式位移传感器构成的回路进行调节控制。
实现执行手爪夹紧与放松的柱塞缸，由单线圈的电磁阀（夹紧电磁阀）来控制，当线圈不通电时，柱塞缸不工作，当线圈通电时，柱塞缸工作冲程，手爪张开，柱塞缸工作回程，手爪闭合。
当机械手旋转到机床上方，并准备下降进行上下料工作时，为了确保安全，必须在机床停止工作并发出上下料命令时，才允许机械手下降进行作业。同时，从工件料架上抓取工件时，也要先判断料架上有无工件可取。
4.1.3作业流程
机械手工作流程如图4-1所示：
从原点开始，按下启动键，且有上下料命令，则水平液压缸开始前伸并进行伺服定位，前伸到位后，停止前伸； 下降电磁阀通电，同时手爪柱塞缸电磁阀也通电，机械手下降，同时张开手爪，下降到位后碰到下限行程开关，下降电磁阀断电，下降停止，同时手爪夹紧，抓住工件； 上升电磁阀通电，机械手开始上升，上升到位后，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止； PLC开始输出高速脉冲，驱动机械手逆时针转动，当转过90度到位后，PLC停止输出脉冲，机械手停止转动； 接着下降电磁阀通电，机械手下降，下降到位后，碰到下限行程开关，下降电磁阀断电，下降停止，机械手到达卡盘中心高度； 机械手开始水平定位后缩，将工件装入机床卡盘； 当工件装入到位后，卡盘收紧； 机械手松开手爪，准备离开； 接着上升电磁阀通电，机械手开始上升，上升到位后，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止； PLC启动高速脉冲驱动机械手作顺时针转动，当转过90度到位后，PLC停止输出脉冲，机械手停止转动，机械手回到原点待命； 机床进行加工。
当数控机床加工完一个工件时，发送下料命令给机械手，机械手接到命令后，PLC马上输出脉冲驱动机械手逆时针转动，当转过90度到位后，PLC停止输出脉冲，机械手停止转动； 下降电磁阀通电，同时手爪柱塞缸电磁阀也通电，机械手下降且张开手爪，下降到位后碰到下限行程开关，下降电磁阀断电，下降停止且手爪夹紧，夹紧已加工好的工件；机床卡盘松开； 机械手开始前伸，将工件从机床上取出，准备运走； 上升电磁阀通电，机械手开始上升，上升到位后，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止； PLC输出高速脉冲，驱动机械手顺时针转动，当转过90度到位后，PLC停止输出脉冲，机械手停止转动； 下降电磁阀通电，机械手下降，下降到位后碰到下限行程开关，下降电磁阀断电，下降停止； 接着手爪柱塞缸电磁阀通电，手爪张开，放下工件准备离开； 接着上升电磁阀通电，机械手开始上升，上升到位后，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止同时手爪也闭合复原； 接着机械手水平手臂开始后缩，准备回原点，当后缩到位时，后缩停止，机械手回到原点，一个上下料过程结束； 机械手在原点等待命令，准备下一个工作循环。
机械手的每次循环都从原点位置开始动作。
4.1.4控制器的选型
机械手控制系统的硬件设计上考虑到机械手工作的稳定性、可靠性以及各种控制元件连接的灵活性和方便性，控制器应选择有极高可靠性、专门面向恶劣的工业环境设计开发的工业控制器---PLC，故选择在国内应用较多的西门子S7-200型PLC。具体型号为SIMATIC S7-200 CPU224。如图4－3所示：
该PLC集成14，输入/10，输出共24个数字量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点，具有16K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz 高速计数器，2路独立的20KHz高速脉冲输出，具有PID控制器。1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。
4.1.5控制系统原理分析
由于机械手作业时，取、放工件和装、卸工件都有较高的定位精度要求，所以在机械手控制中，除了要对垂直手臂、执行手爪液压缸和腰部步进驱动进行开环控制外，还要对水平手臂进行闭环伺服控制。
为了减少PLC的I/O点数，以伺服放大器作为闭环的比较点。伺服放大器具有传感器反馈输入端，给定的输入信号和反馈信号进行比较后形成的控制信号经过PID调节和功率放大后，驱动电液伺服阀对液压缸进行伺服定位。PLC将上位机输入的给定信号转换为电压信号，输出至伺服放大器，由伺服放大器作为闭环比较点，组成模拟控制系统，如图4-4所示：
这种方案使得PLC控制量少（尤其是模拟量），节省了系统资源，而且编程简单，不必过多考虑控制算法等优点，也是完全能满足工作要求的。
4.1.6 PLC外部接线设计
为实现水平手臂液压缸伺服定位的控制要求，利用西门子SIMATIC S7-200 （CPU224）PLC，考虑到位移传感器和伺服放大器工作采用的都为模拟量，因此增加一个模拟量输出模块EM232。鉴于伺服放大器和位移传感器对输入的要求，PLC的模拟量采用-10V~ +10V输入输出，各输入输出点及其接线如图4-5所示。
PLC的具体硬件接线图如下图所示（详细的硬件设计见图纸）
4.1.7 I/O地址分配
详细参见表4-1、4-2：
4.2软件设计
4.2.1控制主程序流程图
机械手控制主程序流程图如图4-6所示：
结 论
本设计通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年所学知识进行整合，完成一个特定功能、满足特殊要求的数控机床上下料机械手的设计，比较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平、实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，实现了理论和实践的有机结合。
机械手采用可编程序控制器控制，可以实行手动调整、手动及自动控制。系统结构紧凑、工作可靠，设计周期短且造价较低。PLC有较高的灵活性，当机械手工艺流程改变时，只要对I/O点的接线稍作修改，或对I/O重新分配，在控制程序中作简单修改，补充扩展即可。经过重新编制相应的控制程序，就能够比较容易的推广到其他类似的加工情况。
综上，经过资料的收集、方案的选择比较和论证，到分析计算，再到工程图纸的绘制以及毕业设计论文的撰写等各个环节，我对大学四本科阶段的知识有了一个整体的深层次的理解，同时对工程的理解更加深刻和准确。因此，通过毕业设计实现了预期目标。
致 谢
经过一段时间的努力，本次毕业设计终于完成。在这段时间里，我运用大学所学知识，通过对本设计的论证、计算以及图纸的绘制，对大学所学知识进行了一次系统的整合，使自己的理论和实际动手能力有了很大提高。
此次毕业设计能够顺利完成，我得到了很多老师和同学的帮助和支持，在此向他们表示感谢。在此毕业设计过程中，尤其要感谢我的指导老师，他给我很多专业方面的帮助，让我少走很多弯路。还有在大学里所有的任课老师和图书馆的管理老师，也谢谢你们，是你们给我知识，谢谢！
此外，由于个人知识能力水平有限，论文中难免有纰漏错误指出，恳请各位老师批评指正，谢谢！
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【关键词】工学结合；技工院校；机电专业
技工院校的机电专业设计是对学生学习效果展开考核的重要方式，也是培养学生实践能力以及工作能力的教学方法。随着机械制造业的发展，社会对服务第一线的具有熟练技能的高素质技术应用型人才提出更多的要求。因此，技工院校培养理论知识扎实、操作技能高超、具有一定设计能力的高级技工学生迫在眉睫。而毕业设计是提高学生根据企业生产的需求综合应用所学知识和技能达到产品的合理化设计和工装要求的最好方式。
一、机电专业设计的重要意义
毕业设计是许多技工院校专业中教学内容的重要环节，也是一项综合性、实践性很强的活动任务。尤其是在机电专业，通过对自身工学专业知识的实践应用展开设计是对高级技工学生在教学过程中联系理论知识、检验教学成果的主要内容，也是锻炼学生通过所学内容进行独立完成工作的重要考验。通过毕业设计，学生能自主查阅资料文献，正确运用工具书和机械设计手册，提高对工程的设计能力和计算能力，树立正确的设计思想。机电专业毕业设计是学生从学校步入自身工作岗位的重要过渡阶段，对学生在社会中生存发展起到承上启下的关键作用，因此其质量好坏是影响学生获得毕业资格的重要参考依据，也是对学生进行实践检验，了解学校教学质量的重要方式。
二、机电专业设计的选题
（一）选题原则
选题是毕业设计的首要环节，也是关系到整个毕业设计质量的重要步骤。毕业设计作为学生在校学习课程体系的最后环节，在工学结合人才培养模式下，无论是教学目标、授课特点，还是教学模式，必须着眼于企业生产实际，紧密贴合学生的就业岗位，绝不能关起门来搞设计。所以，毕业设计课题选择时应当树立“以就业为导向”的教学理念，切实为学生就业和可持续发展服务[1]。
（二）选题策略
目前大部分技工院校在选定毕业设计课题时，是由指导教师模拟设计课题，此类课题属于“纸上谈兵”，缺乏设计的针对性和实际意义。基于工学结合，机电专业高技毕业设计的选题可以从以下三个方面选择：一是结合岗位需求，比如数控技术专业，可以选择轴类零件的加工及夹具设计为毕业设计课题。这类课题贴合就业岗位，对接岗位技能需求和职业能力，技术性强。二是结合企业生产需要，参与企业研发或生产的项目，为企业解决技术难题。这类课题来自企业一线生产实际，实战性强，通过实践研究综合培养学生各方面的能力，增加实际工作经验，提升就业竞争力。三是学生自由选择。比如笔者所在学校，13级机电班某学生小组毕业设计课题为《生产线上的机械手以及打物料的设计》，该课题是由参加机器人兴趣小组的几位学生根据共同的专业兴趣爱好选择的，设计积极性非常高。在设计过程中由于学生设计理念一致，分工明确，参与度高，取得良好的效果，该设计被评为校优秀毕业设计作品。这类课题由学生根据兴趣爱好和专业特长自由选择，能激发学生参与设计的主动性和求知欲，增强团队合作意识，加强与老师、企业技术人员的联系，提高社会交往能力和自主择业能力，为其就业创造良好的能力支持。
三、机电专业毕业设计的流程
在机电专业高级技工班毕业设计中通常可以分成三个主要的阶段，分别是前期的准备阶段、研究设计阶段、总结答辩阶段。具体流程如下：
（一）前期准备
首先是进行机电专业毕业设计的选题工作。在这一点上前文已有叙述。其次在选题确定之后，就可以完成毕业设计的任务书，在这一环节中指导教师需要准确把握设计课题难易度，合理确定设计课题的工作量。设计课题过难则难以保证完成性，过易则达不到人才培养要求，因此在选择设计课题时需要考虑设计环境和学生学情。考虑设计环境，即考虑学校的设备设施和企业一线技术支持等是否能满足课题需要；学生学情即为学生目前掌握的课程理论知识、技能操作水平是否能支撑毕业设计。并且课题本身的难易度也很关键，既要适合学生的学情能让学生在规定时间内完成，又要有一定的深度和广度，能让学生经过一番研究和努力保质保量完成。同时，在学生毕业设计时还需要完成一定的工作量，比如绘制装配图和零件图的数量，编制工艺卡的工序数量，撰写设计说明书的页数。指导教师在课题选择时需要综合考虑如上几个方面，由此保证毕业设计顺利的开展和完成。
（二）研究设计
基于工学结合人才培养模式，在毕业设计过程中需要注意两个方面：一是指导教师需要加大企业调研的力度。在毕业设计前期，指导教师应该组织学生分批进入当地知名企业参观、调研，了解最新技术、生产加工方式和用人单位对毕业生的显性和隐形的要求，从而增加学生对就业岗位的了解，打开学生的设计思路，拓宽学生的设计视野。二是注重毕业设计成果实物化。充分利用学校现有的设施设备和技术资料，鼓励学生从设计到制造全过程的毕业设计，即学生个人或小组合作加工出产品或设计出实物成果。以数控加工专业为例，毕业设计应包括零件工艺设计、自动编程、加工制造、零件检测四个阶段的内容，通过加工零件，使得学生对机床操作技能、零件工艺分析、产品检测检验技能等职业能力得到综合的应用。
（三）毕业答辩
在设计完成之后需要准备相关的答辩过程，在答辩结束后需要对设计材料进行妥善管理，将毕业设计整理上交给指导教师，由教研室保存。
四、结合工学基础的机电专业毕业设计改进方式
（一）以就业为导向，突出设计的实用性
在技工院校的教育目标中，需要培养学生的专业基础素质，将学生培养成为合格的高级技术工人，其中包括了：职业技能、专业知识水平、职业综合能力等。需要学生在教学的过程中培养出专业领域的创新能力以及职业技术的实践应用能力。而根据这一教育标准，在毕业设计选题上应当体现出技工院校的教学特色，选择的内容应当面向实际经济生活，面向生产第一线，直接为生产建设和经济发展服务，符合当前机电技术领域中先进的科学技术发展方向，这就需要在毕业设计中充分发挥出教师的指导功能，课题必须来源于企业生产实际，贴近职业岗位需求，满足专业相关岗位或岗位群核心技术能力和综合专业素质要求，从而缩短学生就业适应期，提高学生的职业能力，促进学生后续的专业发展[2]。例如，笔者所在学校在确定13级机电一体化专业高技工班学生毕业设计课题时，通过调查杭州登鸿、伟刚实业、胜达集团等企业实际需求，确定了楼梯扶手自动打磨机设计、瓦楞纸的加强筋黏贴流水线设计、V型纸板传递装置设计、瓦楞纸贴标机开发与设计及等课题，以项目为载体，围绕对接企业生产实际需求，完成技术改造和设备的研发。
（二）结合高技学生特点，发挥创新能力
培养创新能力是机电专业毕业设计中最为重要的指导思想，尤其是针对技工院校的高级技工学生，由于其工作性质属于动手操作性极强，因此想要创新思维能够被发挥，重点是对设计内容不能过于限制，可以根据学生以往的知识以及相关设计思维进行综合性的分析，找到最适合自己的毕业设计方案，让学生能够在广阔的空间里发挥自己的创造力。例如在数控技术的设计中，可以根据学生的兴趣选择不同的设计工艺方法、不同的加工模式、编写不同的控制程序等，这就使得在设计方案中可以存在很大的自主性。在整个设计环节中教师主要负责主体方向的把握，给学生正确的引导。同时在设计开始之前，教师可以只提供基本的数据资料，剩余的资料可以有学生自行查找，同时根据查找到的相关材料设计出不同的方案。
（三）理论结合实践，培养职业素养
在机电专业毕业设计中，学生需要设计零部件，然后进行装配，最终完成一个合格的设计产品。许多机电设备对于机械的各个零件都有很严格的要求，因此在设计过程中需要学生与企业一线技术人员进行交流、探讨零件的加工工艺，从而纠正在设计中出现的错误，实现了学生在理论设计与实践工作上的有机结合，也使得学生能够明白在许多看似简单的零件设计中其实隐藏着很多知识。例如在机械手的设计中，会有很多不同丝杠的设计，这些丝杠在尺寸上都严格的规定，因此在设计中提高了零件的加工难度，需要在设计的过程中进行反复的测量与更改，通过这一过程使得学生能够清楚只有将自身所学的知识与实际的工作相结合才能使自己获得真正的经验。
（四）提升指导教师的专业能力
在毕业设计当中，指导教师的作用至关重要，因此想要提高机电专业毕业设计的质量，还需要不断加强对指导教师的专业培养。由于技工院校教师所从事的多是专业理论教学和基本实操训练，其知识结构往往跟不上当今先进技术的发展。这就要求专业教师不仅要有扎实的专业知识，更要具备丰富的实践经验，这在强调技能为主的技工院校教育中尤为重要[3]。通过专业技能培训、下企业实践等方式，增加教师对岗位职业能力需求、企业工作流程、生产加工过程、生产设备使用等相应的专业理论知识、专业技能及职业素养等多方面的了解，提高专业技能，丰富专业知识，拓展专业外延。使得教师能够拥有较强的教学能力以及丰富的机电产品设计经验，保障机电专业毕业设计能够顺利完成。总而言之，毕业设计是技工院校对学生进行一次兼备学习、创新、研发、实践的综合性活动。尤其是基于工学基础上的机电专业高技班的毕业设计，选题应以就业为导向，强化指导教师的专业能力，提高学生的研究设计能力和创新能力，培养学生的综合职业能力，增强学生的就业竞争力，从而为本地机械行业培养出优秀的高技能人才。
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科学研究作为发展科学技术重要的支撑点，在科技进步中发挥着举足轻重的作用。在刚召开的党的十中提出：科技创新是提高社会生产力和综合国力的战略支撑，必须摆在国家发展全局的核心位置。深化科技体制改革，加快建设国家创新体系，着力构建以企业为主体、市场为导向、产学研相结合的技术创新体系。
在我国的经济体制由计划经济向市场经济转变的今天，高等教育的教学管理模式也发生着变化，高等教育现在在全面贯彻党的教育方针的同时，已经由原来的学校完全承包，向以就业为导向的方向发展，已经逐渐走向一条产学研结合发展的道路。随着科学技术的不断发展，社会对人才的需求更具合理性和前瞻性，特别是知识的应用能力、应变能力和创新能力等综合实力，提出更高的要求。这样高等教育的培养目标就由原来单纯以学习课本为重，转向要求学生既有一定专业理论基础，又有胜任现代化生产工作的能力。因此，实践教学在学生培养过程中就显得十分重要。
毫无疑问，实践教学是大学生创新的有效途经。可以把教师的科研项目列入实践教学活动中，启发学生的科研创新意识。如让学生参与教师的科研项目，使学生了解科研的过程、方式方法、数据处理方法、论文写作方法等。[1]本文将探讨如何使科研激活实践教学，促进产学研相结合，开拓学生创新思维。
一、构建科学的实践教学体系
实践教学体系是培养学生实践能力、创新意识与创新能力的整体教学组织与训练过程，也是考查学生掌握基本理论、基本技能的主要途径，是实现专业培养目标十分重要的教育教学环节。[2]高等教育的实践教学体系包含多种类型的课程设置。例如实验教学、课程设计、金工实训、生产实习、毕业实习和毕业设计等，都属于实践教学的范畴。表1为高校实践课程教学体系。
1.实验教学
实验教学是从最基础的理论知识入门，通过仪器设备的使用操作，对数据或图像进行分析，验证理论知识的来源与正确性，随着学习的不断深入，再逐步开设综合性的实验。如机械原理零件实验、刀具实验、金相热处理实验等基础实验，随着学习的不断深入，再进一步完成机、电、气综合与创新性实验等。从而帮助学生更好地理解和掌握理论基本知识，对仪器设备操作基本技能，培养创新思维能力。实验教学是实践教学的基础。
2.课程设计
课程设计是学完某一门专业基础课或专业课后进行的一项专门化实践性训练，主要目的在于培养学生利用本门课程的知识及已学的知识，综合应用完成某一课题的设计。如工艺夹具设计、刀具设计、机床设计、零件设计和电路设计等。初步培养学生设计思维的方法及应用知识的能力。
3.金工实习
金工实习是工科院校必开的一门实践课程，他属于基础金工实习。学生在学完金属工艺学与机械制图课程后进行，也可在金工实习过程中完成该门课程的教学。通过实习，了解金属加工过程的方法和设备，掌握冷加工和热加工操作的基本技能。在实习中，可将后续相关的知识，适时适量介绍，对专业知识初步了解。同时，还可以到各种类型的企业参观考察，观察社会了解市场，扩大视野端正专业思想。
4.生产实习
生产实习是一门综合性的实践教学课程，是在专业课程大都已学完的基础上进行的。走出学校的课堂深入到企业生产的现场。针对某一机械产品考察制造全过程，运用所学的知识，进行分析对比，研究总结，如到内燃机制造企业进行实践，把在课堂学到的理性认识融会到感性认识中。
5.毕业设计与毕业实习
毕业设计与毕业实习，应强化学生实践能力的培养，是实践教学的核心。这是进入社会前的一次大练兵，也是教育质量的大检验。持续一学年的毕业设计选题至关重要，应是融技术性与实用性为一体，融创新意识与创新实践为一体。具体做法：一是与科研课题相结合，如大客车整车强度测试；二是充分利用现有实验设备，如利用FISTO气动实验装置，设计机电自动控制回路；三是对实验设备进行技术改造，如对机械原理机构示教板改进自动控制装置；四是结合生产实际进行科研开发，如汽车发电机壳体压铸模具设计等。学生在指导教师的带领下，结合生产实际或科研课题，充分调动人的主观能动性，运用设计新理念和方法，进行创新设计取得良好效果。[3]
表1 高校实践课程教学体系
二、把“产学研”和实践教学结合起来，开拓学生创新思维
产学研合作教育对于高校提升科研水平、企业技术进步、增强地区和国家核心竞争力都具有重要作用和意义，是贯彻落实科学发展观、转变经济发展方式的重大战略举措。[4]高校人才联合培养是产学研合作的形式之一，其主要方式包括：大学、科研机构与企业通过设置人才培养专项基金、大学教授和研究人员担任企业顾问、大学生在企业实习、企业人员在大学或科研机构进行培训等多种方式在人力资本层面进行交流与互动。[5]
大学生的创新活动是在学习实践过程中的创新，同时也是在掌握了基础知识、相关专业领域研究成果后的创新，这使得他们的创新不仅要有个人价值，而且要在专业领域中具有一定的社会价值。创新活动的价值衡量具有双重标准，对于应用型工科大学生，应以社会标准为主，偏重于创新活动的结果，偏重于创新的产品。因为创新能力培养的关键在于创新主体要有强烈的自我意识和积极的实践探索。在没有投入创造性社会实践之前，人的“才能”只是一种“潜能”，只有通过创造性实践这一“中介”，方可得到进一步的提高，只有在不断的摸索中才能培养创新能力。在台湾本科教学中，每一门课程的教学中，实践教学就占有大半时数，每一单元时间内的教学，都包含有理论教学和实践教学，在动脑和动手过程中，提升大学生创新思维。
1.“产学研”项目和实验环节相结合
实验教学在人才培养方面具有课堂理论教学不可替代的作用，实验室作为高校人才培养的重要阵地在培养高素质创新人才中应发挥其重要的作用。因此，我们将科研方法引入实验教学中，将学科建设取得的科研成果和开发的新技术、新方法不断引入实验教学中，保持实验教学方法与手段的不断更新。并通过设置探索性实验项目来模拟科研全过程，实现实验教学与科学研究新技术、新方法训练的有机结合。
工科类专业在探索性实验课程中，只给出若干思路，实验前，学生不一定知道实验结果，由学生根据实验条件和研究目标，自行查阅相关资料，设计实验方案、实验内容和步骤、实验数据参数，独立进行实验操作，书写实验报告，并对出现的可能结果给予一定的解释。尽管学生在实验的最后结果中不一定达到要求，但是通过综合训练，使学生对科研的基本方法和程序有一个清楚的认识和体验，有效调动了学生的主动性，既提高了学生的动手能力，又使学生养成了自主式、合作式、研究式、开放式的学习方式。如开放性实验，完全由学生自己设计实验方案，自主管理实验过程，自主完成实验，从而使实验教学成为科研与教学的最佳结合点。例如工业自动化应用课程利用实验室电气动实验开发平台，结合实验题目要求，自己设计、搭线、编程、调试等软硬结合过程。
2.“产学研”项目和实习实训相结合
实习实训是一门融理论与实践综合性很强的课程，在整个学生的培养过程中起到了一定的作用。我们要重视对学生动手能力、工程实践能力的培养，增强学生将所学基础知识综合运用于工程实际的能力、独立工作的能力、分析问题的能力及创造能力。
例如现代机械制造加工中心需要机械手完成不同的任务，这个就可以为学生的实习实训提供选题，学生自己对课题进行分析、设计，自己动手编程、调试、安装、并最后调试完成一个机械手加工系统，对设计过程中涉及到相关课堂教学内容，必须加以理解和消化，最终提交的是机械手能完成的任务和设计报告。这样学生不但能够将课堂上学到的理论知识与实际应用结合起来，而且能够对机械传动、电子电路、电子元器件等方面的知识综合应用，同时在单片机编程、排错调试、机构运动、相关仪器设备的使用技能等方面得到较全面的锻炼和提高。为了促进“产学研”项目和实习实训相结合，我们先后和多家企业建立了长期、稳定的校企合作。
3.“产学研”项目和毕业设计相结合
毕业设计与毕业实习，是时间最长最具综合性与创新性的实践，是实践教学的核心。工科专业学生的毕业实习与毕业设计时间长达近半年，是学生走向工作岗位的最后一个重要的教学环节，如果淡化工程意识，假题假做，由书本到图样可能对发挥学生的创造力极为不利。为了促进“产学研”项目和毕业设计相结合，我们具体采取了以下方法：
（1）利用生产中的真实题目或参与指导教师的实际课题研究，提前布置毕业设计题目。以毕业论文课题研究等形式参与科研活动，在科研实践培养创新精神以及分析和解决问题的能力方面，实现了以科研促进教学的理想效果。[6]
（2）利用工厂待解决的技术问题，让学生走出去，到工厂做毕业设计。由于受教师手头的真实题目的限制，不可能所有的同学都在学校做真题目，我们通过与科研机构和生产单位的结合，即产学研结合，让同学们到工厂去，到科研机构去，根据具体情况安排毕业设计题目。这样做，不仅发展了生产也培养了技术人才，发挥了学生的创造能力。
三、以“工程测试”为例，探索“产学研”提升大学生实践创新能力
利用科研项目将实验、实习实训、毕业设计等串联起来，把各个实践环节紧密联系在一起又起着承上启下的作用。激活大学生参加实践的积极性，加强培养综合运用能力。
测试技术是获取信息、分析和处理测量数据的关键技术与手段，是从事科学研究、产品质量检验与自动控制不可缺少的工具。[7]本人在学校主要承担《机械工程测试技术》实验教学，并在这几年负责工程测试的一些科研项目，例如：2008年在厦门金龙联合汽车工业有限公司、2011年在东风杭州汽车有限公司作全承载整车强度测试。在这些科研项目完成的过程中，都与实践教学结合起来，开拓学生的创新思维，实现了科研成果与实践教学双丰收。
1.开设开放性实验，吸引学生加入到科研项目
由于《机械工程测试技术》实验项目与工程实际相结合，要求课时较长，另外实验相对正常，完成水平要高。我们选择以开放性实验对学生开放。把《机械工程测试技术》一系列实验连续起来，要求学生按照工程上测试的要求，把应变片粘贴好，并且对自己粘贴好的应变片作静态应变测量和动态应变测量。图1为学生在粘贴应变片，图2为粘贴好的应变片。这样，学生完成这些实验后，就可以加入到全承载整车强度测试中。
2.学生到现场测试，丰富学生的实训实习
充分发挥工程测试科研项目的优势，鼓励学生积极参与科研项目中的一些工作。无论是2008年在厦门金龙联合汽车工业有限公司，还是2011年在东风杭州汽车有限公司作全承载整车强度测试，都有不少学生加入到测试。图3是正在作整车测试的客车，图4为学生在现场测试。由于科研课题多与工程应用紧密结合，解决生产实际问题，任务本身具有挑战性，学生在参与科研的过程中，可切身体会到理论与实践结合的价值，激发起他们内在学习动机，应用所学知识解决实际问题。[8]
3.测试项目为学生毕业设计课题提供来源
多年来，我们都高度重视学生毕业设计等实践性教学环节，强化学生实践能力的培养，形成了良好的传统和特色。大学生所完成的这些工程测试项目，可以直接为他们的毕业设计提供选题来源。通过强化过程管理，保证了毕业设计（论文）的教学质量。这对培养大学生创新精神和实践能力方面有示范作用。图5为大学生以某大客车测试为毕业设计题目所采集处理的数据。
四、“产学研”融合实践教学取得的成果
（1）提高学生的动手能力。通过加强实验教学，开展有效的工程实验环节，将有助于学生有效地掌握所学知识，缩短从理论知识到实际应用的时间。实验教学能很好地培养学生的专业兴趣，有利于增强其创新意识，提高实际应用能力，培养学生成为满足社会需求的创新人才。
一、项目教学法简介
项目教学法是师生通过完成一个完整的项目工作而进行的一种教学活动，即以职业能力系统化为目标组织教学，提倡边学边做，边做边学，教和学是一种双向式教学过程，学生不再是被动接受者，而是主动探求者。该教学法强调知识的实践性，注重通过实践来建构知识，其教学模式尤其适合实习教学。学生可在完成具体实习任务的过程中，学习和掌握理论知识、操作技能，又能养成良好的工作态度，从而具备相应的职业能力。
这种教学法可以培养学生在项目实践的过程中，理解和把握课程要求的知识和技能，体验创新的乐趣，培养学生分析问题和解决问题的综合能力。
二、技工学校生产实习教学中应用项目教学法的意义
在技工学校实习教学中，各专业生产实习教学肩负着培养具有操作技能的高级技能型人才的使命。随着当今科学技术的迅速发展，多数企业需要的是动手能力强、能尽快为企业创造高利润的高级技术工人。然而，传统的生产实习教学模式以手工操作为主，训练单调枯燥，课题缺乏新意，未能激发起学生学习的兴趣，而且不能满足社会和企业的需求。因此，必须改进技工学校的教学方法，而项目教学法就是其中一种较为有效的方法。
实施项目教学法的关键是项目的确定，其应符合技工学校教学任务、本专业内容、教学规律，并要结合新技术、新工艺、新方法及市场的发展需求。教师应将某一教学课题的理论知识和实际技能相结合，与企业实际生产过程相结合，在实际教学中，将项目需要解决的问题及任务交给学生，由学生自己按照实际工作的完整程序完成全部过程。教学流程可以设计为：
信息收集、项目决策项目立项、具体要求项目实施具体过程、成果展示效果评估（学生自评、小组互评、教师评价）。
项目教学法完全符合技工学校生产实习教学的规律，在技工学校的各专业实习教学中，应用这种方法可以让学生体验创新的乐趣，学生们在掌握知识和技能的同时，综合能力得到进一步的提高。如该教学法应用在顶岗实习教学中，可以引导学生立足实习岗位进行工作创新和项目学习，激发学生实习的积极性和工作主动性，培养他们的职业能力。
三、项目教学法在技校机电一体化实习教学中的具体应用
以课题项目“智能程控电动机械手的设计制作”为例实施项目教学法。
1.教学对象分析
所教学生已有一定的中、高级钳工知识和技能，初步懂得钳工装配常识的技校毕业班学生。上节课题已完成机械手的结构分析，本次课要完成夹持机构零件的制作。现尝试在教学中应用项目教学法。
2.项目内容分析
“机械手的设计制作”是高级钳工班的毕业课题之一，采用项目教学法调动起全体学生的动手积极性。该项目要充分考虑通过学习机械手的工作原理，掌握搬运机械手的运动机理，在此基础上，才能确定智能程控电动机械手的基本系统结构，学生要自行设计机械手机械、电控部分（包括传动部分、执行部分、驱动部分），具有一定的难度，学生自由发挥的空间比较大。
如图1所示，机械手采用24 V直流电机带动螺柱旋转，通过移动螺柱套和夹支架的运动实现手抓的张合。直流电机通过联轴器带动螺柱左右旋转，在螺柱的旋转力作用下使移动螺母上升和下降，通过支架带动夹持面进行夹紧和放松。
本次课要完成夹持机构零件的制作：螺柱套、加工夹紧面板和夹持架（如图2所示）。
3.教学目的分析
通过该项目教学，促使学生对所学知识真正做到活学活用。对项目的设计过程，可以培养学生分析问题、解决问题的能力，对提高他们的综合能力起到重要的作用。
4.教学实施
（1）项目实施具体要求
①制定零件加工工艺（见表1）。
②参考教师制定的零件加工工艺，学生自己编制其他零件的加工工艺。
③要求对所制定的零件加工工艺采用最优化的加工方案。这一过程，学生在选择加工方案时会更接近实际生产需求。
（2）学生分组，合作探究
①把全班36名学生分成6组，尽量保证各组的实力均衡，选出组长。
②小组分工，讨论编写零件加工工艺，制定出最佳的加工工艺。
③各组进行信息收集、讨论、分析、计算、测量参数。
④选择加工材料和工量刃具。由于之前学生进行过复杂工件的加工，又到过企业参观学习，对钳工工作和机械加工的特点认识较深。所以，各组都能在规定的时间内完成工艺的制定、正确选择工量刃具，确定了实施加工和测量的最佳方案。
（3）教师巡回指导
教师巡回指导并注意安全隐患，示范操作期间注重点拨最佳的加工工艺，强调本课题应遵守的安全文明生产制度。
（4）项目实施，展示成果
①教师审核各小组的零件加工工艺及方案。
②选择合适的材料和工量刃具，经教师审核后，按要求发放材料和工量刃具，开始加工。
③阶段总结、交流：各组对加工的零件进行展示、交流。教师提出合理建议，学生间取长补短，进一步完善项目的设计、加工方案。
（5）效果评估阶段
①学生自评
各组组长对本组的项目加工进行说明，重点从加工工艺安排、加工方法、工量具选择、零件的加工质量、安全文明操作等方面来进行阐述。
②小组互评
根据各组完成情况，各组间分别对彼此加工方案提出意见和建议。在激烈的讨论过程中，可以加深学生对知识的理解和运用能力。
③教师评价
对整个项目实施过程进行综合评价，重点要根据整个项目实施过程中出现的问题、学生们知识运用上的一些不足以及对突发事件的应对和解决能力进行评析，提高学生综合运用知识的能力。评选出在项目实施过程中表现优秀的小组和学生，进行表扬、加分鼓励。
（6）教学总结
①学生学习反馈 。在整个项目完成后，要求每个学生写出实习报告，对自己在项目实施过程中能力的提高点和欠缺点进行总结。学生自检、互检完成后交由教师检查验收。最后，两位教师进行成绩的综合评定。
②师生交流。教师就各组学生的加工情况进行点评，肯定成绩，指出学生加工过程中存在的技术、安全等问题并解答学生的疑问。
③教学回顾。本教学应用项目教学法，教师可以根据学生的实际表现和知识掌握程度进行有针对性的指导，从而真正实现因材施教；通过项目的合理工艺的编写、实施操作，促使学生贯通所学知识，从而提高其专业技能水平；学生按照项目任务的要求划分成若干个小组，使他们由被动学习转为合作探究式学习。
四、项目教学法实施过程中出现的问题及对策
1.实施项目教学法对教师的要求更高
与传统教学方法相比，项目教学法对教师的综合素质提出了更高的要求：教师应具备跨学科的能力，要娴熟地掌握学科的专业知识与技能，还应了解相关学科的知识；要求教师课前熟悉项目内容，要做好事先的调研并准备好项目开展过程中可能涉及的问题，随时回答学生的疑问；要注意与其他教学手段和教学方法的结合运用；做到合理立项并创设最佳的学习情境；等等。这就要求我们教师应加倍努力地学习，与时俱进，以提高自身的综合教学水平。
2.不是每堂实习课都适合采用项目教学法
在生产实习教学中，并不是每次课都适合采用项目教学法，它较适用于各专业实习的综合技能操作，如产品生产、毕业设计等课程，教师应根据教学实际情况恰当地选择应用。
五、结束语
在技工学校生产实习教学中采用项目教学法，可以收到良好的教学效果：激发了学生的学习兴趣，增强了学生的自信，提高了学生的职业素养，真正实现了“教学做合一”。
参考文献
[1] 赵志群.职业教育培训学习新概念[M].北京：科学出版社，2003.
[2] 吴言.项目教学法[J].职业技术教育，2003（7）：16-19.
一、设计题目 用PLC对机械手搬物控制的电气控制设计
二、设计的目的
11）掌握机械手动作流程。
2）掌握电气控制元件的选择与计算方法。
3）掌握PLC选择与应用。
三、设计要求
两条传送带分别由电动机驱动，机械手有液压缸驱动上下左右旋转两个方向运动，液压系统是1000W电机。设计要求
1）机械手由原位下降抓物上升右转下降放物上升左旋原位结束。
2）用常用的电气元件控制。
3）有工作状态指示及照明。
4）有必要的电气保护和联锁。
四、完成的任务
要求说明详细，字迹工整，原理正确，元件选择有理。图纸规范，图形清晰，符号标准，线条均匀。
（1）设计与绘制电气控制原理图，元件安装布置图、接线图。
（2）毕业设计说明书（8000以上）
1）设计题目
2）控制原理说明设计方案论证
3）主要器件选择依据与计算
4）元件明细表
5）设计总结及改进意见
6）主要参考资料
五、 工厂电气控制技术 机械工业出版社 主编 方承远
工厂电气控制设备 机械工业出版社 主编 许廖
机床电气控制技术 机械工业出版社 主编 王炳实
可编程序控制器的应用技术 机械工业出版社 主编 王兆义
可编程序控制器的原理及程序设计 电子工业出版社 主编 崔亚军
前言
由于可编程序控制器具有可靠性高、通用性强、程序设计简单及便于安装调试等优点，它在工业控制的各个领域发挥着越来越重要的作用。社会对可编程序控制器技术人员的需长也越来越迫切。
可编程控制器的机型较多，但其基本结构和工作原理相同，基本指令、控制功能和编程方法类似。本设计书以是用最广泛的德国西门子可编程控制器为核心，主要介绍了可编程控制器的基础知识、基本结构、指令系统、程序设计、控制系统以及可编程序控制器在逻辑控制系统的模拟量控制系统中的应用等知识。本设计书结合了大量的图形，使设计一目了然。并给出了程序调试，最后给出了主要的流程图、梯形图、详细注释及助记符语言等。
本设计书参考了众多可编程序控制器教学用书，结合自己所掌握的知识，并由指导教师田林红老师的指导下完成。在此真诚的衷心的感谢田老师的指导帮助。
由于本人水平有限，错误和不妥之处再所难免，敬请各位老师及各位读者批评指正。
目 录
前言...................................................（）
摘要...................................................（1）
一、电器控制技术的发展状况.............................（3）
二、PLC的基本结构和工作原理...........................（3）
1、PLC的基本结构...................................（ ）
2、PLC的工作原理...................................（ ）
三、可编程控制器的特点及基本功能.......................（）
1、PLC的特点.......................................
2、PLC的基本功能...................................
四、PLC的应用领域和发展趋势...........................（3）
五、PLC应用中应注意的若干问题.........................（4）
六、机械手移动工件的控制系统
1、机械手移动工件控制系统的基本机构................（5）
2、机械手移动工件的控制要求与工作流程..............（6）
3、操作面板布置....................................（6）
4、控制系统构成....................................（6）
七、梯形图设计.........................................（6）
1、梯形图的整体设计................................（6）
2、各部分梯形图的设计..............................（8）
3、机械手的PLC控制梯形图..........................（8）
4、程序语言............................... ........（8）
八、总结... ...........................................（26）
）
附录...............................................
摘 要
在工业生产和其他领域内，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气，增加了工人的劳动强度，甚至于危机生命。机械手就在这样诞生了,机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。机械手的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆、气缸等机械器件组成；电气方面有步进电机、驱动模块、传感器、开关电源、电磁阀、等电子器件组成。该装置涵盖了可编程控制技术，位置控制技术、气动技术、检测技术等，是机电一体化的典型代表仪器之一。本文介绍的机械手是由PLC输出两路脉冲，分别驱动横轴、竖轴步进电机驱动器，控制机械手横轴和竖轴的精确定位，微动开关将位置信传给PLC主机；直流电机拖动手爪和底盘旋转，位置信号由旋转码盘和接近开关反馈给PLC主机；电磁阀控制气开阀的开关来控制机械手手爪的张合，从而实现机械手精确运动的功能。本课题拟开发的物料搬运机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，可代替人工在高温和危险的作业区进行作业，并可根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数。
关键字：
可编程控制器PLC；
机械手；
脉冲；
步进电机驱动器；
步进电机；
直流电机；
传感器；
限位开关；
电磁阀。
一、电气控制技术的发展状况
在现代工业中,为了实现各种生产工艺过程的要求,驱动生产机械的工作机构运动的电器机械装置称为电力动。在电力拖动中，电动机是生产机械的原动力。必须根据生产工艺的要求，通过各种控制电器，自动实现其启动、制动、反转及调速等控制，从而产生了电气自动控制技术。
20世纪20—30年代，人们采用继电器及接触器等元件控制电动机的运行，这种制动系统称为继电器—接触器控制系统。这类系统结构简单、价格低廉、维护方便，因此被广泛应用于各类机床和机械设备中。采用这种系统不但可以方便地实现生产过程自动化，而且还可以实现集中控制。目前，我国的大部分机床和其他机械设备仍旧采用继电器—接触器控制系统。由于该系统是固定接线形式，故在改变生产工艺时需要重新布线，控制的灵活性较差。另外，该系统采用有触点元件控制，动作频率低，触点易损坏，系统的可靠性差。
20世纪40年代，世界上出现了交磁放大机—电动机控制，这是一种闭环反馈系统，它利用输出量与给定量的偏差进行自动控制，其控制精度和快速性都有了提高。20世纪60年代出现了晶体管—晶闸管控制，到了70年展成为集成电路—晶闸管控制。由晶闸管供电的直流调速系统和交流调速系统不仅调速性能大为改善，而且减少了机电设备和占地面积，耗电少、效率高，已完全取代了交磁放大机—电动机系统。
在实际生产中，由于大量存在一些由开关量控制的简单程序控制过程,而实际生产工艺和流程又是经常变化的,因此需要一种能灵活改变程序的次新型控制器.于是,在20世纪60年代出现了一种能够根据生产需要方便的改变控制程序,而又比电子计算机结构简单、价格低廉的自动化装置—顺序控制.它是通过组合逻辑元件插接或编程来实现继电器—接触器控制线路功能的装置,能满足程序经常改变的控制要求,使控制系统具有较大的灵活性和通用性,但它使用的依然是硬件手段,装置体积大,功能也受到一定的限制.随着大规模集成电路和微处理技术的发展和应用,上述控制技术也发生了根本变化,在20世纪70年代出现了以微处理器为核心的、用软件手段来实现各种控制控制功能的新型工业控制器—可编程序控制器(PLC).它不仅充分利用了微处理器的优点来满足各种工业领域的实时控制要求,而且还照顾到了现场电气操作维护人员的技能和习惯,摒弃了微机常用的计算机程序语言的表达形式,独具风格地形成了一套以继电器梯形图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构,使用户程序的编制清晰直观,方便易学,更容易调试和查错.它已经取代了继电器—接触器控制系统,被广泛应用于大规模的生产过程控制中,具有通用性强、程序可变、编程容易、可靠性高、使用维护方便等优点,故目前世界各国已将它作为一种标准化通用设备普遍应用于工业控制中.
电气控制技术是随着科学的不断发展、生产工艺的不断提高儿讯发展的。在控制方法上，它手动控制到自动控制；在控制功能上，它是从简单到复杂；在操纵上，它笨重到轻巧;在控制原理上,它从由单一的有触点接线的继电器—接触器控制系统,到以微处理器为中心的软件控制系统.随着新的控制理论和新型电器及电子元件的出现,电气控制技术还将不断得到发展.
二、 PLC的基本结构和工作原理
1、 PLC的基本结构
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。根据结构形式的不同，PLC的基本结构分为整体式和模块式结构两类。
1）.整体式结构的PLC
整体式结构的PLC由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）单元、电源电路和通信端口等组装在一起组成。
2）.模块式结构的PLC
模块式结构的PLC是将中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）单元、电源电路和通信端口等分别做成相应的模块，应用时将这些模块根据控制要求插在机架上，各模块间通过机架上的总线相互联系。
3）.PLC各组成部分介绍
（1）、中央处理器（CPU）
中央处理器（CPU）是PLC的核心部分，相当于PLC的“大脑”。它通过系统总线与用户存储器、输入/输出、通信端口等单元相连。通过制造厂家预制在系统存储器内部的系统程序完成各项任务。其主要功能是由编程器写入控制程序和数据到存储器、检验用户程序、从存储器上读取和执行程序，还可以进行PLC内部故障的诊断等。
（2）、存储器
根据存储器存储内容的不同，我们把存储器分为系统程序存储器、用户程序存储器和数据存储器。
系统程序存储器：用来存放系统软件的存储器。系统程序相当于计算机操作系统。是PLC厂家根据选用的CPU的指令来编写的，并固化到ROM里，用户不能修改其内容。
用户程序存储器：用来存放用户根据控制要求编制的程序。不同类型的PLC，其存储容量也不一样。
数据存储器：用以存放PLC运行中的各种数据的存储器。因为运行中数据不断变化，所以这种存储器必须可读写。
（3）、输入/输出（I/O）单元
输入/输出（I/O）单元是PLC与此同时外部设备连接的纽带。输入单元接收现场设备向PLC提供的开头量信号，经过处理后，变成CPU能够识别的信号。输出单元将CPU的信号经处理后来控制 外部设备的。
（4）、电源部分 （5）、通信端口
PLC的CPU模块上至少有一个通信端口。通过这个通信端口PLC可以直接和编程器或上位机相连。
（6）编程器
几乎每个PLC厂家都有自己的编程器。用户通过编程器来编写控制程序，并通过编程器接口将自己的控制程序输入到PLC。它还可以在线检测程序的运行情况。在出现故障时，通过编程器可以很方便的找出错误。
（7）特殊功能单元
主要包括模拟量输入/输出单元、远程I/O模块、通信模块、高速计数模块、中断输入模块和PID调解模块等。随着PLC的进一步发展，特殊功能单元的应用也越来越多。
2、PLC的工作原理
PLC的工作原理与继电器构成的控制装置一样，但是工作方式不太一样。继电器控制是并行方式，即如果输出或电，该线圈的触点立即动作。而PLC则不同，它采用循环扫描技术，只是该线圈通电或断电，并且必须当程序扫描到该线圈时，该线圈触点才会动作。也可以说，继电器控制装置是根据输入和逻辑控制结构就可以直接得到输出，而PLC控制则需要输入传送、执行程序、输出3个阶段才能完成控制过程。
PLC采用循环扫描技术可以分为3个阶段：输入阶段（将外部输入信号的状态传送到PLC）、执行程序阶段和输出阶段（将输出信号传送到外部设备）。
1)、输入阶段
在这个阶段中，PLC读取输入信号的状态和数据，并把它们存入相应的输入存储单元。
2)、执行程序阶段
在这个阶段中，PLC按照由上到下的次序逐步执行指令。从相应的输入存储单元读入输入信号的状态和数据，然后根据程序内部继电器、定时器、计数器数据寄存器的状态和数据进行逻辑运算，得到运算结果，并将这些结果存入相应的输出存储单元。这一阶段执行完后，进入输出阶段。在这个程序执行中，输入信号的状态和数据保持不变。
、输出阶段
在这个阶段中，PLC将相应的输出存储单元的运算结果传送到输出模块上，并通过输出模块向外部设备传送输出信号，开始控制外部设备。
三、 PLC的特点及基本功能
1、PLC的特点
1）、编程简单，易于掌握，PLC的设计者充分考虑到现场技术人员的技能和习惯，经常采用的是梯形图方式的编程语言，它与继电器控制原理图相似，具有直观，清晰、修改方便，易掌握等优点，即便未掌握专门计算机的人也能很快熟悉，因而受到了广大现场技术人员的欢迎。
2）、可靠性高，抗干扰能力 PLC是专为工业控制而设计的，由于采了一系列的措施，使之在恶劣的工业环境下仍能保证很高的可靠性，一般平均无故障时间可达到4-5万小时，远远超过以往电器控制系统和计算机控制系统。
3）、通用性能好，PLC品种多，档次高，同一以PLC可适用于不同的控制对象或同一对象的不同控制要求，同一档次，不同机型的功能也能方便地相互转换。
4）、功能强，PLC运用了计算机、电子技术和集成工艺的最新技术，在
硬件和软件两方面不断发展，使菘具备很强的信息处理能力，可进行逻辑、定时，计数和步进等控制，能完成A/D与D/A
5）、开发周期短 PLC在许多方面是以软件编程来取代硬件接线实现控制功能，大大减轻了繁重的安装接线工作，且编程简单，程序设计和高度修改也很方便安全，因此，大大缩短了PLC控制系统的开发周期。
6）、体积小，使用方便，由于PLC采用了半导体集成电路，其体积小，重量轻，结构紧凑，功耗低，是机电技术的理想控制器，PLC编程简单，自诊断能力强，能判断和显示自身故障，使操作人员检查判断故障方便迅速，而且接线少，维修时只需更换插入式模块，维护方便，修改程序和监视运行状态也容易。
2、PLC的基本功能
1）、逻辑控制 PLC具有逻辑运算功能，它设置有“与”、“或”、“非”等逻辑指令，能工巧匠够描述继电器触点的串联、并联、串并联等各种连接。因此它可以代替继电器进行组合逻辑与顺序逻辑控制。
2）、定时控制 PLC具有定时控制功能。它为用户提供了若干个定时器并设置了定时指令。定时值可由用户在编程时设定，并能在运行中被读出与修改，使用灵活，操作方便。
3）、计数控制 PLC还具有计数功能。它为用户提供了若干个计数器并设置了计数指令，计数值可由用户在编程时设定，并可在运行中被读出与修改，使用与操作都很灵活方便。
4）、步进控制 PLC能完成步进控制功能。步进控制是指在完成一道工序以后，再进行下一步工序，也就是顺序控制。PLC为用户提供了若干个移位寄存器，或者直接有步进指令，可用于步进控制，编程与使用很方便。
5）、A/D、D/A转换 有些PLC还具有“模数”转换（A/D）和“数模”（D/A），功能，能完成对模拟量的控制与调节。
6）、数据处理 有的PLC还具有数据处理能力，并具有并行运算指令，如两个数据并行传送、比较和逻辑运算，进行数据检索、比较、数制转换等操作。
7）、通信与联网 有些PLC采用了通信技术，可以进行远程I/O控制，多台PLC之间可以进行同位链接，计算机作为上机可对其命令并返回执行结果，这种采用一台计算机，多台PLC组成的颁式控制网络可完成圈套规模的复杂控制。
8）、监控控制 PLC具有较强的监控功能。在控制系统中，操作人员通过监控命令可以监视有关部分的运行状态，可以调整定时或计数设定值，因而高度、使用和维护都很方便。
四、PLC的应用领域和发展趋势
目前，PLC在国内已得到了广泛的应用。利用PLC最基本的逻辑运算、定时、记数等功能进行逻辑控制，可以取代传统的继电器控制系统，广泛用于机床、印刷机、装配生产线、电镀流水线及电梯的控制等。
较高档次的PLC具有位置控制模块，特别适用于机床控制。大、中型PLC具有多路模拟量输入输出和PID控制，可构成模拟量输入输出的闭环控制系统，用于过程控制。
随着计算机控制技术的发展，国外近几年兴起自动化网络系统，PLC与PLC之间，PLC与上位机之间连成网络，通过光缆传递信息，构成大型的多级分布式控制系统（集散控制系统）。PLC具有可靠性高、使用方便、编程简单、体积小、重量轻等特点。目前，全世界PLC生产厂家约200多家，生产300多个品种。作为控制装置，它在许多工业控制领域都得到了广泛的应用。随着微处理器技术的发展，PLC也得到了迅速的发展，其技术和产品日趋完善。
& nbsp;PLC的主要发展趋势主要表现在以下几个方面。
1、高速度、高I/O容量、功能强大
随着CPU处理速度的提高，PLC程序执行的速度也越来越快；在规模和超大规模集成电路的发展，相应地使I/O的容量也得到增加；智能模块的啬，使PLC能够实现的功能越来越多。
2、强大的PLC联网能力
随着人们对工业自动化的要求越来越高，人们已经不再满足对几个设备、几条生产线的PLC控制，而是要求实现对全工厂的自动化 ，所以提高PLC控制系统的网络功能成为PLC的发展趋势。以后人们不公能通过通信模块进行PLC与PLC、PLC与上位机之间的连接，还能通过拨号或者无线的方式使PLC联网。
3、编程软件多样化
PLC的梯形力语言、助记符语言和功能模块语言虽然使用方便，而且也能很好的实现控制要求，倡在处理一些高级功能（复杂运算、报表生成和打印等功能）时存在明显的不足，所以就要求高级语言（BASIC、C、FORTRAN等）、图形语言、汇编语言兼容。这样不公可以通过梯形图语言、助记符语言和功能 模块语言来编写程序，也可以通过高级语言来编程。
五、 PLC应用中应注意的若干问题
本节主要介绍PLC在应用过程中经常遇到的一些对PLC的某些输入信号的处理问题。
1、PLC输入信号抖动的消除
在实际应用中，有些开关输入信号在接通过程中，由于外界干扰会出现时通时断的“抖动”现象。这种现象在继电器系统中由于继电器的电磁惯性一般不会造成误动作，没什么影响。但在PLC应用系统中，PLC是不断扫描工作，扫描周期一般比继电器动作时间短得多，抖动信号很可能被PLC检测到，造成错误的结果。所以，必须对这些“抖动”进行处理，已保证系统正常工作。
2、两线式传感器输入的处理
如果PLC输入设备采用两线式传感器（如接近开关、光电开关等）时它们的漏电电流较大，可能会出现错误的输入信号。为了避免这种现象，可在输入端并联输入电阻R，
旁路电阻R的阻值由下式确定：
I（Um∕InUn）∕（R+Un∕In）∕≤UL
式子中，I为传感器的漏电流；Un、In分别是PLC的额定输入电压和额定电流；Um是PLC输入电压低电平的上限值。
3、 由晶体管提供输入信号的处理
如果PLC输入信号由晶体管提供，则要求晶体管的截止电阻应大于10千欧姆，导通电阻应小于800欧姆。
六、机械手移动工件的控制系统
1、机械手移动工件的基本机构
机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等，应用非常广泛。应用PLC控制机械手实现各种规定的工序动作，可以简化控制线路，节省成本，提高劳动生产效率。
如图 [1] 所示，是一台工件传送机械手的动作示意图。
其作用是将工件从A位置传送到B位置。其上升、下降和左移、右移动作由双线圈的两位式电磁阀驱动气缸来控制完成，一旦电磁阀线圈通电，就一直保持现有的机械动直到相对的线圈通电为止。另外夹紧、放松的动作由只有一个线圈的两位式电磁阀驱动的气缸控制完成，线圈通电，夹住工件，线圈断电，放松工件（若担心停电时的工件跌落，可选用通电时松开、断电时夹紧的夹具）。
图 [1]
2、机械手移动工件的控制要求与工作流程
机械手的全部动作由气官缸驱动，而气缸又有相应的电磁阀控制。其中，上升/下降和左移/右移分别由双线圈两位电磁阀控制。例如，当下降电磁阀通电时，机械手下降；下降电磁阀断电时，机械手下降停止。只有当上升电磁阀通电时，机械手才上升；当上升电磁阀断电时，机械手上升停止。同样，左移/右移分别由左移电磁阀和右移电磁阀控制。机械手的放松/夹紧由一个单线圈两位置电磁阀（称为夹紧电磁阀）控制。当该线圈通电时，机械手夹紧；当该线圈断电时，机械手放松。
当机械手右移到位并准备下降时，为了确保安全，必须右工作台无工件时才允许机械手下降。也就是说，若上一次搬运到右工作台上的工件尚未搬走时，机械手应自动停止下降，用光电开关进行无工件检测。
机械手的动作过程如图 [2] 所示。
图 [2]
从原点开始，按下起动按钮，下降电磁阀通电，机械手下降。下降到底时，碰到下限位开关，下降电磁阀断电，下降停止；同时接通加紧电磁阀，机械手夹紧。夹紧后，上升电磁阀通电，机械手上升。上升到顶时，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；同时接通右移电磁阀，机械手右移。右移到位时，碰到右限位开关，右移电磁阀断电，右移停止。若此时右工作台上无工件，则光电开关接通，下降电磁阀通电，机械手下降。下降到底时，碰到下限位开关，下降电磁阀断电，下降停止；同时夹紧电磁阀断电，机械手放松。放松后，上升电磁阀通电，机械手上升。上升到顶时，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止，同时接通左移电磁阀，机械手左移。左移到原点时，碰到左限位开关，左移电磁阀断电，左移停止。至此，机械手由原位下降抓物上升右转下降放物上升左旋原位结束。经过八步动作完成了一个周期的动作。
3、操作面板布置
如图 [3] 是可编程控制器控制盘面板布置图
; 图 [3]
机械手的操作方式分为手动操作方式和自动操作方式。
手动操作：就是用按钮操作对机械手的每一步运动单独进行控制。例如，当选择上/下运动时，按下启动按钮，机械手下降；按下停止按钮，机械手上升。当选择左/右运动时，按下启动按钮，机械手右移。当选择夹紧/放松运动时，按下启动按钮，机械手夹紧；按下停止按钮，机械手放松。
自动操作方式又分为步进、单周期和连续操作方式。
步进操作：每按一次启动按钮，机械手完成一步动作后自动停止。
单周期操作：机械手从原点开始，按一下启动按钮，机械手自动完成一个周期的动作后停止（如果在操作过程中按下停止按钮，机械手停在该工序上，再按下启动按钮，则又从该工序继续工作，最后停在原位）。
连续操作：机械手从原点开始，按一下启动按钮，机械手的动作将自动地、连续地不断地周期性循环。在工作中若按一下停止按钮，则机械手将继续完成一个周期的动作后，回到原点自动停止。
4、控制系统构成
（1）控制系统图
机械手移动工件控制系统图如图 [4] 所示
图 [4]
（2）输入/输出端子地址分配
该机械手控制系统所采用的可编程控制器是由德国西门子公司生产的S7－200CPU214。如图 [5] 是可编程控制器输入输出端子地址分配图。
图 [5]
该机械手控制系统共使用了14个输入量，6个输出量。
七、梯形图设计
机械手的控制属于顺序控制，采用步进指令，根据说明机器工作状态转换的图形，进行程序设计。
1.梯形图的整体设计
根据机械手的工作方式情况，在选择“单步操作”时，应执行“单步操作”程序；在选择“自动”方式时，应执行“自动程序”，故梯形图的总体构成应如图 [6] 所示。其中，自动程序要在启动按钮按下时才执行。
图 [6]
2.各部分梯形图的设计
1）通用部分梯形图设计
（1）状态器的初始化：
初始状态器S600在手动方式下被置位、复位。当方式选择开关处于“返回原位”（X501接通）时，按下返回原位按钮（X505）时被置位；在“单步操作”（X500接通）时，S600复位。处于中间工步的状态器用手动动作复位操作，即在方式选择开关位于“单步操作”或“返回原位”时，中间状态器同步复位，故初始化梯形图如图 [7] 所示（如果状态器要在供电时从断电前条件开始继续工作，则不需要M71）。
图 [7]
（2）状态器转换启动：
若机械手工作在自动工作方式下，当初始状态器S600被置位后，按下起动按钮，辅助继电器M575工作，状态器的状态可以一步步向下传递，即可以进行转换。在执行“连续操作”程序时，转换启动继电器M575一直保持到停机按钮按下为止。另一方面，采用M100检查机器是否处于原位。当M575和M100都接通时，从初始状态器开始进行转换，其梯形图如图 [8] 所示。
图 [8]
（3）状态器转换禁止梯形图：
激活特殊辅助继电器M574，并用步进指令控制状态器转换时，状态器的自动转换就被禁止。
在“单周期”工作期间，按下停止按钮时，M574应被激励并自保持，操作停止在现行工步。当按下启动按钮时，从现行工序重新开始工作，M574应复位，即重新允许转换。
图 [9]
在“步进”工作方式时，M574应始终工作，此时，禁止任何状态转换。但每按下一次启动按钮时，M574断开一次，允许状态器转换一步。
在“手动”工作方式（单一操作，返回原位）情况下，禁止进行状态转换。在手动方式解除之后，按下启动按钮，则状态转换禁止解除，M574复位。
PLC在启动时，用初始化脉冲M71使M 574自保持，以此禁止状态转换。直到按下启动按钮。状态器转换禁止体形图如图 [9] 所示。
通过对图 [8]、图 [9] 分析可得出：在执行“单步操作”和“返回原位”程序时，M575一直不能被接通，而M574长期被接通（按下启动按钮时除外）；执行“步进”程序时，每按一次启动按钮，M574断开一次，M575接通一次，状态器转换一次；在执行“单周期操作”程序时，按下启动按钮，M574断开，M575接通，状态器的状态可一步一步向下转换，直至按下停止按钮时，M574自锁，状态器的状态转换被禁止，操作停止现行工序（再次按下启动按钮时从现行工序开始工作）；在执行“连续操作：程序时，M575一直接通到按下停止按钮，此时M574一直不能接通。
2）单步操作梯形图 ：
图 [10]
3）返回原位梯形图 ：
在“返回原位”状态下，“夹紧”与“下降”动作应被停止，上限位未动作时应进行“上升”；上限位动作时，“右行”动作应停止，并左行至左限位位置。返回原位梯形图如图 [11] 所示。
图 [11]
4）“自动”状态流程图 ：
如图 [12] 所示
图 [12]
图 [12] 表示了机械手自动工作时执行各工步的情况。表明了各工步的实现以及各工步的转换条件。在第一次下降工步中，下降电磁阀Y430接通。自下限位置时，X401接通，转化为“夹持”过程。在夹持工步中，夹持电磁阀Y731置位，同时驱动T450。T450接通后，转化为第一次上升。此后执行类似的操作，完成由初始条件到下一个初始条件的一系列操作。在夹持输出Y431置位后，保持夹持，直到夹持输出复位松开。如上所述一步一步按顺序驱动各个负载动作，称为顺序控制或过程步进型控制。这种控制过程用继电器符号程序很难实现程序设计。
用状态器替代自动工作流程图中的各个工步，可得到图 [13] 所示的功能表图。初始状态在图中用双线框表示。
图 [13]
根据图 [13] 的功能表图，可设计出自动操作时的梯形图，
如图 [14]所示。
图 [14]
3.绘制机械手PLC控制梯形图 &n bsp; 图 [15-1]
该机械手在自动工作时，应先将其工作方式选择开关放在“返回原位”，并按下返回原位按钮，对状态器进行置位，然后再将工作方式选择开关放至自动工作方式下。若自动工作状态解除，则应将工作方式选择开关放至“单步操作”位置 。
4、程序语言：
0 LD X501 30 AND X503
1 AND X505 31 OR X502
2 S S600 32 OR X500
3 LD X500 33 OR X501
4 R S600 34 OR M71
5 LD X500 35 OR M574
6 OR X501 36 ANI M101
7 OR &nbs 陈立定、吴玉香、苏开才 编
7.《电器及PLC控制技术》 机械工业出版社 主编 黄净
8.《机床电器与PLC 》 西安电子科技大学出版社 主编 李伟
9.《PLC应用开发技术与工程实践》 人民邮电出版社 求是科技
10.《PLC实验实训指导书》 河南工业职业技术学院 主编 路剑
11.《可编程控制器的原理与应用》 北京希望电子出版社 主编 史增芳
附录：
表1 数字量输入地址定义
地 址 符 号 定 义 备 注
I0.0 启动按钮
I0.1 下限位 下限位开关
I0.2 上限位 上限位开关
I0.3 右限位 右限位开关
I0.4 左限位 左限位开关
I0.5 无工件检测 无工件检测开关
I0.6 停止按钮
I0.7 单操作 单步方式开关
I1.0 步进操作 步进方式开关
I1.1 单周期操作 单周期方式开关 I1.3 左与右
I1.4 上与下
I1.5 夹与松
表2 数字量输出地址定义
地址 符 号 定 义 备 注
Q0.0 下降电磁阀 下降电磁阀线圈
Q0.2 夹紧电磁阀 松开/夹紧线圈
Q0.1 上升电磁阀 上升电磁阀线圈
Q0.3 右行电磁阀 右行电磁阀线圈
