关于PLC控制技术一体化教学方法的探索(一)

第一篇：关于PLC控制技术一体化教学方法的探索(一)

关于ＰＬＣ控制技术一体化教学方法的探索(一)摘要：通过对PLC控制技术一体化教学方法的探索，以学生在学习过程中的具体作品为例，阐述了在职业中学PLC控制技术课程教学中运用理论实习操作一体化教学方法的可行性。关键词：PLC控制技术；一体化教学方法；探索

现行的职业中学课堂教学，大多数专业还是把理论教学和实习操作分开进行，而这种做法对于机电专业来讲，专业教师不好教，学生无心学。为扭转这一被动局面，我在PLC控制技术教学过程中运用了理论与实习操作一体化的教学方法，收到了较好的教学效果。传统职中教学方法 存在的主要问题及原因

其一为“填鸭式”教学。职中学生文化知识基础普遍较差，学习缺乏想象力，要掌握PLC控制技术所遇到的困难是可想而知的。“填鸭式”教学从头讲到尾，照搬书本；即使使用多媒体教学，也只是把原先写在黑板上的内容搬上了屏幕，教学手段虽有变化，但教学内容和效果并没有本质变化。

其二为理论与实习操作分离，不重视专业训练。上理论课时，学生对教师讲授的知识只是死记硬背，学生普遍感到似懂非懂、难学易忘；对于专业实习操作课，学生虽感兴趣，但专业技术理论知识已遗忘甚多，往往只限于模仿性的操作训练，而无法触类旁通，自然也就无法形成系统的操作技能。由于理论和实习操作相脱节，学生对机电专业的学习兴趣得不到激发，学习积极性难以调动，学习专业技术的方法和能力很难得到有效培养。

其三为理论课教学安排时间跨度大，学生对理论的认识是断续、分散的，整体认识不清楚、理解不透彻，学习难度加大。

其四为专业技术理论教学和实习操作教学分段实施，理论教师与实习操作指导教师各负其责，造成了相互脱节，在教学目标、教学内容和教学方法等方面难以形成有机结合。教学过程中往往出现“各自为战”和“相互推诿”的现象，专业教材之间的内在联系得不到协调，教学内容没办法合理统筹。以专业理论为中心的传统教学模式，容易产生偏重理论教学而轻实习操作的不良倾向，教师很难完成机电专业PLC控制技术编程的教学任务，也不能满足学生学习的需要。理论与实习操作一体化教学的具体做法

针对职业中学传统教学模式存在的实际问题，我在机电专业PLC控制技术教学过程中进行了“理论与实习操作一体化”教学探索。具体做法是： 第一，以国家中等职业教育规划教材为蓝本，在机电专业教学大纲的指导下，将机电专业的PLC控制技术教材根据学校具体的实习实训仪器设备情况，划分为电工基础，电力拖动引入，可编程控制器的认识，“启、停、反”的可编程控制的认识训练，PLC控制技术的逻辑编程技术等五个部分，把电工基础知识融入到电力拖动技术中，电力拖动技术为可编程控制服务，遵循这样的教学思路来安排教学内容。让学生多次训练“启、停、反”的直接控制，甚至教师可以有意识让学生接错一条控制线，以引起学生的注意，最后让学生自己来修改，通过修改过程引入PLC控制技术的可编程控制，让学生进行对比，再多次训练“启、停、反”的逻辑控制程序，使学生在操作过程中认识可编程控制的优点，从而实现由直接控制向逻辑控制的过渡。学生的主要学习场所就在实训室，各阶段的教学内容是实训穿插相关理论，讲完相关理论后，学生可以马上根据教师所讲进行“模拟”训练，以达到强化理论的效果。另外，在教学过程中，大量运用实物、教具、多媒体等手段，达到理论与实习操作相结合的一体化教学，从而实现理论指导实践，实践检验理论的目的。

第二，针对职中机电专业学生知识基础较差的特点，在教学过程中，尽量利用实际简单电路进行直观演示，将电机用实物模型展现在学生面前，以激发学生的学习兴趣，缩短认识过程。同时，在教师指导下，学生动手按电力拖动的要求接线，实现对电动机的直接控制，将书本理论与实践相结合，促进理解，加深记忆，学习效率得到明显提高。第三，在理论实习操作一体化教学中，不要求学生掌握繁琐的理论，学生通过电力拖动的实习操作很快就能建立一个清晰、直观的概念，大大提高了教学效率。教师讲授时可从电力拖动知识需要引入课题，明确电动机启动的工作条件，使学生很快理解电动机的正转与反转，还可以用多媒体和实物进行演示，在学生进一步理解控制和被控制之间的关系后，学生在教师指导下立刻进行动手操作，从而加深认识。这样，相对所需课时缩短了，可安排学生进行实习操作练习，进一步加强学生的动手能力培养。

第四，职中机电专业PLC控制技术教学运用理论实习操作一体化教学方法，对教师的教学水平提出了更高、更新的要求。它要求专业教师除了必须具备相关专业系统的理论知识外，还必须具备高级电工维修技能以上的操作水平，才能在授课过程中进行规范、准确的操作演示和指导学生进行实习操作。

第二篇：PLC控制技术

关于PLC控制技术一体化教学方法的探索

摘要：通过对PLC控制技术一体化教学方法的探索，以学生在学习过程中的具体作品为例，阐述了在职业中学PLC控制技术课程教学中运用理论实习操作一体化教学方法的可行性。

关键词：PLC控制技术；一体化教学方法；探索

现行的职业中学课堂教学，大多数专业还是把理论教学和实习操作分开进行，而这种做法对于机电专业来讲，专业教师不好教，学生无心学。为扭转这一被动局面，我在PLC控制技术教学过程中运用了理论与实习操作一体化的教学方法，收到了较好的教学效果。

传统职中教学方法存在的主要问题及原因

其一为“填鸭式”教学。职中学生文化知识基础普遍较差，学习缺乏想象力，要掌握PLC控制技术所遇到的困难是可想而知的。“填鸭式”教学从头讲到尾，照搬书本；即使使用多媒体教学，也只是把原先写在黑板上的内容搬上了屏幕，教学手段虽有变化，但教学内容和效果并没有本质变化。

其二为理论与实习操作分离，不重视专业训练。上理论课时，学生对教师讲授的知识只是死记硬背，学生普遍感到似懂非懂、难学易忘；对于专业实习操作课，学生虽感兴趣，但专业技术理论知识已遗忘甚多，往往只限于模仿性的操作训练，而无法触类旁通，自然也就无法形成系统的操作技能。由于理论和实习操作相脱节，学生对机电专业的学习兴趣得不到激发，学习积极性难以调动，学习专业技术的方法和能力很难得到有效培养。

其三为理论课教学安排时间跨度大，学生对理论的认识是断续、分散的，整体认识不清楚、理解不透彻，学习难度加大。

其四为专业技术理论教学和实习操作教学分段实施，理论教师与实习操作指导教师各负其责，造成了相互脱节，在教学目标、教学内容和教学方法等方面难以形成有机结合。教学过程中往往出现“各自为战”和“相互推诿”的现象，专业教材之间的内在联系得不到协调，教学内容没办法合理统筹。以专业理论为中心的传统教学模式，容易产生偏重理论教学而轻实习操作的不良倾向，教师很难完成机电专业PLC控制技术编程的教学任务，也不能满足学生学习的需要。

理论与实习操作一体化教学的具体做法

针对职业中学传统教学模式存在的实际问题，我在机电专业PLC控制技术教学过程中进行了“理论与实习操作一体化”教学探索。具体做法是：

第一，以国家中等职业教育规划教材为蓝本，在机电专业教学大纲的指导下，将机电专业的PLC控制技术教材根据学校具体的实习实训仪器设备情况，划分为电工基础，电力拖动引入，可编程控制器的认识，“启、停、反”的可编程控制的认识训练，PLC控制技术的逻辑编程技术等五个部分，把电工基础知识融入到电力拖动技术中，电力拖动技术为可编程控制服务，遵循这样的教学思路来安排教学内容。让学生多次训练“启、停、反”的直接控制，甚至教师可以有意识让学生接错一条控制线，以引起学生的注意，最后让学生自己来修改，通过修改过程引入PLC控制技术的可编程控制，让学生进行对比，再多次训练“启、停、反”的逻辑控制程序，使学生在操作过程中认识可编程控制的优点，从而实现由直接控制向逻辑控制的过渡。学生的主要学习场所就在实训室，各阶段的教学内容是实训穿插相关理论，讲完相关理论后，学生可以马上根据教师所讲进行“模拟”训练，以达到强化理论的效果。另外，在教学过程中，大量运用实物、教具、多媒体等手段，达到理论与实习操作相结合的一体化教学，从而实现理论指导实践，实践检验理论的目的。

第二，针对职中机电专业学生知识基础较差的特点，在教学过程中，尽量利用实际简单电路进行直观演示，将电机用实物模型展现在学生面前，以激发学生的学习兴趣，缩短认识过程。同时，在教师指导下，学生动手按电力拖动的要求接线，实现对电动机的直接控制，将书本理论与实践相结合，促进理解，加深记忆，学习效率得到明显提高。

第三，在理论实习操作一体化教学中，不要求学生掌握繁琐的理论，学生通过电力拖动的实习操作很快就能建立一个清晰、直观的概念，大大提高了教学效率。教师讲授时可从电力拖动知识需要引入课题，明确电动机启动的工作条件，使学生很快理解电动机的正转与反转，还可以用多媒体和实物进行演示，在学生进一步理解控制和被控制之间的关系后，学生在教师指导下立刻进行动手操作，从而加深认识。这样，相对所需课时缩短了，可安排学生进行实习操作练习，进一步加强学生的动手能力培养。

第四，职中机电专业PLC控制技术教学运用理论实习操作一体化教学方法，对教师的教学水平提出了更高、更新的要求。它要求专业教师除了必须具备相关专业系统的理论知识外，还必须具备高级电工维修技能以上的操作水平，才能在授课过程中进行规范、准确的操作演示和指导学生进行实习操作。

PLC控制技术教学实行理论实习操作一体化的案例

教学单元为五人抢答器的程序编写（共8学时，每次课2学时）。

（一）教学目标

知识目标：掌握PLC控制技术的基本程序编写方法（先用梯形图，然后用指令表）。能力目标：初步具有能实现可编程控制的逻辑编程能力。

（二）教学流程

提出要解决的问题以一次知识抢答活动为例，请你用PLC可编程控制器编写一个五人抢答器的程序，并调试模拟运行。要求：在主持人宣布开始以后才可以抢答，20秒以后，还没有任何一组抢答，则自动停止本题的抢答；任何一个人抢到以后，其他选手不能再抢（有锁定功能）；一次抢答完成以后，主持人要复位，再准备进行下一次抢答。任务给出以后，教师引导学生。不能理解题意、甚至无法动手操作的学生，可以听教师讲解、指导；能理解题意、有一定思路的学生可以动手完成。这样，每位学生都有事可做，教学气氛活跃了很多。

自主探究学生完成教师给出的任务后交指导教师点评，教师指出学生编写的程序哪些地方需要修改，为什么要修改等等。要求学生从实际出发，思考符合实际工程要求的、逻辑思路清晰的程序。

利用实物演示编程效果把学生所编写的程序通过接口电路引到学生自己焊接的抢答器模拟电路板上，由5位学生进行现场模拟抢答，看看还有哪些没有考虑到，还要做哪些相应的修改。例如，有学生提到：第一个人抢到以后应有声音，要增加扬声器的控制输出端；抢到的组号还应有闪烁等。这样，学生的学习兴趣和积极性被激发出来，相关的理论知识也得到了补充。学生不仅学会了PLC控制技术的逻辑编程，还自然学习了电子技术的相关知识，使理论与操作达到了完美结合。

讨论教师和几位学生组成“专家组”，对每一位学生的作业进行点评，然后学生共同讨论，对每一题评出“编程之星”，学期末可根据“编程之星”的获得次数评定平时成绩。

作业要求学生把抢答器程序编写的逻辑思维“移植”到对交通灯、自动售货机等的控制上，这样更加有效地激发了学生的学习积极性，在自习课、活动课时间，有的学生也自觉到实训室进行编程练习，真正实现了“要我学”到“我要学”的转变。

（三）教学效果

通过理论与实习操作一体化教学模式的具体运用，原来在职中没法完成的功能指令部分的教学也收到了很好的教学效果。当学生看到简单的逻辑编程实现了复杂的功能以后，对功能指令产生了强烈的学习兴趣，对他们继续学习专业课起到了很好的激励作用。

理论实习操作一体化教学的启示和体会

几年来，理论实习操作一体化教学的探索在实践中取得了良好的效果，学生看得见、摸得着，生动而不呆板，既容易理解，又记得牢固。在实践中我有如下几点体会：（1）理论实习操作一体化教学方法可以使技能操作训练与相关专业理论紧密衔接，实现了理论与实践密切结合、理性认识与感性认识同步提高。（2）职中机电专业理论教学和操作训练的有机结合，使学生有较多机会将专业理论知识与实际反复对照理解。由于这种教学方法运用了感知记忆、理解记忆、运动记忆等记忆方法，所以学生容易在大脑中较快地形成总体结构的全方位表象，技能形成较快。（3）理论学习与技能训练反复交叉进行，内容不断更新，学生有新鲜感。理论指导下的技能训练，使学生感觉学到了实在的本领，自信心增强，技能形成进程加快。（4）理论实习操作一体化教学方法增加了师生的直接接触，教师能比较直观地了解学生掌握专业知识和操作能力的程度，有利于切合实际地对学生加以指导，因材施教，满足不同层次学生的需求。

参考文献：

[1]郑凤翼，等.图解PLC控制系统梯形图和语句表[M].北京：人民邮电出版社，2006.[2]田明，等.触摸式可编程终端[M].北京：机械工业出版社，2006.[3]高勤.电器及PLC控制技术[M].北京：高等教育出版社，2002.

第三篇：电气与PLC控制技术

《电气与PLC控制技术》智慧型课程教学改革 自从2008年IBM首次提出“智慧地球”概念，“智慧地球”战略得到了世界各国的普遍认可，而教育对未来城市的发展起着决定性的作用，智慧教育就是在这样的背景下诞生。智慧教育是依托物联网、云计算、大数据、移动通信等新一代信息技术所打造的物联化、感知化、泛在化、智能化和个性化的新型教育形态和教育模式，它是教育信息化的未来发展趋势，是未来教育的主要形态。有别与单纯的网络教育和信息化教育，智慧教育是教育信息化高度发展的教育新形态。在与课程的融合上更优于网络和信息化教育。智慧教育是教育信息化高度发展的教育新形态，是“互联网+教育”的必然。它给传统教育在教育观念、教育角色、教学方法、教学模式带来了新的转变。

世界范围内也因此掀起了新一轮基于信息化的教育创新和改革的浪潮。我国在《国家中长期教育改革和发展纲要（2010-2020）》指出：“信息技术对教育具有革命性影响，必须予以高度重视”，《教育信息化十年发展规划（2011-2020）》也提出“要探索现代信息技术与教育的全面深度融合，以信息化引领教育理念和教育模式的创新，充分发挥教育信息化在教育改革和发展中的支撑与引领作用。”党的十八届三中全会也密切关注教育改革，提出“运用信息技术破解教育改革与发展难题”的总体要求。把教育信息化纳入国家信息化发展整体战略。[1] 以个性化、社会化、开放化、智能化、集成化、碎片化为特征的智慧教育

1）理论意义: 智慧教育是教育发展的新常态，加强对该模式下课堂教学方法、教学内容、教学形式的理论研究，对完善智慧教育理论体系很有必要。

2）实践意义:通过对智慧课程教学过程和教学方法模式进行研究，探索如何在智慧课程教学中使教师课堂教学行为更好地发生，以提高教学效果，从而为智慧课程开发者和教学者提供教育理论支撑，促进智慧课程建设，推动智慧教育进程。

随着互联网+教育的发展已越来越受到教育界广泛的重视。全球范围内的M00C、翻转式课堂、微课、在线课堂等教学形式孕育而生，为教育带来了活力，但也存在以下问题： 1)教学形式过于独立，未能很好的将传统教育与网络教育进行融合。

2)改变传统教材中的知识和多媒体资源的实时对接，学生学习中的主体地位未能体系。

3)且如何将互联网中的技术融合到理工科类课程中探索。

智慧教育是教育发展的新常态，对此进行相关研究很有必要。因此，本研究将以对本校开发的智慧课程为例，对其教师课堂教学行为进行深入研究，以期得出一些课堂行为的特征，从而促进教师在智慧课程开发，更好地实行有效教学。

1、个性化

布鲁姆教育目标分类修订版将认知领域学习者对知识的领悟程度由低到高分为“识记、理解、应用、分析、评价、创造”六个层次，并将这六个层次的目标分类划分为浅表学习与深度学习两个层级，浅表学习指向“识记、理解、应用”，深度学习指向“分析、评价、创造” [5]

祝智庭.智慧教育新发展 : 从翻转课堂到智慧课堂及智慧学习空间 [J].开放教育研究 ,2016,(02):18-26 教学内容按分为为每一个学生提供更好的人性关怀，实现教育优质均衡发展，是智慧教育的核心。采用最为先进的信息技术手段，采集获取学习者的学习需求，根据学习者的学业水平智能地提供全过程学习支持和及时的评价反馈，并根据学习过程进行动态调整；辅助教师在课堂上随时了解学生的学习情况，从而做出精准的学习指导，调整教学环节；在课后，则可以使学习者基于智能化的学习环境开展自学、自测、协作交流等。

第四篇：PLC一体化教学的探索

PLC一体化教学的探索

摘 要：PLC应用技术作为电气自动化、机电一体化的一门核心专业课程，它的理论性和灵活性均较强，对实践环节也有较高的要求，单靠传统的教学方法已达不到预期的教学目标，笔者在教学初期也碰上同样的问题，后来进行教学改革，实行一体化教学，教学效果不错。

关键词： PLC

教学改革

一体化教学

PLC（可编程控制器）综合计算机技术、自动控制技术和通信技术的一种新型自动控制装置，在我国已经广泛应用于自动化控制、机械制造、轻工业等各种行业，成为了很多学校工科类专业一门重要的综合性很强的专业课程。

目前，职业学校学生基础差，用传统的教学方式讲授抽象的专业理论课，学生感觉较难入门，导致学习兴趣不高，容易产生厌学情绪。笔者在实施PLC课程的教学初期，按传统的教学方式开展教学，教学效果一般;通过几年的教学实践，积累了一些教学经验，进行了教学改革，改革了按教材章节顺序进行授课的传统，变为按课题式单元进行教学，采用一体化的教学模式，结果发现教学质量提高了，教学效果变好了。下面就笔者在教学中实施一体化教学模式的一些做法和思考进行探讨。

一、合理地改革教材，设计好每一个实例课题

我们知道，传统的教材一般都强调理论的全面性和系统性，用于教学的PLC教材，没有成熟的技校配套教材，教师如果按照教材的顺序进行教学，学生在所有理论学习完后，才进行基本操作，由于时间上滞后，教学效果很不好。因此，教师实施教学时，则要考虑有利于学习者的认知过程而开展教学，编写相配套的教材是进行一体化教学的根本。

PLC课程的引入，是在学生学习了电力拖动控制线路和机床电路教学的基础上进行的，此时，学生对继电器控制线路有了较扎实的基础，而PLC是由传统的继电器控制系统演变发展而来的，两者具有一脉相承的密切联系。为此，笔者在PLC课程的教学时，从电力拖动控制线路中的点动、单向连续运行、正反转等控制线路引入，用PLC改造上述电力拖动控制线路，由于学生对上述线路的工作原理、安装接线、通电调试都很熟悉，能较快地学会PLC的设计思路和方法，达到事半功倍的效果。

笔者在PLC课程的教学中采用了课题式单元教学，重新编排教学内容，搜集了几十个PLC应用实例，并通过筛选、整合，由浅入深，循序渐进，每个课题以一个应用实例为主题，由应用同类指令的实例课题组合成为一个教学单元，单元内的课题按照其难易程度来安排教学的先后顺序，这些实例课题既能方便学生的学习，又要包含本课程的所有知识点。

二、改革传统教学模式，实施一体化的教学

传统教学模式将专业理论教学和技能训练二者截然分开，一般是先进行理论课教学，然后才进行相应的实操训练。中职学生普遍存在基础相对薄弱、理解能力欠佳的问题，学习理论时，不能及时进行训练，理论和实践严重脱节，学生所学的知识不能及时转化为技能，不能学以致用，自然会降低学生的学习热情。

一体化教学模式能使每一课题都能讲授、示范、训练同步进行，突出了现场示范，增强了直观性，使学生能够用理论指导实践，在实践中消化理论，让他们对知识产生亲切感，对设备产生熟悉感，从而提高了学生的学习兴趣，调动了学生学习的主动性和积极性，增强了学生学习的灵活性和创造性，在教学过程中突出学生动手能力和专业技能的培养，使教学收到事半功倍的良好效果。

三、教学过程中教师应引导得当，实施过程评价体系

1.发挥学生学习的主体作用，教师做好引导工作。

在教学过程中，教师讲解了相关的知识后，引导学生自己完成该程序的编写、上机验证。然后，挑选出几个学生用不同方法设计的控制系统，对他们的设计程序进行展示，并由作者本人来说明程序设计的思路、各段程序的功能及如何实现生产控制要求;再由大家一起评论其优缺点，可进行质疑，或提出改进措施。整个教学过程充分发挥了学生学习的主体作用，让学生从操作中学会思考，教师在这个过程中起到了引导作用，而且在时间上要有保证。

2.实行单元过关制度，检查教学效果。

为使学生能积极参与，任课老师应在教学过程中实行单元过关制度，增强学生学习的适度紧迫感。每个单元结束时进行一次单元综合测验，任课老师通过测验来检查学生对课题的掌握情况，以及时地查漏补缺，也是教学工作必不可少的环节。四、一体化教学改革的成效

1.学生学习兴趣浓，提高了学习效果。

每个课题以实例为重点，理论和实践知识融为一体，将抽象的理论知识变得形象，理性变为感性，便于培养学生想象能力，被动听变为主动做，满足了学生的心理需求，学习兴趣大增，使学生学习的主动性、积极性、创造性得以充分发挥，大大调动了学生的学习热情，提高了课堂的教学效率。

2.学生综合素质得到提升

教师引导学生学会解决具体实例的方法、步骤，不仅可以培养学生的探索精神，还可培养学生的创新能力，使难以理解的理论问题，在不同的实践教学环节中，得到理解和升华，使之形成一种新的职业形态。

五、加强师资队伍建设，培养“双师型” 教师

建设一支既能胜任理论教学又能指导实习操作的“双师型”师资队伍，是落实一体化教学理念的关键。要实施一体化教学，这不仅要求教师丰富的专业知识讲授专业理论课，而且有熟练的操作技能指导生产实习，更要有理论与实践结合的教材分析及过程组合的能力;不仅有既要了解本专业及相关行业的发展趋势，又要具有运用新知识、新技术、新工艺、新方法开展有效教学及教研能力，成为能“文”能“武”的“双师型”教师。

笔者在PLC课程教学中采用一体化的教学模式，实施课题式单元教学，教学效果有明显的提高，希望能达到抛砖引玉的作用，为落实新技术、新工艺的教学共同努力。

参考文献：

[1]高双喜;一体化案例教学在PLC教学改革中的应用[J];现代商贸工业;2008年12期

[2]张振英;论可编程控制器课程一体化教学的策划与实践[J];中国科教创新导刊;2012年34期

[3]谢新涛;中职PLC一体化教学的实践;《机械职业教育》;2012年08期

第五篇：机电一体化毕业论文-PLC机械手控制设计

毕 业 设 计

论文名称：

PLC机械手控制设计

系部： 机车车辆学院

专业： 机电一体化 班级:

313-1 姓名：

全伟

指导教师：刘伟

二O一六年 一月

目录

第一章 PLC机械手控制设计………………………………...…3 1.1 摘要.................…………………………………………….3

1.2 引言 ……………………………………....................………4 第二章

PLC 的概述 …………………………………………4 2.1 PLC的基本知识

…………………………………………..4 2.2 PLC的应用与前景

………………………………………..5

第三章

PLC 的编程语言

…………………………………..7 3.1 梯形图编程语言……………………………………………...7 3.2 功能块图编程语言……………………………………………8 第四章

PLC控制机械手的设计……………………………….9 4.1

机械手在工业生产中的应用………………………………..9 4.2

各电器设备的制方式及控制要求…………………………..10 4.3

电器元件设备的选择 ………………………………………12 4.4

控制系统的软、硬件设计 ………………………………...13 4.5

功能表图设计

……………………………………………..26 第五章

设计小结

………………………………………………33 参考文献 ……………………………………………………....…..34 谢辞

…………………………………………………….....35

PLC机械手控制设计

1.1摘要： 当今的自动化技术发展迅速，正处于一个快速变革的时代。从半导体到消费类电子产品、再到汽车和航空制造业、以及轻工业和物流行业等多种不同的工业领域都面临着日益激烈的全球竞争压力当今的自动化技术发展迅速，正处于一个快速变革的时代。从半导体到消费类电子产品、再到汽车和航空制造业、以及轻工业和物流行业等多种不同的工业领域都面临着日益激烈的全球竞争压力，他们需要进一步降低成本、缩短产品生产周期，并能够迅速完成产品的更新换代。采用最新的自动化技术才是解决这一系列问题的有效手段。

本次论文明确了机械手的功能需求和动作流程通过查找了大量资料，了解完成了布进电机和驱动器的选型。通过对机械手制作流程的分析，确定采用PLC为核心的控制系统。在对机械手的分析设计部分梯形图及控制程序，完成PLC的I/O点分配和硬件接线图。

关键词：机械手，步进电机，可编程序控制器

引言

机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代科技的一个重要组成部分。汽车业的快速发展，车外型愈求美观流线，并由于汽车外板件要求完美无尘的冲压生产线也向高速化、高品质、自动化、柔性化方向发展。传统冲压生产过程中的手工操作、人工送料的生产方式已无法满足该行业的需要。

机械手的积极作用正日益为人们所认识，其一，它能部分地代替人的劳动并能达到生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送。因此，它能大大地改善工人的劳动条件，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因此，受到各先进单位的重视并投入了大量的人力物力加以研究和应用。尤其在高温、高压、粉尘、噪声的场合，应用得更为广泛。在我国，近代几年来也有较快的发展，并取得一定的成果，受到各工业部门的重视。

第二章

可编程控制器的概述

2.1可编程控制器的基本知识

PLC的种类繁多，其规格和性能也各不相同，对PLC的分类，通常根据其形式的不同、功能的差异和I/O点数的多少等进行大致分类.根据 1

PLC的结构形式可将PLC分为整体式和模块式两类（1）整体式PLC

整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等各件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。小型PLC一般采用这种整体式机构。

整体PLC由不同PLC点数的基本单元和扩展单元组成，基本单元内有CPU、I/O接口，与I/O扩展单元相连的扩展口、以及编程器或EPROM写入器相连的接口等。扩展单元内只有I/O和电等，没有CPU，基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展(2)

模块式PLC

模块式PLC是将PLC各组成部分分别作成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及其他模块。模块式PLC由框架或基板和 各种模块组成，模块装在框架或基板的插座上。这种模块式PLC的特点是配置灵活、可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。大、中型PLC一般采用这种模块式结构。

还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。叠装式PLC其CPU，电源，I/O接口等也是各自独立的模块。但它们之间是非电缆进行联接，并且各模块可以应地叠装，这样不但系统可以灵活配置，还可以做的体积小巧。2 按功能分

根据PLC所具有的功能不同，可将PLC分为低，中，高档次

（1）低档PLC 具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断监控等基本功能还可以少量模拟量输入/输出，算术运算，数据传送和比较等功能，主要用于逻辑控制，顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。

（2）中档PLC出具有低档PLC的功能外，还具有模拟量输入/输出，算术运算，数据传送和比较；数据转换，远程I/O，子程序，通信联网等功能，有些还可增设中断控制，PID控制等功能，适应于复杂控制系统。

（3）高档PLC除具有中档PLC的功能外，还增加了符号算术运算，矩阵运算，位逻辑运算，平方根运算及其他特殊功能函数的运算，制表及表格传递功能等。高档PLC具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。

按I/O点数分类

根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为小型，中型和大型三类

（1）.型PLC——I/O点数<256点，单CPU，8位或16微处理器，用户存储器容量4K字以下

CE-I型

美国通用电气（GE）公司 TI100

美国德洲仪器公司 F、F1、F2

日本三菱电气公司 C20 C40

日本欧姆龙公司 SF200

德国西门子公司 EX20 EX40

日本东芝公司

SR-20/21

中外合资无锡华光电子工业有限公司（2）．中型——点数256-2048点，双CPU，用户存储器容量2-8K S7-300

德国西门子

SR-400

中外合资无锡华光电子工业有限公司 SU-5 SU-6

德国西门子公司 C-500

日本立石公司 CE-Ш

GE公司

（3）.大型PLC——I/O点数>2048点，多CPU，16位、32位处理器，用户存储器容量8-16K S7-400

德国西门子公司 GE-IV

GE公司 C-2000

立石公司 K3

三菱公司

2.2 可编程控制器PLC的应用与前景

目前，在国内外PLC已广泛应用冶金，石油，化工，剪彩，机械制造，电力，汽车，轻工，环保及文化娱乐等各行各业，随着PLC性能价格 的不断提高，器应用领域不断扩大，从应用类型看大致可归纳为以下几个方面： 2.2.1 强量逻辑运算

利用PLC最基本的逻辑运算，定时，计收等功能实现逻辑运算，科取代传统的继电器控制用于单片机控制，多机群控制，生产自动线控制等。例：机床，注塑机印刷机械，装配生产线，电镀流水线及电梯的控制等。这是PLC最基本的应用，也是PLC最广泛的应用领域。2.运动控制

大多数PLC都有拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，这一功能广泛用于各种机械设备。例如：各种机床，装配机械。机器人等进行运动控制。3.过程控制

大，中型PLC都具有多路模拟量I/O模块和PID控制功能。有的小型PLC也具有模拟量输入输出，所以PLC可实现模拟量控制而且具有PID控制功能的PLC可构成闭环控制，用于过程控制。这一功能已广泛用于铝炉，反应堆，水处理，酿酒及闭环位置控制和速度控制等方面。4.数据处理

现代的PLC都具有数学运算数据传递，转换，排序和查表等功能，可进行数据的采集，分析和处理，同时的通过通信接口将这些数据传送给其电智能装置。例如：CNC设备进行处理。5.通信联网

PLC的通信包括PLC与PLC，PLC与计算机，PLC与其它智能设备之间的通信，PLC系统与通用计算机可直接或通过通信处理单元，通信转换单元相连构成网络，已实现信息的交换和构成。集中管理分散控制的多级分布式控制系统。满足工厂自动化（FA）系统发展的需要。2.2.2 国外PLC发展概况

PLC在问世以来，经过40多年的发展。在美、德国等工业发达国家已成为重要的产业之一，世界总销售额不断上升，生产厂家不断涌现，品种不断翻新，产量产值大幅度上升而价格则不断下降。目前，世界上有200多个厂家生产PLC。较多的有美国：AB通用电气、莫迪康公司；日本：松下、三菱、富士、欧姆龙等；德国：西门子公司；法国：TE施耐德公司。韩国：三星、LG公司等

PLC的发展前景

（1）产品规模向大小两个方向发展

大：I/O点数达14336点，32位微处理器，多CPU并行工作，大容量存储器，扫描速度快高速；

小：整体结构向小型模块化结构发展，增加了配置的灵活性，降低了成本；（2）PLC在闭环过程中应用日益广泛；（3 不断加强通讯功能；（4）新器件和模块不断推出

第三章 可编程控制器的编程语言

3.1可编程控制器的几种编程语言

可编程控制器的编程语言按IEC61131-3国际标准来分主要包括图形化编程语言和文本化编程语言。图形化编程语言包括:梯形图(LD-Ladder Diagram)、功能块图(FBD-Function Block Diagram)、顺序功能图(SFC-Sequential Function Chart)。文本化编程语言包括:指令表(IL-Instruction List)和结构化文本(ST-Structured Text)。这些语言是基于WINDOWS操作系统的编程语言.而SFC编程语言则在两类编程语言中均可使用。下面分别来介绍这几种编程度语言。

3.1.1梯形图编程语言(LD-Ladder Diagram)

梯形图来源于继电器逻辑控制系统的描述，是PLC编程中被最广泛使用的一种图形化语言，由于梯形图类似于继电器控制的电气接线图，便于理解,因此许多编程人员和维护人员都选择了这一编程方式。而且其图形结构类似于登高用的梯子，故名梯形图。梯形图程序的左右两侧有两垂直的电力轨线，左侧的电力轨线名义上为功率流从左向右沿着水平梯级通过各个触点、功能、功能块、线圈等提供能量，功率流的终点是右 侧的电力轨线。每一个触点代表了一个布尔变量的状态，每一个线圈代表了一个实际设备的状态，一个简单的梯形图程序如图1所示:

图3.1

梯形图程序示例

梯形图的每个梯级表示一个因果关系,事件发生的条件表示在梯形的左面,事件发生的结果表示在梯级的右面。

梯形图编程语言具有如下特点:(1)与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性;(2)与原有继电器逻辑控制技术相一致，易于掌握和学习;(3)对于复杂控制系统描述,仍不够清晰;(4)可读性仍不够好。

几乎所有PLC厂商提供的PLC都支持梯形图编程语言,而且都比较容易理解，只是在梯形图结构上可能稍有变化。比如西门子的S7系列梯形图就没有右边的电力轨线。有时在有此参考书中右边的电力轨线也常常被省略。

3.1.2 功能块图编程语言(FBD-Function Block Diagram)

功能块图编程语言采用功能模块表示所具有的功能，不同的功能模块具有不同的功能。功能模块用矩形来表示，每一个功能模块的左侧有不少于一个的输入端，右侧有不少于一个的输出端。功能模块的类型名称通常写在块内，其输入输出名称写在块内的输入输出点对应的地方。

功能模块基本上分为两类:基本功能模块和特殊功能模块。基本功能模块如AND，OR XOR等等.特殊功能模块如ON延时，脉冲输出，计数器等等。功能块编程语言具有以下特点:(1)以功能模块为单位,从控制功能入手，使控制方案的分析和理解变的容易;(2)功能模块用图形化的方式描述功能，较直观易掌握，方便组态，易操作。是有发展前途的一种编程语言;(3)对较复杂系统，由于控制功能关系能够比较清晰的描述，因此缩短了编程和调试时 间;(4)因为每一个功能模块要占用一定程序存储空间，对功能块的执行需要一定的执行时间，因此，这种语言在大中型可编程控制器和分散控制系统中应用较广泛。

第四章 PLC控制机械手的系统设计

4.1各电器设备的控制方式及控制要求 机械手的技能和特性

根据古典力学观点，物体在三维空间的静止位置是由三个坐标和绕三轴旋转的角度来决定的。因此，抓握物体的位置和方向（即关节间的角度）能从理论上求得。据资料介绍，如果采用的机械手，其机能要接近人的上肢，则需要具有27个自由度，而每一个自由度至少要有一根“人造肌肉”。这样就需要安装27根重量轻、小型和高输出力的“人造肌肉”。就目前的技术状况而言，上述功能还很难办到。而且把机械手的功能搞得那么复杂，动作彼此严重重叠也是完全不必要的。退一步，如果机械手要求具有完全通用的程度，那么它的整机、本体、手臂和手指都得有三个直线运动和三个旋转运动，总共就要有24个自由度。这在实际上也是不必要的，这样会使机械手结构复杂，费用增多。因此，不应盲目模仿人手的动作，增加过渡的自由度，而应根据实际需要的动作，设计出最少的自由度就能完成作业所要求的动作。所以一般专用的机械手（不包括握紧动作）通常具有二到三个自由度。而通用机械手一般取四到五个自由度。本设计中设计的机械手，它共有五个自由度。即：手臂伸缩、手臂上下摆动、手臂左右摆动、手腕回转、手指抓握。.躯干和传动系统

机械手的传动分为液压、气压、电气和机械四种，本设计采用综合传动方式，即手臂采用电气传动，而手爪则采用气压传动。

(1)、夹紧机构

机械手手爪使用来抓取工件的部件。手爪抓取工件是要满足迅速、灵活、准确和可靠的要求。设计制造夹紧机构——手爪时，首先要从机械手的坐标形式、运行速度和加速度的情况来考虑。其加紧力的大小则根据夹持物体的重量、惯性和冲击力的大小来计算。同时考虑有足够的开口尺寸，以适应被抓物体的尺寸变化，为扩大机械手的应用范围，还需备有多种抓取机构，以根据需要来更换手爪。为防止损坏被夹的物体，夹紧力应限制一定的范围内，并镶有软质垫片、弹性衬垫或自动定心结构。为防止突然停电被抓物体落下，还可以有自锁结构。夹紧机构本身则应结构简单、体积小、重量轻、动作灵活和动作可靠。

夹紧机构形式多样，有机械式、吸盘式和电磁式等。有的夹紧机构还带有传感装置和携带工具进行操作的装置。本设计采用机械式的夹紧机构。

机械式夹紧机构是最基本的一种，应用广泛，种类繁多。如按手指运动的方式和模仿人手的动作，可分为回转型、直进型；按夹持方式可分为内撑式、外撑式和自锁式；按手指数目可分为二指式、三指式、四指式；按动力来源可分为弹簧式、气动式、液压式等。本设计采用二指式气动手爪。由可编程控制器控制电磁阀动作，从而控制手爪的张闭。手爪的回转则用一个直流电动机完成，同时通过两个限位磁头完成回转角度的限位，一般可设置在180度。(2)躯干

躯干由底盘和手臂两大部分组成。

底盘是支撑机械手全部重量并能带动手臂旋转的机构。底盘采用一个直流电动机驱动，底盘旋转时带动一个旋转码盘旋转，机械手每旋转3度发出一个脉冲，由传感器检测并送入可编程控制器，从而计算底盘旋转的角度。同时，在底盘上装有限位磁头，最大旋转角度可达270度。

手臂是机械手的主要部分，它是支撑手爪、工件并使它们运动的机构。本设计中手臂由横轴和竖轴组成，可完成伸缩、升降的运动。手臂采用步进电动机带动丝杠、螺母来实现伸缩和升降运动。由可编程控制器发出脉冲信号，经步进电动机驱动器驱动步进电动机旋转，带动滚珠丝杠旋转，完成手臂的运动。改变发出脉冲的个数，可控制手臂的两个轴运动的距离。同时在两轴的两端分别加限位开关限位。采用丝杠、螺母结构传 动的特点是易于自锁，位置精度较高，传动效率较高。

4.2电器元件、设备的选择

PLC机型的选择

根据被控对象对PLC控制系统的功能要求，可进行PLC型号的选定。

进行PLC选型时，基本原则是满足控制系统的功能需要，同时要兼顾维修、备件的通用性。对开关量控制的系统，当控制速度要求不高时，一般的PLC都可以满足要求，如对小型泵的顺序控制、单台机械的自动控制等。当控制速度要求较高、输出有高速脉冲信号等情况时，要考虑输入/输出点的形式，最好采用晶体管形式输出。对带有部分模拟量控制的ｗ装置等。2 输入/输出的点数：

I/O点数可以衡量PLC规模的大小。准确统计被控对象的输入信号和输出信号的总点数并考虑今后系统的调整和扩充，在实际统计I/O点数基础上，一般应加上10%-20%的备用点数。多数小型PLC为整体式，具有体积小、价格便宜等优点，适于工艺过程比较稳定，控制要求比较简单的系统。模块式结构的PLC采用主机模块与输入模块、功能模式块组合使用的方法，比整体式方便灵活，维修更换模块、判断与处理故障快速方便，适用于工艺变化较多、控制要求复杂的系统。

此外，还应考虑用户储存器的容量、PLC的处理速度是否能满足实时控制的要求、编程器与外围设备的选择等。

本设备控制的对象是一个开关量控制的系统，同时利用脉冲控制步进店动机的运转，故应采用晶体管形式的输出。松下FPO系列小型PLC具有性价比高、功能完善、指令丰富等优点，能满足本对象各项控制性能要求，因此，本系统采用松下FPO系列的FPO——C16T作为基本模块，能输出两路脉冲信号进行步进电动机的控制。由于输入输出点不够，扩展一个FPO——E16RS模块。3

电源模块的选择：

采用Dm150系列开关电源。其特点是输出功率大，体积小，重量轻，可靠性高，适应宽范围的输入电压波动，具有完备的过电压、过电流保护功能。主要参数：

输入交流电压：110~220V/50Hz、60Hz 输出直流电压：24V/6.5A 最大功率：156W 工作环境：-10~40度 4.步进电动机的选择：

采用二相八拍混合式步进电动机，主要特点：体积小，具有较高的起动和运行频率，有定位转矩等特点。型号：42BYGH101。

快接线插头中的红色表示A相，蓝色表示B相。

使用时如果发现步进电动机转向不对时可以将A相或B相两根线对调。（1）.步进电动机驱动模块

采用中美合资SH系列步进电动机驱动器，主要由电源输入部分、信号输入部分、输出分等。如下图所示。

驱动模块

电源输入部分由电源模块提供，用两根导线连接，注意极性。

信号输入部分：信号源由FPO主机提供。由于FPO提供的电平为24V，而输入部分的电平为5V，中间加了保护电路。

输出部分：与步进电动机连接，注意相序。（2.）传感器

采用接近开关作为手爪旋转和底盘旋转限位检测用;采用微动开关作为横轴、纵轴限位检测用。

接近开关：接近开关有三根连接线（红、蓝、黑）红色接电源的正极、黑色接电源的负极、蓝色为输出信号，当与挡块接近时输出电平为低电平，否则为高电平。微动开关：当挡块碰到微动开关动作（常开点闭合）。

（3）FPO模块

由松下FPO系列PLC晶体管输出的主机，具有高速运算能力、PID调节功能，同时可以输出两路脉冲控制两台电动机的优点。输出两路脉冲梯形图及f/t。

（4）直流电动机

采用36ZY5-12型直流电动机。输入电压为12~24V,由FPO模块控制电动机正反转。（5）旋转码盘

机械手每旋转3度发出一个脉冲。

4.3 控制流程图

机械手工作流程图如下图所示。把可编程序控制器主机上的RUN-PROG的开关拨在RUN上，如果机械手不在初始位置上，步进电动机开始运转（横轴向手爪那边移动，竖轴向上移动）。归位后首先横轴步进电动机工作，横轴前伸；前伸到位后，手抓电动机得电带动手爪旋转；当传感器检测到限位磁头时，电动机停止，PLC控制电磁阀动作，手张开；延时一段时间，竖轴步进电动机工作，竖轴下降；下降到位后，电磁阀复位，手爪加紧；延时过后，竖轴上升，同时横轴缩回、底盘都到位后，横轴前伸；到位后手爪旋转，然后竖轴下降，电磁阀动作，手张开；延时后竖轴上升复位；然后开始下一周期动作。

图4.1机械手控制流程图

4.4控制系统的软、硬件设计 1 控制系统硬件设计

PLC硬件设计是指PLC外部设备的设计。在硬件设计重要进行输入设备的选择（如控制按钮、开关及计量保护装置的输入信号等），还有执行元件的选择以及控制台、柜的设计等。硬件设计还包括PLC输入/输出通道的分配，为便于程序设计和阅读，常作出I/O通道分配表，表中包括有I/O编号、设备代号、名称及功能等。机械手控制系统电器原理图。

可编程序控制器采用松下FP系列的FPO——C16T作为基本模块，由于输入输出点 不够，扩展一个FPO——E16RS模块。由于接近开关有三根线，接线时注意把红色的线接电源的正极，黑色线接电源的负极，蓝色的线接PLC的输入端子。2 控制系统的软件设计

软件设计主要是指编写工艺流程图，即将整个流程分解为若干步，确定每步的控制要求及转换条件，配合定时、计数、分支、循环、跳转及某些特殊功能指令便可完成梯形图的设计。I/O地址分配 I/O地址分配如表所示 I/O地址分配一览表

输入： X0 X1 X2 X3 X4 X20 X21 X22 X23 横轴正限位 竖轴正限位 横轴反限位 竖轴反限位 旋转脉冲 手正转限位 手反转限位 底座正限位 底座反限位

输出： Y0 Y1 Y2 Y3 Y20 Y21 Y22 Y23 Y24

横轴脉冲 竖轴脉冲 横轴方向 竖轴方向 手正转 手反转 底座正转 底座反转 电磁阀动作

(1).确定输入输出接点的总数

输入接点：启动按钮SB、行程开关SQ1——SQ4、光电开关SQ5，一共6个。输出接点：YV1——YV2总共5个。(2).估算PC内存总数

选取PC类型，PC内存总数取决于程序指令总条数。PC内存总数又是选取PC类型的重要依据，为此依据下面的经验公式对指令总条数进行估算。指令总条数=（10——20）*（输入点数+输出点数）

本例中指令总条数为（10——20）*（6+5）=110——220条。(3).输入输出点分配

如下图是机械手输入和输出信号与PC输入输出端子的分配图，其中根据需要增加了机械手回到原位时的指示灯，为了防止误按启动按钮引起机械手的误动作，增加了复位按钮，启动时需要先按复位按钮在按启动按钮，否则机械手不会动作。

图4.2机械手PC输入/输出端子的分配

(4).方案选择

考虑到机械手在工作时间时可能发生误动作行程开关而引起的不安全动作，各个输入开关信号只能在规定的状态发生作用，例如，SQ1的闭合信号只能当机械手位于原位而且按下SB2后或从原位右移到右位后才能起作用，其他状态时SQ1不起作用。为了达到这一目的，选择使用移位寄存器来完成顺序控制。3 梯形图设计

机械手的控制属顺序控制，采用步进指令，根据说明机器工作状态转换的图形，很容易进行程序设计。

（1）根据机械手的工作方式情况，选择“梯形图的总体设计

单步操作”方式时，应执行“单步操作”程序；在选择“返回原位”方式时，应执行“返回原位”程序;“自动”方式时，应执行“自动”程序，故梯形图的总体构成如下图所示。其中，自动程序要在启动按钮按下时才执行。

图4.3机械手PLC控制梯形图总体构成

（2）各部分梯形图的设计

通用部分梯形图设计

A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“返回复位”（X501接通）时，按下返回复位按钮（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作复位操作，即在方式选择开关位于“单步操作”或 “返回复位”时，中间状态器同步复位，故初始状态梯形图如下图示（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）

状态器初始化梯形图。

B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，按下启动按钮，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，从初始状态开始进行转换，其梯形图如下图。

图4.4状态器转换启动梯形图

C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。

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M574自保持，以次禁止状态转换，直到按下启动按钮。状态器转换禁止梯形图如下。

图4.5状态器转换禁止梯形图

通过对上图的分析可得出：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。

D单步操作梯形图

手动操作方式由于不需要任何复杂的顺序控制，可以用常规继电器顺序方法来设计梯形图。“单步操作”时，按下夹持按钮时，夹持输出Y431自保持，只有按下松开按钮时，Y431才会复位；按下上升按钮，上升输出Y432保持接通；按下下降按钮，Y430保持接通；在上限位按下左行按钮，左行输出Y434保持接通；在上限位按下右行按钮，右行输出Y433保持接通。单步操作是梯形图如下图。

图4.6机械手单步操作梯形图

E返回原位梯形图

在“返回原位”状态下，“夹持”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。返回原位梯形图如下图。

图4.7机械手返回原位梯形图

F “自动”状态梯形图

如下图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Y431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。如上述一步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。

图4.8机械手自动工作流程图

用状态器替代自动工作流程图中的各工步，可得到如下图所示的功能表图。初始状态在图中用双线框表示。

图4.9机械手自动工作功能表图

根据上图所示的功能表图，可设计出自动操作时的梯形图，如下图所示。

图4.10机械手自动工作梯形图 绘制机械手PLC将控制梯形图

将从初始化开始的一系列梯形图，按照总体构成图的形式作何在一起，得到机械手PLC控制的梯形图，如下图所示。

图4.11机械手PLC控制梯形图 该机械手在自动工作状态时，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。

4.5 功能表图设计

步的划分

分析被控对象的工作过程及控制要求，将系列的工作过程划分成若干阶段，这些阶段称为“步”。步是根据PLC输出量的状态划分的，只要系统的输出量状态发生变化，系统就从原来的步进入新的步。如下图所示，某液压动力滑台的整个工作过程可划分为四步，即：0步A、B、C均不输出；1步A、B输出；2步B、C输出；3步C输出。在每一步内PLC各输出量状态均保持不变。

步也可根据被控对象工作状态的变化来划分，但被控对象的状态变化应该是由PLC输出状态变化引起的。如下图所示，初始状态是停在原位不动，当得到起动信号后开始快进，快进到加工位置转为工进，到达终点加工结束又转为快退，快退到原位停止，又回到初始状态。因此，液压滑台的整个工作过程可以划分为停止（原位）、快进、工进、快退四步。但这些状态的改变都必须是由PLC输出量的变化引起的，否则就不能这样划分。例如：若从快进转为工进与PLC输出无关，那么快进、工进只能算一步。

总之，步的划分应以PLC输出量状态的变化来划分，因为我们是为了设计PLC控制的程序，所以PLC输出状态没有变化时，就不存在程序的变化。2.转换条件的确定

确定各相邻步之间的转换条件是顺序控制设计法的重要步骤之一。转换条件是使系统从当前步进入下一步的条件。常见的转换条件有按钮、行程开关、定时器和计数器触点的动作（通/断）等。

如上图“步的划分方法二”所示，滑台由停止（原位）转为快进，其转换条件是按下起动按钮SB1（即SB1的动合触点接通）；由快进转为工进的转换条件是行程开关SQ2动作；由工进转为快进的转换条件是终点行程开关SQ3动作；由快退转为停止（原位）的转换条件是原位行程开关SQ1动作。转换条件也可以是若干个信号的逻辑（与、或、非）组合。如：A1*A2、B1+B2。3.功能表图的绘制

根据以上分析画出描述系统工作过程的功能表图，是顺序控制设计中最为关键的一个步骤。绘制功能表图的具体方法将在下面介绍。4.梯形图的编制

根据功能表图，采用某种编程方式设计出梯形图程序。有关编程方式建在下一节中介绍。功能表图的绘制方法 A

功能表图概述

功能表图又称流程图。它是描述控制系统的控制过程、功能和特征的一种徒刑。功能表图并不涉及所描述的控制功能的具体技术，是一种通用的技术语言，因此，功能表图也可用于不同专业的人员进行技术交流。

功能表图是设计顺序控制程序的有力工具。在顺序控制设计法中，功能表图的绘制是最关键的一个环节。它直接决定用户设计的PLC程序的质量。

各个PLC厂家都开发了相应的功能表图，各国也动制定了功能表图的国家标准。我国于1986年也颁布了功能图的国家标准（GB6988.6——86）。B

功能表图的组成要素

如下图所是为功能表图的一般形式。它主要是由步、转换、转换条件、有向连线和动作等要素组成。

C

步与动作

前面已介绍过，用顺序控制设计法设计PLC程序时，应根据系统输出状态的变化，将系统的工作过程划分成若干个状态不变的阶段，这些阶段称为“步”。步在功能表图中用矩形框表示。如，框内的数字是该步的编号。如下图所示各步的编号为n-

1、。当系统正工作于某一步时，该步处于活动状态，每个功能表图至少应n、n+1。编程时一般用PLC内部软继电器来代表各步，因此经常直接用相应的内部软继电器编号作为步的编号，如该有一个初始步。

所谓“动作”是指某步活动时，PLC向被控系统发出的命令，或被控系统应该执行的动作。动作用矩形框中的文字或符号表示，该矩形框应与相应步的矩形框相连接。如果某一步有几个动作，可用下图中的两种画法来表示，但并不隐含这些动作间的任何顺序。

称为“活动步”。在功能表图中初始步用双线框表示，如

当步处于活动状态时，相应的动作被执行。但应注意表明动作是保持型还是非保持型的。保持型的动作是指该步活动时执行该动作，该步变为不活动后继续执行该动作；非保持型动作是指该步活动时执行，该步变为不活动时动作也停止执行。一般保持型的动作在功能表图中应该用文字或助记符标注，而非保持型动作不要标注。D

有向连线、转换和转换条件 如上图“功能表图的一般形式”所示，步与步之间用有向连线连接，并且用转换将步分隔开。步的活动状态进展是按有向连线规定的路线进行。有向连线上无箭头标注时，其进展方向是从上倒下、从左到右。如果不是上述方向，应在有向连线上用箭头注明方向。步的活动状态进展是由转换来完成的。转换是用与有向连线垂直的短划线来表示。步与步之间不允许直接相连，必须有转换隔开，而转换与转换之间也同样不能直接相连，必须由步隔开。转换条件是与转换相关的逻辑命题。转换条件可以用文字语言、布尔代数表达式或图形符号标注表示转换的短划线旁边。

转换条件和，分别表示当二进制逻辑信号为“1”和“0”状态时条件成立；转换条件和1.分别表示的是，当从“0”（断开）到“1”（接通）和从“1”到“0”状态条件成立。

功能表图中转换的实现

步与步之间实现转换应同时具备两个条件：①前几步必须是“活动步”；②对应的转换条件成立。

当同时具备以上两个条件时，才能实现步的转换，即所有由有向连线与相应转换符号相连的后续步都变为活动，而所有由有向连线与相应转换符号相连的前几步都变为不活动。2.功能表图的基本结构

根据步与步之间转换的不同情况，功能表图有以下几种不同的基本结构形式。（1）单序列结构

功能表图的单序列结构形式最为简单，它由一系列按顺序排列、相继激活的步组成。，每一步的后面只有一个转换，每一个转换后面只有一步。（2）选择序列结构

选择序列有开始和结束之分。选择序列的开始称为分支，选择序列的结束称为合并；选择序列的分支是指一个前级步后面紧接着有若干个后续步可供选择，各分支都有各自的转换条件。分支中表示转换的短划线只能标在水平线之下。

如下图所示为选择序列的分支。假设步4为活动步，如果转换条件a成立，则步4向步5实现转换；如果转换条件b成立，则步4向步7转换；如果转换条件c成立，则步4向步9转换。分支中一般同时只允许选择其中一个序列。

选择序列的合并是指几个选择分支合并到一个公共上。各分支也都有各自的转换条件，转换条件只能标在水平线之上。

如下图所示为选择序列的合并。如果步6为活动步，转换条件d成立，则由步6向步11转换；如果步8为活动步，且转换条件c成立，则步8向步11转换；如果步10为活动步，转换条件f成立，则步10向步11转换。

（3）并列序列结构

并列序列也有开始与结束之分。并列序列的开始也称为分支，并列序列的结束也称为合并。下图（a）所示为并列序列的分支，它是指当转换实现后将同时使多个续步激活。为了强调转换的同步实现，水平连线用双线表示。如果步3为活动步，且转换条件c也成立，则4、6、8三步同时变成活动步，而步3变为不活动。应当注意，当步4、6、8被同时激活后，每一序列接下来的转换将是独立的。下图（b）所示为并列序列的合并，当直接在双线上的所有前级步5、7、9都为活动步时，转换条件d成立，才能使转换条件实现，即步10变为活动步，而步5、7、9均变为不活动步。

（4）子步结构

在绘制复杂控制系统功能表图时，为了使总体设计时容易抓住系统的主要矛盾，能更简洁地表示系统的整体功能和全貌，通常采用“子步”的结构形式，可避免一开始就陷入某些细节中。

所谓子步的结构是指在功能表图中，某一步包含着一系列子部和转换。如下图所示的功能表图采用了子步的结构形式。功能表图中步5包含了5.1、5.2、5.3、5.4四个子步。

子步结构

这些子步序列通常表示整个系统中的一个完整子总能，类似于计算机编程中的子程 序。因此，设计时只要先画出简单的描述整个系统的总功能表图，然后再进一步画出更详细的子功能表图。子步中可以包含更详细的子步。这种采用子步的结构形式，逻辑性强，思路清晰，可以减少设计错误，缩短设计时间。

功能表图除以上四种基本结构外，在实际使用中还经常碰到一些特殊序列，如跳步、重复和循环序列等。

（5）跳步、重复和循环序列

除以上单序列、选择序列、并行序列和子步四种基本结构外，在实际系统中经常使用跳步、重复和循环序列等特殊序列。这些序列实际上都是选择序列的特殊形式。如下图（a）所示为跳步序列，当步3为活动步时，如果转换条件c成立，则跳过步4和步5直接进入步6。

如下图(b)所示为重复序列，当步6为活动步时，如果转换条件d步成立而条件e成立，则重复返回步5，重复执行步5和步6。直到转换条件d成立，重复结束，转入步7。如下图（c）所示为循环序列，在序列结束后，即步3为活动步时，如果转换条件e成立，则直接返回初始步0，形成系统的循环。

跳步、重复和循环序列

在实际控制系统中，功能表图中往往不是单一地含有上述某一种系列，而经常是上述各种序列结构的组合。

第五章 设计小结

毕业设计是我们毕业前夕最后也是最重要的一份作业，是对我们三年求学的一个总结，包含了我们三年中所学知识的积累，更是提升我们能力的一种方式。同时也是对我们学业的考核使我们的学业得以圆满结束。

经过一段时间的设计，可编程控制器和机械手的设计完毕，机械手的模型已设计完毕，其功能基本达到要求。整个系统稳定性好，而且只要修改控制程序，就可以让机械手作出不同的动作，控制的柔性很好。系统的分析与设计过程也是对学习的总结过程，更是进一步学习与探索的过程。在这个过程中，我对利用可编程控制器进行控制系统的设计与开发有了深刻的认识，对机械手的工作原理有了进一步的掌握，对控制系统的分析与设计有了切身的认识和深刻的体会，并在学习和实践过程中增长了知识、丰富了经验。控制系统的开发设计是一项复杂的系统工程，必须严格按照系统分析、系统设计、系统实施、系统运行于调试的过程来进行。系统的分析和设计是一项既复杂又辛苦的工作，同时也是一个充满乐趣的过程，在设计过程中，要边学习，边实践，遇到新的问题就不断探索和努力直到问题得到解决。

在设计中，体会到理论必须和实际相结合。虽然收集了大量的资料，但在实际应用中却有很多差异，出现了许多意想不到的问题。许多问题都是书本上是这样，而在实际运用中却很不一样，在经过多次分析修改后，才设计出达到要求的系统。

参 考 文 献

可编程序控制器的原理及应用

机械工业出版社

主编

王卫兵 可编程序控制器的原理应用试验

机械工业出版社 主编

常斗南 机电传动与控制

华中理工大学出版社

主编 程宪平数控机床电气控制

西安电子科技大学出版社

主编机电一体化系统设计

高等教育出版

主编

张建民

姚永刚

谢辞

紧张充实的毕业设计就要结束了，大学三年的生活也到了尾声。回想起以往的美好时光，此时感慨万千，首先感谢指导教师党老师在毕业设计中对我的帮助，鼓励和精心指导，党老师治学严谨，学识渊博，思想深邃，视野雄廓，关键是指导有方严格我们要求，为我营造了一种良好的精神氛围。置身党老师的指导过程中，不仅我的思想观念焕然一新，也改善了我的思考方式，而且还明白了许多待人接物与为人处世的道理。其严以律己，宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力，令我如沐春风，倍感温馨。一股暖意细水长流，源自内心而又沐润全身，微言寸语岂能祥诉感激之情，只好铭记心中，唯有虔诚的祝福导师合家欢乐，一生平安。同时，也将祝福送给每一位帮助我的师长。同时感谢我的同学在我的毕业设计过程其中对我莫大的鼓励。毕业设计的完成也算是对我们学习生涯的一个句号，回想三年大学时光，与老师和同学们的点点滴滴，你们给与我的种种帮助，使我得以今天能顺利完成毕业设计，完成学业。谢谢你们，我所有的老师与同学。最后衷心的祝愿你们工作顺利、家庭幸福、身体健康！

感谢我的朋友和同学们在我三年生活和学习中对我的帮助，就要分别了，衷心祝福各位一路走好。再次感谢各位老师和同学，希望大家以后工作顺利。谢谢！