机械手毕业设计总结精品(七篇)

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篇(1)

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！

参考文献

1．付永领， 王岩， 裴忠才. 基于CAN总线液压喷漆机器人控制系统设计与实现. 机床与液压. 2003， (6): 90~92

2．刘剑雄， 韩建华. 物流自动化搬运机械手机电系统研究. 机床与液压. 2003， (1): 126~128

3．徐轶， 杨征瑞， 朱敏华， 温齐全. PLC在电液比例与伺服控制系统中的应用. 机床与液压. 2003， (5): 143~144

4．胡学林. 可编程控制器(基础篇). 北京: 电子工业出版社， 2003.

5．胡学林. 可编程控制器(实训篇). 北京: 电子工业出版社， 2004.

6．孙兵， 赵斌， 施永康. 基于PLC的机械手混合驱动控制. 液压与气动. 2005， (3): 37~39

7．孙兵， 赵斌， 施永康. 物料搬运机械手的研制. 机电一体化. 2005， (2): 43~45

8．王田苗， 丑武胜. 机电控制基础理论及应用. 北京: 清华大学出版社， 2003.

9．陈铁鸣， 王连明， 王黎钦. 机械设计(修订版). 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社， 2003.

10．李建勇. 机电一体化技术. 北京: 科学出版社， 2004.

11．王孙安， 杜海峰， 任华. 机械电子工程. 北京: 科学出版社，2003.

12．张启玲， 何玉安. PLC在气动控制称量包装装置中的应用. 液压与气动. 2005， (1): 31~33

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关键词: 亚龙YL-335B型自动生产线教学设备 教学实训系统 项目训练

1.前言

自动化生产技术是一门综合性的先进制造技术学科,也是一门应用型技术学科,技术上涵盖了自动化控制技术、传感器技术、变频与伺服控制技术、气动与液压传动技术、制造工艺技术、机器人技术、计算机技术等多种学科与技术领域。近几年来,国内先后从国外引进了大量的自动化装备与生产线,但国内在这一先进制造技术领域的人才培养与实际市场需求方面一直存在很大的差距。国内高校普遍缺乏该领域的先进教学手段与培训教材,学生在学校学习阶段缺乏足够的感性认识,知识技能与动手能力与实际要求存在较大的距离。我们在吸收国外同类平台长处的基础上,结合实际自动化工程项目开发过程,设计开发了YL-335B型机电一体化教学实训平台,尽可能将实际的自动化工程结构、设计方法、装配与调试技术等内容带进课堂,结合理论教学,通过在上述设备上开展实践教学,大大强化了学生的感性认识,培养和提高了学生的实际动手能力,从而达到了技能教学的目的。

2.YL-335B型实训装置的组成及原理

本实训装置主要包括两大部分,即机械结构部分和电气控制部分。整体结构如图1所示。系统通过PLC联网组成一个整体。同时,每个单元又是一个独立的系统,可以单独进行编程和调试。

在器件选用上,选用日本SMC公司的普通单作用气缸、双作用气缸、短行程气缸、旋转气缸等,并配套对应的磁感应开关,使用了日本Panasonic公司的Minas A4系列AC伺服驱动器,还使用了日本MITSUBISHI公司的FR-E700通用型变频器,上位机组态界面采用北京昆仑通态自动化软件科技有限公司的TPC7062K系列触摸屏,机架及其连接件全部采用自动化行业通用的铝型材及辅助连接。

2.1系统的基本功能。

2.1.1供料单元。该单元是系统的起始单元,采用了一个垂直的料仓,按照工艺流程,放在料仓中的工件将被自动地推到物料台上,以便输送单元的机械手抓取。

2.1.2加工单元。该单元主要把物料台上的工件送到冲压机构下,完成一次冲压工作,然后送回物料台。

2.1.3装配单元。该单元主要把料仓内的小圆柱工件通过落料机构自动落入旋转工作台,然后机械手把小圆柱物料装配进入已加工的工件中。

2.1.4分拣单元。该单元主要负责对装配好的工件进行分拣,通过传感器来判别不同的工件,从而把不同的工件通过料槽进行分流。

2.1.5输送单元。单元通过一套带传动直线运动机构及机械手装置,将工件精准输送到工作单元的物料台上,实现工件的传送功能。

2.2系统机械结构设计。

机械结构系统主要由5个单元组成,分别为供料单元、加工单元、装配单元、分拣单元和输送单元。每个单元的机械结构选用了不同尺寸、相同材质与结构的工件,进行加工与安装。

2.3系统电气结构设计。

系统的供电为三相五线制交流电。每个单元都采用一台三菱FX系列PLC作为控制核心,并且采用RS485串行通信的N:N通信方式。主站的上位机为MCGS公司的TPC7062KS触摸屏。系统如图2所示。

3.该教学实训系统的目的与意义

3.1光机电结合,覆盖全面。

本系统属于一套综合性的光、机、电一体化系统,也是一条微型的自动化生产加工线,在该系统上可以进行气动技术、传感器技术、电机传动、物料输送、自动化装配、PLC控制、人机界面等多种课程的教学与实训,也可以在此基础上进行相关的毕业设计。通过对整个系统进行教学并让学生动手装配、调试并模仿设计,学生可以在传感器的设计选型、气动元件的选型、气动回路的设计、结构系统设计、控制系统设计、PLC编程、系统装配、电气连接、系统调试等多方面进行全方位的学习和实践,达到理论教学难以达到的效果,培养学生的感性认识和实际动手能力。在全面掌握该系统的基础上,学生将具有设计装配一般实际工程系统的能力,达到技能教学的目的与效果。

3.2由浅入深,循序渐进。

该实训系统采用PLC为控制核心,通过真实再现企业现场控制一线的工作任务,以任务为出发点,通过5个单元的项目训练,达到从“开关量控制”,到“模拟量控制”,再到“网络通讯”进行一步步的深化和提高。同时,在第四站加入了“编码测速、变频控制”,在第五站加入了“伺服定位控制”、“MCGS组态软件控制”,等等。新的知识点也在一步步增加,形成了很好的、循序渐进的过程。

3.3以赛促练,进行强化。

亚龙YL-335B型实训平台是全国职业院校技能大赛指定产品,项目的测试和考核可以参照大赛的要求进行。通过大赛式的练习、测试与评比,学生会对自己的知识点进行梳理,能够发现自己针对于大赛要求的缺点与不足,可以进一步对知识和技能点进行查漏补缺。同时,学生通过大赛可以磨练品质,锻炼毅力,明白自己在相关领域进一步发展的方向和动力。

3.4以练促教,教改结合。

学生通过实训平台的训练,会对各方面的问题提出自己的想法和疑问。这些提问也反作用于我们的教学过程。项目难度的提高对教师的知识和技能的要求也进一步提高,要上好这门课,必须做好详细的准备工作,认真备课和总结。

通过该实训平台的训练,学生找到了一条容易适应从学校到工厂环境转换、从理论到实际转换、从课堂教学到工程现场真刀真枪技能转换的新途径,缩短了从学校课堂到工业生产现场的距离,从而提高了学生动手的能力。

4.结语

亚龙YL-335B型自动生产线教学设备现已投入实训教学,取得了良好的教学效果。此设备不但能完成PLC开关量控制、气动控制、光电检测等简单的基本实验,而且能进行PLC与伺服驱动、MCGS组态软件调试、通讯控制等多种复杂综合实验。在项目训练过程中,教师可根据需要由学生自己进行安装、调试和编程,也可引导学生通过改变程序来改变生产过程,实现不同的模拟生产,实现基础实验及单门课程实验、实训所无法达到的综合性运用能力,从而更好地培养学生的创新意识和实践能力,同时提高教师的自主探究和深度研发能力。

参考文献:

[1]吕景泉主编.自动化生产线安装与调试(第二版)[M].北京:中国铁道出版社,2009.12.

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关键词:电气控制PLC 课程改革

我们在实践课程教学过程中,探索总结出一套以职业能力需求为导向的实践教学课程体系。实践教学证明:学生通过该课程的学习,能熟悉电气控制系统的基本控制线路,具备一定的PLC程序设计和PLC应用能力。掌握PLC的工程应用、维护和使用等基本专业技能,使学生将来在工作岗位上能综合应用所学知识和技能,解决生产实际中的有关技术问题。

1 课程的性质和任务

可编程序控制器,简称PLC,是以微处理器为基础,综合了计算机技术、电器控制技术、自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置。它具有结构简单、编程方便、性能优越、灵活通用、使用方便、可靠性高、抗干扰能力强等一系列优点,在工业生产过程自动控制领域得到广泛的应用。

通过本课程的教学使学生系统掌握可编程序控制器的基本原理、功能、程序设计方法和编程技巧,为今后从事工业生产过程自动控制等领域的工作打下基础。

2 课程改革的内容

2.1 更新课程结构

根据专业人才培养目标的要求,教师尽量采用目前PLC应用的新知识、新技术更新优化教学内容,课程内容由简单到复杂、由单一到综合来组织教学内容,为学生可持续发展奠定了良好的基础。具体课程教学内容可分为以下几个层次:(1)常用的低压电器结构、工作原理及使用方法。主要包括:主令控制器;接触器;继电器;熔断器及自动开关等。(2)基本的继电器接触器电气控制系统。主要包括:异步电动机点动、长动、正反转控制线路;笼型异步电动机星/三角起动;绕线型异步电动机电动机转子串电阻控制线路、异步电动机制动控制线路;异步电动机的调速控制线路;直流电动机调速控制线路。(3)三菱FX2N系列PLC的指令系统。主要包括:PLC的编程语言、编程元件、FX系列可编程控制器的基本逻辑指令、步进指令;掌握 PLC梯形图编程语言的应用,能够进行基本工业系统控制的编程。(4)根据继电-接触器控制线路移植法设计梯形图、步进指令、顺序功能图、自锁电路的顺序程序设计、置位复位指令的顺序程序设计、步进指令的顺序程序设计。(5)PLC控制综合运用课程设计。

根据课程设计大纲的要求,学生在老师的指导下,选择具有实际应用PLC控制系统为课题,包含PLC控制的程序设计、电气理图的绘制;控制系统的调试等。学生通过课程设计受到一次系统的训练,掌握PLC安装接线、调试、运行等技能, 实现一般工业现场的PLC控制。

2.2 调整课程内容

课程内容尽量选择实用性,增加工业现场实际控制需求的内容,注重学生动手能力的培养。

本课程理论教学的主要内容有:(1)常用的低压电器结构、工作原理及使用方法。(2)基本的继电器接触器电气控制系统。(3)可编程控制器的产生,可编程控制器的功能及应用;可编程控制器的发展趋势。(4)可编程控制器的结构及工作原理。(5)功能图及步进梯形指令。(6)可编程控制器的维护和故障诊断。

本课程实践教学的主要内容有:(1)基本指令实验。(2)交通灯控制系实验。(3)天塔之光控制实验。(4)液体混合装置装自动控制实验。(5)步进电机控制实验。(6)机械手自动控制实验。(7)水塔水位控制实验。

3 教学方法与教学手段

近年来,我们在教学理念、教学方法等方面不断摸索,形成了以改革教学内容为基础,优化课程设置,突出能力培养,强化实践性教学的一整套方法和体系。

3.1 采用“情景化”的教学模式

开发了本课程的多媒体课件,行成了一个由教材、编程平台软件、仿真软件、设计案例的教学体系。让动手能力强的学生参与教师的科研项目,培养锻炼学生工程实践能力,取得了明显的实际效果。

3.2 构建科学的实践课程体系

我们在构建实践课程体系的过程中,牢固树立实验教学和工程实践相结合的整体观念,在基础实验课、课程设计、生产实习、毕业实习和毕业设计等实践教学环节,形成了以下三个层次:

(1)基础性、验证性实验:通过该实验要求学生掌握可编程控制器的基本原理、掌握可编程序控制器基本指令,能编制、调试、运行程序,掌握编程软件的使用、工作过程、了解可编程序控制器特点,能完整地设计简单的PLC控制系统。(2)综合性实验:通过该实验,要求学生掌握学生可以完成上下位机结合的控制系统设计,工业组态软件的使用和设计方法。利用工业组态软件MCGS提供丰富、灵活、方便的监控与调试等功能,将新型的工业技术结合在实验中,让学生学习具有完整控制层、监控管理层、远程监控层三层结构的PLC控制系统;(3)创新性实验:为学生提供接近当今技术的先进平台。可为学生展示和体验当今工业控制领域里最先进的PLC控制技术,例如基于RS232、RS485的PLC网络控制系统开发、基于工业以太网、10网、CCLINK现场总线等多级网络的PLC控制系统开发等内容。使学生在校期间就能最先进的PLC控制系统开发平台,开展一些创新性实验项目。

4 考核内容与方法

4.1 考核内容

主要考核学生是否掌握PLC的编程语言、编程元件、可编程控制器的基本逻辑指令、步进指令;PLC梯形图编程语言的应用等内容,是否具有基本工业系统控制的程序设计、电气原理图的绘制;控制系统的调试的能力。考核学生分析问题、解决问题的实际能力。

4.2 考核方法

每个实验成绩采用满分100分评分,加权法计算总成绩:

总成绩=基础性、验证性实验成绩×60%+综合性、创新性实验成绩×40%

5 结语

我们在该课程实践课程体系改革与实践的过程中,坚持“针对性、实用性、先进性”原则,采取工学结合,“教、学、做”一体化教学模式形成了一套比较科学的课程体系。课程定位准确,多年来的教学实践证明,效果良好。

参考文献

[1] 刘涛,姜一兵.PLC技术实验实训指导教程.安徽大学出版社,2008.7.

[2] 何强,单启兵.可编程序控制器应用.中国水利水电出版社,2010.3.

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关键词：校企合作；人才培养；行业发展；创新

作者简介：俞林（1979－），男，江苏姜堰人，无锡职业技术学院讲师，江南大学硕士研究生，研究方向：跨国公司与国际投资、教育管理。许敏（1980－），女，江苏无锡人，无锡职业技术学院讲师，高教硕士，研究方向：计算机软件技术、教育管理。

中图分类号：G712文献标识码：B文章编号：1001－7518（2008）04－0015－04

高职教育必须紧紧依托行业和企业办学，“产学研结合是高职教育发展的必由之路”。但是在目前国家财政投入和宏观激励政策都很有限的情况下，如何赢得企业和社会的支持，形成校企合作的长效机制，是制约高职教育进一步发展的重点和难点。通过总结我院（无锡职业技术学院）多年来校企合作的经验，结合企业发展新趋势，学院本着“服务、互动、双赢”的校企合作理念，细分合作市场、建立合作平台，在为企业服务的过程中实现了校企互动、双赢，有力推进了我院的人才培养工作，提升了办学水平。

一、结合自身特点，探索校企合作新模式

为了培养适应社会需要的高技术应用型人才，我院早在上世纪90年代就借鉴国（境）外职教成功经验，创建了集教学、实训、培训与技术服务于一体，体现产学合作理念的工业中心，并在此基础上逐步向外拓展，先后与众多大中型企业签订合作协议，共建实训基地，通过互利互惠、共同发展的方式，推进校企合作工作跨上新台阶。学院以“建立利益共同体”为基础，与合作企业一起探索能够实现共生发展、校企双赢的管理体制与运行机制，确立了“五个共建”的校企合作新模式，使校企合作向纵深推进，促进学院人才培养工作。

（一）共建“队伍”

通过校企共建，着力打造一支新型的“双师型”师资队伍。一方面，积极引进在企业工作的技术专家和技术能手充实教师队伍，同时聘请企业及社会上经验丰富的名师专家、高级技术人员、技师和能工巧匠作为兼职教师，扩大“双师型”队伍数量。另一方面，加强在职教师实践技能的培养，重点培养具备专业带头人、专业骨干教师潜质的中青年教师，帮助他们尽快成长。

（二）共建“基地”

按照专业建设和提高人才培养质量的要求，着眼于培养学生的实践能力，学校与企业互动，建设一批融实践教学、职业技能训练与鉴定考核、职业资格认证与职业素质培养等诸多功能于一体的校内外实践教学基地。加大投入，建设高水平的校内实践实训基地，满足基本的校内实践教学。有效地利用企业捐赠的设备，使实训室车间化、工厂化。充分发挥校外实践实训基地的作用，聘请各类素质高、能力强的技术人员作为学生实习的指导教师，提高学生的实践能力。

（三）共建“计划”

与企业共同制订人才培养计划。通过专业建设指导委员会，聘请行业、企业领导和专家参与各专业人才培养方案的制订或修订工作，认真听取行业、企业专家的意见和建议。在人才培养目标上，由校企合作委员会商定；在人才培养方案、课程设置上，有专业指导委员会参与；在专业理论课教学中，聘请企业技术骨干担任兼职教师参与指导；在技能训练和实践环节中，以企业车间、实验室、研发中心、教学工厂为基地；在顶岗实习、就业安置过程中，以合作企业为主体。这种校企密切合作、企业全过程参与的人才培养计划，为职业院校培养优秀人才提供了有力保障。

（四）共建“课程”

校企双方按照人才需求设置课程。学院紧紧围绕企业的生产实际和企业对人才的需求规格标准，大胆进行课程改革，以各专业校企合作委员会为平台，聘请企业领导、技术骨干参与课程改革。同时对专业进行职业岗位工作分析，按照企业的工作流程、岗位技能和综合素质的要求，确定课程结构、选择课程内容、开发专业教材，将企业最需要的知识、最关键的技能、最重要的素质提炼出来，融入课程之中，确保了课程建设的质量。

（五）共建“课堂”

职业教育是以能力为本位的教育，而大多数的职业能力只有在真实的环境和实践中才能形成。一方面，从行业、企业聘请一大批具有丰富实践经验的兼职教师，定期或不定期给学生授课、开设讲座、作学术报告，把来自经营管理第一线的最新知识、最新技术、最新经验传授给学生。另一方面，企业为学校提供一大批校外实习基地，并由企业的业务骨干、技术能手、管理精英担任实习指导教师，指导学生写毕业论文和进行毕业设计。从而形成校企合作共建课堂、共同培养高素质技能型人才的机制。

二、兼顾四方利益，构建校企合作长效机制

产学研结合,是高职院校培养适应生产、建设、管理、服务第一线所需要的高技能专门人才的重要途径。目前,校企合作培养高技能人才尚无法律保障和政策支持,多数高职院校的校外实习实训基地流于形式,学生实践教学难以按计划付诸实施,严重影响了高职院校人才培养目标的实现。在目前社会环境背景下,高职院校与企业有效合作,真正实现产学研紧密结合,必须从以下四个方面构建长效机制。

（一）利益机制：驱动校企进行通力合作

企业与高职院校都是利益主体。企业最根本的目标是盈利。凡是能够有助于企业合法盈利的行为与合作都会受到企业欢迎,否则,迟早会被企业拒绝。我院正是基于这样的认识,以适应企业需求、争取给企业带来利益作为出发点与企业进行合作。一是根据企业用人需要适时调整实践教学计划。“五・一”、“十・一”、春节长假期间是商品销售旺季,商店迫切需要增加销售及与之相关的人员,我院组织工商企业管理、市场营销、财务管理、国际贸易等专业学生去企业顶岗实习,一方面解决企业人力资源紧张的燃眉之急；另一方面,业务越繁忙,越能培养学生的职业情感、职业道德、职业素质和职业能力。二是适应企业生产流程需要,实行弹性学制。现代化流水线生产是连续不间断的,学生顶岗操作客观存在一个由不熟练到熟练的过程,如果学生顶岗操作时间过短,学生熟练了就走,只能给企业带来麻烦而不能带来利益；如果顶岗操作时间长,既可以保证产品质量,又可以为企业节约人力成本(企业付给学生报酬远远低于职工报酬)。为满足企业需要,我院将物流管理、电工电子等专业实践教学时间进行综合,每次连续安排时间不少于3个月,受到了企业的欢迎和好评。三是为企业提供智力支持。如帮助企业培训员工和中层干部,对员工进行职业技能轮训与鉴定,接受企业委托的项目研究与开发,和企业一起进行产品开发和营销策划等。四是提供优秀毕业生。学院毕业生优先让合作企业选择,进入毕业实习阶段的学生根据企业需要和毕业生意愿,直接签订就业协议。企业在校企合作中尝到了甜头,获得了利益,必然强化长期合作的动机与动力。而校企长期友好合作的最大收益者还是学校,因为它帮助学校履行了培养高技能专门人才的职责。

（二）激励机制：促进校企合作全面开展

建立激励机制的目的在于调动校企双方合作培养高技能人才的积极性,巩固和发展校企合作的成果。一是成立由高职院校和企业负责人及有关专家参加的专家委员会,由专家委员会制订专业人才培养目标,共谋人才培养模式和专业教学计划,充分发挥校企两个优势,共同实施人才培养方案。二是校企双方相互兼职。企业负责人及有关领导兼任学校副校长或系部副主任,学校领导兼任企业副职或有关车间(部门)副职。三是聘请企业有关专家和富有丰富实践经验的师傅为学校特聘教授或实习指导老师并发给相应的聘任证书。四是在国家政策允许的范围内向企业有关兼职人员、特聘教授、实习指导老师支付一定的报酬,使得他们劳有所得。五是制订合作企业、兼职人员奖励制度,对于合作好的企业、兼职教授(教师)给予奖励,并通过有关媒体宣传报道。六是符合教师任职条件,且企业与本人愿意的,调入学校从事高职教育工作,以促进“双师”型教师队伍建设,改善教师的知识、技能结构。七是将具有教学能力、曾担任学校兼职教师的企业退休的老职工返聘至学校担任校内实习指导老师,充分发挥他们的余热。

（三）约束机制：规范校企合作健康发展

有激励就有约束,有约束才有规范,才有校企合作的健康发展。具有长效机制的校企合作不是一方对另一方的施舍、帮助和支持,而是双方共同履行责任和义务。为此,双方必须受到法律、制度和道德约束。法律约束是通过双方签订具有法律规范的协议,在协议中明确规定双方的权利义务以及违约责任。比如,学校在协议中承诺某某时间要派多少人去企业顶岗实习多长时间,企业已将此内容纳入生产计划,如果到时学校不能履约,导致企业生产损失,必须按协议赔偿。再如协议规定学生到企业顶岗实习期间,安全保障由企业负责,一旦发生安全事故,企业必须按照协议赔偿解决。没有符合法律要求的协议约束,就没有校企合作的长效机制。在法律约束框架下,企业与学校都要完善相应的管理制度,强化制度约束的力度。如实习实训基地管理制度、特聘教授和兼职教师管理制度、学生实习实训管理制度、学生实习期间劳动管理制度、学生实习期间违规违纪管理制度等,通过完善制度规范校企合作行为和学生实习实训行为。不仅如此,还要强化道德约束。校企合作双方都要按照合作共赢原则加强道德教育,使得校企双方在合作过程中符合双方的利益要求、制度要求和道德要求。特别是学校要把企业作为友好合作伙伴和自身利益共同体,竭力维护企业利益和形象,使其成为学校不可缺少的组成部分。要明确规定派到企业实习实训的学生,自然成为企业一员,融入企业文化之中,按企业规定和职业道德要求履行自身职责。任何把自己置身于企业之外,或把自己当成实习生而游离于企业,都会给企业带来损失,都是一种不道德的行为。我们经常看到,有学校学生到企业实习,工作马虎、行为随便、不遵守职业道德,结果既损害了学校形象,也损害了学生形象,导致校企合作意愿丧失。

（四）情感机制：奠基校企合作长效机制

校企合作过程始终是人际交往、感情沟通的过程。特别是企业在人才培养缺乏法律规定和政策优惠条件下,推动校企间合作的动力首先来自于人的情感。某企业领导者与学校领导是同乡、同学、战友、朋友,可以带来两者亲密无间和友好合作。情感永远是校企合作的动力源和剂。情感机制是校企合作长效机制体系的重要组成部分。构建情感机制,一要加强校企信息交流和沟通。涉及学校改革发展的重大事件、重要政策调整和人动等信息及时向企业,使企业感到学校对他的重视；同时,关注企业发展变化,并及时给予信息回应,如企业开发了新产品、任命某一负责人,学校及时予以祝贺；企业遇到困难,积极帮助解决。二要重视相关人员的相互交往。交往产生感情,升华彼此关系。如学校经常走访校企合作的相关人员,定期不定期召开校企合作相关人员参加的座谈会,讨论解决合作办学中存在的问题；节日上门慰问，特别是教师节,让专家委员会成员、特聘教授和兼职教师享受与本校老师一样的待遇。三是经求校企合作相关人员意见,诚恳接受并积极改进校企合作工作。四是按照以人为本的原则充分尊重与校企合作相关人员的劳动,关心其疾苦,帮助解决他们所遇到的困难和问题,使他们切身感受到自己是学校一员。一旦企业相关人员对学校及校企合作工作产生了感情,校企合作就有了稳固的基础和较高的质量,高技能人才培养也就落到了实处。

三、强化校企合作，推进学校和行业(企业)共同进步

通过校企合作，双方优势互补，在为企业创造良好效益的同时，也拓展了学校产学研结合的渠道，提升了学校的办学实力。

（一）依据需求提供服务，为企业创造了良好的效益

近几年，学校共完成企业技术开发、技术服务和技术咨询等60多项。如数控技术中心为中小企业解决了产品制造工艺编制、设备采购的技术参数和市场价格咨询等问题；模具工作室为中小企业解决技术难题，开发了高难度模具，参与新产品的试验工作；汽车电控技术工作室帮助企业完成了新电子控制技术产品开发的试验分析等前期工作；信息工程系为多家单位建设网络、开发管理程序等等。这些项目不仅促进了企业技术进步，还为企业创造直接经济效益3000多万元。

学校每年都有大量的优秀毕业生为合作企业录用，并成为业务骨干或管理骨干。学校还依托产学合作基地和职业技能鉴定所，主动帮助企业培训员工，承担了11个工种初、中、高级技术等级鉴定和5个工种的技师培训。近年来，学校共为企业培训员工达6500多人次，为社会培训高级工、技师、高级技师等达1530多人次，深受企业的欢迎。

（二）促进了教学改革，提升了学校竞争实力

一是推进课堂教学改革，提高人才培养水平。如信息工程系利用华为3COM和港湾网络公司提供的网络设备，精心组织校本教材开发，并推广项目教学法；制冷专业利用海尔服务中心实现课堂、车间一体化，开展现场教学等。2002年学校被评为“江苏省职业教育工作先进单位”，毕业生就业率一直保持在98%以上，连续3年被省政府授予“江苏省毕业生就业先进单位”。最近又被教育部等七部委授予“全国职业教育先进单位”称号。

二是拓宽师资来源渠道，强化实践教学环节。我们聘请合作企业200多名工程技术人员作为兼职教师,与学校教师相互融合，共同指导学生，既提高了实践教学质量，又提高了教师实践能力，加强了“双师”队伍建设。在2003年江苏省高校创新制作大赛中我校作为省内唯一参加的高职高专院校代表队获一等奖；近两届毕业生获得高级工证书的人数达800余人，并有9人获省大学生优秀毕业设计一、二、三等奖；学生科技兴趣小组在产学基地开展科技创新制作活动，大大提高了创新能力与实践能力；学生机器人科技小组制作的机器人参加2002～2006年科技部、教育部和中央电视台举办的“全国大学生CCTV机器人大赛”中，学院作为唯一连续五届参赛的高职高专院校代表队，两次进入十六强，两次获最佳风格奖等；学生科技制作兴趣小组发明的正弦信号发生器、悬挂控制系统两个项目获全国大学生电子设计竞赛江苏赛区二等奖；大学生数学建模项目获全国大学生数学建模竞赛江苏赛区二等奖；下肢减重康复机械手项目获第一届江苏省大学生机械创新设计大赛三等奖。

三是促进了专业、课程、教材建设，提高了教科研水平。我们通过与企业合作，已建成2个国家级教学改革试点专业、3个江苏省特色专业、6门国家精品课程、10门江苏省优秀课程、2本江苏省高校精品教材和2本省级精品重点立项教材。2003年以来，学院教师编写各类教材108本，其中专著2本、主编38本、主审9本、自编校本教材35本。“十五”期间完成省部级及以上课题研究10多项、院级科研项目近100项，其中2项分别获得江苏省教学成果一、二等奖；师生自己动手开发了25套高级教具，其中“产学结合型柔性制造系统”经江苏省专利委鉴定，确认为填补了国内空白。

参考文献

［1］陈解放.“产学研结合”与“工学结合”解读[J].中国高教研究，2006，（12）.

［2］李忠华，姚和芳.构建校企合作人才培养模式的时间与探索[J].中国职业技术教育，2006，（12）.