前言
机电一体化技术是将机械技术、电工电子技术、微电子技术、信息技术、传感器技术、
接口技术、信号变换技术等多种技术进行有机地结合，并综合应用到实际中去的综合技术。
是现代化的自动生产设备几乎可以说都是机电一体化的设备。可编程控制器 PLC 是一种具
有很强的抗干扰能力、高的可靠性、高的性能价格比且编程简单的控制设备。基于它的突出
优点，它广泛地应用到工业控制领域及其他诸多领域中。因此，培养掌握机电技术、掌握 PLC
技术在技工学校教育中相当重要。
在综合应用这些技术时，要根据系统的功能目标和优化组合结构的目标，合理配置布局
驱动机构、控制机构、传感检测机构、执行机构等，并使它们在微处理单元的控制下协调有
序地工作，在机地融合在一起，达到物理一能量的有序运动，因此，机电一体化技术在高性
能、高质量、高可靠性、低能耗上实现特定功能价值的系统工程。
机电一体化的主要技术特征有以下几点：
（1）机械技术、电子技术和信息技术的彼此功能交互，大多以机械系统的高级微机控
制的形式出现。
（2）在一个具体的物理单元中，在不同子系统空间上的集成。
（3）机电一体化系统的控制功能智能化。越来越先进的控制功能取代了许多操作人员
的推理和判断。
（4）柔性化使得机电一体化产品能够灵活地满足各种要求，适应各种环境。
（5）采用微处理器控制的系统，易于增加或改变功能，无需增加硬件成本。
（6）控制功能采用电子技术、微电子技术、微机控制技术来实现，因此，对用户来说，
机电一体化系统的内部运行机制是隐蔽的。
（7）在机电一体化技术中，设计思想方法与制造技术紧密联系在一起，它们是并行发
展的。
基于上述机电一体化特点，由我校自主设计、制造了模块化生产加工系统（MPS）。该
模块化自动生产线（MPS）在教学过程中具有以下特点：
（1）MPS 系统是专为训练工业现场的自动化生产制造技术而设计的。
（2）通过本系统的训练，学生将理论与实际相结合，可以掌握自动化生产系统的设计、
制造、运行、维护维修等技能。
（3）本系统采用敞开式安装、模块化形式，各模块便于教学、易于搭建、拆卸和维护。
（4）通过本系统的学习，学生可以获得气动、电气动、工程控制、传感器和电子方面的
知识。
通过实训，使学生所学到的专业知识得到了充分的综合应用的同时，学生的学习能力、
独立思考能力、组织能力等综合能力及创新精神和团队合作精神得到了全面的锻炼和提高。
该模块化生产加工系统（MPS）适用于《可编程控制器 PLC 及应用》、《传感器及应
用》、 《自动机与自动线》 《气动控制技术》、《自动控制技术》、《机械基础》、《电气设备
维修》、《接口技术》等多种课程的理论、实验、实习教学需要。
系统能自动完成自动供料、取料、装配的功能。其外形如图 所示，结构如图 所
示。其功能是自动供料单元 1、2 中自动送出凹型和凸型工件，然后通过机械手单元和转运
机械手单元将其在送出工作站进行组装，并通过送出工作站把工件送出到料槽完成工作，或
把组装完成的工件送到与该系统配套使用的传送带分拣工作站中继续工作过程。
图 模块化自动生产加工系统（MPS）外形图
图 模块化加工生产系统（MPS）结构图
该系统在市场同类产品主要有费斯托（FESTO）公司出品模块化生产加工系统。由于我
校已购买费斯托（FESTO）系统，该系统在教学过程中有以下无可比拟的优点：
（1）制作工艺精良
（2）演示功能完善
（3）系统设计美观
但应用到实验、实习教学有明显的缺点：
（1）功能单一。由于系统是标准的模块化设计，用户只能按原设计进行安装、调试、
运行，不能修改、运行新的模式，对教学有所限制。
（2）系统价格过高。能满足一般教学大纲需要的组合——五个工作站大约需 40 万，必
然应用影响设备的使用率和普及率。
（3）与课本内容没有直接的联系。可编程控制器 PLC 程序在课本上没有相应的程序和
说明。
（4）使用成本高昂。系统大部分零、部件损坏后只能由原厂提供、更换，购买过程必
然导致教学的停顿，而且购买价格高昂，如一个模/数转换装置要价 6000 元。所以很多学校
购买后只用于生产加工过程演示及理论教学的示教作用，如进行实验、实习教学就要求任教
教师必须有较高教学的能力。
（5）不便于观察电、气控制过程。工作区与控制区分别安装在系统的上部和下部，这
样 PLC 的控制过程、运动部件的运行过程及调试过程就不能直观显示 。
模块化自动生产线（MPS）系统与同类产品比较具有以下优点：
（1）方便实现各种控制功能。由于所有零、部件均采用浮动式设计，经过调整就可实现
不同工件的组装、单机械手搬运、双机械手转运等多种工序，通过安装不同品牌、型号的 PLC
设计不同的 PLC 程序控制，以及各种传感器均可在设备上应用其中，为学生提供了无限的
想像力。
（2）成本低廉。本系统从采购到加工，只需 1 万元，而市场上购买同时具有二个功能的
设备需 13 万元。便于推广，作为日常教学设备。
（3）与教学内容相适应。机械手控制是所有 PLC 课本的范例，在教学中与课本配合使
用，进行直观教学。
（4）使用成本低。由于自主设计、采购、加工、装配。所有的零、部件均为标准化工业
元件，损坏率低。而且在市场购买容易，价格低廉，任何教师均可使用。
（5）便于观察。电、气的控制部分。均安装在面板上，过程由指示灯、电脑显示屏直观
地显示便于观察运行过程及调试过程。
模块化生产加工系统（MPS）教学设备体现了机电一体化技术的实际应用，MPS 是一
套开放式的设备，用户可根据自己的需要选择设备组成单元的数量、类型，而每个单元由可
编程控制器 PLC 控制。利用该系统，可以模拟一个与实际生产情况十分接近的控制过程，
使学习者在一个非常接近于实际的教学设备环境，使学习者在学习过程中很自然地就将理论
应用到了实际中，实现了理论与实践的完美结合，从而缩短了理论教学与实际应用之间的距
离。
第一部分 气动控制部分
一．机械手单元
1．机械手单元的结构及工作过程
机械手移送工件的机械系统及其结构如图 所示，用于将工作台 A 点的工件搬运到工
作台 B 点上。机械手的全部动作由电磁阀控制气动系统工作。其上升/下降、左移/右移运动
由电磁阀控制，其位置由磁性传感器检测，夹紧使用电磁阀控制气爪，使用压力传感器检测。
即当下降电磁阀通电时，机械手下降；当下降电磁阀断电时，机械手停止下降，但要保持现
有的工作状态。在上升电磁阀通电时，机械手上升；当电磁阀断电后，机械手停止上升。夹
紧电磁阀线圈通电时，机械手夹紧；线圈断电时，机械手放松。
图 机械手控制单元结构及移送工件的动作过程图
2．机械手单元气动元件种类及结构符号
（1）导向气缸
导向气缸的外形、结构及符号如图 所示，导向气缸的应用如图 所示。
DPZ-250 双作用双活塞式气缸，行程长度 250mm，用于机械手单元 X 轴的左右伸缩，
双活塞气缸是由两个活塞进行驱动的， 因此在相同高度的情况下能产生 2 倍于标准 气缸的
推力。
DPZCJ-80 双作用双活塞式气缸，行程长度 80mm，用于机械手单元 Y 轴的上下伸缩，
其特点是该气缸结构简单，将导轨和气缸做于一体。
图 导向气缸的外形、结构及符号
图 导向气缸在传输系统中的应用
（2）气爪气缸（用于内抓或外抓工件）气爪外形、结构及其符号如图 所示。
Festo 标准气爪是用于搬运及装配技术的 系统产品。其特点
- 双作用活塞驱动、自对心；
- 不同的夹紧方式: 向外夹紧，向内夹紧；
- 可以以多种方式和其它驱动器进行结合；
- 采用霍尔传感器或接近式传感器进行 位置感应；辅件安装如图 所示。
- 采用外部夹头，易于实现多样性。
图 HGD-50 气爪外形、结构及其符号
图 HGD-50 辅件的安装方法
1-标准气爪，2-气爪手指，3-安装螺钉，4-传感器。
二．转动机械手单元
1．转运机械手单元工作过程
转动机械手单元结构及动作过程如图 所示。其工作是从供料站 2 中取出工件安装到
机械手单元送来的工件上端完成装配过程。
图 转动机械手单元结构及动作过程图
2．转运机械手单元
（1）DPZCJ-80 双作用双活塞式气缸，行程长度 80mm，用于机械手单元 Y 轴的上下伸缩，
其特点是该气缸结构简单，将导轨和气缸做于一体。
（2）平行气缸（用于内抓或外抓工件）如图 所示。
Festo 标准气爪是用于搬运及装配技术的 系统产品，其特点
- 双作用活塞驱动，自对心；
- 不同的夹紧方式: 向外夹紧，向内夹紧；
- 可以以多种方式和其它驱动器进行结合；
- 采用霍尔传感器或接近式传感器进行位置感应；辅件的安装方法如图 所示；
- 采用外部夹头，易于实现多样性
图 HGP-32-A 气爪外形、结构及其符号图
图 HGP-32-A 气爪的辅件的安装方法
1-标准气爪，2-气爪手指，3-安装螺钉，4-定位销，5-传感器。
（3）叶片式摆动气缸
DSM 叶片式摆动气缸外形紧凑，占用空间小。 驱动力通过旋转叶片直接传送给驱动轴。
可调式止动系统和旋转叶片分离，以便于固定限位挡块或液压缓冲器来吸收所受到的力。此
外，旋转叶片 还能通过终点位置的弹性垫获得辅助缓冲。 止动块不能被移去，因为旋转叶
片本身不适合于作为终端位置限位挡块。驱动器背面还有刻度以方便行程调节。摆动气缸外
形、结构及符号如图 所示。
图 DSM-10-180-P 摆动气缸外形、结构及符号图
摆动气缸的限位有两种方法，方法一：使用传感器限位，安装方式如图 所示。方
法二：使用缓冲器限位，安装方式如图 所示。摆动气缸的固定安装方式有多种，如图
所示。
图 摆动气缸使用传感器限位的传感器形状及安装方式
图 摆动气缸使用缓冲器限位的安装形式
图 摆动气缸的固定安装方式
三．送出工作站
送出工作站示意图如图 所示。DFM-20 内置导轨双作用气缸，行程长度 20mm，用
于送出工作站推出工件到料槽完成任务或下站继续工作。其特点是紧凑、坚固、导向精确度
高。驱动器和导向单元被封闭在同一外壳内，并可根据具体要求选择安装普通轴承或是滚珠
轴承。
图 送出工作站示意图
四、供料站 1、2 组成
供料站的作用是将原料从料仓中推出，被机械手及转动机械手拿出进行组装，供料站所
用推出工件气缸 DSAA-10-P，如图 所示。长度为 100mm 的双作用气缸将工件自动推出，
供机械手单元及转运机械手单元供料使用。
图 DSAA-10-P 型气缸的外形及符号图
五、控制电磁阀
全气动系统采用紧凑型 CPE 型电磁阀控制。由于系统要求气动回路流量不大，所以选
择集成安装紧凑型电磁阀 CPE10-M1BH-5LS-M7 型及 CPE10-M1H-5/3G-M7 型两种。CPE 型
电磁阀具有以下特点：
- 阀岛 CPE-10 由各个高强度玻璃纤维加强的聚酰胺模块组成；
- 在基本组块和扩展组块中的 PRS 通 道可被封死，因此可形成不同的压力区；
- 两端都可接气源及排气通道，气口在 基本块或端块上；
- 可从尾端或顶端接入气源及排气通道；
- 卡口式连接，安装时无需螺丝；
- 安装选项: 单个安装, 导轨安装或板 壁式安装。
CPE10-M1BH-5LS-M7 电磁阀如图 所示。意义为：CPE（紧凑型）、M1BH（24 V DC ，
所匹配插座 KMYZ-9）、5（5 通）、L（单电控, 气弹簧复位）、S（不带先导）、M7（接口类
型 M7 螺纹）。该电磁阀的特点：流量大功耗小。
图 紧凑型 CPE10-M1BH-5LS-M7 型电磁阀外形及符号
CPE10-M1H-5/3G-M7 型电磁阀如图 所示。意义为：CPE（紧凑型）、M1H: （24 V
DC ，所匹配插座 KMYZ-6）、5（5 通）、3（3 位）、G（中封式）。M7（接口类型 M7 螺
纹）。
图 紧凑型 CPE10-M1H-5/3G-M7 型电磁阀外形及符号
CPE 阀另需配合专用 CPE10SC-PRS-8 气路板集中安装，如图 所示。该气路板可
安装 8 个 CPE 电磁阀作全过程控制。电源插座 KMYZ-9 如图 所示。
图 CPE10SC-PRS-8 气路板图 图 电源插座 KMYZ-9 图
气路板需配消声器 UC-M7 降低阀排气口的噪音，如图 所示。配接气路接头
QSML-M7-6，如图 所示。
图 消声器 UC-M7 外形及符号图 图 气路接头 QSML-M7-6 图
六．过滤、调压组件
过滤、调压组件型号采用 LFR-1-D-5M-DI-MAXI，外形及符号如图 所示。两联件
由过滤器、压力表、截止阀和快插接口组成，安装在可旋转的支架上。过滤器有分水装置，
可以除去压缩空气中的冷凝水、颗粒较大的固态杂质和油滴。减压阀可以控制系统中的工作
压力，同时能对压力的波动做出补偿。滤杯带有手动排水阀。
图 过滤、调压组件外形及符号
七．气动控制回路的安装要求
1．使用气动设备的注意事项：
（1）所有使用的气动配件必须为专用配件。不符合或质量不良的配件将对气动设备及场
内人士造成损害。
（2）在安装、移除、调整任何气动设备前，必须关闭气源，并将管内及设备的剩余气体
排除。这可避免误触气动开关而造成伤害。
（3）在使用气动设备前，请确认气源开关必须放在容易触及的位置。当紧急状况发生时，
便能立即关闭气源。
（4）开启气源或气动设备前，必须保证所有喉管及气动零件已经接驳良好及稳固，并肯
定所有人已经离开气动设备的危险范围。
（5）气管喷出的气体可能含有油滴，应避免向人或其它可能造成伤害的物体喷射。
（6）所有气动设备必须远离火源。
（7）请勿移除制造厂商所设置的任何安全装置。
（8）气管，接头与气源设备必须能够承受至少 倍的最大工作压力。
（9）切勿用压缩空气对准伤口及皮肤喷射，这会使空气打进血液而引致死亡。
（10）气动设备用后记紧关闭气源。
（11）气源气压输入气压不能超过 10Bar。
（12）必须安装空气过滤器，防止污染物进入系统。
（13）系统气压安装规定系统设置应在 5Bar 到 6Bar 之间，滤芯和水雾分离器根据说明
书进行维护。
2．安装工艺要求：
（1）气管和电线不能扎在一起。
（2）气管不能放入走线槽，移动的气管除外。
（3）气管和电线走线要求横平竖直，弯曲需尽量成半圆形。
（4）线卡子间距<50mm。
（5）相邻导线和气管间的线扎间隔必须少于 40mm±5mm 公差，且切口在侧面同一方向。
（6）需运动的气管及电线要给予足够的余量。
（7）线卡子的扎带头需在正中间，使用正确的扎线方法。
（8）其余扎带的扎带头需统一偏向一边。
（9）气管、导线应留有适当余量，且不能超出工作站范围用以调试。
八．机械部件整体拆装过程
1.拆卸步骤：
（1）使用斜口嵌剪断扎带，注意不要剪到气管及电线；
（2）使用一字螺丝刀，拆卸电路；
（3）从走线槽中取出所有气管及电线，气管单独放一起；
（4）使用内六角扳手拆卸元器件；
（5）元器件拆卸原则：由小及大，由上往下，先支后主干，先模块后细分；
（6）注意：拆卸前可先拟定拆卸步骤，并可适当做下记录和标记，尤其是气管及电线
的布局及相关工艺，重点是要求正确的使用适当工具，不要损坏元器件。
2．装配步骤：
（1）元器件装配原则：由大及小，由下往上，先主干后支路；
（2）先安装机械元器件并牢靠固定位置，再链接气路和电路，最后再绑线及扎扎带。
（3）传感器的作用范围及调整余量需考虑。
九．系统组装注意事项：
1．拆除铝合金底板上所有零部件后应把铝合金底板清洁干净，拆下零部件应有序放好，
并进行必要的清洁、整理。
2．零部件应按图纸各元件相应的位置尺寸进行安装。
3．使用工具应养成良好的放置习惯，工具及材料严禁放置在铝合金底板或地面上。
4．工具及材料应轻拿轻放，以防损坏。
5．光导纤维应最后连接，以防拆断。
6．安装确定没有工件在工作站上才允许通电试机。
7．符合装配安装工艺要求：螺丝+螺母+垫片。
第二部分传感器检测部分
人是靠视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉这些感觉器官来接受外界信息的，而一台光机电
一体化的自动设备在运行中也有大量的信息需要准确地被“感受”，以使设备能按照设计要求
实现自动化控制，自动化设备用于“感受”信息的装置就是传感器。传感器是实现自动化的关
键技术之一。
一．传感器的组成
传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装
置。通常由敏感元件、转换元件和转换电路及辅助电源部分组成。
1．敏感元件，是传感器中能直接感受或响应被测量的部分。
2．转换元件，是传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适用于传输或测量的电
信号的部分。
3．转换电路，是将转换元件输出的电参量转换成电压、电流或频率量的电路。
4．辅助电源，是用于提供传感器正常工作能源的电源。传感器的组成如图 所示
图 传感器的组成
二．机电一体化设备常用传感器的分类
作为实现传感功能的基本器件，传感器的分类方法很多，
1.按传感器能量变换关系进行分类
按能量变换关系，传感器分为发电型传感器和参量型传感器。
发电型传感器，又称为无源型传感器。无源传感器能将被测非电量转换为电参数的量输
出，其输出端的能量是由被测对象取出的能量转换而来的。它无能量放大作用，且要求从被
测对象获取的能量越小越好。这类传感器包括热电式传感器、压电式传感器、磁电式传感器、
电动式传感器等。
参量型传感器，又称为有源型传感器。参量型传感器能将非电功率转换为电功率，起能
量变换作用，其输出的电能量必须由外加电源供给，而不是由被测对象提供的。这种传感器
具有一定的能量放大作用。属于这种类型的传感器包括电阻式传感器、电感式传感器、电容
式传感器、霍尔式传感器等。
2.按传感器输入量(即被测参数)进行分类
按输人量分类，传感器以被测物理量命名，如位移传感器、速度传感器、温度传感器、
压力传感器等。
3.按传感器的输出量进行分类
按输出量分类，传感器可分为模拟式传感器和数字式传感器两类。模拟式传感器是指传
感器的输出信号为模拟量，数字式传感器是指传感器的输出信号为数字量。
4.按传感器工作原理进行分类
按传感器的工作原理为依据分类，可分为电阻应变式传感器、电容式传感器、电感式传
感器、压电式传感器、热电式传感器等。
三．电感式接近开关
1．电感式接近开关的基本工作原理
电感式传感器为信号发生器，它被用于在加工机械，机器人，生产线 以及传送带系统
中检测和功能相关 的动作,并将检测结果转换成电信号。它是以非接触的方式工作的。当有
金属物体接近规定的感应距离时，传感器会发出一个电信号。电感式接近开关就是利用电涡
流效应制造的传感器。
（1）高频振荡型电感式接近开关：
它以高频振荡器（LC 振荡器）中的电感线圈作为检测元件，利用被测金属物体接近电
感线圈时产生的涡流效应，引起振荡器振幅或频率的变化，由传感器的信号调理电路将该变
化转换成开关量输出，从而达到检测的目的。
（2） 差动线圈型电感式接近开关：
它有两个电感线圈，由其中一个电感线圈作为检测线圈，另一个电感线圈作为比较线圈；
由于被测金属物体接近检测线圈时会产生涡流效应，从而引起检测线圈中磁通的变化，检测
线圈的磁通与比较线圈的磁通进行比较，然后利用比较后的磁通差，经由传感器的信号调理
电路将该磁通差转换成电的开关量输出，从而达到检测的目的。
2．电感式接近开关的分类
（1）按工作电源的性质进行分类
①流型：采用交流电源供电，用于交流控制回路。
①流型：采用直流流电源供电，用于直流控制回路。
（2）按接线方式进行分类
①二线制 ①三线制 ①四线制 ①五线制 ① 六线制
（3）按触点的性质分类
①常开式 ①常闭式 ① 常开与常闭混合式
（4）按输出逻辑分类
①正逻辑型 ①负逻辑型 ①浮空逻辑型 ①混合型
（5）按外形分类
① 螺纹型 ① 圆柱型 ① 长方体型 ① U 型等
（6）按防护方式分类
① 防水型 ① 防爆型 ① 耐高温型 ① 耐高压型等
3．电感式接近开关的图形符号
接近开关通用符号如图 所示，电感式接近开关如图 所示。
图 接近开关通用符号 图 电感式接按开关图形符号
4．电感式传感器的特点
- 无机械磨损和撕扯动作，因此使用寿命长；
- 不会因灰尘或触点焊接在一起而出现故障；
- 无触点反弹，因此无切换故障；
- 切换频率高达 3000 Hz；
- 抗震；
- 安装位置随意；
- 黄色 LED 显示切换状态；
- 完全密闭，防护等级高。
5．电感式传感器在自动检测中的应用
由于电感式传感只能对金属起作用，在自动控制的应用可以应用在上例中进行检测白色
的金属或红色的塑料，又可以应用在流水生产线上检测金属工件是否到位。如图 所示。
当工件到位后自动输出一个开关量信号。用以控制计数器计数或下一个加工步骤等。
图 电感式传感器应用
四．电容式传感器
1．电容式接近开关的基本工作原理
在高频振荡型电容式接近开关中，以高频振荡器（LC 振荡器）中的电容作为检测元件，
利用被测物体接近该电容时由于电容器的介质发生变化导致电容量 C 的变化，从而引起振
荡器振幅或频率的变化，由传感器的信号调理电路将该变化转换成开关量输出，从而达到检
测的目的。 电容式接近开关能检测大部分的物质，如金属、橡胶等。
2．电容式接近开关的图形符号
电容式接近开关图形符号如图 所示。
图 电容式传感器应用 图 电容式接近开关图形符号
3．电容式传感器在自动检测中的应用
由于电容传感器根据其感应灵敏度可以检测不同材质的工件。如图 所示，在自动生
产线上可以检测出工件是否金属或塑料、塑料或瓷器等等，用以控制计数器计数或下一个加
工步骤等。
五．光电式接近开关
光电式传感器是用光电转换器件作敏感元件、将光信号转换为电信号的装置。光电式传
感器的种类很多，按照其输出信号的形式，可以分为模拟式、数字式、开关量输出式。
以开关量形式输出的光电传感器，即为光电式接近开关。
1．光电式接近开关
利用光电效应制成的传感器称为光电式传感器。光电式传感器的种类很多，其中输出形
式为开关量的传感器为光电式接近开关。
（1）光电式接近开关主要由光发射器和光接收器组成。
（2）光发射器用于发射红外光或可见光。
（3）光接收器用于接收发射器发射的光，并将光信号转换成电信号以开关量形式输出。
（4）按照接收器接收光的方式不同，光电式接近开关可以分为对射式、反射式和漫射式三
种。光发射器和光接收器也有一体式和分体式两种。
2．对射式光电接近开关
对射式光电接近开关是指光发射器（光发射器探头或光源探头）与光接收器（光接收器
探头）处于相对的位置工作的光电接近开关。其原理和外形如图 、图 所示。
图 对射式接近开关的工作原理
图 对射式接近开关外形图
3．反射式光电接近开关
反射式光电接近开关的光发射器与光接收器处于同一侧位置，且光发射器与光接收器为
一体化的结构，在其相对的位置上安置一个反光镜，光发射器发出的光经反光镜反射回来后
由光接收器接收。其原理和外形如图 所示。
图 反射式光电接近开关的工作原理及其外形图
4．漫射式（漫反射式）光电接近开关
漫射式光电接近开关是利用光照射到被测物体上后反射回来的光线而工作的，由于物体
反射的光线为漫射光，故该种传感器称为漫射式光电接近开关。 其原理和外形如图 所示。
图 漫射式光电接近开关的工作原理及其外形图
5．光纤式传感器
光纤电缆由一束玻璃纤维或由一条或几条合成纤维组成。光纤能将光从一处传导到另一
处,甚至绕过拐角处。其 工作原理是通过内部反射介质传递光 线。光线通过具有高折射率
的光纤材 料和低折射率护套内表面,由此形成的 光纤在光纤内的反射式传递。
光纤由芯部(高折射率)和护套(低折射率)组成。在光纤内,光被不断来回反射, 产生全内反射,
因而光能通过曲线路径。光纤式传感器外形如图 所示。
图 光纤式传感器外形图
6．光电式接近开关的图形符号如图 所示。
图 光电式接近开关的图形符号
7．光电传感器在自动检测中的应用
（1）对射式光电传感器应用
用两个对射式光电传感器检测传送带的张力，如图 所示。在正常情况下，传送带
的传送速度应保持一定的范围内，即 V1 和 V2 的带速度应为一致。即传感器 A 有信号，B
没有信号。如果在某一时刻 A 和 B 都有信号，这就表明 V2 传送出现问题，这样会在送入和
输出机构之间出现带子重叠，这个时候必须减小送入带速 V1。如果在某一时刻 A 和 B 都没
有信号，这就表明了 V1 的送入速度出现问题，这就应相应地增大 V1 或减小 V2 的速度进
行控制。
图 对射式光电传感器应用
（2） 反射式传感器应用
使用反射式传感器来控制大门的开、闭。如果传感器检测到可感应的介质工件经过，则
有相应的信号输出，如图 所示。
图 反射式传感器应用
（3） 漫反射式光电传感器应用
在一个产品分类站上，不同表面特性和不同颜色的产品（介质）要区分开来，这可以用
一个漫反射式光电传感器来检测。如图 所示。如同时使用三种不同的颜色的产品，白
色的金属、红色的塑料和黑色的塑料。根据工件颜色反射的的不同可以区分出白色和红色，
以及没有反射的黑色，如再要区分金属和塑料则使用电感传感器就可以了。
图 漫反射式光电传感器应用
六．霍尔传感器
Festo 的霍尔传感器为微型和精密气爪而特殊设计,它们只用一个传感 器和一个电子信
号值比较单元检测 三个气爪位置。采用霍尔传感器时 SMH-AE1-…-M12 电子信号值比较单
元是必需的。这个单元允许通过电位计独立设定三个开关点，这三个开关点能够作为三个电
子信号分 接到电子信号值比较单元的五针 M12 插头上。
气爪活塞上集成有磁铁，随着距离 的变化磁场强度也在发生变化，于是传感器产生一
个模拟量电信号（与磁场强度成比例关系），通过信号值比较单元模拟量信号被转换成 数字
量信号。霍尔传感器符号如图 所示。
图 霍尔传感器符号
七．电子式行程开关
1．Festo 的接近式传感器
Festo 的接近式传感器为位置传感器，是专门为 Festo 驱动器而配套设计的。这些传感器
可直接安装于驱动器上也可通过特定的安装附件进行安装。只有在驱动器的活塞上加上永磁
体，才能使接 近式传感器工作。
接近式传感器在气缸上的位置可以通过机械方式加以调整并固定。一旦气缸活塞 回复
到这一位置，切换信号的状态就会发生变化。电子式行程开关外形及符号如图 所示。
图 电子式行程开关外形及符号
2．电子式行程开关位置控制装置
为了知道气缸活塞的两个绝对位置（最内端和最外端），就可以用两个磁感应传感器来
检测。如图 所示。在气缸活塞环上，包有一层永久磁铁。当活塞往外运动到最外端时，
传感器 A 就发出信号（一般传感器上有指示灯），当活活塞往内运动到最内端时，传感器 B
就发出信号。这样就可以检测气缸活塞的位置。
图 位置控制检测
八．压力传感器
压力传感器用于气爪夹紧力的设定和检测控制。压力传感器是压力开关和模块化压力传
感器系统，启动压力能进行调节。特点是：装配更方面，启动速度更快，显示更好（采用数
字式显示）。压力传感器外形及符号如图 所示。
图 压力传感器外形及符号图
九．传感器的连接方法
本单元机械零部件及气动控制回路安装无误后，进行电气回路的安装。电气回路由信号
输入回路和输出控制回路组成。信号输入回路主要读取运行过程中的各种位置及压力信号，
由各种传感器检测并转换为相应的开关量信号，通过 I/O 接线端口输入端用数据电缆连接
PLC 相应的 I 端口。输出控制回路是 PLC 输出端 O 端用数据电缆连接 I/O 端口再连接相应
的电磁阀从而控制各种功能的实现。
I/O 接线端口如图 所示，有 8 个输入端及 8 个输出端，每个输入、输出接线端上装
有 LED，可显示回路状态以及用于系统纠错。并且，在每一个端子旁都有数字标号，以说
明端子的位地址，是 PLC 与输入、输出设备连结的桥梁。接线端口通过导轨固定在铝合金
板上。
图 I/O 接线端口
十．使用电器设备的注意事项
1.电气插座不得过荷。
2.在修理或调试设备前，应先切断电源。
3.不使用设备时应切断电源。
4.所有电气设备必须接地线。
5.切勿在手湿时接触电器设备。
十一.电气回路连接安全规则
1.电气连接完成前不能通电。
2.在安全电压下操作，工作电压 24VDC。
十二 .模拟检测
电气回路连接完毕检查无误，应使用数字量仿真盒（SIMBOX）连接 I/O 接线端端口模
拟控制全过程进行试运行。数字量仿真盒如图 所示。数字量仿真盒具有模拟 MPS 工作
站或 PLC 输入信号，显示输出信号数字的功能，可完成下列操作：
1．测试 PLC 程序时，模拟输入。
2．设定输出信号（独立 24V 电源供电）进一步完成 MPS 工作站的操作。
图 数字量仿真盒
使用时把数字量仿真盒与 I/O 模块的电缆线接头连接，首先接通电源（暂不接通气源），
由于推料缸两端安装有磁感应开关在两个极限位置，在两个极限位置时，传感器上 LED 指
示灯、I/O 接线端口及数字量仿真盒相应指示亮，表示位置到达及能进行检测，磁传感器安
装位置可以进行调整。摆动气缸转位到达，I/O 接线端口及数字量仿真盒相应指示灯亮，如
调整微动开关的位置可使摆动气缸的转位角度改变。
接通气源，板动数字量仿真盒上相应的 O 输出开关，则控制相应气动动作。例如板动 O1
开关，将产生真空吸力，如吸附工件则真空检测开关 LED 指示灯、I/O 接线端口及数字量仿
真盒相应指示亮，表示已达到设定的真空压力。板动 O4 开关，摆动气缸摆向下一站。如此
将整个控制顺序与传感器输入信号指示模拟运行，并进行相应的调整，模拟运行如与设计一
致后可接入 PLC，实现全程序自动运行。
第三部分可编程控制器控制部分
该系统可安装三菱、西门子、欧姆龙、松下等各种型号的 PLC 进行控制。可编程序控
制器 PLC 如图 所示。是目前在自动控制领域中使用最广泛的控制装置之一。它是以微处
理器为基础，综合计算机技术与自动控制技术而发展起来的新一代工业控制器，具有逻辑判
断、计数、定时、记忆、算术运算、数据处理、联网通信、PID 回路调节、人工智能等功能。
PLC 以其优异的性能，低廉的价格和高可靠性等优点，在机器制造、冶金、化工、煤炭、
汽车、纺织、食品等诸多行业的自动化储藏中得到广泛的应用。
目前，可编程序控制器、集散控制系统和工业控制计算机这三类自动化控制装置几乎占
领了所有控制装置产品的市场。而在自动机与自动线中，可编程序控制器已成为首选的控制
装置。
（a）西门子机型 （b）三菱机 FX2N 型
图 可编程序控制器 PLC 外型图
在组装单元中机械手控制主要使用 PLC 控制，并配以传感器将现场状态反馈，实现全过
程自动控制。本说明书以三菱 FX2N-48 型作参考设计。
一．机械手移送工件动作过程
为便于控制系统调试和维护，控制系统有手动和自动控制功能，其控制面板如图 所
示。当手动/自动转换开关置于“手动”位置时，按下相应的手动按钮，可实现上升、下降、
左移、右称、夹紧、放松的手动控制。机械手停在任何位置时，转换开关置于“回原点”，按
下“原点”启动按钮，机械手自动返回原点位置。当机械手处于原位时，将手动/自动转换开
关置于“自动”位置时，进入自动状态。手动按钮无效。自动运行动作顺序如图 所示。动
作过程分为 8 步：从原点→①下降→①夹紧（T）→①上升→①右移→①下降→①放松（T）→①
上升→①左移到原点结束一个动作循环，时间（T）为可自定，本例为 1 秒。
图 机械手移动工件系统操作面板
图 机械手移动工件系统自动运行动作示意图
二．操作方式概念
设备的操作方式大致分为手动方式和自动方式，它们又可再分为其他运行方式，控制要
求如表 所示。另运行及紧急停止的按钮与 PLC 程序无关。用两个按钮使 PLC 与外部负
载电源接通（ON）或分断（OFF）。各区域如图 所示。
表 运行方式及控制要求
手动 用各自的按钮使各个负载单独接通或断开的方式。手
动 回原点 该方式按动回原点按钮时，机械自动向原点回归
单步运行 按动一次启动按钮，前进一个工步（或工序）
单周期运行 在原点位置按动启动按钮，自动运行一遍再在原点停止。若
在中途按动停止按钮就停止运行；再按启动按钮，从断点处开始
继续运行，回到原点自动停止。
自
动
连续运行 在原点位置按动启动按钮，开始连续的反复运行。若中途按动停
止按钮，动作将继续到原点为止才停止。
图 操作面板控制区域
（4）根据机械手控制设定 PLC 的 I/0（输入/输出端口），如表 所示 。
表 PLC 的 I/0（输入/输出端口）分配表
输入 输入 输出
输入继电器 作用 输入继电器 作用 输出继电器 控制对象
X001 下限位行程开关 X020 手动操作 Y000 下降电磁阀
X002 上限位行程开关 X021 回归原点 Y001 夹紧电磁阀
X003 右移限位行程开关 X022 单步运行 Y002 上升电磁阀
X004 左移限位行程开关 X023 单周期运行 Y003 右行电磁阀
X005 上升操作按钮 X024 自动连续运行 Y004 左行电磁阀
X006 左移操作按钮 X025 返原点启动 Y005 原点指示灯
X007 放松操作按钮 X026 自动启动按钮
X010 下降操作按钮 X027 停止按钮
X011 右移操作按钮
（5）根据图 所示控制过程画出 PLC 状态转移图如图 所示。
图 机械手状态转移图
（6）根据状态转移图画出梯形图如图 所示，指令表如表 所示。
图 机械手 PLC 控制系统梯形图
表 机械手 PLC 控制系统指令表
步序 指令 步序 指令 步序 指令
0 LD X004 35 SET S10 73 STL S22
1 AND X002 37 STL S10 74 OUT Y002
2 ANI Y001 38 RST Y001 75 LD X002
3 OUT Y005 39 RST Y000 76 SET S23
4 OUT M8044 40 OUT Y002 78 STL S23
6 LD M8000 41 LD X002 79 OUT Y003
7 IST X020 S20 S27 42 SET S11 80 LD X003
14 STL S0 44 STL S11 81 SET S24
15 LD X012 45 RST Y003 83 STL S24
16 SET Y001 46 OUT Y004 84 OUT Y000
17 LD X007 47 LD X004 85 LD X001
18 RST Y001 48 SET S12 86 SET S25
19 LD X005 50 STL S12 88 STL S25
20 ANI Y000 51 SET M8043 89 RST Y001
21 OUT Y002 53 RST S12 90 OUT T1 K10
22 LD X010 55 STL S2 93 LD T1
23 ANI Y002 56 LD M8041 94 SET S26
24 OUT Y000 57 AND M8044 96 STL S26
25 LD X006 58 SET S20 97 OUT Y002
26 AND X002 60 STL S20 98 LD X002
27 ANI Y003 61 OUT Y000 99 SET S27
28 OUT Y004 62 LD X001 101 STL S27
29 LD X011 63 SET S21 102 OUT Y004
30 AND X002 65 STL S21 103 LD X004
31 ANI Y004 66 SET Y001 104 OUT S2
32 OUT Y003 67 OUT T0 K10 106 RET
33 STL S1 70 LD T0 107 END
34 LD X025 71 SET S22
注：定时器 T 指令占用步数 3 步，状态 SET 指令占用步数 2 步。
三．机械手与 PLC 的 I/0（输入/输出端口）接线图如图 所示。
图 机械手与 PLC 输入/输出端子接线图
四．使用编程软件包（FXGP/WIN—C）对系统进行全过程监控
在程序编写完毕后，按设计要求调试电路。三菱编程软件 FXGP/WIN—C 具有监控功能，
用户可以实时观察触点、线圈、计数器、计时器等元件的状态来确定程序是否与设计相同。
选择[监控/测试]下拉菜单，如图 所示。
图 监控/测试对话框
（1）开始监控
选择[开始监控]，在 PLC 运行时通过梯形图程序显示各位元件的动作情况。可以实时观
察到元件的运行情况。屏幕上便会显示出各个触点、线圈等元件的状态画面，其中绿色表示
该元件处于接通状态，如图 7. 9 所示。
图 PLC 运行监控示意图
（2）元件监控
选择[进入元件监控]后输入要监控的元件，在 PLC 的运行过程中能观察到指定的元件的
动作情况。
（3）强制 Y 输出
在程序运行后，需强制某个输出端口（Y）输出 ON 或输出 OFF 状态时，可使用强制 Y
输出。点击[强制 Y 输出]，弹出对话框，如图 所示。设置元件及 ON/OFF 状态后，点
击确认，即可完成特定的输出。
图 强制 Y 输出对话框图 强制 ON/OFF 对话框
（4）强制 ON/OFF
强行设置或重新设置 PLC 的位元件状态。操作方法是进入强制 ON/OFF 菜单命令，显
示强制设置，重置对话框。如图 所示。设置完毕后单击[确认]，使特定的元件得到设置
或重置。
（5）改变当前值
在调试中有时需改变字元件的当前值，如定时器、计算器的当前值及存储单元的当前值
等。具体操作也是从[监控]——[测试]菜单中进入，选择[改变当前值]并在弹出的对话框中设
置元件及数值后点击“确定”即可。
五．摆动机械手的控制
摆动机械手的动作过程如图 所示，由 8 步组成：从原点→①伸出→①夹紧（P 压力
继电器）→①缩回→①左摆→①伸出→①放松（P 压力继电器）→①缩回→①右摆到原点结束
一个动作循环。由于动作过程与机械手相似，可参考机械手的可编程控制方法。
图 摆动机械手的动作过程图
六、全系统 PLC 控制程序
1．系统 PLC 接口说明
输入 X
端口 作用 说明 端口 作用 说明 端口 作用 说明
X0 启动/停止 开 关
00
X10 主后退到位 X20
X1 急停 开 关
01
X11 主前伸到位 X21 右摆到位
X2 主伸 开 关
02
X12 上升到位 X22 左摆到位
X3 主降 开 关
03
X13 下降到位 X23
X4 主夹紧 开 关
04
X14 主料仓压下工件 X24 副转 开关 10
X5 主进料 开 关
05
X15 副料仓压下工件 X25 副夹紧 开关 11
X6 主推料 开 关
06
X16 副后退到位 X26 副进料 开关 12
X7 副伸 开 关
07
X17 副前进到位 X27 副推料 开关 13
输出 Y
端口 作用 说明 端口 作用 说明 端口 作用 说明
Y0 副伸出 Y10 推出完成工件 Y20 灯 0 端口 00
Y1 主伸出 Y11 副料仓装工件 Y21 灯 1 端口 01
Y2 主下降 Y12 副推出工件 Y22 灯 2 端口 02
Y3 主压紧 Y13 副摆动 Y23 灯 3 端口 03
Y4 Y14 Y24
Y5 副夹紧 Y15 Y25
Y6 主推出工件 Y16 Y26
Y7 主料仓装工件 Y17 Y27
2．PLC 全功能程序
后续研发工作
本自动供料、自动送料以及自动组装是我校自行研发的模块化自动生产线（MPS）第一
套教学设备，在此基础上，可以后续研发以下独立系统为其配套使用：
（1）传送带分栋单元，能实现不同材料、不同高度元件的分栋工作；
（2）加工单元，对使用不同的材料元件自动进行钻孔、压紧等工序；
（3）自动仓库单元，对不同的材质的成品自动进行进仓管理。
通过本教学设备，提高学生的学习兴趣。使各科专业知识能全面认识、全面整合、互相
提升。
参考文献：
1．刘增辉主编.模块化生产加工系统.北京：电子工业出版社，
2．三菱微型可编程控制器 FX-PLC 说明书
