Chapter 1 Introduction of Industrial Automation/1

第1章 工業自動化簡介/1

1.1Pneumatics and Electropneumatics/1

1.1氣動學和電氣學/1

1.2Programmable Logic Controller/2

1.2可編程邏輯控制器/2

1.3Robotics/2

1.3機器人學/2

1.4Machine Vision/3

1.4機器視覺/3



Chapter 2 Pneumatics/5

第2章 氣動學/5

2.1Pneumatics Overview/5

2.1氣動學概述/5

2.2Production of Compressed Air/6

2.2壓縮空氣的產生/6

2.3Components of a Pneumatic System/7

2.3氣動繫統的組成/7

2.3.1Air Service Unit/8

2.3.1氣源裝置/8

2.3.2Pneumatic Actuator/8

2.3.2氣動執行器/8

2.3.3Directional Control Valve/10

2.3.3方向控制閥/10

2.3.4Flow Control Valve/12

2.3.4流量控制閥/12

2.3.5Pneumatic Circuit Diagram/13

2.3.5氣動回路圖/13

2.4Electropneumatic System Component/14

2.4電件/14

2.4.1Solenoid/14

2.4.1螺線管/14

2.4.2Switch /15

2.4.2開關/15

2.4.3Sensor/17

2.4.3傳感器/17

2.4.4Relay/20

2.4.4繼電器/20

2.5Design of Electropneumatic Circuit/20

2.5電氣電路的設計/20

2.6Latch Circuit/24

2.6鎖存電路/24

2.7Step Diagram/26

2.7階躍圖/26



Chapter 3 Programmable Logic Controller/27

第3章 可編程邏輯控制器/27

3.1Construction/28

3.1構造/28

3.2Memory/29

3.2內存/29

3.2.1Memory Type/29

3.2.1內存類型/29

3.2.2Memory Map/30

3.2.2內存映射/30

3.3Memory Element/30

3.件/30

3.4Operation of the PLC/32

3.4PLC的運行/32

3.4.1PLC Operating System/33

3.4.1PLC操作繫統/33

3.4.2Program Execution/33

3.4.2程序執行/33

3.4.3I/O Imaging/34

3.4.3I/O成像/34

3.4.4Cyclic Scanning/36

3.4.4循環掃描/36

3.5Input/Output（I/O）Module/37

3.5輸入/輸出（I/O）模塊/37

3.5.1Input Module/39

3.5.1輸入模塊/39

3.5.2Output Module/39

3.5.2輸出模塊/39

3.6Address List and Wiring Diagram/40

3.6地址表和接線圖/40



Chapter 4 Logic System and PLC Programming/42

第4章 邏輯繫統和PLC編程/42

4.1Logic Circuit/42

4.1邏輯電路/42

4.1.1AND Gate/42

4.1.1與門/42

4.1.2OR Gate/44

4.1.2或門/44

4.1.3NOT Gate/45

4.1.3非門/45

4.1.4NAND Gate/45

4.1.4與非門/45

4.1.5NOR Gate/46

4.1.5或非門/46

4.1.6XOR Gate/46

4.1.6異或門/46

4.2Input and Output/47

4.2輸入和輸出/47

4.3Programming Language/48

4.3編程語言/48

4.3.1Ladder Diagram/48

4.3.1梯形圖/48

4.3.2Instructional List Program/50

4.3.2程序指令列表/50

4.4Latch/52

4.4鎖存器/52

4.5Counter/54

4.5計數器/54

4.6Timer/55

4.6定時器/55



Chapter 5 Sequential Control/57

第5章 順序控制/57

5.1The Expressions of Automation Process/57

5.1自動過程的表達方式/57

5.1.1Relay Ladders and Logic Schematic/58

5.1.1繼電器梯形圖和邏輯示意圖/58

5.1.2Flow Diagram/58

5.1.2流程圖/58

5.1.3Function Diagram/58

5.1.3功能圖/58

5.2Sequential Function Diagram/58

5.2順序功能圖/58

5.3Sequential Programming/60

5.3順序程序設計/60

5.3.1Shift Register/61

5.3.1移位寄存器/61

5.3.2Programming a Shift Register/61

5.3.2移位寄存器的編程/61

5.4Example of Shift Register Programming/62

5.4移位寄存器編程實例/62



Chapter 6 PID Control/65

第6章 PID控制/65

6.1Introduction of PID Control/65

6.1PID控制簡介/65

6.2Proportional Control/67

6.2比例控制/67

6.3Proportional-integral Control/69

6.3比例-積分控制/69

6.4Proportional-derivative Control/71

6.4比例-微分控制/71

6.5Proportional-integral-derivative Control/73

6.5比例-積分-微分控制/73

6.6The Parameter Tuning of the PID Controller /74

6.6PID控制器的參數整定/74

6.6.1The Physical Meaning of the PID Parameters/74

6.6.1PID參數的物理意義/74

6.6.2The Method of PID Parameter Tuning/79

6.6.2PID的參數整定方法/79



Chapter 7 Robot/96

第7章 機器人/96

7.1Introduction of Robot/96

7.1機器人簡介/96

7.1.1Brief History of Robot/96

7.1.1機器人簡史/96

7.1.2Definition of Robot/97

7.1.2機器人的定義/97

7.2Key Components of Industrial Robot/98

7.2工業機器人的關鍵部件/98

7.2.1Robot Arm/98

7.2.1機械臂/98

7.2.2Controller/99

7.2.2控制器/99

7.2.3Teach Pendant/101

7.2.3示教器/101

7.2.4Monitor/Terminal/101

7.2.4監視器/終端/101

7.3Robot Specification/102

7.3機器人規格/102

7.4Programming in V /103

7.4V 編程/103

7.5Flow Diagram/106

7.5流程圖/106

7.6Robot Program/106

7.6機器人程序/106



Chapter 8 Vision System/111

第8章 視覺繫統/111

8.1Introduction of Vision System/111

8.1視覺繫統簡介/111

8.1.1Uses of Vision Systems/112

8.1.1視覺繫統的用途/112

8.1.2Outputs of Vision Systems/112

8.1.2視覺繫統的輸出/112

8.1.3Components of Vision System/112

8.1.3視覺繫統的組成/112

8.2Image Acquisition/113

8.2圖像采集/113

8.2.1Light Source/113

8.2.1光源/113

8.2.2Camera/115

8.2.2相機/115

8.3Image Processing/116

8.3圖像處理/116

8.3.1Image Digitization/116

8.3.1圖像數字化/116

8.3.2Stages of Image Processing/118

8.3.2圖像處理的步驟/118

8.4Data Obtain and Process/125

8.4數據獲取及處理/125

8.5Typical Vision System Algorithm Process/125

8.5典型視覺繫統算法過程/125

8.6Vision Limitation/126

8.6視覺局限性/126

8.7Vision Calibration/126

8.7視覺校準/126

8.8Image Processing in Matlab /126

8.8Matlab圖像處理/126



Chapter 9 Numerical Control Technique/128

第9章 數控技術/128

9.1Introduction of CNC Machine Tool/128

9.1數控機床簡介/128

9.1.1Definition of CNC Machine Tool/128

9.1.1數控機床的定義/128

9.1.2Composition of CNC Machine Tool/129

9.1.2數控機床的組成/129

9.1.3Working Principle of CNC Machine Tool/132

9.1.3數控機床加工的工作原理/132

9.1.4Features of CNC Machining/132

9.1.4數控加工的特點/132

9.1.5Classification of CNC Machine Tool/134

9.1.5數控機床分類/134

9.2Fundamentals of CNC Machine Tool Programming/138

9.2數控機床編程基礎/138

9.2.1Basic Concept of CNC Programming/138

9.2.1數控編程的基本概念/138

9.2.2Steps of CNC Programming/138

9.2.2數控程序編制的步驟/138

9.2.3The Method of CNC Programming/140

9.2.3數控程序編制的方法/140

9.2.4CNC Machine Tool Coordinate System/141

9.2.4數控機床坐標繫/141

9.2.5NC Program Format/144

9.2.5數控加工程序格式/144

9.2.6Program Segment Function Word/145

9.2.6程序段功能字/145

9.2.7NC Programming/148

9.2.7數控程序編制/148

9.3CNC Interpolation Principle/153

9.3數控插補原理/153

9.3.1CNC Interpolation Overview/153

9.3.1數控插補概述/153

9.3.2Linear Interpolation with Point by point Comparison Method/154

9.3.2逐點比較法直線插補/154

9.4Key Performance Indexes of CNC Machine Tool/159

9.4數控機床的主要性能指標/159

9.4.1Main Technical Specifications/159

9.4.1主要技術規格/159

9.4.2Motion Index/159

9.4.2運動指標/159

9.4.3Precision Index/160

9.4.3精度指標/160

9.4.4Tool System/161

9.4.4刀具繫統/161

9.4.5Other Indexes/161

9.4.5其他指標/161

9.5Development of the NC Technology/161

9.5數控技術發展/161



References/165

參考文獻/165

為了適應新時代高等院校機械類專業本科生源面向國際化的需求，在充分吸收相關學科發展的新理念、新知識、新方法、新手段的基礎上，我們編寫了本書，力求在內容和形式上體現機械制造自動化類人纔培養的要求與特點。

本書主要面向高等院校中外合作辦學的本科生（機械類）、留學生（機械類）以及機械類和自動化類專業方向的本科生，不但可為學生奠定堅實的機械、自動化方面的知識基礎，而且有利於提高學生的英文理解和應用能力，為培養國際型人纔打下良好基礎。

本書共9章。第1章概述工業自動化繫統；第2章介紹氣動學方面的基礎知識；第3～5章分別介紹可編程邏輯控制器（PLC）、邏輯繫統和PLC編程、順序控制方面的內容；第6章著重介紹PID控制；第7章介紹機器人方面的基本知識；第8章介紹視覺繫統方面的知識；第9章介紹數控技術。本書繫統性地介紹機械和自動化方面的基本概念、基本理論和實現自動化的基本方法，內容淺顯、易於理解，其主要特點包括：

（1）內容全面。本書內容不但涵蓋氣動學、電氣學、可編程邏輯控制、機器人、視覺繫統等常用的機械制造自動化知識，還重點介紹了工業中常用的PID控制、圖像處理技術、數控技術等，內容組織注重基礎性、繫統性，同時兼顧應用性、先進性。

（2）難度適中。本書內容以知識介紹為主，絕大多數知識點沒有深入展開，難度不大。同時貫徹少而精、理論聯繫實際、學以致用的原則，在介紹基本知識的基礎上，引入常見的應用案例，如氣動閥控制氣缸運動、工業繫統可編程邏輯控制、機器人運動控制等。

（3）編排合理。教材采用雙欄排版，左側英文，右側中文，有助於學生脫離中文環境而掌握自動化知識領域的英文表達。中文部分也非完全翻譯英文，重在指導學生理解英文內容。插圖生動而不失嚴謹，在保證自然科學嚴肅性的同時，有利於激發學生的閱讀興趣。

本書的第1～4章、第6章由楊貴超、Lucy McAuley、王華編寫；第5章和第9章由Lucy McAuley、方成剛、張浩、孫付仲編寫；第7章和第8章由Lucy McAuley、張浩、孫付仲、孟龍暉編寫。全書由楊貴超、Lucy McAuley、王華擔任主編並統稿。同時，感謝Paul Dillon給本書提供素材。

由於編者水平有限，書中難免有不妥之處，懇請廣大讀者批評指正。



編者

2020年10月