机电一体化系统设计教案.doc

_四 川 理 工 学 院 教 案课程名称机电一体化系统设计授课年级专业班级（1）机械设计制造及自动化（机电方向）机电本科2004级01/02/03班（必修考试）课程类型必修课（ ） 选修课（ ）考核方式考试（） 考查（）课程教学总学时数56学时学分数3学分学时分配理论课 56 学时； 实践课 0 学时；教材名称机电一体化系统设计作者张建民出版社及出版时间高等教育出版社2001年第 2 版2004年第 4 次印刷参考书目书 名作 者出版社及出版时间机械电子系统设计（英文版）Devdas Shetty机械工业出版社 2004年5月机电系统设计赵先仲机械工业出版社 2004年5月授课教师何 庆 中职 称教 授系机电工程系2007年7月章 节 名 称 第一章 总 论 第1.11.5节授 课类 别理论课（ ）；实验课（ ）教 学 时 数 4 学时教学目的及要求 了解和认知机电一体化（技术）的内涵、定义或解释，研究的主要目的和发展历史和方向；机电一体化系统设计研究的主要方向和应用特点；机电一体化系统设计的基本要素，以及与工业设计基本要素之间的关系；主要构成和功能特征；各基本要素相互联系的核心技术问题接口技术；机电一体化系统设计的基本流程、方法和评价体系。 教 学 内 容 提 要 备注（1）机电一体化（技术）的内涵、定义或解释原创性技术和变异性设计理念（2）机电一体化（技术）设计研究的主要目的在机械系统主功能、动力功能、信息功能和控制功能基础上，引入微电子技术、传感技术、计算机技术、自动控制理论，增强传统机械系统（产品）的附加值和自动化应用领域。（3）机电一体化（技术）设计研究的主要内容（基本要素）主要研究“省能源、省资源、智能化”三大基本要素，以及如何应用交叉学科的基础理论知识解决机电一体化（技术）设计中的核心技术问题接口技术。（4）机电一体化（技术）的发展历史和主要研究方向与领域。（5）机电一体化系统（产品）的构成要素机械系统、电子信息处理系统、动力系统、传感系统、执行控制系统（元件）组成的五大构成要素或子系统；实现机电一体化系统三大目的功能所具有的两大重要特征以能源转换为主和以信息转换为主的功能特征。（6）机电一体化系统（产品）应具有的主要功能要素主功能、信息功能、控制功能、动力功能、构造功能。（7）机电一体化（技术）设计中各子系统相互匹配的核心问题接口技术接口技术的定义、分类、输入/输出功能，主要研究内容和途径。（8）机电一体化系统设计的基本流程确定产品规格、性能指标系统功能部件、基本要素的划分接口设计；综合评价或系统评价可靠性复查试制与调试。（9）机电一体化系统设计的评价体系以系统主功能、信息功能、控制功能、动力功能、构造功能和规格、性能指标进行综合评价。2 学时 2 学时教学重点难点教学重点：机电一体化（技术）的内涵、定义，研究目的，“省能源、省资源、智能化”三大基本要素，接口技术问题，机电一体化系统（产品）的构成要素和主要功能，设计的基本流程和评价体系。教学难点：接口技术问题，机电一体化系统（产品）的构成要素和主要功能，设计的基本流程和评价体系为学生认识和掌握的知识重点。教学组织与设计 教学过程的组织每次课第一节课开始，学生教师互动相互尊重人性化管理加强课堂纪律的整理；在多媒体教学手段应用的基础上，充分发挥传统教学方法（板书教学与互动）的特点，引用互动提问式教学方法，传递尽可能多的信息，并用实践应用实例和科研项目实例支撑教学重点，图文并茂，尽可能让每一位学生进入教学认知过程中来。相互尊重，人性化组织教学过程是基础。用消化理解的简易易懂语言表述，吸引和增强学生的学习能动性是完成教学任务的最好手段。讨论作业习题的安排教学手段的应用多媒体教学手段与传统教学方法（板书教学与互动）相融合的教学手段的应用，将贯穿与整个教学过程中。参考资料 教学实施小结章 节 名 称 第一章 总 论 第1.61.10节授 课类 别理论课（ ）；实验课（ ）教 学 时 数 4 学时教学目的及要求 掌握机电一体化系统设计方法：一般原则（在充分发挥机电一体化的三大效能省能源、省资源、智能化，提高系统的附加价值的基础上，实现机电系统（产品）的自动化操作，即机电互补法、机电结合（融合）法、机电组合法；掌握机电一体化系统（产品）设计的类型：开发性设计、适应性设计、变异性设计；了解机电一体化系统（产品）的设计程序、准则和规律；机电一体化系统（产品）的开发工程；机电一体化系统（产品）设计与现代设计方法的关系。 教 学 内 容 提 要 备注（1）机电一体化系统设计的基本方法掌握在充分发挥机电一体化的三大效能省能源、省资源、智能化，提高系统的附加价值，实现机电系统（产品）的自动化操作，即机电互补法、机电结合（融合）法、机电组合法。（2）掌握机电一体化系统（产品）设计的类型开发性设计、适应性设计、变异性设计。（3）了解机电一体化系统（产品）的设计程序、准则和规律设计程序：总体方案设计、部件（或关键零件）选择与设计、技术设计与工艺性设计、标准化设计、生产制造试验验收技术条件的制定，达到可靠性、适应性、完善性为设计目标。（4）机电一体化系统（产品）设计与现代设计方法机电一体化系统（产品）设计的特点；现代设计方法手段和特点；两者相互融合的必要性和优势；现代设计方法的基本类型：计算机辅助设计与制造（CAD/CAM），并行工程（CE全寿命周期设计方法），虚拟产品设计，快速响应设计，绿色环保产品设计，反求设计，网络协同合作设计等。2 学时 2 学时教学重点难点教学重点：机电互补法、机电结合（融合）法、机电组合法；开发性设计、适应性设计、变异性设计理念和方法；机电一体化系统（产品）设计与现代设计方法的关系。教学难点：机电一体化系统（产品）设计与现代设计方法的关系以及各种现代设计方法的初步认知。教学组织与设计 教学过程的组织每次课第一节课开始，学生教师互动相互尊重人性化管理加强课堂纪律的整理；在多媒体教学手段应用的基础上，充分发挥传统教学方法（板书教学与互动）的特点，引用互动提问式教学方法，突出教学重点，图文并茂，尽可能让每一位学生更好地认知教学过程中的难点。相互尊重，人性化组织教学过程是基础。用消化理解的简易易懂语言表述，吸引和增强学生的学习能动性是完成教学任务的最好手段。讨论作业习题的安排课外作业：1 题：机电一体化涵义、目的、特征、基本组成要素及可实现哪些功能。2 题：工业三大要素指的是什么？机电一体化三大效果指的是什么？3 题：机电一体化接口功能有哪些？根据不同接口功能试说明接口种类。4 题：说明机电一体化系统设计的设计思想、方法。5 题：开发性设计、变异性设计、适应性设计有何异同？6 题：简述机电一体化设计方法与现代设计方法之间的关系。教学手段的应用多媒体教学手段与传统教学方法（板书教学与互动）相融合的教学手段的应用，将贯穿与整个教学过程中。参考资料 教学实施小结章 节 名 称 第二章 机电一体化系统机械系统部件的选择与设计 第2.1节授 课类 别理论课（ ）；实验课（ ）教 学 时 数 4 学时教学目的及要求 掌握机电一体化系统机械部分设计或选择的特点，目的，基本功能和基本要求；丝杠螺母机构的基本形式；滚珠丝杠传动部件及其要求；齿轮传动部件及其要求；了解挠性传动部件和间歇传动部件。 教 学 内 容 提 要 备注机电一体化系统机械部分设计或选择的特点掌握机电一体化系统机械部分与一般机械系统机械部分相比所具有的特殊要求（四点）；达到这些特殊要求可采取的主要措施（五点）。第2.1节 机械传动部件的选择与设计（1）机械传动部件的基本功能、目的、要求基本功能：实现能量（动力）和运动形式的转换工作机和信息机。目的：实现执行元件与负载之间的匹配能量（动力）和运动匹配。基本要求：精密化，高速化，小型化，轻量化。（3）丝杠螺母机构的基本形式丝杠螺母机构的主要作用；分类：滑动和滚动丝杠螺母机构（包括结构和功能特点）；丝杠螺母机构的主要结构传动形式：螺母固定丝杠转动并移动、丝杠转动螺母移动、螺母移动丝杠移动、丝杠固定螺母转动并移动，以及差动传动等。（4）滚珠丝杠传动部件及其要求滚珠丝杠传动部件的组成及结构特点；滚珠丝杠传动副的典型结构（滚道截面形状、滚珠的循环方式）；滚珠丝杠传动副轴向间隙的调整和预紧（双螺母螺纹预紧调整、双螺母垫片式预紧调整、双螺母齿差式预紧调整、弹簧式自动预紧调整、单螺母变导程预紧调整）；滚珠丝杠副支承方式（四种）；轴承组合安装支承结构；滚珠丝杠副结构形式的确定与选择方法（单圆弧螺纹滚道的单螺母丝杠副，单圆弧螺纹滚道的双螺母丝杠副，双圆弧螺纹滚道的双螺母丝杠副）等。（5） 齿轮传动部件齿轮传动的典型结构形式；齿轮传动最佳传动比配置的基本要求；各级传动比最佳分配原则；齿轮传动间隙的调整方法（偏心套筒或偏心轴齿侧间隙调整法，轴向垫片齿侧间隙调整法，双片薄齿轮错齿齿侧间隙调整法）。（6） 挠性传动部件（7） 间歇传动部件2 学时 2 学时教学重点难点教学重点：滚珠丝杠传动副的典型结构（滚道截面形状、滚珠的循环方式）；滚珠丝杠传动副轴向间隙的调整和预紧；滚珠丝杠副结构形式的确定与选择方法；齿轮传动最佳传动比配置的基本要求；各级传动比最佳分配原则；齿轮传动间隙的调整方法。教学难点：滚珠丝杠传动副的典型结构（滚道截面形状、滚珠的循环方式）；滚珠丝杠传动副轴向间隙的调整和预紧；齿轮传动间隙的调整方法。教学组织与设计 教学过程的组织每次课第一节课开始，学生教师互动相互尊重人性化管理加强课堂纪律的整理；在多媒体教学手段应用的基础上，充分发挥传统教学方法（板书教学与互动）的特点，引用互动提问式教学方法，传递尽可能多的信息，并用实践应用实例和科研项目实例支撑教学重点，图文并茂，尽可能让每一位学生进入教学认知过程中来。重点讲解引导学生掌握滚珠丝杠传动副轴向间隙的调整和预紧和齿轮传动间隙的调整方法。应用讲解、提示、引导相结合的教学组织形式。讨论作业习题的安排教学手段的应用多媒体教学手段与传统教学方法（板书教学与互动）相融合的教学手段的应用，将贯穿与整个教学过程中。参考资料 教学实施小结章 节 名 称 第二章 机电一体化系统机械系统部件的选择与设计 第2.2节授 课类 别理论课（ ）；实验课（ ）教 学 时 数 4 学时教学目的及要求 掌握导轨副的组成、主要类型及其应满足的要求；常见导轨副组合与间隙调整、特点；导轨副材料的选择及其机械性能确定；提高导轨副耐磨性的措施；滚动导轨副的类型与选择；直线运动滚动导轨副。了解回转运动滚动导轨副；滚动轴承导轨副。 教 学 内 容 提 要 备注第2. 2节 导向支承部件的选择与设计（1）导轨副的组成、主要类型及其应满足的要求导轨支承部件的作用和组成；导轨副的主要类型；导轨副应满足的基本要求（导向精度、导轨的刚度、精度保持性、运动灵活性和低速运动平稳性、温度敏感性和结构工艺性要求）；导轨副设计的主要内容与步骤。（2）滑动导轨副的结构及其选择常见滑动导轨副的截面形状和特点（三角形导轨、矩形导轨、燕尾形导轨、圆形导轨）。（3）常见导轨副组合与间隙调整、特点双三角形组合导轨，矩形与矩形导轨组合；三角形导轨与矩形导轨组合；三角形导轨与矩形和平面导轨组合；燕尾形导轨与矩形导轨组合。（4）导轨副材料的选择及其机械性能确定导轨副材料的选择的基本原则与要求；常用导轨副材料的基本性能和特点；导轨副材料机械性能确定的基本方法与手段。（5）提高导轨副耐磨性的措施采用镶装导轨；提高导轨精度、改善导轨表面粗糙度、采取合理的润滑；减少导轨单位面上的压力（比压）、采用必要的卸荷装置。（6）滚动导轨副的类型与选择滚动导轨副的组成、分类（滚动体和循环方式）与结构特点；滚动导轨副的基本要求：高的导向精度、高的耐磨性、足够的刚度、良好的工艺性。（7）直线运动滚动导轨副直线运动滚动导轨副滚动体循环工作方式的工作原理，结构特点和应用。（8）回转运动滚动导轨副回转运动滚动导轨副的工作方式的工作原理，结构特点和应用。（9）滚动轴承导轨副滚动轴承导轨副的工作方式的工作原理，结构特点和应用。2 学时 2 学时教学重点难点教学重点：导轨副的组成、主要类型及其应满足的要求；常见导轨副组合与间隙调整、特点；导轨副材料的选择及其机械性能确定；滚动导轨副的类型与选择；直线运动滚动导轨副工作原理与结构形式。教学难点：常见导轨副组合与间隙调整、特点；滚动导轨副的类型与选择；直线运动滚动导轨副工作原理与结构形式。教学组织与设计 教学过程的组织每次课第一节课开始，学生教师互动相互尊重人性化管理加强课堂纪律的整理；在多媒体教学手段应用的基础上，充分发挥传统教学方法（板书教学与互动）的特点，引用互动提问式教学方法，传递尽可能多的信息，并用实践应用实例和科研项目实例支撑教学重点，图文并茂，尽可能让每一位学生进入教学认知过程中来。重点讲解引导学生掌握常见导轨副组合与间隙调整、特点；滚动导轨副的类型与选择；直线运动滚动导轨副工作原理与结构形式。应用讲解、提示、引导相结合的教学组织形式。讨论作业习题的安排课外作业： 1 题：机电一体化系统中传动机构的作用是什么？2 题：机电一体化系统对传动元件的基本要求是什么？3 题：滚珠丝杠副的主要构成元件、传动特点以及支承方式（特点）有哪些？4 题：已知某四级齿轮传动系统，各齿轮的转角误差弧度，各级传动比i=4，求：1）传动系统的最大转角误差。2）为缩小应采取的措施是什么？教学手段的应用多媒体教学手段与传统教学方法（板书教学与互动）相融合的教学手段的应用，将贯穿与整个教学过程中。参考资料 教学实施小结章 节 名 称 第三章 机电一体化系统执行元件选择与设计 第3.13.2节授 课类 别理论课（ ）；实验课（ ）教 学 时 数 4 学时教学目的及要求 了解执行元件的主要类型和特点；掌握机电一体化系统（产品）对执行元件的基本要求；了解常用控制电机类型与主要特点；掌握机电一体化系统对伺服控制电动机的基本要求；掌握典型伺服控制电动机的主要特点和选用原则。 教 学 内 容 提 要 备注第3.1节 机电一体化系统常用的执行元件（1）执行元件的主要类型，能量转化方法及其特点电气式、气压式、液压式、其他形式。（2）机电一体化系统（产品）对执行元件的基本要求惯量小，动力大；体积小，重量轻；安装方便、便于维修维护；易于实现自动化控制。第3.2节 机电一体化系统常用控制电机（3）机电一体化系统（产品）常用控制电机DC/AC电动机、力矩电动机、步进（脉冲）电动机、变频调速电动机、开关电磁电动机以及其他电动机（直流或交流脉宽调速电动机、电磁伸缩元件）等，及其主要特点简介。（4）机电一体化系统对伺服控制电动机的基本要求性能密度大。即功率密度 Pw=P/G 或比功率密度 Pbw=(T2/J)/G 大。快速性好。加速度大、响应特性好。位置控制/速度控制精度高、调速范围大、低速平稳性好、分辨率高和振动噪音小。能适应频繁启动，可靠性高、寿命长。（5）伺服控制电动机的种类、特点以及选用种类：动力用电动机和控制用电动机；主要特点：伺服控制电机电特性与应用原则；伺服控制电机的选择基本原则（要求）。2 学时 2 学时教学重点难点教学重点：执行元件的主要类型和特点；机电一体化系统（产品）对执行元件的基本要求；常用控制电机类型与主要特点；机电一体化系统对伺服控制电动机的基本要求；典型伺服控制电动机的主要特点和选用原则。教学难点：伺服控制电动机的主要工作原理和机电一体化系统对伺服控制电动机的基本要求，特点与选用原则。教学组织与设计 教学过程的组织每次课第一节课开始，学生教师互动相互尊重人性化管理加强课堂纪律的整理；在多媒体教学手段应用的基础上，充分发挥传统教学方法（板书教学与互动）的特点，引用互动提问式教学方法，传递尽可能多的信息，并用实践应用实例和科研项目实例支撑教学重点，图文并茂，尽可能让每一位学生进入教学认知过程中来。重点讲解引导学生对机电一体化系统执行元件以及对伺服控制电动机的主要特定的认识与掌握。讨论作业习题的安排课外作业： 1 题：机电一体化系统中传动机构的作用是什么？2 题：机电一体化系统对传动元件的基本要求是什么？3 题：滚珠丝杠副的主要构成元件、传动特点以及支承方式（含特点）有哪些？4 题：已知某四级齿轮传动系统，各齿轮的转角误差弧度，各级传动比i=4，求：1）传动系统的最大转角误差。2）为缩小应采取的措施是什么？教学手段的应用多媒体教学手段与传统教学方法（板书教学与互动）相融合的教学手段的应用，将贯穿与整个教学过程中。大量引用工程实际应用的典型机电一体化系统（产品）中所应用的执行元件的主要特点和要求，提高学生对执行元件的认知能力。参考资料 教学实施小结章 节 名 称 第三章 机电一体化系统执行元件选择与设计第3.3节 步进电动机与驱动技术第3.4节 直流伺服电动机及其驱动第3.5节 交流伺服电动机及其驱动授 课类 别理论课（ ）；实验课（ ）教 学 时 数 6 学时教学目的及要求 重点掌握步进电机与驱动技术：步进电动机的运行特性与主要性能指标，步进电机的驱动与控制（驱动电路、变频控制信号、环形脉冲分配器、功率放大器、细分驱动电路、典型细分驱动电路）。了解直流电机与驱动技术和交流电机与驱动技术。 教 学 内 容 提 要 备注第3.3节 步进电机与驱动技术复习内容：步进电机的定义；基本工作原理；主要类型与主要特点。（1）步进电动机的运行特性与主要性能指标分辨率 静态特性（矩角特性、静态稳定特性） 动态特性（动态稳定区、启动转矩、矩频特性、惯频特性） 其他技术参数。（2）步进电机的驱动与控制驱 动 电 路：主要由脉冲分配器和功率放大器两部份组成，实现信号分配和能量放大。变频控制信号：主要有脉冲频率与电机转动方向控制信号，确定位移、转速、转向的实现。环形脉冲分配器 软件分频；通用集成电路分频；专用集成电路分频。功率放大器 作用：功率放大；限制电流；续流保护。 典型放大电路：单电压功率放大电路；高低压功率放大器；晶闸管功率放大器；恒流源功率放大器。细分驱动电路 工作原理：在不改变步进电机结构的条件下，将步进脉冲电流细分逐步增加到Imax，再逐步减少到Imin，形成阶梯波电流，从而提高了步进电机的步进精度，减小了振动、噪声。细分驱动电路的特点：在不改变步进电机结构参数的条件下，可降低电机运转的步进角。典型细分驱动电路多路功率开关细分电路，单功率放大细分电路。第3.4节 直流伺服电动机及其驱动第3.5节 交流伺服电动机及其驱动2 学时 2 学时2 学时教学重点难点教学重点：步进电机与驱动技术：步进电动机的运行特性与主要性能指标，步进电机的驱动与控制（驱动电路、变频控制信号、环形脉冲分配器、功率放大器、细分驱动电路、典型细分驱动电路）。教学难点：步进电机的驱动与控制（驱动电路、变频控制信号、环形脉冲分配器、功率放大器、细分驱动电路、典型细分驱动电路）。教学组织与设计 教学过程的组织每次课第一节课开始，学生教师互动相互尊重人性化管理加强课堂纪律的整理；在多媒体教学手段应用的基础上，充分发挥传统教学方法（板书教学与互动）的特点，引用互动提问式教学方法，传递尽可能多的信息，并用实践应用实例和科研项目实例支撑教学重点，图文并茂，尽可能让每一位学生进入教学认知过程中来。重点讲解引导学生对步进电机的驱动与控制（驱动电路、变频控制信号、环形脉冲分配器、功率放大器、细分驱动电路、典型细分驱动电路）的认识与掌握。讨论作业习题的安排课外作业：1 题：简述机电一体化系统中对执行元件的分类与特点（优缺点）。2 题：机电一体化系统的执行元件的基本要求是什么？3 题：步进电机具有哪些特点与环形分配方式是什么？4 题：步进电机驱动电源功率放大器电路种类以及工作原理是什么？5 题：步进电机细分电路的特点、细分方式和原理是什么？教学手段的应用多媒体教学手段与传统教学方法（板书教学与互动）相融合的教学手段的应用，将贯穿与整个教学过程中。大量引用工程实际应用的典型机电一体化系统（产品）中所应用的执行元件的主要特点和要求，提高学生对执行元件的认知能力。参考资料 教学实施小结章 节 名 称 第四章 机电一体化系统微机控制系统的选择与设计 第4.1节授 课类 别理论课（ ）；实验课（ ）教 学 时 数 4 学时教学目的及要求 掌握微机控制系统的定义；了解常用控制计算机的类型、抉择和权衡方法；掌握微机控制系统的设计思路和微机系统构成与种类；了解微机软件与程序设计语言。 教 学 内 容 提 要 备注第4.1节 微机控制系统微机控制系统：是将微型计算机作为机电一体化产品的控制器，结合微型计算机的工作原理、接口电路（数字和模拟）的设计、相应的控制软件，实现对控制对象的控制形式和动作控制方式等控制功能的实现。常用控制计算机的类型：单片机、单板机，微型计算机构成与特点。（1）微机控制系统专用与通用、硬件与软件的抉择和权衡专用与通用的抉择通用/专用控制系统的构成与特点来权衡决择。硬件与软件的权衡依据经济性和可靠性等指标来权衡决择。必要的抗干扰措施商业/工业计算机的权衡决择。（2）微机控制系统的设计思路确定系统总体控制方案确定控制算法（逐点比较法、数字积分法、PID调节控制法、最小拍控制法、最优控制法、随机控制法、自适用控制法、遗传控制法、模糊控制法、鲁棒控制法、神经网络控制法、专家系统）。选择微型计算机（较完善的中断系统、足够的存储容量、完善的输入/输出通道、实时时钟控制能力、）。系统总体设计（接口设计、通道设计、）。软件设计 系统软件合理选择。 应用软件实时性、针对性、灵活性和通用性等要求。应用程序的一般编写方法：模块化程序设计法和结构化程序设计法。系统调试包括：硬件调试、软件调试、系统调试三大步骤。（3）微机系统构成与种类微机微处理机、微型计算机、微型计算机系统等系统的总称。（4）微机软件与程序设计语言机器语言（Machine language），汇编语言（Assembly language），高级语言（High level language），操作系统（Operating System）；应用程序库或软件包（OFFICE、C、VC+、JAVA、CAD、PRO/E、UG、3DMAX、MATLAB、MAPLE 等）。2 学时 2 学时教学重点难点教学重点：微机控制系统的定义；常用控制计算机的类型、抉择和权衡方法；微机控制系统的设计思路和微机系统构成与种类。教学难点：微机控制系统的设计思路。教学组织与设计 教学过程的组织每次课第一节课开始，学生教师互动相互尊重人性化管理加强课堂纪律的整理；在多媒体教学手段应用的基础上，充分发挥传统教学方法（板书教学与互动）的特点，引用互动提问式教学方法，突出教学重点，图文并茂，尽可能让每一位学生更好地认知教学过程中的难点。系统组织举例拓宽学生对微机控制系统的设计思路的认知掌握。讨论作业习题的安排教学手段的应用多媒体教学手段与传统教学方法（板书教学与互动）相融合的教学手段的应用，将贯穿与整个教学过程中。参考资料 教学实施小结章 节 名 称 第四章 机电一体化系统微机控制系统的选择与设计 第4.6节授 课类 别理论课（ ）；实验课（ ）教 学 时 数 2 学时教学目的及要求 掌握PLC的基本工作原理与基本构成；PLC的编程特点与执行过程；了解PLC的应用和编程步骤（实例讲解）。 教 学 内 容 提 要 备注第4.2节 第4.3节 第4.4节 第4.5节 内容在计算机硬件基础、计算机原理等课程中已学习过，在此不做讲解。第4.6节 可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例（1）PLC的基本工作原理与基本构成工作原理：使用可编程存储器存储用户设计的应用程序指令，由指令实现逻辑运算、顺序操作、定时、计数、算术运算和I/O接口通讯来控制机电一体化系统（产品）。基本构成：如图4-2所示，主要由微处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM、EPROM）、I/O接口（数字、模拟）、编程接口、编程器（含显示）等组成。（2）PLC的编程特点与执行过程顺序串行编程与执行。（3）PLC的应用举例下面借助于实际例子了解PLC的应用和编程步骤执行加工工艺流程。2 学时 教学重点难点教学重点：PLC的基本工作原理与基本构成；PLC的编程特点与执行过程。教学难点：PLC的编程特点与执行过程。教学组织与设计 教学过程的组织每次课第一节课开始，学生教师互动相互尊重人性化管理加强课堂纪律的整理；在多媒体教学手段应用的基础上，充分发挥传统教学方法（板书教学与互动）的特点，引用互动提问式教学方法，突出教学重点，图文并茂，尽可能让每一位学生更好地认知教学过程中的难点。系统组织举例拓宽学生对PLC的编程特点与执行过程和执行加工工艺流程的认知学习。讨论作业习题的安排教学手段的应用多媒体教学手段与传统教学方法（板书教学与互动）相融合的教学手段的应用，将贯穿与整个教学过程中。参考资料 教学实施小结章 节 名 称 第四章 机电一体化系统微机控制系统的选择与设计 第4.7节第4.8节授 课类 别理论课（ ）；实验课（ ）教 学 时 数 4 学时教学目的及要求 掌握输入/输出接口控制信号的可靠性设计基本要求；提高输入/输出电路与接口可靠性的主要方法；了解检测传感器的分类与基本要求，传感器的选择原则及注意事项，传感器的测量电路和传感器的微机接口。 教 学 内 容 提 要 备注第4.7节 微机应用系统的输入/输出控制的可靠性设计（1）输入/输出接口控制信号的可靠性设计基本要求能可靠地传递控制输入/输出信息。能够进行信息的转换，以满足微机对输入/输出信息转换要求。电平量转换与匹配。电量与非电量转换。强电与弱点转换与匹配。具有阻断干扰信号进入微机控制系统的能力。（2）提高输入/输出电路与接口可靠性的主要方法包括：光电隔离电路设计和信息转换电路设计。光电隔离电路设计光电隔离电路的主要特点。组成光电耦合器和光电信号转换元件。典型光电隔离电路的组成与特点（与8031接口芯片匹配的输入输出光电隔离接口电路；与8031、8215、8255接口芯片匹配的光电隔离接口输出电路；8155、8255匹配的光电隔离接口输出电路；输出较大电流与驱动设备匹配的光电隔离接口输出电路；提高普通光电耦合器光耦合速度的光电隔离接口输出（响应）电路；V/F转换器（LM331）频率输出光电隔离接口输出电路；） 信息转换电路设计弱点/强电转换电路；数字/脉冲信号转换；数/模(D/A)转换、模数(A/D)转换；电量转非电量。4.8 常用检测传感器的性能特点、选用与微机接口（1）检测传感器的分类与基本要求检测传感器的定义、作用。检测传感器的分类按作用分类；按输出信号的性质分类；按传感器的用途分类；按传感器的用途分类。（2）传感器的选择原则及注意事项选用原则依据传感器的使用要求和被控制对象的控制精度要求选择。改善和提高传感器的性能的技术措施 平均技术；差动技术；稳定性处理；屏蔽和隔离。（3）传感器的测量电路模拟型测量电路；数字型测量电路；开关型测量电路。（4）传感器的微机接口模拟量接口方法、数字量接口方式、开关量接口方式。2 学时 2 学时教学重点难点教学重点：输入/输出接口控制信号的可靠性设计基本要求和提高输入/输出电路与接口可靠性的主要方法。教学难点：提高输入/输出电路与接口可靠性的主要方法。教学组织与设计 教学过程的组织每次课第一节课开始，学生教师互动相互尊重人性化管理加强课堂纪律的整理；在多媒体教学手段应用的基础上，充分发挥传统教学方法（板书教学与互动）的特点，引用互动提问式教学方法，突出教学重点，图文并茂，尽可能让每一位学生更好地认知教学过程中的难点。系统组织学生互动掌握好提高输入/输出电路与接口可靠性的主要方法。讨论作业习题的安排课外作业：1 题：从控制角度出发，所选择微机应满足哪些条件。2 题：试说明CPU、MC、MCS之间的关系。3 题：试说明光电耦合器的光电隔离原理。4 题：试说明机电一体化系统常用传感器的种类及其基本特性参数。教学手段的应用多媒体教学手段与传统教学方法（板书教学与互动）相融合的教学手段的应用，将贯穿与整个教学过程中。参考资料 教学实施小结章 节 名 称 第五章 机电一体化系统的元、部件特性分析 第5.1节授 课类 别理论课（ ）；实验课（ ）教 学 时 数 2 学时教学目的及要求 重点掌握机械系统的主功能和基本特性要求，变换机构及其运动变换分析。了解机械系统的机构静力学特性研究的主要问题和机构动力学特性研究的主要问题 教 学 内 容 提 要 备注本章节重点掌握和了解机械系统、传感系统和执行元件系统等的基本特性，从机电一体化系统构成要素的角度出发掌握其分析方法。第5.1节 机械系统特性机械系统的主功能：将一种机械物理量变换成与目的要求相对应的另一种机械物理量（运动参量、力/力矩参量）。机械系统的基本特性要求：在具有承担外载荷足够的强度（b, s, p）和刚度（结构刚度、接触刚度和局部刚度）的前提下，质量和惯量要小，系统响应要快，带负载的能力要强。（1）一般线性机械系统的动态特性（传递函数）：X(s)/Fx(s) = 1/(Jm+JL/i2)s2典型机械系统的动态特性（传递函数）：齿轮减速：Y = f(x) = (1/i)x只有机构转动惯量：X(s)/Fx(s) = 1/Jms2只有负载转动惯量：X(s)/Fx(s) = 1/(JL/i2)s2（2）非线性机械系统的动态特性（传递函数）：5.1.1 变换机构及其运动变换分析齿轮传动机构（线性）；柔性带/链传动机构（线性）；回转/直线机构（线性）；间歇机构（非线性）；连杆机构（非线性）；凸轮机构（非线性）等。5.1.2 机构静力学特性研究的主要问题：输出端负载向输入端的转换。机构内的摩擦力/矩对输入端的影响。各外部和内部载荷或重力载荷产生的加速度对机构内部构件承载能力的影响。注意：单输入单输出系统（SISO）和多输入多输出系统（MIMO）的区别。5.1.3 机构动力学特性研究的主要问题：研究机构要素的惯性和机构中各元素、部件以及整机的刚度特性和振动特性。平面运动机构要素的动态力及动态力矩。空间运动机构要素的动态力及动态力矩。机构输出端的弹性与动态特性。2 学时教学重点难点教学重点：机械系统的主功能和基本特性要求；变换机构及其运动变换分析；机械系统的机构静力学特性研究的主要问题和机构动力学特性研究的主要问题教学难点：机械系统的机构静力学特性研究和机构动力学特性研究。教学组织与设计 教学过程的组织每次课第一节课开始，学生教师互动相互尊重人性化管理加强课堂纪律的整理；在多媒体教学手段应用的基础上，充分发挥传统教学方法（板书教学与互动）的特点，引用互动提问式教学方法，突出教学重点，图文并茂，尽可能让每一位学生更好地认知教学过程中的难点。系统组织学生互动掌握好机械系统的机构静力学特性研究和机构动力学特性研究等知识要点。讨论作业习题的安排教学手段的应用多媒体教学手段与传统教学方法（板书教学与互动）相融合的教学手段的应用，将贯穿与整个教学过程中。参考资料 教学实施小结章 节 名 称 第五章 机电一体化系统的元、部件特性分析 第5.2节授 课类 别理论课（ ）；实验课（ ）教 学 时 数 4 学时教学目的及要求 重点掌握机械系统中传感器的主功能；传感器的分类；动电式变换传感器的特性和压电式变换传感器的特性。了解具有其他平滑特性的变换传感器和传感器检测系统的特性。掌握传感器检测系统的整体特性的组成部分与要求。 教 学 内 容 提 要 备注第5.2节 传感器的特性分析机械系统中传感器的主功能：由传感元件将机械物理量变换成电平参量或另一机械物理量，再经运算放大器或机械变速器转换成可接受利用的信号参量。传感器的分类（按变换物理过程分类）：电/磁变换传感器动电式、静电式、磁阻式、霍尔效应式等。压电变换传感器压电元件。应变/电阻变换传感器应变片、半导体应变计等。光/电变换传感器光敏二极管、光电元件等。下面简要介绍典型传感器的特性。5.2.1 动电式变换传感器的特性变换传递函数特性： 当LS/R1时，Gmed/C，放大系数与压电系数成正比，与电容量成反比。但在= RC（固有振动周期）低时，系统测试不准确。故压电式变换传感器只能用在被测信号频率足够高时，测试结果才准确。5.2.3 具有其他平滑特性的变换传感器（即线性特性或数字特性）差动变压器传感器、静电/电桥式传感器、应变计传感器、光电编码器。5.2.4 传感器检测系统的特性传感器检测系统组成：机械变换、机电变换、电气变换等部分组成。包括：力应变变换特性；位移应变变换特性；质量、弹簧、阻尼振动系统特性。结合实例充实基本知识的认知掌握。注意：传感器检测系统的整体特性，主要与传感元件变换特性、物理量转换特性、电信号变换特性和能量放大转换特性有关。2 学时2 学时教学重点难点教学重点：机械系统中传感器的主功能；传感器的分类；动电式变换传感器的特性和压电式变换传感器的特性。教学难点：各类传感器或传感系统传递函数特性分析与应用。教学组织与设计 教学过程的组织每次课第一节课开始，学生教师互动相互尊重人性化管理加强课堂纪律的整理；在多媒体教学手段应用的基础上，充分发挥传统教学方法（板书教学与互动）的特点，引用互动提问式教学方法，突出教学重点，图文并茂，尽可能让每一位学生更好地认知教学过程中的难点。系统组织学生互动掌握好动电式变换传感器的特性和压电式变换传感器的特性。讨论作业习题的安排教学手段的应用多媒体教学手段与传统教学方法（板书教学与互动）相融合的教学手段的应用，将贯穿与整个教学过程中。参考资料 教学实施小结章 节 名 称 第五章 机电一体化系统的元、部件特性分析 第5.3节 第5.4节授 课类 别理论课（ ）；实验课（ ）教 学 时 数 2 学时教学目的及要求 重点掌握电气式执行元件系统的主功能和系统组成；电磁变换执行元件的特性分析；具有反馈环节驱动电路电磁变换执行元件的动态特性分析；步进电动机的特性分析。了解压电式执行元件及其特性分析；执行元件与机械结构结合中的若干问题。 教 学 内 容 提 要 备注第5.3节 电气式执行元件系统的特性分析电气式执行元件系统的主功能：将输入电控信号转换为机械物理参量。电气式执行元件系统的组成：控制电路驱动电路电/机变换机械变换。常用电气式执行元件：DC/AC伺服电机，步进电机，直线电机（含电磁铁）、压电元件、超声波电机等。5.3.1 电磁变换执行元件的特性分析DC/AC伺服电机为例进行特性分析。5.3.2 具有反馈环节驱动电路电磁变换执行元件的动态特性分析DC伺服电机典型反馈驱动电路控制的动态特性分析；测速发电机（旋转变压器）反馈驱动电路控制的动态特性分析。5.3.3 步进电动机的特性分析环行分配、功率放大、步进电动机变换的特性分析5.3.4 压电式执行元件及其特性分析电压电荷应力变形特性分析。第5.4节 执行元件与机械结构结合中的若干问题5.4.1 机械惯性阻转矩的匹配方法5.4.2 凸轮理论曲线分析5.4.3 残余振动分析5.4.4 无残余振动的定位分析2 学时教学重点难点教学重点：电磁变换执行元件的特性分析；具有反馈环节驱动电路电磁变换执行元件的动态特性分析；步进电动机的特性分析。教学难点：电磁变换执行元件的特性分析；具有反馈环节驱动电路电磁变换执行元件的动态特性分析；步进电动机的特性分析。教学组织与设计 教学过程的组织每次课第一节课开始，学生教师互动相互尊重人性化管理加强课堂纪律的整理；在多媒体教学手段应用的基础上，充分发挥传统教学方法（板书教学与互动）的特点，引用互动提问式教学方法，突出教学重点，图文并茂，尽可能让每一位学生更好地认知教学过程中的难点。系统组织学生互动掌握电磁变换执行元件的特性分析；具有反馈环节驱动电路电磁变换执行元件的动态特性分析；步进电动机的特性分析。讨论作业习题的安排课外作业：1 题：试以传递函数形式表示几种包括负载在内的典型机械系统的动态特性。2 题：试举出几种机电一体化系统中常用的线性变换机构。教学手段的应用多媒体教学手段与传统教学方法（板书教学与互动）相融合的教学手段的应用，将贯穿与整个教学过程中。参考资料 教学实施小结章 节 名 称 第六章 机电一体化系统的机电有机结合分析与设计 第6.1节 授 课类 别理论课（ ）；实验课（ ）教 学 时 数 2 学时教学目的及要求 重点掌握机电有机结合的稳态设计考虑方法研究的主要内容和检测传感装置、信号转换接口电路、放大电路、电源的匹配选择与设计。稳态设计考虑方法的主要设计程序及要求。 教 学 内 容 提 要 备注本章重点学习机电一体化系统的稳态设计考虑方法和动态设计考虑方法。第6.1节 机电一体化系统的稳态设计考虑方法机电有机结合的稳态设计考虑方法研究的主要内容：系统的输出运动参数的技术状态；执行元件的参数选择；功率（力/力矩）的匹配以及过载能力的验算；各主要元件的选择与控制电路的设计；信号的有效传递；各级增益的分配；各级之间阻抗匹配和所采取的抗干扰的措施。6.1.1 负载分析典型负载，负载的等效换算。6.1.2 执行元件的匹配选择伺服系统执