《机电一体化技术》教学大纲.doc

机电一体化系统设计课程教学大纲机电一体化技术课程教学大纲陈延奎英文名称：Mechatronics 课程编码：学 时：96 学 分： 课程性质：专业必修课 课程类别：理论课先修课程：机械原理，机械设计，电工学，数字电子技术，模拟电子技术，控制工程基础， 微机原理，电气控制技术，数控技术开课学期：秋季学期适用专业：机械电子工程专业一、课程的性质与任务本课程是机械电子工程专业的主干专业课。本课程从系统的观点出发，利用机械技术和电子技术，通过机电有机结合构造最佳的机电系统。本课程主要学习机械系统、传感检测系统、伺服系统、控制系统等设计和选择方法，讨论机电一体化系统的接口、精度设计和可靠性等系统总体技术。本课程的作用和任务是：通过本课程的学习，使学生建立机电产品的一体化设计思想，把电子技术、传感器技术，自动控制技术、计算机技术和机械技术有机地结合起来，了解各项技术之间的接口关系，能运用所学知识对机电一体化产品进行分析或设计，使学生具备解决生产过程中机电设备的运行、管理、维护和改造等实际问题的初步能力。二、教学目标与要求本课程强调知识结构系统性和教学体系完整性的统一，使学生对机电一体化技术有较全面的认识，比较系统地掌握机电一体化系统各元部件的选择计算和总体设计的基本理论和方法，初步具备机电一体化系统的设计能力。教学的基本要求包括：1学习机电一体化基本概念，理解机电一体化系统中各结构要素在系统中的作用和相互关系，初步建立机电产品的系统化设计思想。 2了解机电一体化系统中常用传感器、传动机构、动力驱动装置和计算机控制系统种类和特点。 3熟悉机电一体化产品的设计方法和工程路线，能够针对具体的机电一体化产品确定产品开发技术路线。 4掌握机电一体化系统中机械、传感检测、动力、控制等基本结构要素的技术特点，掌握典型装置的技术原理和使用方法。5了解典型机电一体化产品的构成、特点和设计方法，学会设计简单的机电一体化产品。三、课程的基本内容与教学要求第一章 引论教学目的与要求：1掌握机电一体化的涵义，了解机电一体化技术的主要特点和范畴。2掌握机电一体化系统的功能构成和组成要素。3了解机电一体化共性关键技术包含的内容。本章主要内容：1.1机电一体化基本概念及涵义1.2机电一体化的功能构成和组成要素1.3机电一体化的共性关键技术1.4机电一体化产品的设计方法本章重点：1机电一体化的功能构成和组成要素2机电一体化的共性关键技术本章难点：1机电一体化产品的设计方法第二章 机电一体化机械系统设计理论教学目的与要求：1掌握机械传动设计的原则2掌握机械系统性能分析方法本章主要内容：1机电一体化对机械系统的基本要求2机电一体化对机械传动的基本要求3传动链的级数和各级传动比的分配4机械性能参数对系统性能的影响第三章 机电一体化机械设计教学目的与要求：1掌握传动机构的种类、特点、基本要求。2了解常用执行机构的设计方法。本章主要内容：3.1 位姿描述和齐次变换3.2传动机构3.3导向机构3.4执行机构本章重点：1、位姿描述和齐次变换2滚珠丝杠副传动机构本章难点：1传动机构的设计方法2谐波齿轮传动第四章 机电一体化检测系统教学目的与要求：1掌握常用传感器的基本原理（旋转变压器、感应同步器、测速发电机、光栅尺、磁栅尺、编码器等）。2掌握检测系统的典型组成、模拟量的转换输入和数字信号的预处理等基本原理和基本电路。本章主要内容：4.1传感器的功用和特性4.2常用传感器及选择使用4.3信号调理的基本概念4.4信号的放大与滤波原理及电路4.5系统的测试及标定本章重点：1各类传感器的工作原理2传感器的功用和特性3信号调理电路（滤波、相关、调制、解调）4信号变换技术(传感器接口电路、放大电路、模数转换、数模转换)本章难点：1传感器的选择与使用2信号调理电路（滤波、相关、调制、解调）第五章 计算机控制及接口技术教学目的与要求：1了解机电系统中几种控制计算机2. 掌握比例控制、微分控制、积分控制的特点3掌握PID控制算法和参数整定本章主要内容：5.1工控机、单片机和PLC5.2控制方式概述5.3两步控制方式5.4 PID控制5.5直接数字控制法5.6控制器的校正本章重点：1PID控制的原理及特点2控制器的校正本章难点：1系统的PID控制及其性能分析第六章 伺服控制系统教学目的与要求：1了解伺服系统的一般组成、分类和三种基本组成形式。2了解步进电机的种类及结构；掌握步进电机的工作原理；掌握步进电机的主要性能指标；掌握步进电机控制的基本原理；掌握步进电机的基本功率驱动电路原理和细分驱动原理。3掌握直流伺服电机特性和调速原理；掌握直流伺服电机的驱动调速方法；掌握直流伺服系统组成的基本原理。4掌握交流伺服电机特点及其调速方法；掌握变频调速装置的基本原理；了解交流伺服系统组成的基本原理；了解交流伺服电机的矢量控制。5了解几种直接驱动伺服系统、微进给装置的基本原理。掌握伺服系统惯量匹配、容量匹配原理等动力设计方法。本章主要内容：6.1伺服系统的基本结构形式及特点6.2步进式伺服驱动系统6.3直流伺服驱动系统6.4交流伺服驱动系统6.5 伺服系统的动力设计方法本章重点：1步进电机、交直流伺服电机的控制与驱动。 2伺服系统的设计本章难点：1伺服电机的选择与校核2交流伺服的矢量控制第七章 抗干扰技术教学目的与要求：1掌握产生干扰的因素2掌握抗干扰的措施3掌握提高系统抗干扰能力的措施本章主要内容：5.1干扰的定义5.2形成干扰的三个要素5.3电磁干扰的种类5.4抗干扰的措施5.5掌握提高系统抗干扰能力的措施 本章重点：1搞干扰的措施2提高系统抗干扰能力的措施 本章难点：1提高系统抗干扰能力的措施第八章 自动化制造系统教学目的与要求：1了解机各种类型自动化制造系统的特点2掌握自动化制造系统的结构和原理 本章主要内容：1.1数控机床1.2工件储运设备1.3工业机器人1.4辅助设备本章重点：1数控机床2工业机器人本章难点：1加工中心2工业机器人的结构3检测与监控原理四、课程学时分配讲 课 内 容学 时讲课实验上机1 引论42 机电一体化机械系统设计理论83机电一体化机械设计124 机电一体化检测系统125 计算机控制及接口技术66抗干扰技术67自动化制造系统128机电一体化系统机械部件设计129机电一体化系统设计实例1210课程设计611实验实习6合 计96五、课程习题课（讨论课）的要求讨论课的目的在于帮助学生消化和巩固课程中的重要概念和内容，帮助学生提高分析问题解决问题的能力，指导学生查阅技术资料。通过指导学生对复杂的、有一定难度的综合性问题进行剖析、归纳、对不同设计方案进行比较、判断，启发同学进行创新思维。课堂讨论的课题明确，学生在讨论前要有准备，教师要适当加以引导、归纳。课堂讨论的内容、方式、时间可由辅导教师决定。讨论课的内容主要从以下几项中选择： l典型传感器的选择、使用及注意事项； 2电机的调速和制动原理及方法； 3典型机电一体化系统的总体设计技术路线； 4典型的工业机电设备案例分析。六、实验（实践教学）内容与要求 实践教学是理论联系实际的重要环节，可以使学生验证、巩固和加深所学的基本理论，能训练学生有关的实验方法、动手能力和测量技能，养成踏实细致、严谨认真的作风。实践教学环节实施前，学生应预习相关的指导书，明确要求和内容，完成后要填写实践报告，并由指导教师批阅，评定成绩。实践教学内容包括课程研究项目和实验两部分。 课程研究项目的内容及要求：将34个同学分为一组，根据课程教学内容选取研究课题，每组要制定项目研究计划，完成详尽的研究项目报告，并要按照规定的时间对老师和同学以PPT形式进行演示汇报。根据题目选取的难易程度、研究内容的多少、研究计划的合理性、研究的透彻程度、结果分析的情况、演示汇报的情况、研究报告的撰写质量等对研究项目进行评分。通过研究项目的实施，学生可以深入掌握课程的理论知识体系，提高综合运用所学知识解决问题的能力，提高论文写作和表达能力。课程研究项目的内容主要从以下几个模块选取： 1传感检测模块的内容组数项目名称1力传感器的静态标定实验研究2数控机床的传感检测系统设计3并联机器人的传感检测系统设计4机器人视觉传感检测系统设计 2典型机电一体化系统的设计模块 组数项目名称1XY数控平台的系统设计2CNC机床的系统设计3BDJP-1型机器人的系统设计4液压挖掘机的机电液控制系统5数控雕刻机系统设计及实现6高速机械手的设计7波轮式全自动洗衣机机电系统设计实验内容与要求：实验一 计算机控制系统时间响应分析1. 用MATLAB语言进行编程，掌握初步的MATLAB编程能力；2. 对某一离散控制系统进行单位阶跃响应、单位脉冲响应的仿真，并利用MATLAB对离散系统进行时域、频域分析；3. 运行所编程序，实现仿真，并打印仿真结果曲线。实验二 伺服电机控制系统仿真1. 在Simulink中建立直流伺服电机电枢控制系统数学模型。2. 根据直流伺服电机的传递函数，在Simulink中应用Transfer Fcn模块构建模型图。3. 进行仿真并打印仿真结果曲线。实验三 运动控制器的参数设定与GT-400运动控制卡的编程1认识X-Y运动控制平台的典型硬件结构，伺服（步进）电机的工作原理，掌握运动控制平台的工作原理及GT-400型运动控制卡的运动程序设计。2利用面向控制轴的控制命令、运动参数控制命令，其中包括通过P、I、D参数设定，速度、加速度及位置参数设定，来实现GT-400型运动控制卡两轴单动程序设计。3了解 Visual Basic 6.0编程语言程序设计环境，初步掌握Visual Basic 6.0编程语言面向对象的程序设计方法。七、教学方法及手段（含现代化教学手段）采用英文原版教材和外文讲授相结合为主的授课方式，并适当采用中英文并用开展课堂互动讨论的教学方法，引导学生用英语帮助思维，更好地调动学生的学习兴趣和主动性，提高学生的综合素质，有助于系统引入国外的先进专业体系，促进并优化机电学科的课程建设。做到因材施教，方法灵活，激发兴趣，并注重理论和实践相结合。组建机电一体化实验小组，组织学生参加相关比赛及研讨会，大大提高学生的科研素质与积极性。科学、合理使用现代教育技术，利用多媒体教学课件，将专业基本技能与教学内容紧紧结合，教学内容随时融人新理论、新技术、新方法，采用适当的激励，鼓励学生在平时的作业中运用先进的设计方法和手段，如计算机辅助设计、计算机绘图、计算机仿真等，将实践教学融入课堂教学中，培养学生独立分析和解决实际问题的能力。八、课程考核方式 本课程的考核成绩包括出勤与讨论课成绩、作业成绩、研究项目成绩、实验成绩和闭卷考试5部分。每项具体评分标准如下： 1出勤及讨论课成绩满分为10分，出勤成绩=出勤次数/统计次数5，出勤次数由课前学生签名为依据，统计次数为学生出勤考核总次数。讨论课成绩5分，由讨论课后提交的报告情况评分。 2作业成绩满分为10分，平时作业最终成绩=累计作业成绩/作业次数，每次作业成绩依据学生提交作业的正确情况评分，每次作业成绩按满分10分打分，雷同记0分，平时作业最终成绩为累计作业成绩的平均成绩。 3实验成绩满分为10分，实验成绩=累计实验成绩/实验次数，每次实验成绩依据学生实验报告评分，每次实验成绩按满分10分打分，实验最终成绩为累计实验成绩的平均成绩。 4项目成绩满分为30分，项目成绩=研究计划成绩+演示汇报成绩+研究报告成绩，其中研究计划成绩共计10分，演示汇报成绩共计10分，研究报告共计10分。研究计划依据学生的答疑情况和学生提交的研究计划综合评分，演示汇报成绩依据学生演示PPT的质量、汇报情况、回答问题情况综合评分，研究报告依据提交报告的小组成员的分工情况、研究内容多少、研究透彻程度、结果分析情况综合评分。5试卷成绩满分为