数控技术课程教学大纲

1、川理工学院机电一体化系统设计课程教学规范四川理工学院机电工程系制造技术及自动化教研室二 00 六年十一月机电一体化系统设计课程教学规范机电工程系机械设计制造及其自动化教研室课程编号：401011教学课时：4856学时；学 分： 33.5学分。适用专业：机械设计制造及其自动化本科专业 （机械制造、机电一体化方向）； 测控技术与仪器本科专业等。执 笔 人：何庆中；修订日期：2006-11-17第一部分教学基本要求1、 机电一体化系统设计课程教学的性质1.1 机电一体化系统设计课程教学的重要性机电一体化是机械工业的重点发展方向之一。是机械技术与微电子技术等相融合的新兴交叉学科。所谓“一体化”，并不是

2、机械技术与微电子技术的简单组合，而是相互取长补短、有机结合（融合）以实现系统（产品）构成的最佳化。随着机械技术、微电子技术的飞速发展，机械技术与微电子技术的相互渗透越来越快。 “机电有机结合”是实现机电一体化系统（产品）的短、小、轻、薄和智能化，从而达到节省能源、节省材料、实现多功能、高性能和高可靠性目的的根本手段。因而在机械产品、机电产品、测试仪器、家电产品、工业自动化和过程装备自动化系统设计中，机电一体化技术已得到了广泛应用，并取得了很大的成功。由此可知，机电一体化技术已得到广大科技工作者的广泛重视，并逐步成为科学研究和新产品开发的关键技术手段之一。主要表现如下：1.1.1 机电一体化技术

3、的引用使传统机械系统（产品）的附加值得到了很大的提高在机电一体化系统设计原理和方法中能充分体现“以机为主、以电为用、机电有机结合”的设计原则，在传统机械技术基础上，有效的引入微电子技术、系统控制技术、传感技术，从而使传统的机械系统（产品）的附加值得到了很大的提高。1.1.2 使小型化、高精度、多功能智能化产品得以实现纵观机械产品、机电产品、自动化控制过程的发展历史，其发展模式沿着“单功能省能-单功能 自动化-多功能自动化-自动化高精度”的方向发展。当今机电一体化系统设计原理和方法已为柔性 自动化、智能自动化、高精度自动化技术的研究和产品开发提供了良好的基础和机电产品有机结合创造了条件。在结合自

4、动控制技术、测试技术、机电一体化技术、过程控制技术、微电子技术以及计算机技术，使小型化、高精度、多功能智能化的机电一体化产品得以实现。1.1.3 使省能源、省资源、智能化的机电一体化技术研究的目标成为现实工业技术研究的三大基本要素是物质、能源、信息；而在工业技术研究基础上的机电一体化技术的追求目标是使机电一体化系统（产品）能实现省能源、省资源、智能化，要达到这一目标以满足市场和用户的系统或产品的小型化，高精度、智能化、低投入、高效益等的要求，唯有机电一体化技术在传统机械技术的基础上，有效而合理的将机械技术、电子技术、微电子技术、测试技术、传感器技术、自动控制技术有机的结合起来才能现实省能源、省

5、资源、智能化的机电一体化技术研究的目标。由此可得出，在机械制造及其自动化（机械设计、机械制造、机电一体化方向）、 测试技术与控制本科专业人才的培养计划课程设置，以及机械设计及理论、 机械电子工程、 机械设制造及自动化等专业硕士研究生培养计划课程设置中，将机电一体化系统设计课程作为专业必修课程或选修课程教学是非常必要的。1.2 机电一体化系统设计课程教学的性质作为综合性较强的主干专业课程教学，使学生通过该课程学习，可培养学生初步了解和掌握应用所学专业基础知识和专业知识解决机电一体化系统或产品设计、维护维修的基本方法和技能，初步具备综合应用各学科知识解决实际问题的能力，为今后参与工程实践打下一定的

6、基础。2、 机电一体化系统设计课程教学的主要任务和基本目的2.1 机电一体化系统设计课程教学的主要任务依据四川理工学院机电工程系机械制造及其自动化（机械制造、机电一体化方向）本科专业教学计划、 测控技术与仪器本科专业教学计划。以培养能在工业生产第一线从事机械设计、制造、机械电子工程（机电一体化系统和产品设计）以及测试技术与控制领域内应用机电一体化系统设计技术承担机电产品设计制造、科技开发、应用性研究等方面的应用型技术人才，掌握机电一体化技术的基础知识、基本技能和一定的动手能力为本专业课程教学的主要任务。2.2 机电一体化系统设计课程教学的基本目的机电一体化系统设计课程是机械制造及其自动化本科（

7、机械设计、机械制造、机电一体化方向） 、 测试技术与控制本科以及电气自动化专业等专业教学的重点专业主干课程之一。课程教学的基本目的在于让所培养的各专业本科学生能掌握和了解机电一体化系统设计的基本原理、基本设计原理和方法，从系统和产品的角度出发，掌握组成机电一体化系统或产品机械系统元件和部件、常用机电执行元件和传感元件、微电子控制系统和微机控制系统等的基本工作原理、特点、选用原则与方法，能有效地的对常见机电一体化系统或产品进行简要的分析与评价，通过一定的机电产品实例设计分析，初步掌握机电一体化系统或产品动态设计方法和静态设计方法。3、 机电一体化系统设计课程教学的基本要求基本要求在于培养学生掌握

8、机电一体化系统设计与分析的基本原理、基本设计手段和方法，从系统和产品的角度出发，使学生掌握组成机电一体化系统或产品机械系统元件和部件、常用机电执行元件和传感元件、微电子控制系统和微机控制系统等的基本工作原理、特点、选用原则与方法，能有效地对常见的机电一体化系统或产品进行简要的分析与评价，通过一定的机电产品设计实例分析，从机电有机结合的角度出发，初步掌握机电一体化系统或产品动态设计和静态设计方法。最终目的是培养学生在今后参与工程实践的过程中，能在工业生产第一线从事机械设计、制造、机械电子工程（机电一体化系统和产品设计）以及测试技术与控制领域内应用机电一体化系统设计与分析技术承担机电产品开发、设计

9、制造、应用性研究等方面的基本能力。4、 机电一体化系统设计课程重点难点及处理方法 机电一体化系统设计课程的教学难点主要体现在机电一体化系统设计的基本工作原理、基本设计思想和方法，从系统和产品的角度出发，使学生如何更好地掌握组成机电一体化系统或产品机械系统元件和部件、常用机电执行元件和传感元件、微电子控制系统和微机控制系统等的基本工作原理、特点、选用原则与方法，能有效地对常见的机电一体化系统或产品进行简要的分析与评价，通过一定的机电产品设计实例，从机电有机结合的角度出发，初步掌握机电一体化系统或产品动态设计和静态设计方法。结合本门课程的特点，以大量生产实例为平台，理论与实践相结合等教学方法和手段

10、，使学生能更好地掌握本门课程的基础知识和要点，以及常见的机电一体化系统或产品的静态和动态设计方法，并能在今后的工作中有所应用。5、 机电一体化系统设计课程与其他课程的联系与分工机电一体化技术是以机械技术为基础，引入电子/微电子技术、自动控制理论、信号处理技术、传感技术以及计算机技术等相互融合逐渐形成的综合性学科，因而它与其他课程之间的联系非常紧密。在学习机电一体化系统设计课程专业课程前，学生应完成如下基础课程和基础专业课程的学习：5.1 基础课程高等数学、线性代数与概率论、积分变换与复变函数、大学物理、画法几何与机械制图等基础课程，是为基础专业课程学习和专业课程学习打下坚实的基础。5.2 专业

11、基础课程（ 1）技术基础课程学习理论力学、材料力学、机械原理、机械设计、机械工程材料、电工电子技术（模点/数电）、互换性与技术测量基础等一级学科基础专业课程，是机械工程一级学科各专业学习掌握的专业基础课程，为进一步学习掌握二级学科各专业方向的专业基础知识和专业知识创造条件并打下一定的基础。（ 2）专业方向基础课程学习机械控制工程基础、机电传动控制基础、机械工程测试技术基础、材料成型技术基础、液压传动与控制、计算机辅助设计（CAD/ 三维设计）、机械制造技术基础等二级学科专业基础课程，是以培养机械设计制造及自动化（机械设计、机械制造、机电一体化方向）、测试技术与仪器、过程装备与控制工程本科专业人

12、才培养目标为依据，制定的专业方向基础课程，目的为完成后续的专业课程学习打下基础。5.3 专业课程学习机械设计学、机械系统设计、测试技术与传感器、计算机原理与控制、自动控制理论、数控技术、机电系统控制与驱动设计、机电系统与计算机仿真等专业课程，也是为培养各专业人才进一步学习机电一体化系统设计课程必要的专业知识。5.4 继续教育的基础机电一体化系统设计课程的学习，可为以下选修课程和继续教育课程学习打下一定的专业基础知识或技能。ADAMS 模态分析、机电系统运动学/动力学仿真、自动控制系统仿真，机电系统虚拟样机设计等。六、建议教材与参考文献6.1 建议教材张建民 主编， 机电一体化系统设计，高等教育

13、出版社，2001 年第 2 版（普通高等教育“十五”国家级规划教材）。6.2 参考文献赵先仲 编著， 机电系统设计，机械工业出版社，2002 年第 1 版。何克忠、李伟主编，计算机控制系统，清华大学出版社，1998 年第 1 版。薛定宇著，反馈控制系统设计与分析，清华大学出版社，2000 年第 1 版。刘政华、何将三等编著，机械电子学，国防科技大学出版社，1999 年第 1 版。第二部分教 学 大 纲机电一体化系统设计课程理论教学基本内容与要求（含重点难点，教学组织）1、第一章总 论（第 1.11.5节）（ 1）理论教学学时：4 学时（ 2）教学目的和要求了解和认知机电一体化（技术）的内涵、定

14、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。（ 3）主要教学内容- 机电一体化（技术）的内涵、定义或解释一一原创性技术和变异性设计理念- 机电一体化（技术）设计研究的主要目的一一在机械系统主功能、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。- 机电一体化（技术）设计研究的主要内容（基本要素）

15、一一主要研究“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。- 机电一体化（技术）的发展历史和主要研究方向与领域。- 机电一体化系统的构成要素一一机械系统、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。- 机电一体化系统应具有的主要功能要素一一主功能、信息功能、控制功能、动力功能、构造功能。- 机电一体化（技术）设计中各子系统相互匹配的核心问题：接口技术一一接口技术的定义、分类、输入

16、/输出功能，主要研究内容和途径。- 机电一体化系统设计的基本流程一一确定产品规格、性能指标一-系统功能部件、基本要素的划 分一-接口设计；综合评价或系统评价一-可靠性复查一-试制与调试。- 机电一体化系统设计的评价体系一一以系统主功能、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。（ 4）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。（ 5）教学难点与处理方法教学难点：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

17、体系为学生认识和掌握的知识重点。教学处理方法：基于机电一体化系统构成，以网络信号传递方式系统分析讲解机电一体化系统品）的构成要素和主要功能；结合传统机电一体化系统（产品）的研发特点讲述机电一体化系统设计的基本流程和评价体系。2、第一章总 论（第 1.61.10节）（ 1）理论教学学时：4 学时（ 2）教学目的和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

18、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。（ 3）主要教学内容- 机电一体化系统设计的基本方法一一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。- 掌握机电一体化系统（产品）设计的类型一一开发性设计、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、准则和规律一一设计程序：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

19、性、适应性、完善性为设计目标。- 机电一体化系统（产品）设计与现代设计方法一一机电一体化系统（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。（ 4）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。（ 5）教学难点与处理方法教学难点：机电一体化系统（产品）设计与现代设计方法的关系及各种现代设计方法的初

20、步认知。教学处理方法：结合机电一体化系统（产品）现代设计方法的特点与发展趋势，工业生产和日常生活产品中的实例，重点讲述机电互补法、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。（ 6）课外习题要点复习巩固机电一体化涵义、目的、特征、基本组成要素及可实现哪些功能；工业三大要素和机电一体化三大效果（要素）的内涵；电一体化系统设计的设计思想、方法；开发性设计、变异性设计、适应性设计之间的关系与异同。题量 45 题 祥见本课程教案或教学日历。3、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）（ 1）理论教学学时：4 学时（ 2）教学目的和要求掌握机电一体

21、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。（ 3）主要教学内容- 机电一体化系统机械部分设计或选择的特点一一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）。- 机械传动部件的选择与设计一一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。- 丝杠螺母机构的基本形式一

22、一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。- 滚珠丝杠传动部件及其要求一一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，

23、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。- 齿轮传动部件一一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）。挠性传动部件简介间歇传动部件简介（ 4）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。（ 5）教学难点与处理方法教学难点：滚珠丝杠传动副的典型结构（

24、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。教学处理方法：与图文并茂和实际应用的形式，详细讲解教学难点，使学生易于理解和掌握。4、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）（ 1）理论教学学时：4 学时（ 2）教学目的和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。（ 3）主要教学内容- 导轨副的组成、主要类型及其应满足的要求一一导轨支承部件的作用和组成

25、；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。- 滑动导轨副的结构及其选择一一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）。- 常见导轨副组合与间隙调整、特点一一双三角形组合导轨，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。- 导轨副材料的选择及其机械性能确定一一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。- 提高导轨副耐磨性

26、的措施一一采用镶装导轨；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。- 滚动导轨副的类型与选择一一滚动导轨副的组成、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。- 直线运动滚动导轨副一一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。- 回转运动滚动导轨副一一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。- 滚动轴承导轨副一一滚动轴承导轨副的工作方式的工作原理，结构特点和应用。（ 4）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

27、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。（ 5）教学难点与处理方法教学难点：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。教学处理方法：与图文并茂和实际应用的形式，详细讲解教学难点，使学生易于理解和掌握。（ 6）课外习题要点复习巩固机电一体化系统中传动机构的作用；对传动元件的基本要求；滚珠丝杠副的主要构成元件、传动特点以及支承方式（特点）；齿轮传动系统传动比的分配原则。题量 45 题 祥见本课程教案或教学日历。5、第三章机电一体化系统执行元件选择与设计（第 3.13.2节）

28、（ 1）理论教学学时：4 学时（ 2）教学目的和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。（ 3）主要教学内容- 执行元件的主要类型，能量转化方法及其特点一一电气式、气压式、液压式、其他形式。- 机电一体化系统（产品）对执行元件的基本要求一一惯量小，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。- 机电一体化系统（产品）常用控制电机一一 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

29、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。- 机电一体化系统对伺服控制电动机的基本要求一一性能密度大。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。- 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）。（ 4）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

30、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。（ 5）教学难点与处理方法教学难点：伺服控制电动机的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。教学处理方法：在详细讲解伺服控制电动机工作原理的基础上，结合实际机电一体化系统或产品中对伺服控制电动机的基本要求，选用和应用特点。6、第三章机电一体化系统执行元件选择与设计（第3.33.5节）（ 1）理论教学学时：6 学时（ 2）教学目的和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

31、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。（ 3）主要教学内容复习内容：步进电机的定义；基本工作原理；主要类型与主要特点。步进电动机的运行特性与主要性能指标一一分辨率；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。 步进电机的驱动与控制一一驱动电路：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。 环形脉冲分配器一一软件分频；通用集成电路分频；专用集成电路分频。 功率放大器与作用一一功率放大；限制电流；续流保

32、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。细分驱动电路一一工作原理：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I max ,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。 典型细分驱动电路一一多路功率开关细分电路；单功率放大细分电路。 直流伺服电动机及其驱动 交流伺服电动机及其驱动(4)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、

33、功率放大器、细分驱动电路、典型细分驱动电路)；直流伺服电动机及其驱动；交流伺服电动机及其驱动。(5)教学难点与处理方法教学难点：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)；直流伺服电动机及其驱动；交流伺服电动机及其驱动。教学处理方法：在详细讲解步进电动机、直流/交流伺服电动机、工作原理的基础上，结合实际机电一体化系统或产品中对控制电动机的基本要求，选用和应用特点。(6)第三章课外习题要点复习巩固掌握机电一体化系统中对执行元件的分类与特点；机电一体化系统对执行元件的基本要 求；步进电机具有哪些特点与环形分配方式、功率放大器电路种类以

34、及工作原理、细分电路的特点、 细分方式。题量45题 一一 祥见本课程教案或教学日历。7、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)(1)理论教学学时：4学时(2)教学目的和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。(3)主要教学内容 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，微型计算机一一

35、构成与特点。 微机控制系统专用与通用、硬件与软件的抉择和权衡一一专用与通用的抉择；硬件与软件的权衡； 必要的抗干扰措施。 微机控制系统的设计思路一一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、应用软件。 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：硬件调试、软件

36、调试、系统调试三大步骤。 微机系统构成与种类一一微处理机、微型计算机、微型计算机系统等系统的总称。 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)。(4)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。(5)教学难点与处理方法教学

37、难点：微机控制系统的设计思路。教学处理方法：结合不同微型计算机的构成和性能特点，以及在机电一体化中的应用进行设计思 路的讲解，并对一定的实例进行分析。8、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)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。(1)理论教学学时：2学时(2)教学目的和要求掌握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。(3)主要教学内容 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

38、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。 PLC的编程特点与执行过程一一顺序串行编程与执行。 PLC的应用举例一一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)。(4)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。(5)教学难点与处理方法教学难点：PLC的编程特点与执行过程。举例讲述PLC在机电一体化系统中的应用和编程特点。9、第四章 机电一体化系统微机控制系统的选择与设计(第4

39、.7节第4.8节)(1)理论教学学时：4学时(2)教学目的和要求掌握输入/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。(3)主要教学内容第4.7节微机应用系统的输入/输出控制的可靠性设计 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。 提高输入/输出电路与接口可靠性的主要方法：

40、光电隔离电路和信息转换电路设计。 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 加H(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 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； 传感器的选择原则及注意事项：选用原则；改善和提高传感器的性能的技术措施。 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。 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。(4)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。(5)教学难点与

41、处理方法教学难点：提高输入/输出电路与接口可靠性的主要方法。教学处理方法：重点讲述不同接口电路中的可靠性设计方法。(6)课外习题要点复习巩固掌握机电一体化微机控制系统设计中，微机选择应满足的基本条件；提高微机控制系统抗干扰能力的主要方法和手段；光电耦合器的光电隔离原理；常用传感器的种类及其基本特性。题量45题 一一 祥见本课程教案或教学日历。10、第五章 机电一体化系统的元、部件特性分析(第 5.1节)(1)理论教学学时：2学时(2)教学目的和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。(3)主

42、要教学内容 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(6 b, 6 s, 6 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。 一般线性机械系统的动态特性(传递函数)：X(s)/F x(s) = 1/(J m+jL/i 2)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/J ms2;只有负载转动惯量：X(s)/F x(s) = 1/(J L/i 2

43、)s2°非线性机械系统的动态特性(传递函数)：Fx = Fm(x,x,x) +fx)Fy(y,y,y)。dt 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。 机构静力学特性与研究的主要问题：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。 机构动力学特性与研究的主要问题：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

44、动态力及动态力矩； 机构输出端的弹性与动态特性。(4)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。(5)教学难点与处理方法教学难点：机械系统的机构静力学特性研究和机构动力学特性研究。教学处理方法：以动力机构、变换机构为基础，分析机械系统的机构静力学特性和机构动力学特 性问题的主要研究内容。11、第五章 机电一体化系统的元、部件特性分析(第 5.2节)(1)理论教学学时：4学时(2)教学目的和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

45、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。(3)主要教学内容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；应变/电阻变换传感器；光/电变换传感器。 典型传感器的特性。动电式变换传感器的特性:压电式变换传感器的特性:Vs(s)Y(s)二 Gme(S) Ks ,当Ls/火1时，传感器具有线性特征。一1 Ls/RVs(s)= Gme(S)=Jd尢dd，当时

46、“1 时, 1 -RCs kRs 1 - RCsGe= d/C,放大系数与压电系数成正比，与电容量成反比。但在 T = 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。 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。 传感器检测系统的特性：机械变换、机电变换、电气变换等部分组成。(4)教学重点机械系统中传感器的主功能；传感器的分类；动电式变换传感器和压电式变换传感器的特性。(5)教学难点与处理方法教学难点：各类传感器或传感系统传递函数特性分析与应用。教学处理方法

47、；以不同传感器的工作和应用特点为基础，进行特性分析与应用原则的讲解。12、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)(1)理论教学学时：2学时(2)教学目的和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。(3)主要教学内容 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：控制电路一驱动电路一电/机变换一机械变换。常用电气式执行元

48、件： DC/AC司服电机，步进电机，直线电机(含电磁铁)、压电元件、超声波电机等。 电磁变换执行元件的特性分析：DC/AC司服电机为例进行特性分析。 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：DC司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。 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 压电式执行元件及其特性分析：电压一电荷一应力变形特性分析。 执行元件与机械结构结合中的若干问题：机械惯性阻转矩的匹配方法、凸轮理论曲线分析、残余 振动分析、无残余振动的定位分析。(4)教学重点电磁变换执行元件的特性分析；具有

49、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。(5)教学难点与处理方法教学难点：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。教学处理方法：结合不同的电磁变换元件的工作原理，以及在系统中的应用特点，详细分析执行元件的动态特性分析。（ 6）课外习题要点复习巩固掌握典型机械系统的动态特性和常用的线性变换机构的特点与应用。题量 23 题 祥见本课程教案或教学日历。13、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）（ 1）理论教学学时：4 学时（ 2）教学目的和要求重点掌握机电有机结合的稳态设计考虑方法研

50、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。（ 3）主要教学内容 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。 负载分析：典型负载，负载的等效换算。 执行元件的匹配选择：伺服系统执行元件的转矩匹配，伺服系统执行元件的功率匹配。 减速比的匹配选择与各级减速比的分配：减速比匹配选择一般原则要求，各级减速比的分配原则。 检测传感装

51、置、信号转换接口电路、放大电路、电源的匹配选择与设计；伺服系统的稳态设计方法，伺服系统主要功能部件的选择与设计。 系统数学模型的建立：半闭环控制方式（数学模型），全闭环控制方式（数学模型）。 稳态设计考虑方法的主要设计程序及要求（ 4）教学重点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。（ 5）教学难点与处理方法教学难点：稳态设计考虑方法的主要设计程序及要求的认知了解。教学处理方法：应用实例分析进一步学习和认知稳态设计考虑方法的主要研究内容和重点考虑的问题。14、第六章机电一体化系统的机电有机结合分析与设计（第6.2 节，第 6

52、.3节）（ 1）理论教学学时：4 学时（ 2）教学目的和要求重点掌握机电有机结合的动态设计考虑方法研究的主要内容，伺服系统的调节方法。了解机械结构弹性变形对系统的影响和减少影响可采用的措施，动态设计考虑方法的主要设计程序及要求。（ 3）主要教学内容 机电有机结合的动态设计考虑方法研究的主要内容：在稳态设计所建立的数学模型（传递函数）基础上，选择系统的控制方式和校正（或误差补偿）形式；设计校正（或误差补偿）装置，并有效的与稳态设计所建立的数学模型（传递函数）系统相融合，构成具有误差补偿作用的反馈调节系统，最终达到稳定工作和满足被控制对象的各项动态指标要求。 伺服系统的控制方式：前置反馈和反向误差

53、调节反馈控制方式。 校正（或误差补偿）形式：波德（ Bode）图法和根轨迹图法。 伺服系统的调节方法：伺服系统动态稳定性分析与过渡过程，动态特性与动态稳定性参量或指标，伺服系统动态稳定性校正，伺服系统调节校正分析，速度反馈校正（测速发电机局部负反馈）。机械结构弹性变形对系统的影响：有效地减少机械系统产生自激振荡而影响系统正常工作的各种因素，最有效的方法是机械系统的控制频带避开机械系统的固有谐振频率。通常采用的方法：机械振动系统运动学和动力学方程的建立；简化系统，建立弹性变形时机械系统的运动和动力传递结构框图；写出机械系统的运动和动力传递的控制等效框图；建立机械系统的传递函数；应用根轨迹法判定系

54、统的工作稳定性。 动态设计考虑方法的主要设计程序及要求。 机电系统的可靠性设计方法：可靠性的概念、保证产品（系统）可靠性的主要方法。（ 4）教学重点机电有机结合动态设计考虑方法研究的主要内容，伺服系统的调节方法。（ 5）教学难点与处理方法教学难点：伺服系统的调节方法。在条件允许的情况下，利用自动控制系统仿真分析设计软件进一步分析和学习伺服系统的调节方法、调节程序步骤等机电有机结合动态设计方法的知识要点。第三部分教学实施细则依据本课程教学的性质和教学目的，学生按本课程教学内容重点掌握和了解各章节或各教学环节的教学目的和要求，是本课程教学的基本任务，也是最终考查（考试）的基本范围和知识要点，可作为

55、知识掌握和复习的基本内容和要求。由此制定出本课程的教学实施细则。一、课堂教学方法以各章节教学内容，教学重点和难点为依据，以每次课堂教学为基本教学单元，采取学生教师互动的教学方式，相互尊重的人性化管理加强课堂纪律的整理等教学模式；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，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应掌握和了解各章节的重点知识内容和难点。主要教学方法和手段如下：1.1 教学前的准备认真熟悉地理解和掌握本专业学生的培养目标，教学计划与课程体系，基础课、专业基础课、专业课、选修课以及实践教学内容等之间的相互关系和联系。1.2 理论教学前应准备的教辅资料在认真理解和掌握本课程教学理论研究和应用研究的相关领域和发展方向的基础上，消化熟悉所选用教材明确的知识体系和结构、重点内容和要点，参阅相关参考教材和著作，依据本课程教学规范中教学大纲的要求，在实施理论教学前，应完成准备的教辅资料主要有：课程教学教案，课程教学讲义，多