机电一体化系统设计教学大纲教案

《机电一体化系统设计》教学大纲Electro-hydraulicControlTechnology课程代码：Z114105学时：32学分：2理论学时：32实验或讨论学时：0适用专业：机电一体化技术、数控技术课程性质：选修撰稿人：倪晓梅审定人：李国平 一、课程说明（一）课程性质、地位与任务本课程是一门专业选修课，是在先修课程基础上从系统工程观点出发，研究组成机电一体化产品的各要素之间的关系，使局部与整体协调配合，实现系统的目的功能。通过本课程的学习，应使学生掌握从机电一体化的角度对各相关技术及其相互之间联系的基本原理与应用方法，使学生清楚的认识到先修课程是机电一体化系统的基本要素，培养学生运用基础理论理解实际问题的综合能力，培养学生具有设计机电一体化产品的能力，培养学生使用，维修机电产品的能力。使学生掌握机电一体化系统设计的基本方法。课程教学的基本要求1.对本课程的学习，使学生了解机电一体化的基本概念及含义，从系统角度掌握机电一体化技术体系；2.要求掌握传动的转动惯量的计算、传动刚度计算，力矩计算，以及加速控制及制动控制分析；3.要求掌握滚珠丝杠副机械传动装置的设计计算及选用；4.掌握几种常用的机械测量检测传感器；5.掌握常用的直流伺服电机，交流伺服电机以及步进电机的特性及选用；6.掌握几种常用的总线及接口；掌握单片机原理和特点；掌握PLC可编程序控制器的原理及特点。（三）课程教学改革1.教学内容的改革机电一体化系统设计内容多，涉及面广，综合性强。因此，要根据教学大纲要求，精选教学内容，制定合理的教学计划，达到最佳的教学效果。首先，透彻讲述机电一体化的概念、体系结构等。本部分内容对学生建立机电一体化系统设计框架，有高屋建瓴的作用。其次，对各单元技术的讲解，要分明主次，增删结合。第三，重点引导学生运用所学知识进行系统设计，可采用较多课时，分析实际系统的设计过程。教学方法的改革采用多媒体教学与师生互动的教学方法，多媒体是目前广泛使用的教学手段，其特点是利用多媒体制作文字、图片、声音甚至动画演示。它不仅带给学生很强的视觉、听觉冲击，吸引其注意力，而且能在短时间内给学生输送大量的信息。传统的讲述式教学，容易使学生疲惫，可以让学生参与课堂。在课程过半以后，老师给学生布置设计性的大作业，让每个学生根据所学知识，设计一机电一体化产品，在每次上课前几分钟，由学生讲解设计过程。这既能督促学生利用课余时间，查阅文献资料，加深课堂知识的理解，又能活跃课堂气氛，强化课堂效果。二、教学内容与学时分配第一章绪论2学时第一节机电一体化的基本定义知识点：机电一体化的基本概念及含义。机电一体化系统的基本功能要素知识点：机电一体化系统的共性关键技术及功能构成。第三节机电一体化系统的相关技术第四节机电一体化系统设计的目标和方法知识点：机电一体化系统设计程序、流程、准则和规律以及现代设计方法。本章小结重点：机电一体化的基本概念；机电一体化系统的共性关键技术及功能构成；机电一体化系统设计的考虑方法和设计类型；机电一体化系统设计程序、流程、准则和规律以及现代设计方法。难点：机电一体化系统的共性关键技术及功能构成；机电一体化系统设计的考虑方法和设计类型；机电一体化系统设计程序、流程、准则和规律以及现代设计方法。建议教学方法：多媒体教学和板书结合、理论与实际结合的多种教学方法。第二章机械系统设计8学时第一节机械系统数学模型的建立2学时知识点：机械转动系统和机械移动系统的基本元件；机械系统数学模型建立的方法。机械传动系统的特性2学时知识点：转动惯量、摩擦、阻尼、刚度、谐振频率、间隙的基本概念和对机械系统特性的影响；各种常见的机械系统间隙的消除方法。 机械传动装置4学时知识点：齿轮总传动比的确定；齿轮各级传动比的确定原则；齿轮传动间隙消除的方法。同步齿形带传动、滚动螺旋传动、谐波齿轮减速器的原理。滚珠丝杠副机械传动装置的设计选用。本章小结重点：传动的转动惯量的计算；传动刚度计算；机械传动系统特性的选择；齿轮传动比的计算和分配；齿轮间隙的消除；滚珠丝杠副机械传动装置的选用。难点：机械系统数学模型建立、机械传动系统特性的影响因素及选择原则。教学方法：结合工程实例，多媒体辅助教学，视频、动画和录像片演示，板书推演、计算，启发提问、诱导思考。第三章传感器检测及其接口电路6学时第一节传感器 1学时知识点：传感器的分类；传感器的静态性能指标基本概念；传感器的选择原则。位移测量传感器 3学时知识点：位移测量传感器的分类；电容式位移传感器；电感式位移传感器；光栅式位移传感器的工作原理及工程应用。传感器前期信号处理和接口技术 1学时知识点：传感器前期信号处理方法；放大电路种类；传感器接口技术。速度、加速度传感器、位置传感1学时知识点：速度传感器、加速度传感器的分类及工作原理。本章小结重点：位移传感器、速度传感器、加速度传感器的工作原理和适用场合。难点：位移传感器、速度传感器、加速度传感器的工作原理和适用场合。教学方法：结合工程实例，多媒体辅助教学，视频、动画和录像片演示，板书推演、计算，启发提问、诱导思考。第四章控制电动机及其选择计算8学时第一节步进电机及其控制 4学时知识点：步进电机的工作原理；步进电动机的运行特性及性能指标；步进电动机的选择及其计算。直流伺服电机及其控制 2学时知识点：直流伺服电机的工作原理、结构与分类；直流伺服电机的特性曲线。交流伺服电机及其控制 2学时知识点：交流伺服电机的种类和结构特点；交流伺服电动机的控制方法；交流伺服电动机的选择。本章小结重点：常用的直流伺服电机，交流伺服电机以及步进电机的特性及选用。难点：电动机的特点及选用原则、电动机选择计算。教学方法：讲述为主，运用多媒体等教学手段，结合生产、生活实例，为学生呈现更多的案例，使枯燥抽象的专业术语有“鲜活”起来，激发同学们的学习兴趣。第五章工业控制计算机及其接口技术6学时第一节工业控制计算机 1学时知识点：工业控制计算机。计算机控制接口技术1学时知识点：几种常用的总线及接口。第三节可编程控制器4学时知识点：单片机原理和特点；PLC可编程序控制器的原理及特点。本章小结重点：几种常用的总线及接口；单片机原理和特点；PLC可编程序控制器的原理及特点。难点：计算机接口控制技术。教学方法：只能是讲述为主，利用多媒体等教学手段，结合生产、生活实例，介绍了解，学时少内容多，难讲详细。第六章

机电一体化系统设计及应用举例

2学时知识点：机电一体化产品的系统设计要点；数控机床设计应用实例。本章小结重点：机电一体化产品的系统设计要点；数控机床设计应用实例。难点：机电一体化产品设计步骤、要点。三、考核方式及成绩评定平时成绩：习题作业20%/考勤50%/线上学习20%/笔记10%；结课后考试：闭卷总成绩评定办法：平时成绩40%/考试成绩60%。附：教学参考资料1.选用的教材：姜培刚，盖玉先，《机电一体化系统设计》，机械工业出版社，2010年2.主要参考书：[1]黄筱调，赵松年，《机电一体化技术基础及应用》，机械工业出版社，2009年[2]郑堤，唐可洪，《机电一体化设计基础》，机械工业出版社，2008年[3]胡泓，姚伯威，《机电一体化原理及应用》，国防工业出版社，2005年[4]张立勋，孟庆鑫，《机电一体化系统设计》，哈尔滨工程大学出版社，2000年

周次课次学时数授课内容作业题目课堂讨论、测验或其它理论/实验章节和课题第一周从2月24日到3月1日12理论第一章绪论学习通测验举例说一下常见的机电一体化产品22理论第二章机械系统设计第一节机械系统数学模型的建立任务一：建立数控机床传动系统数学模型学习通作业学习通测验第二周从3月2日到3月8日32理论第二章机械系统设计第二节机械传动系统的特性任务二：机械传动系统特性分析学习通作业加速度传感器是什么系统？42理论第二章机械系统设计第三节机械传动装置任务三：齿轮传动比分配学习通作业学习通测验第三周从3月9日到3月15日52理论第二章机械系统设计第三节机械传动装置任务四：滚珠丝杠传动方法学习通作业圆柱齿轮消隙方法有哪些？62理论第三章传感器检测及其接口电路第一节传感器第二节位移测量传感器 任务五：电容传感器原理学习通作业学习通测验第四周从3月16日到3月22日72理论第三章传感器检测及其接口电路第二节位移测量传感器 任务六：位移传感器的选择学习通作业电容传感器的工作原理是什么？82理论第三章传感器检测及其接口电路第三节传感器前期信号处理和接口技 第四节速度、加速度传感器任务七：传感器的接口学习通作业学习通测验第五周从3月23日到3月29日92理论第四章控制电动机及其选择计算第一节步进电机及其控制（上）任务八：步进电动机的工作原理学习通作业学习通测验102理论第四章控制电动机及其选择计算第一节步进电机及其控制（下）任务九：步进电动机的选择学习通作业学习通测验第六周从3月30日到4月5日112理论第四章控制电动机及其选择计算第二节直流伺服电机及其控制任务十：直流伺服电动机选择学习通作业学习通测验周次课次2授课内容作业题目课堂讨论、测验或其它理论/实验章节和课题第七周从4月6日到4月12日122理论第四章控制电动机及其选择计算第三节交流伺服电机及其控制任务十一：交流伺服电动机应用学习通作业学习通测验第八周从4月13日到4月19日132理论第五章工业控制计算机及其接口技术第一节工业控制计算机第二节计算机控制接口技术任务十二：计算机概述学习通作业学习通测验第九周从4月20日到4月26日142理论第五章工业控制计算机及其接口技术第三节可编程控制器任务十三：PLC控制编程学习通作业学习通测验第十周从4月27日到5月3日152理论第五章工业控制计算机及其接口技术第三节可编程控制器任务十三：PLC控制编程学习通作业学习通测验第十二周从5月11日到5月17日162理论第六章机电一体化系统设计及应用举例学习通作业学习通测验

社会实践，课外作业（内容、时间、地点）无教材姜培刚，盖玉先，《机电一体化系统设计》，机械工业出版社，2010年参考资料黄筱调，赵松年，《机电一体化技术基础及应用》，机械工业出版社，2009年郑堤，唐可洪，《机电一体化设计基础》，机械工业出版社，2008年胡泓，姚伯威，《机电一体化原理及应用》，国防工业出版社，2005年教研室主任（签字）：日期：

教学日历执行结果时数计划与执行总学时数时数分配讲授实验实习习题课讨论习作参观及其它教学计划规定3232000教学日历原定322000期末执行结果任教体会：任课教师（签字）：年月日教研室主任意见:教研室主任（签字）：年月日

《机电一体化系统设计》授课教案章节课题第一章绪论课次序号1授课类型理论授课时间年月日学时数2教学目标1.阐述机电一体化系统的共性关键技术及功能构成；2.阐述机电一体化系统设计的考虑方法和设计类型；3.阐述机电一体化系统设计程序、流程、准则和规律以及现代设计方法。重点1.机电一体化的基本概念；2.机电一体化系统的共性关键技术及功能构成。难点1.机电一体化的基本概念；2.机电一体化系统的共性关键技术及功能构成。教学方法教法坚持“以学生为主体，教师为主导”的基本原则，采用线上教学+讲授法等教学法进行教学。学法采用远程线上教学的学习方式，实现个性化教学，培养学生的自学能力。教学过程复习与导入新课导入：机电一体化产品在我们生活生产中经常出现，大家知道这些产品是怎么设计出来的吗？教学内容与活动一、课程简介二、第一章绪论1.机电一体化的定义2.机电一体化系统的基本功能要素详细见附页课堂总结本课程的目的是研究怎样利用系统设计原理和综合集成技巧，将控制电动机、传感器、机械系统、微机控制系统、接口及控制软件等机电一体化要素组成性能优良、可靠的机电一体化产品或系统。培养运用基础理论解决实际问题的综合能力。布置作业学习通作业教学反思

一、新课引入（5min）欢迎大家来到机电一体化系统设计课程，《机电一体化技术与系统》课程是机械专业学生的专业基选修课。在学生掌握一定的专业基础知识的基础上，以机械设计为主线，综合运用所学知识，从整体角度掌握机电一体化系统设计的思想、原理、方法和程序。二、讲授新课（72min）1.课程简介（20min）教师给学生介绍本课程的课程性质、课程目标、课程内容、考核方式等基本情况。2.讲授新课（52min）第一章绪论1.1机电一体化的定义机电一体化的定义：1971年起源于日本。机械学（Mechanics）+电子学（Electronics）=机电一体化或机械电子工程（Mechatronics）定义：机电一体化技术是从系统工程观点出发，应用机械、电子、信息等有关技术，对它们进行有机的组织和综合，实现了整体的最佳化。课堂活动：教师给学生展示日常生活生产中的机电一体化产品图片，引起学生兴趣。1.2机电一体化系统的功能要素1.机械本体：机身、框架、机械联接等产品支持机构，实现构造功能。2.动力与驱动：提供能量，转换成需要的形式，实现动力功能。3.传感测试装置：检测产品内部状态和外部环境，实现计测功能。4.执行机构：包括机械传动与操作机构，接收控制信息，完成要求的动作，实现主功能。5、控制及信息处理单元：处理、运算、决策，实现控制功能。计算机PLCA/DD/A光耦。课堂活动：利用人体图片对应机电一体化的五大要素，学生讨论：眼睛、鼻子、大脑、手臂各代表机电一体化系统中的哪些要素？1.3机电一体化系统的相关技术1.机械技术2.计算机与信息处理技术3.自动控制技术4.传感与检测技术5.伺服驱动技术6.系统总体技术1.4机电一体化系统设计的目标与方法1.机电一体化产品和系统的分类：生产用机电一体化产品、运输、包装及工程用机电一体化产品、储存、销售用机电一体化产品。课堂活动：学生讨论并对每一种分类进行举例。三、课堂总结（11min）本课程的目的是研究怎样利用系统设计原理和综合集成技巧，将控制电动机、传感器、机械系统、微机控制系统、接口及控制软件等机电一体化要素组成性能优良、可靠的机电一体化产品或系统。培养运用基础理论解决实际问题的综合能力。四、布置作业（2min）学习通测验+作业

《机电一体化系统设计》授课教案章节课题第二章机械系统设计第一节机械系统数学模型的建立课次序号2授课类型理论授课时间年月日学时数2教学目标1.明确机械移动系统和机械转动系统的基本元件；2.进行简单的机械系统数学模型的建立。重点1.机械移动系统和机械转动系统的基本元件；2.机械系统数学模型的建立。难点机械系统数学模型的建立。教学方法教法坚持“以学生为主体，教师为主导”的基本原则，采用线上教学+讲授法等教学法进行教学。学法采用远程线上教学的学习方式，实现个性化教学，培养学生的自学能力。教学过程复习与导入旧课复习：机电一体化系统的基本功能要素有哪些？新课导入：在进行机电一体化产品设计时，首先应该建立机械系统数学模型，为产品的模拟仿真提供模型数据。教学内容与活动一、讲授新课1.机械系统移动系统数学模型的建立2.机械系统转动系统数学模型的建立3.基本物理量的折算详细见附页课堂总结机械系统包括执行机构、传动机构和支撑部件，在机械系统设计时，除了考虑一般机械设计要求外，还要考虑机械结构因素与整个伺服系统的性能参数、电气参数的匹配，以获得良好的伺服性能。布置作业学习通作业教学反思

一、温故知新（10min）课堂活动：教师提问学生：机电一体化系统的基本功能要素有哪些？随机提问学生回答问题，大家讨论，教师引导学生复习上节课内容。二、新课引入（5min）进给系统中输入轴的转角和工作台的位移有什么关系？能否用一个数学模型来描述？课堂活动：学生思考问题。三、讲授新课（67min）1.机械移动系统（20min）机械移动系统的三个基本元件是质量，弹簧，阻尼。其中质量表示系统惯性，弹簧表示系统刚性，阻尼表示摩擦或衰减效应。不一定需要真正的弹簧、阻尼器和质量块，只要具有刚性、阻力及惯性这些性能，在输入力作用下，系统能产生一定相应输出，如位移输出。在机械系统中有三种阻止运动的力：惯性力、弹簧力和阻尼力。1）惯性力：根据牛顿第二定律，惯性力等于质量乘以加速度，数学模型为2）弹簧力：对于线性弹簧来说，弹簧被拉伸或压缩时，弹簧的变形量与所受的力成正比，数学模型为3）阻尼力：当力较大质量块获得较大速度时，不能忽略空气阻尼力的影响。在粘性摩擦系统中，阻尼力与速度v成正比，数学模型为例1：设动力滑台的质量为m，液压缸的刚度为k，粘性阻尼系数为c，外力为f（t）。由牛顿第二定律知，系统的运动方称为经过拉式变换得到以下方程：再将系统的输出量和输入量以分数形式，得到传递函数如下：课堂活动：教师给学生展示PPT，讲解拉式变换的意义。2.机械旋转系统三个相应的基本元件：转动惯量、扭簧和黏滞阻尼器。对应于这三个基本元件的三种阻止运动的力为外力矩M(t)、阻力矩Mc(t)和扭簧力矩Mk(t)1）外力矩M(t)，也称扭矩；θ(t)为旋转角度；J为转动惯量；ε为角加速度。（2）阻尼力矩Mc(t)；cθ为黏滞阻尼系数，θ1(t)和θ2(t)分别为输入与输出旋转角度。（3）扭簧力矩Mk；kθ为扭簧刚度。例2.4简单扭摆的工作原理如图所示，图中J为摆锤的转动惯量；c为摆锤与空气间的粘性阻尼系数；k为扭簧的扭转刚度；T(t)为加在摆锤上的扭矩；(t)为摆锤转角。则系统的运动方程为：对应于这三个基本元件的三种阻止运动的力为外力矩M(t)、阻力矩Mc(t)和扭簧力矩Mk(t)课堂活动：教师给学生讲解例题，学生认真听讲。3.基本物理量的折算在建立机械系统数学模型的过程中，经常会遇到基本物理量的折算问题，在此结合数控机床进给系统，介绍建模中的基本物理量的折算问题。数控机床进给系统如图2-3所示。电动机通过两级减速齿轮z1、z2、z3、z4及丝杠螺母机构驱动工作台做直线运动。图2-3数控机床进给系统（1）转动惯量的折算将轴=1\*ROMANI、=2\*ROMANII、=3\*ROMANIII上的转动惯量和工作台的质量都折算到轴=1\*ROMANI上，作为系统总转动惯量。设、、分别为轴=1\*ROMANI、=2\*ROMANII、=3\*ROMANIII的负载转矩，w1、w2、w3分别为轴=1\*ROMANI、=2\*ROMANII、=3\*ROMANIII的角速度，v为工作台的运动速度。轴=1\*ROMANI、=2\*ROMANII、=3\*ROMANIII转动惯量的折算根据动力平衡原理，对于轴=1\*ROMANI有（2-4）对于轴=2\*ROMANII有（2-5）由于轴=2\*ROMANII的输入转矩是从轴=1\*ROMANI上的负载转矩获得的，且与他们的转速成反比，所以有（2-6）又由传动关系知（2-7）将式（2-6）和（2-7）代入式（2-5）得（2-8）对于轴=3\*ROMANIII有（2-9）根据力学原理和传动关系，整理得（2-10）2）工作台质量的折算根据动力平衡关系：丝杠转动一周所做的功等于工作台前进一个导程时其惯性力所做的功，对于工作台和丝杠有（2-11）式中L——丝杠导程。根据传动关系有（2-12）将式（2-13）代入式（2-11）得（2-13）3）折算到轴=1\*ROMANI上的总转动惯量将式（2-8）、（2-10）、（2-13）代入式（2-4）并整理得（2-14）式中——系统折算到轴=1\*ROMANI上的总转动惯量。（2-15）其中，第二项为轴=2\*ROMANII转动惯量折算到轴=1\*ROMANI上的当量转动惯量；第三项为轴=3\*ROMANIII转动惯量折算到轴=1\*ROMANI上的当量转动惯量；第四项为工作台质量折算到轴=1\*ROMANI上的当量转动惯量。课堂活动：教师给学生讲解粘性阻尼系数的折算，引出阻尼比和固有频率的定义。通过以上的分析可知,机械传动系统的性能与系统本身的阻尼比ξ、固有频率ωn有关。ωn、ξ又与机械系统的结构参数密切相关。因此,机械系统的结构参数对伺服系统的性能有很大影响。四、课堂总结（6min）一般的机械系统均可简化为二阶系统,系统中阻尼的影响可以由二阶系统单位阶跃响应曲线来说明。阻尼比不同的系统,其时间响应特性也不同。 （1）当阻尼比ξ＝0时,系统处于等幅持续振荡状态,因此系统不能无阻尼。（2）当ξ≥1时,系统为临界阻尼或过阻尼系统。此时,过渡过程无振荡,但响应时间较长。（3）当0<ξ<1时,系统为欠阻尼系统。此时,系统在过渡过程中处于减幅振荡状态,其幅值衰减的快慢,取决于衰减系数ξωn。在ωn确定以后,ξ愈小,其振荡愈剧烈,过渡过程越长。相反,ξ越大,则振荡越小,过渡过程越平稳,系统稳定性越好,但响应时间较长,系统灵敏度降低。五、布置作业（2min）学习通作业

《机电一体化系统设计》授课教案章节课题第二章机械系统设计第二节机械传动系统的特性课次序号3授课类型理论授课时间年月日学时数2教学目标1.阐述出机械系统的特性的内容；2.能够熟练的进行机械系统特性的选择。重点转动惯量、摩擦、阻尼、刚度、谐振频率、间隙的基本概念和对机械系统特性的影响及选择原则。难点转动惯量、摩擦、阻尼、刚度、谐振频率、间隙的基本概念和对机械系统特性的影响及选择原则。教学方法教法坚持“以学生为主体，教师为主导”的基本原则，采用线上教学+讲授法等教学法进行教学。学法采用远程线上教学的学习方式，实现个性化教学，培养学生的自学能力。教学过程复习与导入旧课复习：机械系统的数学模型的建立方法。新课导入：怎样才能保证数控机床的运动稳定、动作快速、运动精度高？教学内容与活动一、讲授新课1.机电一体化对机械传动的要求2.机械传动系统的特性（1）摩擦（2）阻尼（3）刚度（4）谐振频率（5）转动惯量二、学以致用详细见附页课堂总结理想的机械系统：转动惯量小，摩擦小，阻尼合适，刚度大，抗振性能好，间隙小。机电动态特性相匹配。布置作业学习通作业教学反思

一、温故知新（10min）课堂活动：教师PPT展示机械系统数学模型的建立方法，引导学生思考机械系统数学模型建立的意义和依据原理。二、新课引入（5min）课堂活动：教师引导学生思考问题：怎样才能保证数控机床的运动稳定、动作快速、运动精度高？学生思考并讨论问题，教师引出机电一体化系统设计中的机械系统设计应该考虑的问题。三、讲授新课（63min）1.机电一体化对机械传动的要求（5min）（1）合理安排各个子系统：做到总体布局、机械选型和结构造型更加合理。（2）尽可能缩短传动链（3）采用闭环控制系统（4）小型、轻量。高速、低冲击振动、低噪声和高可靠性等。课堂活动：教师讲授PPT的内容，学生认真听讲。2.2机械传动系统特性（38min）1.摩擦摩擦对机电一体化伺服系统的主要影响是：1.粘滞摩擦影响阻尼比的大小,对系统的振荡产生阻尼作用,可提高系统的稳定性.2.库伦摩擦大将使输出响应变慢,降低系统的响应速度,引起系统的动态滞后和产生系统误差；3.在低速区，静摩擦力作用或静与动摩擦力切换，摩擦力作用于非线性区，容易产生爬行。课堂活动：教师引导学生复习摩擦的种类，引出新的摩擦力-粘滞摩擦，教师给学生讲授爬行现象并引导学生思考爬行会对机械系统的传动有什么影响，让学生在学习通进行讨论。静摩擦力作用下，输入轴以一定的角度转动，输出轴静止，存在死区，因而造成误差。机械传动系统对摩擦特性的要求：静摩擦力尽可能的小。动摩擦力为尽可能小的正斜率，若为负斜率则易产生爬行，降低精度，减少寿命。2.阻尼课堂活动：教师举例说明生活中的阻尼现象。阻尼比对系统振动特性的影响：（1）当ζ=1时，此时系统的阻尼形式称为临界阻尼。（2）当ζ>1时，此时系统的阻尼形式称为过阻尼。课堂活动：教师举例说明生活中的临界阻尼现象和过阻尼现象。(3)0＜ξ＜1称为欠阻尼系统。在ξ值为0.5~0.8之间。课堂活动：教师举出工程实例，引导学生思考工程中应该怎么选择阻尼比？学生在学习通里进行讨论。3.刚度对于伺服机械传动系统，增大系统的传动刚度有以下好处：（1）有利于提高传动精度；（2）响应速度快；（3）可以增加闭环控制系统的稳定性。4.谐振频率输入信号的激励频率等于系统的固有频率，系统会产生共振不能正常工作。课堂活动：教师举出数控机床电动机发热问题，为什么会出现这种问题，应该怎么办？学生在学习通里进行讨论。5.转动惯量转动惯量越大，物体的转动状态就越不容易改变。(1)圆柱体转动惯量（2）丝杠轴折算到电动机轴的转动惯量(3)直线移动工作台折算到丝杠上的转动惯量（4）丝杠传动时，传动系统折算到电动机轴上的总转动惯量(5)工作台折算到带传动驱动轴上的转动惯量学以致用（20min）课堂活动：教师PPT展示例题，引导学生进行转动惯量折算，学生进行解题，拍照上传到学习通上，教师进行归纳总结。四、课堂总结（10min）理想的机械系统：转动惯量小，摩擦小，阻尼合适，刚度大，抗振性能好，间隙小。机电动态特性相匹配。五、布置作业（2min）学习通测验+作业

《机电一体化系统设计》授课教案章节课题第二章机械系统设计第三节机械传动装置课次序号4授课类型理论授课时间年月日学时数2教学目标1.能够确定齿轮总传动比；2.能够进行齿轮传动比的分配；3.能够对不同的齿轮间隙选择正确的补偿方法。重点1.齿轮传动比的计算和分配；2.齿轮间隙的消除。难点1.齿轮传动比的计算和分配；2.齿轮间隙的消除。教学方法教法坚持“以学生为主体，教师为主导”的基本原则，采用线上教学+讲授法等教学法进行教学。学法采用远程线上教学的学习方式，实现个性化教学，培养学生的自学能力。教学过程复习与导入旧课复习：机械系统特性对机械传动的影响。新课导入：齿轮传动是机械传动中常见的传动系统，齿轮传动系统的传动比在机电一体化系统中应该怎么选择？教学内容与活动一、讲授新课1.齿轮总传动比的确定2.总传动比分配3.齿轮传动消隙方法二、学以致用详细见附页课堂总结机电一体化系统中的机械设计要遵循机电结合、机电互补的原则，满足高精度、快速响应速度和稳定性的要求。具体包括两大部分的内容：一是机械传动装置的设计，一是机械结构的设计。布置作业学习通作业教学反思

一、温故知新（10min）课堂活动：学习通给学生发送作业，让学生讨论机电一体化系统对机械系统特性。二、新课引入（5min）课堂活动：教师引导学生思考问题：常见的机械传动系统有哪些？利用学习通选人，随机选择学生回答问题。三、讲授新课（63min）2.3机械传动系统1.齿轮总传动比的确定（15min）在伺服系统中,通常采用负载角加速度最大原则选择总传动比。课堂活动：教师讲授PPT的内容，学生认真听讲。2.总传动比分配（20min）(1)最小等效转动惯量原则(2)重量最轻原则(3)输出轴转角误差最小原则（4）三种原则的选择课堂活动：教师引导思考机电一体化系统中齿轮传动比的确定方法和之前学过的有什么不一样？学生讨论回答。教师给学生通过学习通发送活动，随机选择学生总结齿轮总传动比分配的原则。3.齿轮传动消隙方法（20min）（1）圆柱齿轮传动机构1)偏心轴套调整法（刚性消隙法）2)圆柱薄片齿轮错齿调整(柔性消隙法)（2）斜齿轮传动机构1）垫片调整法（刚性消隙法）2）轴向压簧调整法（3）锥齿轮传动机构1）轴向压簧调整法2）周向弹簧调整法学以致用（8min）课堂活动：教师PPT展示图片，引导学生进行思考，通过学习通选取学生回答问题。四、课堂总结（10min）教师和学生一起总结本次课的内容。五、布置作业（2min）学习通测验+作业

《机电一体化系统设计》授课教案章节课题第二章机械系统设计第三节机械传动装置课次序号5授课类型理论授课时间年月日学时数2教学目标1.明确同步齿形带传动、滚动螺旋传动、谐波齿轮减速器的原理；2.能够进行滚珠丝杠副机械传动装置的设计选用。重点1.同步齿形带传动、滚动螺旋传动、谐波齿轮减速器的原理；2.滚珠丝杠副机械传动装置的设计选用。难点1.同步齿形带传动、滚动螺旋传动、谐波齿轮减速器的原理；2.滚珠丝杠副机械传动装置的设计选用。教学方法教法坚持“以学生为主体，教师为主导”的基本原则，采用线上教学+讲授法等教学法进行教学。学法采用远程线上教学的学习方式，实现个性化教学，培养学生的自学能力。教学过程复习与导入旧课复习：齿轮传动的传动比确定原则。新课导入：你能否举出几种常见的机械传动系统来？教学内容与活动一、讲授新课1.同步齿形带传动2.滚动螺旋传动3.谐波齿轮减速器详细见附页课堂总结1.同步齿形带传动：利用齿形带的齿形与带轮的轮齿依次相啮合传动运动和动力，无相对滑动，平均传动比准确，传动精度高，而且齿形带的强度高，厚度小，重量轻，故可用于高速传动；齿型带无需特别张紧，故作用在轴和轴承等上的载荷小，传动效率高，在数控机床上亦有应用。2.滚珠丝杠副中滚珠的循环方式：内循环和外循环。轴向间隙的调整方法：垫片调隙式、螺纹调隙式、齿差调隙式3.谐波齿轮减速器的工作原理与适用场合。布置作业学习通作业教学反思

一、温故知新（10min）课堂活动：学习通给学生发送抢答活动，学生抢答问题“齿轮传动的传动比确定原则”。二、新课引入（5min）课堂活动：教师发布讨论：常见的机械传动系统有哪些？学生在学习通中进行讨论。三、讲授新课（83min）2.3机械传动系统1.同步齿形带传动（10min）根据齿形的不同，同步齿形带可以分成两种。一种是梯形齿同步带，另一种是圆弧齿同步带。课堂活动：教师讲授PPT的内容，学生认真听讲。2.滚动螺旋传动（40min）(1)滚珠丝杠副工作原理与结构丝杠和螺母的螺纹滚道间有滚珠，当丝杠或螺母转动时，滚珠沿螺纹滚道滚动，相对运动时产生滚动摩擦。课堂活动：教师引导学生思考：滚珠丝杠副的都应用在什么场合？学生讨论并回答问题。(2)滚珠丝杠副中滚珠的循环方式内循环和外循环两种。(a)内循环。

内循环方式：滚珠在循环过程中与丝杠表面保持接触。(b)外循环。外循环方式中的滚珠在循环返回时,离开丝杠螺纹滚道，在螺母体内或体外做循环运动。(3)滚珠丝杠副轴向间隙的调整和施加预紧力的方法课堂活动：教师讲授PPT，学生认真听讲。3.谐波齿轮减速器（20min）（1）基本组成由刚性圆柱齿轮G、柔性圆柱齿轮R、波发生器H和柔性轴承等零部件构成。（2）工作原理椭圆的长轴两端产生了柔轮与刚轮轮齿的两个局部啮合区；同时在椭圆短轴两端，两轮轮齿则完全脱开。至于其余各处，则视柔轮回转方向的不同，或处于啮合状态，或处于非啮合状态。当波发生器连续转动时，柔轮长短轴的位置不断交化，从而使轮齿的啮合处和脱开处也随之不断变化，于是在柔轮与刚轮之间就产生了相对位移，从而传递运动。（3）工作特点课堂活动：教师讲授PPT，学生认真听见。知识拓展（13min）课堂活动：教师给学生普及谐波齿轮减速器在机器人中的应用，并通过学习通发送投票题，学生投票选择在机器人中各种机构所占的成本，测试学生对机器人的了解程度。四、课堂总结（10min）教师和学生一起总结本次课的内容。五、布置作业（2min）学习通测验+作业

《机电一体化系统设计》授课教案章节课题第三章传感器检测及其接口电路第一节传感器第二节位移测量传感器课次序号6授课类型理论授课时间年月日学时数2教学目标1.明确传感器的静态指标和动态指标；2.阐述出电容传感器的工作原理；3.能够针对工程实例选择合适的电容传感器重点1.传感器的性能指标；2.位移传感器的分类；3.电容式位移传感器的分类及其工作原理。难点1.传感器的性能指标；2.位移传感器的分类；3.电容式位移传感器的分类及其工作原理。教学方法教法坚持“以学生为主体，教师为主导”的基本原则，采用线上教学+讲授法等教学法进行教学。学法采用远程线上教学的学习方式，实现个性化教学，培养学生的自学能力。教学过程复习与导入旧课复习：机械系统理想的特性是什么？新课导入：传感器在工业生产生活中的应用很多，我们今天来学习一下传感器。教学内容与活动一、讲授新课1.传感器特性（1）静态响应特性（2）动态特性2.电容式位移传感器（1）电容式位移传感器的原理（2）电容式位移传感器的分类（3）电容式位移传感器的应用详细见附页课堂总结快速、准确、可靠、经济的获取信号。传感器的选择所要考虑的问题主要包括：

1）足够的量程；

2）与测量或控制系统匹配、转换灵敏度高；

3）精度适当、稳定性高；

4）反应速度快、工作可靠；

5）实用性和适应性强；

6）使用经济；布置作业学习通作业教学反思

一、温故知新（10min）课堂活动：学习通给学生发送抢答活动，学生抢答问题“机械系统理想的特性是什么？”等一系列问题，学生进行抢答。二、新课引入（5min）课堂活动：教师PPT展示传感器在工业生活中的应用，引导学生讨论传感器在生活中的应用还有那些。三、讲授新课（83min）3.1传感器特性1.静态响应特性（20min）当被测量的数值处在稳定状态时，传感器的输出－输入特性。包括：非线性度、迟滞、灵敏度、精度、分辨力、测量范围、量程、零漂。课堂活动：教师讲授PPT的内容，学生认真听讲。（1）线性度传感器的校准曲线与选定的拟合直线的偏离程度称为传感器的线性度，又称非线性误差。课堂活动：引导学生讨论线性度大对传感器好还是不好？学生讨论教师总结。(2)灵敏度

灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出改变量与引起此变化的输入改变量之比。课堂活动：引导学生讨论线性度大对传感器好还是不好？学生讨论教师总结。（3）迟滞（迟环）

在相同工作条件下做全量程范围校准时，正行程（输入量由小到大）和反行程（输入量由大到小）所得输出输入特性曲线不重合。（4）重复性

重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次测试时,所得特性曲线不一致的程度。课堂活动：引导学生讨论重复性和迟滞的区别。2.动态特性（5min）动态特性反映了被测量快速变化的性能，可以利用系统的时域指标内的参数，频域指标内的传递函数、频率响应来描述。3.位移传感器（38min）课堂活动：教师引入本次课的任务：金属板厚度监测系统应该选什么样的传感器。（1）位移传感器原理电容式传感器是将被测物理量的位移转换为电容量的变化，再通过配套的测量电路，将电容的变化转换为电信号输出。通过公式推导出结论：电容C的相对变化与位移之间呈现的是一种非线性关系。课堂活动：教师提问：什么是位移传感器？学生思考并回答。课堂活动：教师提问问题：灵敏度是传感器的重要性能指标，该电容传感器的灵敏度与什么有关？学生讨论并回答问题，与极距有关。课堂活动：教师提问问题：是否d0越小，传感器就越好？学生讨论并回答问题。课堂活动：教师提问问题：非线性随极板间距怎样变化？学生讨论并回答问题。课堂活动：教师提问问题：观察电容与极距的关系图，思考：当两个极距变化相同的信号输入，输出的信号是一样的吗？学生讨论并回答问题。（2）差动式的电容传感器为了提高灵敏度和减小非线性，以及克服某些外界条件如电源电压、环境温度变化的影响，常采用差动式的电容传感器。电容式传感器做成差动式结构后，非线性误差大大降低了，而灵敏度比单极距电容传感器提高了一倍。4.位移传感器工程应用案例（15min）课堂活动：学生讨论本次课的任务金属板厚度监测系统，观察PPT学生思考两个问题：本案例中的用电容传感器是什么类型的？能不能根据原理图简述本系统的工作原理？学生进行讨论并回答问题，教师总结。5.知识拓展（10min）1.变面积型电容位移传感器2.变介质型电容位移传感器四、课堂总结（5min）教师和学生一起总结本次课的内容。五、布置作业（2min）学习通测验+作业

《机电一体化系统设计》授课教案章节课题第三章传感器检测及其接口电路第二节位移测量传感器课次序号7授课类型理论授课时间年月日学时数2教学目标1.阐述电感式位移传感器和光栅式位移传感器的工作原理；2.能够进行电感式位移传感器的选用。重点1.电感式位移传感器和光栅式位移传感器的工作原理；2.电感式位移传感器的选用。难点1.电感式位移传感器和光栅式位移传感器的工作原理；2.电感式位移传感器的选用。教学方法教法坚持“以学生为主体，教师为主导”的基本原则，采用线上教学+讲授法等教学法进行教学。学法采用远程线上教学的学习方式，实现个性化教学，培养学生的自学能力。教学过程复习与导入旧课复习：为什么差动变极距型电容位移传感器的精度是普通的变极距电容传感器的2倍？新课导入：位移传感器在工业中的应用比较多。教学内容与活动1.电感式位移传感器的原理及分类2.电感式位移传感器的应用3.光栅式位移传感器的工作原理及放大倍数详细见附页课堂总结1.电感式位移传感器工作原理。根据被测位移改变磁阻的方式，它又分为变气隙型、变面积型和螺线管型三种。2.光栅位移传感器。由于莫尔条纹是明暗交替的，当莫尔条纹上下移动时，只要用光敏元件检测出来明、暗的变化，就可得知位移的大小。布置作业学习通作业教学反思

一、温故知新（10min）课堂活动：学习通给学生发送抢答活动，学生抢答问题“为什么差动变极距型电容位移传感器的精度是普通的变极距电容传感器的2倍？”教师代领学生复习上节课内容二、新课引入（5min）课堂活动：教师发布讨论：位移传感器在工业生活中还有那些应用？学生在学习通中进行讨论。三、讲授新课（83min）2.3.2电感式位移传感器1.电感式位移传感器工作原理（10min）把被测位移变化转变为线圈自感系数变化的传感器称作自感式位移传感器。根据被测位移改变磁阻的方式，它又分为变气隙型、变面积型和螺线管型三种。课堂活动：教师讲授PPT的内容，学生认真听讲。2.变气隙型自感式位移传感器（20min）变气隙型单自感式位移传感器的电感L与位移x呈近似线性关系。