1、教育心理学课程说明上海开放大学上海开放大学本科（专科起点）机械电子工程专业机电一体化系统设计课程教学大纲 (2014年3月17日审定)第一部分 课程的性质、目的与任务一、课程的性质、目的与任务机电一体化系统设计课程是机械电子工程专业的一门专业课。机电一体化系统设计讨论机电一体化的基本原理，分析实现机电一体化系统的理论基础和技术基础，以信息技术为核心、现代先进的机电技术为基础，从集成观点出发，从系统论和控制论的角度，研究现代机械产品或系统的构成原理和方法，重点讨论机械系统、控制系统以及信息系统的组成，信息处理的规律和分析方法、信息系统与机械结构的协调等问题。通过本课程的学习，培养学生综合运用机械
2、、电子、信息等基础理论的能力，形成机电一体化的创造性思维方法。二、先修后续课程：先修课程：传感器与测试基础、自动控制原理、电气控制与PLC应用。第二部分 教学内容与要求第一章 概论（6学时）一、教学要求1掌握机电一体化系统的内涵及本质2了解机电一体化系统的功能构成3了解机电一体化系统的共性关键技术4了解机电一体化系统的功能评价方法5了解机电一体化系统的发展方向二、内容要点第一节 机电一体化内涵1人力机械系统（体力有限延伸）2机械电气化及信息化（机电产品）3机电一体化系统4机电一体化涵义5机电一体化产品与传统机电产品的主要区别第二节 机电一体化系统功能结构1目的功能描述2系统内部功能描述第三节机
3、电一体化共性关键技术1精密机械技术2检测传感技术3信息处理技术4自动控制技术5伺服驱动技术6接口技术7系统总体技术第四节 机电一体化系统的功能评价1评价方法2评价内容3工业三大要素与机电一体化的三大效果第五节 机电一体化发展状况1机电一体化技术三个发展阶段2机电一体化得以发展的条件3机电一体化的发展方向三、教学重点和难点重点：1机电一体化系统的内涵及本质2机电一体化功能构成3机电一体化共性关键技术难点：1机电一体化内涵2机电一体化共性关键技术第二章 机电一体化系统设计总体方法（6学时）一、教学要求1了解机电一体化系统设计流程2了解机电一体化系统设计思想、设计类型及设计准则3掌握机电一体化概念设
4、计方法4、了解机电一体化系统现代设计方法二、内容要点第一节 机电一体化系统设计流程第二节 机电一体化系统设计思想、设计类型及设计准则第三节 机电一体化系统的产品规划1需求分析2需求设计第四节 机电一体化系统的概念设计1概念设计的内涵2概念设计的特征3概念设计过程中的创新层次4概念设计过程5机电一体化系统概念设计的四视图第五节 全自动洗衣机的概念设计实例分析三、教学重点和难点重点：1机电一体化系统设计思想、设计类型及设计准则2概念设计过程3概念设计的四视图难点：1概念设计过程2概念设计的四视图第三章 机械系统部件的选择与设计（16学时）一、教学要求1掌握机械系统部件的设计要求2掌握机械传动部件的
5、选择与设计3掌握导向支撑部件的选择与设计4了解旋转支撑部件的类型与选择5掌握轴系部件的选择与设计6了解联轴器的选择与设计7了解机电一体化系统的机座或机架二、内容要点第一节 机械系统部件的设计要求1机械系统部件的组成2机械系统部件的设计要求第二节 机械传动部件的选择与设计1机械传动部件及其功能要求2丝杠螺母机构基本传动形式3滚珠丝杆副传动部件4齿轮传动部件5挠性传动部件6间隙传动机构第三节 导向支撑部件的选择与设计1导轨副的组成、种类及其应满足的要求2滑动导轨副的结构及选择3滚动导轨副的类型与选择4静压导轨副工作原理第四节 旋转支撑部件的类型与选择1旋转支撑部件的种类及基本要求2圆柱支承3圆锥支
6、承4填入式滚动支承5其它形式支承第五节 轴系部件的选择与设计1轴系设计的基本要求2轴系（主轴）用轴承的类型与选择3提高轴系部件性能的措施第六节 联轴器的选择与设计1联轴器的概述2联轴器的种类和特性3联轴器的选择第七节 机电一体化系统的机座或机架1机座或机架的作用及基本要求2机座或机架的结构设计要点第八节 机电一体化系统传动系统设计实例1滚珠丝杆的选型2滚动导轨副的选型三、教学重点和难点重点：1掌握传动部件的特点、种类以及应用2掌握滚珠丝杆传动、齿轮传动、同步带传动和谐波传动的工作原理与特点3掌握导向支撑部件的特点、种类以及应用4掌握滚动导轨的工作原理与特点4掌握轴系部件的选择与设计难点：1掌握
7、滚珠丝杆传动的工作原理及应用2掌握滚珠齿轮传动比分配2掌握滚动导轨支撑部件的工作原理及应用第四章 传感器分析、选择与一般特性（8学时）一、教学要求1 熟悉传感器的组成和分类2 掌握传感器的静态特性及性能指标3 掌握传感器的动态特性及性能指标4 了解机电一体化系统中常用的传感器类型及特点5 熟悉传感器的选用原则与使用方法二、内容要点第一节 概述1. 传感检测系统的含义2. 传感器的定义和组成3. 传感器的分类4. 传感器的测量误差与准确度5. 传感器的发展趋势第二节 传感器的性能指标1. 传感器的静态特性指标2. 拉普拉斯变换3. 传感器的动态特性第三节 机电一体化系统中常用的传感器1 线位移检
8、测传感器2 角位移检测传感器3 速度、加速度传感器4 测力传感器第四节 传感器选用原则和使用方法1 机电一体化系统对传感器的要求2 传感器选用的一般原则3 传感器的校准与安装三、教学重点和难点重点：1 熟悉传感器的组成和分类2 掌握传感器的静态性能及动态性能指标3 了解机电一体化系统中常用的传感器类型及特点4 熟悉根据机电一体化系统的设计要求来选择传感器及使用的方法难点：1. 传感器的静态与动态性能指标2. 传感器的选用原则与使用方法第五章 伺服系统中的驱动技术（6学时）一、教学要求1掌握执行元件的种类及特点2了解常用的控制用电机3掌握步进电机和直流伺服电机的工作原理与驱动4了解交流伺服电机的
9、工作原理与驱动5了解气动和液压系统的工作原理与驱动二、内容要点第一节 伺服驱动系统概述1执行元件的种类及特点2对执行元件的基本要求第二节 常用的控制用电动机1对控制用电机的基本要求2控制用电动机的种类、特点及选用第三节 步进电机的工作原理及驱动1步进电机的特点与种类2步进电机的工作原理3步进电机的运行特性及性能指标4步进电机的驱动与控制第四节 直流伺服电机的工作原理及驱动1直流伺服电机的工作原理2直流伺服电机的运行特性及性能指标3直流伺服电机的驱动与控制第五节 交流伺服电机的工作原理及驱动1交流伺服电机的工作原理2交流伺服电机的驱动与控制第六节 液压/气压驱动系统1电-液伺服阀三、教学重点和难
10、点重点：1掌握执行元件的特点、种类以及应用的场合2掌握步进电机、直流伺服电机的工作原理以及驱动实现3了解交流伺服电机的功能实现难点：1掌握步进电机与直流伺服电机的驱动实现2了解交流伺服电机的矢量控制原理第六章 机电一体化系统的控制器（6学时）一、教学要求1掌握机电一体化系统中的控制器的设计思路和组成模式2理解不同种类的控制器所适用的场合3理解机电一体化系统中的控制器的发展趋势二、内容要点第一节 机电一体化系统控制器的概述1机电一体化系统控制器的特点2机电一体化系统控制系统的一般设计思路3控制系统的组成模式第二节 嵌入式处理器与系统1嵌入式系统概述2嵌入式处理器的分类及简介3嵌入式操作系统简介4
11、嵌入式处理器的选型方法第三节 可编程控制器（PLC）1概述2PLC结构与工作原理3三菱PLC的组成与基本指令4梯形图编程基本原则5PLC控制系统的设计方法与步骤6实例第四节 工业控制计算机（IPC）1总线技术2STD总线技术3PC总线技术4基于PCI总线的工业控制计算机5实例第五节 现场总线与工业以太网技术1现场总线技术2工业以太网技术三、教学重点和难点重点：1掌握可编程控制器的设计方法与步骤2掌握工业控制计算机的结构与应用难点：对于不同的应用环境下的机电一体化系统控制器的选择问题第七章 机电一体化系统的元、部件特性分析（4学时）一、教学要求1复习关于控制原理中对于采样控制系统的内容2理解对于
12、机电一体化系统中元部件的动态特性的分析方法二、内容要点第一节 自动控制理论与机电一体化系统1系统的过渡过程特性2伺服系统及其动态特性3采样控制简介4数字PID控制第二节 机电一体化系统的元、部件动态特性1机械系统特性及变换机构2机械系统的机构静力学特性3机械系统的机构动力学特性第三节 传感器的动态特性第四节 执行元件的动态特性1伺服执行元件系统的数学模型2压电式执行元件及其动态特性3执行元件与机械惯性阻转矩的匹配方法三、教学重点和难点重点：1掌握数字PID控制及其算法实现2掌握机械系统的静态与动态分析方法3掌握伺服执行元件系统的数学模型难点：1机械系统的机构动力学特性2伺服执行元件的数学模型第
13、八章 机电一体化系统的机电有机结合分析与设计（4学时）一、教学要求1掌握机电有机结合设计的内容2掌握稳态设计的方法以及相关问题的计算3了解动态设计的方法4了解机电一体化系统的可靠性和安全性设计的内容二、内容要点第一节 概述1机电一体化系统的稳态与动态设计第二节 机电有机结合之一机电一体化系统稳态设计的考虑方法1典型负载分析2执行元件的匹配选择3减速比的匹配选择与各级减速比的分配4检测传感装置、信号转换接口电路、放大电路及电源等的匹配5系统数学模型的建立及主谐振频率的计算第三节 机电有机结合之二机电一体化系统动态设计的考虑方法1机电伺服系统的动态设计2系统的调节方法3机械结构弹性变形对系统特性的
14、影响4传动间隙对系统特性的影响第四节 机电一体化系统的可靠性和安全性设计1可靠性设计2安全性设计三、教学重点和难点重点：1掌握稳态设计的方法2掌握不同机械因素对于系统动态特性的影响难点：1掌握稳态设计的方法以及计算的过程和步骤2了解动态设计方法第九章 机电一体化系统信息流分析（2学时）一、教学要求了解机电一体化系统信息流分析方法二、内容要点1机电一体化系统的基本信息流2面向数据流的软件结构分析方法三、教学重点和难点重点：了解机电一体化系统的基本信息流；掌握面向数据流的软件结构分析方法。难点：面向数据流的软件结构分析方法。第十章 机电一体化系统典型实例解析（2学时）一、 教学要求1. 熟悉机电一
15、体化系统典型实例的结构组成2. 熟悉机电一体化系统典型实例的控制方法3. 从机电一体化系统论与方法的角度分析机电一体化系统的设计思想二、内容要点第一节 数控机床1. 结构组成2. 功能分析3. 控制策略4. 实例总结第二节 工业机器人1. 结构组成2. 功能分析3. 控制策略4. 实例总结第三节 自动化生产线1. 结构组成2. 功能分析3. 控制策略4. 实例总结第四节 AGV小车1. 结构组成2. 功能分析3. 控制策略4. 实例总结三、教学重点和难点重点：1. 熟悉机电一化系统典型实例的结构组成及功能2. 了解机电一化系统典型实例的控制策略难点：由机电一化系统典型实例解析，掌握从机电一体化
16、系统论与方法的角度分析机电一体化系统的设计思想第三部分 实验内容与要求一、教学要求 1.了解机电一体化产品的构成及接口；2.掌握常用控制器PLC的编程与应用3.了解机电一体化产品中常用传感器的选择和使用；4. 掌握常用的特性和控制。二、实验内容及安排本课程设计七个实验。其中实验一到实验四，目的是让学生实践教学要求中的1、2、3，每个学生必做。实验五到七，任选做其其一。实验内容如下：实验一机械结构训练（滚珠丝杠）实验二传感器选择及应用实验三PLC的编程及应用实验四.电气及气动的布线与接口实验五.步进电机的特性及控制实验六.伺服电机的特性及控制实验七.变频器的特性及控制具体实施可以针对一个机电一体
17、化设备（如二位雕刻机），仔细观察它的机械结构，画出它的传动系统图；能够进行电气的连接并画出电气原理图和接线图；掌握几种驱动的原理和方法，能用PLC进行调试使得系统正常运行。第四部分 理论教学与实践教学学时分配建议课程主要内容 学时分配 第一章 概论4第二章 机电一体化系统设计总体方法4第三章 机械系统部件的选择与设计12第四章 传感器分析、选择与动态特性8第五章 伺服系统中的驱动技术6第六章 机电一体化系统的控制器 6第七章 机电一体化系统的元部件特性分析4第八章 机电一体化系统的机电有机结合分析与设计 4第九章 机电一体化系统信息流分析 （刘树林）2第十章 机电一体化系统典型实例解析2实验12总计64
