《机电一体化技术与系统》教学大纲教案

《机电一体化技术与系统》教学大纲课程编码：课程名称：机电一体化技术学时/学分：32学时/1.5学分先修课程：《机械原理》、《机械设计》、《电工学》、《可编程控制技术》、《液压与气压传动》。

适用专业：机械设计制造及其自动化开课教研室：机电一体化教研室一、课程性质与任务1．课程性质：本课程属于机械设计制造及其自动化专业选修课程，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、计算的基本理论和方法，初步具备机电一体化系统的设计能力。

2．课程任务：任务是使机械设计制造及自动化的学生在机电一体化技术方面具有较广泛的知识，了解机电一体化系统（产品）涉及的相关技术，重点掌握典型机电一体化系统构建、设计，使学生在今后的工作中具有综合应用多学科知识的能力。

二、课程教学基本要求1．要求掌握的基本知识机电一体化的一般知识。

机电一体化的组成，各部分的性能、特点。

2．要求掌握的基本理论和方法交流逆变技术，位置检测技术，plc控制系统基本原理。

常用电动机基本工作原理，交流伺服电机特点及其调速方法，机械部件与气液控制技术基本原理。

3．要求掌握的基本技能一、能设计电气电路图（就是控制电机启停、正反转，星三角这样的），并能完成配线。

二、能进行PLC编程，能设计PLC控制电路。

三、能用AUTOCAD画机械零件图，并进行简单的机械设计。

三、具有较强的自学能力，能看懂设备的说明书等。

4.考核方式以平时作业和期末考试相结合的方式进行。

平时占30%左右，期末占70%左右。

三、课程教学内容教学内容1.第一章绪论内容：机电一体化系统的意义；机电一体化系统设计工作的组织；机电一体化系统所代表产品的范围及分类；机电一体化系统设计的发展趋势。

2.第二章交流逆变技术内容：熟悉电力电子器件，掌握整流电路的分析方法，熟悉PWM逆变原理。

重点：整流电路的分析方法。

难点：PWM逆变原理。

3.第三章位置检测技术内容：熟悉包括行程开关、接近开关、光电开关检测开关原理及功能。

重点：在了解各种开关原理基础上会进行简单的设计。

难点：传感器接口技术，以及各传感器和plc输入模块连接。

4.第四章PLC控制系统内容：PLC控制系统，系统组成与PLC结构，PLC的工作原理，PLC的规格与型号，PLC连接技术重点：PLC连接技术，程序编制。

难点：PLC的应用与实践。

5.第五章伺服传动技术内容：伺服系统的结构组成及分类，直流伺服系统结构和原理，直流伺服系统的稳态误差分析，直流伺服系统的动态校正，交流伺服系统的分类及应用。

异步型交流电动机的变频调速的基本原理及特性，异步电动机变频调速系统。

步进电动机的结构、工作原理及使用特点，环形分配器；功率驱动器的种类及其工作原理。

重点: 直流伺服电机特性和调速原理，直流伺服系统组成的基本原理，交流伺服电机特点及其调速方法，变频调速装置的基本原理。

难点：直流伺服电机特性和调速原理，交流伺服电机特点及其调速方法。

6.第六章机械传动与支承技术内容：同步带传动、谐波齿轮传动及滚珠花键传动装置的工作原理和工作特性。

熟悉新型标准与非标准滚动轴承、液体与气体静压轴承、磁轴承、塑料导轨、滚动导轨和静压导轨的工作特性。

重点：熟悉新型精密机械传动与支承件的工作特性，并能熟练选用。

难点：机电一体化系统的机械系统的数学建模、精密机械传动件和支承件的工作特性、机械结构参数对伺服性能的影响。

7.第七章液压与气动控制技术内容：机械手液压系统分析，液压控制原理分析，机械手液压控制原理，液压系统特点及推广，液压系统调试，电液伺服系统应用，喷漆机器人系统设计，气动机械手控制系统分析。

重点：液压控制原理及机械手液压控制原理分析。

难点：喷漆机器人系统设计，气动机械手控制系统分析五、建议教材及参考书教材：梁景凯主编，《机电一体化系统设计》，机械工业出版社。

课程定位❖《机电一体化技术与系统》课程是机械工程及自动化专业学生的专业基础必修课。

❖是学生经过三年基础课和技术基础课学习之后，带有总结意义的一门综合性设计课程。

❖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。

学习方法❖1、认真听课❖2、参考教材自学❖3、网络自学和自测检查❖3、认真实验，主动参加自选实验❖4、积极参加讨论和完成作业（可以网络提交）课程的考核办法❖理论课：百分制❖闭卷考试70% 平时成绩30%❖平时成绩：课堂效果、作业效果、❖网上答疑、实验效果机电一体化信息科学机械学电子学第1章 概论❖ 1.1 概述❖ 1.2 机电一体化系统的设计 ❖ 1.3 机电一体化系统的发展趋势美国《技术评论》认为，有十种新兴技术在不远的将来会产生巨大影响：无线传感器网络；可注入组织工程；纳米太阳能电池；机电一体化技术；分子成像；纳米印刷刻蚀；软件保证；糖原组学；量子密码术。

1.1 概述1.1.1 引言机电一体化一般包含机电一体化技术和机电一体化产品(系统) 两层含义。

1、 机电一体化技术：从系统的观点出发，将机械技术、微电子技术、信息技术、控制技术等在系统工程基础上有机地加以综合，以实现整个系统最佳化的一门新科学技术。

2、 机电一体化产品：新型机械与微电子器件，特别是微处理器、微型机相结合而开发出来的新一代电子代机械产品。

权威定义：❖ 起源：日本，20世纪70年代； ❖合成词：Mecha —tronics 。

它取英语Mechanics(机械学)的前半部和Electronics （电子学）的后半部分拼成一个新词；❖(ASME)由计算机信息网络协调与控制的用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械和(或)机电部件相互联系的系统。

理解：❖机电一体化不是机械与电子简单的叠加，而是在信息论、控制论和系统论的基础上建立起来的应用技术❖典型的机电一体化产品(系统)有：数控机床、机器人、汽车电子化产品、智能化仪器仪表、电子排版印刷系统、CAD ／CAM 系统等。

常用的机电一体化产品：数控铣床、焊接机器人、汽车防抱死系统(ABS)发展概况：1. 20世纪60年代前为第一阶段，“萌芽阶段”工程师们自觉或者不自觉地把机械产品和电子技术相结合，以提高机械产品的性能。

但是由于电子技术的发展相对落后，使得机械与电子的结合还没有得到广泛的应用。

2. 70年代到80年代为第二阶段，“蓬勃发展阶段”计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一体化的发展奠定了技术基础。

这个时期的特点是：①mechatronics（机电一体化）一词首先在日本被普遍接受，大约到20世纪80年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认；②机电一体化技术和产品得到了极大发展；③各国均开始对机电一体化技术和产品给以很大的关注和支持。

3、90年代后期为第三阶段，“智能化阶段”①光学、通信技术等进入了机电一体化，微细加工技术也在机电一体化中崭露头脚，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支。

②对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法，机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。

③由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步，为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地。

这些研究，将促使机电一体化进一步建立完整的基础和逐渐形成完整的科学体系。

4、总的发展趋势①性能上，向高精度、高效率、智能化的方向发展，以数控机床为例，控制精度0.1um，进给速度100m/min以上，联动轴数15轴以上，界面、通讯等长足发展；②功能上，向小型化、轻型化、多功能化方向发展。

③层次上，向系统化、复合集成化方向发展。

❖有资料总结为六化：（1）智能化（2）模块化（3）网络化（4）微型化（5）绿色化（6）人性化1.1.2 机电一体化的基本组成要素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。

要求：可靠、小型、美观2、动力与驱动：提供能量，转换成需要的形式，实现动力功能。

要求：效率高、可靠性好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。

物理量/化学量 电信号要求：体积小、精度高、抗干扰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。

要求：高性能、高精度、高效率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PLC A/D D/A 光耦要求：高可靠性、柔性、智能化以上这五部分通常称为机电一体化的五大组成要素。

在机电一体化系统中的这些单元和它们内部各环节之间都遵循接口耦合、运动传递、信息控制、能量转换的原则，称为四大原则。

1、接口耦合与能量转换：变换、放大、耦合、能量转换2、信息控制3、运动传递1.1.3 机电一体化系统的技术组成 1、机械技术机械技术是机电一体化的基础。

机电一体化产品中的主功能和构造功能，往往是以机械技术为主实现的。

特别是关键部件，如导轨、滚珠丝杠、轴承、传动部件等的材料、精度对机电一体化产品的性能、控制精度等多方向的要求。

实现机电一体化产品的主功能和构造功能，影响系统的结构、重量、体积、刚性、可靠性等。

着眼点：如何与机电一体化技术相适应。

CAPP （计算机辅助工艺规程编制）、 CAD 、 CAM 等2、计算机与信息处理技术信息处理技术包括信息的输入、识别、变换、运算、存储及格出技术，它们大都是依靠计算机来进行的，因此计算机技术与信息处理技术是密切相关的。

信息处理技术包括信息的交换、存取、运算、判断和决策等，实现信息处理的主要工具是计算机。

计算机技术包括计算机硬件技术和软件技术、网络与通信技术、数据库技术等。

其主要工具是计算机。

3、自动控制技术自动控制技术就是通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定的规律运行。

自动控制技术范围很广，包括自动控制理论、控制系统设计、系统仿真、现场调试、可靠运行等从理论到实践的整个过程。

由于被控对象种类繁多，所以控制技术的内容极其丰富，包括高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断、校正、补偿、示教再现、检索等控制技术。

4、传感与检测技术研究对象：传感器及其信号检测传输装置（即变送器）。

检测传感技术是机电一体化的关键技术，它将所测得的各种参量如位移、位置、速度、加速度、力、温度、酸度和其他形式的信号等转换为统一规格的电信号输入到信息处理系统中，并由此产生出相应的控制信号以决定执行机构的运动形式和动作幅度。

传感器检测的精度、灵敏度和可靠性将直接影响到机电一体化的性能。

要求：能快速、精确地获得信息并在相应的应用环境中具有高可靠性。

5、伺服驱动技术❖研究对象：执行元件及其驱动装置❖执行元件种类：电动、液压、气压❖驱动装置指各种电动机的驱动电源电路，目前多采用电力电子器件及集成化的功能电路构成。