机电一体化系统设计课程教学大纲 课程名称：机电一体化系统设计(The design of Mechatronics system) 课程编码：Z305070 总学时/总学分：32/2 理论学时/理论学分：28/1.75 实验学时/实验学分：4/0.25 适用专业：工业工程专业 开课单位：机械工程系 一、课程性质及目的 1、课程性质：本课程是工业工程专业的专业选修课。 2、课程目的：本课程在学生所学专业课的基础上，以实例介绍的形式为主，从机械电子结合的 角度介绍机电一体化的主要研究内容及应用领域，通过国内外关于机电一体化系统最新研究成果的 介绍，使学生既了解到本学科的前沿知识，又逐步培养进行科学研究的能力。为毕业设计进行相关 题目的研究打下良好基础。 (1)、了解机电一体化系统开发工程和现代设计方法，机电一体化系统机电有机结合的分析与 设计的方法。 (2)、掌握机电一体化系统机械系统、执行元件系统和微机控制系统的选择及接口设计和机电 一体化系统的元、部件特性分析。 (3)、重点掌握机电一体化系统中常用机械转动系统的选择设计，常用执行元件的驱动设计， 微机控制系统的接口设计， 二、课程内容及要求 1.章节内容及学时分配 第一章橛论4学时 第一节机电一体化时代与机电一体化技术革命 第二节优先发展机电一体化领域及其共性关健性技术 第三节机电一体化系统构成要素及功能构成 第四节机电一体化系统构成要素之间的连接 第五节机电一体化系统的功能评价 第六节机电一体化系统的考虑方法及设计类型 第七节机电一体化系统的设计流程
机电一体化系统设计 课程教学大纲 课程名称：机电一体化系统设计（The design of Mechatronics system） 课程编码：Z305070 总学时/总学分：32/2 理论学时/理论学分：28/1.75 实验学时/实验学分：4/0.25 适用专业：工业工程专业 开课单位：机械工程系 一、课程性质及目的 1、课程性质：本课程是工业工程专业的专业选修课。 2、课程目的：本课程在学生所学专业课的基础上，以实例介绍的形式为主，从机械电子结合的 角度介绍机电一体化的主要研究内容及应用领域，通过国内外关于机电一体化系统最新研究成果的 介绍，使学生既了解到本学科的前沿知识，又逐步培养进行科学研究的能力。为毕业设计进行相关 题目的研究打下良好基础。 （1）、了解机电一体化系统开发工程和现代设计方法，机电一体化系统机电有机结合的分析与 设计的方法。 （2）、掌握机电一体化系统机械系统、执行元件系统和微机控制系统的选择及接口设计和机电 一体化系统的元、部件特性分析。 （3）、重点掌握机电一体化系统中常用机械转动系统的选择设计，常用执行元件的驱动设计， 微机控制系统的接口设计。 二、课程内容及要求 1.章节内容及学时分配 第一章 概论 4 学时 第一节 机电一体化时代与机电一体化技术革命 第二节 优先发展机电一体化领域及其共性关键性技术 第三节 机电一体化系统构成要素及功能构成 第四节 机电一体化系统构成要素之间的连接 第五节 机电一体化系统的功能评价 第六节 机电一体化系统的考虑方法及设计类型 第七节 机电一体化系统的设计流程
第八节机电一体化工程与系统工程 第九节机电一体化系统的设计程序、准则与规律 第十节机电一体化系统的开发工程与现代设计方法 教学要求 1、了解机电一体化系统的设计程序、准则和规律、现代设计方法：采用的教学方法以课堂讲授 为主，采用举例法，结合多媒体课件中典型机电一体化系统的工作过程的视频让学生对系统有感性 认识。 2、理解机电一体化系统与系统工程的关系，机电一体化系统的设计流程：采用理论讲授为主 配以举实例和类比的方法使学生理解机电一体化系统与系统工程的关系。 3、掌握发展机电一体化领域的共性关链性技术，系统的构成要素及功能构成，构成要素之间的 相互连接及系统的功能评价。该部分内容以案例法讲解加深学生印象，合理利用视频和动画及课堂 中安排适当的讨论和提问。 课外作业：1、选择一种机电一体化系统并根据系统的构成要素将其分为五个字系统，阐述各部 分的功能。 第二章机械系统部件的选择与设计8学时 第一节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 第三节导向支承部件的选择与设计 第六节机电一体化系统的机座或机架 教学要求 1、了解机械系统部件的设计要求，导向支承部件的选择与设计。该部分内容主要以课堂讲授为 主，通过上一章中让学生对具体机电一体化系统的了解引入机械传动部件的要求，通过展示图片的 方法讲解导轨的类型及功能特点。 2、理解机电一体化系统的机座或机架，通过讲解机座的功能及选材，引导学生理解机架设计， 采用类比法和举例法讲解应用。 3、掌握机械传动部件的选择与设计，主要是机电一体化系统中常用的传动部件滚珠丝杠副的选 择，在明确滚珠丝杠副功能特点，结构特点的基础上，掌握滚珠丝杠副工作中常出现的问题及解决 方法，掌握滚珠丝杠副轴向间隙调整与预紧方法和原理。采用大量挂图和动画使学生对滚珠丝杠副 的结构特点和功用有直观理解，采用举例讲解和设置问题提问的方法使学生由浅入深的掌握轴向间 隙调整与预紧方法
第八节 机电一体化工程与系统工程 第九节 机电一体化系统的设计程序、准则与规律 第十节 机电一体化系统的开发工程与现代设计方法 教学要求 1、了解机电一体化系统的设计程序、准则和规律、现代设计方法；采用的教学方法以课堂讲授 为主，采用举例法，结合多媒体课件中典型机电一体化系统的工作过程的视频让学生对系统有感性 认识。 2、理解机电一体化系统与系统工程的关系，机电一体化系统的设计流程；采用理论讲授为主， 配以举实例和类比的方法使学生理解机电一体化系统与系统工程的关系。 3、掌握发展机电一体化领域的共性关键性技术，系统的构成要素及功能构成，构成要素之间的 相互连接及系统的功能评价。该部分内容以案例法讲解加深学生印象，合理利用视频和动画及课堂 中安排适当的讨论和提问。 课外作业：1、选择一种机电一体化系统并根据系统的构成要素将其分为五个字系统，阐述各部 分的功能。 第二章 机械系统部件的选择与设计 8 学时 第一节 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 第三节 导向支承部件的选择与设计 第六节 机电一体化系统的机座或机架 教学要求 1、了解机械系统部件的设计要求，导向支承部件的选择与设计。该部分内容主要以课堂讲授为 主，通过上一章中让学生对具体机电一体化系统的了解引入机械传动部件的要求，通过展示图片的 方法讲解导轨的类型及功能特点。 2、理解机电一体化系统的机座或机架，通过讲解机座的功能及选材，引导学生理解机架设计， 采用类比法和举例法讲解应用。 3、掌握机械传动部件的选择与设计，主要是机电一体化系统中常用的传动部件滚珠丝杠副的选 择，在明确滚珠丝杠副功能特点，结构特点的基础上，掌握滚珠丝杠副工作中常出现的问题及解决 方法，掌握滚珠丝杠副轴向间隙调整与预紧方法和原理。采用大量挂图和动画使学生对滚珠丝杠副 的结构特点和功用有直观理解，采用举例讲解和设置问题提问的方法使学生由浅入深的掌握轴向间 隙调整与预紧方法
课外作业：1、查找有关滚珠丝杠副的应用资料，至少掌握一种机电一体化系统中应用的滚珠丝 杠副的类型，并利用课堂知识解释选择型号的原因，估算其工作时的轴向载荷。 第三章执行元件的选择与设计8学时 第一节执行元件的种类、特点及基本要求 第二节常用的控制用电机 第三节直流与交流伺服电机及驱动 第四节步进电机及其驱动 教学要求 1、了解直流与交流伺服电机及驱动，通过查找资料和课外读物了解直流、交流伺服电机的应用， 结合其工作特点讲授驱动方法。 2、理解执行元件的种类、特点及基本要求，通过大量举例的方法讲解机电一体化系统对执行元 件的要求，让学生理解执行元件作为能量转换元件在机电一体化系统中的地位。 3、掌握常用的控制用电机：电气式、液压式和气压式执行元件的优点。表征执行元件输出能量 的综合性指标，机电一体化系统对控制用电机的基本要求。重点掌握直流伺服电机的驱动原理和步 进电机的驱动原理。采用类比的方法介绍步进电机的种类和各自特点，其中详细讲解反应式步进电 机的结枸特点，为后面讲解步进电机的工作原理做好铺垫，在讲解步进电机的工作原理时，采用提 问讨论的方法，让学生对反应式步进电机工作原理加深印象，同时通过习题练习掌握重点内容，介 绍步进电机的动态和静态特性时，通过举例和结合电子挂图的方法进行讲解。步进电机的驱动控制 是这一章的重点，要求掌握驱动电路的组成，重点掌握环形脉冲分配方法和步进电机的功率放大电 路。 课外作业：请查找资料介绍一种机电一体化系统中使用的执行元件，详述其能量转换原理，该执 行元件在机电一体化系统中的地位，以及驱动电路的组成，控制核心的选择。 第四章微机控制系统的选择与设计8学时 第一节专用于通用的抉择、硬件与软件的权衡 第二节微机控制系统的设计思路 第三节微机控制系统的构成与种类 第五节微机应用领域及其选用要点 第六节8086/8088CPU的硬件结构特点 第七节Z80CU的硬件结构特点及其最小应用系统 第八节单片机的硬件结构特点及其最小应用系统
课外作业：1、查找有关滚珠丝杠副的应用资料，至少掌握一种机电一体化系统中应用的滚珠丝 杠副的类型，并利用课堂知识解释选择型号的原因，估算其工作时的轴向载荷。 第三章 执行元件的选择与设计 8 学时 第一节 执行元件的种类、特点及基本要求 第二节 常用的控制用电机 第三节 直流与交流伺服电机及驱动 第四节 步进电机及其驱动 教学要求 1、了解直流与交流伺服电机及驱动，通过查找资料和课外读物了解直流、交流伺服电机的应用， 结合其工作特点讲授驱动方法。 2、理解执行元件的种类、特点及基本要求，通过大量举例的方法讲解机电一体化系统对执行元 件的要求，让学生理解执行元件作为能量转换元件在机电一体化系统中的地位。 3、掌握常用的控制用电机：电气式、液压式和气压式执行元件的优点。表征执行元件输出能量 的综合性指标，机电一体化系统对控制用电机的基本要求。重点掌握直流伺服电机的驱动原理和步 进电机的驱动原理。采用类比的方法介绍步进电机的种类和各自特点，其中详细讲解反应式步进电 机的结构特点，为后面讲解步进电机的工作原理做好铺垫，在讲解步进电机的工作原理时，采用提 问讨论的方法，让学生对反应式步进电机工作原理加深印象，同时通过习题练习掌握重点内容，介 绍步进电机的动态和静态特性时，通过举例和结合电子挂图的方法进行讲解。步进电机的驱动控制 是这一章的重点，要求掌握驱动电路的组成，重点掌握环形脉冲分配方法和步进电机的功率放大电 路。 课外作业：请查找资料介绍一种机电一体化系统中使用的执行元件，详述其能量转换原理，该执 行元件在机电一体化系统中的地位，以及驱动电路的组成，控制核心的选择。 第四章 微机控制系统的选择与设计 8 学时 第一节 专用于通用的抉择、硬件与软件的权衡 第二节 微机控制系统的设计思路 第三节 微机控制系统的构成与种类 第五节 微机应用领域及其选用要点 第六节 8086/8088CPU 的硬件结构特点 第七节 Z80CPU 的硬件结构特点及其最小应用系统 第八节 单片机的硬件结构特点及其最小应用系统
第九节数字显示器及键盘接口电路 第十节微机应用系统的输入/输出控制的可靠性设计 教学要求 1、了解微机控制系统的设计思路，讲述控制算法和数学模型的概念采用举例法，通过实例让学 生了解控制算法和数学模型之间的关系，了解微型计算机的组成，了解其中断系统、存储容量和输 入/输出通道和实时时钟的作用，了解控制系统总体设计包含的内容，接口设计、通道设计、操作控 制台的设计和软件设计常采用的几种方法。 2、理解微机控制系统的构成与种类，根据不同的使用要求选择合适的微机控制系统，控制核心 的选择，外围设备和电路的扩展，及数字显示器和键盘接口电路和存储器扩展中常用的芯片，及控 制系统的抗干扰设计和传感器的选择。 3、掌握8086/8088CPU的硬件结构特点，讲解8086CPU的最大和最小工作模式时，采用举例和 类比的方法，并用电子挂图和实物照片让学生最最大和最小工作模式有直观深刻的印象。分别举例 介绍各个引脚的作用，进而讲解最大和最小工作模式的典型配置，以上内容作为基础讲解Z80CU的 结构特点和典型配置，引入控制总线、数据总线和地址总线的驱动芯片介绍，并通过大量举例和让 学生查找课外资料来自行加深对这部分知识的掌握。以以上两个内容为基础介绍单片机的最大、最 小应用系统，主要采取提问和讨论的方法讲解，最后引入外围设备的接口设计。 课外作业：通过查找资料了解小型的机电一体化系统中经常用到的控制核心有哪些，简单讲述 其控制对象的控制过程，指出控制电路中的控制核心、存储器扩展、外围设备的接口电路、抗干扰 设计等各部分电路 三、参考教材 1、张建民主编。机电一体化系统设计，北京：高等教育出版社，2007. 2、赵松年主编。机电一体化机械系统设计。北京：机械工业出版社，1996。 3、李成华主编。机电一体化技术，北京：中国农业大学出版社，2001. 4、王俊峰编著。机电一体化检测与控制技术北京：人民邮电出版社，2006。 5、胡佑德编著.伺服系统原理与设计.北京：国防工业出版社，1993. 四、学习要求 学习机电一体化系统的五个字系统及评价指标内容之前要求查找资料选择一种机电一体化系统 并根据系统的构成要素将其分为五个字系统，阐述各部分的功能。 学习机械传动系统的选择设计时要求查找有关滚珠丝杠副的应用资料，至少掌握一种机电一体化 系统中应用的滚珠丝杠副的类型，或者选择一种机械传动机构的类型并详述其工作原理和应用场合
第九节 数字显示器及键盘接口电路 第十节 微机应用系统的输入/输出控制的可靠性设计 教学要求 1、了解微机控制系统的设计思路，讲述控制算法和数学模型的概念采用举例法，通过实例让学 生了解控制算法和数学模型之间的关系，了解微型计算机的组成，了解其中断系统、存储容量和输 入/输出通道和实时时钟的作用，了解控制系统总体设计包含的内容，接口设计、通道设计、操作控 制台的设计和软件设计常采用的几种方法。 2、理解微机控制系统的构成与种类，根据不同的使用要求选择合适的微机控制系统，控制核心 的选择，外围设备和电路的扩展，及数字显示器和键盘接口电路和存储器扩展中常用的芯片，及控 制系统的抗干扰设计和传感器的选择。 3、掌握 8086/8088CPU 的硬件结构特点，讲解 8086CPU 的最大和最小工作模式时，采用举例和 类比的方法，并用电子挂图和实物照片让学生最最大和最小工作模式有直观深刻的印象。分别举例 介绍各个引脚的作用，进而讲解最大和最小工作模式的典型配置，以上内容作为基础讲解 Z80CPU 的 结构特点和典型配置，引入控制总线、数据总线和地址总线的驱动芯片介绍，并通过大量举例和让 学生查找课外资料来自行加深对这部分知识的掌握。以以上两个内容为基础介绍单片机的最大、最 小应用系统，主要采取提问和讨论的方法讲解，最后引入外围设备的接口设计。 课外作业：通过查找资料了解小型的机电一体化系统中经常用到的控制核心有哪些，简单讲述 其控制对象的控制过程，指出控制电路中的控制核心、存储器扩展、外围设备的接口电路、抗干扰 设计等各部分电路。 三、参考教材 1、张建民主编. 机电一体化系统设计.北京：高等教育出版社，2007. 2、赵松年主编. 机电一体化机械系统设计. 北京：机械工业出版社，1996. 3、李成华主编. 机电一体化技术 . 北京：中国农业大学出版社，2001. 4、王俊峰编著. 机电一体化检测与控制技术. 北京：人民邮电出版社，2006. 5、胡佑德编著.伺服系统原理与设计.北京：国防工业出版社，1993. 四、学习要求 学习机电一体化系统的五个字系统及评价指标内容之前要求查找资料选择一种机电一体化系统 并根据系统的构成要素将其分为五个字系统，阐述各部分的功能。 学习机械传动系统的选择设计时要求查找有关滚珠丝杠副的应用资料，至少掌握一种机电一体化 系统中应用的滚珠丝杠副的类型，或者选择一种机械传动机构的类型并详述其工作原理和应用场合
以幻灯片的形式为同学做以介绍。 学习执行元件的选择设计这部分内容时要求查找资料介绍一种机电一体化系统中使用的执行元 件，详述其能量转换原理，该执行元件在机电一体化系统中的地位，以及驱动电路的组成，控制核 心的选择。 学习微机控制系统的选择设计时要求查找资料了解小型的机电一体化系统中经常用到的控制核 心有哪些，简单讲述其控制对象的控制过程。 五、成绩评定方式 本课程成绩采用百分制积分，笔试，闭卷 成绩构成：笔试成绩60%，平时成绩40%。 平时成绩构成及要求： 1、考勤：全勤为20分，缺课一次扣1分 2、课堂讨论及提问：总分30分，积极参与讨论并用于发表见解者为25-30分，提问回答基本正 确但没有自己见解者为20-25分，根据提示能基本正确回答问题者15-20分。 3、平时作业：总分为30分，按时优质完成作业者为30分，按时完成但作业质量粗糙者为20 分，没能按时完成，但后面补充完整者15分，未完成作业0分。 4、课外作业的幻灯片展示：20分，根据布置的课外查找资料要求，根据完成质量的情给分。 以上四项成绩相加后乘以40%，即为平时成绩。 实验大纲 序号 实验内容 学时 实验主要仪器 每组 实验项目名称 分配 举刑设名 人数 数控机床机械部件的拆装 1)观察贴塑导轨的外形及其结构2 验证机电一体15 2)拆装一种滚动导轨副。 性实 化综合试 3)拆装转位刀架。 验台 4)拆装圆盘刀库。 9 步进电机基本动作参数设 对步进电机进行控制并了解其2 验证机电一体15 定及控制实验 部分频率特性。 性实化综合试 1)步进电机的工作频率， 验台 2)最高频率 突跳频率 3)步进电机的振动频率 大纲制定者：胡蓉 大纲审定者： 制定时间：
以幻灯片的形式为同学做以介绍。 学习执行元件的选择设计这部分内容时要求查找资料介绍一种机电一体化系统中使用的执行元 件，详述其能量转换原理，该执行元件在机电一体化系统中的地位，以及驱动电路的组成，控制核 心的选择。 学习微机控制系统的选择设计时要求查找资料了解小型的机电一体化系统中经常用到的控制核 心有哪些，简单讲述其控制对象的控制过程。 五、成绩评定方式 本课程成绩采用百分制积分，笔试，闭卷 成绩构成：笔试成绩 60%，平时成绩 40%。 平时成绩构成及要求： 1、考勤：全勤为 20 分，缺课一次扣 1 分 2、课堂讨论及提问：总分 30 分,积极参与讨论并用于发表见解者为 25-30 分，提问回答基本正 确但没有自己见解者为 20-25 分，根据提示能基本正确回答问题者 15-20 分。 3、平时作业：总分为 30 分，按时优质完成作业者为 30 分，按时完成但作业质量粗糙者为 20 分，没能按时完成，但后面补充完整者 15 分，未完成作业 0 分。 4、课外作业的幻灯片展示：20 分，根据布置的课外查找资料要求，根据完成质量酌情给分。 以上四项成绩相加后乘以 40%，即为平时成绩。 实验大纲 序号 实验项目名称 实验内容 学时 分配 实验 类型 主要仪器 /设备 每组 人数 1 数控机床机械部件的拆装 1) 观察贴塑导轨的外形及其结构 2) 拆装一种滚动导轨副。 3) 拆装转位刀架。 4) 拆装圆盘刀库。 2 验 证 性 实 验 机电一体 化综合试 验台 15 2 步进电机基本动作参数设 定及控制实验 对步进电机进行控制并了解其 部分频率特性。 1) 步进电机的工作频率。 2) 最高频率、突跳频率。 3) 步进电机的振动频率。 2 验 证 性 实 验 机电一体 化综合试 验台 15 大纲制定者：胡蓉 大纲审定者： 制定时间：