机电一体化技术与系统导学方案Word格式文档下载.docx
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（2）对机电一体化产品进行剖析，都可以用机电一体化系统的7个基本结构要素来划分。
随机电一体化产品的复杂程度的不同和应用场合的不同，并不是每类机电一体化产品都包含7个基本结构要素，有些产品可能少于7个结构要素，例如有些机电一体化产品由驱动元件直接驱动，没有中间传动机构。
提出问题：
根据机电一体化技术的发展历史，你认为未来该领域的发展方向？
新知要点：
（1）机电一体化一词溯源及发展
（2）机电一体化领域涉及的关键技术
（3）机电一体化系统功能
（4）典型机电一体化控制系统
（5）机电一体化设计方案
典型例题
老式英文打字机与激光打印机对比
老式英文打字机：
纯机械结构。
首先在英国有人研制出用打字机代替手书的机器，通过按键可将各个字母及各种标点符号等，把排列成半圆形的各个钢字击打至圆心处，这在当时实在是一个巧妙的书写工具。
打出的字体规范整洁，一目了然，重要的是速度快，节省时间。
键盘字母的排列也是独具匠心的，并非随意。
当时将常用的字母置于方便位置，不常用的字母置于偏僻处。
这种排列方法直至今日电脑键盘仍然沿袭下来，可见其合理性。
后期的打字机，只是在体积上缩小，其原理结构几乎与原始机器无异，只是形成便携式而已，直到20多年前，才逐渐被电脑所取代，在书写历史上打字机功不可没。
激光打印机：
典型机、电、光一体化产品，激光打印机是由激光器、声光调制器、高频驱动、扫描器、同步器及光偏转器等组成，其作用是把接口电路送来的二进制点阵信息调制在激光束上，之后扫描到感光体上。
感光体与照相机构组成电子照相转印系统，把射到感光鼓上的图文映像转印到打印纸上，其原理与复印机相同。
激光打印机是将激光扫描技术和电子显像技术相结合的非击打输出设备。
70年代末期，半导体技术趋向成熟。
半导体激光器随之诞生，高灵敏度的感光材料也不断发现，加上激光控制技术的发展，激光技术迅速成熟，并进入了实际应用领域。
以美国、日本为代表的科研人员，在静电复印机的基础上，结合了激光技术与计算机技术，相继研制出半导体激光打印机。
这种类型打印机的打印质量好、速度快、无噪音，所以很快得到了广泛应用。
例题小结：
（1）传统办公设备向现代办公设备不断升级换代，主要依靠机电一体化等相关技术；
（2）从典型例题中我们可以发现由于应用了机电光一体化技术，激光打印机的打印输出质量得到很大提高，一般型号机型就能达600dpi以上，这是传统机械结构的打字机所达不到的，体现了机电一体化系统的控制精度；
（3）老式英文打字机敲击速度过快容易发生卡字现象，而激光打印机工作可靠性和稳定性很高。
3、导做
（1）列举生活或工作中机电一体化系统的典型案例，并分析它们的机电组成部分、比例大小、作用？
（2）尝试简单机电一体化作品的设计。
三、总结提升
1、总结反思
无论机电一体化产品的复杂程度如何，无论是一个复杂的系统还是一个机电一体化产品，对它们的分析和设计都应该从系统化的角度出发，这样才能获得更理想的设计结果。
机电一体化系统不是简单的机械结构和电子部件的总装，需是一门融为一体的实质性的技术，涉及到高可靠性和高控制精度等方面的要求。
2、知识拓展
机电一体化实际上是机、电、液、气、光、磁一体化的统称，只不过机电之间的结合更紧密常见而已。
我国从20世纪80年代初才开始在机电一体化方面的研究和应用。
国务院成立了机电一体化领导小组并将该技术列为“863计划”中。
在制定“九五”规划和2010年发展纲要时充分考虑了国际上关于机电一体化技术的发展动向和由此可能带来的影响。
许多大专院校、研究机构及一些大中型企业对这一技术的发展及应用做了大量的工作，已取得了一定成果，但与日本等先进国家相比仍有相当差距。
机电一体化是集机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的交叉综合，它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。
四、平时作业
1.简述机电一体化技术概念。
2.机械系统是机电一体化系统的最基本要素，请你说说它的作用及设计要求。
第二章机械传动与支承技术
机械系统数学模型的建立:
1.掌握机械移动系统建模的步骤和方法
2.掌握机械传动系统建模的方法和步骤
3.基本物理量的折算方法。
机械传动系统的特性:
1.掌握机电一体化对机械传动的要求
2.掌握机械传动系统的特性，掌握机电一体化系统中传动链动力性能的影响因素，合理设计机械部分的动态特性
机械传动装置:
1.了解齿轮传动的特点
2.掌握齿轮传动总传动比的选择
3.熟练掌握齿轮传动链的级数和各级传动比的分配
4.了解滚珠花键的结构，掌握滚珠花键传动的特点:
5.掌握谐波齿轮减速器的工作原理及特点
6.掌握机械传动系统方案选择的方法
支承部件:
1.掌握机电一体化系统对支承部件的要求
2.了解机电一体化系统中常见的轴承及其特点
3.掌握常用导轨及其特点
1、机电一体化中对机械传动的要求，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；
2、转动惯量的折算
1、机电一体化系统的机械系统的数学建模
3、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
4、谐波齿轮减速器。
（1）具有一定的数学基本知识和推导能力；
（2）具有物理基础知识、熟悉物理量含义及计算；
（3）具有基本机械传动知识和机械结构看图能力。
（1）在机电一体化系统中，机械结构主要用于执行机构、传动机构和支承部件，用以完成规定的动作；
传递功率、运动和信息；
起支承连接作用等。
因此，除满足传统机械设计要求外，还须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。
（2）机电一体化系统要求机械传动部件的转动惯量小、摩擦小、阻尼合理、刚度大、抗振性好、间隙小，并满足小型、轻量、高速、低噪声和高可靠性等要求，所以本章有转动惯量折算一节，这也是本章的重点和难点。
机电一体化系统中影响传动链的动力学性能的因素有哪些？
（1）机械系统数学模型
（2）基本物理量的折算
（3）机械传动系统的特性
（4）滚珠花键的结构
（5）谐波齿轮减速器
（6）机电一体化系统支承部件
典型例题
对数控机床进给系统进行基本物理量的折算（见下图）
转动惯量的折算：
设总能量为E，机构在单位时间dt瞬间的动能增量
而
故
转动惯量的折算实际上是将各部件的转动惯量都折算电机轴上，从最终的公式可以看出，将研究对象轴或部件上的转动惯量乘以电机轴至到该轴（部件）传动比i的平方的倒数，即为该轴（部件）的折算转动惯量项
（1）列举生活或工作中转动惯量对机械结构的作用和影响？
（2）尝试进行机械传动和支承部件的精度分析。
（1）机电一体化系统中的机械传动装置，要根据伺服控制的要求进行选择设计，即要满足伺服系统精度、稳定性和快速响应性的要求。
为此，机械传动部件要有足够的制造精度并满足传动惯量小、阻尼合理、刚度大、振动特性好、传动间隙小的要求。
（2）在机电一体化机械系统中，对齿轮传动机构的设计要求是：
有足够的传动精度，并采取结构措施消除齿轮的齿侧间隙；
有足够的刚度和尽可能小的转动惯量，满足系统的快速响应性；
按负载特性和工作条件确定总传动比，合理分配各级传动比。
（3）在机电一体化机械系统中，滚珠丝杠副是最常用的直线运动与回转运动的转换机构，它的传动精度高，刚度好、传动效率高，且运动具有可逆性，但制造工艺较复杂。
使用滚珠丝杠副时应考虑：
按工作条件确定滚珠丝杠的尺寸、精度及安装方式；
用预紧的方法消除轴向间隙，提高刚度；
滚珠丝杠应满足刚度、稳定性、传动效率的要求。
滚动导轨两导轨表面之间为滚动摩擦，磨损小，寿命长，定位精度高，常用于高精度的机电一体化系统。
滚动直线导轨已经有系列化产品，设计时可根据导轨的使用条件，按照选择程序进行计算，由所要求的额定动载荷来选用合适的导轨。
低速条件下应考虑所选用导轨的刚度。
机电一体化机械系统良好的伺服特性，要求机械传动机构具有较高的固有频率、高刚度、较小的惯性、合适的阻尼，并与伺服电机的动态性能相匹配。
因此，设计时应根据上述的性能要求和制造成本等因素考虑多种传动方案，进行优化评价，选出合理方案。
1.在设计齿轮传动装置时，对于转动精度要求高的降速齿轮传动链，可按什么原则进行设计？
2.某齿轮系中，设i=65，传动级数n=3的小功率传动，试按等效转动惯量最小原则分配传动比。
并验算之。
第三章检测技术
传感器
1.常用传感器的类型、特点及工作原理；
2.传感器的选用原则及校准。
位移测量传感器
1.主要掌握旋转变压器、感应同步器、光电码盘、光栅和磁栅等。
速度测量传感器
1.主要掌握测速发电机、光电码盘等常用的速度传感器。
力、压力和扭矩测量
1.主要掌握电阻式传感器。
传感器的选择和应用
传感器的校准
1、预备知识
（1）具有一定的电子技术基础知识；
（2）具有一定的测量学方面的基础知识，熟悉信号与通信的基础概念。
2、新课导学
传感器是能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，主要用于检测机电一体化系统自身与操作对象、作业环境状态，为有效控制机电一体化系统的运作提供必须的相关信息。
传感器有哪几部分组成？
每部分起什么作用？
试述光栅传感器的工作原理及特点。
（1）传感器的组成和分类
（2）常见传感器及其工作原理
（3）传感器的发展趋势
（4）传感器信号的处理
（5）传感器的测量电路
（6）传感器的接口技术
3、导做
铝箔加工机铝箔张力测量传感器的应用
根据控制原理进行加工设备及测量控制设备连接，完成机电一体化设备的装配和传感器的安装，了解传感器的性能及种类。
操作演示铝箔张力测量控制过程，实现对铝箔张力测量控制。
1、总结反思：
传感器技术是现代检测和自动化技术的重要基础之一，机电一体化系统的自动化程度越高，对传感器的依赖性也就越大。
能将各种非电物理量转换成电量的传感器及其应用技术便成为机电一体化技术系统中不可缺少的组成部分。
2、知识拓展
汽车的机电一体化要求用自动控制系统取代纯机械式控制部件，这不仅体现在发动机上，为更全面地改善汽车性能，增加人性化服务功能，降低油耗，减少排气污染，提高行驶安全性、可靠性、操作方便和舒适性，先进的检测和控制技术已扩大到汽车全身。
在其所有重点控制系统中，必不可少地使用曲轴位置传感器、吸气及冷却水温度传感器、压力传感器、气敏传感器等各种传感器。
1、码盘式编码器主要有哪几种？
各有什么特点？
2、莫尔条纹是怎样产生的？
它具有哪些特性？
3、简述电阻应变计的工作原理，它的基本组成结构是什么？
4、传感器的发展方向是什么？
5、模拟多路开关和采样保持电路的作用是什么？
第四章伺服传动技术
概述
1.掌握伺服系统的结构组成及分类
2.掌握伺服电动机应符合的基本要求、各种伺服电动机的特点及应用场合
3.了解功率放大器的种类
直流伺服系统
1.了解直流伺服系统的各组成环节及其工作原理
2.掌握PWM功率放大器的基本原理
3.了解双极式PWM变换器的特点
4.掌握直流伺服系统的稳态误差及减小方法
5.了解直流伺服系统的动态校正方法
交流伺服系统
1.掌握交流伺服系统的分类及应用场合
2.了解异步型交流电动机的变频调速的基本原理及特性
3.了解SPWM型U/f控制变频调速系统结构及工作原理
步进电动机控制系统
1.掌握步进电动机的结构、工作原理及使用特性
2.熟练掌握环行分配器的概念及实现环形分配的方法
3.了解步进电动机驱动电路的种类及其工作原理
4.了解提高系统精度的措施
电液伺服系统
1.掌握电液伺服系统的概念、特点及分类
2.了解电液位置伺服控制系统的分类及相应系统的工作原理
3.了解电液位置伺服系统应用实例
4.了解电液速度、力伺服控制系统的工作原理
熟悉前三种伺服系统的基本构成和工作原理
步进伺服系统技术及应用
ＳＰＷＭ变频技术
（1）具有一定的电力电子技术基础知识；
（2）具有一定的控制工程的基础知识，熟悉传递函数的基础概念。
伺服传动技术包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置，伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装置与部件、对系统的动态性能、控制质量和功能有决定性的影响；
机电一体化系统驱动元件的特点、驱动方法、常用定位机构的组成、特点？
（1）伺服系统的结构组成及分类
（2）直流伺服系统
（3）交流伺服系统
（4）步进电动机控制系统
（5）电液伺服系统
创新作品项目讨论：
（双师教学）
步进电机在小型风力发电机控制系统中的应用
由何老师负责风力发电机整个设计方案及机械部分的实践教学；
由张老师负责电子及控制部分的实践教学。
风力发电作为可再生能源，是最具有经济开发价值的清洁能源，风资源的开发利用是我国能源发展战略和结构调整的重要举措之一。
大力发展风电，对能源结构的调整和环境保护具有重要意义。
本风力发电机装置能实现风力发电功能，通过行星齿轮系装置实现增速作用，提高发电机转速；
并通过步进电机控制装置实现风机的自动控制。
本设计通过机电控制装置实现风机的自动启闭，根据自然界风速的大小自动启闭。
当风速达到启动风速，风机自动打开风叶片启动，根据风力自动调节叶片张开长度，从而控制风机转速在某一范围，避免转速过高过低，提高风机发电效率，避免过度磨损、零部件过热；
在风速过大时，为保护风机，可自动关闭。
关闭时，叶片缩回。
在某些传动领域内，需要对被控对象实现高精度的位置控制，而实现精确位置控制的一个基本条件是需要有高精度的执行机构。
当脉冲当量和进给速度都要求太高时，传统的步进电机或直流伺服电机将面临一系列问题，且实现起来难度大，成本较高。
而近些年兴起的交流伺服电机传动技术却能以较低的成本获取极高的位置控制精度。
对不同的机电一体化设备，伺服系统驱动部件时所需功率的差异很大，在确定驱动方式时一般从输出功率与响应频率两个方面综合选择。
液压驱动伺服系统输出功率大、响应频率高。
伺服电机驱动的伺服系统，对不同的伺服电机具有不同的要求，因此具有所选择的输出功率范围大、响应频率宽的特点。
随着电力电子技术、微电子技术及交流伺服控制理论的发展，交流伺服驱动已经具有可与直流伺服驱动相比拟的性能，并且交流伺服传动技术已广泛应用于印刷、数控机床、食品包装、纺织、塑料、电子半导体等行业。
交流伺服传动系统的电机一般又分为交流永磁同步电机和鼠笼式交流异步电动机，在小功率范围交流永磁同步伺服系统有一定的优势但是在大功率伺服系统中，鼠笼式异步电机因结构简单、制造容易、价格低廉、应用范围广、过流能力大的特点而得到广泛应用。
1．直流伺服的特点是什么？
驱动方式有哪些？
2．交流伺服的特点是什么？
3．步进电机的结构及工作原理是什么？
各有何特点？
4．各种伺服电机的区别和特点？
第五章计算机控制技术
1.了解计算机控制系统的组成及特点
2.掌握计算机控制系统的类型
3.了解计算机控制系统的发展方向
计算机控制系统的接口技术
1.了解接口技术的概念及种类
工业控制计算机简介
1.了解工业控制计算机系统硬件组成的一般形式
2.了解工业控制计算机分类
3.掌握STD总线的技术特点
计算机控制算法
1.掌握数字调节器的设计方法概念
2.了解模拟装置的数字化方法的概念
3.了解数字PID调节器的设计
4.掌握数字PID调节器改进的有关概念及方法
计算机控制系统的接口技术
计算机控制系统的接口技术
计算机控制算法
（1）具有一定的计算机基础知识；
（2）具有一定的控制工程的基础知识，具有一定的高等数学的基础。
机电一体化系统中，计算机担负着信息处理,指挥整个系统运行等任务。
信息处理是否正确、及时，直接影响到系统工作的质量和效率，因此计算机技术已成为机电一体化技术发展和变革的最活跃的因素。
机电一体化系统中计算机如何发挥作用？
（1）计算机控制技术
（2）接口技术
（3）工业控制计算机系统
（4）STD总线
（5）数字PID调节器
（6）计算机控制算法
雾天汽车防撞系统：
（导做教师张建负责导做）
雾天汽车防撞系统的基本思路：
利用激光传感器检测出距前方障碍物的距离，通过微处理器进行自动计算并显示出实际距离，当小于安全距离时该系统就发出声光报警提示驾驶员注意前方有障碍物。
另外在防护栏上也安装了信号灯，如在20O米之内前方有障碍物，该信号灯显示红色提示驾驶员注意前方有障碍物，在20O米之外信号灯显示绿色。
接口技术工程设计案例:
列举二个接口设计案例进行分析、总结。
三、总结提升
从某种意义上讲，机电一体化产品的设计，就是在根据功能要求选择了各要素后，所进行的接口设计。
从这一观点出发，机电一体化产品的性能很大程度上取决于接口的性能，即各要素和各子系统之间的接口性能是机电一体化系统性能好坏的决定性因素。
因此，接口设计是机电一体化产品设计的关键环节。
总体来讲，机电一体化系统对接口的要求是：
能够输入有关的状态信息，并能够可靠地传送相应的控制信息；
能够进行信息转换，以满足系统对输入与输出的要求；
具有较强的阻断干扰信号的能力，以提高系统工作的可靠性。
计算机控制技术是现代自动化时代的高级技术，在工业、民用以及社会各行业都有广泛的应用，是现代智能化社会的标志技术，是国家未来发展的重点支柱、核心技术，具有很好的发展前景。
1．计算机控制技术的发展方向？
2．计算机接口方式有几种？
3．工业控制计算机中STD总线的含义？
4．PID控制的含义是什么？
第六章简单机电一体化系统
1．了解全自动洗衣机组成及控制原理
2．了解小型智能绘图机的工作原理、结构及控制系统
3．了解二维表面粗糙度自动量仪结构、控制系统及接口电路
本章不作考试要求
控制系统及接口技术
前面几章已有的基础知识
本章内容为三个单独的机电一体化系统例子，学生主要从机电如何结合方面来分析三个典型系统，从而找出机电结合的方法，关键在于机电接口。
一个完整的机电一体化系统的机电耦合关系是什么？
如何进行机电一体化系统的创新设计？
电脑打印机实物展示剖析
采用惠普激光打印机，打开机盖，分析机电一体化结构、作用、工作原理及控制系统，并进行控制精度分析。
复印机维修案例
以施乐复印机为案例，分析复印机的光机电一体化工作原理，阐述其常见的机电故障，深入分析其故障特点和原因，指出维修方法和途径。
三坐标测量机参观实习操作
南通富来威公司拥有有一台价值三十多万的三坐标测量机。
机电一体化系统创新设计方案导做
以若干创新设计案例进行导做，总结方法、手段、途径。
由于机电一体化设备所具有的独特的特点，我们不能沿用传统的单独针对机械或电子的维修诊断方法，不能产生因未找到真正的故障原因，产生判断失误，导致故障反复出现，零件多次损坏，而应将机电有机结合，转变思维方法。
首先，要对机电一体化系统有一个深入的分析、了解，熟悉各功能模块框图，根据各组成部分的功能、组合形式和工作环境等，分析故障可能形式和影响程度。
必要时可作故障树分析，根据故障发生的现象，层层分解，找出与故障形式的逻辑关系及与可靠性有关的各种因素，弄清产生故障的实质和根源。
三坐标测量机实际上可以看作是一台数控机床，只不过前者是用来测量尺寸，公差、误差对比等，后者是用来加工零件。
三坐标测量机基本可以分为龙门式、悬臂式、桥式、L式、便携式，国际上的大品牌主要有莱兹、蔡司、Brownsharpe、Faro、三丰、LK等。
测量范围有大有小，小的大概只有1米多的空间测量范围，大的可以直接测量整车外形。
它的精度受他的结构、材料、驱动系统、光栅尺等各个环节影响，它的光栅尺分辨率一般在0.0005mm，测量时精度又受当时的温度、湿度、震动等很多环境因素影响。
它与传统测量工具比较，可以一次装夹，完成很多尺寸的测量，包括很多传统测量仪器无法进行的测量，更能输入CAD模型，在模型上采点进行自动测量。
感兴趣的同学可以参与创新设计小组进行创新作品设计
第七章工业机器人
1.掌握工业机器人的定义与发展
2.掌握工业机器人的组成与分类
工业机器人操作机的机械结构
1．了解工业机器人操作机的组成及其各组成部分的结构及功用
2．工业机器人运动学与力学分析
考试不作要求。
工业机器人的控制系统
1.了解工业机器人的控
升级会员 