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《数控技术》课程教学大纲

四川理工学院

机电一体化系统设计》

课程教学规范

四川理工学院机电工程系

制造技术及自动化教研室

二00六年十一月

机电一体化系统设计》课程教学规范

机电工程系机械设计制造及其自动化教研室

课程编号：

401011

教学课时：

48~56学时；学分：

3~3.5学分。

适用专业：

《机械设计制造及其自动化》本科专业（机械制造、机电一体化方向）；《测控技术与仪器》本科专业等。

执笔人：

何庆中；修订日期：

2006-11-17

第一部分教学基本要求

一、《机电一体化系统设计》课程教学的性质

1.1《机电一体化系统设计》课程教学的重要性

机电一体化是机械工业的重点发展方向之一。

是机械技术与微电子技术等相融合的新兴交叉学科。

所谓“一体化”，并不是机械技术与微电子技术的简单组合，而是相互取长补短、有机结合（融合）以实现系统（产品）构成的最佳化。

随着机械技术、微电子技术的飞速发展，机械技术与微电子技术的相互渗透越来越快。

“机电有机结合”是实现机电一体化系统（产品）的短、小、轻、薄和智能化，从而达到节省能源、节省材料、实现多功能、高性能和高可靠性目的的根本手段。

因而在机械产品、机电产品、测试仪器、家电产品、工业自动化和过程装备自动化系统设计中，机电一体化技术已得到了广泛应用，并取得了很大的成功。

由此可知，机电一体化技术已得到广大科技工作者的广泛重视，并逐步成为科学研究和新产品开发的关键技术手段之一。

主要表现如下：

1.1.1机电一体化技术的引用使传统机械系统（产品）的附加值得到了很大的提高

在机电一体化系统设计原理和方法中能充分体现“以机为主、以电为用、机电有机结合”的设计原则，在传统机械技术基础上，有效的引入微电子技术、系统控制技术、传感技术，从而使传统的机械系统（产品）的附加值得到了很大的提高。

1.1.2使小型化、高精度、多功能智能化产品得以实现

纵观机械产品、机电产品、自动化控制过程的发展历史，其发展模式沿着“单功能省能T单功能自动化T多功能自动化T自动化高精度”的方向发展。

当今机电一体化系统设计原理和方法已为柔性自动化、智能自动化、高精度自动化技术的研究和产品开发提供了良好的基础和机电产品有机结合创造了条件。

在结合自动控制技术、测试技术、机电一体化技术、过程控制技术、微电子技术以及计算机技术，使小型化、高精度、多功能智能化的机电一体化产品得以实现。

1.1.3使省能源、省资源、智能化的机电一体化技术研究的目标成为现实

工业技术研究的三大基本要素是物质、能源、信息；而在工业技术研究基础上的机电一体化技术的追求目标是使机电一体化系统（产品）能实现省能源、省资源、智能化，要达到这一目标以满足市场和用户的系统或产品的小型化，高精度、智能化、低投入、高效益等的要求，唯有机电一体化技术在传统机械技术的基础上，有效而合理的将机械技术、电子技术、微电子技术、测试技术、传感器技术、自动控制技术有机的结合起来才能现实省能源、省资源、智能化的机电一体化技术研究的目标。

由此可得出，在《机械制造及其自动化》（机械设计、机械制造、机电一体化方向）、《测试技术与控制》本科专业人才的培养计划课程设置，以及《机械设计及理论》、《机械电子工程》、《机械设制造及自动化》等专业硕士研究生培养计划课程设置中，将《机电一体化系统设计》课程作为专业必修课程或选修课程教学是非常必要的。

1.2《机电一体化系统设计》课程教学的性质

作为综合性较强的主干专业课程教学，使学生通过该课程学习，可培养学生初步了解和掌握应用所学专业基础知识和专业知识解决机电一体化系统或产品设计、维护维修的基本方法和技能，初步具备综合应用各学科知识解决实际问题的能力，为今后参与工程实践打下一定的基础。

二、《机电一体化系统设计》课程教学的主要任务和基本目的

2.1《机电一体化系统设计》课程教学的主要任务

依据四川理工学院机电工程系《机械制造及其自动化》（机械制造、机电一体化方向）本科专业教学计划、《测控技术与仪器》本科专业教学计划。

以培养能在工业生产第一线从事机械设计、制造、机械电子工程（机电一体化系统和产品设计）以及测试技术与控制领域内应用机电一体化系统设计技术承担机电产品设计制造、科技开发、应用性研究等方面的应用型技术人才，掌握机电一体化技术的基础知识、基本技能和一定的动手能力为本专业课程教学的主要任务。

2.2《机电一体化系统设计》课程教学的基本目的

《机电一体化系统设计》课程是《机械制造及其自动化》本科（机械设计、机械制造、机电一体化方向）、《测试技术与控制》本科以及《电气自动化专业》等专业教学的重点专业主干课程之一。

课程教学的基本目的在于让所培养的各专业本科学生能掌握和了解机电一体化系统设计的基本原理、基本设计原理和方法，从系统和产品的角度出发，掌握组成机电一体化系统或产品机械系统元件和部件、常用机电执行元件和传感元件、微电子控制系统和微机控制系统等的基本工作原理、特点、选用原则与方法，能有效地的对常见机电一体化系统或产品进行简要的分析与评价，通过一定的机电产品实例设计分析，初步掌握机电一体化系统或产品动态设计方法和静态设计方法。

三、《机电一体化系统设计》课程教学的基本要求

基本要求在于培养学生掌握机电一体化系统设计与分析的基本原理、基本设计手段和方法，从系统和产品的角度出发，使学生掌握组成机电一体化系统或产品机械系统元件和部件、常用机电执行元件和传感元件、微电子控制系统和微机控制系统等的基本工作原理、特点、选用原则与方法，能有效地对常见的机电一体化系统或产品进行简要的分析与评价，通过一定的机电产品设计实例分析，从机电有机结合的角度出发，初步掌握机电一体化系统或产品动态设计和静态设计方法。

最终目的是培养学生在今后参与工程实践的过程中，能在工业生产第一线从事机械设计、制造、机械电子工程（机电一体化系统和产品设计）以及测试技术与控制领域内应用机电一体化系统设计与分析技术承担机电产品开发、设计制造、应用性研究等方面的基本能力。

四、《机电一体化系统设计》课程重点难点及处理方法

《机电一体化系统设计》课程的教学难点主要体现在机电一体化系统设计的基本工作原理、基本设计思想和方法，从系统和产品的角度出发，使学生如何更好地掌握组成机电一体化系统或产品机械系统元件和部件、常用机电执行元件和传感元件、微电子控制系统和微机控制系统等的基本工作原理、特点、选用原则与方法，能有效地对常见的机电一体化系统或产品进行简要的分析与评价，通过一定的机电产品设计实例，从机电有机结合的角度出发，初步掌握机电一体化系统或产品动态设计和静态设计方法。

结合本门课程的特点，以大量生产实例为平台，理论与实践相结合等教学方法和手段，使学生能更好地掌握本门课程的基础知识和要点，以及常见的机电一体化系统或产品的静态和动态设计方法，并能在今后的工作中有所应用。

五、《机电一体化系统设计》课程与其他课程的联系与分工

机电一体化技术是以机械技术为基础，引入电子/微电子技术、自动控制理论、信号处理技术、传

感技术以及计算机技术等相互融合逐渐形成的综合性学科，因而它与其他课程之间的联系非常紧密。

在学习《机电一体化系统设计》课程专业课程前，学生应完成如下基础课程和基础专业课程的学习：

5.1基础课程高等数学、线性代数与概率论、积分变换与复变函数、大学物理、画法几何与机械制图等基础课程，是为基础专业课程学习和专业课程学习打下坚实的基础。

5.2专业基础课程

（1）技术基础课程学习理论力学、材料力学、机械原理、机械设计、机械工程材料、电工电子技术（模点/数电）、互换

性与技术测量基础等一级学科基础专业课程，是机械工程一级学科各专业学习掌握的专业基础课程，为进一步学习掌握二级学科各专业方向的专业基础知识和专业知识创造条件并打下一定的基础。

（2）专业方向基础课程学习机械控制工程基础、机电传动控制基础、机械工程测试技术基础、材料成型技术基础、液压传动与控制、计算机辅助设计（CAD/三维设计）、机械制造技术基础等二级学科专业基础课程，是以培养机械设计制造及自动化（机械设计、机械制造、机电一体化方向）、测试技术与仪器、过程装备与控制工程本科专业人才培养目标为依据，制定的专业方向基础课程，目的为完成后续的专业课程学习打下基础。

5.3专业课程学习机械设计学、机械系统设计、测试技术与传感器、计算机原理与控制、自动控制理论、数控技术、机电系统控制与驱动设计、机电系统与计算机仿真等专业课程，也是为培养各专业人才进一步学习《机电一体化系统设计》课程必要的专业知识。

5.4继续教育的基础《机电一体化系统设计》课程的学习，可为以下选修课程和继续教育课程学习打下一定的专业基础知识或技能。

ADAMS模态分析、机电系统运动学/动力学仿真、自动控制系统仿真，机电系统虚拟样机设计等。

六、建议教材与参考文献

6.1建议教材

张建民主编，《机电一体化系统设计》，高等教育出版社，2001年第2版（普通高等教育“十五”国家级规划教材）。

6.2参考文献

赵先仲编著，《机电系统设计》，机械工业出版社，2002年第1版。

何克忠、李伟主编，《计算机控制系统》，清华大学出版社，1998年第1版。

薛定宇著，《反馈控制系统设计与分析》，清华大学出版社，2000年第1版。

刘政华、何将三等编著，《机械电子学》，国防科技大学出版社，1999年第1版。

第二部分教学大纲

《机电一体化系统设计》课程理论教学基本内容与要求（含重点难点，教学组织）

1、第一章总论（第1.1~1.5节）

（1）理论教学学时：

4学时

（2）教学目的和要求

了解和认知机电一体化（技术）的内涵、定义或解释，研究的主要目的和发展历史和方向；机电一体化系统设计研究的主要方向和应用特点；机电一体化系统设计的基本要素，以及与工业设计基本要素之间的关系；主要构成和功能特征；各基本要素相互联系的核心技术问题——接口技术；机电一体化系统设计的基本流程、方法和评价体系。

（3）主要教学内容

•机电一体化（技术）的内涵、定义或解释一一原创性技术和变异性设计理念

•机电一体化（技术）设计研究的主要目的——在机械系统主功能、动力功能、信息功能和控制功能基础上，引入微电子技术、传感技术、计算机技术、自动控制理论，增强传统机械系统（产品）的附加值和自动化应用领域。

•机电一体化（技术）设计研究的主要内容（基本要素）——主要研究“省能源、省资源、智能化”三大基本要素，以及如何应用交叉学科的基础理论知识解决机电一体化（技术）设计中的核心技术问题——接口技术。

•机电一体化（技术）的发展历史和主要研究方向与领域。

•机电一体化系统的构成要素一一机械系统、电子信息处理系统、动力系统、传感系统、执行控制系统（元件）组成的五大构成要素或子系统；实现机电一体化系统三大目的功能所具有的两大重要特征：

以能源转换为主和以信息转换为主的功能特征。

•机电一体化系统应具有的主要功能要素——主功能、信息功能、控制功能、动力功能、构造功能。

•机电一体化（技术）设计中各子系统相互匹配的核心问题：

接口技术接口技术的定义、分类、输入/输出功能，主要研究内容和途径。

•机电一体化系统设计的基本流程一一确定产品规格、性能指标一-系统功能部件、基本要素的划

分—接口设计；综合评价或系统评价—可靠性复查—试制与调试。

•机电一体化系统设计的评价体系——以系统主功能、信息功能、控制功能、动力功能、构造功能和规格、性能指标进行综合评价。

（4）教学重点机电一体化（技术）的内涵、定义，研究目的，“省能源、省资源、智能化”三大基本要素，接口技术问题，机电一体化系统（产品）的构成要素和主要功能，设计的基本流程和评价体系。

（5）教学难点与处理方法教学难点：

接口技术问题，机电一体化系统（产品）的构成要素和主要功能，设计的基本流程和评价体系为学生认识和掌握的知识重点。

教学处理方法：

基于机电一体化系统构成，以网络信号传递方式系统分析讲解机电一体化系统（产品）的构成要素和主要功能；结合传统机电一体化系统（产品）的研发特点讲述机电一体化系统设计的基本流程和评价体系。

2、第一章总论（第1.6~1.10节）

（1）理论教学学时：

4学时

（2）教学目的和要求掌握机电一体化系统设计方法：

一般原则（在充分发挥机电一体化的三大效能省能源、省资源、智能化，提高系统的附加价值的基础上，实现机电系统（产品）的自动化操作，即机电互补法、机电结合（融合）法、机电组合法；掌握机电一体化系统（产品）设计的类型：

开发性设计、适应性设计、变异性设计；了解机电一体化系统（产品）的设计程序、准则和规律；机电一体化系统（产品）的开发工程；机电一体化系统（产品）设计与现代设计方法的关系。

（3）主要教学内容

•机电一体化系统设计的基本方法一一掌握在充分发挥机电一体化的三大效能省能源、省资源、智能化，提高系统的附加价值，实现机电系统（产品）的自动化操作，即机电互补法、机电结合（融合）法、机电组合法。

•掌握机电一体化系统（产品）设计的类型一一开发性设计、适应性设计、变异性设计。

•了解机电一体化系统（产品）的设计程序、准则和规律一一设计程序：

总体方案设计、部件（或关键零件）选择与设计、技术设计与工艺性设计、标准化设计、生产制造试验验收技术条件的制定，达到可靠性、适应性、完善性为设计目标。

•机电一体化系统（产品）设计与现代设计方法一一机电一体化系统（产品）设计的特点；现代设计方法手段和特点；两者相互融合的必要性和优势；现代设计方法的基本类型：

计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）,并行工程（CE――全寿命周期设计方法），虚拟产品设计，快速响应设计，绿色环保产品设计，反求设计，网络协同合作设计等。

（4）教学重点机电互补法、机电结合（融合）法、机电组合法；开发性设计、适应性设计、变异性设计理念和方法；机电一体化系统（产品）设计与现代设计方法的关系。

（5）教学难点与处理方法教学难点：

机电一体化系统（产品）设计与现代设计方法的关系及各种现代设计方法的初步认知。

教学处理方法：

结合机电一体化系统（产品）现代设计方法的特点与发展趋势，工业生产和日常生活产品中的实例，重点讲述机电互补法、机电结合（融合）法、机电组合法；开发性设计、适应性设计、变异性设计理念和方法。

（6）课外习题要点复习巩固机电一体化涵义、目的、特征、基本组成要素及可实现哪些功能；工业三大要素和机电一体化三大效果（要素）的内涵；电一体化系统设计的设计思想、方法；开发性设计、变异性设计、适应性设计之间的关系与异同。

题量4~5题――祥见本课程教案或教学日历。

3、第二章机电一体化系统机械系统部件的选择与设计（第2.1节）

（1）理论教学学时：

4学时

（2）教学目的和要求掌握机电一体化系统机械部分设计或选择的特点，目的，基本功能和基本要求；丝杠螺母机构的基本形式；滚珠丝杠传动部件及其要求；齿轮传动部件及其要求；了解挠性传动部件和间歇传动部件。

（3）主要教学内容

•机电一体化系统机械部分设计或选择的特点一一掌握机电一体化系统机械部分与一般机械系统机械部分相比所具有的特殊要求（四点）；达到这些特殊要求可采取的主要措施（五点）。

•机械传动部件的选择与设计一一机械传动部件的基本功能、目的、要求基本功能：

实现能量（动力）和运动形式的转换一一工作机和信息机。

目的：

实现执行元件与负载之间的匹配一一能量（动力）和运动匹配。

基本要求：

精密化，高速化，小型化，轻量化。

•丝杠螺母机构的基本形式一一丝杠螺母机构的主要作用；分类：

滑动和滚动丝杠螺母机构（包括结构和功能特点）；丝杠螺母机构的主要结构传动形式：

螺母固定丝杠转动并移动、丝杠转动螺母移动、螺母移动丝杠移动、丝杠固定螺母转动并移动，以及差动传动等。

•滚珠丝杠传动部件及其要求一一滚珠丝杠传动部件的组成及结构特点；滚珠丝杠传动副的典型结构（滚道截面形状、滚珠的循环方式）；滚珠丝杠传动副轴向间隙的调整和预紧（双螺母螺纹预紧调整、双螺母垫片式预紧调整、双螺母齿差式预紧调整、弹簧式自动预紧调整、单螺母变导程预紧调整）；滚

珠丝杠副支承方式（四种）；轴承组合安装支承结构；滚珠丝杠副结构形式的确定与选择方法（单圆弧螺纹滚道的单螺母丝杠副，单圆弧螺纹滚道的双螺母丝杠副，双圆弧螺纹滚道的双螺母丝杠副）等。

•齿轮传动部件一一齿轮传动的典型结构形式；齿轮传动最佳传动比配置的基本要求；各级传动比最佳分配原则；齿轮传动间隙的调整方法（偏心套筒或偏心轴齿侧间隙调整法，轴向垫片齿侧间隙调整法，双片薄齿轮错齿齿侧间隙调整法）。

•挠性传动部件简介

•间歇传动部件简介

（4）教学重点滚珠丝杠传动副的典型结构（滚道截面形状、滚珠的循环方式）；滚珠丝杠传动副轴向间隙的调整和预紧；滚珠丝杠副结构形式的确定与选择方法；齿轮传动最佳传动比配置的基本要求；各级传动比最佳分配原则；齿轮传动间隙的调整方法。

（5）教学难点与处理方法教学难点：

滚珠丝杠传动副的典型结构（滚道截面形状、滚珠的循环方式）；滚珠丝杠传动副轴向

间隙的调整和预紧；齿轮传动间隙的调整方法。

教学处理方法：

与图文并茂和实际应用的形式，详细讲解教学难点，使学生易于理解和掌握。

4、第二章机电一体化系统机械系统部件的选择与设计（第2.2节）

（1）理论教学学时：

4学时

（2）教学目的和要求掌握导轨副的组成、主要类型及其应满足的要求；常见导轨副组合与间隙调整、特点；导轨副材

料的选择及其机械性能确定；提高导轨副耐磨性的措施；滚动导轨副的类型与选择；直线运动滚动导轨副。

了解回转运动滚动导轨副；滚动轴承导轨副。

（3）主要教学内容

•导轨副的组成、主要类型及其应满足的要求一一导轨支承部件的作用和组成；导轨副的主要类型；导轨副应满足的基本要求（导向精度、导轨的刚度、精度保持性、运动灵活性和低速运动平稳性、温度敏感性和结构工艺性要求）；导轨副设计的主要内容与步骤。

•滑动导轨副的结构及其选择一一常见滑动导轨副的截面形状和特点（三角形导轨、矩形导轨、燕尾形导轨、圆形导轨）。

•常见导轨副组合与间隙调整、特点一一双三角形组合导轨，矩形与矩形导轨组合；三角形导轨与矩形导轨组合；三角形导轨与矩形和平面导轨组合；燕尾形导轨与矩形导轨组合。

•导轨副材料的选择及其机械性能确定一一导轨副材料的选择的基本原则与要求；常用导轨副材料的基本性能和特点；导轨副材料机械性能确定的基本方法与手段。

•提高导轨副耐磨性的措施一一采用镶装导轨；提高导轨精度、改善导轨表面粗糙度、采取合理的润滑；减少导轨单位面上的压力（比压）、采用必要的卸荷装置。

•滚动导轨副的类型与选择一一滚动导轨副的组成、分类（滚动体和循环方式）与结构特点；滚动导轨副的基本要求：

高的导向精度、高的耐磨性、足够的刚度、良好的工艺性。

•直线运动滚动导轨副一一直线运动滚动导轨副滚动体循环工作方式的工作原理，结构特点和应用。

•回转运动滚动导轨副一一回转运动滚动导轨副的工作方式的工作原理，结构特点和应用。

•滚动轴承导轨副一一滚动轴承导轨副的工作方式的工作原理，结构特点和应用。

（4）教学重点导轨副的组成、主要类型及其应满足的要求；常见导轨副组合与间隙调整、特点；导轨副材料的选择及其机械性能确定；滚动导轨副的类型与选择；直线运动滚动导轨副工作原理与结构形式。

（5）教学难点与处理方法教学难点：

常见导轨副组合与间隙调整、特点；滚动导轨副的类型与选择；直线运动滚动导轨副工作原理与结构形式。

教学处理方法：

与图文并茂和实际应用的形式，详细讲解教学难点，使学生易于理解和掌握。

（6）课外习题要点

复习巩固机电一体化系统中传动机构的作用；对传动元件的基本要求；滚珠丝杠副的主要构成元

件、传动特点以及支承方式（特点）；齿轮传动系统传动比的分配原则。

题量4~5题——祥见本课程教案或教学日历。

5、第三章机电一体化系统执行元件选择与设计（第3.1~3.2节）

（1）理论教学学时：

4学时

（2）教学目的和要求

了解执行元件的主要类型和特点；掌握机电一体化系统（产品）对执行元件的基本要求；了解常用控制电机类型与主要特点；掌握机电一体化系统对伺服控制电动机的基本要求；掌握典型伺服控制电动机的主要特点和选用原则。

（3）主要教学内容

•执行元件的主要类型，能量转化方法及其特点一一电气式、气压式、液压式、其他形式。

•机电一体化系统（产品）对执行元件的基本要求一一惯量小，动力大；体积小，重量轻；安装方便、便于维修维护；易于实现自动化控制。

•机电一体化系统（产品）常用控制电机——DC/AC电动机、力矩电动机、步进（脉冲）电动机、

变频调速电动机、开关电磁电动机以及其他电动机（直流或交流脉宽调速电动机、电磁伸缩元件）等，及其主要特点简介。

•机电一体化系统对伺服控制电动机的基本要求一一性能密度大。

即功率密度Pw=P/G或比功率密

度Pbw=（T2/J）/G大；快速性好。

加速度大、响应特性好；位置控制/速度控制精度高、调速范围大、低

速平稳性好、分辨率高和振动噪音小；能适应频繁启动，可靠性高、寿命长。

•伺服控制电动机的种类、特点以及选用种类：

动力用电动机和控制用电动机；主要特点：

伺服控制电机电特性与应用原则；伺服控制电机的选择基本原则（要求）。

（4）教学重点执行元件的主要类型和特点；机电一体化系统（产品）对执行元件的基本要求；常用控制电机类型与主要特点；机电一体化系统对伺服控制电动机的基本要求；典型伺服控制电动机的主要特点和选用原则。

（5）教学难点与处理方法教学难点：

伺服控制电动机的工作原理和机电一体化系统对伺服控制电动机的基本要求，特点与选用原则。

教学处理方法：

在详细讲解伺服控制电动机工作原理的基础上，结合实际机电一体化系统或产品中对伺服控制电动机的基本要求，选用和应用特点。

6、第三章机电一体化系统执行元件选择与设计（第3.3~3.5节）

（1）理论教学学时：

6学时

（2）教学目的和要求重点掌握步进电机与驱动技术：

步进电动机的运行特性与主要性能指标，步进电机的驱动与控制

（驱动电路、变频控制信号、环形脉冲分配器、功率放大器、细分驱动电路、典型细分驱动电路）；了

解直流电机与驱动技术和交流电机与驱动技术。

（3）主要教学内容

•复习内容：

步进电机的定义；基本工作原理；主要类型与主要特点。

•步进电动机的运行特性与主要性能指标——分辨率；静态特性（矩-角特性、静态稳定特性）；动

态特性（动态稳定区、启动转矩、矩－频特性、惯－频特性）；其他技术参数。

•步进电机的驱动与控制一一驱动电路：

主要由脉冲分配器和功率放大器两部份组成，实现信号分配和能量放大；变频控制信号：

主要有脉冲频率与电机转动方向控制信号，确定位移、转速、转向的实现。

•环形脉冲分配器一一软件分频；通用集成电路分频；专用集成电路分频。

-功率放大器与作用一一功率放大；限制电流；续流保护；典型放大电路：

单电压功率放大电路、高低压功率放大器、晶闸管功率放大器、恒流源功率放大器。

•细分驱动电路一一工作原理：

在不改变步进电机结构的条件下，将步进脉冲电流细分逐步增加到Imax，

再逐步减少到Win，形成阶梯波电流，从而提高了步进电机的步进精度，减