机电一体化系统设计考试大纲Word格式.docx
《机电一体化系统设计考试大纲Word格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机电一体化系统设计考试大纲Word格式.docx（23页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
1、机电一体化系统的发展过程
2、机电一体化系统的基本概念：
系统、机电一体化、机电一体化系统和系统的数学模型
第二节典型机电一体化系统
1、典型机电一体化系统的几种形式：
机械关节伺服系统、数控机床、工业机器人、自动引导车、顺序控制系统、柔性制造系统、计算机集成制造系统、微机电系统
第三节系统结构与模块
1、典型机电一体化系统功能模块的构成：
机械受控模块、测量模块、驱动模块、通信模块、微计算机模块、软件模块、接口模块
2、典型机电一体化系统组成模块的作用
第四节设计依据与评价标准
1、设计指标和评价标准的矛盾统一性
2、机电一体化系统设计依据与评价标准主要包括：
系统功能、性能指标、使用条件、社会经济效益
第五节设计思想与方法
1、系统的设计思想方法的原理和主要包括的内容
2、机电融合的设计思想贯穿“机”与“电”的关系
3、机电一体化系统中注重创新的设计思想
第六节设计过程
1、进行市场调研、需求分析和技术预测
2、概念设计的思想及主要特性
3、可行性分析
4、设计任务书的编制及在总体技术指标中必须强调指出的15项基本信息
5、方案设计的内容
6、方案设计评估与优化指标
7、详细设计和参数核算
8、完成全部文件
三、重点难点
重点：
机电一体化的涵义；
机电一体化系统的分类；
机电一体化系统中各主要模块的技术要求；
机电一体化的设计思想；
机电一体化系统设计过程各个阶段的主要工作内容
难点：
机电一体化系统设计思想中要始终贯彻机电融合的思想；
机电一体化系统设计过程的各阶段的意义
四、应用
给出典型机电一体化产品的一个自由度（如机器人一个运动关节、数控机床一个伺服轴等），能够绘制出系统模块式框架结构图；
够结合典型机电一体化产品写出设计任务书中的主要技术性能指标；
够结合典型机电一体化产品写出设计过程的各个阶段，并标注每一阶段应得到的设计结果。
第二章机械受控模块
通过本章的学习使考生理解常用机械传动装置的结构和工作原理；
从系统的高度理解机械传动装置与支撑导向部件在机电一体化系统中的重要作用；
理解机械结构模块化在机电一体化系统中应用；
了解各种滚动和滑动摩擦支承轴系与导轨的机构和工作原理；
了解支撑件的作用与功能；
了解为了满足系统级的性能指标，对机械传动装置和支撑导向部件提出基本要求，并能正确选择器主要性能指标和结构参数；
了解机械结构模块的动力学模型；
掌握机电一体化系统对机械结构模块的主要性能指标要求。
第一节齿轮系及蜗杆副
1、齿轮的分类以及根据各种齿轮的特点进行选用
2、齿轮系传动比最佳分配条件及最小等效转动惯量原则
3、齿轮副间隙的消除方法
第二节滚珠丝杠螺母副
1、结构类型的两种分类
2、传动刚度的计算
3、间隙的消除及预紧方法
4、四种结构的支撑形式
第三节谐波齿轮减速器
1、工作原理及结构
2、谐波齿轮的传动特点以及与其他齿轮传动的性能比较
3、实验法估算传动刚度
4、谐波齿轮传动速比及柔轮直径的计算
5、谐波齿轮减速器的选用
第四节轴系
1、滚动摩擦支撑轴系：
标准滚动轴承主轴单元和密集滚珠轴承的数字式光栅分度主轴系统的结构和负载原理
2、滑动摩擦支撑轴系：
液体动压支撑、气体动压支撑、液体静压支撑及气体静压支撑的原理
第五节导轨及支撑件
1、导轨的分类
2、滚动导轨的结构、工作原理及非循环式滚动导轨的设计计算
3、阻尼对导轨的影响
4、支撑件的组成及功能
第六节并联机构
1、并联机构的概念及相对于串联机构的优缺点
第七节数学模型和设计要求
1、数学模型：
广义执行机构的运动方程式和广义执行机构的动力学方程式
2、参数设计的要求
齿轮系的选用；
传递动力和运动，变换运动形式；
齿轮副的间隙消除和预紧方法；
齿轮传动的最佳速比条件；
滚珠丝杠螺母副的间隙消除和预紧方法；
液压轴承和气动轴承工作原理；
导轨阻尼的作用；
支撑件的功能和设计要求；
并联机构的特点；
机械传动装置的动力学模型需要考虑的参数；
机械结构模块的主要性能要求；
使转动惯量成为最小的最佳速比分配条件；
主动轴和从动轴之间转动惯量、阻尼、弹性刚度的折算关系
谐波齿轮出动速比及柔轮直径计算；
非循环式滚动导轨的设计计算；
齿轮系传动技术和每级速比的选择
第三章测量模块
通过本章的学习使考生了解传感器在机电一体化系统中的“感官”作用；
掌握机电一体化系统对传感器的基本性能要求，其中包括静特性和动特性。
理解机电一体化系统中常用的位移传感器、速度传感器、加速度传感器、霍尔式电流传感器基本工作原理与选用。
掌握几种基本信号调理电路，如前置放大器、滤波电路、交流载波测量电路。
掌握增量式光电编码传感器常用的辨向和细分电路。
了解计算机数据采集系统的组成和工作原理。
第一节机械量传感器分类
1、传感器的分类
2、传感器的发展特点
第二节性能指标
1、传感器的工作特性
2、传感器的静态特性
3、传感器的动态特性
4、传感器的性能要求和改善措施
第三节位移传感器
1、旋转变压器的结构和工作原理
2、感应同步器的工作原理和分类
3、增量式光电编码器的原理和波形分析
4、光栅的组成和工作原理
第四节速度传感器
1、直流测速发电机的原理、特点
2、码盘式转速传感器
第五节加速度传感器
1、加速度传感器的数学模型
2、加速度传感器的分类
3、微加速度传感器的结构
第六节力、转矩和压力传感器
1、电阻应变式传感器的应用
2、压阻式传感器的工作原理
3、压电式传感器的工作原理
4、电容式传感器的工作原理
5、电感式传感器的工作原理
第七节霍尔式电流传感器
1、工作原理和特性
2、霍尔电流传感器的检测方式及检测方法
第八节信号调理电路
1、前置放大器：
电压跟随器、电荷放大器和仪表放大器的原理与特点
2、滤波电路
3、交流载波测量电路
第九节数据采集系统
1、调理后信号的分类和数据采集系统的主要组成部分
2、数据采集系统对多路开关的要求及几种多路开关
3、模数转换器（A/D）的工作原理、主要指标和主要技术性能
4、采样保持器的工作原理
5、数据采集系统
传感器在机电一体化系统中的作用；
机械测量传感器以及霍尔式电流传感器的工作原理；
辨向、细分电路在增量式编码传感器中的应用；
改善传感器性能的一般措施，动态时域指标和频域指标关系；
交流载波测量电路原理；
转速数据采集系统工作原理；
转角数据采集系统工作原理
机械测量传感器以及霍尔式电流传感器的工作原理及相应的公式计算；
分析滤波电路
针对某一机电系统，提出对传感器的基本性能要求；
根据给定传感器选用前置放大电路；
能分析由运算放大器组成的低通滤波、带通滤波器；
根据某一机电一体化系统设计要求，能正确选择位移传感器类型及相应的信号调理电路；
正确选择速度传感器类型及相应的信号调理电路；
正确选择所用A/D转换器及工业用微型计算机类型
第四章电机及其驱动电路
通过本章的学习使考生了解电动机的分类；
掌握机电一体化系统中最常用的几种电动机的工作原理、结构、特性及控制方法。
了解这些电动机的驱动电路原理和组成；
掌握直流伺服电动机的工作原理、特性方程及驱动电路；
了解交流异步电动机的变频调速原理与特性；
正确选用电动机的类型、参数和驱动电路
第一节电动机基本知识
1、电动机的驱动及分类
2、各类电动机的特点
第二节直流电动机
1、直流电动机的工作原理与结构
2、直流电动机的静态和动态特性
3、直流电动机的驱动电路：
线性直流功率放大器和PWM功率放大器的工作原理
第三节永磁同步（直流无刷）电动机
1、结构原理
2、驱动方式的工作原理
3、数学模型的建立
4、永磁同步电动机的矢量控制
第四节交流感应电动机
1、原理结构
2、等效电路
3、电磁转矩公式
4、机械特性
5、交流变频调速：
恒压频比调速和转差频率控制的原理
第五节超声波电动机
1、超声波电动机的工作原理
2、超声波电动机的分类方法
3、超声波电动机的特点和应用
第六节电动机的选择
1、电动机选择的古典原则
2、电动机选择的通用准则
3、电动机选择应用实例
直流电动机传递函数方框图；
直流伺服电动机的机械特性和控制特性；
永磁同步电动机的工作原理；
交流感应电动机的机械特性；
变频调速的基本思路；
超声波电动机的工作原理、分类和应用场合；
电动机选择的古典准则和通用准则
PWM功率放大器的工作原理和过程分析；
永磁同步电动机数学模型的建立；
电动机选择个古典准则和通用准则
线性功率放大器的电路原理，PWM功率放大器电路原理；
晶闸管电路原理，三种电路的选用；
交流感应电动机变频调速原理分析与应用；
给定电动机的应用条件后会选择电动机的类型、功率及驱动电路类型
第五章步进电动机运动控制系统
通过本章的学习使考生了解步进电动机控制系统的组成和工作原理；
理解步进电动机的结构、原理及特点；
理解步进电动机的静特性和动特性；
了解步进电动机的各种驱动电路；
理解硬件脉冲分配器和软件脉冲分配器的工作原理；
了解利用DDA法生成步进电动机速度与转角控制指令的原理
第一节步进电动机运动控制系统的组成
第二节步进电动机原理与特性
1、步进电动机的分类及各自的工作原理
2、步进电动机的特性及主要技术指标
第三节步进电动机驱动电路
1、单极性驱动电路的原理
2、双极性驱动电路的原理
3、斩波恒流驱动电路的原理
4、细分驱动原理和细分驱动电路
5、各种驱动电路的性能比较
第四节脉冲分配器
1、硬件脉冲分配器的原理
2、软件脉冲分配器
3、实用步进电动机驱动举例
第五节DDA法运动控制
1、DDA法运动控制原理
2常速度分布情况下DDA法的应用
3常加速度分布情况下DDA法的应用
第六节步进电动机驱动的运动控制系统设计举例
1、设计要求
2、设计过程
3、采用DDA法控制X，Y工作台运动
步进电动机运动控制系统的组成；
反应式、永磁式和混合式步进电动机的工作原理；
混合式步进电动机的优点；
步进电动机的通电方式；
步进电动机的矩角特性；
步矩角和转速公式；
单脉冲运行特性；
单极性驱动电路中续流二极管的作用；
双极性驱动电路；
斩波恒流驱动电路以及细分驱动电路的原理；
硬件和软件脉冲分配器的原理；
DDA法生成运动控制指令的计算公式；
用DDA法生成匀速转动的控制指令原理；
用DDA法生成常加速度转动的控制指令；
计算机控制步进电动机的接口；
计算机控制实现电动机的正反转；
XY运动控制原理
细分驱动电路的原理；
脉冲分配器真值表；
DDA法的运算控制
步进电动机单脉冲运行时出现震荡现象分析；
连续运行频率大于启动频率的分析；
从启动频率、运行频率、运行平稳性、效率，来进行单极性电路、双极性电路、斩波恒流驱动电路、细分驱动电路的比较；
推导出三相六拍控制三相电机的正反转的真值表；
设计实用的步进电动机驱动电路与计算机接口电路；
根据要求计算常速度、常加速度转动的控制指令方案；
注释说明驱动步进电动机走一步或几步的汇编语言程序
第六章闭环伺服控制系统
通过本章的学习使考生了解闭环伺服系统的基本方案；
了解系统的数学模型；
掌握闭环伺服系统的基本原理、分析及设计技术；
理解PID（比例—积分—微分）控制器的各个参数的校正作用和设计计算方法；
了解计算机控制的位置伺服系统的组成及其实现方法
第一节闭环伺服系统组成方案
1、闭环伺服系统的介绍
2、闭环伺服系统的组成方案
第二节闭环伺服系统的数学模型
1、电流环传递函数的推导
2、速度环传递函数的推导
3、位置环传递函数的推导
第三节性能分析
1、静态性能分析
2、动态性能分析
3、改进性能的措施
第四节模拟伺服系统设计
1、系统设计过程
2、主要技术指标
3、主要元部件的选择
4、建立数学模型
5、设计控制器
6、试验结果
第五节数字控制器设计与实时控制算法
1、数字PID控制算法的过程
2、采样周期的选择原则
3、量化误差
4、实时控制算法
第六节计算机控制的位置伺服系统
1、系统的组成
2、系统的建模
3、计算机控制系统程序
半闭环与全闭环优缺点的比较；
模拟伺服系统的组成方框图；
参考脉冲伺服系统的组成方框图；
采样—数据系统（计算机闭环控制系统）色组成方框图；
电流环、速度环和位置环传递函数的含义，影响传递函数的主要参数；
位置环的静态特性；
考虑负载力矩的位置环方框图；
系统设计的动态指标；
系统设计的步骤；
实现数字PID控制器的算法；
采样周期选择的原则；
量化误差；
脉冲当量的含义，与那些量有关；
直流伺服电动机的系统
电流环、速度环和位置环传递函数的计算；
位置环动态性能的分析；
模拟伺服系统中控制器的设计；
计算机控制的位置伺服系统的模型建立
根据要求选择一种伺服系统，画出方框图，并能选择执行电动机、位置传感器等主要部件；
对给定的系统，计算系统的输出与输入的稳态关系（静态特性）；
在分析位置环的基础上，计算位置输出与输入的传递函数；
在给定位置环参数的条件下，计算系统的自然频率和阻尼比；
计算位置环的伺服刚度，它与系统增益的关系；
给定方框图和参数，分析比例控制器的性能（kv和wc），分析比例积分控制器对位置环的作用；
数字控制PID常规算法和增量算法；
分析具有光电编码器反馈伺服系统的静态刚度；
理解D/A转换接口，光电编码器脉冲接口电路的作用；
采样周期对稳定性的影响
第七章数控机器运动控制指令生成
通过本章的学习使考生了解机器运动控制的系统方案、分类；
掌握点位控制和连续控制的计算机指令生成方法，以及各轴伺服系统接收这些指令、实现预定运动控制的方法；
初步掌握数字微分分析法原理及其在运动控制中的作用
第一节运动控制分类
1、点位控制
2、连续控制
第二节运动控制与插补原理
1、运动控制的发展过程
2、插补的概念
3、DDA法插补原理和DDA法插补
4、数据采样法插补原理
第三节直线与圆弧轨迹插补的实现
1、激光雕刻机轨迹控制原理
2、8253芯片组成的运动控制卡硬件介绍
3、简单轨迹控制程序的编制
4、DDA法圆弧插补
第四节样条函数轨迹规划器
1、三次多项式样条函数生成点位控制指令的设计方法
2、三次多项式样条函数生成连续控制指令的设计方法
运功控制的原理和应用；
运动控制的分类；
数控机床的信息流图；
插补的概念；
DDA法插补原理和优点；
激光雕刻机的原理；
计算机通过8253控制卡实现速度控制的原理和应用程序；
DDA法实现圆弧插的方法；
在单轴运动时，通过路径表达式和速度表达式得出三次多项式样条函数的点位控制指令；
连续控制分段后利用三次多项式样条函数实现连续路径的控制
DDA法实现直线、圆弧插补及插补器递推算法；
三次多项式样条函数生成点位控制和连续控制指令的设计方法
DDA法实现常速度直线插补的算法；
DDA法圆弧插补的算法；
直线、圆弧插补器的递推算法；
会用DDA法分析和计算直线插补和圆弧插补问题；
计算单轴运动时最大速度和最大加速度
第八章顺序控制系统
通过本章的学习使考生了解顺序控制系统的组成、工作原理；
了解PLC的定义，基于PLC的顺序控制系统组成、工作原理及常用的PLC；
了解事件驱动和时间驱动这两种顺序控制系统的区别；
理解顺序控制逻辑的布尔代数方程和梯形逻辑图表示方法，以及二者之间的转换关系。
了解各种基本逻辑函数、定时器及计数器编程指令。
掌握顺序控制逻辑的设计步骤和方法，并能根据要求设计梯形逻辑图。
第一节PLC基本工作原理
1、PLC的定义和顺序控制原理
2、PLC控制和通用计算机控制的区别
第二节常用PLC介绍
1、西门子S7系列PLC
2、欧姆龙C系列PLC
第三节顺序逻辑表示法
1、布尔代数方程
2、梯形逻辑图
3、布尔代数方程与梯形逻辑图之间的转换
4、常用编程指令
第四节CX—Programmer编程软件介绍
1、计算机配置和软件安装
2、主要功能
3、进行新的PLC设计
第五节简单应用实例
1、电动机正反转实例
2、温度控制实例
3、多路循环检测实例
第六节综合应用实例
1、搬运机器人
2、小零件自动计数和装盒设备
PLC控制与普通计算机控制的区别；
按时间驱动和按事件驱动的不同；
描写顺序控制的方法；
欧姆龙PLC型号为COM2A的组成；
PLC梯形逻辑图；
电机正反转实例、温度控制实例、多路循环检测实例中的顺序控制的原理，设计梯形图顺序控制系统过程
布尔代数方程与梯形图之间的转换；
多路循环检测实例分析；
搬运机器人实例分析；
小零件自动计数和装盒设备
布尔代数方程的化简；
会用常用的编程指令编写简单的梯形图；
能构根据电机正反转实例、温度控制实例、多路循环检测实例的控制要求，设计出梯形图，并分析这些事例的工作过程；
根据搬运机器人的动作要求写出布尔代数方程，画出梯形图；
根据比较简单的顺序控制动作要求，设计顺序逻辑控制，列写布尔代数方程、绘制梯形逻辑图
三、学习过程评价
（一）类型：
课程实验
（二）目的和要求
目的：
通过实验，理解机电一体化系统设计的基本知识；
掌握元部件的正确选择方法和特性参数试验方法；
通过步进电动机运动控制系统试验，了解该系统的工作原理和运动控制方法；
通过伺服系统实验，掌握反馈伺服系统的工作原理和各项性能指标；
通过双轴伺服工作台的实验，了解多轴计算机数控设备的点位控制和连续控制路径的控制原理和协调运动设计方法
要求：
实验前，必须熟读试验指导书，了解试验装置的原理和操作步骤；
实验时，必须按照指导书的内容和指导教师的指示进行；
实验通过后，必须写实验报告。
报告内容包括实验装置描述、试验方法、操作步骤、测量仪器、实验结果、实验现象观察和分析等
（三）内容
1.直流伺服电动机（任选其中两个）
（1）电枢电阻测量；
（2）电枢电压、电流、转数测量（求出反电势系数）；
（3）电枢电压、电流、力矩测量（求出电磁力矩系数）；
（4）转子转动惯量。
2.反馈伺服系统（任选其中三个）
（1）测量和计算反馈控制器的传递函数；
（2）测量和计算速度环的传递函数；
（3）测量和分析位置环的稳态误差；
（4）测量和分析位置环的频率特性；
（5）测量和分析位置环的单位阶跃响应。
3.双轴伺服工作台（任选其中两个）
（1）编制单轴的上位机控制指令，包括点位控制指令和连续路径控制指令；
（2）编制双轴协调运动点位控制指令，如直线、任意折线、封闭多边形等；
（3）编制双轴协调运动连续路径控制指令，如直线、圆弧等；
（四）学习过程评价标准：
学习过程评价的评分标准也采用分数制度，满分100分。
可以按照学生的评价结果分为以下几等：
一、完成所要求的实验内容，实验过程合理，结果准确，完成实验报告，实验过程错误不超过1处，评分90以上；
二、完成所要求的实验内容，实验过程基本合理，实验结果基本正确，完成实验报告，实验过程错误不超过3处，
升级会员 