机械电子学13章 教案.docx
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机械电子学13章教案
教案
2014-2015学年第一学期
课程名称：
机械电子学
课程编号：
064100300
学院、专业、年级：
机自125，126
任课教师：
崔华丽
教师所在单位：
机械工程系
中原工学院信息商务学院
课程简介
机械电子学是机械设计及其自动化的专业课，主要目的在于帮助学生全面了解机械设计制造及其自动化专业的知识体系构成，并掌握一定的必要的基础知识。
重点在于了解机械技术、微电子技术和信息技术有机地结合为一体的方法。
充分发挥机械技术、微电子技术和信息技术的各自的长处和特点，促进机械产品的更新换代。
了解该体系各构成部分的基本原理和应用，并为后续课程的学习打下必要的基础。
本课程“以机为主、以电为用、机电结合”，系统地介绍了机电一体化技术的基本组成、原理、设计方法，详细介绍了该系统组成的各个技术模块的性能特点和优化设计技术，系统地介绍了整体系统的设计原则和技术方法。
最后，通过大量的机电一体化系统设计实例，使读者能快速掌握机电一体化系统的设计思路与设计方法。
通过这门课的学习，可以使学生快速、全面地掌握机电一体化系统的原理、应用原则和设汁方法，达到熟练地实现机电一体化系统设计和应用的目的。
机电一体化技术（电子工业出版社/孟中凡）
第一讲第一章概论
一、教学目标与要求
1、使学生理解机电一体化的基本概念；
2、使学生熟悉机电一体化关键技术；
3、使学生了解机电一体化的发展概况。
二、重点及难点
重点：
机电一体化关键技术；
难点：
机电一体化关键技术。
三、教学内容、方法手段、时间安排及板书设计
1、课堂教学采用启发式、讨论式的教学方式，因材施教、课内外结合的方法，主要为多媒体加板书方式，在多媒体教室进行。
2、方法手段：
以讲授为主，辅以举例
3、时间安排：
机电一体化的基本概念---------------------------------（20分钟）
机电一体化关键技术------------------------------------（40分钟）
机电一体化的发展概况----------------------------------（30分钟）
四、教学小结、复习思考题及作业题、课外学习任务及要求
1、小结：
机电一体化的基本概念；
机电一体化关键技术；
机电一体化的发展概况。
2、作业：
五、教学内容设计
1.1机电一体化技术的概念
1.1.1机电一体化系统的功能构成及定义
“机电一体化”是机械技术、微电子技术相互交叉、融合的产物。
图1-1机电一体化系统组成
1.1.2机电一体化系统的结构要素
◆机电一体化内部所具有的功能
◆主功能（变换、传递、存储）
◆动力功能
◆检测功能
◆控制功能
1.1.3机电一体化产品的分类
■数控机械类
■电子设备类
■机电结合类
■电液伺服类
■信息控制类
1.2机电一体化关键技术
■机械设计技术
■计算机与信息处理技术
■自动控制技术
■传感与检测技术
■执行与驱动技术
■机电一体化总体设计技术
1.3机电一体化的发展概况
1.3.1机械技术发展的总趋势
阶段
机械技术的发展
代表的产品
赋予机械的功能
第一阶段
机构的发明
凸轮、齿轮、轴承、联轴器
作业功能
第二阶段
使作业机构动作的动力机械的发明
蒸汽动力、内燃机、电动机
动力功能
第三阶段
自动控制技术的发明
传感器、伺服系统
测定功能
第四阶段
微电子学的发明
大规模的集成电路、微型计算机
智能功能
1.3.2国内外机电一体化发展状况
机电一体化技术的发展大体上可分为三个阶段
◆20世纪60年代以前为第一阶段，也可称为“萌芽阶段”。
信息技术的职能是能够提高或扩展人类的信息能力的方法和手段的总称。
◆20世纪70年代至20世纪80年代为第二阶段，称为“蓬勃发展阶段”。
◆从20世纪90年代后期开始为第三阶段，称为“智能化阶段”，机电一体化技术向智能化新阶段迈进。
1.3.3机电一体化技术的发展趋势
1．智能化
2．模块化
3．网络化
4．微型化
5．绿色化
6．人性化
第二讲第二章机械系统设计技术
一、教学目标与要求
1、使学生了解了解机械设计的基本知识；
2、使学生了解常见机构传动设计的原理及特点。
二、重点及难点
重点：
常见机构传动设计的原理及特点；
难点：
常见机构传动设计的原理。
三、教学内容、方法手段、时间安排及板书设计
1、课堂教学采用启发式、讨论式的教学方式，因材施教、课内外结合的方法，主要为多媒体加板书方式，在多媒体教室进行。
2、方法手段：
以讲授为主，辅以举例
3、时间安排：
机械设计的基本知识---------------------------------（30分钟）
常见机构传动设计的原理及特点-----------------------（60分钟）
四、教学小结、复习思考题及作业题、课外学习任务及要求
1、小结：
机械设计的基本知识；
常见机构传动设计的原理及特点。
2、作业：
五、教学内容设计
2.1机械设计概述
■2.1.1机电一体化对机械系统的要求
■
（1）采用低摩擦阻力的传动部件和导向支撑部件，如采用滚珠丝杠副、滚动导向支撑、动（静）压导向支撑等。
■
（2）缩短传动链，提高传动与支撑刚度，如用加预紧的方法提高滚珠丝杠副和滚动导轨副的传动与支撑刚度；采用大扭矩、宽调速的直流或交流伺服电机直接与丝杠螺母副连接并减少中间传动机构；丝杠的支撑设计中采用两端轴向预紧或预拉伸支撑结构等。
■（3）选用最佳传动比，以达到提高系统分辨率、减少执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能提高加速能力。
■（4）缩小反向死区误差，如采取消除传动间隙、减少支撑变形的措施。
■（5）改进支撑及架体的结构设计以提高刚性，减小振动，降低噪声。
如选用复合材料等来提高刚度和强度，减小质量、缩小体积使结构紧密化，以确保系统的小型化、轻量化、高速化和高可靠性。
2.1.2机械系统的组成
传动机构
导向机构
执行机构
2.1.3机械参数对系统性能的影响
1.刚度
2.惯量
3.摩擦
4.传动误差
5.谐振频率
2.2传动机构的设计
2.2.1机械传动装置
常用的机械传动部件有螺旋传动、齿轮传动、同步带、高速带传动以及各种非线性传动部件等，其主要功能是传递转矩和转速。
2.2.1.2带传动
1、组成：
主动轮、从动轮、张紧在两轮上的环型传动带。
2、原理：
原动机驱动主动轮转动时，由于带和带轮间的摩擦（或啮合），便拖动从动轮一起转动，并传递一定动力。
3、特点
（1）优点
带具有良好的弹性，可以缓和冲击，吸收振动，传动平稳，噪声小；过载时，带在带轮上打滑，可防止其他零件损坏，起安全保护作用；适用于两轴中心距较大的场合；结构简单，制造、安装和维护方便，成本低。
（2）缺点
带在带轮上有相对滑动，不能保证准确的传动比；传动效率较低，带的寿命较短；传动的外廓尺寸大；带传动需要张紧，支撑带轮的轴和轴承受力较大；带传动中的摩擦会产生电火花，不宜用于易燃、易爆等场合。
4、主要参数：
包角α、基准长度Ld、中心距a及带轮直径dd1、dd2。
2.2.1.2谐波齿轮传动
1、特点：
结构简单、传动比大（几十到几百）、传动精度高、回程误差小、噪声低、传动平稳、承载能力强、效率高。
2、工作原理：
谐波齿轮传动与少齿差行星齿轮传动十分相似。
它是依靠柔性齿轮产生的可控变形波引起齿间的相对错齿来传递动力和运动的，因此它与一般齿轮传动具有本质上的差别，如下图所示，谐波齿轮传动由波形发生器3（H）和刚轮l、柔轮2组成。
3、应用领域：
工业机器人、航空、火箭等机电一体化系统。
2.2.1.3滚珠螺旋传动
滚珠丝杠副：
应用十分广泛。
1、组成：
滚珠丝杠副是在丝杠和螺母间以钢球为滚动体的螺旋传动部件，它可将旋转运动变为直线运动，或相反。
d0－公称直径；Dpw－节圆直径；α－接触角；Ph－导程；
φ－螺旋角
2、滚珠的循环方式
滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有内循环和外循环两种
第三讲第二章机械系统设计技术
一、教学目标与要求
1、使学生了解支撑导向部件的组成及分类；
2、使学生了解几种常见的支撑部件的组成及使用。
二、重点及难点
重点：
常见支撑部件的组成及使用；
难点：
常见支撑部件的组成及使用。
三、教学内容、方法手段、时间安排及板书设计
1、课堂教学采用启发式、讨论式的教学方式，因材施教、课内外结合的方法，主要为多媒体加板书方式，在多媒体教室进行。
2、方法手段：
以讲授为主，辅以举例
3、时间安排：
支撑导向部件的组成及分类---------------------------------（30分钟）
常见的支撑部件的组成及使用-------------------------------（60分钟）
四、教学小结、复习思考题及作业题、课外学习任务及要求
1、小结：
支撑导向部件的组成及分类；
常见的支撑部件的组成及使用。
2、作业：
五、教学内容设计
2.3支撑导向部件的设计
■组成：
导向支撑部件、轴系支撑部件、旋转支撑部件和机座机架。
■2.3.1导向支撑部件
■1、导轨副组成：
主要由承导件1和运动件2两部分组成。
2、导轨副的分类
3、导轨副间隙的调整
常用的调整方法有压板法和镶条法两种。
对燕尾形导轨可采用镶条（垫片）方法同时调整垂直和水平两个方向的间隙。
对矩形导轨可采用修刮压板、调整垫片的厚度或调整螺钉的方法进行间隙的调整。
2.3.2轴系支撑部件
轴系支撑机构由轴及安装在轴上的齿轮、带轮等传动部件组成。
1、轴的分类：
转轴、芯轴、传动轴。
2、轴上零件常用的轴向固定方法：
轴肩和轴环、套筒、圆螺母、弹性挡圈、轴端挡圈。
3、轴的周向固定：
紧定螺钉固定、销钉固定、过盈配合固定。
轴毂联结主要是使轴上零件与轴周向固定以传递转矩。
常用：
键联结、过盈联结、无键联结、销联结、螺纹联结。
2.3.2.3轴承
轴承是机械传动中的关键部件，在机械零件设计时，要能够根据轴承手册选用合理的轴承。
轴承可分为滑动摩擦轴承（简称滑动轴承）和滚动摩擦轴承（简称滚动轴承）。
1、滑动轴承的失效形式：
磨粒磨损、疲劳剥落、刮伤、腐蚀、胶合。
2、滚动轴承的失效形式：
疲劳点蚀、塑性变形、滚动轴承的密封。
3、轴承的润滑非常重要。
2.3.3旋转支撑部件
1、旋转支撑的种类及基本要求
方向和置中精度、摩擦阻力矩的大小、许用载荷、对温度变化的敏感性、耐磨性以及磨损后补偿的可能性、抗振性及成本。
2、圆柱支撑
2.3.4机架与机座
■1．机座机架的作用及基本要求
■刚度与抗振性
■热变形
■稳定性
第四讲第二章机械系统设计技术
一、教学目标与要求
1、使学生了解执行机构设计原理；
2、使学生了解齿轮变速机构电机的设计步骤。
二、重点及难点
重点：
齿轮变速机构电机的设计步骤；
难点：
齿轮变速机构电机的设计步骤。
三、教学内容、方法手段、时间安排及板书设计
1、课堂教学采用启发式、讨论式的教学方式，因材施教、课内外结合的方法，主要为多媒体加板书方式，在多媒体教室进行。
2、方法手段：
以讲授为主，辅以举例
3、时间安排：
执行机构设计原理-----------------------------------（40分钟）
齿轮变速机构电机的设计步骤-----------------------（25分钟）
四、教学小结、复习思考题及作业题、课外学习任务及要求
1、小结：
执行机构设计原理；
齿轮变速机构电机的设计步骤。
2、作业：
五、教学内容设计
2.4执行机构设计
2.4.1微动机构
1、定义：
微动机构是一种能在一定范围内精确、微量地移动到给定位置或实现特定的进给运动的机构。
2、特点：
灵敏度高，最小移动量能达到使用要求；传动灵活、平稳，无空程与爬行，制动后能保持稳定的位置；抗干扰能力强，响应快速；并且结构工艺性良好。
举例：
万能工具显微镜工作台的微动机构（手动机械式）
2.4.2定位机构
■定位机构是机电一体化机械系统中一种确保移动件占据准确位置的执行机构，它通常采用分度机构和锁紧机构组合的形式来实现精确定位的要求。
2.5部件应用实例
■2.5.1齿轮变速机构电机的选择
■要求：
1、根据课本的内容，了解电机选择的关联参数。
■2、根据相关参数，学会使用机械设计手册进行查询。
■3、让同学了解常用的标准（不同行业、不同企业、不同国家采用的标准不同）
2.5.2数控机床回转刀架
■数控机床自动回转刀架是在一定空间范围内，能使刀架执行自动松开、转位、精密定位等一系列动作的机构。
■数控车床的刀架是机床的重要组成部分，其结构直接影响机床的切削性能和工作效率.
■回转刀架分度准确，定位可靠，重复定位精度高，转位速度快，夹紧性好，可以保证数控车床的高精度和高效率
第五讲第三章机电一体化检测与传感技术
一、教学目标与要求
1、使学生了解检测系统的组成；
2、使学生了解传感器的组成和分类；
二、重点及难点
重点：
传感器的组成和分类；
难点：
传感器的组成和分类。
三、教学内容、方法手段、时间安排及板书设计
1、课堂教学采用启发式、讨论式的教学方式，因材施教、课内外结合的方法，主要为多媒体加板书方式，在多媒体教室进行。
2、方法手段：
以讲授为主，辅以举例
3、时间安排：
检测系统的组成-----------------------------------（30分钟）
传感器的组成和分类-------------------------------（60分钟）
四、教学小结、复习思考题及作业题、课外学习任务及要求
1、小结：
检测系统的组成；
传感器的组成和分类。
2、作业：
五、教学内容设计
3.1概述
■3.3.1检测系统的组成
3.2传感器的组成和分类
3.2.1传感器的组成
传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成：
1.敏感元件（Sensitiveelement）：
直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。
2.转换元件（Transductionelement）：
以敏感元件的输出为输入，把输入转换成电路参数。
3.转换电路（Transductioncircuit）：
上述电路参数接入转换电路，便可转换成电量输出。
实际上，有些传感器很简单，仅由一个敏感元件（兼作转换元件）组成，它感受被测量时直接输出电量。
如热电偶。
有些传感器由敏感元件和转换元件组成，没有转换电路。
3.2.2传感器的分类
1．按被测物理量分类
1）机械量：
位移、力、速度、加速度
2）热工量：
温度、热量、流量（速）、压力（差）、液位
3）物性参量：
浓度、粘度、比重、酸碱度
4）状态参量：
裂纹、缺陷、泄漏、磨损
2.按工作原理分类
1）物理传感器
2）化学传感器
第六讲第三章机电一体化检测与传感技术
一、教学目标与要求
1、使学生了解常见传感器的组成；
2、使学生了解几种常见传感器的工作原理。
二、重点及难点
重点：
常见传感器的组成；
难点：
常见传感器的工作原理。
三、教学内容、方法手段、时间安排及板书设计
1、课堂教学采用启发式、讨论式的教学方式，因材施教、课内外结合的方法，主要为多媒体加板书方式，在多媒体教室进行。
2、方法手段：
以讲授为主，辅以举例
3、时间安排：
常见传感器的组成-----------------------------------（30分钟）
常见传感器的工作原理-------------------------------（60分钟）
四、教学小结、复习思考题及作业题、课外学习任务及要求
1、小结：
常见传感器的组成；
常见传感器的工作原理。
2、作业：
五、教学内容设计
3.3常见传感器及其工作原理
■3.3.1光电编码器
■编码器是将机械传动的模拟量转换成旋转角度的数字信号，进行角位移检测的传感器。
■编码器的种类很多，根据检测原理，它可分为电磁式、电刷式、电磁感应式及光电式等。
■光电编码器根据其刻度方法及信号输出形式，分为增量式编码器和绝对式编码器。
1、增量式光电编码器
图3-3增量式光电编码器
2、绝对式光电编码器
绝对式光电编码器的编码盘由透明及不透明区组成，这些透明及不透明区按一定编码构成，编码盘上码道的条数就是数码的位数。
绝对式编码器能够直接给出对应于每个转角位置的二进制数码，便于计算机处理。
光电编码器的应用——转速测量
转速可由编码器发出的脉冲频率或周期来测量。
转速可由编码器发出的脉冲频率或周期来测量。
■3.3.2光栅尺
■光栅尺或称光栅，是一种高精度的直线位移传感器。
图3-8光栅尺的结构示意图
■2、莫尔条纹与参数间的关系
■光栅的莫尔条纹有如下特点：
■
（1）起放大作用。
■
（2）莫尔条纹的移动与栅距成正比。
3.3.3电阻应变计
■电阻应变计是根据应变—电阻效应，将给测试件的应变量转换成电阻变化量的敏感元件。
它不仅直接作为应力、应变测量的传感器而且可以与弹性元件组合构成力、压力、称重、位移、扭矩、振动、加速度等多种专用式传感器，广泛应用于机械、交通、建筑、化工和电力等行业。
■电阻应变计的结构
■电阻应变计主要由电阻敏感栅、基底和面胶（或覆盖层）、粘结剂、引出线五部分组成。
电阻应变计的结构如图所示。
图3-2电阻应变计的构造
1—敏感栅；2—引出线；3—粘结剂（未示出）；4—覆盖层；5—基底
3、应变计的类型
■电阻应变计的分类方法很多，常用的是按应变计的制造材料、温度以及用途的不同来分类。
■
（1）按敏感栅的制造方法分类
■1）金属丝式应变计
■箔式应变计
■箔式应变计的敏感栅是利用照相制版或光刻腐蚀技术制成的，箔栅厚度一般为0.002mm~0.005mm,最薄的达0.00035mm。
箔式应变计，工艺上能保证敏感栅尺寸的准确，线条均匀，适应不同的测量要求，传递试件应变性能好、横向效应小和散热性能好，因此得到了广泛的应用，现在已经基本上取代金属丝应变计。
■金属薄膜应变计
■所谓薄膜是指厚度在0.1um以下的膜，它是采用真空的溅射或真空沉积等方法制成的。
通过按规定的图形制成的掩膜版，在基底材料上溅射或沉积一层电阻材料的薄膜，从而制成金属薄膜应变计。
4、电阻应变计的应用
■电阻应变计主要有以下两种应用方式：
■
（1）应变片直接粘贴在试件上，用来测量工程结构受力后的应力分析或所产生的应变，为结构设计、应力校正或分析结构在使用中产生破坏的原因提供试验数据，如电阻应变仪。
在测量齿轮轮齿弯矩或立柱应力时，也常在被测位置处直接粘贴应变片进行测量，如图所示。
（2）将应变片粘贴在弹性元件上，进行标定后作为测量力、压力、位移等物理量的传感器。
■3.3.4温度传感器
■温度传感器是一种将温度变化转换为电学量变化的装置，用于检测温度和热量，因此也叫做热电式传感器。
■温度传感器一般分为接触式和非接触式两大类
■1、热电效应
■热电偶测温是基于热电效应。
在两种不同的导体（或半导体）A和B组成的闭合回路中，如果它们两个结点的温度不同，则回路中产生一个电动势，通常我们称这种电动势为热电势，这种现象就是热电效应
3、热电偶的种类
■热电偶是目前应用广泛、发展比较完善的温度传感器，它在很多方面都具备一种理想温度传感器的条件。
■
（1）标准化和非标准化热电偶
■标准化热电偶的工艺比较成熟，应用广泛，性能优良稳定，能成批生产
■
（2）普通型热电偶。
■这种类型的热电偶主要用于测量气体、蒸气和液体气体、蒸汽和液体介质的温度。
■4、热电偶的特点
■
（1）温度测量范围宽
■
（2）性能稳定、准确可靠
■（3）信号可以远传和记录
■5、热电阻传感器
■利用热敏电阻可以制成温度传感器。
所谓热敏电阻即是对热量敏感的电阻体，其电阻值随温度的变化而显著改变。
■6、温度传感器的应用
第七讲第三章机电一体化检测与传感技术
一、教学目标与要求
1、使学生了解传感信号的采样保持器的原理图；
2、使学生掌握数字信号的采集与处理步骤。
二、重点及难点
重点：
数字信号的采集与处理步骤；
难点：
数字信号的采集与处理步骤。
三、教学内容、方法手段、时间安排及板书设计
1、课堂教学采用启发式、讨论式的教学方式，因材施教、课内外结合的方法，主要为多媒体加板书方式，在多媒体教室进行。
2、方法手段：
以讲授为主，辅以举例
3、时间安排：
常见传感器的组成----------------------------------------（30分钟）
数字信号的采集与处理步骤-------------------------------（60分钟）
四、教学小结、复习思考题及作业题、课外学习任务及要求
1、小结：
常见传感器的组成；
数字信号的采集与处理步骤。
2、作业：
五、教学内容设计
3.4检测信号的采集与处理
3.4.1传感信号的采样/保持
3.4.2数字信号的采集与处理
■1、数字信号处理的步骤
■数字信号处理的基本步骤如图所示
图3-22数字信号处理系统功能框图
■2、数字信号处理方法
■通过A/D转换得到的数字信号，可以利用计算机进行各种各样的处理。
除此之外，还有数字滤波、快速傅立叶变换（FastFourierTransform,FFT）等。
■
（1）算术平均值法
■平均值滤波法是对信号Y的m次测量值进行算术平均，作为时刻n的输出，即
（2）中位值滤波法
■中位值滤波法的原理是对被测参数连续采样次（3且为奇数），并按大小顺序排序；再取中间值作为本次采样的有效数据。
■中位值滤波法和算术平均值滤波法结合起来使用，滤波效果会更好。
■（3）限幅滤波法
■由于大的随机干扰或采样器的不稳定，使得采样数据偏离实际值太远，为此仅采用上、下限限幅
■3.4.3信号调制与解调
在测试技术中，调制是工程测试信号在传输过程中常用的一种调理方法，主要是为了解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。
■1、调幅与解调
■调幅是将一个高频简谐信号（载波信号）与测试信号（调制信号）相乘，使载波信号随测试信号的变化而变化。
■调幅的目的是为了便于缓变信号的放大和传送，然后再通过解调从放大的调制波中取出有用的信号。
■3、调频与解调
■
（1）调频原理
■调频是利用调制信号的幅值变化控制和调节载波的频率。
调频比较容易实现数字化，特别是调频信
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