机电一体化系统设计基础 课程交流报告 教师：温伟刚 Email：wgwen@bjtu.edu.cn

《机电一体化系统设计基础》是机械设计制造及其自动化专业学生必修的专业课。 主要包括机电一体化的基本概念、关键技术与原理等基础知识，以及机电一体化单元技术、机电一体化系统分析与综合设计等。

通过本课程的学习，学生能够掌握机电一体化的基础理论与关键技术，熟悉机电一体化单元技术的接口和运用，了解典型机电一体化系统的结构、性能和特点。 通过学习机电一体化系统设计原理和综合集成技术，能够把各项技术有机地结合起来进行简单的机电一体化系统的分析和设计。

一、教学资源 二、教学环节 三、教学指导思想

一、教学资源 1．文字教材 2．录像教材 合一型 李建勇.《机电一体化系统设计基础》.中央广播电视大学出版社.2009 专题讲解 录像教材共11讲，每讲50分钟。

5．形成性考核作业 6．网上讨论 3. IP流媒体课件 4．文本辅导 系统讲授 37讲IP课件，每讲40分钟。 文本辅导材料。 阶段性测试 按照教学进度要求分四次发布记分作业题。 6．网上讨论 电大在线的课程讨论板进行网上讨论和答疑活动。

二、教学环节 辅导与自主学习、形成性考核作业、终结性考试等环节。 学习测评 形成性考核30% 4次作业20% 1次专题报告10% 终结性考核70% 4次作业20% 1次专题报告10%

1. 形成性考核作业 四次形成性考核作业采用纸质作业形式。

2．专题报告 （1）目的 通过对社会生活或生产实践中某一种典型的机电一体化产品进行分析和研究，深入了解机电一体化系统的组成结构、关键技术与原理，建立对机电一体化产品进行分析研究的能力。 （2）专题报告主要内容 产品应用范围； 组成结构； 关键技术和原理； 该产品的改进方向和应用前景。 研究方法：查阅相关资料 专题报告撰写要做到形式和内容规范、专业。

3.终结性考核 终结性考试采用闭卷形式，答题时限为90分钟。 终结性考核考试题型： （1）判断题（3’×10） （2）选择题（4’×6） （3）简答题（8’×3） （4）计算题（10’×1） （5）综合题（12’×1）

三、教学指导思想

课程教学目的 在相关单元技术的支撑下，掌握机电一体化系统层面的知识和综合集成技术：  1. 掌握机电一体化的基本概念、基本原理等基本知识；  2. 掌握常用机电一体化元部件原理、结构、性能和选用原则；   3. 掌握机电一体化系统设计原理，能够进行总体方案的分析和设计；  4. 掌握典型机电一体化系统的构成、工作原理和性能特点。 

教学目标明确，教学内容要少而精。 教学内容少而精，以介绍新技术为主，体现机电一体化课程的先进性。 教学起点不宜过高，集中讲述机电一体化专业基本概念、理论。 教学媒体形式多样化，适合成人学习，同时还要便于自学。

体现“以学生为中心”的教育思想。 保持学科体系的科学性、系统性和实用性。 加强工程样例教学，避免枯燥、空洞的理论。 通过演示、动画等教学表现形式使学生能够容易理解相关概念。

主要内容 一、机电一体化技术导论 二、机电一体化的机械技术 三、传感检测技术 四、伺服驱动技术 五、自动控制技术 六、机电一体化系统设计与综合 七、机电一体化系统实例

一、机电一体化技术导论（8小时） 1．教学内容 （1）机电一体化技术概述； （2）机电一体化系统的组成结构； （3）机电一体化关键技术和发展趋势。 2．教学要求 （１）熟悉机电一体化技术的基本概念、特点和分类方法； （２）掌握机电一体化系统的组成结构； （3）熟悉机电一体化关键技术； （4）了解机电一体化的发展趋势。

[考核内容]： （1）机电一体化技术的基本概念、特点和分类方法； （2）机电一体化系统的组成结构； （3）机电一体化关键技术。 [考核要求]： （1）理解机电一体化技术的基本概念、特点和分类方法； （2）掌握机电一体化系统的组成结构； （3）了解机电一体化关键技术。

机电一体化的定义、内涵 机电一体化系统 关键技术、理论基础 发展趋势 机电一体化 功能组成 构成要素

机电一体化： 是在机械主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称

系统总体技术 光纤技术 人工智能技术 神经网络技术 信息处理技术 计算机技术 接口技术 传感检测技术 伺服驱动技术 自动控制技术 系统论、信息论、控制论 系统总体技术 光纤技术 伺服驱动技术 精密机械技术 接口技术 计算机技术 人工智能技术 自动控制技术 微电子技术 传感检测技术 信息处理技术 神经网络技术

一个较完善的机电一体化系统，应包括以下几个基本要素：机械本体、动力系统、检测传感系统及执行部件，各要素和环节之间通过接口相联系。（ × ） 机电一体化技术是以（ B ）技术为核心，强调各种技术的协同和集成的综合性技术。 A．自动化 B．电子 C．机械 D．软件

二、机电一体化机械技术（16小时） 1．教学内容 （1）机电一体化中的机械系统； （2）机电一体化系统中常用的传动机构； （3）机电一体化系统中常用执行机构； （4）机电一体化中的虚拟样机技术。 2．教学要求 （1）掌握机电一体化中机械系统的基本特点； （2）了解机电一体化系统中常用传动机构的基本原理与选择方法； （3）了解机电一体化系统中常用执行机构的基本原理与选择方法； （4）了解机电一体化中的虚拟样机技术。

[考核内容]： （1）机电一体化中的机械系统； （2）机电一体化系统中常用的传动机构； （3）机电一体化系统中常用执行机构； （4）机电一体化中的虚拟样机技术。 [考核要求]： （1）掌握机电一体化中机械系统的基本要求； （2）了解机电一体化系统中常用传动机构的工作原理与选用； （3）了解机电一体化系统中常用执行机构的工作原理与选用； （4）了解机电一体化中的虚拟样机技术。

1. 要求 机械技术 圆柱齿轮 斜齿轮薄片: 垫片调整法 工作原理 循环方式 间隙调整 螺旋传动 和预紧 （滚珠丝杠副） 2.传动机构 螺纹预紧 垫片预紧 齿差预紧 工作原理 循环方式 间隙调整 和预紧 ①双螺母 ②单螺母 螺旋传动 （滚珠丝杠副） 机械技术 ① 增大滚珠直径 2.传动机构 ② 偏置导程 ① 重量最轻 ② 转动惯量最小 ③ 输出轴转角误差最小 传动比分配原则 齿侧间隙调整 齿轮传动 偏心套调整法 圆柱齿轮 轴向垫片调整法 3.执行机构 双片薄齿轮错齿调整法 斜齿轮薄片: 垫片调整法 谐波齿轮传动

进行机械系统结构设计时，由于阻尼对系统的精度和快速响应性均产生不利的影响，因此机械系统的阻尼比ξ取值越小越好。（ × ） 对于机电一体化系统的齿轮传动，采取下列哪种方法是来消除齿侧间隙，使得调整过程中能自动补偿齿侧间隙？（ D ） A．偏心套调整法 B．轴向垫片调整法 C．薄片错齿调整法 D．轴向压簧错齿调整法

三、传感检测技术（8小时） 1．教学内容 （1）传感检测概述； （2）机电一体化系统中常用传感器； （3）传感器的标定校准及选用原则； （4）传感器测量电路及其计算机接口。 2．教学要求 （1）掌握传感检测的基本原理和方法； （2）了解机电一体化系统中的常用传感器； （3）了解传感器的标定校准方法和选用原则； （4）熟悉传感器基本测量电路及其计算机接口。

[考核内容]： （1）常用传感器的类型、特点及工作原理； （2）常用传感器的选用原则及使用方法； （3）常用传感器与计算机接口方式。 [考核要求]： （1）掌握常用传感器的类型、特点及工作原理； （2）了解常用传感器选择及使用方法； （3）了解常用传感器与计算机接口方式。

传感检测 编码器 传感器的特性 光栅 常用传感器 位移传感器 速度、加速度传感器 力、力矩传感器 传感检测系统的组成 测量方案对比 与计算机接口 编码器 光栅 位移传感器 速度、加速度传感器 力、力矩传感器 传感检测 高速端间接测量 低速端间接测量 低速端直接测量

传感器检测系统的组成 执行器 控制及功率 放大 信号 显示 输出 记录 输入 设备 被测 对象 传感器 数据 采集 信号调理电路 处理 稳压 电源

测量方案对比： 高速端间接、 低速端间接、低速端直接测量 DC伺服电机 齿轮 联轴器 工件 工作台 直线测 量系统 丝杠 滚珠螺母 光电编码器 优点：安装方便，精度要求低； 缺点：在闭环外，传动误差不能补偿。 优点： 精度要求较低；齿轮在闭环内，传动误差可补偿； 若采用滚珠丝杠，传动精度可很高，较常用。 优点：直接测量，精度不受传动机构误差影响， 缺点：传感器的精度要求较高，安装不方便，较大行程位移测量不适用。

四、伺服驱动技术（16小时） 1．教学内容 （1）伺服驱动技术概述； （2）伺服驱动系统的种类及其特性； （3）机电一体化系统常用的伺服驱动电机。 2．教学要求 （1）掌握伺服驱动的基本原理； （2）了解机电一体化伺服驱动系统的种类及其特性； （3）熟悉常用伺服驱动电机的基本原理及其控制方法。

[考核内容]： （1）伺服驱动的基本原理； （2）伺服驱动系统的种类及其特点； （3）机电一体化系统常用的伺服驱动电机的工作原理、特点、选用及其控制方式。 [考核要求]： （1）掌握伺服驱动的基本原理； （2）了解机电一体化伺服驱动系统的种类及其特点； （3）理解常用伺服驱动电机的工作原理、特点、选用及其控制方式。

伺服 驱动 作用、分类及要求 步进伺服 系统 3. 直流伺服 步距角的计算 定子旋转的方向 转子的转速 分类 工作原理 运行特性 驱动与控制 调速特性 驱动 闭环控制 调速特性 机械特性 晶闸管调速驱动 PWM驱动

闭环伺服系统中工作台的位置信号仅能通过电机上的传感器或是安装在丝杆轴端的编码器测得。（ × ） 对同一种步进电机，三相单三拍的步距角是三相六拍的（ C ）倍。 A．0.5 B．1 C．2 D．3

五、自动控制技术（16小时） 1．教学内容 （1）机电一体化自动控制技术概述； （2）机电一体化自动控制系统的设计方法； （3）计算机控制技术； （4）可编程序控制器技术； （5）嵌入式技术。 2．教学要求 （1）熟悉机电一体化系统的控制方式及其理论基础； （2）掌握机电一体化自动控制系统的设计方法； （3）熟悉计算机控制技术； （4）了解可编程序控制器技术； （5）了解嵌入式技术。

[考核内容]： （1）机电一体化系统的控制方式及特点； （2）计算机控制系统的组成和常用类型； （3）可编程序控制器的组成技术及控制系统设计； （4）嵌入式系统的特点。 [考核要求]： （1）理解机电一体化系统的控制方式及特点； （2）理解计算机控制系统的组成和常用类型； （3）理解可编程序控制器的组成，掌握可编程序控制器控制系统设计； （4）了解嵌入式系统的特点。

1. 基本要求 自动控制 2. 主要 内容 建模 仿真: Simulink 建模与仿真 系统组成 计算机 数字PID 控制系统 系统设计思路 模型类型 建模方法 建模过程及实例 建模 仿真: Simulink 1. 基本要求 建模与仿真 自动控制 系统组成 数字PID 系统设计思路 组成及各部分作用 参数整定 采样周期的确定 计算机 控制系统 2. 主要 内容 基本组成 工作原理 常用语言及指令 程序编制 PLC应用技术 嵌入式系统 现场总线技术

仿真根据采用的模型可以分为计算机仿真、半物理仿真和全物理仿真。（ √ ） PID控制算法中比例、积分、微分部分各起何作用？ 答：P（比例）I（积分）D（微分）调节器是将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量。其中比例调节起纠正偏差的作用，其反应迅速；积分调节能消除静差，改善系统静态特性；微分调节有利于减少超调，加快系统的过渡过程。此三部分作用配合得当，可使调节过程快速、平稳、准确，收到较好的效果。

采用PLC设计两台电动机A、B交替工作的系统，要求如下：①按压瞬时接触按钮X1，A电机工作(输出Y1)，B电机停止；只有在A电机工作的条件下，按压瞬时接触按钮X2，B电机工作(输出Y2)。A电机停止；任何时候按压瞬时接触按钮X3，A，B二电动机都停止工作。 （1）写出I/O分配表； （2）选择PLC，画出梯形图。

六、机电一体化系统设计与综合（16小时） 1．教学内容 （1）机电一体化系统设计概述； （2）机电一体化系统的产品规划； （3）机电一体化系统的概念设计； （4）机电一体化系统接口设计； （5）机电一体化系统的评价与决策； （6）机电一体化系统的试制与调试； （7）机电一体化系统的现代设计方法。 2．教学要求 （1）掌握机电一体化系统设计的流程和规律； （2）了解机电一体化系统的产品规划； （3）了解机电一体化系统的概念设计； （4）熟悉机电一体化系统的接口设计； （5）了解机电一体化系统的评价与决策方法； （6）了解机电一体化系统的试制与调试方法； （7）了解机电一体化系统的现代设计方法。

[考核内容]： （1）机电一体化系统设计流程； （2）机电一体化系统的产品规划的主要内容； （3）机电一体化系统的概念设计的内涵、特征及方法； （4）机电一体化系统的评价与决策方法； （5）机电一体化系统的现代设计方法。 [考核要求]： （1）掌握机电一体化系统设计流程； （2）了解机电一体化系统的产品规划的主要内容； （3）了解机电一体化系统的概念设计的内涵、特征及方法； （4）了解机电一体化系统的评价与决策方法； （5）了解机电一体化系统的现代设计方法。

系统设计与综合 设计思想、类型和准则 设计 流程 现代设计方法 产品规划 概念设计 详细设计 设计实施 设计定型 需求分析 需求设计 理念 内容 方法 内涵 特征 过程 分析 综合 评价 决策

机电产品的开发设计流程。 答：机电一体化系统的主要设计流程分为五个阶段：产品规划、概念设计、详细设计、设计实施和设计定型阶段。

请制订出概念设计的流程。 答: （1）首先是将设计任务抽象化，确定出系统的总功能； （2）根据系统的总功能要求和构成系统的功能要素进行总功能分解，划分出各功能模块，将总功能分解为子功能，直到分解到不能再分解的功能元，形成功能树；确定它们之间的逻辑关系； （3）对各功能模块输入/输出关系进行分析，确定功能模块的技术参数和控制策略、系统的外观造型和总体结构； （4）寻找子功能（功能元）的解，并将原理解进行组合，形成多种原理解设计方案， （5）以技术文件的形式交付设计组讨论、审定。由于体现同一功能的产品可以有多种多样的工作原理， （6）方案进行整体评价：对不同的方案进行整体评价，选择综合指标最优的设计方案。最终选定最佳方案形成概念产品。

七、典型机电一体化系统分析（10小时） 1．教学内容 （1）工业机器人系统； （2）数控设备； （3）机电一体化系统与特殊机构。 2．教学要求 （1）了解工业机器人系统； （2）了解常用的数控设备； （3）熟悉运用机电一体化系统实现特殊机构功能的方法和原理。

[考核内容]： （1）工业机器人系统组成、分类及工作原理； （2）数控机床分类及构成； （3）机电一体化系统实现特殊机构功能的方法和原理。 [考核要求]： （1）了解工业机器人系统组成、分类及工作原理； （2）了解常用的数控机床分类及构成； （3）了解机电一体化系统实现特殊机构功能的方法和原理。

七、机电一体化系统实例 组成 工业机器人 SCARA 机械系统 驱动系统 控制系统 传感检测系统 人工智能系统等 机械本体 动力系统 执行元件 传感检测系统 信息处理与控制系统 SCARA

控制与检测传感系统原理 机器人手臂 位置尺寸状态 接 口 输入 输出1 输出2 计数 涡流传感器 测量仪 上下回转加紧 气动电磁阀 功率放大 升降速 脉冲分配 功率驱动 步进电机 左小臂 左大臂 光电编码器 右小臂 方向判别 右大臂 CMC80工业控制机

简述数控设备中计算机数控装置的组成和功能。 答：在数控设备中，计算机数控装置是设备的核心部分，一般由专用计算机（或通用计算机）、输入输出接口以及机床控制器等部分构成。计算机数控装置根据输入的数据和程序，完成数据运算、逻辑判断、输入输出控制等功能；机床控制器主要用于机床的辅助功能，主轴转速的选择和换刀功能的控制。  

总结 一、机电一体化技术导论 二、机电一体化的机械技术 三、传感检测技术 四、伺服驱动技术 五、自动控制技术 六、机电一体化系统设计与综合 七、机电一体化系统实例