机电一体化系统设计 四川大学制造科学与工程学院本科课程 《机电一体化系统设计》教学大纲 课程编号： 30206.4020 课程类型： 选修课 Course Code: B02064020 Course Type: Elective 课程名称： 电一体化系统设计 设课对象： 本科三年级学生 Course Name echatronics System design Audience: Junior 学时/学分： 32D 投课语言： 中文 Credit 22 Language of Chinese Mandarin Hours/Credits Instruction 先修课程： 肌根原理、机械设计、模拟电子技术基础、开课院系： 机根工程系 数字电子技术基础、控制工程基础 Prerequisite Mechanical Principles,Mechanical Design.Couseffered by: Department of nalog Electronic Technology,Digital Mechanical Eng. Electronic Technology,Fundamentals of ontro Engineering 适用专业： L械设计制造及其自动化专业 授课教师： Intended for: Mechanical Design,Manufacturing and Instructor: utomation 大纲执笔人： 礤鹏、股鸣 大纲审核人： 专业负责人 Edited by: Peng Cai,Ming Yin Inspected by: Course Leader 一、课程简介 机电一体化是一项综合性、交叉性的新兴技术，涉及到机械、电子、信息、自动控制等多学 科领域，应用范围极其广泛。学习机电一体化系统的设计理论、方法和应用，是适应技术新潮流 的需要，是自主创新的需要，对培养学生的设计能力、新产品的开发能力具有十分重要的作用。 本课程研究怎样利用系统设计原理和综合集成技巧，将控制电机、传感器、机械系统、微机 控制系统、接口及控制软件等机电一体化要素组成各种性能优良的、可靠的机电一体化产品或系 统。本课程以机械为基础、机电结合为重点：以机电元部件、系统设计计算方法及实例、典型机 电一体化产品或系统为主要内容，对微机控制系统、接口电路、控制软件等作了较详细的介绍。 二、学习目标 1、能够掌握机电一体化的基本概念、基本原理：能够掌握机电一体化系统中典型机械零部件」 伺服系统、传感系统、计算机控制系统的原理、结构、性能、作用和特点
机电一体化系统设计 四川大学制造科学与工程学院本科课程 《机电一体化系统设计》教学大纲 课程编号： Course Code: 302064020 302064020 课程类型： Course Type: 选修课 Elective 课程名称： Course Name: 机电一体化系统设计 Mechatronics System design 授课对象： Audience: 本科三年级学生 Junior 学时/学分： Credit Hours/Credits 32/2 32/2 授课语言： Language of Instruction 中文 Chinese Mandarin 先修课程： Prerequisite: 机械原理、机械设计、模拟电子技术基础、 数字电子技术基础、控制工程基础 Mechanical Principles, Mechanical Design, Analog Electronic Technology, Digital Electronic Technology, Fundamentals of Control Engineering 开课院系： Course offered by: 机械工程系 Department of Mechanical Eng. 适用专业： Intended for: 机械设计制造及其自动化专业 Mechanical Design, Manufacturing and Automation 授课教师： Instructor: 大纲执笔人： Edited by: 蔡鹏、殷鸣 Peng Cai, Ming Yin 大纲审核人： Inspected by: 专业负责人 Course Leader 一、课程简介 机电一体化是一项综合性、交叉性的新兴技术，涉及到机械、电子、信息、自动控制等多学 科领域，应用范围极其广泛。学习机电一体化系统的设计理论、方法和应用，是适应技术新潮流 的需要，是自主创新的需要，对培养学生的设计能力、新产品的开发能力具有十分重要的作用。 本课程研究怎样利用系统设计原理和综合集成技巧，将控制电机、传感器、机械系统、微机 控制系统、接口及控制软件等机电一体化要素组成各种性能优良的、可靠的机电一体化产品或系 统。本课程以机械为基础、机电结合为重点；以机电元部件、系统设计计算方法及实例、典型机 电一体化产品或系统为主要内容，对微机控制系统、接口电路、控制软件等作了较详细的介绍。 二、学习目标 1、能够掌握机电一体化的基本概念、基本原理；能够掌握机电一体化系统中典型机械零部件、 伺服系统、传感系统、计算机控制系统的原理、结构、性能、作用和特点。 1
2、能够利用系统动力学等方法，对系统及子系统中主要参数进行匹配设计和计算。 3、能够掌握子系统和总体方案中的关键问题与参数，进行子系统和总体方案的选择和初步设 计。 4、能够了解机电一体化技术的发展现状和发展趋势， 三、学习目标与毕业要求的对应关系 毕业要求 毕业要求指标点 学习目标 1.2具有解决机械工程领域设计、 ()能够将数学、自然科学、机械工制造、运行等过程中的复杂工程问题 学习目标1 程基础知识和专业知识用于解决机械工程 所需的工程基础知识和专业知识 领域设计、制造、运行等方面的复杂工程问 1.3能够运用数学、自然科学、工 程基础和专业知识解决机械工程领域 学习目标2 的复杂工程问题 (2)能够应用数学、自然科学和机械 2.1能够应用数学、自然科学和机 工程科学的基本原理，通过信总检索、文献 研究，对机械工程领域设计、制造、运行等 械工程科学的基本原理，识别机械工 学习目标3 程领域设计、制造、运行中的关键问 方面的复杂工程问题进行识别、表达、分析、 题与参数 评价，并获得有效结论。 (12)了解机械设计制造及其自动化领 121能够了解当前机械设计制造 域的新理论、新技术及国内外发展动态，具 及其自动化领域的发展状态与发展趋 学习目标4 有自主学习和终身学习的意识，有不断学习 势 和适应发展的能力。 四、教学基本内容 第一章：绪论(4学时) 1、介绍机电一体化概念、主要特征、与其它技术的区别及共性关健技术： 2、介绍机电一体化的功能构成原理及其组成要素，功能构成原理及功能构成要素： 3、介绍机电一体化系统设计、广义接口和控制软件的作用： 4、介绍机电一体化产品的分类，机电一体化的特点及发展趋势。 基本要求： 掌握机电一体化的基本概念、基本原理和基本知识。 重点与难点： 机电一体化共性关键技术、功能构成原理。 本章学习内容对应学习目标1（支撑毕业要求指标点12）、3（支撑毕业要求指标点2.1）、4 2
2、能够利用系统动力学等方法，对系统及子系统中主要参数进行匹配设计和计算。 3、能够掌握子系统和总体方案中的关键问题与参数，进行子系统和总体方案的选择和初步设 计。 4、能够了解机电一体化技术的发展现状和发展趋势。 三、学习目标与毕业要求的对应关系 四、教学基本内容 第一章：绪论（4 学时） 1、介绍机电一体化概念、主要特征、与其它技术的区别及共性关键技术； 2、介绍机电一体化的功能构成原理及其组成要素，功能构成原理及功能构成要素； 3、介绍机电一体化系统设计、广义接口和控制软件的作用； 4、介绍机电一体化产品的分类，机电一体化的特点及发展趋势。 基本要求： 掌握机电一体化的基本概念、基本原理和基本知识。 重点与难点： 机电一体化共性关键技术、功能构成原理。 本章学习内容对应学习目标 1（支撑毕业要求指标点 1.2）、3（支撑毕业要求指标点 2.1）、4 毕业要求 毕业要求指标点 学习目标 （1）能够将数学、自然科学、机械工 程基础知识和专业知识用于解决机械工程 领域设计、制造、运行等方面的复杂工程问 题。 1.2 具有解决机械工程领域设计、 制造、运行等过程中的复杂工程问题 所需的工程基础知识和专业知识 学习目标 1 1.3 能够运用数学、自然科学、工 程基础和专业知识解决机械工程领域 的复杂工程问题 学习目标 2 （2）能够应用数学、自然科学和机械 工程科学的基本原理，通过信息检索、文献 研究，对机械工程领域设计、制造、运行等 方面的复杂工程问题进行识别、表达、分析、 评价，并获得有效结论。 2.1 能够应用数学、自然科学和机 械工程科学的基本原理，识别机械工 程领域设计、制造、运行中的关键问 题与参数 学习目标 3 （12）了解机械设计制造及其自动化领 域的新理论、新技术及国内外发展动态，具 有自主学习和终身学习的意识，有不断学习 和适应发展的能力。 12.1 能够了解当前机械设计制造 及其自动化领域的发展状态与发展趋 势 学习目标 4 2
(支撑毕业要求指标点12.1)。 第二章：机电一体化典型机城零部件设计(12学时) 1、机电一体化系统中主要机械特性与参数： 2、机械系统建模中基本物理量的描述和等效转化： 3、减速齿轮传动链的基本物理量计算： 4、机械结构因素对伺服系统的影响： 5、机械系统的精度设计概论及精度设计中的基本概念 6、精度设计中的主要原理与原则： 7、机械传动部件：机电一体化对机械传动的要求： 8、齿轮传动系统的总传动比及其分配原则： 9、谐波齿轮传动及螺旋滚珠传动： 10、支承部件：轴系，密珠轴系，滚动导轨 基本要求 掌握常用机电一体化元部件原理、结构、性能和作用，能够进行机械系统部件选择与设计。 重点与难点： 根据实际机械建立物理模型的方法，等效设计计算：运动学原理与误差均化原理的适用范围： 关键传动部件与支撑部件的原理和设计。 本章学习内容对应学习目标1（支撑毕业要求指标点12）、2（支撑毕业要求指标点1.3）、3 (支撑毕业要求指标点2.1)。 第三章：同服驱动技术(8学时) 1、伺服系统的结构组成及分类 2、步进电动机控制系统，步进电动机的结构与工作原理，环形分配器，功率驱动器，步进电 机的单片机控制： 3、直流伺服系统结构和原理。直流电动机的调速，直流伺服系统的稳态误差分析，直流何服 系统的动态校正： 4、异步型交流伺服电动机的变频调速的基本原理及特性。异步电动机变频调速系统，SPW 逆变器的同步调制与异步调制： 5、提高系统精度的措施 基本要求： 掌握直流伺服电机、交流伺服电机和步进电机的工作原理和驱动技术。 重点与难点： 常用的三种功率驱动器原理，直流电动机的数学模型及三种调速方法，交流伺服电动机的变 频调速的基本原理及特性。 本章学习内容对应学习目标1（支撑毕业要求指标点1.2）、2（支撑毕业要求指标点1.3）、3 (支撑毕业要求指标点2.1)
（支撑毕业要求指标点 12.1）。 第二章：机电一体化典型机械零部件设计（12 学时） 1、机电一体化系统中主要机械特性与参数； 2、机械系统建模中基本物理量的描述和等效转化； 3、减速齿轮传动链的基本物理量计算； 4、机械结构因素对伺服系统的影响； 5、机械系统的精度设计概论及精度设计中的基本概念； 6、精度设计中的主要原理与原则； 7、机械传动部件：机电一体化对机械传动的要求； 8、齿轮传动系统的总传动比及其分配原则； 9、谐波齿轮传动及螺旋滚珠传动； 10、支承部件：轴系，密珠轴系，滚动导轨。 基本要求： 掌握常用机电一体化元部件原理、结构、性能和作用，能够进行机械系统部件选择与设计。 重点与难点： 根据实际机械建立物理模型的方法，等效设计计算；运动学原理与误差均化原理的适用范围； 关键传动部件与支撑部件的原理和设计。 本章学习内容对应学习目标 1（支撑毕业要求指标点 1.2）、2（支撑毕业要求指标点 1.3）、3 （支撑毕业要求指标点 2.1）。 第三章：伺服驱动技术（8 学时） 1、伺服系统的结构组成及分类 2、步进电动机控制系统，步进电动机的结构与工作原理，环形分配器，功率驱动器，步进电 机的单片机控制； 3、直流伺服系统结构和原理。直流电动机的调速，直流伺服系统的稳态误差分析，直流伺服 系统的动态校正； 4、异步型交流伺服电动机的变频调速的基本原理及特性。异步电动机变频调速系统，SPWM 逆变器的同步调制与异步调制； 5、提高系统精度的措施。 基本要求： 掌握直流伺服电机、交流伺服电机和步进电机的工作原理和驱动技术。 重点与难点： 常用的三种功率驱动器原理， 直流电动机的数学模型及三种调速方法，交流伺服电动机的变 频调速的基本原理及特性。 本章学习内容对应学习目标 1（支撑毕业要求指标点 1.2）、2（支撑毕业要求指标点 1.3）、3 （支撑毕业要求指标点 2.1）。 3
第四章：传感检测系统设计（4学时) 1、模拟式传感器信号的检测：模拟信号检测系统的组成： 3、数字式传感器信号的检测：数字信号检测系统的组成： 4、检测信号的采集和预处理： 5、集成传感器及智能传感器。 基本要求：掌握模拟信号、数字信号检测系统的结构组成，检测信号的采集和预处理方法。 重点与难点： 模拟、数字信号检测系统的结构组成，检测信号的采集和预处理。 本章学习内容对应学习目标1（支撑毕业要求指标点1.2）、2（支撑毕业要求指标点1.3）、3 (支撑毕业要求指标点2.1)。 第五章：计算机控制技术(4学时) 1、计算机控制系统的组成及特点：计算机控制系统的类型： 2、计算机控制系统的接口技术：并行输入输出接口：数/模(DA)转换接口：模/数(AD)啭 换接口： 3、工业控制计算机系统硬件组成的一般形式：工业控制机分类：计算机控制算。 基本要求：掌握计算机控制系统的组成及特点，计算机控制系统的类型，初步掌握计算机控 制算法。 重点与难点： 工业控制计算机系统硬件的结构组成，计算机控制算法。 本章学习内容对应学习目标1（支撑毕业要求指标点1.2）、2（支撑毕业要求指标点1.3）、3 (支撑毕业要求指标点2.1)。 五、建议学习进度 章节名称 学时数 第一章绪论 4学时 第二章机电一体化典型机械零部件设计 12学时 第三章伺服驱动技术 8学时 第四章传感检测系统设计 4学时 第五章计算机控制技术 4学时 六、教学策略与方法 1、闸述基本原理，理论联系实际，培养学生创新能力： 2、采用多媒体课件、电子备课和传统教学相结合进行教学： 3、通过案例分析，强调机电一体化系统设计原理和综合集成技巧
第四章：传感检测系统设计（4 学时） 1、模拟式传感器信号的检测：模拟信号检测系统的组成； 3、数字式传感器信号的检测：数字信号检测系统的组成； 4、检测信号的采集和预处理； 5、集成传感器及智能传感器。 基本要求：掌握模拟信号、数字信号检测系统的结构组成，检测信号的采集和预处理方法。 重点与难点： 模拟、数字信号检测系统的结构组成，检测信号的采集和预处理。 本章学习内容对应学习目标 1（支撑毕业要求指标点 1.2）、2（支撑毕业要求指标点 1.3）、3 （支撑毕业要求指标点 2.1）。 第五章：计算机控制技术（4 学时） 1、计算机控制系统的组成及特点；计算机控制系统的类型； 2、计算机控制系统的接口技术：并行输入/输出接口；数/模（D/A）转换接口；模/数(A/D)转 换接口； 3、工业控制计算机系统硬件组成的一般形式；工业控制机分类；计算机控制算。 基本要求：掌握计算机控制系统的组成及特点，计算机控制系统的类型，初步掌握计算机控 制算法。 重点与难点： 工业控制计算机系统硬件的结构组成，计算机控制算法。 本章学习内容对应学习目标 1（支撑毕业要求指标点 1.2）、2（支撑毕业要求指标点 1.3）、3 （支撑毕业要求指标点 2.1）。 五、建议学习进度 章节名称 学时数 第一章 绪论 4 学时 第二章 机电一体化典型机械零部件设计 12 学时 第三章 伺服驱动技术 8 学时 第四章 传感检测系统设计 4 学时 第五章 计算机控制技术 4 学时 六、教学策略与方法 1、阐述基本原理，理论联系实际，培养学生创新能力； 2、采用多媒体课件、电子备课和传统教学相结合进行教学； 3、通过案例分析，强调机电一体化系统设计原理和综合集成技巧。 4
七、考核方式 平时成绩和期末考试成绩综合评价。 八、成绩评定方法 出勤率及课堂表现占总成绩10%，平时作业、专题讨论等多种形式的平时考核占总成绩50%， 以上构成平时成绩，合计占总成绩的60%。 期末考试成绩占总成绩40%。 九、教学参考书与其他相关教学资源（如网上教学资源等） [山机电一体化系统设计 侯力 高等教育出版礼 [2机电一体化机械系统设计 赵松年，张奇鹏机械工业出版社 [3)机电一体化设计基础 郑堤，唐可洪 机械工业出版社 [4机电一体化技术与系统 梁景凯 机械工业出版社 [5机电一体化生产系统设计 谢存禧，邵明 机械工业出版社 [6]单片机应用系统设计 何立民 北京航空航天大学出版社 [工业控制计算机组成原理 孙廷才 清华大学出版社 [⑧)计算机新型控制策略及其应用袁南儿 清华大学出版社
七、考核方式 平时成绩和期末考试成绩综合评价。 八、成绩评定方法 出勤率及课堂表现占总成绩 10%，平时作业、专题讨论等多种形式的平时考核占总成绩 50%， 以上构成平时成绩，合计占总成绩的 60%。 期末考试成绩占总成绩 40%。 九、教学参考书与其他相关教学资源（如网上教学资源等） [1]机电一体化系统设计 侯力 高等教育出版社 [2]机电一体化机械系统设计 赵松年，张奇鹏 机械工业出版社 [3]机电一体化设计基础 郑堤，唐可洪 机械工业出版社 [4]机电一体化技术与系统 梁景凯 机械工业出版社 [5]机电一体化生产系统设计 谢存禧，邵明 机械工业出版社 [6]单片机应用系统设计 何立民 北京航空航天大学出版社 [7]工业控制计算机组成原理 孙廷才 清华大学出版社 [8]计算机新型控制策略及其应用 袁南儿 清华大学出版社 5