Design of Mechatronics System
课程编码：06211323 |
适用专业: 机械电子工程 |
学时数: 40学时（含8学时实验） |
学分数:2.5 |
执笔人: 孙广奇 |
日期:2018年12月 |
一、课程的性质和目的
《机电系统设计》属于机械电子工程专业的一门主要专业课，是为今后从事机电相关工作的学生奠定最基本的理论知识和技能基础。
通过本课程的学习，要达到以下几个方面的目的：
1、从机电融合的高度，了解典型的机电一体化产品的原理、组成及功能。
2、了解构成机电一体化产品的单元技术。
3、从系统综合的角度出发初步掌握机电一体化产品的设计能力、及相关的维护、运行能力。
二、课程的教学内容和学时分配：
第一章 总论（2学时）
教学内容：
机电一体化系统的定义、组成及其设计方法以及设计流程。
教学要求：
1、了解机电一体化系统的基本原理及构成要素；
2、了解机电一体化系统设计的一般方法及设计流程；
3、明确机电一体化系统（产品）的定义，它不是简单机、电技术的叠加，而是二者充分有机的结合。
重点：“机电一体化系统”学科的发展、研究对象及要解决的问题。
难点：机电如何实现一体化及其在产品设计中的意义。
第二章 机电一体化系统的机械系统部分（6学时，其中自修2学时）
教学内容：
机械传动部件的选择与设计；导向支撑部件的选择与设计，旋转支撑的选择与设计，轴承部件的选择与设计，机座机架的设计。
教学要求：
1、主要介绍一些机械设计中没有学过的新型机械部件。了解其特点、性能及用途。
2、对这些机械部件要求学生掌握选择的能力，而对整个机械系统部分，具有初步设计的能力。
重点：
主要的几种新型传动件、导向件、支撑件、基础件的类型、特点、功能、用途要了解清楚。并且通过正确选择应用如何组成一个相互匹配的、优化的机械系统。
难点：机械部件的正确选择和机械系统合理组成问题。
第三章 机电一体化系统执行元件的选择与设计（8学时，其中自修2学时）
教学内容：
执行元件控制用电机、步进电机伺服系统，直流伺服电动机、交流伺服电动机。
教学要求：
1、对电气式、气压式、液压式三类执行元件的原理、特点、用途作一般了解；
2、了解步进电机伺服驱动、直流电机伺服驱动、交流电机伺服驱动的原理、特点、控制方法、用途；
3、掌握一般伺服系统正确选择、使用、维护的能力。
重点：
三类伺服电机的工作原理及控制方式，它们与普通电机的区别，以及如何用到现代的机电一体化系统（产品）中。
难点：
伺服控制系统方式的正确理解，即如何实现方向控制、速度控制和位置控制。在整个伺服驱动系统中，伺服电机与系统内、外其它环节是如何匹配和协调工作的。
第四章机电一体化系统控制元件的设计（8学时）
教学内容：
控制系统的分类、控制器的选择方法、控制系统的接口电路，机电一体化系统控制系统设计方法、传感器。
教学要求：
1、了解控制系统的分类及其特点；
2、熟悉控制系统的组成及其接口电路的应用特点；
3、掌握机电控制系统的设计方法。
4、了解传感器的特征及选择方法。
重点：
控制系统接口电路的原理分析、控制系统的组成及控制器的选择，各类控制器在机械系统中的应用。
难点：
接口电路、以及控制器的设计、控制器与机械系统的结合
第五章 机电一体化系统的元、部件的特性分析（4学时）
教学内容：
机械系统特性，变换机构及其运动变换分析，机构的静力学特性，机构的动力学特性，执行元件的特性分析，执行元件与机械结构结合中的若干问题。
教学要求：
1、初步了解如何构成一个机械系统与执行元件相匹配的小系统，从而获得一个优良工作品质的小系统。
2、对机械系统、执行元件系统，不仅是了解其静力学特性，还要能对其动力学特性进行分析，也就是基本掌握其力、运动、速度、位移、加速度之间关系。由输入特性，根据系统组成而辨别其输出特性。
重点：机械传动件的特性分析、步进电机执行元件的特性分析，机械系统与执行元件的运动几动力学匹配问题。
难点：分析数学模型如何建立、以及其求解方法的问题。
第六章 机电一体化系统的机电有机结合分析设计（2学时）
教学内容：
机电一体化系统的稳定性设计，机电一体化系统的动态设计、可靠性设计、安全设计。
教学要求：
1、对机电一体化系统，了解其可靠性、安全性的重要性，并能贯彻到系统设计中；
2、能根据系统的工作要求和被控制对象的特点，初步掌握系统方案设计的方法；
3、具有初步进行系统稳定性设计的能力。包括正确选择系统参数、各主要元、部件的选择及整个系统的构成；
4、能根据系统各部分的参数和特性，建立系统数学模型，进行系统动态设计，使其达到动态技术指标。
重点：
1、根据机电一体化系统的功能要求，能构思出整个系统的组成方案；
2、能选择和设计出系统所使用的元、部件；
3、进行初步的定量分析，保证机电部分匹配和良好的工作性能（包括可靠性与安全性）
难点：系统模型的求解和调节校正措施。
第七章常用机械加工设备的机电一体化改造分析与设计（2学时）
教学内容：
机床机电一体化改造分析、微机控制系统设计分析、机械接口设计。
教学要求：
1、能根据使用要求，对现有机床进行数控改造设计、包括系统的选择、机械接口设计。对数控系统软件的功能原理能作到一般了解；
2、通用机床的数控改造，做到举一反三，初步掌握其它机械电子一体化系统或产品的设计方法与时间流程。
重点：
微机数控系统硬件、软件构成原理、机床改造中机械传动部分设计。
难点：
改造后的机床精度、动态特性、功能的保证，以及可靠性的提高。
实践教学部份（8学时）：
序号 |
实验项目名称 |
项目学时 |
每组人数 |
内容提要 |
实验项 目类型 |
实验项目要求 |
1 |
工业机器人控制实验 |
2 |
2 |
通过示教操作，使学生了解工业机器人工作原理、特性，理解工业机器人的控制过程 |
综合型 |
必修 |
2 |
步进电动机实验 |
2 |
2 |
掌握步进电动机控制系统的硬件设计方法，掌握步进电动机速度调节，方向控制技术 |
综合型 |
必修 |
3 |
直流伺服电机实验 |
2 |
2 |
巩固闭环控制系统的基本概念；了解闭环控制系统反馈量的引入方法；掌握PID算法数字化的方法和编程 |
综合型 |
必修 |
4 |
机电系统机构装配与集成 |
2 |
2 |
了解典型机械结构零部件组成和工作原理；用各种典型机械运动机构集成滑块传动系统进行运动分析 |
综合型 |
必修 |
三、课程教学环节的基本要求
课堂讲授：坚持“教师为主导，学生为主体”的思想，教师的精讲与学生的自学相结合，教师主要起启发和引导的作用，贯彻少而精的原则，以点带面去激发学生获得更多知识的欲望，调动学生的学习自觉性；要尽力采用现代化、多媒体教学手段进行教学，适当利用现场教学，理论联系实际，以增加课堂教学信息量和感性认识，培养学生的创新能力，教学过程中要注意不要形成前期所学机、电课程的重复，而是要进一步以系统论的观点，对其综合优化、提高，从而能真正掌握机电一体化系统（产品）的初步设计、改造能力。
作业方面：每次课后要求布置作业和思考题，以培养学生的设计能力与创新能力，增强学生的学习兴趣；结合学生的作业可采用一些课堂讨论，以调动学生的学习兴趣和积极性，使课堂活起来，提供“相互学习”的机会，培养学生探索与追求知识的能力。
考试环节：
课程成绩采用百分制，由三部分组成：平时成绩（教学活动过程）占20%，实验成绩（技能成绩）占20%；期末考试成绩占60%。期末考试采取笔试、闭卷形式。
教学活动过程考核包括：考勤50%，作业50%。
四、本课程与其它课程的联系与分工
本课程前期课程为《机械设计》、《电路原理》《电子技术基础》，《机械工程测试技术》、《机电传动与控制》、《机械工程控制基础》。在生产实习中多参观一些机电一体化产品，以进一步开阔视野、巩固所学理论。
五、建议教材与教学参考书
[1]、《机电一体化系统设计（第3版）》，张建民等，北京：高等教育出版社，2007年
[2]、《机电系统设计》，赵先仲，北京：机械工业出版社，2004年
[3]、《机电一体化技术与系统》，梁景凯，北京：机械工业出版社，2002
[4]、《机电一体化系统设计》，侯力等，北京：高等教育出版社，2004年
