機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)習(xí)指南

1、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)指南一、理論教學(xué)第一章緒論教學(xué)目的與要求:掌握機(jī)電一體化的基本涵義。掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)及其組成。了解機(jī)電一體化控制系統(tǒng)。本章主要內(nèi)容:1.1什么是機(jī)電一體化？1.2機(jī)電一體化實(shí)例一機(jī)器人介紹1.3機(jī)電一體化系統(tǒng)基本組成1.4機(jī)電一體化設(shè)計(jì)方法本章重點(diǎn):1 .機(jī)電一體化系統(tǒng)基本概念機(jī)電一體化系統(tǒng)基本組成本章難點(diǎn):機(jī)電一體化系統(tǒng)基本組成第二章機(jī)電一體化系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)教學(xué)目的與要求:了解機(jī)電一體化系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方法掌握機(jī)電一體化產(chǎn)品的工程路線掌握幾種典型機(jī)電一體化裝置的基本組成本章主要內(nèi)容:2.1機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程2.2機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法2.3機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)例本章重

2、點(diǎn):機(jī)電一體化總體設(shè)計(jì)的內(nèi)容及方法典型機(jī)電裝置的系統(tǒng)組成以及軟、硬件結(jié)構(gòu)本章難點(diǎn):機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法典型機(jī)電一體化裝置數(shù)控機(jī)床或工業(yè)機(jī)器人的基本組成及設(shè)計(jì)方法第三章傳感檢測(cè)系統(tǒng)教學(xué)目的與要求:了解傳感檢測(cè)系統(tǒng)的基本組成和傳感器的基本評(píng)價(jià)指標(biāo)。掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器的基本原理與適用場(chǎng)合。了解傳感檢測(cè)系統(tǒng)中常用信號(hào)預(yù)處理技術(shù)的基本原理。本章主要內(nèi)容:3.1檢測(cè)的基本概念3.2傳感器概述3.3常見傳感器原理及應(yīng)用3.4信號(hào)處理本章重點(diǎn):1 .各類傳感器的工作原理傳感器的功用和特性信號(hào)調(diào)理電路（濾波、相關(guān)、調(diào)制、解調(diào)）信號(hào)變換技術(shù)（傳感器接口電路、放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)模轉(zhuǎn)換）本章難點(diǎn):

3、各類傳感器的工作原理傳感器的功用和特性信號(hào)調(diào)理電路（濾波、相關(guān)、調(diào)制、解調(diào)）第四章機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)教學(xué)目的與要求:1 .掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)中傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的種類、特點(diǎn)、基本要求。了解常用工業(yè)機(jī)器人的基本構(gòu)型。掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)常用精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的基本原理與設(shè)計(jì)方法。本章主要內(nèi)容:機(jī)電一體化系統(tǒng)典型機(jī)構(gòu)機(jī)器人機(jī)構(gòu)精密齒輪傳動(dòng)同步帶傳動(dòng)滾珠絲杠傳動(dòng)導(dǎo)軌設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜合應(yīng)用實(shí)例本章重點(diǎn):1 .滾珠絲杠副傳動(dòng)機(jī)構(gòu)本章難點(diǎn):1 .傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法滾珠絲杠副傳動(dòng)機(jī)構(gòu)3 .諧波齒輪傳動(dòng)第五章伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)教學(xué)目的與要求:了解伺服系統(tǒng)的一般組成、分類和基本組成形式。了解步進(jìn)電機(jī)的種類及結(jié)構(gòu)；掌握步進(jìn)電機(jī)的工作原理；掌

4、握步進(jìn)電機(jī)的主要性能 指標(biāo)；掌握步進(jìn)電機(jī)控制的基本原理；掌握步進(jìn)電機(jī)的基本功率驅(qū)動(dòng)電路原理和細(xì)分驅(qū)動(dòng)原 理。掌握直流伺服電機(jī)特性和調(diào)速原理；掌握直流伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)調(diào)速方法；掌握直流 伺服系統(tǒng)組成的基本原理。掌握交流伺服電機(jī)特點(diǎn)及其調(diào)速方法；掌握變頻調(diào)速裝置的基本原理；了解交流伺 服系統(tǒng)組成的基本原理；了解交流伺服電機(jī)的矢量控制。本章主要內(nèi)容:5.1伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述5.2常用伺服執(zhí)行元件直流電機(jī)5.4步進(jìn)電機(jī)5.5 交流電機(jī)5.6步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與交流伺服電機(jī)的性能比較本章重點(diǎn):步進(jìn)電機(jī)、交直流伺服電機(jī)的控制與驅(qū)動(dòng)。伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本章難點(diǎn):1 .伺服電機(jī)的選擇與校核第六章控制系統(tǒng)模型教學(xué)目的與要求:1

5、 .掌握控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的作用和建立方法掌握掌握控制系統(tǒng)的搭建與PID控制算法掌握工程中運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的建模方法本章主要內(nèi)容:6.1數(shù)學(xué)模型6.2控制系統(tǒng)與PID算法運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)6.4機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)模型本章重點(diǎn):1 .機(jī)電一體化系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立PID控制算法及其參數(shù)的調(diào)節(jié)機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立與分析本章難點(diǎn):PID控制算法及其參數(shù)的調(diào)節(jié)第七章工業(yè)控制計(jì)算機(jī)及其接口教學(xué)目的與要求:了解機(jī)電系統(tǒng)中幾種控制計(jì)算機(jī)及其特點(diǎn)了解計(jì)算機(jī)硬件間的數(shù)據(jù)通信方式掌握計(jì)算機(jī)接口的工作原理與使用方法本章主要內(nèi)容:7.1工業(yè)控制計(jì)算機(jī)7.2計(jì)算機(jī)控制接口技術(shù)7.3計(jì)算機(jī)控制接口設(shè)計(jì)7.4應(yīng)用實(shí)例一溫度測(cè)量

6、系統(tǒng)本章重點(diǎn):1 .計(jì)算機(jī)硬件間的數(shù)據(jù)通信方式計(jì)算機(jī)接口的工作原理與使用方法本章難點(diǎn):1 .計(jì)算機(jī)接口的工作原理與使用方法二、討論課討論課的目標(biāo):通過基于團(tuán)隊(duì)的學(xué)生上臺(tái)講演和課程討論這種體驗(yàn)式教學(xué)方式，加深對(duì)機(jī)電系統(tǒng) 的基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)踐能力的培養(yǎng)，并在溝通能力、團(tuán)隊(duì)合作能力等方面得到鍛煉；得到初步的查閱文獻(xiàn)、閱讀相關(guān)技術(shù)資料和調(diào)查研究能力的鍛煉；了解汽車各部分機(jī)電一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理；進(jìn)一步深入了解工程實(shí)踐。討論課的內(nèi)容:討論內(nèi)容分為以下兩個(gè)主題：主題一：機(jī)電系統(tǒng)構(gòu)成及關(guān)鍵技術(shù)討論機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案，包括典型機(jī)電系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)思路、電氣系統(tǒng)的實(shí)施方案、 軟件流程設(shè)計(jì)和智能車機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)整

7、體方案。嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)，包括分析比較嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)典型的功能和特 點(diǎn)；重點(diǎn)分析單片機(jī)的選型及注意事項(xiàng)；比較C51和S51的區(qū)別；單片機(jī)的資源分配。機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制方案，包括典型機(jī)電一體化系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制方案的基本結(jié)構(gòu)；運(yùn) 動(dòng)控制系統(tǒng)的組成；對(duì)常用的一種運(yùn)動(dòng)控制方案進(jìn)行詳細(xì)分析。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括常用直流電機(jī)、交流電機(jī)的選擇；常用驅(qū)動(dòng)方案的分析比較。電機(jī)速度調(diào)制，包括常用交、直流電機(jī)主要調(diào)速原理；重點(diǎn)分析脈寬速度調(diào)制原理。路程檢測(cè)方案的設(shè)計(jì)分析，包括常見路程檢測(cè)傳感器元件的選擇，路程檢測(cè)的具體 實(shí)施萬案。障礙物探測(cè)方案的設(shè)計(jì)分析，包括常見障礙物探測(cè)傳感器檢測(cè)元件的選擇，障礙物 探測(cè)

8、的具體實(shí)施方案。機(jī)電系統(tǒng)的供電電源，包括常見機(jī)電設(shè)備的電源分析比較，電源的基本功能，整流 電源和開關(guān)電源的比較。主題二：汽車系統(tǒng)構(gòu)成與關(guān)鍵技術(shù)討論汽車電子控制點(diǎn)火系統(tǒng)，包括電子控制點(diǎn)火系統(tǒng)的特點(diǎn)，電子控制點(diǎn)火系統(tǒng)的基本 組成和電子控制點(diǎn)火系統(tǒng)工作原理。汽車電控自動(dòng)變速系統(tǒng)，包括自動(dòng)變速器與手動(dòng)變速器相比的優(yōu)缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)汽車無 級(jí)變速的方法和電控自動(dòng)變速器是實(shí)現(xiàn)變擋的方法。汽車傳動(dòng)系統(tǒng)，包括汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的組成及布置形式，自動(dòng)變速器的組成及其工作 原理和差速器的組成及其工作原理。汽油機(jī)電子控制供油系統(tǒng)，包括汽油機(jī)電子控制系統(tǒng)構(gòu)成及各部分的主要功能和節(jié) 氣門位置傳感器類型及其結(jié)構(gòu)主要區(qū)別。柴油機(jī)電子控

9、制供油系統(tǒng)，包括電控柴油噴射與傳統(tǒng)的機(jī)械方式相比的優(yōu)點(diǎn)、電控 柴油噴射系統(tǒng)的基本組成和電控噴射系統(tǒng)高壓泵的工作原理?；旌蟿?dòng)力汽車，包括混合動(dòng)力汽車布置形式及其特點(diǎn)，混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系 統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和燃料電池電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)類型及其組成。汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)（ESP），包括汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)的組成和汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)的工作 原理。廢氣渦輪增壓技術(shù)，包括 渦輪增壓的主要目的、渦輪增壓技術(shù)的工作原理和渦輪 增壓技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS），包括汽車ABS系統(tǒng)的系統(tǒng)組成、汽車ABS系統(tǒng)的工作 原理和汽車ABS系統(tǒng)的分類及優(yōu)點(diǎn)。汽車防撞系統(tǒng)，包括激光一單片機(jī)組合防撞系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及工作原理和激光

10、雷達(dá) 汽車自動(dòng)防撞微機(jī)控制系統(tǒng)的組成及工作原理。三、課程研究項(xiàng)目（三級(jí)項(xiàng)目）課程研究項(xiàng)目的目標(biāo):1、掌握智能自動(dòng)車的結(jié)構(gòu)、控制電子元器件組成及其工作原理；2、掌握傳感檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，掌握常用傳感器的原理和使用方法；3、掌握基本電路的原理圖和電路連線圖；4、掌握編程軟件的使用、仿真調(diào)試以及單片機(jī)程序的燒寫；5、掌握小型直流電機(jī)的選型、驅(qū)動(dòng)及控制方法；6、掌握單片機(jī)的選型及系統(tǒng)搭接方法；7、掌握智能車的控制方法；8、掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制作和調(diào)試方法。課程研究項(xiàng)目的內(nèi)容:本學(xué)期的課程研究項(xiàng)目名稱：智能車的設(shè)計(jì)與制作。主要內(nèi)容包括：（1）智能車本體各模塊設(shè)計(jì)；（2）電路板焊接、測(cè)試；（3）

11、編程仿真軟件學(xué)習(xí)和程序燒寫軟件學(xué)習(xí)；（4）練習(xí)數(shù)碼管顯示編程；（5）練習(xí)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)；（6）練習(xí)脈寬速度調(diào)制；（7）練習(xí)紅外避障模塊；（8）練習(xí)紅外循跡模塊；練習(xí)測(cè)速模塊；練習(xí)測(cè)距模塊；多功能綜合練習(xí)和擴(kuò)展練習(xí)。四、應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容:應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)課完全由學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)室提供的設(shè)備材料自主設(shè)計(jì)完成。實(shí)驗(yàn)一 “電梯的自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)”：熟練地掌握PLC的編程和程序調(diào)試方法；學(xué)生自主完 成基于PLC的四層樓電梯控制系統(tǒng)硬件線路設(shè)計(jì)與連接，進(jìn)一步熟悉PLC的I/O連接及與外 圍電路的實(shí)際接口連線；熟悉四層樓電梯采用轎廂外按鈕控制的編程方法，按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書 中提出的電梯運(yùn)行的控制要求，設(shè)計(jì)程序控制電

12、梯完成上下運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)二“基于PLC的數(shù)字量方式多段速變頻調(diào)速控制” ：了解變頻調(diào)速的基本原理及特 點(diǎn)；了解變頻器操作面板及外部控制端子的功能，畫出變頻器外部接線圖；掌握用操作面板 改變變頻器參數(shù)的步驟以及外部運(yùn)行模式下變頻器的操作方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流異步電機(jī)的調(diào) 速；進(jìn)一步熟悉PLC的編程，畫出設(shè)計(jì)的電梯控制梯形圖。實(shí)驗(yàn)三“融合組態(tài)軟件的液位實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)”：學(xué)生自己動(dòng)手組建一個(gè)水位監(jiān)測(cè)與控制 裝置，包括人機(jī)界面、PLC、進(jìn)水泵、電磁閥、傳感器等的硬件電路連接；以PLC作為控制 核心，通過PLC內(nèi)部的PID程序?qū)σ何桓叨冗M(jìn)行控制，使B容器中的液位可以維持在設(shè)定值 不變，液位誤差不超過土0.5cm；上

13、位機(jī)的監(jiān)控界面可以實(shí)時(shí)顯示液位狀況，記錄液位實(shí)際 高度的變化；液位超過18cm或低于3cm時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。實(shí)驗(yàn)四“機(jī)器人工件裝配的自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)”：利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的小型車銑床和尼龍棒等 材料，由同學(xué)自己設(shè)計(jì)并加工一組零件，放在工作臺(tái)不同位置，編程控制機(jī)器人手爪把兩個(gè) 零件裝配在一起；按照指導(dǎo)書中的控制要求，規(guī)劃機(jī)器人手爪行走軌跡，并設(shè)計(jì)PLC實(shí)驗(yàn)程 序；接通氣路，連接電路，下載FCT應(yīng)用程序到各軸控制器，下載STEP7應(yīng)用程序到PLC， 操作機(jī)器人完成裝配動(dòng)作。實(shí)驗(yàn)五“兩維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)組成及運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)” ：了解X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的工作原理 及機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，畫出運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)的結(jié)構(gòu)簡圖；自行完成X

14、-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、控制箱、PC機(jī) 及GT-400型運(yùn)動(dòng)控制卡之間的電路設(shè)計(jì)并連接；利用已學(xué)過的Visual Basic語言，針對(duì) GT-400運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)行面向單軸控制的程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)GT-400運(yùn)動(dòng)控制卡控制軸尋址、控 制軸運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、伺服濾波及參數(shù)更新等。通過P、I、D參數(shù)設(shè)定，速度、加速度及位置參數(shù) 設(shè)定，來實(shí)現(xiàn)GT-400型運(yùn)動(dòng)控制卡兩軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)程序設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)六“伺服電機(jī)控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)”:自行設(shè)計(jì)一個(gè)直流伺服電機(jī)電樞控制系統(tǒng)模型;建立直流伺服電機(jī)電樞控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，寫出控制系統(tǒng)相應(yīng)的傳遞函數(shù);初步掌握MATLAB 的使用，根據(jù)直流伺服電機(jī)的傳遞函數(shù)，在Simulink中應(yīng)用Transfer Fcn模塊構(gòu)建模型圖;對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并修改控制參數(shù)，對(duì)多組仿真結(jié)果進(jìn)行比較分析。實(shí)驗(yàn)七“公交車語音報(bào)站系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”：設(shè)計(jì)一個(gè)公交車報(bào)站系統(tǒng)，選擇芯片并完成 各芯片與CPU及各芯片之間的連接電路；要求能夠?qū)崿F(xiàn)20秒錄放音長度，可分1 160段錄 放音片段，具有掉電存儲(chǔ)功能；要求可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)控制，其中手動(dòng)控制方式通過按鍵 REC錄音和按鍵PLAYE、PLAYL放音，自動(dòng)控制方式通過8個(gè)按鍵控制錄、放音：14號(hào)鍵 錄音各5秒；然后通過58號(hào)鍵放音，放音內(nèi)容順序?qū)?yīng)14號(hào)鍵的錄音內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)八“計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)分析”:采用