机电一体化 教案.docx
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机电一体化教案
浙江信息工程学校教案纸
（1）
施教日期2010年9月3日星期五
章节与课题
第一章机电设备概念
课型
新授课
教时
2
教学目标
1．了解机电设备由来；
2．掌握机电一体化概念；
3．实例1—自动照相机；
4.实例2—-ZP-1型机器人；
教学重点：
机电一体化设备的概念
教学难点：
机电一体化技术的概念
教具（工量具）准备：
PPT
浙江信息工程学校教案纸
（2）
板书设计：
第一章机电一体化设备
一、机电设备发展史
1.20世纪60年代前为第一阶段
2.70年代到80年代为第二阶段
3.90年代后期开始为第三阶段
二、机电一体化基本概念
机电一体化主要是机和电融合为一体，绝不是两者简单相加。
三、例题
1.zp-1型机器人装配系统
2.数控机床
教学后思：
通过对机电一体化设备发展时的讲解，大多数学生能体会到国外科技的飞速发展，希望能有一天赶超国外，同时对自己的专业也有了系统的认识，增强了自信心。
机电一体化设备涉及的相关知识还没有全部学过，对学习这门课有一定难度。
但对于新知识并且是先进的知识，大家都表示出了浓厚的兴趣。
浙江信息工程学校教案纸（3）
第1-2教时
步骤
用时
教师活动
学生活动
备注
新课
引入
新课
讲授
小结
作业
5
5
20
30
5
5
提问:
1.本专业是什么专业？
机电一体化专业
2.什么是机电一体化？
引入“机电一体化”的概念
Mechanics（机械学）和electronics（电子学）结合，构成Mechatronics（机电一体化）。
一、机电一体化设备的由来
讲述：
由传统的机电设备发展而来，早在40多年前有美国人发明了第一台机器人。
1.20世纪60年代前为第一阶段，“萌芽阶段”工程师们自觉或者不自觉地把机械产品和电子技术相结合，以提高机械产品的性能。
但是由于电子技术的发展相对落后，使得机械与电子的结合还没有得到广泛的应用。
2.70年代到80年代为第二阶段，“蓬勃发展阶”
计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一体化的发展奠定了技术基础这个时期的特点是：
①mechatronics一词首先在日本被普遍接受，大约到20世纪80年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认；
②机电一体化技术和产品得到了极大发展；
③各国均开始对机电一体化技术和产品给以很大的关注和支持。
3.90年代后期开始为第三阶段，“智能化阶段”
①光学、通信技术等进入了机电一体化，微细加工技术也在机电一体化中崭露头脚，出现了光机电一体化和微机电一
体化等新分支；
②对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法，机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。
③由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步，为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地。
这些研究，将促使机电一体化进一步建立完整的基础和逐渐形成完整的科学体系。
二、机电一体化的概念
提问：
各个学科的关系
机电一体化
板书：
机电一体化主要是机和电融合为一体，绝不是两者简单相加。
分析学生的例子，点评同学对例子的分析情况。
让同学自己给机电一体化在定义。
三、两个例子
1.zp-1型机器人装配系统
2.数控机床
小结
1.机电一体化设备的定义；
2.机电一体化设备的特点
作业布置
1．什么是现代机电设备（机电一体化）？
2.机电一体化设备的组成要素？
让学生认识本专业，激发学习兴趣
笔记
听讲
感悟对机电一体化设备的整体认识
笔记
学生画各个学科的关系图
请学生举例，再请其他同学对例子进行分析
通过该图让学生自己揣测机器人的工作过程，各抒己见，畅所欲言。
通过该图让学生自己回忆数控车床的工作过程，分析要完成特定数控功能需要哪些部件。
提高学生的分析能力
必答题
必答题
浙江信息工程学校教案纸
（1）
施教日期2010年9月6日星期一
章节与课题
第一章机电设备的基本要素及特点
课型
新授课
教时
1
教学目标
1．掌握机电设备的基本组成要素；
2．了解各组成要素的特点；
3．理解机电设备对其基本要素的要求；
4．机电设备的特点；
5．机电设备的发展趋势；
教学重点：
机电一体化设备的基本组成要素
教学难点：
机电一体化设备与普通机电设备有什么不同
教具（工量具）准备：
PPT
浙江信息工程学校教案纸
（2）
板书设计：
第一章机电设备的基本要素及特点
一、机电一体化设备的组成
1.机械本体
2.检测及传感器
3.控制与信息处理单元
4.执行机构
5.接口
二、机电一体化设备的特点
1.体积小、重量轻
2.工作精度高
3.可靠性、灵敏度高
4.柔性：
具有可替换性
三、发展趋势
1.高性能化：
高速度、高精度、高效率和高可靠性
2.智能化趋势
3.系统化
4.轻量化
教学后思：
大部分同学可以通过老师对人体和机器人的对比分析，总结出现代机电设备的组成要素，有一定独立思考能力。
通过对机电设备发展方向的了解，同学一直肯定自己所学专业。
浙江信息工程学校教案纸（3）
第1教时
步骤
用时
教师活动
学生活动
备注
新课
引入
新课
讲授
小结
作业
5
（5）
（5）
（4）
（3）
（3）
（5）
（5）
3
2
作业点评：
1.给出“机电一体化”的概念
引入：
机电一体化技术是在机械的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进了电子技术，并将机械装置和电子设备以及软件等有机结合起来构成系统。
一、机电一体化设备的组成
板书：
以人体为例，引导学生对机电一体化进行讲解，启发、引导学生从感性认识到理性认识
1．机械本体——如同人的骨骼
板书：
机械本体包括机械传动装置和机械结构装置。
功能：
构造系统的各个系统、零部件按照一定的空间和时间关系安置在一定的位置上，并保持特定关系。
（1）连接固定；
（2）实现特定功能；
（3）载体；
（4）影响整体的性能好坏。
要求：
（1）稳定
（2）精密
（3）可靠
（4）轻巧
（5）实用美观
发展：
高效、多功能、可靠、节能、小型化、轻量等
2．检测及传感器——人的眼、耳等
专门的传感器和仪器仪表组成
板书：
功能：
（1）检测
（2）转换、识别
（3）传输到控制单元
要求:
（1）快速、准确获得信息
发展：
（1）新材料的诞生，比如光导纤维
（2）精度不断其高
趋势：
（1）集成化
（2）智能化
运用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。
3．控制与信息处理单元——人的大脑
板书：
是核心单元，由计算机、PLC、数控装置和逻辑电路组成。
功能：
对信息进行集中、存储、分析、加工，根据信息处理结果，发出控制信号。
要求：
满足控制要求。
4.执行机构——人的手、脚
板书：
（1）驱动单元
在控制信号作用下，驱动执行单元完成各种动作和功能。
要求：
高频、快速响应，可靠具有适应性。
（2）动力单元
提供能量和动力保证系统正常运行。
用尽可能小的动力输入获得尽可能大的功率输出。
（3）执行单元
是运动部件
功能：
根据指令完成要求动作
方式：
机械、电磁、电液等
要求：
提高刚性、减轻重量、标准化、系列化、组件化
5．接口
保证各个子系统之间顺利进行物质、能量和信息的传递和交换，在各个要素和子系统的相接处具备一定的连接部件，为接口。
功能：
连接各个子系统
（1）变化
（2）放大
（3）传递
二、机电一体化设备的特点
1.体积小、重量轻
2.工作精度高
3.可靠性、灵敏度高
4.柔性：
具有可替换性
三、发展趋势
1.高性能化：
高速度、高精度、高效率和高可靠性
2.智能化趋势
3.系统化
4.轻量化
小结
小结机电一体化的构成为主要内容
作业布置
1．传统机电设备和机电一体化设备有什么不同？
2.机电一体化设备发展方向是什么？
3.什么是柔性？
FMS是什么？
从教师举例对机电一体化技术的总结中得出，让学生充分发挥自主性，分析机电一体化的结构组成
笔记
听讲
感悟对机电一体化设备的整体认识
笔记
通过对机械本体的介绍，自我总结机电一体化设备机械本体的要求
通过对机械本体要求的介绍揣测一下未来的发展方向
笔记
通过对检测装置的介绍，感悟机电一体化对检测装置的要求
让学生自己设想未来传感器的发展趋势
请学生举例
笔记
根据定义在生活中找出接口的实例
通过上诉学习由学生总结机电一体化的特点
让学生充分了解机电一体化专业的发展前景，增强学习兴趣和动力，提高增强学习兴趣
巩固课堂学习
提高题
浙江信息工程学校教案纸
（1）
施教日期2010年9月6日星期一
章节与课题
第二章机电一体化中机械系统部件的选择
——齿轮传动1
课型
新授课
教时
1
教学目标
1.掌握机械系统的组成；
2.了解传动机构的种类和特点；
3.掌握传动机构的基本要求；
4.了解齿轮机构的特点；
5.掌握齿轮传动副的传动比；
教学重点：
1.传动机构的基本要求
2.齿轮传动副的传动比
教学难点：
1.齿轮副的传动比
教具（工量具）准备：
PPT、齿轮
浙江信息工程学校教案纸
（2）
板书设计：
第二章机械系统部件以及齿轮基本知识
一、机械系统的基本组成
1．传动机构
2．导向机构
3．执行机构
二、传动机构的种类
齿轮传动机构、滚珠丝杠副、滑动丝杠副、同步带传动副、间隙机构、扰动传动机构
三、传动机构的特点
1.基本要求
2.用途
3．机电一体化机械传动部件的发展方向
四、基本要求
1.刚度
2.抗振性好、稳定性高、间隙小。
3.传动机构的质量和转动惯量应尽可能小。
五、机械传动系统的特性
1.传动惯量
2.摩擦
3.阻尼
4.刚度
5.谐振频率
六、齿轮传动副
啮合传动比：
齿轮传动的基本要求
教学后思：
学生对新知识的接受能力比较强，但讲齿轮传动副时之前，通过对齿轮知识的复习，发现我们学生对知识学习的还不够扎实，在一定程度上会影响新知识的吸收。
在以后的课堂讲学中还要不断复习以前的知识。
采用PPT通过彩色画面的显示，对学生视觉上有一定刺激，可以吸引学生的注意力。
浙江信息工程学校教案纸（3）
第1教时
步骤
用时
教师活动
学生活动
备注
新课
引入
新课
讲授
小结
作业
5
（1）
（3）
（3）
（3）
（5）
（15）
3
2
机电一体化的机械系统部件是实现机电一体化功能的载体：
提问引入：
1.想象一下如果把人体比喻成机电一体化系统，那么对于“人体”来说，机械系统如同人的骨骼，作为“骨骼”,机械系统要具有哪些特性？
特性:
精度高、动态响应快、稳定性好等。
2.通过以往的实训，回忆一下你看到的机床机械系统装置有哪些？
减速装置、丝杠螺母副、涡轮蜗杆副、连杆机构、凸轮机构、导向支承部件、旋转机构、轴系及架体等。
一、机械系统的组成
板书：
1．传动机构
2．导向机构
3．执行机构
二、传动机构的种类
列举齿轮、滚珠丝杠等让学生分析传动机构意义
总结：
传动机构是为了传递力/转矩和速度/转速——力/转矩、速度/转速变换器。
种类：
讲授：
齿轮传动机构、滚珠丝杠副、滑动丝杠副、同步带传动副、间隙机构、扰动传动机构等。
三、传动机构的特点
讲授：
传动机构主要作用或目的——使执行元件与负载之间在转矩和转速方面达到合理（最佳）的匹配。
1.基本要求——传动间隙小、精度高、体积小、重量轻、运动平稳、传动转矩大。
2.可按传动部件的用途——工作机或信息机的主要功用而确定目标指标和参量。
3.机电一体化机械传动部件的发展方向——精密化，高速化，小型化，轻量化。
机械本体包括机械传动装置和机械结构装置。
四、基本要求
板书：
1.刚度：
是使弹性件产生单位变形量所需的作用力。
提问：
你希望刚度越小越好？
总结：
刚度越大，伺服系统动力损失越小；固有频率越高；闭环系统越稳定。
2.抗振性好、稳定性高、间隙小。
3.传动机构的质量和转动惯量应尽可能小。
五、机械传动系统的特性
板书：
1.转动惯量：
刚体绕轴转动惯性的度量。
又称惯性距、惯性矩（俗称惯性力距、惯性力矩）
其数值为J=∑mi*ri^2，式中mi表示刚体的某个质点的质量，ri表示该质点到转轴的垂直距离。
2.摩擦
列举现象数控系统产生的现象，让学生分析产生这些现象的原因。
滑动摩擦导轨易产生爬行现象，低速运行稳定性差；
滚动摩擦导轨和静压摩擦导轨不产生爬行，但会在运动中产生超程。
3.阻尼
4．刚度
5.谐振频率
六、齿轮传动副
复习回顾：
（板书）
啮合传动比：
n1/n2=z2/z1（n转数）
齿轮传动的基本要求
1.传动准确平稳，以免产生冲动、振动和噪声；
2.承载能力强，抵抗破坏的能力强，工作寿命长；
3.齿轮采用锻钢；尺寸大，结构比较复杂的齿轮多采用铸钢或球墨铸铁；
4.配对齿轮、小齿轮受力及磨损较大，高于大齿轮20-50HBS布氏硬度；
5.一般中、低速齿轮采用45钢、45Mn2等，调质后加工使用，齿轮硬度HBS<350；
6.中、高速的载重齿轮，齿面硬度HBS>350，可用中碳钢。
小结
1.传动机构；
2.齿轮的基本内容。
作业布置
1．机电一体化系统中的机械系统有哪三大部分组成？
2.齿合传动比是如何计算的？
3.什么是刚度？
结合学生过去的学习情况，列举机械系统部件，帮组学生结合本节课回忆，让实物与理论相结合。
笔记
听讲
让学生联系实习经历，例举几种传动机构
笔记
要求学生根据机电一体化设备的要求，自述传动机构的特点，体会传动机构的给整个体电路一体化设备带来的作用
笔记
掌握现代生产对现在机电设备的要求
讨论；笔记
体会机械传动系统的特点，掌握重要的物理量
学生通过现象分析
原因
笔记
与老师结合实际，一起回顾齿轮的相关知识
笔记
巩固课堂知识
提高题
必答题
浙江信息工程学校教案纸
（1）
施教日期2010年9月10日星期五
章节与课题
第二章机电一体化中机械系统部件的选择
——齿轮传动2
课型
新授课
教时
2
教学目标
1.了解齿轮副级数的确定和多级传动比的分配原则；
2.掌握直齿圆柱齿轮传动机构的消隙方法；
3.掌握斜齿圆柱齿轮传动机构的消隙方法；
4.掌握齿轮齿条传动的消隙方法。
教学重点：
1．直齿圆柱齿轮传动机构、斜齿圆柱齿轮传动机构、齿轮齿条传动的消隙方法。
教学难点：
1.直齿圆柱齿轮传动机构、斜齿圆柱齿轮传动机构、齿轮齿条传动的消隙方法。
教具（工量具）准备：
PPT
浙江信息工程学校教案纸
（2）
板书设计：
第二章2.2.4机械系统部件——齿轮传动
一、齿轮传动副
1.外啮合2.内啮合
二、齿轮副级数的确定和多级传动比的分配原则
1.最小等效传动惯量原则
2.质量最小原则
3.输出轴的转角误差最小原则
三、直齿圆柱齿轮传动机构的消隙方法
1.偏心轴套调整法
2.锥度齿轮调整法
3.双片薄片齿轮错齿条调整法
四、斜齿轮圆柱齿轮传动
1.轴向垫片调整法2.轴向压簧调整法
五、齿轮齿条传动
1.传动负载小时，采用薄片齿轮调整法
2.传动负载大时，采用双厚齿轮传动的结构。
教学后思：
通过上节课的复习，学生对齿轮传动副的知识掌握还是比较理想的，尤其在老师强调齿轮的消隙比较重要的情况下，大部分同学都能认真对待传动机构的消隙方法。
浙江信息工程学校教案纸（3）
第1-2教时
步骤
用时
教师活动
学生活动
备注
新课
引入
新课
讲授
小结
作业
5
（2）
（3）
（30）
（20）
（20）
5
5
复习：
作业评讲
引入：
齿轮传动是机电一体化系统中使用最多的机械传动装置，主要原因是齿轮传动的瞬间传动比为常数，传动精确，且强度大，能承受重载，结构紧凑，摩擦力小，效率高。
一、齿轮传动副
PPT演示
外啮合齿轮传动
内啮合齿轮传动
二、齿轮副级数的确定和多级传动比的分配原则
板书：
1．最小等效传动惯量原则；
“前小后大”
二级齿轮副的传动：
2．质量最小原则；
3．输出轴的转角误差最小原则。
三、直齿圆柱齿轮传动机构的消隙方法
讲授、PPT演示：
1.偏心轴套调整法
让学生观察图中1位置有什么特别之处，引导发现原理：
将相互啮合的一对齿轮中的一个齿轮4装在电机输出轴上，并将电机2安装在偏心套1（或偏心轴）上，通过转动偏心套（偏心轴）的转角，就可调节两啮合齿轮的中心距，从而消除圆柱齿轮正、反转时的齿侧间隙。
特点是结构简单，但其侧隙不能自动补偿。
2.锥度齿轮调整法
总结学生的分析，给出自己的观点
齿轮1和2相啮合，其分度圆弧齿厚沿轴线方向略有锥度，这样就可以用轴向垫片3使齿轮2沿轴向移动，从而消除两齿轮的齿侧间隙。
装配时轴向垫片3的厚度应使得齿轮1和2之间既齿侧间隙小，运转又灵活。
3.双片薄片齿轮错齿条调整法
让学生假设此种工作方式，分析如何运作才是合理的方式
这种消除齿侧间隙的方法是将其中一个做成宽齿轮，另一个用两片薄齿轮组成。
采取措施使一个薄齿轮的左齿侧和另一个薄齿轮的右齿侧分别紧贴在宽齿轮齿槽的左、右两侧，以消除齿侧间隙，反向时不会出现死区。
总结学生分析的结果，给予评价，激励学生发言。
四、斜齿轮圆柱齿轮传动
讲授、PPT演示：
1.轴向垫片调整法
消除斜齿轮传动齿轮侧隙的方法与上述错齿调整法基本相同，也是用两个薄片齿轮与一个宽齿轮啮合，只是在两个薄片斜齿轮的中间隔开了一小段距离，这样它的螺旋线便错开了。
2.轴向压簧调整法
五、齿轮齿条传动
讲授：
1.传动负载小时，采用薄片齿轮调整法
2.传动负载大时，采用双厚齿轮传动的结构。
小结
总结各种齿轮的消隙方法
作业布置
1．齿轮传动副有几种形式？
2.齿轮传动比的分配原则？
3.直齿圆柱齿轮有间隙如何调整？
让学生温故齿轮的基本知识，了解齿轮在机电一体化系统中的重要性。
听讲
笔记
听讲
让学生先分析偏心轴套如何起作用，激发学习热情
笔记
让学生先分析锥度齿轮调整法如何起作用，激发学习热情
笔记
让学生先分析双片薄片齿轮错齿条调整法如何起作用，激发学习热情
笔记
激励学生学习
要求学生根据要求分析调整方法
培养学生学习的能力
要求学生根据要求分析调整方法
培养学生学习的能力
巩固课堂知识
提高题
浙江信息工程学校教案纸
（1）
施教日期2010年9月13日星期一
章节与课题
第二章机电一体化中机械系统部件的选择
——滚珠丝杠副1
课型
新授课
教时
2
教学目标
1.了解滚珠丝杠副的工作原理；
2.了解滚珠丝杠副的特点及类型；
3.掌握滚珠丝杠副安装结构；
4.掌握滚珠丝杠的选用。
教学重点：
1．滚珠丝杠副安装结构；
教学难点：
2.滚珠丝杠副安装结构
3.滚珠丝杠的选用
教具（工量具）准备：
PPT
浙江信息工程学校教案纸
（2）
板书设计：
第二章2.2.5滚珠丝杠副
一、滚珠丝杠副的组成
1.滚珠丝杠副的组成
2.滚珠丝杠副的结构
（1）螺纹滚道型面
（2）循环方式
二、滚珠丝杠副的轴向间隙调整和预紧
1.双螺母螺纹预紧调整
2.双螺母垫片预紧调整
3.双螺母齿差预紧调整
4．弹簧式自动预紧调整
教学后思：
大部分同学可以通过PPT的形式掌握滚珠丝杠副的组成以及多种结构形式，在老师强调轴向间隙调整后也能重视对滚轴丝杠副安装注意。
最好的方式还是采用实物演示法，希望以后能有实验设备提供，让学生既可以通过理论了解事物，也可以通过实际操作巩固理论知识。
浙江信息工程学校教案纸（3）
第1-2教时
步骤
用时
教师活动
学生活动
备注
新课
引入
新课
讲授
小结
作业
5
（5）
（10）
（20）
（10）
（10）
（10）
（10）
5
5
复习：
作业评讲
引入：
除了齿轮传动副，在机械系统中滚珠丝杠副是在丝杠和螺母间以钢珠为滚动体的螺旋传动元件。
那么回顾滚珠丝杠副具有什么样的功能？
1.将旋转运动变成直线运动；
2.或将直线运动变成旋转运动。
一、滚珠丝杠副
1.滚珠丝杠副的组成
板书：
螺母
钢球
挡球器、反向器
2.滚珠丝杠副的结构
（1）螺纹滚道型面
1）单圆弧型面
结构简单，传递精度由加工质量保证，轴向间隙小，无轴向间隙调整和预紧能力，加工困难，加工精度要求高，成本高，一般在轻载条件下工作。
2）双圆弧型面
结构简单，存在轴向间隙，加工质量易于保证，在使用双螺母结构的条件下，具有轴向间隙调整和预紧能力，传递精度高。
（2）循环方式
1）外循环方式
插管式
端盖式外循环
2）内循环方式
二、滚珠丝杠副的轴向间隙调整和预紧
讲授：
消除和减小丝杠轴向间隙的主要方法：
主要分为双螺母螺纹预紧调整、双螺母垫片式预紧调整、双螺母齿差式预紧调整、弹簧式自动预紧调整、单螺母变导程预紧调整四种方式。
根据以前齿轮调隙的，结合滚珠丝杠副的特点在老师的引导下进行分析，最后总结
（一）双螺母螺纹预紧调整
老师分析，提示学生思考
（二）双螺母垫片预紧调整
总结学生分析中的优点、不足
（三）双螺母齿差预紧调整
总结学生分析中的优点、不足
（四）弹簧式自动预紧调整
总结学生分析中的优点、不足
小结
1.滚珠丝杠副的结构；
2.滚珠丝杠副的轴向间隙调整和预
升级会员 