机电一体化系统设计考试大纲教材.docx

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机电一体化系统设计考试大纲教材

《机电一体化系统设计》（2245）自学考试大纲

一、课程的性质、设置目的以及基本要求

（一）课程的性质与设置目的

1、课程性质

《机电一体化系统设计》是从系统的观点出发，利用机械技术和电子技术，通过机电有机结合构造最佳的机电系统。

随着计算机和信息技术的不断发展，作为一种集成系统的机电一体化产品与日俱增，在国民经济各行业、日常生活中扮演着越来越重要的角色，因此这门课的开设是非常必要的。

《机电一体化系统设计》是一门多学科集成的科目，核心是机械工程、电子工程、信息工程以及控制工程。

所以这门学科具有综合性强、实践性强、应用性强的特点。

2、课程设置目的

本课程的开课目的在于使考生在已学过多门课程的基础上，能针对机电一体化系统，将有关知识结合起来，拓展系统设计的知识，并全面了解传统机电产品更新换代和新机电一体化产品研制开发的主要技术内容和方向，掌握必要的基本设计知识与技能。

（二）课程基本要求

本课程强调知识结构系统性和教学体系完整性的统一，使学生对机电一体化技术有较全面的认识，比较系统地掌握机电一体化系统各元部件的选择计算和总体设计的基本理论和方法，初步具备机电一体化系统的设计能力。

教学的基本要求包括：

1、了解机电一体化系统的基本概念以及相关的名词术语。

理解机电一体化系统中各结构要素在系统中的作用和相互关系，初步建立机电产品的系统化设计思想。

2、了解机电一体化系统中各个主要部件的工作原理，理解各种部件的性能与功能，掌握它们设计选型原则和方法。

3、了解步进电动机运动控制系统的组成。

理解步进电动机的工作原理和分类、矩角特性。

理解步进电动机的运动控制方法，其中包括脉冲功率放大器。

脉冲分配器、运动控制指令生成原理和方法。

4、了解闭环伺服系统的工作原理和方案。

掌握闭环伺服系统的电流环，速度环及位置环等三个环路的组成。

理解闭环伺服系统的主要性能指标及分析方法。

了解控制器中比例、积分及微分等三个增益系数对系统性能的影响。

5、了解机器运动控制指令生成的基本原理和方案。

了解数字微分分析仪器生成直线和圆周运动控制指令的方法。

理解直线运动控制指令插补原理。

6、了解基于可编程序逻辑控制器的顺序控制系统的工作原理。

理解不同类型顺序控制系统逻辑表示方法。

初步掌握逻辑编辑器基础知识和顺序控制逻辑设计技术

（三）本课程与相关课程的联系

本课程是一门集合多学科的课程，包含了许多方面的技术基础知识，其中主要的有机械、电子、计算机、检测及控制等。

先修课程应包括《机械设计技术基础》、《模拟、数字及电力电子技术基础》、《传感器与检测技术》、《工业用微型计算机》、《计算机软件技术基础》以及《机械控制工程基础》。

为保证课程学习及教学的完整性，本课程应进行相应的试验与参观。

以便了解本课程所学内容在机电一体化产品中的实际应用。

本课程的重点是机电一体化系统方案的选择、各种主要部件的选型、系统性能指标分析以及系统硬件与软件设计。

本课程难点是机械工程、电子工程及信息与控制技术的综合集成方法和技术，特别是有关动态系统建模、性能指标分析、控制器设计，以及系统硬件与软件实现问题。

二、课程内容与考核要求

第一章概论

一、学习目的与要求

通过本章的学习，了解机电一体化系统的发展过程以及系统的基本概念，相关名词及术语。

通过典型机电一体化系统的实例理解机电一体化系统模块式的结构，掌握各个模块的定义、功能及性能要求。

理解机电一体化系统设计指标和评价准则，对系统功能、性能指标、使用条件及经济效益等诸多方面的要求有全面的认识。

掌握机电一体化系统设计思想和方法，始终贯彻机械与电子紧密结合的原则。

了解机电一体化设计的全过程，理解由需求分析到详细设计的各个阶段的工作内容和要求，树立“设计—制造—试验”需要反复进行才能得到满意最终产品的思想。

二、本章知识点

第一节机电一体化系统的发展及其基本概念

1、机电一体化系统的发展过程

2、机电一体化系统的基本概念：

系统、机电一体化、机电一体化系统和系统的数学模型

第二节典型机电一体化系统

1、典型机电一体化系统的几种形式：

机械关节伺服系统、数控机床、工业机器人、自动引导车、顺序控制系统、柔性制造系统、计算机集成制造系统、微机电系统

第三节系统结构与模块

1、典型机电一体化系统功能模块的构成：

机械受控模块、测量模块、驱动模块、通信模块、微计算机模块、软件模块、接口模块

2、典型机电一体化系统组成模块的作用

第四节设计依据与评价标准

1、设计指标和评价标准的矛盾统一性

2、机电一体化系统设计依据与评价标准主要包括：

系统功能、性能指标、使用条件、社会经济效益

第五节设计思想与方法

1、系统的设计思想方法的原理和主要包括的内容

2、机电融合的设计思想贯穿“机”与“电”的关系

3、机电一体化系统中注重创新的设计思想

第六节设计过程

1、进行市场调研、需求分析和技术预测

2、概念设计的思想及主要特性

3、可行性分析

4、设计任务书的编制及在总体技术指标中必须强调指出的15项基本信息

5、方案设计的内容

6、方案设计评估与优化指标

7、详细设计和参数核算

8、完成全部文件

三、重点难点

重点：

机电一体化的涵义；机电一体化系统的分类；机电一体化系统中各主要模块的技术要求；机电一体化的设计思想；机电一体化系统设计过程各个阶段的主要工作内容

难点：

机电一体化系统设计思想中要始终贯彻机电融合的思想；机电一体化系统设计过程的各阶段的意义

四、应用

给出典型机电一体化产品的一个自由度（如机器人一个运动关节、数控机床一个伺服轴等），能够绘制出系统模块式框架结构图；够结合典型机电一体化产品写出设计任务书中的主要技术性能指标；够结合典型机电一体化产品写出设计过程的各个阶段，并标注每一阶段应得到的设计结果。

第二章机械受控模块

一、学习目的与要求

通过本章的学习使考生理解常用机械传动装置的结构和工作原理；从系统的高度理解机械传动装置与支撑导向部件在机电一体化系统中的重要作用；理解机械结构模块化在机电一体化系统中应用；了解各种滚动和滑动摩擦支承轴系与导轨的机构和工作原理；了解支撑件的作用与功能；了解为了满足系统级的性能指标，对机械传动装置和支撑导向部件提出基本要求，并能正确选择器主要性能指标和结构参数；了解机械结构模块的动力学模型；掌握机电一体化系统对机械结构模块的主要性能指标要求。

二、本章知识点

第一节齿轮系及蜗杆副

1、齿轮的分类以及根据各种齿轮的特点进行选用

2、齿轮系传动比最佳分配条件及最小等效转动惯量原则

3、齿轮副间隙的消除方法

第二节滚珠丝杠螺母副

1、结构类型的两种分类

2、传动刚度的计算

3、间隙的消除及预紧方法

4、四种结构的支撑形式

第三节谐波齿轮减速器

1、工作原理及结构

2、谐波齿轮的传动特点以及与其他齿轮传动的性能比较

3、实验法估算传动刚度

4、谐波齿轮传动速比及柔轮直径的计算

5、谐波齿轮减速器的选用

第四节轴系

1、滚动摩擦支撑轴系：

标准滚动轴承主轴单元和密集滚珠轴承的数字式光栅分度主轴系统的结构和负载原理

2、滑动摩擦支撑轴系：

液体动压支撑、气体动压支撑、液体静压支撑及气体静压支撑的原理

第五节导轨及支撑件

1、导轨的分类

2、滚动导轨的结构、工作原理及非循环式滚动导轨的设计计算

3、阻尼对导轨的影响

4、支撑件的组成及功能

第六节并联机构

1、并联机构的概念及相对于串联机构的优缺点

第七节数学模型和设计要求

1、数学模型：

广义执行机构的运动方程式和广义执行机构的动力学方程式

2、参数设计的要求

三、重点难点

重点：

齿轮系的选用；传递动力和运动，变换运动形式；齿轮副的间隙消除和预紧方法；齿轮传动的最佳速比条件；滚珠丝杠螺母副的间隙消除和预紧方法；液压轴承和气动轴承工作原理；导轨阻尼的作用；支撑件的功能和设计要求；并联机构的特点；机械传动装置的动力学模型需要考虑的参数；机械结构模块的主要性能要求；使转动惯量成为最小的最佳速比分配条件；主动轴和从动轴之间转动惯量、阻尼、弹性刚度的折算关系

难点：

谐波齿轮出动速比及柔轮直径计算；非循环式滚动导轨的设计计算；主动轴和从动轴之间转动惯量、阻尼、弹性刚度的折算关系

四、应用

齿轮系传动技术和每级速比的选择

第三章测量模块

一、学习目的与要求

通过本章的学习使考生了解传感器在机电一体化系统中的“感官”作用；掌握机电一体化系统对传感器的基本性能要求，其中包括静特性和动特性。

理解机电一体化系统中常用的位移传感器、速度传感器、加速度传感器、霍尔式电流传感器基本工作原理与选用。

掌握几种基本信号调理电路，如前置放大器、滤波电路、交流载波测量电路。

掌握增量式光电编码传感器常用的辨向和细分电路。

了解计算机数据采集系统的组成和工作原理。

二、本章知识点

第一节机械量传感器分类

1、传感器的分类

2、传感器的发展特点

第二节性能指标

1、传感器的工作特性

2、传感器的静态特性

3、传感器的动态特性

4、传感器的性能要求和改善措施

第三节位移传感器

1、旋转变压器的结构和工作原理

2、感应同步器的工作原理和分类

3、增量式光电编码器的原理和波形分析

4、光栅的组成和工作原理

第四节速度传感器

1、直流测速发电机的原理、特点

2、码盘式转速传感器

第五节加速度传感器

1、加速度传感器的数学模型

2、加速度传感器的分类

3、微加速度传感器的结构

第六节力、转矩和压力传感器

1、电阻应变式传感器的应用

2、压阻式传感器的工作原理

3、压电式传感器的工作原理

4、电容式传感器的工作原理

5、电感式传感器的工作原理

第七节霍尔式电流传感器

1、工作原理和特性

2、霍尔电流传感器的检测方式及检测方法

第八节信号调理电路

1、前置放大器：

电压跟随器、电荷放大器和仪表放大器的原理与特点

2、滤波电路

3、交流载波测量电路

第九节数据采集系统

1、调理后信号的分类和数据采集系统的主要组成部分

2、数据采集系统对多路开关的要求及几种多路开关

3、模数转换器（A/D）的工作原理、主要指标和主要技术性能

4、采样保持器的工作原理

5、数据采集系统

三、重点难点

重点：

传感器在机电一体化系统中的作用；机械测量传感器以及霍尔式电流传感器的工作原理；辨向、细分电路在增量式编码传感器中的应用；改善传感器性能的一般措施，动态时域指标和频域指标关系；交流载波测量电路原理；转速数据采集系统工作原理；转角数据采集系统工作原理

难点：

机械测量传感器以及霍尔式电流传感器的工作原理及相应的公式计算；分析滤波电路

四、应用

针对某一机电系统，提出对传感器的基本性能要求；根据给定传感器选用前置放大电路；能分析由运算放大器组成的低通滤波、带通滤波器；根据某一机电一体化系统设计要求，能正确选择位移传感器类型及相应的信号调理电路；正确选择速度传感器类型及相应的信号调理电路；正确选择所用A/D转换器及工业用微型计算机类型

第四章电机及其驱动电路

一、学习目的与要求

通过本章的学习使考生了解电动机的分类；掌握机电一体化系统中最常用的几种电动机的工作原理、结构、特性及控制方法。

了解这些电动机的驱动电路原理和组成；掌握直流伺服电动机的工作原理、特性方程及驱动电路；了解交流异步电动机的变频调速原理与特性；正确选用电动机的类型、参数和驱动电路

二、本章知识点

第一节电动机基本知识

1、电动机的驱动及分类

2、各类电动机的特点

第二节直流电动机

1、直流电动机的工作原理与结构

2、直流电动机的静态和动态特性

3、直流电动机的驱动电路：

线性直流功率放大器和PWM功率放大器的工作原理

第三节永