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机电一体化教学设计
一、课程概述
机电一体化技术是机械工程、电子工程、控制理论、计算机技术等多学科交叉融合的产物，在现代工业自动化领域具有广泛应用。本课程旨在通过系统化的教学内容和实践活动，使学生掌握机电一体化系统的基本原理、设计方法和应用技能。
1.1教学目标
知识目标：理解机电一体化系统的组成要素、工作原理和关键技术
能力目标：掌握机电一体化系统的设计流程、建模方法和调试技巧
素质目标：培养系统思维、创新意识和工程实践能力
1.2教学对象
机械工程、自动化、电子信息等相关专业本科生（大二至大三）
1.3教学学时
总学时：64学时（理论32学时，实践32学时）
二、教学内容
2.1基础理论模块
2.1.1机电一体化系统概述
概念
定义
特点
机电一体化
机械系统与电子控制系统有机融合的技术体系
高精度、高效率、柔性化、智能化
模块化设计
将系统分解为若干功能模块进行独立设计和集成
便于维护、可扩展性强
系统集成
各功能单元的协调工作与整体优化
确保系统整体性能最优
关键公式：
系统性能指标=f(精度要求,响应速度,可靠性,成本)
2.1.2机械本体设计
运动学分析公式：
位置方程：x=f(θ?,θ?,...,θ?)
示例：二自由度机械臂的坐标变换矩阵
T=[cos(θ?)-sin(θ?)0L?cos(θ?);
sin(θ?)cos(θ?)0L?sin(θ?);
0010;
0001];
2.2核心技术模块
2.2.1驱动与传动技术
驱动方式
特性
适用场景
步进电机
精度高、成本适中
定位控制、中低速场合
伺服电机
高精度、响应快
高要求运动控制场合
直流无刷电机
功率密度大、控制简单
工业机器人、电动工具
电机选型计算：
所需扭矩T=J·α+F·r+T_loss
2.2.2检测与传感技术
传感器类型
测量参数
技术指标
编码器
角位移/直线位移
分辨率、精度、响应频率
压力传感器
压力
量程、精度、响应时间
温度传感器
温度
测量范围、精度、稳定性
信号处理公式：
滤波后信号x_f=x_t-α(x_t-x_p)(α为滤波系数)
2.3控制系统模块
2.3.1控制系统原理
PID控制算法：
y
控制框图：
+——++——++——+
测量|—-|比较器|—-|控制器|
+——++——++——+
???????????????|
+—————-+
2.3.2PLC应用
梯形图示例：
常开触点X0
功能块图：
+——–++——–+
启动按钮|—-|定时器|
+——–++——–+
2.4系统集成与设计
2.4.1设计流程
2.4.2设计案例
案例：基于PLC的物料搬运系统
模块
技术选型
参数设置
机械部分
气缸、滚珠丝杠
行程：500mm，精度：0.01mm
驱动部分
步进电机+驱动器
最大扭矩：5Nm
控制部分
S7-1200PLC
I/O点数：24/16
三、教学方法
3.1理论教学
采用”基础理论+案例分析”模式，每个知识点配以工业实例说明
教学活动：
课堂讲授：重点讲解核心概念和原理
案例分析：结合工业实际应用展开讨论
思考题：启发学生深入理解关键技术
3.2实践教学
3.2.1实验内容
实验项目
学时分配
技能培养
电机控制基础实验
4
驱动器参数设置、运动控制编程
传感器应用实验
4
信号采集、数据处理、特性测试
PLC控制实验
6
I/O配置、程序编写、系统调试
机电一体化系统集成实验
8
硬件连接、软件集成、系统联调
3.2.2实验设备
设备名称
主要功能
数量
PLC实验台
I/O扩展、控制程序开发
6台
伺服驱动与电机
精密运动控制
12套
传感器测试平台
多种传感器数据采集与处理
4套
工控机
系统监控、上位机编程
6台
四、考核方式
4.1考核组成
考核项目
比重
考核方式
平时成绩
20%
课堂参与、作业完成情况
实验报告
30%
实验数据记录、分析报告
期中考试
20%
理论知识闭卷考试
期末设计
30%
机电一体化系统设计项目
4.2设计项目要求
项目要求：
设计并实现一个简易的工业分拣系统
包含机械传送、光电检测、气动分拣功能
撰写完整的设计报告（8000字以上）
评分标准：
评分维度
评分细则
分值
系统功能
完整性、可靠性、创新性
15
设计合理性
方案选择、参数设置、模块匹配
20
技术应用
传感器、驱动器、控制算法的选择与应用
20
报告质量
内容完整性、逻辑性、图表规范性、语言表达
15
系统实现
实物制作效果、调试过程记录、性能测试结果
30
机电一体化教学设计（1）
一、课程概述
机电一体化技术是将机械工程、电气工程、计算机科学
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