1、- 1 -机电一体化系统设计基础考核说明机电一体化系统设计基础是机械制造及其自动化专业学生必修的一门专业课。本课程的教学内容主要包括：机电一体化系统的基本概念；机电一体化系统的设计方法及工程路线；机电一体化系统中的机械系统设计、动力驱动及定位、计算机控制系统、传感检测等基本结构要素；典型机电一体化系统的分析与设计。通过本课程的学习，使学生建立机电产品的一体化设计思想，把所学的电工学、传感器技术，自动控制技术、计算机技术和机械设计理论有机地结合起来，了解各项技术的相互接口关系，并能运用所学的知识对机电一体化产品进行分析或设计简单的机电一体化产品。关于课程考核的说明考核对象：电大理工科类机械设计制
2、造及其自动化专业本科生。考核方式：采用形成性考核和终结性考试相结合的方式。考核依据：本课程所用教学大纲为 2001 年审定通过并下发执行的、电大理工科类机械设计制造及其自动化专业本科生机电一体化系统设计基础教学大纲 ；所用文字教材为张立勋教授主编 2003 年 8 月由中央电大出版社出版的机电一体化系统设计基础 。本课程考核说明是形成性考核和终结性考试命题的基本依据。课程总成绩的记分方法：形成性考核成绩在课程总成绩中占 20%，终结性考试成绩在课程总成绩中占 80%。课程总成绩为百分制，60 分为合格。形成性考核的要求和形式：形成性考核的形式为平时作业。能够认真学习，按时、按质、按量完成平时作
3、业者方可得满分。终结性考试的要求和形式：- 2 -按照课程的基本教学要求，考核内容主要包括：机电一体化系统的基本概念；机电一体化系统的设计方法及工程路线；机电一体化系统中的机械系统设计、动力驱动及定位、计算机技术、传感器技术；机电一体化系统的分析与设计。具体考核要求分为几个层次：掌握：要求学生能够全面、深入理解和熟练掌握所学内容，并能够用所学的内容分析、初步设计和解答与实际应用相关的问题，能够举一反三。熟悉：要求学生能够较好地理解和掌握相应内容，并能够进行简单分析和判断。了解：要求学生能够一般地了解所学内容。组卷原则：在教学大纲和考核说明所规定的目的、要求和内容范围之内命题。在教学内容范围之内
4、，按照理论联系实际原则，考察学员对所学知识应用能力的试题，不属于超纲。试题的考察要求覆盖面广，并适当突出重点。试题兼顾各个能力层次，掌握 60%，熟悉占 30%，了解占 10%。试题的难易程度和题量适当，按难易程度分为三个层次：较易占 30%，一般占 50%，较难占 20%。题量安排以平时基本能够独立完成作业者，他们能在规定的考试时间内作完并有一定时间检查为原则。试题类型及试卷结构：试题类型有判断题、单项或多项选择题、简答题、分析题、计算题、综合题等，试卷结构的具体形式见后面所附“试题类型及规范解答举例” 。考核形式：闭卷。答题时限：90 分钟。- 3 -其它说明：考生需自备计算器、直尺、铅笔
5、、橡皮等文具。考核内容和要求(一 )机电一体化系统设计概论考核目的：考核学员对机电一体化技术的基本概念、相关技术及发展情况的认识和了解。考核内容：（1）机电一体化定义，机电一体化系统的基本结构要素（2）机电一体化的相关技术（3）机电一体化技术的发展考核要求：熟悉：机电一体化系统的构成、基本结构要素及其各个要素之间的相互关系；机电一体化的相关技术及其相互关系了解：机电一体化技术的现状及发展趋势。(二) 系统设计方法及工程路线考核目的：考核学员对机电一体化系统设计方法及工程路线的掌握情况。考核内容：（1）现代系统设计的基本特征和评价分析方法（2）机电一体化产品设计的基本方法及工程路线考核要求：掌握
6、：机电一体化产品的基本开发工程路线；通过典型机电一体化产品的设计过程，掌握由图 2.2 所归纳的基本设计步骤；机电一体化产品详细设计的主要内容。了解：现代系统设计的基本特征；机电一体化系统设计的评价分析方法。(三) 机械系统设计考核目的：考核学员对机电一体化机械系统特性、常用机械传动装置及应用的掌握情况。考核内容：- 4 -（1）机械传动系统的特性（2）机电一体化系统中的常用机械传动装置考核要求：掌握：机电一体化机械系统中齿轮传动的传动比确定方法；滚珠丝杠的选择计算方法；直线滚动导轨的选择计算方法。熟悉：机电一体化对机械系统的要求；机械传动系统的惯量、阻尼、刚度等参数对传动系统动态特性的影响；
7、系统传动精度的主要影响因素和减少传动误差的主要措施。了解：常用传动机构的特点和应用。(四)动力驱动及定位考核目的：考核学员对机电一体化系统中驱动及定位技术的掌握情况。考核内容：（1）机电一体化系统中驱动装置的特点及技术要求（2）动力驱动元件的工作原理、主要特性及选用原则（3）定位运动机构及其特点考核要求：掌握：驱动装置的技术要求；常用动力驱动元件的主要特性；步进电机、直流伺服电机的选择计算方法；直流伺服电机的调速方式。熟悉：步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机和液压、气压伺服元件的工作原理、主要特性及选用原则。了解：定位运动机构的组成、定位方式及主要性能指标；常用定位机构及其特点。(五)机电一
8、体化中的计算机技术 考核目的：考核学员对于计算机技术在机电一体化系统中的应用能力。考核内容：（1）工业控制微型计算机（2）开放式体系结构和总线系统- 5 -（3）STD 总线控制系统（4）计算机控制系统的选用考核要求：掌握：STD 工业控制总线系统的构成、性能特点和典型工作模式；机电一体化系统中微型计算机控制系统的选用。熟悉：开放式体系结构的特点；STD 总线的 I/O 子系统：开关量输入/输出接口模板的组成及工作原理；A/D、D/A 转换接口模板的组成及工作原理；信号调理电路。了解：常用工业控制机的主要类型和特点；常用工业控制总线的结构及特点；常用运动控制接口模块。(六) 传感器技术考核目的
9、：考核学员对于传感器技术在机电一体化系统中的应用能力。考核内容：（1）传感器的组成及分类（2）传感器的性能指标（3）常用传感器及其应用考核要求：掌握：电位计式和光电编码器式位移传感器的特点及选用方法；直流测速发电机和光电编码器式速度传感器的特点选用方法。熟悉：传感器的主要性能指标；常用测力传感器和温度传感器的工作原理及使用方法。了解：传感器的组成和分类。(七)机电一体化系统设计与综合考核目的：考核学员对机电一体化系统的分析能力与初步设计能力。考核内容：（1）典型机电一体化系统实例分析。（2）机电一体化系统设计与综合- 6 -考核要求：熟悉：典型机电一体化产品的构成、特点和设计方法；机电一体化系
10、统的基本结构要素（执行机构、驱动部分、传感器及控制计算机）在系统中的作用和相互关系。试题类型及规范解答举例试题按大纲要求，其题型包括判断题、选择题、分析题、计算题和综合题等，具体说明如下：（一）判断题此类型试题考查学生对基本概念的掌握程度，要非常准确的判断命题的正确与错误。题型举例：1在机电一体化系统驱动装置中，反馈通道上环节的误差与输入通道上环节的误差对系统输出精度的影响是相同的。 （ ）说明：由反馈环节有误差时的等效框图可知，反馈环节的误差相当于系统的一部分输入信号。故结论是正确的，括号内应填入“”号。2通常，采用 STD 总线的工业控制机与外部设备的电气接口均为 TTL 电平接口。说明：
11、由于 TTL 电平接口过于简单，难于满足工业现场的使用要求，实际上工业控制机与独立设备连接时均要采用隔离型模板。故结论是错误的，括号内应填入“”号。（二）选择题此类型试题考查学生对基本理论的理解、对常用的重要概念及公式的掌握程度。如不注明，则为单项选择题。题型举例：1在机电一体化系统中，机械传动要满足伺服控制的三个主要要求是（ ） 。A传动精度、稳定性、快速响应性 B传动精度、稳定性、低噪- 7 -声C传动精度、高可靠性、小型轻量化 D传动精度、高可靠性、低冲击振动说明：这里只有一个答案是正确的，应在括号中填（ A ） 。2在机电一体化系统中，通过（ ）可有效提高系统的稳定性。 （多项选择题）
12、A提高驱动元件的驱动力 B增大执行装置的固有频率C提高系统的阻尼能力 D减小机构的传动误差E消除传动系统的回程误差说明：这里有三个答案是正确的，应在括号中填（B、C、E） 。（三）简答题简答题考察学生对基本概念、基本知识的掌握情况，要抓住问题的要点进行回答，不需要过于具体地描述。题型举例：例：试述机电一体化产品的定义和分类方法。解答：机电一体化产品是新型机械与微电子器件，特别是与微处理器、微型计算机相接合而开发的新一代电子化机械产品。按用途可分为信息机电一体化产品、产业机电一体化产品和家庭用机电一体化产品。（四）分析题题型举例：例：已知数控机床控制系统如图所示，试说明图中的各个部分属于机电一体
13、化系统中的哪个基本要素？- 8 -解：控制机信息处理单元： 键盘、计算机、显示测试传感部分： 光电编码器、信号处理能源： 电源驱动部分： 功放、电机执行机构： 联轴器、齿轮减速器、丝杠螺母机构、工作台（五）计算题题型举例：例：如图所示电机驱动系统，已知工作台的质量为 m=50Kg，负载力为,最大加速度为 10m/s ,丝杠直径为 d=16mm,导程 t=4mm,齿轮减数比N10lF2为 i=5,总效率为 ，忽略丝杠惯量的影响，试计算电机的驱动力矩。%30解：总负载力包括以下几部分（1）外负载力 NFl10（2）惯性载力 mam501.电机的驱动力矩为- 9 -NmFtiTmlm63.03.01
14、)51(2453（六）综合题题型举例：已知电机驱动的三自由度位置控制系统，单个自由度的驱动系统如图所示。要求：（1）说明单自由度驱动系统的两种测量方案；（2）确定整个系统的控制方案、画出控制系统原理图。解：（1）依题意有两种测量方案a.高速端测量方案：传感器安装在电机的尾部，通过测量电机的转角实现工作台位移的间接测量。可选用光电编码器式传感器或者磁电式编码器。b.低速端测量方案：传感器安装在工作台上，直接测量工作台的位移。可选用光栅式位移传感器、感应同步器或者电位计式位移传感器。- 10 -(2) 控制计算机和控制方案的选择可以使用工业 PC 机及或者单片机完成系统的控制。具体可有以下三种方案
15、：a工业 PC 机集中控制方案：用一台工业 PC 机对三个自由度实现集中控制，包括任务管理和三个自由度的伺服控制系统原理图如下：b工业 PC 机、单片机分级控制方案：用一台工业 PC 机与三个单片机通信，对三个单片机实现管理，每个单片机负责一个自由度的伺服控制，控制系统原理图如下：c单片机、单片机分级控制方案：用一个单片机作为主单片机与三个从单片机通信，对三个从单片机实现管理，每个从单片机负责一个自由度的伺服控制，控制系统原理图如下：- 11 -.注：1.需要回答至少两种测量方案，每种方案选出一种传感器即可得满分。2回答上述 a、b、c 三种控制方案中的任意一个都可以得满分,如果 a 方案选用的是单片机而不是工业 PC 机，即采用单片机集中控制方案，也可以得80%的分数。
