課程設(shè)計指導(dǎo)書（第一章）1第 一 章 課 程 設(shè) 計 的 目 的 和 要 求第 一 節(jié) 課 程 設(shè) 計 的 目 的 和 內(nèi) 容機 電 一 體 化 產(chǎn) 品 （ 或 工 程 ） 課 程 設(shè) 計 的 目 的 在 于 培 養(yǎng) 學(xué) 生 對 機 電 一 體 化 產(chǎn) 品 的 設(shè) 計能 力 。 鑒 于 機 電 一 體 化 產(chǎn) 品 設(shè) 計 正 處 在 發(fā) 展 階 段 ， 有 必 要 在 全 面 闡 述 課 程 設(shè) 計 的 目 的 和 要求 之 前 ， 對 機 電 一 體 化 技 術(shù) 和 產(chǎn) 品 有 系 統(tǒng) 的 了 解 。一 、 機 電 一 體 化 概 述新 技 術(shù) 革 命 以 微 電 子 技 術(shù) 為 先 導(dǎo) ， 以 電 子 計 算 機 的 發(fā) 展 內(nèi) 及 其 普 遍 應(yīng) 用 為 標(biāo) 志 ， 給 整個 國 民 經(jīng) 濟 、 社 會 生 活 和 工 廠 企 業(yè) 帶 來 了 深 刻 的 變 化 。 計 算 機 和 微 電 子 技 術(shù) 的 迅 速 發(fā) 展 ，促 進 了 電 子 技 術(shù) 與 機 械 技 術(shù) 的 有 機 結(jié) 合 ， 不 僅 使 各 種 機 械 設(shè) 備 以 嶄 新 的 面 貌 出 現(xiàn) ， 而 且 產(chǎn)生 了 一 些 單 純 靠 機 械 或 電 子 技 術(shù) 都 難 以 達(dá) 到 優(yōu) 良 功 能 的 新 產(chǎn) 品 ?，F(xiàn) 代 工 業(yè) 大 量 采 用 “復(fù) 合 化 技 術(shù) ”。 復(fù) 合 是 指 一 些 相 同 或 不 同 的 領(lǐng) 域 的 技 術(shù) ， 有 機地 組 合 （ 融 合 ） 形 成 一 種 具 有 新 功 能 地 技 術(shù) ， 機 電 一 體 化 也 是 一 種 復(fù) 合 化 技 術(shù) ， 其 效 果 表現(xiàn) 為 以 下 兩 種 形 式 。1、 機 械 產(chǎn) 品 的 電 子 化原 有 的 機 械 產(chǎn) 品 由 于 采 用 了 電 子 技 術(shù) ， 使 產(chǎn) 品 在 質(zhì) 量 、 功 能 、 效 率 和 節(jié) 能 方 面 向 更 高水 平 發(fā) 展 ， 或 使 產(chǎn) 品 產(chǎn) 生 新 的 功 能 。（ 1） 在 原 有 的 機 械 產(chǎn) 品 上 采 用 電 子 控 制 設(shè) 備 ， 實 現(xiàn) 高 性 能 和 多 功 能 。 例 如 ， 微 計 算 機 控制 的 數(shù) 控 機 床 、 電 子 式 自 動 變 速 器 、 全 自 動 洗 衣 機 和 工 業(yè) 機 器 人 等 。（ 2） 原 來 起 控 制 作 用 的 機 構(gòu) 被 電 子 裝 置 所 取 代 。 例 如 電 子 縫 紉 機 中 用 微 處 理 器 代 替 了 原來 的 凸 輪 機 構(gòu) 。（ 3） 原 來 執(zhí) 行 信 號 處 理 功 能 的 機 械 被 電 子 裝 置 所 取 代 。 例 如 石 英 電 子 鐘 表 代 替 了 機 械 式鐘 表 ， 全 電 子 電 話 交 換 機 代 替 了 機 電 式 電 話 交 換 機 等 ；（ 4） 機 械 的 主 功 能 被 全 部 取 代 。 例 如 ， 1950 年 的 電 火 花 加 工 機 床 ， 1970 年 的 計 算機 控 制 線 切 割 機 床 等 均 能 代 替 原 有 的 機 械 加 工 功 能 。2、 機 械 技 術(shù) 與 電 子 技 術(shù) 有 機 結(jié) 合 開 辟 了 兩 者 單 獨 都 達(dá) 不 到 的 新 的 應(yīng) 用 領(lǐng) 域（ 1） 信 息 設(shè) 備 和 電 子 裝 置 有 機 結(jié) 合 。 例 如 傳 真 機 、 打 印 機 等 ；（ 2） 檢 測 系 統(tǒng) 中 電 子 裝 置 與 結(jié) 構(gòu) 有 機 結(jié) 合 。 例 如 自 動 探 傷 機 、 CT 掃 描 診 斷 裝 置 和生 物 化 學(xué) 自 動 分 析 儀 等 ；二 、 課 程 設(shè) 計 的 目 的機 電 一 體 化 系 統(tǒng) 設(shè) 計 課 程 設(shè) 計 是 機 電 一 體 化 系 統(tǒng) 課 程 的 最 后 一 個 教 學(xué) 環(huán) 節(jié) ， 同 時 也 是一 次 對 學(xué) 生 進 行 全 面 的 機 電 一 體 化 設(shè) 計 訓(xùn) 練 ， 其 基 本 目 的 是 ：1、 綜 合 運 用 機 電 一 體 化 系 統(tǒng) 設(shè) 計 課 程 和 其 它 有 關(guān) 先 修 課 程 的 理 論 及 生 產(chǎn) 實 踐 的 知 識 去 分析 和 解 決 機 電 一 體 化 系 統(tǒng) 設(shè) 計 問 題 ， 并 使 所 學(xué) 知 識 得 到 進 一 步 鞏 固 和 深 化 ；2、 學(xué) 習(xí) 機 電 一 體 化 系 統(tǒng) 設(shè) 計 的 一 般 方 法 ， 了 解 和 掌 握 常 用 的 機 電 一 體 化 系 統(tǒng) 中 的 機 械 設(shè)計 及 接 口 電 路 的 設(shè) 計 方 法 ， 培 養(yǎng) 正 確 的 設(shè) 計 思 想 和 分 析 問 題 、 解 決 問 題 的 能 力 ， 特 別使 總 體 設(shè) 計 和 零 部 件 設(shè) 計 的 能 力 ；3、 通 過 計 算 和 繪 圖 ， 學(xué) 會 運 用 標(biāo) 準(zhǔn) 、 規(guī) 范 、 手 冊 、 圖 冊 和 查 閱 有 關(guān) 技 術(shù) 資 料 等 ， 培 養(yǎng) 機電 一 體 化 系 統(tǒng) 設(shè) 計 的 基 本 技 能 。目 前 ， 國 內(nèi) 外 專 家 認(rèn) 為 ， 構(gòu) 成 機 電 一 體 化 系 統(tǒng) 的 因 素 很 多 ， 但 歸 納 起 來 主 要 有 五 大 要素 。 機 電 一 體 化 系 統(tǒng) 一 般 由 動 力 、 傳 感 器 、 機 械 主 體 、 執(zhí) 行 機 構(gòu) 和 計 算 機 等 五 大 要 素 組 成 。課程設(shè)計指導(dǎo)書（第一章）2五 大 要 素 的 性 能 越 好 ， 配 合 越 協(xié) 調(diào) ， 其 總 體 功 能 就 發(fā) 揮 得 越 充 分 ， 它 們 的 相 互 關(guān) 系 如 圖 1-1、 圖 1-2 所 示 。機 電 一 體 化 產(chǎn) 品 作 為 一 個 系 統(tǒng) ， 核 心 問 題 是 控 制 。 按 其 控 制 系 統(tǒng) ， 有 單 一 輸 入 、 輸 出的 簡 單 系 統(tǒng) ， 也 可 能 包 括 多 參 量 的 系 統(tǒng) ， 采 用 古 典 控 制 理 論 和 傳 遞 函 數(shù) 的 數(shù) 學(xué) 模 型 已 無 法達(dá) 成 有 效 的 控 制 ， 采 用 現(xiàn) 代 控 制 理 論 和 計 算 機 的 技 術(shù) 手 段 ， 有 可 能 從 硬 件 和 軟 件 兩 個 方 面進 行 系 統(tǒng) 分 析 ， 用 狀 態(tài) 方 程 的 數(shù) 學(xué) 模 型 對 系 統(tǒng) 進 行 動 態(tài) 描 述 ， 利 用 計 算 機 的 信 息 處 理 功 能和 控 制 功 能 達(dá) 到 最 優(yōu) 控 制 。如 圖 1-3 所 示 ， 機 電 一 體 化 系 統(tǒng) 的 硬 件 一 般 由機 械 主 體 部 分 、 傳 感 器 、 信 息 處 理 部 分 和 執(zhí) 行 元 件 構(gòu)成 。數(shù) 控 機 床 一 般 都 涉 及 上 述 內(nèi) 容 ， 是 機 電 一 體 化 的典 型 產(chǎn) 品 之 一自 1952 年 美 國 開 發(fā) 數(shù) 控 銑 床 以 來 ， 日 本 在1957 年 開 發(fā) 了 數(shù) 控 車 床 ， 1958 年 開 發(fā) 了 帶 刀 具 自動 更 換 裝 置 的 自 動 送 料 裝 置 ， 1959 年 開 發(fā) 了 數(shù) 控坐 標(biāo) 鏜 床 。數(shù) 控 機 床 的 早 期 產(chǎn) 品 中 數(shù) 控 裝 置 是 專 用 的 ， 但 近 年 來 數(shù) 控 裝 置 中 的 邏 輯 電 路 已 被 計 算機 取 代 ， 從 而 實 現(xiàn) 了 控 制 多 樣 化 和 多 功 能 化 ， 這 些 控 制 功 能 包 括 輸 入 輸 出 控 制 功 能 、 運 算處 理 功 能 和 其 它 控 制 功 能 （ 如 自 動 校 正 ） 等 。從 復(fù) 合 化 技 術(shù) 的 觀 點 看 ， 增 強 控 制 功 能 ， 使 數(shù) 控 機 床 操 作 自 動 化 ， 不 是 最 終 目 的 ， 也很 難 說 是 好 的 機 電 一 體 化 產(chǎn) 品 ， 控 制 功 能 應(yīng) 達(dá) 到 最 佳 控 制 和 自 適 應(yīng) 控 制 ， 為 此 應(yīng) 增 加 診 斷功 能 ， 通 過 傳 感 器 反 饋 ， 實 現(xiàn) 加 工 智 能 化 ， 并 保 證 系 統(tǒng) 的 可 靠 性 。數(shù) 控 機 床 是 高 級 機 械 產(chǎn) 品 ， 由 于 采 用 了 電 子 控 制 設(shè) 備 ， 實 現(xiàn) 了 高 性 能 和 多 功 能 ， 屬 于上 述 機 器 的 電 子 化 第 一 類 情 況 。其 它 如 工 業(yè) 機 器 人 、 電 火 花 加 工 機 等 ， 它 們 的 設(shè) 計 內(nèi) 容 可 歸 納 為 以 下 幾 個 方 面 ：1、 采 用 微 機 （ 包 括 單 片 機 ） 進 行 數(shù) 據(jù) 采 集 、 處 理 和 控 制 ， 主 要 考 慮 計 算 機 的 選 擇 或單 片 機 構(gòu) 成 電 路 的 選 用 ， 接 口 電 路 ， 軟 件 編 制 。2、 選 用 驅(qū) 動 控 制 電 路 ， 對 執(zhí) 行 機 構(gòu) 進 行 控 制 。 主 要 考 慮 電 機 的 選 擇 及 驅(qū) 動 力 矩 的 計算 ， 控 制 電 機 電 路 的 設(shè) 計 。3、 精 密 執(zhí) 行 機 構(gòu) 的 設(shè) 計 。 主 要 考 慮 數(shù) 控 機 床 工 作 臺 傳 動 裝 置 的 設(shè) 計 問 題 ； 要 弄 清 機構(gòu) 或 機 械 執(zhí) 行 的 主 要 功 能 （ 如 傳 遞 運 動 、 動 力 、 位 置 控 制 、 微 調(diào) 、 精 密 定 位 或 高 速運 轉(zhuǎn) 等 ） ， 進 行 力 （ 力 矩 ） 、 負(fù) 載 功 率 、 慣 性 （ 轉(zhuǎn) 動 慣 量 ） 、 加 （ 減 ） 速 控 制 和誤 差 計 算 ， 提 出 裝 配 圖 和 零 件 加 工 圖 ， 提 出 對 電 機 驅(qū) 動 和 計 算 機 控 制 要 求 。4、 采 用 傳 感 器 和 計 算 機 控 制 要 求 。課程設(shè)計指導(dǎo)書（第一章）35、 學(xué) 會 使 用 手 冊 及 圖 表 資 料 。并 非 每 一 個 機 電 一 體 化 產(chǎn) 品 都 包 括 上 述 全 部 內(nèi) 容 ， 但 作 為 課 程 設(shè) 計 ， 則 盡 可 能 多 涉 及一 些 。第 二 節(jié) 課 程 設(shè) 計 的 要 求一 、 設(shè) 計 的 要 求課 程 設(shè) 計 的 內(nèi) 容 主 要 是 為 對 原 有 普 通 機 床 進 行 數(shù) 控 改 造 ， 通 過 課 程 設(shè) 計 完 成 以 下 工 作量 ：1、 機 械 裝 配 圖 1 張 （ A1）2、 系 統(tǒng) 硬 件 電 路 原 理 圖 1 張 （ A1）3、 編 寫 完 整 的 設(shè) 計 計 算 說 明 書機 械 裝 配 圖 及 系 統(tǒng) 硬 件 電 路 圖 需 采 用 計 算 機 出 圖 ， 說 明 書 內(nèi) 容 應(yīng) 包 括 ： 課 題 來 源 現(xiàn) 實意 義 ， 總 體 方 案 的 確 定 ， 系 統(tǒng) 框 圖 的 分 析 ， 電 氣 執(zhí) 行 元 件 的 選 用 步 驟 ， 機 械 傳 動 設(shè) 計 計 算以 及 機 械 和 電 氣 其 它 部 分 的 選 用 說 明 ， 由 于 要 求 學(xué) 生 對 所 進 行 的 設(shè) 計 能 系 統(tǒng) 明 確 的 表 達(dá) ，說 明 書 一 般 不 少 于 30 頁 。課 程 設(shè) 計 必 須 經(jīng) 過 答 辯 ， 合 格 者 取 得 學(xué) 分 ， 并 記 入 考 試 成 績 中 。二 、 課 程 設(shè) 計 時 間 安 排 （ 僅 供 參 考 ， 具 體 由 指 導(dǎo) 教 師 安 排 ）周 日 程（ 天 ） 工 作 內(nèi) 容 安 排2了 解 設(shè) 計 任 務(wù) 書 ， 明 確 設(shè) 計 要 求 、 工 作 條 件 、 設(shè) 計 內(nèi) 容 和 步 驟 ， 針對 設(shè) 計 任 務(wù) 收 集 資 料 ， 進 行 系 統(tǒng) 總 體 方 案 的 確 定 ， 畫 出 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計框 圖13 機 械 部 分 的 改 裝 設(shè) 計 計 算 （ 絲 杠 和 電 機 ）3 用 AUTOCAD 畫 出 改 裝 部 分 的 機 械 設(shè) 計 裝 配 圖1 確 定 硬 件 系 統(tǒng) 的 組 成21 光 電 耦 合 電 路 及 功 率 放 大 電 路 的 設(shè) 計2 用 Protel 畫 出 系 統(tǒng) 硬 件 部 分 的 電 路 圖2 編 寫 完 整 的 設(shè) 計 說 明 書31 整 理 設(shè) 計 資 料 ， 提 交 給 指 導(dǎo) 教 師 并 進 行 答 辯三 、 注 意 事 項在 設(shè) 計 過 程 中 要 注 意 ：1） 獨 立 思 考 ， 繼 承 與 創(chuàng) 新任 何 設(shè) 計 都 不 可 能 是 設(shè) 計 者 獨 出 心 裁 、 憑 空 想 象 ， 不 依 靠 任 何 資 料 所 能 實 現(xiàn) 的 。 設(shè) 計時 ， 要 認(rèn) 真 閱 讀 參 考 資 料 ， 繼 承 或 借 鑒 前 人 的 設(shè) 計 經(jīng) 驗 和 成 果 ， 但 不 能 盲 目 地 全 盤 抄 襲 ，應(yīng) 根 據(jù) 具 體 地 設(shè) 計 條 件 和 要 求 ， 獨 立 思 考 ， 大 膽 地 進 行 改 進 和 創(chuàng) 新 ， 只 有 這 樣 ， 才 能 做 出高 質(zhì) 量 地 設(shè) 計 。2） 全 面 考 慮 系 統(tǒng) 的 強 度 、 剛 度 、 工 藝 性 、 經(jīng) 濟 性 和 維 護 等 要 求 ；任 何 產(chǎn) 品 機 構(gòu) 和 尺 寸 的 要 求 ， 除 了 考 慮 它 的 強 度 和 剛 度 外 ， 還 應(yīng) 綜 合 考 慮 零 件 本 身 及整 個 部 件 的 工 藝 性 要 求 （ 如 加 工 和 裝 配 工 業(yè) 性 ） 、 經(jīng) 濟 性 要 求 （ 如 制 造 成 本 低 ） 、 使用 要 求 （ 如 維 護 方 便 ） 等 才 能 確 定 。3） 使 用 標(biāo) 準(zhǔn) 和 規(guī) 范課程設(shè)計指導(dǎo)書（第一章）4設(shè) 計 時 應(yīng) 盡 量 使 用 標(biāo) 準(zhǔn) 和 規(guī) 范 ， 這 有 利 于 零 件 的 互 換 性 和 工 藝 性 ， 同 時 也 可 減 少 設(shè) 計工 作 量 ， 節(jié) 省 設(shè) 計 時 間 ， 對 于 國 家 標(biāo) 準(zhǔn) 或 部 門 規(guī) 范 ， 一 般 都 要 嚴(yán) 格 遵 守 和 執(zhí) 行 。 設(shè) 計 中 采用 標(biāo) 準(zhǔn) 或 規(guī) 范 的 多 少 ， 是 評 價 設(shè) 計 質(zhì) 量 的 一 項 標(biāo) 準(zhǔn) 。 因 此 ， 在 課 程 設(shè) 計 中 ， 凡 有 標(biāo) 準(zhǔn) 或 規(guī)范 的 ， 應(yīng) 盡 量 采 用 。