機電一體化系統設計案例教學研究與實踐

陳成軍+李東年

[摘 要]機電一體化系統設計涉及機械、電子、控制、信息等相關技術，各部分內容之間相對獨立，課程自身的理論體系不突出，缺乏整體感。在實施教學中，以實現各異技術融合為目標，以實現閉環運動控制系統的伺服性能為出發點，以系統接口設計為主線，以案例教學為教學手段將以上教學內容有機結合，實施案例教學改革，可以加深學生對機電一體化系統的理解，提高學生學習興趣、自學能力和創新能力。

[關鍵詞]機電一體化系統設計；案例教學；學習興趣 ；創新能力

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）09-0054-03

當前我國正在實施《中國制造2025》規劃，這對我國工程教育特別是機械工程教育提出了更高的要求，機械裝備制造企業迫切需要具備機、電、控制、信息處理等多學科融合的機電裝備設計制造復合型人才。機電一體化系統設計是機械設計制造及其自動化專業的一門重要專業課，它涉及機械技術、電工電子技術、自動控制技術、檢測技術、計算機信息處理技術等相關技術，是該專業所有專業課中工程性、實踐性、綜合性最強的一門課程，該課程后續的教學環節為畢業設計。機電一體化系統設計課程的任務是在先修課程的基礎上，從系統工程觀點出發，綜合運用各種專業知識，分析機電一體化產品的各組成要素之間的關系，實現機電系統要求的功能。因此，該課程對于學生全面了解和掌握所修其他課程的聯系，建立機電一體化的系統思維體系，培養綜合運用專業知識的能力，具有重要的作用。

機電一體化系統設計的教學內容包括機械系統設計、傳感器測試、電機與驅動、微機原理與接口、微型計算機控制等內容。各部分內容之間相對獨立，課程自身的理論體系不突出，缺乏整體感。另外這些教學內容中的有些內容在先修課程機械原理、機械設計、數控技術與數控機床、機械工程測試技術、微機原理與接口、單片機原理與接口、微型控制技術等課程中均有所涉及，極易造成教學內容的重復，給學生一種重復教學的感覺，從而降低學生對本門課程的興趣。

針對上述問題，我校在實施機電一體化系統設計教學中，以實現機械、電子、控制、信息等各異技術融合為目標，以實現閉環運動控制系統的伺服性能為出發點，以系統接口設計為主線，以案例教學為教學手段將以上教學內容有機結合，實施案例教學改革。[1][2][3]

一、緒論教學案例設計

緒論部分是機電一體化系統設計課程的關鍵部分，該部分對于學生理解本門的課程的特點和體系結構具有重要的作用，該部分主要突出機電一體化系統的特點、組成、設計方法以及接口等。

在教學過程中，我們首先對數控車床與非數控車床兩個案例在結構、功能、優缺點上進行對比，機電設備與非機電設備的區別在于增加了大腦“控制器”和神經“傳感檢測單元”，從而提高了設備的自動化程度、精度和效率等。通過數控機床、機器人、AGV小車、數控雕刻機等案例介紹機電一體化系統的組成部分及各組成部分的功能，強調控制器和傳感檢測單元在機電一體化系統中的作用。另外在講解這部分內容時，突出機電一體化系統各組成部分之間的接口連接，通過機械接口（聯軸器、傳動機構等）、電子電氣接口（A/D、D/A、放大器、光電耦合器）、通信接口（232串行口、USB、以太網接口等）、軟件協議接口（TCP/IP協議、USB協議等）等案例，講解接口在機電一體化系統中運動、能量、信息傳輸變換中的作用，強調機電一體化系統通過接口將各異技術集成在一起，形成特定的功能。

在機電一體化技術方向方面，主要強調當前“機械功能電子化，電子功能軟件化”的發展趨勢，通過伺服電機變速代替變速箱，無刷直流電機代替傳統電刷直流電機，電子表代替機械表，電子秤代替機械秤，高能束加工代替刀具切削加工等案例講解機械功能電子化的發展趨勢及帶來的優勢。通過軟件PID控制算法代替硬件PID控制器，可編程控制器PLC代替邏輯繼電器電路，可編程邏輯陣列FPGA代替專用芯片等案例講解硬件功能軟件化的趨勢及優勢。通過以上案例，讓學生深刻認識機電一體化技術的發展方向及帶來的優點。

在緒論部分實施案例教學，可以避免相關知識點的填鴨式和說教式教學，使學生對機電一體化系統設計這門課程有一個系統的認識，強化了學生對機電一體化系統組成、功能、設計方法等知識點的認識。

二、機械系統教學案例設計

由于教學對象是機械專業的大四學生，多數學生一看到“機械系統設計”這個標題就感覺這部分沒有新的內容，認為該部分內容是機械設計課程內容的重復，甚至認為這部分內容非常簡單，沒有必要在課堂上講。恰恰相反，機械系統設計是機電一體系統設計中最為關鍵的一部分。因此，在開始講解這部分內容前，應該首先點明機電一體機械系統設計與普通機械設計的區別，提高學生對該部分內容的興趣。

在課堂教學中，該部分首先通過如圖1所示的機械一體化系統中典型的閉環控制系統，說明機電一體化產品中的機械系統與非機電一體化產品中的機械系統最大的區別在于：機電一體化產品中的機械系統是微型計算機控制的閉環系統的組成部分，因此在進行機械系統設計時必須要考慮機械系統的結構參數（慣性、剛度、摩擦、阻尼、傳動間隙、固有頻率）對閉環系統伺服性能（快速性、穩定性、準確性）的影響。基于這一區別，展開講解機械系統的結構參數對閉環系統伺服性能的影響，以及如何從機械系統設計的角度提高整個閉環系統的性能。

機械系統設計部分的另外一個重要內容是傳動機構設計，通過齒輪傳動案例中的間隙、剛度等對伺服性能的影響，說明在機電一體化系統中應該盡可能縮短傳動鏈，提高閉環伺服系統的性能，并以伺服電機變速代替傳動機構變速、直線電機、力矩電機、電主軸等作為縮短傳動鏈的案例；只有當電機與負載不能匹配的時候才考慮使用傳動鏈進行力矩、速度、轉動慣量的轉換。齒輪傳動鏈設計部分包括最佳傳動比的選擇、傳動級數的選擇、傳動比的分配等，這三部分內容的講解都圍繞提高伺服性能為根本目標，重點講解最小轉動慣量原則、輸出軸轉角誤差最小原則分配傳動比。endprint

為了區別機械設計，本部分除重點講解齒輪傳動鏈設計外，還通過數控機床旋轉進給工作臺、A/C軸雙擺角銑頭、機器人關節減速器等案例講解了雙導程蝸桿蝸輪傳動結構、諧波減速器、RV減速器的各自原理以及在機電一體化系統中的應用。

三、計算機測控系統教學案例設計

計算機測量控制系統是機電一體化系統的核心，它負責采集機械部件的運動信息，并與給定值比較，生成運動控制指令。該部分的教學內容在機械工程測試技術、數控技術與數控機床、單片機原理與接口、微機控制技術等課程中均有涉及，因此，在本課程教學中將傳感器、伺服電機、工業控制機結合起來，以工業控制機為中心，以接口為橋梁，將相關內容通過案例整合在一起。

首先簡單介紹增量式旋轉編碼器、光柵、感應同步器等位移測量傳感器的位移測量和辨向原理，由于上述傳感器直接輸出相位相差90度的正弦信號，因此隨后重點講解傳感器的接口電路如何對正弦信號處理獲得相位相差90度方波信號，以及如何完成變相細分等功能。在控制電機部分，重點介紹了步進、直流、交流電機的功率驅動電路，如斬波恒流功放電路、PWM原理、SPWM原理等，比較了三種電機在扭矩和功率輸出特性上的不同點。最后以8051單片機為處理器，使用Proteus軟件設計了教學案例[4][5]，涉及位移傳感器測量接口電路和D/A轉換接口電路，PID數字控制等知識點。

四、機電一體化系統教學案例設計

機電一體化系統是一個機械、電子、控制、信息等各異技術相融合的系統，在機電一體化系統設計課程的最后一章，以電腦刺繡機為設計實例，通過對這一典型機電一體化系統的設計過程，使學生能夠根據設計需求綜合應用機械系統設計、傳感器測試、電機與驅動、微機原理與接口、微型計算機控制等各方面知識來設計一個機電一體化的系統。

如圖2所示，刺繡工藝的動作包括繡框在x、y兩個方向的直線往復運動和繡針在z方向的連續上下往復直線運動，通過這兩類運動的配合和刺料機構的作用形成線跡，繡框在x、y兩個方向的移動距離決定了線跡的長度和方向，繡品由線跡的集合構成。繡針在織物上方時，繡框沿x、y兩個方向移動到指定的位置，當繡針自上而下落到織物表面時，繡框停止移動，在刺料機構的作用下即完成一針線跡的動作。根據機電一體化系統的幾個功能要素，電腦刺繡機由微機控制系統（控制與信息處理單元）、移框步進電動機及主軸電動機（驅動與執行單元）、x、y、z三個方向的傳動機構及刺料機構（機械傳動單元）、針桿位置傳感器（傳感檢測單元）、220V單相交流電源（動力單元）、機架（機械結構單元）以及各部分之間的接口組成。由刺繡打版機輸出的刺繡花樣數據保存在電腦刺繡機的EPROM或磁盤中，電腦刺繡機的工作過程如下：控制微機啟動主軸運轉，由刺料機構帶動旋梭和針桿運動，微機從刺繡花樣數據文件中順序讀取每一針的x、y相對位移坐標，根據坐標數據通過兩個電機的協調運轉驅動繡框在平面內進行移動，微機通過讀取針桿位置檢測器的信號使繡框的平面移動與刺料機構的運動相互配合。

電腦刺繡機設計參數的計算主要包括x、y、z三個方向運動件的運動參數和動力參數的計算、結構參數計算以及品質參數、環境參數和界面參數的確定。運動參數計算主要包括主軸轉速范圍的確定、繡框位移計算、繡框位移與主軸轉動的運動配合、繡框運動速度計算、主軸轉速計算、 x、y步進電動機工作頻率及傳動比計算、移框加速度計算等；動力參數計算主要包括刺料機構驅動功率計算、移框步進電動機驅動力矩計算等；結構參數計算主要指刺繡機工作臺面的長、寬、高三個方向尺寸的計算及機頭頭距的計算；品質參數主要包括系統可靠性、傳動精度等；環境參數包括工作電壓、環境溫度、環境濕度等；界面參數則用于表征機器的人—機對話方式和功能。

系統各部分之間通過接口進行連接，主要的接口包括微機系統前向通道與各傳感器模塊的接口以及微機系統后向通道與各功率驅動模塊的接口，各接口通過采用光電隔離技術防止外部模塊對微機系統的回饋干擾以及防止強電信號對微機電源的干擾。盡管電腦刺繡機由微機對刺繡工藝實行全面控制，但刺繡過程會出現斷線、斷針等隨機因素。為保證刺繡工藝的準確進行，系統必須對針桿位置、繡線通斷狀況、繡框極限位置進行實時檢測，因此，系統必須包含繡針布上布下位置檢測、針桿最高位置檢測、斷線檢測、繡框越界檢測等傳感檢測模塊。各傳感器模塊與微機系統前向通道之間需要進行接口設計，另外，微機系統后向通道與電機驅動模塊之間也需要進行接口設計。

微機控制系統是電腦刺繡機系統的核心，根據用戶要求和工藝分析，控制微機除完成用戶的基本要求外，還應具備花樣存儲與選擇功能、記憶功能、工作狀態顯示功能、各種進退針功能等功能。微機控制系統設計除滿足上述設計要求外，還應對控制微機的軟硬組成方案進行初步設計。

五、結束語

針對機電一體化系統設計課程工程性、實踐性、綜合性最強的特點，圍繞機械一體化閉環伺服系統的各組成要素，實施案例教學，通過典型案例實現理論教學和實踐教學相結合的教學方法，不但加深了學生對機電一體化系統的理解，而且提高了學生學習興趣、自學能力和創新能力，取得了良好的教學效果。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 楊普國，孫佘一，陳俊.項目式案例教學方法的研究與實踐[J].昆明冶金高等專科學校學報，2011（5）：83-86.

[2] 趙麗梅，李焜.機電一體化技術課程中案例化教學改革與實踐[J].大學教育，2016（3）：106-107.

[3] 覃金昌，陳志.基于Simulink和GUI的機電一體化課程案例仿真教學研究[J].機械工程師，2016（5）：22-24.

[4] 李琦，王基，劉永葆.《機電一體化系統設計》課程教學改革與實踐[J].高等教育研究學報，2010（1）：100-101.

[5] 劉紅梅.任務驅動式案例教學法的構建與應用[J].江蘇高教，2016（4）：1-73.

[特約編輯：張 雷]endprint