机电一体化设计范文

导语：如何才能写好一篇机电一体化设计，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

【关键词】主体机械结构；驱动方案；可靠性

1 主体机械结构

主体机械结构方案包括：机械的主要几何尺寸确定、布局、作业空间的确定、运动自由度数的确定。

机床主体在设计时候要遵循以下几点原则：

明确――结构方案应能明确体现各个方面的设计指标。首先是所选方案的工作原理要明确，才能使所设计的结构能可靠地实现所要求的目标；其次，要明确工作条件，如载荷情况和运行速度；还要明确作业空间参数和使用条件。

简单――满足设计目标要求的条件下，系统结构尽量简单。

安全可靠――包括机器的工作安全性和操作安全性两方面内容，是总体结构方案设计必须考虑的内容。

例如，在机械行业中最有名气的车床CA6140，它在主体设计时车床的床身、床脚、油盘等采用整体铸造结构，刚性高，抗震性好，符合高速切削机床的特点；车机床系统设计合理可靠，车头箱、进给箱、溜板箱均采用体内飞溅，并增设线泵、柱塞泵对特殊部位进行自动强制。

2 驱动方案设计

直线驱动元件直接驱动：

直线步进电机其结构比较复杂，传感器采用磁电式或直接开环控制，控制特点是使用专用传感器，开环控制位置精度高，低速振动较大，直线步进电机适用场合为并联机器人，成本较高。

气压缸结构简单，传感器是直接型位移传感器，控制特点是使用气压控制阀控制，快速性好，负载能力差，适用场合为包装机，成本较低。

液压缸，结构较复杂，传感器为直接型位移传感器，控制特点是使用电液伺服阀控制，快速性好，负载能力强，适用场合为并联机器人和包装机，成本较高。

3 控制系统方案设计

机床的控制系统是非常重要的，如果没有控制系统，那么机床就是一个不完整的，说严重一些就是一个废品，那么机床也不可能为人们服务了。

机床控制系统按原理分为：开环、半闭环和闭环控制。

开环控制系统也就是没有反馈元件。

闭环控制系统是有反馈元件，反馈元件直接安装在最终的运动部件上。

半闭环控制系统是检测元件安装在机床的中间环节上。

4 可靠性设计

4.1 可靠度函数与失效概论

可靠度函数是产品在规定的条件下和规定的时间t内，完成规定功能的概率，以R（t）表示；反之，不能完成规定功能的概率称为失效概率，以F（t）表示。

产品工作到t时刻时，单位时间内失效数■与t时刻尚存的有效产品数R（t）的比称为失效率，以λ（t）表示，反映任意时刻失效概率的变化情况。

4.2 系统可靠性

可靠性预测，通过预测，对新产品设计的可靠性做出估计，提供方案修改、调整及优选的依据，并可由此对产品的维修费用以至全寿命运行费用做出估计。

包括元件可靠性预测和系统可靠性预测。

（1）元件可靠性预测包括以下两种方法：

实验统计法―通过模拟实验，确定元件在任何规定的使用时间内的可靠性。

经验法―查可靠性手册或根据类似元件的使用经验积累的可靠性数据，考虑在新产品设计中的使用条件，估计出元件的可靠性水平。

（2）系统的可靠度主要取决于元件的可靠度和元件的组合方式两个因素。最基本的组合方式为串联和并联，串联系统的可靠度R，等于各组成单元可靠度Ri的乘积。

4.3 优化指标

设某个产品共有m个可行的方案，每个方案都选定n个评价指标；Kij为第i个方案中第j项评价指标值；Kmaxj是第j项指标在各方案中的最大值；Wj是第j项指标的加权值，它反映了这项指标在该产品中相对于其它各项指标的重要程度，且满足：

■Wj=1 0≤Wj≤1（1）

则采i个方案的综合评价指标（即评价函数）为：

Hi=■Wj■， i=1，2，...，m（2）

求出各方案的最佳评价函数值Himax：

Hmax=max{Himax，（i=1，2，...，m）}（3）

通过（1），（2），（3）求出数据，通过下列方案进行对比选出最佳方案。

可行方案1，失效率Ki1/10-6h-1为120，成本Ki2为7千元，模块化程度Ki3是0.5，评价函数Himax是-0.46，权重系数Wj为0.5。

可行方案2，失效率Ki1/10-6h-1为170，成本Ki2为4千元，模块化程度Ki3是0.8，评价函数Himax是-0.37，权重系数Wj为0.3。

篇2

关键词：机电一体化；系统设计；构成；过程；方法；可靠性

机电一体化概念始于70年代，是根据英文Mechanics(机械学)的前半部分和Electronics(电子学)的后半部分而构成的，即Mechatronics。在80年代由美国机械工程协会专家组定义为：“由计算机信息网络协调控制的，用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械和(或)机电部件相互联系的系统”。

机电一体化技术，是由微电子技术、计算机技术、伺服传动技术与机械技术相结合的综合性技术，是微电子技术、计算机技术向机械技术不断渗透的产物。机械技术是机电一体化技术的基础。随着高新技术引入机械行业，机械技术面临着挑战与变革。在机电一体化产品中，它不再是完成单一的系统联接，而是在系统结构、重量、体积、刚性与耐用方面对机电一体化系统有着重要影响。目前，随着机电一体化系统所需的控制功能、控制形式、控制方式的不同和多控制过程日趋复杂，对控制系统的要求越来越高。

1机电一体化系统的构成与关键技术

1.1机电一体化系统的构成

从构成要素上来看，机电一体化系统由机械系统(机构)、电子信息处理系统(计算机)、动力系统(动力源)、传感检测系统(传感器)、执行元件系统(如电机)等五个子系统组成。机电一体化系统的基本特征是给”机械”增添了头脑(计算机信息处理与控制)，因此是要求传感器技术、控制用接口元件、机械结构、控制软件水平较高的系统。

从所要实现功能上来看，因为机电一体化系统(或产品)是由若干具有特定功能的机械与微电子要素组成的有机整体，要有满足人们使用要求的功能(目的功能)，所以根据不同的使用目的，要求系统能对输入的物质、能量和信息(即工业三大要素)进行某种处理，输出所需要的物质、能量和信息。因此，系统必须具有以下三大“目的功能”：①变换(加工、处理)功能；②传递(移动、输送)功能；③储存(保持、积蓄、记录)功能,不管是实现哪类“目的”功能的系统(或产品)，其系统内部必须具备如下图所示的五种内部功能，即主功能、动力能功能、检测功能、控制功能、构造功能。其中“主功能”是实现系统“目的功能”直接必需的功能，主要是对物质、能量、信息或其相互结合进行变换、传递和存储。“动力功能”是向系统提供动力、让系统得以运转的功能。“检测功能和控制功能”的作用是根据系统内部信息和外部信息对整个系统进行控制，使系统正常运转，实施“目的功能”。而“构造功能”则是使构成系统的子系统及元、部件维持所定的时间和空间上的相互关系所必需的功能。从系统的输入／输出来看，除有主功能的输入／输出之外，还需要有动力输入和控制信息的输入／输出。此外，还有因外部环境引起的干扰输入以及非目的性输出(如废弃物等)。

既然机电一体化系统(产品)可以分解成一系列要素或子系统构成，那么怎样使各要素或子系统之间顺利地进行物质、能量和信息的传递与交换呢?这就涉及到了接口的概念。所谓接口就是各要素或各子系统之间的联系条件。从系统外部看，机电一体化系统的输入／输出是与人、自然及其他系统之间的接口；从系统内部看，机电一体化系统是由许多接口将系统构成要素的输入／输出联系为一体的系统。从这一观点出发，系统的性能在很大程度上取决于接口的性能，各要素或各子系统之间的接口性能就成为综合系统性能好坏的决定性因素。机电一体化系统是机械、电子和信息等功能各异的技术融为一体的综合系统，其构成要素或子系统之间的接口极为重要，在某种意义上讲，机电一体化系统设计归根结底就是“接口设计”。广义的接口功能有两种，一种是输入／输出的功能；另一种是变换、调整的功能。

1.2机电一体化系统的相关关键技术

①机械技术：机电一体化的机械产品与传统的机械产品的区别在于：机械结构更简单、机械功能更强、性能更优越。在设计和制造机械系统时除了考虑静态、动态刚度及热变形等问题外，还应考虑采用新型复合材料和新型结构及新型的制造工艺和工艺装置。②传感检测技术：传感检测技术的内容，一是研究如何将各种被测量转换为与之成比例的电量；二是研究对转换的电信号的加工处理。机电一体化系统要求传感检测装置能快速、准确、可靠地获取信息。③信息处理技术：信息处理的发展方向是提高信息处理的速度、可靠性和智能化程度。人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术等都属于计算机信息处理技术的范畴。④自动控制技术：机电一体化系统中的自动控制技术主要包括位置控制、速度控制、最优控制、自适应控制以及模糊控制、神经网络控制等。⑤伺服传动技术：伺服传动包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置，常见的伺服驱动系统主要有电气伺服和液压伺服。⑥系统总体技术：机电一体化系统是一个技术综合体，它利用系统总体技术将各有关技术协调配合、综合运用而达到整体系统的最佳化。

2 机电一体化的设计过程

机电一体化的机械动力部分由一般电动机演变为控制电动机，里程碑式地引入了电子和计算机等先进技术，代替人完成机器的检测与控制等工作。在知识经济中体现了制造业高科技化，促进了高科技产业和知识经济的发展。它是一种用于机电产品最优设计的方法学。它包括4个基本学科：电气、机械、计算机科学和信息技术。如图1所示。

摘要：本文结合笔者的多年工作经验，对机电一体化系统的构成及关键技术进行了简要的分析，并就机电一体化系统的几种可靠性设计进行了探讨。

关键词：机电一体化；系统设计；构成；过程；方法；可靠性

机电一体化概念始于70年代，是根据英文Mechanics(机械学)的前半部分和Electronics(电子学)的后半部分而构成的，即Mechatronics。在80年代由美国机械工程协会专家组定义为：“由计算机信息网络协调控制的，用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械和(或)机电部件相互联系的系统”。

机电一体化技术，是由微电子技术、计算机技术、伺服传动技术与机械技术相结合的综合性技术，是微电子技术、计算机技术向机械技术不断渗透的产物。机械技术是机电一体化技术的基础。随着高新技术引入机械行业，机械技术面临着挑战与变革。在机电一体化产品中，它不再是完成单一的系统联接，而是在系统结构、重量、体积、刚性与耐用方面对机电一体化系统有着重要影响。目前，随着机电一体化系统所需的控制功能、控制形式、控制方式的不同和多控制过程日趋复杂，对控制系统的要求越来越高。

1机电一体化系统的构成与关键技术

1.1机电一体化系统的构成

从构成要素上来看，机电一体化系统由机械系统(机构)、电子信息处理系统(计算机)、动力系统(动力源)、传感检测系统(传感器)、执行元件系统(如电机)等五个子系统组成。机电一体化系统的基本特征是给”机械”增添了头脑(计算机信息处理与控制)，因此是要求传感器技术、控制用接口元件、机械结构、控制软件水平较高的系统。

从所要实现功能上来看，因为机电一体化系统(或产品)是由若干具有特定功能的机械与微电子要素组成的有机整体，要有满足人们使用要求的功能(目的功能)，所以根据不同的使用目的，要求系统能对输入的物质、能量和信息(即工业三大要素)进行某种处理，输出所需要的物质、能量和信息。因此，系统必须具有以下三大“目的功能”：①变换(加工、处理)功能；②传递(移动、输送)功能；③储存(保持、积蓄、记录)功能,不管是实现哪类“目的”功能的系统(或产品)，其系统内部必须具备如下图所示的五种内部功能，即主功能、动力能功能、检测功能、控制功能、构造功能。其中“主功能”是实现系统“目的功能”直接必需的功能，主要是对物质、能量、信息或其相互结合进行变换、传递和存储。“动力功能”是向系统提供动力、让系统得以运转的功能。“检测功能和控制功能”的作用是根据系统内部信息和外部信息对整个系统进行控制，使系统正常运转，实施“目的功能”。而“构造功能”则是使构成系统的子系统及元、部件维持所定的时间和空间上的相互关系所必需的功能。从系统的输入／输出来看，除有主功能的输入／输出之外，还需要有动力输入和控制信息的输入／输出。此外，还有因外部环境引起的干扰输入以及非目的性输出(如废弃物等)。

既然机电一体化系统(产品)可以分解成一系列要素或子系统构成，那么怎样使各要素或子系统之间顺利地进行物质、能量和信息的传递与交换呢?这就涉及到了接口的概念。所谓接口就是各要素或各子系统之间的联系条件。从系统外部看，机电一体化系统的输入／输出是与人、自然及其他系统之间的接口；从系统内部看，机电一体化系统是由许多接口将系统构成要素的输入／输出联系为一体的系统。从这一观点出发，系统的性能在很大程度上取决于接口的性能，各要素或各子系统之间的接口性能就成为综合系统性能好坏的决定性因素。机电一体化系统是机械、电子和信息等功能各异的技术融为一体的综合系统，其构成要素或子系统之间的接口极为重要，在某种意义上讲，机电一体化系统设计归根结底就是“接口设计”。广义的接口功能有两种，一种是输入／输出的功能；另一种是变换、调整的功能。

1.2机电一体化系统的相关关键技术

①机械技术：机电一体化的机械产品与传统的机械产品的区别在于：机械结构更简单、机械功能更强、性能更优越。在设计和制造机械系统时除了考虑静态、动态刚度及热变形等问题外，还应考虑采用新型复合材料和新型结构及新型的制造工艺和工艺装置。②传感检测技术：传感检测技术的内容，一是研究如何将各种被测量转换为与之成比例的电量；二是研究对转换的电信号的加工处理。机电一体化系统要求传感检测装置能快速、准确、可靠地获取信息。③信息处理技术：信息处理的发展方向是提高信息处理的速度、可靠性和智能化程度。人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术等都属于计算机信息处理技术的范畴。④自动控制技术：机电一体化系统中的自动控制技术主要包括位置控制、速度控制、最优控制、自适应控制以及模糊控制、神经网络控制等。⑤伺服传动技术：伺服传动包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置，常见的伺服驱动系统主要有电气伺服和液压伺服。⑥系统总体技术：机电一体化系统是一个技术综合体，它利用系统总体技术将各有关技术协调配合、综合运用而达到整体系统的最佳化。

2 机电一体化的设计过程

篇3

关键词：可编程序控制器;发展历程;重要作用

前言

随着工业生产技术的发展，传统的机械控制生产模式已经不能满足人们对生产生活的需求，因此现代工业已经摒弃传统的生产模式，取而代之的是集成化、规模化的生产为模式。可编程序控制器是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置，并且这种新型控制模式已经深入到了工业生产控制的各个模块，可编程序控制器在机电一体化的设计中也越来越得到了广泛的应用，PLC的应用也将是机电一体化设计发展的趋势。

1.PLC的定义和发展历程

PLC（可编程序控制器）是随着工业发展应运而生的一种以数字运算操作为基础的电子装置，其工作原理是采用可以编制程序的存储器来储存在控制器内部的各种运算及指令，其中包括计算机技术中的顺序运算、逻辑运算、算术运算等。

并通过转换器将人们输入指令转换成机器能够识别机器语言，转换完成后将指令输出最终达到控制机械生产的目的[1]。

上个世纪六十年代可编程序控制器的雏形就已经产生，进入七十年代后PLC技术在国外已经得到了发展，一些中小型的企业已经开始应用。经过几十年的发展，全球经济一体化进程加快的同时，发达国家更加注重了对可编程序控制器知识产权的保护。对于我国PLC技术来说，没有一个从研制开发到生产的过程，而是成套的设备引进来使得可编程序控制器得到广泛的应用。

2.PLC技术在机电一体化设计中的运用

PLC技术与其他的控制器相比，其操作更简单、抗干扰性强、稳定性和可靠性高。基于以上的优点，使得其在化工、电子、交通、机械等工业控制领域的机电一体化设计中得到了广泛的应用。

2.1 PLC技术在机电一体化设计中对运动控制的应用

在机电一体化设计中，PLC主要是实现控制功能，在运动控制方面，它可以有效的控制机械的直线运动和曲线运动甚至是圆周运动。在不同的工业生产中，PLC技术可以体现其不同的应用特点，在电气生产中，PLC技术可以很大程度上提升机械生产的性能，并可将自动化水平大大的增加。在设计运动控制的混凝土搅拌生产中，运用了PLC技术可以在很大程度上保证设备的稳定运行，经过实际研究分析，PLC技术可以有效的控制机械设备故障的发生率，为生产减少了能源的消耗，并提高了生产效率[2]。

2.2 PLC技术在机电一体化设计中对数据控制的应用

在机械加工的生产过程中，PLC会与计算机数据控制器组成一个整体，在控制机械加工运算方式的同时实现对数据的控制，通过窗口软件，技术人员可以自由的对设备间的数据进行共享并控制，从已有的PLC技术发展趋势来看，在今后的机电一体化系统中，基于PLC技术的控制将会占据主导地位。

2.3 PLC技术在机电一体化设计中对生产过程控制的应用

对于PLC技术能否在机电一体化设计中胜任重要的工作，要看PLC技术能否很好的对工业生产中生产过程进行很好的控制，在控制的过程中，技术人员可以根据相关的数据系数做为判定控制是否合格的重要标准，例如电压、电流、温度、压力等相关数据的系数。经过对相关数据系数的当前值和历史值的对比可以在第一时间得知机械生产过程中是否出现了故障及差错，从而保证生产的效率和企业的经济效益。在机械控制方面，PLC技术应用最广泛的控制方式就对生产过程控制[3]。

3.PLC技术在机电一体化设计中应用实例

3.1 PLC技术在供水系统中的应用

PLC技术在各个领域的到了广泛的应用，例如供水控制系统。随着城市居民对供水的大量需求，供水管网的流量必须要随用水量的变化而随机变化才能满足人们不同时间段对水量需要，传统的控制方式不能够控制的相对准确。因此水务企业在供水系统中应用了PLC技术。PLC技术可以保证管网的压力变化不会因为水量的变化而对供水系统产生影响。其工作原理为：当供水设备启动后其中一台水泵在控制器的控制下设定一定的速率升速运行，运行一段时间后，管网压力不断升高以后，可以将当电机的转速稳定在某一值，当用水量增大时电机转速可以随着水量的增加提高到一个新值并稳定。经过控制器的一些列控制可以在一定程度上减少供水过程中的资源浪费，还可以保证供水管道不会因为供水压力的不规律而产生的损害。

3.2 PLC技术在闸门控制系统中的应用

我国大多数的水库闸门控制仍然采用的是相对陈旧串阻启动控制柜，由于近些年技术和经济的不断发展，串阻启动控制柜已经不能体现其控制优势，相反的在串阻启动控制柜越来越展现了其接线工艺复杂、设备占地面积大的劣势。相关技术人员对原有系统的工作原理进行认真研究和现场实际考察，考察结果发现运用PLC技术的 控制器不仅可以改善原有控制器的缺点，还能使闸门升降过程中的动作更加简单，方便操作。其工作原理很简单，只需保证抱闸与电机同步运行

并同时监测变频器故障等信号，将内部指令结合闸位传感信号做成控制软件即可。

4.结语

经过本文以上的研究和论证分析，笔者可以得出以下结论，在机械控制领域PLC已经展现了其优势，并为机电一体化设计做出了贡献，但是在现实的成产生活中，为了能够实现可编程序控制器的强大功能，发挥真正的作用，还需要大家做进一步的努力，首先应该深入的了解控制器所控制的对象，其次应该将PLC技术科学合理的应用在机电一体化设计中。近年来我国机电一体化成为工业发展新亮点，随着我国工业向智能化、网络化发展的趋势，PLC已经展现了其强有力的优势和广阔的发展空间，并且将会为我国的机电一体化进程做出巨大的贡献。

参考文献：

[1]武文佳，丁广鑫，赵明艳，等.基于Solid Works&LabVIEW的虚拟原型机电一体化设计技术研究[D].西安电子科技大学，2012.

篇4

机电一体化异地设计活动中的产品建模问题,需要采取统一处理手段,特别是在端口多能量集成组件模型范围下,可以运用六元组形式加以清晰表述;而多能量端口则选用五元组加以表述。按照客观层面审视,端口变量包含广义速度与力变量元素,两者乘积即为功率量,不同组件之间会借用端口实施能量、信号交换。参数化集合模型,如液压系统、机械等都必须展现物理形式且保留一定质量,安装过程中仍须界定运动、散热问题,主要是因为任何组件不论结构形式或是功能行为,都必须利用几何、装配模型绽放,实际上就是运用系统可视化特征完成虚拟原型改造任务。再就是由于不同能量域的结构复杂,在此情况下参数化建模方法应保留一定特征,并且利用纹理、材质等三维建模技术,使得模型逼真之外更保留结构简洁性特征。机电一体化系统多能量域集成组件就是联合形状特征、约束零件模型进行装配,针对不同部件几何形态进行建模,包括不同刚性、可变性零件等;同时采取参数化约束模型和联结特征模型,针对不同联结装配关系实施建模改造,包括机械静联结等,进而建立整个机电一体化系统的可视化虚拟原型架构。

2机电一体化系统异地设计多能量域集成仿真技术解析

结合早期设计经验分析,有关产品功能需求与工作原理需要得到进一步重视,所以在设计计算期间应该针对系统内部组件形态加以简化,包括线性近似、阻尼刚性影响忽略等。目前设计精确度不断提升,有关CAD、行为、配置模型逐步完善;现实中系统中组件主要采用实际模型搭配,其间有必要针对系统实际性能指标加以预测。因为非线性、时变、离散等实际情况都要考虑在内,涉及传递函数形式开始不再适用,数值求解便成为唯一出路。需要特别注意的是,透过产品模型中推导出如果所有组件的行为模型都已知,则根据系统的配置模型,利用Mapple等工具包可以进行符号求解。但由于整个开发项目参与者之间存在竞争合作并重关系,这便导致系统组件行为模型的形式多样性,包括HDL、XML等可执行代码及其他MDL等。这时可将系统组件模型进行封装,通过提供封装器的标准API接口,可以开发出各种系统组件模型的封装器。利用封装器可以实现基于配置的多能量域集成聚台仿真改造。在此基础上,如果利用CORBA/JAVA/XML/Web技术,则可实现机电一体化系统异地设计的分聚台仿真目标。此外,基于XML的多能量域集成产品建模机电一体化系统异地设计的演化过程对组件的可演化性提出了很高的要求。就是在设计的早期阶段,强调组件的功能需求及性能、结构与形状方面的约束,此时主要定义复合组件的接口、配置模型、附加的约束;而在设计的后期阶段,强调组件在系统中的装配关系、端口连结关系以及组件内部各能量域内的行为属性参数件是否满足设计需求,此时需要详细定义组件的端口模型、配置模型、行为模型、几何模型、关联模型、约束模型。需要特别注意的是,整个开发项目中,任何参与者之间都存在竞争、合作关系,这便令行为组件模型样式更加丰富多样,如XML、可执行代码等,此时技术人员可考虑进行组件模型封装处理,并透过封装器标准化API接口实现配置多能量域集成聚合仿真操作目标。

3结语

篇5

关键词:机电一体化 系统 目标 实现

中图分类号:TH-39 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)04(b)-0106-01

机电一体化起源于上世纪八十年代的日本,它融合了机械、自动控制、伺服传动、电子、信息处理、传感检测、系统总体等多种技术,并综合应用到实际中去的综合技术。它不是上述技术的简单叠加,而是在从系统理论出发根据系统功能目标和优化组织结构目标,对各组成部分及其间的信息处理,接口耦合,运动传递,物质运动,能量变换进行研究,组成有机的系统,集成各种技术,并在系统软件程序和微电子的有序控制信号的作用下,使物质和能量形成有规律运动的轨迹,在多功能性、高精度、高安全性、高可靠性、低能耗等诸多方面实现多种技术功能融合成最优效果的系统工程技术。

1 机电一体化系统设计的目标

机电一体化系统的总体目标就是中和利用机械、电子、信息、控制等各种相关技术的优势,使系统的效果最优化,从而产生良好的经济和社会效益。具体可以分为以下几条。

1.1 提高系统的精度

机电一体化系统采用了大量的电子装置来代替传统的机械传动装置,消除了原来的机械损耗、弹性形变所引起的误差,简化了系统的结构,采用电子装置实现自动检测和控制,从而缩小了动态误差,使工作精度得到大幅度的提升。

1.2 增强系统的功能

由于采用了多种新型的技术,从而使传统的机械装置拥有了电气产品的功能,比如系统向智能化方向发展,在自动控制理论的基础上,吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学和动力学等新思想、新方法,模拟人类的功能,使它具有自动判断、逻辑推理、自主决策等能力,以求获得更高的控制性能。使原来的机械装置,拥有了人工智能的功能。

1.3 提高系统的安全行和可靠性

机电一体化系统由于采用了多种新型的技术,从而使系统具有自动检测的功能,当运行的设备中出现潜藏的故障时,系统可以实时进行在线检测和修复,从而提高了系统的安全性和可靠性。

1.4 降低能耗、节约能源

机电一体化系统采用了一些低能耗的电子装置,有些装置的材料是可以重复利用的,这些绿色材料在使用时不污染生态环境,报废后还能回收利用。这些低能耗的装置在使用的过程中节约了能源,符合现在建设资源节约型社会的要求。

1.5 提高效率、降低成本

由于使用了机电一体化系统,在产品的研发过程中,缩短了准备时间,减少了产品的开发时间,使不合格产品的数量大大减少,提高了生产效率,降低了成本。在产品的生产过程中,机电一体化系统可以使用计算机、数控机床等辅助设备,把人们从一些复杂、危险的劳动环境中解放出来,同时生产过程又可以实现过程控制,提高了生产效率。

1.6 简化系统的结构

传统的产品大都采用笨重的电气结构和机械变速装置,这不但阻碍了生产的效率,而且也增加了系统的体积和重量,在使用和维护的过程中带来了诸多的不便。现在采用微电子和集成电路构成的系统,不但大幅提高了生产的效率,还减小了系统的体积,简化了结构,减轻了重量。

1.7 降低了产品的价格

随着现代电力电子技术的发展,新型的电力电子器件层出不穷,新的生产工艺不断出现,而且电子器件的价格也在不断地下降,电子器件日益平民化,极大地扩展了使用的范围。而且功能越来越完善,维护越来越方便,使用寿命在不断地延长。所有这些因素相加导致产品的价格在不断地下降,从而反过来扩大其应用范围。

1.8 增加特殊的应用功能

随着用户对产品要求的多样性,系统可以通过软件编程或者是数控加工中心等来实现客户的产品的特殊要求,生产出个性化的产品,使其满足用户的要求及不同现场的需求。系统对这些功能的实现,形成了控制系统的智能化的发展趋势。

2 机电一体化系统设计的实现方法

2.1 机电互补法

机电互补法也就是我们常说的取代法,这种方法的特点是:为了逆补传统机械装置或者子系统的不足,而采用新型的电子元件来代替机械装置。该方法就是改造旧产品、开发新产品或对原系统进行技术改造常用的方法,也是改造传统机械产品的常用方法。比如用电气调速系统取代机械式变速结构等。

2.2 融合法

融合法就是将具有一定功能的部件或者子系统按照他们的功能有机的融合在一起,构成一些具有更高性能的系统。比如激光打印机的激光扫描镜,它就是电机的转子轴,这是执行元件和执行机构融合的一个具体实例。机电一体化系统强调技术的融合和学科的交叉作用,各单元相互辅助、相互促进、相互提高,使整体的功能远大于各单元的简单相加。

2.3 组合法

组合法就是将融合法所形成的标准功能部件或者子系统,按照功能分类,采用搭积木的方式组合成各种机电一体化系统。机电一体化产品的种类繁多,生产厂家众多,他们的产品也就五花八门,导致使用时不能通用,无形中浪费了大量的资源,因此,研制和开发具有标准机械接口、电气接口、通信接口、控制接口的机电一体化系统单元子系统就显得尤为重要。比如研制集减速、智能调速、电机控制于一身的动力单元模块,具有遥感、图像处理、路径识别等功能的控制单元,以及各种能完成典型操作的机械装置。利用这些标准单元模块就可以迅速开发出新的产品,同时也可以扩大生产规模。这样可以节约生产的成本,也便于后期的维修和护理。

3 结语

综上所述,机电一体化系统设计是一项非常复杂的工程,不是单一部门能够独自完成的,它需要众多行业合作才能实现。在设计系统时,应根据机械系统的结构特点来确定电气参数,综合运用多学科知识,充分体现机电一体化的优越性。

参考文献

[1] 武藤一夫.机电一体化[M].北京:科学出版社,2007.

篇6

根据机电一体化人才培养方案和本专业的课程设置，研究改革课程设计大纲基本要求。根据应用型和创新型人才培养要求，课题的方向主要分为两大方向进行选择：一类题目主要针对应用能力培养，把本专业的知识进行有机的综合，提高学生的综合实践能力；另一类题目主要针对创新能力培养，结合创新设计大赛相关题目，把本专业的知识进行创新性应用，提高学生的创新设计能力。普通型课程设计题目1）向学生征集。在课程中学生拥有与课程设计相关的好想法，可以展开讨论，要求对其方案进行分析，符合课程设计要求的，教师根据其内容下达课程设计的任务。实践证明，对自己提供方向的题目，学生的积极性会很强。2）选择典型机电一体化产品让学生进行设计，结合学生的实力进行选取，同时与本专业的专业方向尽可能的相关，开发学生的潜能。比如数控方向的学生，可以选择数控车床工作台二维运动伺服进给系统设计、数控铣床工作台三维运动伺服进给系统设计等，为未来职业发展打下好的基础。3）学习借鉴其他学校机电一体化设计的内容，在现有设计内容的基础上，根据本校本专业课程设置的特点，对设计的内容做以适当增减，以适合本专业的学生。创新型课程设计题目可以借鉴全国机械创新设计大赛的课题[3]，其中每届成功参与全国总决赛的作品都收录在决赛作品选集中，由高等教育出版社出版。这里面有比较好的案例，同时作品中也存在可以改进的地方，有兴趣的学生可以从中选择与机电一体化相关的课题，提升自己的能力。在条件允许的情况下，可以做出产品的模型，提高学生的机电一体化能力，同时也可以为学生参加今后的机械创新设计大赛做准备，做到“以学促赛，以赛促学”。在专业教学中，学生经常会困惑本专业毕业后到底有什么前途？能做什么？机电一体化课程设计教学贴近实际，能把多门专业课有机地结合起来，把枯燥的课本知识灵活地运用，极大地鼓舞了学生的兴趣，激发学生对实际问题的思考，对工程实践产生浓厚的兴趣。坚持理论教学与实践教学并重，可大幅提高教学效率和教学质量，同时为选拔优秀学生参加机械类学科竞赛提供条件。

2课程设计的实施方式

课程设计实施方案：设计报告书是对整个设计过程的总结和提升，也是进行工程交流的重要文献资料，通过指导学生撰写课程设计报告书，培养学生撰写工程技术文档的能力。对设计说明书的撰写，提出如下要求：1）严禁课程设计报告抄袭，基本工作独立完成；2）根据任务书能提出合理的设计方案和机构的工作原理；3）设计要符合国家标准，学会使用设计手册、专业术语、专业名词规范；4）设计图图纸规范，符合设计说明书的要求，不照抄手册和案例，设计参数与图纸相一致；5）学会使用专业相关软件，对设计的机械机构和控制部分进行分析和仿真，是验证设计正确的有效手段之一；6）课程设计配备了一些实际的零部件可供学生设计使用，以及基本的控制电路，学生要具备一定的实践操作能力，掌握器件的选择与焊接，会进行程序的编写，掌握系统故障的检测与维修能力。课程设计采用分组式进行，每个小组3～5人，视工作量而定。课题难度较大可以分五人，原则上一般三人为一组。每个小组在规定的时间完成基本要求，每个学生都要参与该组课程设计答辩，通过问题了解学生在课程设计中所做的主要工作，检查有无抄袭情况、有无坐享其成的学生，结合设计报告书的撰写质量和实际所做的产品质量进行综合评定。

3实施效果

通过在重庆大学机械电子工程专业的实践，在机械电子工程专业中开设机电一体化课程设计，已基本摸索出培养机电复合型技术人才的规律。普通型题目实现机电融合、知识整合理论教学与工程实践并重。由于在教学中缺乏机电知识综合运用能力的培养和训练，学生在学习了机械设计、机械制造和电子技术、计算机技术和传感器技术等基础课程后，不能很好地将机、电的知识融会贯通，大多数学生也只是了解基本的机电设备的基本功能，在系统运用中存在问题，在机电一体化系统的综合设计方面存在不少困难。通过开设机电一体化课程设计实践教学环节，通过理论设计与实际操作，比如数控工作台进给系统的设计，从电机、联轴器、丝杠、导轨的设计到型号的选择、控制单片机的设计与仿真，最终实现数控工作台进给系统的装配与调试。机电一体化课程设计对学生的理论知识与实践紧密地连接起来，提高了学生的综合应用能力。创新型题目为学生参加机械创新竞赛做了铺垫通过课程设计，为机械学科学生参加如全国大学生机械创新设计大赛做了铺垫。在第六届全国大学生机械创新设计大赛（重庆赛区）中，学生荣获重庆赛区一等奖一项、二等奖一项。其中，“幻显黑板”作品获得国家专利。该作品包括了框架的设计、传动系统布置，控制系统采用单片机控制，执行元件有步进电机、直流电机、电磁离合器、电磁制动器、光电编码器等器件。本次参赛作品充分运用机电一体化技术，机电一体化课程设计改革效果显著。

4结语

篇7

关键词：高职；机电；一体化模块

一、一体化模块教学概述

一体化教学模式是指在企业里学习实际操作和在职业学校学习理论知识平行进行，是企业训练与学校教育密切结合起来。接受双元制职业教育的学生，70%的时间在企业，30%的时间在学校。一体化教学是顺应当前职业技术教育发展而产生的一种教学模式，理论一实践一体化，即将课堂教学搬到实际操作室，把理论教学与实际操作融为一体，通过一体化教师的讲解、演示、巡回辅导等教学手段，让学生通过听、看、练等手法全面调动大脑的学习动机，使学生更快，更牢固地掌握所学知识。其主要特征是强调学生参与教学全过程，强调学生互相合作解决实际问题，强调以模块为基础的经验性知识培养。一体化模块教学模式要求理论教学与实践教学内容的一体化，课程以模块的形式组织，教师在知识、技能、教学能力上的一体化，同时还包含教学场所的一体化、教材教案的一体化、教学组织过程的一体化。

（一）机电一体化模块教学的内涵

一体化模块教学模式要求理论教学与实践教学内容的一体化，课程以模块的形式组织，教师在知识、技能、教学能力上的一体化，同时还包含教学场所的一体化、教材教案的一体化、教学组织过程的一体化。因此，一体化模块教学绝不是理论教学和实习教学在形式上的简单组合，而是从学生技能技巧形成的认知规律出发，实现理论与实践的有机结合。

通过一体化模块教学，实现了理论和实践的高度统一，教学更加直观、更加易学，突出操作技能的训练，使学生既具备必要的理论知识，又具备熟练的操作技能，还具有较强的发展潜能，学生毕业后能很快适应生产岗位，体现技工学校教育的特色，为社会输送高素质的技能型人才。

（二）机电一体化模块教学的基本特征

一体化模块教学具有很多明显的特征，它与传统的教学模式相比较主要具有职业定向性，情境性，互动性，实用性，高效性等基本特征。

1.职业定向性

一体化模块教学能够实现与专业培养目标的一致性。一体化模块教学的教学内容是以模块的形式来划分的，它不仅能满足学校教学大纲的要求，还能根据实际情况与企业生产实践相对应，有的甚至可以与工作岗位相吻合，因此课程的职业定向性十分明确。一体化模块教学的教学形式，以及课程内容都体现出很好的职业定向性。

2.情境性

一体化模块教学把理论教学与技能训练融为一体，学生在教师的指导下，通过对课程，对生产，对社会实践创设有挑战性的问题情境，实现教学与现实情境的沟通与融合。一体化模块教学能使学生在真实的现场来感知所学的内容，能在现实的操作过程中学习专业技能知识，进一步理解消化专业理论知识。

3.互动性

一体化模块教学的学习不是既定的，而是动态变化的，是由模块教学内容和研究方式交互作用而生成的。一方面，学习者不断地从模块课程内容中感知、提取信息，进行“交互”，正确理解事物运动状态与规律的表征，形成自己的心智结构；另一方面，不同学习者具有不同的经验世界，从而对某个问题有不同的看法，通过相互争辩，讨论，交流，实践，共同解决问题，可以形成更丰富、深刻的理解，从而获取更多的知识与经验。

4.实用性

“一体化模块教学”可以实现理论与实践的一体化，课程内容是经过教师反复筛选编制的，课程内容的深度和广度以实际工作需要为尺度的，课程重点在于职业技能的学习和养成，突出“宽基础”和“双融合”的原则。一体化模块教学的课程以能力为导向，能合理的处理专业基础知识与专业技能之间的关系，产学结合，突出实践，从而形成连贯的、全面的、完整的教学体系，具有很强的实用性。

5.高效性

“一体化模块教学"的课程设置打破了原有课程的模式，对知识和技能体系重新组合，删除了那些交叉重复的内容，可以有效的避免讲授知识的重复和理论实训课程的脱节，使学生的专业知识学习和专业技能的掌握相辅相承。

二、确立机电专业一体化教学采取的措施

（一）机电理论和实践一体化教学体系

树立综合职业能力的课程观，确立适合地域经济发展的机电专业的培养目标现代职业教育课程观的主要体现在以下几个方面：第一，课程目标由“知识主体”转变为“学生主体”。教学目标是学生个体以及他们心理和行为的变化。为此要研究学生的认识和学习规律，要使学生的各种学习任务与学生的学习规律保持一致。第二，教育导向要逐步转变为“企业专家导向”。传统的课程的设计通常由教育部门来决定，由于角色和角度的约束，课程往往侧重学科知识的系统性，易脱离市场实际。一体化本位课程则要求更多地听取、吸收、采纳机电行业专家们的意见和建议，以更好地把握职业岗位现在和将来对从业人员的能力要求。第三，综合职业教育能力课程的中心是学生，教师将成为学习的促进者和组织者。为适应个体差异，学生可以有不同的课程内容和学习进度。

（二）构建一体化实训教学场所

（1）在实训基地仿真实训。校内实训基地应满足机电仿真实训f的需要，加大软、硬件设施投入，再造校内实习、实训真实工作场景，使学生在校内基地进行仿真实践，切实培养其职业素养和技能。机电专业教师进行相应实训指导，实现职业技能与职业素养一体化培养。

（2）在校外实训基地现场实训。校外实训基地主要是企业，为高职院校学生提供包括基本技能和综合能力两方面的真实的实践环境。由于学生在校外实训基地是顶岗培训，在各个实训项目中均安排了技能训练。通过有关设备及工具的使用，掌握本专业仪器设备的操作技能并熟悉其原理、结构和性能等，为学生今后工作打下基础。另外，学生在实习期间不仅能取得实际工作经验，还能培养团队协作精神、群体沟通技巧、组织管理能力和领导艺术才能等个人综合素质。

参考文献：

[1]陶晓峰.高职机电实训一体化教学改革研究.南昌大学，2010-2

篇8

关键词：机电一体化；执行元件；方案设计

机电一体化技术的迅速发展使得机构在实现原理和组成内容等方面有了突破性的进展，发展成为具有更广泛意义的广义执行机构。广义执行机构是由是驱动元件与执行件(或执行机构)组成的可控执行机构，是机电一体化系统的核心。广义执行机构最主要的特点就是可控性，它的输出运动是由机构参数和输入函数共同决定的，改变控制程序就可使同一机构系统实现不同需要的输出运动或改进机构的运动和动力参数，因此广义执行机构具有传统机构无可比拟的优越性和更大的设计空间。电动机是将电能转化为机械能的装置，可以说是现在世界上使用最普遍的装置，如果没有电机这样的装置，我们甚至无法想象我们这个世界会是什么样子。但原始的电机的功能却是单一的，就是接受电流以后转动，转数是恒定的，然而，人们对生产、生活的速度要求却是多种多样的，由它带动的机械对转数的要求也是多种多样化。

一、总体方案设计思路

1．总体设计要求

盖板能够实现可靠的打开及关闭是实现远程操控系统在各种恶劣环境下可靠地执行勤务和值守任务的保障，也是远程操控系统实现从勤务状态到戒备值守状态快捷、可靠、准确转换的关键。因此，为使此机电一体化执行元件在远程操控的各种工作状况下均能可靠地工作，其总体设计应满足如下要求：(1)应保证盖板在关闭状态下，密封可靠．具有防雨、防潮、防盐雾侵入等功能，并且使关闭后的盖板结构牢同，具有防盗、防撬和防撞击功能。保证此机电一体化执行元件在承受较大的外力撞击后，仍能正常可靠地工作，盖板仍能正常、轻松地开启。(2)盖板的开启和关闭应平稳、可靠、快捷，并可同时实现自动扁闭和应急人工手动启闭。具有机电联动互锁功能，保证自动启闭可靠、准确，手动扁闭轻松、方便，不误动，不锁死。(3)此机电一体化执行元件结构应尽量紧凑、体积小、重量轻，以便于在整个系统中的结构布置。(4)所控制的盖板在开启位置同样应保持锁定状态，并能保证在承受高频、强冲击载荷作用下不致松脱，从而造成误关闭的现象。

根据以上总体设计的要求，初步设想盖板采用骨架式蒙皮结构，为防止盗撬并适应各种恶劣的工作环境，盖板的启闭门轴以及启闭用机电器件在盖板关闭的状态下均应藏在平台本体的内侧。盖板关闭的锁定装置考虑采用具有防盗撬功能，能同时承受纵横向载荷的卡板式机械电子双控互锁式门锁，要求门锁在盖板承受较大的撞击后，仍不失效且能正常开启。另外，卡锁装置应与盖板自动启闭驱动和传动装置实现联动。当采用电子开锁时，应在开锁同时，接通驱动电机和电磁离合器，使盖板自动启闭。而当采用机械开锁时，则应切断驱动电源并使离合器分离。

2．机电一体化执行元件组成和接口

本文所研究的机电一体化执行元件主要分为三个部分：机械部分、电驱动执行部分、信号检测及控制部分，机械部分主要包括盖板、滑轨、减速器、丝杠等构件。电驱动执行部分主要包括驱动电机、电磁离合器以及卡锁电磁铁等构件。信号检测及控制部分主要有单片机、各传感器及数据传输总线组成。机械部分和电驱动执行部分完成整个过程巾的运动和能屠传递，信号检测及控制部分负责监测和接收盖板的状态信号，对数据和信息进行存储、变换等处理，并发送指令给驱动电路，以完成规定动作。

二、各组成部分方案设计

1．机械传动部分设计

本机电一体化执行元件的传动机构主要由电机、减速机构、离合器和丝杠等组成。通过驱动电机，经减速器带动丝杠转动，然后再通过与之配合的螺母把丝杠的旋转运动转变为盖板的平行运动，从而控制盖板的打开与关闭。减速器采用齿轮减速，主要是考虑其体积小，重量轻，传递转矩大，并且启动时转动惯量较小。采用滚珠丝杠主要是考虑其传动比大，轴向推力大，可使盖板肩闭轻松方便，另外，滚珠丝杠为非自锁丝柙，其传动具有可逆性，当位于减速器与滚珠丝杠之间的离合器脱离时，盖板町采用手动启闭，而不会由于传动链逆向自锁而卡死。

2．机电一体化执行元件工作流程分析

此机电一体化执行元件要实现远程控制，通过操作上位机发出指令来控制远程的电机正反转以及停转来控制盖板的打开和关闭。并通过检测装置检测盖板的位置和工作情况，并把盖板的工作状态反馈给上位机。在本机电一体化执行元件中主要是对盖板打开以及闭合的控制、卡销电磁铁和电磁离合器的控制。经过各方面的考虑，其中包括成本的考虑，选择采用位置控制的方式。通过对被控对象位置的检测达到系统控制的目的。盖板开启至工作位置时的锁定可采用常闭式电磁铁控制锁定销的运动来实现。在开启位置卡锁电磁铁断电将盖板锁定。而要将盖板关闭时，电磁铁工作，盖板解锁，即可在动力驱动下关闭。盖板的锁定机构要同时具有手工解锁功能，以备手动启闭盖板之需。

三、信号检测与控制部分方案设计

在盖板平台的控制系统中，单片机控制器通过CAN总线可以从上位机获得控制指令和运动数据，控制器输出的控制信号，经电机驱动器处理后控制直流电动机，从而控制盖板的运动。主控模块作为控制系统的核心部分对此机电一体化执行元件进行统一安排和调度，它通过分析监控平台传送的控制指令、系统状态和全局环境信息，规划盖板运动的轨迹并完成相应的运动控制。控制部分实现的功能：(1)实现盖板的开关动作：在单片机的作用下，控制电机实现盖板的开关动作。(2)实现微机软件控制盖板：利用计算机的软件实现单片机与上位机的通信，完成盖板的开关动作。其中系统的主要部分就是单片机控制外部电机的转动以及单片机和上位计算机的通信。这两个功能正是单片机系统中常用的关键技术，本论文在后面的章节中将会着重介绍这两个方面的功能。此系统具有以下特点：(1)使用方便：体积小，重量轻，不占用太多的空间。(2)操作简单：操作人员通过远程计算机实现盖板的开关动作。(3)程序简单：无论是计算机还是单片机的程序都很简单，不占用太多的程序空间。(4)成本低：使用最为简单的控制方案。本系统对盖板的控制更加智能化，开关过程更加可控化，可以利用一个单片机控制多个盖板的开关动作。甚至可以通过微机和单片机的连接，在用户的可视化窗口上随时控制盖板的开关，从而形成一个较为智能的盖板控制系统。基于单片机的盖板检测与控制系统可以分为：(1)微机及控制软件：提供用户微机程序界面，并将用户对盖板的操控转化为控制指令发送到下位机。(2)单片机控制单元：监测和接收外部状态信号，并发送指令给驱动电路，控制盖板的开关。(3)驱动电路：驱动盖板的电机动作，带动传动机构实现盖板的开关。(4)检测部分：利用传感器检测各器件的状态，并进行反馈。

总之，随着科学技术的飞速发展，特别是机电一体化技术在诸多领域的应用，促使系统的智能化程度越来越高，并日益成为此类执行元件发展的一大趋势。

参考文献：

[1]李慧君，张青，田志斌．机电一体化系统概念设计过程模型的研究．机械设计与研究。2002，11―12

[2](日)曲泽真渊．电动机的选择和使用方法．上海科学技术文献出版社．2006（03）

篇9

关键词：机电一体化 互动教学 实践教学 项目教学

科学技术的高速发展和不断进步使机械制造业发生了巨大的变化。以信息技术为代表的高新科技向机械行业的渗透，使得现代机电产品不再是单纯的机械构件，而是机械、电子、计算机等集成的所谓机电一体化产品[1]。社会对机械专业人才的要求越来越趋向于复合型、应用型，因此高校教师在传授专业知识的同时必须注重学生知识的拓展和综合应用。机电一体化系统设计是一门融合了机械、电子、控制等多学科的综合性课程，对培养学生的综合设计能力以及系统工程意识具有重要作用。

1课程理念及体系构建

机电一体化系统设计是机械设计制造及自动化专业的一门重要专业课程。本课程融合了机械技术、电子技术、传感检测技术、自动控制技术、信息处理技术等多种技术于一体，是对基础课、专业基础课等知识的综合应用，也是理论与工程实践相结合的课程[2]。

本课程主要介绍了机电一体化系统的基本构成、执行装置、检测元件、控制系统等内容，各章节结构图如图1所示[3]。第一、二章是机电一体化系统及设计方法的概述。第三、四章介绍各种执行装置和检测元件的构造、原理及使用方法。第五章讲解控制系统及接口的设计。第六章是前面章节知识的综合与应用。

图1 机电一体化系统设计课程章节结构图

由于在本课程开设之前，学生已经学习了机械原理、控制理论、检测技术等相关课程，因此应该着眼于学生综合设计能力和系统工程意识的培养，而不只是各部分知识的简单重复和回顾。此外，由于本课程与生产、生活实际紧密联系，可以结合案例分析、讨论与互动、实践教学等多种方式开展教学活动。

2 教学方法改革

由于受传统教育观念和教学条件的限制，机电一体化系统设计课程过去以教师讲授为主，学生只能被动地接受，学习的主动性和积极性不能有效发挥。本文依据该课程各章节教学重点的不同，采用不同的教学方法对学生进行引导，培养学生学习的兴趣，提高学生的综合能力和素质。

2.1 知识精讲

机电一体化系统设计课程涉及的知识面广、综合型强，但理论课时并不多。因此，需调整与先修课程的关系，删减重复部分，精讲内容要少而精，重点介绍机电一体化系统各组成部分的原理、作用及相互联系。理论知识讲解的同时需结合案例分析，加深学生对相关知识的理解。此外，还可以利用动画、视频等多媒体手段，帮助学生了解最新的研究成果，掌握最新的行业动态，避免教学与生产实际脱离。例如，在讲授执行装置构造及使用方法时，可以略过学生已经重点学习过的电动机工作原理及特性，对液压和气动执行装置也只做简单介绍，而重点比较三种执行装置的性能、适用范围及应用。通过对工件输送系统的分析，学生理解气动执行装置的原理以及在机电一体化设备中的作用。采用视频资料与教师讲解相结合的方式，介绍压电、静电、形状记忆合金等新型执行装置，在开阔学生视野的同时加深其对执行装置的理解。

2.2 讨论与互动式教学

教学过程是教师和学生以信息为载体的互动过程[4]。为了让学生参与到课堂教学中来，体现学生学习的主体性，而不是作为课堂的看客或被灌输的对象，可以在知识精讲的基础上融入讨论与互动式教学方法。教师通过本课程的重点、难点、疑点问题，引导和启发学生思考，激发学生听课的热情和积极性，实现师生互动[5]。例如，在介绍机电一体化系统的基本构成时，安排学生分组了解一种机电一体化设备，掌握其基本工作原理及组成要素，并在课堂上利用PPT、视频资料进行讲解。教师针对该设备的工作原理及过程进行提问，同组同学展开讨论并进行解答。讨论课气氛活跃，学生积极性较高，达到较好的教学效果。

2.3 实践教学

机电一体化系统设计是一门与生产、生活实际紧密结合的课程，因此在课堂教学之外还应当利用已有的教学和实验条件让学生接触实际的机电系统。在检测与传感器技术的授课过程中，笔者利用数控加工中心和工业机器人进行实践教学。学生通过观察两种设备所使用的光电编码器、直线光栅尺和接近开关，对传感器的工作原理有了进一步的认识。在操纵数控机床和工业机器人的过程中，学生可以掌握传感器在各自系统中的作用。此外，通过对数控机床和工业机器人所使用的交、直流电机以及液压和气动系统的介绍可以帮助学生巩固执行装置部分的知识点，起到温故而知新的作用。总之，实践教学可以加深学生对知识的理解，密切知识体系间的联系。

2.4项目教学

为了提高学生系统设计能力和工程意识，将所学知识融会贯通，在本课程的授课过程中采用了项目任务教学的方法。项目教学是以工程实践为导向，通过完成一个完整的“项目”工作而进行的实践教学活动[6]。将本课程所涉及的知识点通过一个明确的“项目任务”布置给学生，学生根据任务要求，进行资料整理―系统方案设计―子系统设计及实现―系统方案优化。

全方位移动机器人设计就是适合本课程的一个较好的“项目任务”。该项目集硬件与软件设计于一体，所涉及知识包括执行装置、传感器、控制系统及接口电路等，对于巩固知识、培养综合设计能力具有重要作用。学生选定题目后：（1）查找相关资料了解全方位移动机器人的基本技术。此过程培养了学生检索科技文献的能力，为随后的毕业设计奠定了良好的基础。（2）确定全方位移动方案，并将机器人分为移动机构、控制系统、传感器模块、通讯模块等，绘制基本的硬件结构框图和总体的软件流程图。在这部分主要培养学生的系统观念，使其能够从宏观上把握全局，制订合理且可行的方案。（3）各子系统的硬件、软件设计及实现。子系统的设计过程也是知识的掌握和应用过程，明确的学习目的能够有效提高学生的学习效率。（4）机器人各子系统的联合调试及方案优化。子系统联调过程必然会出现冲突和矛盾，如何从系统角度出发解决出现的问题并进行方案的优化，同样是对学生综合能力的培养和锻炼。

通过全方位移动机器人设计这一项目，学生明确了学习的目标和任务，积极性和主动性有较大提高。在完成项目任务过程中，学生加深了机电一体化相关知识的理解，并将各部分知识融会贯通，有效培养了学生的系统观念和工程意识。此外，以团队形式来完成任务有利于学生协作意识的培养及综合素质的提高。

3 结束语

在机电一体化系统设计课程中采用知识精讲、讨论与互动式教学、实践教学、项目教学等多种方法相结合的方式进行教学改革和探索。教学实践表明几种教学方法相结合的方式可以让学生参与到教学活动中来，提高学生学习的积极性和主动性，对于培养学生的综合设计能力和工程应用能力具有积极作用。

参考文献

[1]杨叔子，张福润.面向21世纪改革机械工程教学[J].高等教育研究，2000（4）：73-77.

[2]丁文政，王娟，汪木兰.机电一体化系统设计课程教学改革探索[J].中国现代教育装备，2012（3）：80-81.

[3]高森年. 机电一体化[M].北京：科学出版社，2001.

[4]姚蓉.谈如何搞好大学教学中的课堂互动[J].中国大学教育，2008（7）：71-74.

篇10

关键词： 机电一体化 系统设计 综合实验 改革实践路径

机电一体化课程设置的基础是让学生掌握机械系统的具体设计方法和设置步骤，并在此锻炼学生的数控编程能力，但是受到新的发展形式的影响，该课程的很多弊端逐步暴露出来。如，设备只有一台，学生多次拆装后，设备中的很多元器件已经被损坏，或者丝杠和导管出现不同程度的磨损，不能验证编制程序，这将对培养学生动手能力起到阻碍作用，故此该教学环节需进行改革与优化。

一、机电一体化综合实践设备改革的前提条件

（一）配备高素养的师资队伍

由于机电一体化需要涉及机械、电工、电子等相关专业，在专业化基础建设的过程中，每一个部分都要设置相关的教师开展专业化的指导，这是实现机电一体化的前提条件。同时要求机电一体化教研时和实验室需经多方切磋做好专业教学评定，并追踪确立专业指导教师，这些教师中有专业任课教师、专业实验教师，兼顾设备设计中的各个专项领域，为学生的实验教学活动保驾护航。

（二）专业化教材编写

机械一体化教材的编写需要从头开始，这是促进学生专业发展的关键要素。由于教材是学生获取知识的“阵地”，好的教材能够给学生提供更好的指导作用，学生根据教材的章节设置要求，能够制订教学计划，并结合教材开展实验教学活动，教学内容涉及基本信息评定、实验目的、实验任务等相关的流程。

二、综合实验开展的特色化表现

（一）机电一体化产品

MPS即模块化生产加工系统，是德国的FESTO公司在结合现代化工业特色的前提下研发出的模拟自动化生产流程，主要工作过程过程包括供料工作站、检测工作站、加工工作站等几部分，控制时主要通过I/O数据通讯方式控制整个工作站的具体状况。由于该教学培训系统主要蕴含的内容包括：机械设计、传感器设计、气动技术等。故此，该技术是在工业自动化领域内建立的完整的教学系统。

（二）面向实际的培训设备

从工厂的角度出发，可以获悉面向实际的培训是趋向于理想的培训，工厂在进行实地的培训会让生产系统产生故障，并由此引发生产的风险，甚至在整个生产过程中出现破坏的状况，这一理想通常是不可行的。但是若使用FESTO则能较好地解决这一问题，由于该系统能够模拟整个实际生产的全部过程，因此在实验室运行过程中要求技术人员对设备进行安装、调试和编程等环境的支持，并在此期间维护和确定排除系统故障的工作。

三、综合实践成果总结

（一）独立完成机械图纸设计

由于该设备使用时没有提供相关的机械图纸，学生在实践过程中需根据装备初期的状况做好装配结构的分析与组成要素，并进行测绘，学生可以在短时间内绘制出每一站的机械系统CAD装配图纸，并将各个零部件标注清晰。

（二）独立完成PLC程序设计

该设备最初配置的PLC是西门子公司的可编程控制器，设备供应商在设备供给时只能提供PLC的程序。但是在课程讲解中需要运用欧姆龙公司生产的PLC程序设计，所以学生在使用时更偏重于欧姆龙公司生产的PLC编程模式。设备采购过程中应明确说明安装欧姆龙公司生产的PLC，取代西门子公司的PLC程序，但是很多设备提供商还不能提供欧姆龙的PLC程序。学生在学习时就要根据光盘提供的每站动作录像做动作分解，并画出动作的流程图或者梯形图等，编制正确的PLC程序，学生在完成时需要结合以往学习过的知识做新知识的延伸，且由于每个学生对程序有不同的理解，因此学生都能独立完成学习任务，这将大大提高学生的自主学习能力，并能在此基础上完善学生的知识体系。

（三）独立完成电气原理图和气动回路原理图

在拆装电气或者气路部分的管线装置，学生能够了解I/O口线的地址，并连接所有的控制元器件，弄明白气动电磁阀、气缸或者电机等元器件的具体工作原理和控制要素，学生通过实际手动操作，对位置有初步了解，绘制电气原理图的时候对各个元器件的位置有深刻印象，也能独立完成电气原理图和气动回路图，学生在原课本中的知识就能充分运用到实验过程中，对知识的理解将进一步升华，并对知识的具体使用有新的认识。

（四）答辩夯实毕业设计基础

答辩时要求小组代表先花费十分钟的时间整合整个设计过程，并在综合实践组织的过程中做好任务的分配和实验的全过程跟进，然后指导教师结合实验情况有针对性地对小组成员提出问题，并根据情况做好记录和评分，这样才能客观体现出学生的真实实验成绩。

机电一体化系统设计的综合实验主要是运用闭环式的教学模式，其中涉及的内容包括学生四年时间内学习到的机械制图、机械原理、接卸设计等相关内容。学生在学习期间通过亲自动手拆装和测绘，并在编制和调试的过程中，对知识有新的认识，并且提高动手能力，用以培养创新思维能力。

参考文献：

[1]鞠勇.面向实际工程应用的PLC实验室建设[J].实验室研究与探索，2002，（01）.

[2]林志坚，沈萌红.基于仿真技术的PLC模拟实验系统[J].实验室研究与探索，2006，（02）.

[3]鲁晓阳.中等职业学校网络型PLC实验室建设和课程开发[D].浙江工业大学，2007.