机械电子学1-3章教案

教案2014-2015学年第一学期课程名称：机械电子学课程编号：064100300学院、专业、年级：机自125，126任课教师：崔华丽教师所在单位：机械工程系中原工学院信息商务学院课程简介机械电子学是机械设计及其自动化的专业课，主要目的在于帮助学生全面了解机械设计制造及其自动化专业的知识体系构成，并掌握一定的必要的基础知识。重点在于了解机械技术、微电子技术和信息技术有机地结合为一体的方法。充分发挥机械技术、微电子技术和信息技术的各自的长处和特点，促进机械产品的更新换代。了解该体系各构成部分的基本原理和应用，并为后续课程的学习打下必要的基础。本课程“以机为主、以电为用、机电结合”，系统地介绍了机电一体化技术的基本组成、原理、设计方法，详细介绍了该系统组成的各个技术模块的性能特点和优化设计技术，系统地介绍了整体系统的设计原则和技术方法。最后，通过大量的机电一体化系统设计实例，使读者能快速掌握机电一体化系统的设计思路与设计方法。通过这门课的学习，可以使学生快速、全面地掌握机电一体化系统的原理、应用原则和设汁方法，达到熟练地实现机电一体化系统设计和应用的目的。机电一体化技术（电子工业出版社/孟中凡）第一讲第一章概论一、教学目标与要求1、使学生理解机电一体化的基本概念；2、使学生熟悉机电一体化关键技术；3、使学生了解机电一体化的发展概况。二、重点及难点重点：机电一体化关键技术；难点：机电一体化关键技术。三、教学内容、方法手段、时间安排及板书设计1、课堂教学采用启发式、讨论式的教学方式，因材施教、课内外结合的方法，主要为多媒体加板书方式，在多媒体教室进行。2、方法手段：以讲授为主，辅以举例3、时间安排：机电一体化的基本概念---------------------------------（20分钟）机电一体化关键技术------------------------------------（40分钟）机电一体化的发展概况----------------------------------（30分钟）四、教学小结、复习思考题及作业题、课外学习任务及要求1、小结：机电一体化的基本概念；机电一体化关键技术；机电一体化的发展概况。2、作业：五、教学内容设计1.1机电一体化技术的概念1.1.1机电一体化系统的功能构成及定义“机电一体化”是机械技术、微电子技术相互交叉、融合的产物。图1-1机电一体化系统组成1.1.2机电一体化系统的结构要素机电一体化内部所具有的功能主功能（变换、传递、存储）动力功能检测功能控制功能1.1.3机电一体化产品的分类数控机械类电子设备类机电结合类电液伺服类信息控制类1.2机电一体化关键技术机械设计技术计算机与信息处理技术自动控制技术传感与检测技术执行与驱动技术机电一体化总体设计技术机械技术（机械学、机构学）机电一体化技术领域微电子技术（半导体技术、计算机技术）1.3机电一体化的发展概况1.3.1机械技术发展的总趋势阶段机械技术的发展代表的产品赋予机械的功能第一阶段机构的发明凸轮、齿轮、轴承、联轴器作业功能第二阶段使作业机构动作的动力机械的发明蒸汽动力、内燃机、电动机动力功能第三阶段自动控制技术的发明传感器、伺服系统测定功能第四阶段微电子学的发明大规模的集成电路、微型计算机智能功能1.3.2国内外机电一体化发展状况机电一体化技术的发展大体上可分为三个阶段20世纪60年代以前为第一阶段，也可称为“萌芽阶段”。信息技术的职能是能够提高或扩展人类的信息能力的方法和手段的总称。20世纪70年代至20世纪80年代为第二阶段，称为“蓬勃发展阶段”。从20世纪90年代后期开始为第三阶段，称为“智能化阶段”，机电一体化技术向智能化新阶段迈进。1.3.3机电一体化技术的发展趋势1．智能化2．模块化3．网络化4．微型化5．绿色化6．人性化第二讲第二章机械系统设计技术一、教学目标与要求1、使学生了解了解机械设计的基本知识；2、使学生了解常见机构传动设计的原理及特点。二、重点及难点重点：常见机构传动设计的原理及特点；难点：常见机构传动设计的原理。三、教学内容、方法手段、时间安排及板书设计1、课堂教学采用启发式、讨论式的教学方式，因材施教、课内外结合的方法，主要为多媒体加板书方式，在多媒体教室进行。2、方法手段：以讲授为主，辅以举例3、时间安排：机械设计的基本知识---------------------------------（30分钟）常见机构传动设计的原理及特点-----------------------（60分钟）四、教学小结、复习思考题及作业题、课外学习任务及要求1、小结：机械设计的基本知识；常见机构传动设计的原理及特点。2、作业：五、教学内容设计2.1机械设计概述2.1.1机电一体化对机械系统的要求（1）采用低摩擦阻力的传动部件和导向支撑部件，如采用滚珠丝杠副、滚动导向支撑、动（静）压导向支撑等。（2）缩短传动链，提高传动与支撑刚度，如用加预紧的方法提高滚珠丝杠副和滚动导轨副的传动与支撑刚度；采用大扭矩、宽调速的直流或交流伺服电机直接与丝杠螺母副连接并减少中间传动机构；丝杠的支撑设计中采用两端轴向预紧或预拉伸支撑结构等。（3）选用最佳传动比，以达到提高系统分辨率、减少执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能提高加速能力。（4）缩小反向死区误差，如采取消除传动间隙、减少支撑变形的措施。（5）改进支撑及架体的结构设计以提高刚性，减小振动，降低噪声。如选用复合材料等来提高刚度和强度，减小质量、缩小体积使结构紧密化，以确保系统的小型化、轻量化、高速化和高可靠性。2.1.2机械系统的组成传动机构导向机构执行机构2.1.3机械参数对系统性能的影响1.刚度2.惯量3.摩擦4.传动误差5.谐振频率2.2传动机构的设计2.2.1机械传动装置常用的机械传动部件有螺旋传动、齿轮传动、同步带、高速带传动以及各种非线性传动部件等，其主要功能是传递转矩和转速。2.2.1.2带传动1、组成：主动轮、从动轮、张紧在两轮上的环型传动带。2、原理：原动机驱动主动轮转动时，由于带和带轮间的摩擦（或啮合），便拖动从动轮一起转动，并传递一定动力。3、特点（1）优点带具有良好的弹性，可以缓和冲击，吸收振动，传动平稳，噪声小；过载时，带在带轮上打滑，可防止其他零件损坏，起安全保护作用；适用于两轴中心距较大的场合；结构简单，制造、安装和维护方便，成本低。（2）缺点带在带轮上有相对滑动，不能保证准确的传动比；传动效率较低，带的寿命较短；传动的外廓尺寸大；带传动需要张紧，支撑带轮的轴和轴承受力较大；带传动中的摩擦会产生电火花，不宜用于易燃、易爆等场合。4、主要参数：包角α、基准长度Ld、中心距a及带轮直径dd1、dd2。2.2.1.2谐波齿轮传动1、特点：结构简单、传动比大（几十到几百）、传动精度高、回程误差小、噪声低、传动平稳、承载能力强、效率高。2、工作原理：谐波齿轮传动与少齿差行星齿轮传动十分相似。它是依靠柔性齿轮产生的可控变形波引起齿间的相对错齿来传递动力和运动的，因此它与一般齿轮传动具有本质上的差别，如下图所示，谐波齿轮传动由波形发生器3（H）和刚轮l、柔轮2组成。3、应用领域：工业机器人、航空、火箭等机电一体化系统。2.2.1.3滚珠螺旋传动滚珠丝杠副：应用十分广泛。1、组成：滚珠丝杠副是在丝杠和螺母间以钢球为滚动体的螺旋传动部件，它可将旋转运动变为直线运动，或相反。d0－公称直径；Dpw－节圆直径；α－接触角；Ph－导程；φ－螺旋角2、滚珠的循环方式滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有内循环和外循环两种滚珠丝杠l1Dd1d0DpwDWφαPh滚珠螺母钢球第三讲第二章机械系统设计技术一、教学目标与要求1、使学生了解支撑导向部件的组成及分类；2、使学生了解几种常见的支撑部件的组成及使用。二、重点及难点重点：常见支撑部件的组成及使用；难点：常见支撑部件的组成及使用。三、教学内容、方法手段、时间安排及板书设计1、课堂教学采用启发式、讨论式的教学方式，因材施教、课内外结合的方法，主要为多媒体加板书方式，在多媒体教室进行。2、方法手段：以讲授为主，辅以举例3、时间安排：支撑导向部件的组成及分类---------------------------------（30分钟）常见的支撑部件的组成及使用-------------------------------（60分钟）四、教学小结、复习思考题及作业题、课外学习任务及要求1、小结：支撑导向部件的组成及分类；常见的支撑部件的组成及使用。2、作业：五、教学内容设计2.3支撑导向部件的设计组成：导向支撑部件、轴系支撑部件、旋转支撑部件和机座机架。2.3.1导向支撑部件1、导轨副组成：主要由承导件1和运动件2两部分组成。2、导轨副的分类3、导轨副间隙的调整常用的调整方法有压板法和镶条法两种。对燕尾形导轨可采用镶条（垫片）方法同时调整垂直和水平两个方向的间隙。对矩形导轨可采用修刮压板、调整垫片的厚度或调整螺钉的方法进行间隙的调整。2.3.2轴系支撑部件轴系支撑机构由轴及安装在轴上的齿轮、带轮等传动部件组成。12滑动导轨滚动导轨流体介质摩擦导轨气体、液体弹性摩擦导轨片簧型膜片型柔性铰链型动压型静压型动静压型滚柱（针）型滚珠型滚动导轨块型滚动轴承型圆柱型棱柱型组合型1、轴的分类：转轴、芯轴、传动轴。2、轴上零件常用的轴向固定方法：轴肩和轴环、套筒、圆螺母、弹性挡圈、轴端挡圈。3、轴的周向固定：紧定螺钉固定、销钉固定、过盈配合固定。轴毂联结主要是使轴上零件与轴周向固定以传递转矩。常用：键联结、过盈联结、无键联结、销联结、螺纹联结。LdA型B型C型hb1011987121234561、4—轴头；2—轴肩；3、6—轴颈；5—轴环；7—轴承盖；8—滚动轴承；9—齿轮；10—套筒；11—带轮；12—轴端挡圈2.3.2.3轴承轴承是机械传动中的关键部件，在机械零件设计时，要能够根据轴承手册选用合理的轴承。轴承可分为滑动摩擦轴承（简称滑动轴承）和滚动摩擦轴承（简称滚动轴承）。1、滑动轴承的失效形式：磨粒磨损、疲劳剥落、刮伤、腐蚀、胶合。2、滚动轴承的失效形式：疲劳点蚀、塑性变形、滚动轴承的密封。3、轴承的润滑非常重要。2.3.3旋转支撑部件1、旋转支撑的种类及基本要求方向和置中精度、摩擦阻力矩的大小、许用载荷、对温度变化的敏感性、耐磨性以及磨损后补偿的可能性、抗振性及成本。2、圆柱支撑2.3.4机架与机座1．机座机架的作用及基本要求刚度与抗振性热变形稳定性（a）134dd12（b）第四讲第二章机械系统设计技术一、教学目标与要求1、使学生了解执行机构设计原理；2、使学生了解齿轮变速机构电机的设计步骤。二、重点及难点重点：齿轮变速机构电机的设计步骤；难点：齿轮变速机构电机的设计步骤。三、教学内容、方法手段、时间安排及板书设计1、课堂教学采用启发式、讨论式的教学方式，因材施教、课内外结合的方法，主要为多媒体加板书方式，在多媒体教室进行。2、方法手段：以讲授为主，辅以举例3、时间安排：执行机构设计原理-----------------------------------（40分钟）齿轮变速机构电机的设计步骤-----------------------（25分钟）四、教学小结、复习思考题及作业题、课外学习任务及要求1、小结：执行机构设计原理；齿轮变速机构电机的设计步骤。2、作业：五、教学内容设计2.4执行机构设计2.4.1微动机构1、定义：微动机构是一种能在一定范围内精确、微量地移动到给定位置或实现特定的进给运动的机构。2、特点：灵敏度高，最小移动量能达到使用要求；传动灵活、平稳，无空程与爬行，制动后能保持稳定的位置；抗干扰能力强，响应快速；并且结构工艺性良好。举例：万能工具显微镜工作台的微动机构（手动机械式）2.4.2定位机构定位机构是机电一体化机械系统中一种确保移动件占据准确位置的执行机构，它通常采用分度机构和锁紧机构组合的形式来实现精确定位的要求。2.5部件应用实例2.5.1齿轮变速机构电机的选