6.-基于OBE教学大纲-2016版

机械工程学院本科课程教学大纲1机电一体化系统设计课程教学大纲英文名称：Mechatronics课程编码：01111050学时：32学分：2课程性质：专业限选课课程类别：理论课先修课程：机械原理，机械设计，电工学，电子技术，控制工程基础，微机原理，电气控制技术开课学期：第七学期适用专业：机械电子工程专业一、课程教学目标通过本课程的理论教学、项目和实验训练，使学生具备下列能力：1、通过文献检索、资料查询、调研等获取信息手段的学习训练，对机电一体化技术的前沿发展、现状和趋势清晰掌握。2、能够应用数学方法、机械设计理论、控制工程理论、机电一体化系统组成原理，针对复杂的机电产品确定出开发技术路线，对设计方案的可行性进行论证。3、能够结合复杂机电产品的运动原理、控制策略、接口技术、系统集成方法，综合考虑经济、健康、安全、法规以及环境等因素，进行机电系统中传感器的选型，设计传感检测系统。4、掌握机电系统典型的机构方案、传动部件、导向部件设计原理和特点，能够融合机械原理、机器人学、机械设计理论，对复杂机电产品中机械系统进行表达，利用现代技术对机械系统进行建模、求解与分析，模拟和预测设计的局限性和准确性。5、掌握机电系统典型驱动电机的原理和控制方法，能够结合单片机技术、可编程控制技术，对复杂机电产品的工作过程提出控制方案，并实现编程和调试。6、能够运用数学、物理、力学、控制理论及机电系统建模方法，对典型机电产品的数学模型进行抽象、表述、建模和求解。7、能够就机电一体化系统设计问题与业界同行及社会公众进行有效沟通和交流，且具备一定的团队协作能力。二、课程目标与毕业要求的对应关系毕业要求指标点课程目标1、工程知识：能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于解决复杂工程问题。1-5掌握不同专业方向的专业知识并能应用于复杂工程问题的描述和解释。教学目标3机电一体化系统设计课程教学大纲22、问题分析：能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂工程问题，以获得有效结论。2-4能够应用专业基础知识和专业知识的基本原理对复杂工程问题进行识别、表达和分析，以获得有效结论；教学目标5、62-5具备文献资料检索的知识和能力，能够对文献进行分析和归纳，并用于复杂工程问题的分析，以获得结论。教学目标13、设计/开发解决方案：能够设计针对复杂工程问题的解决方案，设计满足特定需求的系统、单元（部件）或工艺流程，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。3-1能够针对具备不同特点的复杂机械工程问题设计解决方案；教学目标23-2能够设计开发实现特定功能的复杂机械系统以及系统中的零部件，掌握复杂机械系统及零部件的制造工艺过程。教学目标49、个人和团队：能够在多学科背景下的团队中承担个体、团队成员以及负责人的角色。9-1具有在多学科背景团队中作为个体和团队成员有效工作、发挥作用的能力，理解团队合作的重要性，具有与其他成员或责任者协调合作的团队精神和能力。教学目标7三、课程基本内容3.1理论教学（支撑教学目标1、2、3、4、5、6）1、绪论（支撑教学目标1）[教学目的与要求]：（1）掌握机电一体化的基本涵义。（2）掌握机电一体化系统及其组成。（3）了解机电一体化控制系统。[本章主要内容]：（1）什么是机电一体化?（2）机电一体化实例—机器人介绍（3）机电一体化系统基本组成（4）机电一体化设计方法[本章重点]：（1）机电一体化系统基本概念（2）机电一体化系统基本组成[本章难点]：机电一体化系统基本组成2、机电一体化系统总体设计（支撑教学目标2）机械工程学院本科课程教学大纲3[教学目的与要求]：（1）了解机电一体化系统的总体设计方法（2）掌握机电一体化产品的工程路线（3）掌握几种典型机电一体化装置的基本组成[本章主要内容]：（1）机电一体化产品设计过程（2）机电一体化系统设计方法（3）机电一体化产品设计实例[本章重点]：（1）机电一体化总体设计的内容及方法（2）典型机电装置的系统组成以及软、硬件结构[本章难点]：（1）机电一体化系统设计的方法（2）典型机电一体化装置数控机床或工业机器人的基本组成及设计方法3、传感检测系统（支撑教学目标3）[教学目的与要求]：（1）了解传感检测系统的基本组成和传感器的基本评价指标。（2）掌握机电一体化系统中常用传感器的基本原理与适用场合。（3）了解传感检测系统中常用信号预处理技术的基本原理。[本章主要内容]：（1）检测的基本概念（2）传感器概述（3）常见传感器原理及应用（4）信号处理[本章重点]：（1）各类传感器的工作原理（2）传感器的功用和特性（3）信号调理电路（滤波、相关、调制、解调）[本章难点]：（1）各类传感器的工作原理（2）传感器的功用和特性（3）信号调理电路（滤波、相关、调制、解调）4、机械系统设计（支撑教学目标4）[教学目的与要求]：（1）掌握机电一体化系统中传动机构的种类、特点、基本要求。（2）了解常用工业机器人的基本构型。（3）掌握机电一体化系统常用精密传动机构的基本原理与设计方法。[本章主要内容]：机电一体化系统设计课程教学大纲4（1）机电一体化系统典型机构（2）机器人机构（4）精密齿轮传动（4）同步带传动（5）滚珠丝杠传动（6）导轨设计（7）机械系统设计综合应用实例[本章重点]：滚珠丝杠副传动机构[本章难点]：（1）传动机构的设计方法（2）滚珠丝杠副传动机构（3）谐波齿轮传动5、伺服驱动系统（支撑教学目标5）[教学目的与要求]：（1）了解伺服系统的一般组成、分类和基本组成形式。（2）了解步进电机的种类及结构；掌握步进电机的工作原理；掌握步进电机的主要性能指标；掌握步进电机控制的基本原理；掌握步进电机的基本功率驱动电路原理和细分驱动原理。（3）掌握直流伺服电机特性和调速原理；掌握直流伺服电机的驱动调速方法；掌握直流伺服系统组成的基本原理。（4）掌握交流伺服电机特点及其调速方法；掌握变频调速装置的基本原理；了解交流伺服系统组成的基本原理；了解交流伺服电机的矢量控制。[本章主要内容]：（1）伺服驱动系统概述（2）常用伺服执行元件（3）直流电机（4）步进电机（5）交流电机（6）步进电动机与交流伺服电机的性能比较[本章重点]：（1）步进电机、交直流伺服电机的控制与驱动。（2）伺服系统的设计[本章难点]：伺服电机的选择与校核6、控制系统模型（支撑教学目标6）[教学目的与要求]：（1）掌握控制系统数学模型的作用和建立方法（2）掌握控制系统的搭建与PID控制算法（3）掌握工程中运动控制系统的建模方法[本章主要内容]：机械工程学院本科课程教学大纲5（1）数学模型（2）控制系统与PID算法（3）运动控制系统（4）机电一体化伺服系统模型[本章重点]：（1）机电一体化系统数学模型的建立（2）PID控制算法及其参数的调节（3）机电一体化伺服系统数学模型建立与分析[本章难点]：PID控制算法及其参数的调节3.2讨论课（支撑教学目标1、7）1、教学目标（1）通过基于团队的学生上台讲演和课程讨论这种体验式教学方式，加深对机电系统的基础知识和实践能力的培养，并在沟通能力、团队合作能力等方面得到锻炼；（2）得到初步的查阅文献、阅读相关技术资料和调查研究能力的锻炼；（3）了解机器人各部分机电一体化系统的结构和工作原理；（4）进一步深入了解工程实践。2、主要内容讨论课的主题为《机电一体化技术在智能机器人系统中的应用》，学生利用课余时间查找、阅读特定领域国内外前沿机器人技术的发展现状，分析其主要工作原理，对比其较传统机器人而言所具有的优点与缺点等，总结当今机器人技术的发展趋势。查找方向可具体按照军用机器人、工业机器人、服务机器人、软体机器人、防爆机器人、水下机器人、仿生机器人、救援机器人、医用机器人、微型机器人等方向，但不限这些研究方向与研究内容。3、实施方案讨论课的实施分两种形式：（1）学生上台讲演、报告的形式以小组为单位，两个组做同一个案例。学生在课外查找、阅读和分析相关的知识内容，总结、整理并撰写报告，做成PPT。抽签决定每一个案例上台陈述的小组和主汇报人，陈述时间为10分钟，最后每个小组上交一份分析报告（WORD文档及PPT，电子版）。（2）课堂互动形式陈述完后，同一案例未陈述的小组提出问题并讨论,其它同学参评，（依所需要讨论的具体内容,总结存在的主要问题，在课堂上由老师引导下进行讨论）讨论时间为5分钟，最后由老师点评。讨论课时间：第七周或第八周，所有同学必须参加，否则讨论成绩为零。课后提交报告PPT电子版和纸质文档。3.3课程研究项目（三级项目）（支撑教学目标3、4、5、6、7）1、教学目标（1）掌握智能机器人的结构、控制电子元器件组成及其工作原理；（2）掌握传感检测系统的设计方法，掌握常用传感器的原理和使用方法；（3）掌握基本电路的原理图和电路连线图；机电一体化系统设计课程教学大纲6（4）掌握编程软件的使用、仿真调试以及单片机程序的烧写；（5）掌握小型直流电机的选型、驱动及控制方法；（6）掌握小型舵机的选型、驱动及控制方法；（7）掌握单片机的选型及控制系统搭接方法；（8）掌握机器人设计和控制方法（9）掌握机电一体化系统的设计、制作和调试方法。2、主要内容本学期的课程研究项目名称：《面向任务应用的智能机器人系统设计与制作》，学生在需要本项目中完成智能机器人系统完整的设计、制作以及调试过程。学生可在以下三个方向中选取一个方向完成机器人系统的设计制作。（1）智能双轮自平衡车系统本方向要求学生自主设计制作一套具有自平衡能力的双轮车系统，主要内容包括：a.自平衡车本体各模块设计；b.电路板各功能模块的焊接与测试；c.编程仿真软件学习和程序烧写软件学习；d.练习驱动模块驱动电机正反转与脉宽速度调制；e.练习串行通讯模块；f.练习转速检测模块；g.练习倾角检测模块；h.建立自平衡车系统的动态数学模型；i.建立自平衡控制算法并编写控制软件j.控制系统综合调试；k.多功能综合练习和扩展练习。（2）智能仿生机器人系统本方向要求学生自主设计制作一套智能仿生机器人系统，可以选择双足、四足、六足或多足机器人系统，也可以选择其它形态的仿生机器人系统。主要内容包括：a.仿生机器人系统本体构型设计；b.仿生机器人系统各零部件设计c.电路板各功能模块的焊接与测试；c.编程仿真软件学习和程序烧写软件学习；d.练习驱动舵机正反转与转角控制；e.仿生机器人步态规划；f.仿生机器人关节轨迹规划；g.仿生机器人关节速度规划；h.位移、速度和轨迹规划软件的编写；i.控制系统综合调试；k.多功能综合练习和扩展练习。（3）智能打磨机器人系统机械工程学院本科课程教学大纲7本方向要求学生自主设计制作具有循迹与避障功能的智能车系统，并在此基础上设计加工一套机械臂系统，能够完成复杂工件的打磨任务。主要内容包括：a.智能车本体各模块设计；b.电路板各功能模块的焊接与测试；c.编程仿真软件学习和程序烧写软件学习；d.练习驱动模块驱动电机正反转与脉宽速度调制；e.练习红外避障模块；f.练习红外循迹模块；g.机械臂的位移控制模型建立；h.机械臂的速度控制模型建立；i.机械臂的轨迹规划j.位移、速度和轨迹规划软件的编写与调试；k.多功能综合练习和扩展练习。3、课程研究项目的实施每4个同学一组，相互协作完成《面向任务应用的智能机器人系统设计与制作》所规定的研究内容，内容可以包括但并不限于这些内容。每个小组要在项目报告中标明每个人在总体工作中的贡献和工作比例或者每个人负责的内容。研究内容的质量会影响到每组的最终成绩，鼓励学生自己选取感兴趣的研究内容进行创新设计和深入研究。3.4应用型实验（支撑教学目标5、6）1、教学目标通过应用型实验，使学生进一步掌握机电系统典型驱动电机的原理和控制方法，能够结合单片机技术、可编程控制技术，对复杂机电产品的工作过程提出控制方案，并实现编程和调试；能够运用数学、物理、力学、控制理论及机电系统建模方法，对典型机电产品的数学模型进行抽象、表述、建模和求解。2、主要内容应用型实验课共计4学时，完全由学生根据实验室提供