四川大学：机械工程系课程教学资源《机械电子学》教学大纲 Mechatronics.pdf

二、学习目标 1.了解机械电子学、机电一体化以及机械电子工程等学科之间的关系，学科历史沿革与发展趋势了解带有“智能”特性的机械电子产品主要结构和具备自动化和智能特性的机械电子产品的设计过程。 2.理解智能机械中微处理器系统的分类、结构、功能和常见的名词术语等：理解可编程控制器、工业控制计算机、数控系统的基本架构：对比传统传感器，了解数字式测量系统和常见数字式传感器的原理、结构与特性，完成机械系统中位移、力与力矩、压力、角度、加速度等目标的测量：了解常见数字执行器和伺服执行器的原理、功能和特点，以及它们在机电系统中的应用。 3。能够了解前向通道、后向通道的结构特点，针对机械电子的设计、制造、运行等方面的复杂工程问题，运用基本的信号分离、放大、变换、细分等数字方法和数字电路：了解接口、总线与通讯的概念、分类和选型设计，解决传感器、处理器和控制器之间信号的传递问题，构建完整的数字信号通道。 4. 能够初步综合利用所学机械电子学知识和工程科学，通过信息检索和文献研究，对“MT两轮自平衡机器人”、“光栅测量系统”、“面包机器人自动生产线”等应用实例的检测和控制功能进行识别、分析和评价，从而培养学生的机电工程化应用意识。能够初步运用机械电子学所学知识，结合工程实际进行初步原理选型和方案设计，以解决机械产品的自动化功能实现和优化问题，并撰写出简单方案报告。三、学习目标与毕业要求的对应关系毕业要求半业要求指标点学习目标 (3)设计开发解决方案：能够设计满足3.3针对机械工程领域设计、制造、运特定需求的机械产品功能原理方案、零行中的复杂工程问题，能够设计满足学习目标4 部件及机械系统，或针对机械工程领域特定需求的系统、单元（部件）或机 (强支撑》设计、制造、运行等方面的复杂工程问械制造工艺流程，并能够在设计环节题，拟定相应的设计、制造、运行方案，中体现创新意识

2 二、学习目标 1. 了解机械电子学、机电一体化以及机械电子工程等学科之间的关系，学科历史沿革与发展趋势；了解带有“智能”特性的机械电子产品主要结构和具备自动化和智能特性的机械电子产品的设计过程。 2. 理解智能机械中微处理器系统的分类、结构、功能和常见的名词术语等；理解可编程控制器、工业控制计算机、数控系统的基本架构；对比传统传感器，了解数字式测量系统和常见数字式传感器的原理、结构与特性，完成机械系统中位移、力与力矩、压力、角度、加速度等目标的测量；了解常见数字执行器和伺服执行器的原理、功能和特点，以及它们在机电系统中的应用。 3. 能够了解前向通道、后向通道的结构特点，针对机械电子的设计、制造、运行等方面的复杂工程问题，运用基本的信号分离、放大、变换、细分等数字方法和数字电路；了解接口、总线与通讯的概念、分类和选型设计，解决传感器、处理器和控制器之间信号的传递问题，构建完整的数字信号通道。 4. 能够初步综合利用所学机械电子学知识和工程科学，通过信息检索和文献研究，对“MIT 两轮自平衡机器人”、“光栅测量系统”、“面包机器人自动生产线”等应用实例的检测和控制功能进行识别、分析和评价，从而培养学生的机电工程化应用意识。能够初步运用机械电子学所学知识，结合工程实际进行初步原理选型和方案设计，以解决机械产品的自动化功能实现和优化问题，并撰写出简单方案报告。三、学习目标与毕业要求的对应关系毕业要求毕业要求指标点学习目标（3）设计/开发解决方案：能够设计满足特定需求的机械产品功能原理方案、零部件及机械系统，或针对机械工程领域设计、制造、运行等方面的复杂工程问题，拟定相应的设计、制造、运行方案， 3.3 针对机械工程领域设计、制造、运行中的复杂工程问题，能够设计满足特定需求的系统、单元（部件）或机械制造工艺流程，并能够在设计环节中体现创新意识。学习目标 4 （强支撑）

并能够综合考虑社会、健康、安全、法律文化以及环境因素，体现创新意识。 4.1对于机械工程领域设计、制造、运 (4)能够基于科学原理并采用科学方行中的复杂工程问题，能够基于科学法，针对机械工程领域设计、制造、运行原理并采用科学方法，设计相应的实学习目标3 等方面的复杂工程问题进行研究，通过验 (中支撑设计、实施实验，获取、分析和解释数据，并通过信息综合，获得合理有效的结论 (5)能够选择、使用与开发恰当的技术资源、现代工程工具和信息技术手段和 5.1能够选择适当的技术、资源、现代学习目标2 工具，针对机械工程领域设计、制造、运工程工具和信息技术工具，进行机械 (强支撑} 行等方面的复杂工程问题，进行预测与工程领域设计、制造、运行中复杂工模拟，并能够理解相关技术工具、针对复程问愿的预测与模拟：杂工程问题预测与模拟结果的局限性。 (12)了解机械设计制造及其自动化领 12.1能够了解当前机械设计制造及域的新理论、新技术及国内外发展动态学习目标1 其自动化领域的发展状态与发展趋具有自主学习和终身学习的意识，有不 (弱支摔) 势断学习和适应发展的能力。四、教学基本内容第一章：绪论及案例 1.机械电子学的来源、发展和应用 2. 机械电子学、机电一体化以及机械电子工程等学科之间的关系 3.智能机械电子产品主要结构 4.以微处理器为基础的机械电子产品设计方法，并引入MT两轮自平衡机器人的原理、结构作为应用实例和知识参考。基本要求：了解当前机械电子学的整体发展状态与发展趋势，了解机械产品中检测与控制电子系统的主要结构和功能，以及典型的设计方法和流程：注意本课程的工程性、实用性与过去所学理论课程有很大不同：熟悉主要参考书和相关专业及其背景知识

3 四、教学基本内容第一章：绪论及案例 1. 机械电子学的来源、发展和应用 2. 机械电子学、机电一体化以及机械电子工程等学科之间的关系 3. 智能机械电子产品主要结构 4. 以微处理器为基础的机械电子产品设计方法，并引入 MIT 两轮自平衡机器人的原理、结构作为应用实例和知识参考。基本要求：了解当前机械电子学的整体发展状态与发展趋势，了解机械产品中检测与控制电子系统的主要结构和功能，以及典型的设计方法和流程；注意本课程的工程性、实用性与过去所学理论课程有很大不同；熟悉主要参考书和相关专业及其背景知识。并能够综合考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境因素，体现创新意识。（4）能够基于科学原理并采用科学方法，针对机械工程领域设计、制造、运行等方面的复杂工程问题进行研究，通过设计、实施实验，获取、分析和解释数据，并通过信息综合，获得合理有效的结论。 4.1 对于机械工程领域设计、制造、运行中的复杂工程问题，能够基于科学原理并采用科学方法，设计相应的实验；学习目标 3 （中支撑）（5）能够选择、使用与开发恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术手段和工具，针对机械工程领域设计、制造、运行等方面的复杂工程问题，进行预测与模拟，并能够理解相关技术工具、针对复杂工程问题预测与模拟结果的局限性。 5.1 能够选择适当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，进行机械工程领域设计、制造、运行中复杂工程问题的预测与模拟；学习目标 2 （强支撑）（12）了解机械设计制造及其自动化领域的新理论、新技术及国内外发展动态，具有自主学习和终身学习的意识，有不断学习和适应发展的能力。 12.1 能够了解当前机械设计制造及其自动化领域的发展状态与发展趋势；学习目标 1 （弱支撑）

毕业要求对应关系：本章学习内容对应学习目标1，支撞毕业要求指标点12.1。第二章：徽处理器及系统和软件 1介绍了微处理器的分类、结构、功能和常见的名词术语等： 2.可编程控制器的架构、工作原理和具体应用 3.工业控制计算机的架构、工作原理和具体应用 4.计算机数控系统的架构、工作原理 5.各微处理器系统的具体应用和重点范例基本要求：在了解介绍了微处理器的分类、结构、功能和常见的名词术语基础上，能够初步根据可编程控制器、工业控制计算机、计算机数控系统的各自的特点和典型应用按照实际机电产品的需求进行选型设计。毕业要求对应关系：本章学习内容对应学习目标2，支撑毕业要求指标点5.1。第三章：数字式测量与传感器 1.数字式测量与传感器的定义和特点，对应于传统的测量方法与模拟传感器，数字式测量系统的结构、特性和优点。 2.数字式位移测量与传感器的主要类型，主要以光栅、激光、容栅和编码器为例，详细分析常见数字位移传感器的原理、电路及其典型案例应用。 3.MEMS传感器的原理，主要以力与力矩、压力、角度、加速度等测量目标为例讲解MEMS传成器特点和应用实例： 4.CCD与CMOs图像传感器及其构成的测量系统在位移上的测量方案和工作原理，并介绍其在机器视觉、目标跟踪、图像识别在智能机械上的广泛应用。基本要求：理解传统的测量方法与模拟传感器与数字式的区别与联系，理解数字式测量系统和常见数字式传感器的原理和特点，能够懂得和运用这些数字系统完成机械系统中位移、力与力矩、压力、角度、加速度等目标的测量，并根据技术条件进行数字传感器选型设计：能够初步根据传感器系统的特点和典型应用，对照实际机电产品的测量指标进行选型设计，解决机电一体化系统的数字化检测问题，并提高机械产品的性能和功能。毕业要求对应关系：本章学习内容对应学习目标2，支撑毕业要求指标点5.1。第四章：信号的调节与数字化变换 1.前向通道、后向通道的结构特点： 2.信号的分离、放大、变换、细分原理和电路，以及如何防止和屏蔽干扰等：

4 毕业要求对应关系：本章学习内容对应学习目标 1，支撑毕业要求指标点 12.1。第二章：微处理器及系统和软件 1. 介绍了微处理器的分类、结构、功能和常见的名词术语等； 2. 可编程控制器的架构、工作原理和具体应用 3. 工业控制计算机的架构、工作原理和具体应用 4. 计算机数控系统的架构、工作原理 5. 各微处理器系统的具体应用和重点范例基本要求：在了解介绍了微处理器的分类、结构、功能和常见的名词术语基础上，能够初步根据可编程控制器、工业控制计算机、计算机数控系统的各自的特点和典型应用，按照实际机电产品的需求进行选型设计。毕业要求对应关系：本章学习内容对应学习目标 2，支撑毕业要求指标点 5.1。第三章：数字式测量与传感器 1. 数字式测量与传感器的定义和特点，对应于传统的测量方法与模拟传感器，数字式测量系统的结构、特性和优点。 2. 数字式位移测量与传感器的主要类型，主要以光栅、激光、容栅和编码器为例，详细分析常见数字位移传感器的原理、电路及其典型案例应用。 3. MEMS 传感器的原理，主要以力与力矩、压力、角度、加速度等测量目标为例讲解 MEMS 传感器特点和应用实例。 4. CCD 与 CMOS 图像传感器及其构成的测量系统在位移上的测量方案和工作原理，并介绍其在机器视觉、目标跟踪、图像识别在智能机械上的广泛应用。基本要求：理解传统的测量方法与模拟传感器与数字式的区别与联系，理解数字式测量系统和常见数字式传感器的原理和特点，能够懂得和运用这些数字系统完成机械系统中位移、力与力矩、压力、角度、加速度等目标的测量，并根据技术条件进行数字传感器选型设计；能够初步根据传感器系统的特点和典型应用，对照实际机电产品的测量指标进行选型设计，解决机电一体化系统的数字化检测问题，并提高机械产品的性能和功能。毕业要求对应关系：本章学习内容对应学习目标 2，支撑毕业要求指标点 5.1。第四章：信号的调节与数字化变换 1. 前向通道、后向通道的结构特点； 2. 信号的分离、放大、变换、细分原理和电路，以及如何防止和屏蔽干扰等；

3.数字滤波，数字细分等信号数字处理方法和电路的基本功能和工作原理： 4.数字信号的处理和分析基础理论和手段，案例分析。基本要求：理解信号的本质和数字化处理原始信号的方法。会初步分析信号成份和核心数字化处理电路，能够建立其原理电路模型，设计出实验信号的只体调节方案，以获取最终数据和信号图形。本章学习内容对应学习目标3，支撑毕业要求指标点4.1。第五章：同服执行器与数字执行器 1.执行器的概念和分类： 2.对照普通直流电动机和交流电动机调速方法，讲解步进电动机、直流伺服电机、交流伺服电机、直线电机和数字液压缸等伺服执行器和数字执行器的赐理、结构、功能和特点： 3.数字执行器在控制系统中的应用和分析。基本要求：了解传统的执行器与数字执行器的不同特点与联系，理解步进电动机、直流伺服电机、交流伺服电机、直线电机和数字液压缸等伺服执行器和数字执行器的工作原理和特性：能够懂得和运用不同数字执行器的特性，根据产品具体指标和需求设计出控制方案。毕业要求对应关系：本章学习内容对应学习目标2，支撑毕业要求指标点5.1。第六章：接口、总线与通讯 1.接口、总线与通讯概念和分类： 2.数字电路的片间总线，串行通信总线与接口、工业现场总线、工业无线通信网络的主要工作方式、原理、特点和功能，以及在机电一体化典型设备中的具体应用。基本要求：了解接口、总线与通讯的概念和分类：了解数字电路的片间总线，串行通信总线与接口、工业现场总线、工业无线通信的区别与联系：通过初步掌握和理解这些接口、总线名词和不同应用特性，能够根据产品具体指标和需求选择和运用正确的接口和总线类型。毕业要求对应关系：本章学习内容对应学习目标3，支撞毕业要求指标点4.1。第七章：“光播动画”制作，面包自动化分拣线和MT自平衡机器人案例分析和讨论 5

5 3. 数字滤波，数字细分等信号数字处理方法和电路的基本功能和工作原理； 4. 数字信号的处理和分析基础理论和手段，案例分析。基本要求：理解信号的本质和数字化处理原始信号的方法。会初步分析信号成份和核心数字化处理电路，能够建立其原理电路模型，设计出实验信号的具体调节方案，以获取最终数据和信号图形。本章学习内容对应学习目标 3，支撑毕业要求指标点 4.1。第五章：伺服执行器与数字执行器 1. 执行器的概念和分类； 2. 对照普通直流电动机和交流电动机调速方法，讲解步进电动机、直流伺服电机、交流伺服电机、直线电机和数字液压缸等伺服执行器和数字执行器的原理、结构、功能和特点； 3. 数字执行器在控制系统中的应用和分析。基本要求：了解传统的执行器与数字执行器的不同特点与联系，理解步进电动机、直流伺服电机、交流伺服电机、直线电机和数字液压缸等伺服执行器和数字执行器的工作原理和特性；能够懂得和运用不同数字执行器的特性，根据产品具体指标和需求设计出控制方案。毕业要求对应关系：本章学习内容对应学习目标 2，支撑毕业要求指标点 5.1。第六章：接口、总线与通讯 1. 接口、总线与通讯概念和分类； 2. 数字电路的片间总线，串行通信总线与接口、工业现场总线、工业无线通信网络的主要工作方式、原理、特点和功能，以及在机电一体化典型设备中的具体应用。基本要求：了解接口、总线与通讯的概念和分类；了解数字电路的片间总线，串行通信总线与接口、工业现场总线、工业无线通信的区别与联系；通过初步掌握和理解这些接口、总线名词和不同应用特性，能够根据产品具体指标和需求选择和运用正确的接口和总线类型。毕业要求对应关系：本章学习内容对应学习目标 3，支撑毕业要求指标点 4.1。第七章：“光栅动画”制作，面包自动化分拣线和 MIT 自平衡机器人案例分析和讨论