機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例教學(xué)研究與實(shí)踐

陳成軍+李東年

[摘 要]機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)涉及機(jī)械、電子、控制、信息等相關(guān)技術(shù)，各部分內(nèi)容之間相對獨(dú)立，課程自身的理論體系不突出，缺乏整體感。在實(shí)施教學(xué)中，以實(shí)現(xiàn)各異技術(shù)融合為目標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)運(yùn)動控制系統(tǒng)的伺服性能為出發(fā)點(diǎn)，以系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)為主線，以案例教學(xué)為教學(xué)手段將以上教學(xué)內(nèi)容有機(jī)結(jié)合，實(shí)施案例教學(xué)改革，可以加深學(xué)生對機(jī)電一體化系統(tǒng)的理解，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、自學(xué)能力和創(chuàng)新能力。

[關(guān)鍵詞]機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)；案例教學(xué)；學(xué)習(xí)興趣 ；創(chuàng)新能力

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

當(dāng)前我國正在實(shí)施《中國制造2025》規(guī)劃，這對我國工程教育特別是機(jī)械工程教育提出了更高的要求，機(jī)械裝備制造企業(yè)迫切需要具備機(jī)、電、控制、信息處理等多學(xué)科融合的機(jī)電裝備設(shè)計(jì)制造復(fù)合型人才。機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)的一門重要專業(yè)課，它涉及機(jī)械技術(shù)、電工電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、檢測技術(shù)、計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)等相關(guān)技術(shù)，是該專業(yè)所有專業(yè)課中工程性、實(shí)踐性、綜合性最強(qiáng)的一門課程，該課程后續(xù)的教學(xué)環(huán)節(jié)為畢業(yè)設(shè)計(jì)。機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程的任務(wù)是在先修課程的基礎(chǔ)上，從系統(tǒng)工程觀點(diǎn)出發(fā)，綜合運(yùn)用各種專業(yè)知識，分析機(jī)電一體化產(chǎn)品的各組成要素之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)機(jī)電系統(tǒng)要求的功能。因此，該課程對于學(xué)生全面了解和掌握所修其他課程的聯(lián)系，建立機(jī)電一體化的系統(tǒng)思維體系，培養(yǎng)綜合運(yùn)用專業(yè)知識的能力，具有重要的作用。

機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的教學(xué)內(nèi)容包括機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)、傳感器測試、電機(jī)與驅(qū)動、微機(jī)原理與接口、微型計(jì)算機(jī)控制等內(nèi)容。各部分內(nèi)容之間相對獨(dú)立，課程自身的理論體系不突出，缺乏整體感。另外這些教學(xué)內(nèi)容中的有些內(nèi)容在先修課程機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、數(shù)控技術(shù)與數(shù)控機(jī)床、機(jī)械工程測試技術(shù)、微機(jī)原理與接口、單片機(jī)原理與接口、微型控制技術(shù)等課程中均有所涉及，極易造成教學(xué)內(nèi)容的重復(fù)，給學(xué)生一種重復(fù)教學(xué)的感覺，從而降低學(xué)生對本門課程的興趣。

針對上述問題，我校在實(shí)施機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)教學(xué)中，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械、電子、控制、信息等各異技術(shù)融合為目標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)運(yùn)動控制系統(tǒng)的伺服性能為出發(fā)點(diǎn)，以系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)為主線，以案例教學(xué)為教學(xué)手段將以上教學(xué)內(nèi)容有機(jī)結(jié)合，實(shí)施案例教學(xué)改革。[1][2][3]

一、緒論教學(xué)案例設(shè)計(jì)

緒論部分是機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程的關(guān)鍵部分，該部分對于學(xué)生理解本門的課程的特點(diǎn)和體系結(jié)構(gòu)具有重要的作用，該部分主要突出機(jī)電一體化系統(tǒng)的特點(diǎn)、組成、設(shè)計(jì)方法以及接口等。

在教學(xué)過程中，我們首先對數(shù)控車床與非數(shù)控車床兩個案例在結(jié)構(gòu)、功能、優(yōu)缺點(diǎn)上進(jìn)行對比，機(jī)電設(shè)備與非機(jī)電設(shè)備的區(qū)別在于增加了大腦“控制器”和神經(jīng)“傳感檢測單元”，從而提高了設(shè)備的自動化程度、精度和效率等。通過數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、AGV小車、數(shù)控雕刻機(jī)等案例介紹機(jī)電一體化系統(tǒng)的組成部分及各組成部分的功能，強(qiáng)調(diào)控制器和傳感檢測單元在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的作用。另外在講解這部分內(nèi)容時，突出機(jī)電一體化系統(tǒng)各組成部分之間的接口連接，通過機(jī)械接口（聯(lián)軸器、傳動機(jī)構(gòu)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(wǎng)接口等）、軟件協(xié)議接口（TCP/IP協(xié)議、USB協(xié)議等）等案例，講解接口在機(jī)電一體化系統(tǒng)中運(yùn)動、能量、信息傳輸變換中的作用，強(qiáng)調(diào)機(jī)電一體化系統(tǒng)通過接口將各異技術(shù)集成在一起，形成特定的功能。

在機(jī)電一體化技術(shù)方向方面，主要強(qiáng)調(diào)當(dāng)前“機(jī)械功能電子化，電子功能軟件化”的發(fā)展趨勢，通過伺服電機(jī)變速代替變速箱，無刷直流電機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)電刷直流電機(jī)，電子表代替機(jī)械表，電子秤代替機(jī)械秤，高能束加工代替刀具切削加工等案例講解機(jī)械功能電子化的發(fā)展趨勢及帶來的優(yōu)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(yōu)勢。通過以上案例，讓學(xué)生深刻認(rèn)識機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展方向及帶來的優(yōu)點(diǎn)。

在緒論部分實(shí)施案例教學(xué)，可以避免相關(guān)知識點(diǎn)的填鴨式和說教式教學(xué)，使學(xué)生對機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)這門課程有一個系統(tǒng)的認(rèn)識，強(qiáng)化了學(xué)生對機(jī)電一體化系統(tǒng)組成、功能、設(shè)計(jì)方法等知識點(diǎn)的認(rèn)識。

二、機(jī)械系統(tǒng)教學(xué)案例設(shè)計(jì)

由于教學(xué)對象是機(jī)械專業(yè)的大四學(xué)生，多數(shù)學(xué)生一看到“機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)”這個標(biāo)題就感覺這部分沒有新的內(nèi)容，認(rèn)為該部分內(nèi)容是機(jī)械設(shè)計(jì)課程內(nèi)容的重復(fù)，甚至認(rèn)為這部分內(nèi)容非常簡單，沒有必要在課堂上講。恰恰相反，機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)是機(jī)電一體系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的一部分。因此，在開始講解這部分內(nèi)容前，應(yīng)該首先點(diǎn)明機(jī)電一體機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)與普通機(jī)械設(shè)計(jì)的區(qū)別，提高學(xué)生對該部分內(nèi)容的興趣。

在課堂教學(xué)中，該部分首先通過如圖1所示的機(jī)械一體化系統(tǒng)中典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)，說明機(jī)電一體化產(chǎn)品中的機(jī)械系統(tǒng)與非機(jī)電一體化產(chǎn)品中的機(jī)械系統(tǒng)最大的區(qū)別在于：機(jī)電一體化產(chǎn)品中的機(jī)械系統(tǒng)是微型計(jì)算機(jī)控制的閉環(huán)系統(tǒng)的組成部分，因此在進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)時必須要考慮機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)（慣性、剛度、摩擦、阻尼、傳動間隙、固有頻率）對閉環(huán)系統(tǒng)伺服性能（快速性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性）的影響。基于這一區(qū)別，展開講解機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)對閉環(huán)系統(tǒng)伺服性能的影響，以及如何從機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度提高整個閉環(huán)系統(tǒng)的性能。

機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分的另外一個重要內(nèi)容是傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(jī)電一體化系統(tǒng)中應(yīng)該盡可能縮短傳動鏈，提高閉環(huán)伺服系統(tǒng)的性能，并以伺服電機(jī)變速代替?zhèn)鲃訖C(jī)構(gòu)變速、直線電機(jī)、力矩電機(jī)、電主軸等作為縮短傳動鏈的案例；只有當(dāng)電機(jī)與負(fù)載不能匹配的時候才考慮使用傳動鏈進(jìn)行力矩、速度、轉(zhuǎn)動慣量的轉(zhuǎn)換。齒輪傳動鏈設(shè)計(jì)部分包括最佳傳動比的選擇、傳動級數(shù)的選擇、傳動比的分配等，這三部分內(nèi)容的講解都圍繞提高伺服性能為根本目標(biāo)，重點(diǎn)講解最小轉(zhuǎn)動慣量原則、輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則分配傳動比。endprint

為了區(qū)別機(jī)械設(shè)計(jì)，本部分除重點(diǎn)講解齒輪傳動鏈設(shè)計(jì)外，還通過數(shù)控機(jī)床旋轉(zhuǎn)進(jìn)給工作臺、A/C軸雙擺角銑頭、機(jī)器人關(guān)節(jié)減速器等案例講解了雙導(dǎo)程蝸桿蝸輪傳動結(jié)構(gòu)、諧波減速器、RV減速器的各自原理以及在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用。

三、計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)教學(xué)案例設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)測量控制系統(tǒng)是機(jī)電一體化系統(tǒng)的核心，它負(fù)責(zé)采集機(jī)械部件的運(yùn)動信息，并與給定值比較，生成運(yùn)動控制指令。該部分的教學(xué)內(nèi)容在機(jī)械工程測試技術(shù)、數(shù)控技術(shù)與數(shù)控機(jī)床、單片機(jī)原理與接口、微機(jī)控制技術(shù)等課程中均有涉及，因此，在本課程教學(xué)中將傳感器、伺服電機(jī)、工業(yè)控制機(jī)結(jié)合起來，以工業(yè)控制機(jī)為中心，以接口為橋梁，將相關(guān)內(nèi)容通過案例整合在一起。

首先簡單介紹增量式旋轉(zhuǎn)編碼器、光柵、感應(yīng)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(diǎn)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(xì)分等功能。在控制電機(jī)部分，重點(diǎn)介紹了步進(jìn)、直流、交流電機(jī)的功率驅(qū)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(jī)在扭矩和功率輸出特性上的不同點(diǎn)。最后以8051單片機(jī)為處理器，使用Proteus軟件設(shè)計(jì)了教學(xué)案例[4][5]，涉及位移傳感器測量接口電路和D/A轉(zhuǎn)換接口電路，PID數(shù)字控制等知識點(diǎn)。

四、機(jī)電一體化系統(tǒng)教學(xué)案例設(shè)計(jì)

機(jī)電一體化系統(tǒng)是一個機(jī)械、電子、控制、信息等各異技術(shù)相融合的系統(tǒng)，在機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程的最后一章，以電腦刺繡機(jī)為設(shè)計(jì)實(shí)例，通過對這一典型機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，使學(xué)生能夠根據(jù)設(shè)計(jì)需求綜合應(yīng)用機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)、傳感器測試、電機(jī)與驅(qū)動、微機(jī)原理與接口、微型計(jì)算機(jī)控制等各方面知識來設(shè)計(jì)一個機(jī)電一體化的系統(tǒng)。

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(fù)運(yùn)動和繡針在z方向的連續(xù)上下往復(fù)直線運(yùn)動，通過這兩類運(yùn)動的配合和刺料機(jī)構(gòu)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(gòu)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(dāng)繡針自上而下落到織物表面時，繡框停止移動，在刺料機(jī)構(gòu)的作用下即完成一針線跡的動作。根據(jù)機(jī)電一體化系統(tǒng)的幾個功能要素，電腦刺繡機(jī)由微機(jī)控制系統(tǒng)（控制與信息處理單元）、移框步進(jìn)電動機(jī)及主軸電動機(jī)（驅(qū)動與執(zhí)行單元）、x、y、z三個方向的傳動機(jī)構(gòu)及刺料機(jī)構(gòu)（機(jī)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(jī)架（機(jī)械結(jié)構(gòu)單元）以及各部分之間的接口組成。由刺繡打版機(jī)輸出的刺繡花樣數(shù)據(jù)保存在電腦刺繡機(jī)的EPROM或磁盤中，電腦刺繡機(jī)的工作過程如下：控制微機(jī)啟動主軸運(yùn)轉(zhuǎn)，由刺料機(jī)構(gòu)帶動旋梭和針桿運(yùn)動，微機(jī)從刺繡花樣數(shù)據(jù)文件中順序讀取每一針的x、y相對位移坐標(biāo)，根據(jù)坐標(biāo)數(shù)據(jù)通過兩個電機(jī)的協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)驅(qū)動繡框在平面內(nèi)進(jìn)行移動，微機(jī)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(jī)構(gòu)的運(yùn)動相互配合。

電腦刺繡機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算主要包括x、y、z三個方向運(yùn)動件的運(yùn)動參數(shù)和動力參數(shù)的計(jì)算、結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算以及品質(zhì)參數(shù)、環(huán)境參數(shù)和界面參數(shù)的確定。運(yùn)動參數(shù)計(jì)算主要包括主軸轉(zhuǎn)速范圍的確定、繡框位移計(jì)算、繡框位移與主軸轉(zhuǎn)動的運(yùn)動配合、繡框運(yùn)動速度計(jì)算、主軸轉(zhuǎn)速計(jì)算、 x、y步進(jìn)電動機(jī)工作頻率及傳動比計(jì)算、移框加速度計(jì)算等；動力參數(shù)計(jì)算主要包括刺料機(jī)構(gòu)驅(qū)動功率計(jì)算、移框步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動力矩計(jì)算等；結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算主要指刺繡機(jī)工作臺面的長、寬、高三個方向尺寸的計(jì)算及機(jī)頭頭距的計(jì)算；品質(zhì)參數(shù)主要包括系統(tǒng)可靠性、傳動精度等；環(huán)境參數(shù)包括工作電壓、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度等；界面參數(shù)則用于表征機(jī)器的人—機(jī)對話方式和功能。

系統(tǒng)各部分之間通過接口進(jìn)行連接，主要的接口包括微機(jī)系統(tǒng)前向通道與各傳感器模塊的接口以及微機(jī)系統(tǒng)后向通道與各功率驅(qū)動模塊的接口，各接口通過采用光電隔離技術(shù)防止外部模塊對微機(jī)系統(tǒng)的回饋干擾以及防止強(qiáng)電信號對微機(jī)電源的干擾。盡管電腦刺繡機(jī)由微機(jī)對刺繡工藝實(shí)行全面控制，但刺繡過程會出現(xiàn)斷線、斷針等隨機(jī)因素。為保證刺繡工藝的準(zhǔn)確進(jìn)行，系統(tǒng)必須對針桿位置、繡線通斷狀況、繡框極限位置進(jìn)行實(shí)時檢測，因此，系統(tǒng)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(jī)系統(tǒng)前向通道之間需要進(jìn)行接口設(shè)計(jì)，另外，微機(jī)系統(tǒng)后向通道與電機(jī)驅(qū)動模塊之間也需要進(jìn)行接口設(shè)計(jì)。

微機(jī)控制系統(tǒng)是電腦刺繡機(jī)系統(tǒng)的核心，根據(jù)用戶要求和工藝分析，控制微機(jī)除完成用戶的基本要求外，還應(yīng)具備花樣存儲與選擇功能、記憶功能、工作狀態(tài)顯示功能、各種進(jìn)退針功能等功能。微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)除滿足上述設(shè)計(jì)要求外，還應(yīng)對控制微機(jī)的軟硬組成方案進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。

五、結(jié)束語

針對機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程工程性、實(shí)踐性、綜合性最強(qiáng)的特點(diǎn)，圍繞機(jī)械一體化閉環(huán)伺服系統(tǒng)的各組成要素，實(shí)施案例教學(xué)，通過典型案例實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)方法，不但加深了學(xué)生對機(jī)電一體化系統(tǒng)的理解，而且提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、自學(xué)能力和創(chuàng)新能力，取得了良好的教學(xué)效果。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 楊普國，孫佘一，陳俊.項(xiàng)目式案例教學(xué)方法的研究與實(shí)踐[J].昆明冶金高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2011（5）：83-86.

[2] 趙麗梅，李焜.機(jī)電一體化技術(shù)課程中案例化教學(xué)改革與實(shí)踐[J].大學(xué)教育，2016（3）：106-107.

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

[4] 李琦，王基，劉永葆.《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].高等教育研究學(xué)報(bào)，2010（1）：100-101.

[5] 劉紅梅.任務(wù)驅(qū)動式案例教學(xué)法的構(gòu)建與應(yīng)用[J].江蘇高教，2016（4）：1-73.

[特約編輯：張 雷]endprint