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课程编码：08265023
课程名称：精密仪器设计
英文名称：Design of Precise Instrument
开课学期：7
学时/学分：48/3（其中实验学时：10）
课程类型：专业课
开课专业：测控技术与仪器
选用教材：校内讲义
主要参考书：
[1]浦昭邦，王宝光.测控仪器设计.北京：机械工业出版社，2001
[2]薛实福，李庆祥.精密仪器设计.北京：清华大学出版社，1991
[3]陈林才，张鄂.精密仪器设计.北京：机械工业出版社，1991
[4]孙恒.机械原理.北京：人民教育出版社，1983
[5]吴国安.光谱仪器设计.北京：科学出版社，1978
执笔人：王智宏
一、课程性质、目的与任务
本课程是为测控技术与仪器专业的本科生而设置的专业必修课。
通过本课程的学习，使学生掌握光机电一体化的精密仪器的基本工作原理、主要技术、设计方法，培养学生综合运用所学知识与技术进行仪器设计的能力。
二、教学基本要求
第1章 系统掌握精密仪器的基本工作原理、结构和主要技术，
第2章 了解精密仪器中光学、机械结构的工作原理及应用，
第3章 掌握光机电一体化技术在精密仪器设计中的设计方法，
第4章 注重培养学生的设计和动手能力，采用理论与实践相结合，培养和提高学生分析问题和解决问题的能力，使学生完成本门课程的学习任务之后，能够综合运用所学知识与技术进行仪器设计。
三、各章节内容及学时分配
第一章 概论（2学时）
了解精密仪器特点、内容、分类、设计要求及仪器的组成结构。
1-1 精密仪器概述
1-2 精密仪器的重要性和展望
1-3 精密仪器的设计要求和程序
1-4 精密仪器结构组成
考核要求
了解：精密仪器特点、内容、分类及本课程的要求。
理解：精密仪器设计要求。
掌握：精密仪器结构的分析。
第二章 仪器的精度理论（6学时）（说明：*为自学内容）
了解精度理论的基本概念、掌握精度分析和精度设计的步骤和方法。
2-1*精度理论的基本概念
1、误差
2、精度
2-2*误差的处理和评定
1、系统误差
2、随机误差
3、粗大误差
4、测量数据的处理
2-3仪器的精度分析
1、误差的来源
2、误差的传递分析计算方法
3*、仪器误差的综合
2-4仪器的精度设计
1、误差分配的依据和过程
2、仪器精度指标的确定方法
3、误差的分配方法
2-5精度设计举例
考核要求
了解：精度理论的基本概念。
理解：精度分析和精度设计的关系和作用。
掌握：精度分析和精度设计的步骤和方法。
第三章精密仪器总体设计（8学时）
了解精密仪器设计的基本原则，掌握精密仪器的设计原理和总体设计内容，熟悉精密仪器的总体设计过程。
3-1总体设计的相关知识
1、总体设计的前提条件
2、设计原则
3、设计原理
3-2总体设计内容
1、工作原理的选择和系统设计
2、仪器的其它主要结构方案的确定
3、主要参数和技术指标的确定
4、系统简图的绘制
5、总体布局的考虑
6、总体精度的分配
7、造型与设计
8、总体设计报告
3-3总体设计举例
考核要求
了解：精密仪器设计的基本原则。
理解：精密仪器的设计原理和总体设计内容。
掌握：精密仪器的总体设计方法和步骤。
第四章 精密机械系统（8学时）
了解精密仪器常用的机械机构：传动机构、导向机构、执行机构的作用、组成、特点及设计方法。掌握精密仪器常用的传动机构、导向机构、执行机构的结构分析方法。
4-1机械传动机构
1、基本概念
2、齿轮传动机构（副）
3、螺旋传动机构
4、连杆机构
5、凸轮机构
6、传动机构应用举例
4-2导向机构
1、精密仪器导轨的作用和构成
2、精密仪器导轨的类型
3、表征精密仪器导轨的主要质量指标
4、导轨的设计方法及步骤
4-3执行机构
1、精密仪器执行机构的组成及常用部件
2、微动机构（微位移机构）分类
3、执行机构结构分析
4、精密微动机构设计要点
考核要求
了解：精密仪器常用的传动机构、导向机构、执行机构设计方法。
理解：精密仪器常用的传动机构、导向机构、执行机构的作用、组成、特点。
掌握：精密仪器常用的传动机构、导向机构、执行机构的结构分析。
第五章 控制系统（8学时）
了解精密仪器的控制系统的基本概念、组成、分类、基本要求。掌握开环伺服系统及闭环伺服系统的组成、主要部件、设计步骤。
5-1概述
1、基本概念
2、伺服系统分类
3、伺服系统的基本结构
4、伺服系统的基本要求
5、伺服系统设计方法及步骤
5-2开环伺服系统
1、步进电动机原理
2、步进电机的驱动控制系统组成及实现
3、开环控制的伺服系统设计
5-3闭环伺服系统（自学或选讲：4学时）
1、直流伺服电动机原理
2、直流伺服电动机控制系统
3、闭环伺服系统设计
考核要求
了解：精密仪器的控制系统的基本概念、组成、分类、基本要求。
理解：开环伺服系统及闭环伺服系统的组成、主要部件的工作原理。
掌握：开环伺服系统及闭环伺服系统的设计步骤和方法。
第六章 计算机系统（4学时）
了解精密仪器的计算机系统的特点、功能、组成、分类、基本要求。
6-1精密仪器的计算机系统概述
6-2精密仪器的计算机系统举例
考核要求
了解：精密仪器的计算机系统的基本要求、分类及发展。
理解：精密仪器的计算机系统的特点、功能、组成。
掌握：虚拟仪器技术在精密仪器设计中的应用。
第七章、精密仪器设计实例（6学时）
通过对便携式近红外光谱仪器*、激光干涉仪*设计分析，掌握精密仪器的特点、要求、结构及设计方法。
7-1近红外光谱仪器*设计
1、设计分析
2、主要模块设计
7-2激光干涉仪*设计
第5章 任务分析
第6章 总体设计
第7章 详细设计
说明：*内容可根据情况有所变动，介绍其它的精密仪器。
考核要求
了解：光谱仪器*、激光干涉仪*的工作原理、结构、类型。
理解：精密仪器的特点及要求。
掌握：精密仪器的设计方法和过程。
四、实验：
b) 实验目的与任务
使学生更深刻地理解和掌握精密仪器的基本工作原理、结构和主要技术和设计方法，培养和提高学生分析问题和解决问题的能力，要求学生完成设计性的实验题目。
c) 实验教学基本要求
（1）了解精密仪器中机械系统的工作原理及主要结构，掌握Auto CAD设计精密机械系统的方法。
（2）掌握精密仪器控制系统的设计方法，采用单片机系统实现步进电动机的运动控制。
（3）掌握光机电一体化的精密仪器的设计方法，完成精密仪器的总体设计。
（4）掌握精密仪器计算机控制系统的设计方法，采用Labview设计精密仪器的计算机控制系统，实现系统人机界面交换。
d) 实验教材或指导书
自编实验指导书
e) 实验项目一览表
序号
| 实验项目
| 内容提要
| 实验
类型
| 学时
分配
| 主要仪器
设 备
| 实验
地点
| 备注
|
1
| 精密机械系统设计
| 采用Auto CAD设计一套精密机械系统，画出总装图
| 设计
| 4
| 计算机、CAD
| 校内实验室
| 利用课外时间2-4学时完成设计，课上完成CAD制图
|
2
| 步进电动机控制系统设计
| 实现步进电动机转角、速度、方向、定位的控制
| 设计
| 4
| 单片机开发系统、步进电动机
| 校内实验室
| 利用课外时间2-4学时完成设计，课上焊接电路、调试系统
|
3
| 便携式近红外光谱仪器总体设计
| 根据要求完成便携式近红外光谱仪器总体设计
| 设计
| 2
| 计算机
| 校内实验室
| 利用课外时间4-6学时完成设计，课上查资料、整理设计报告
|
4
| 步进电动机控制计算机系统设计
| 采用单片机、L297、MAX232串行通讯、Labview设计步进电动机控制计算机系统
| 设计
| 6*
| 单片机开发系统、步进电动机、计算机
| 校内实验室
| 选作
|
5
| 便携式近红外光谱仪器计算机控制系统设计
| 采用Labview设计便携式近红外光谱仪器的计算机控制系统，实现系统人机界面交换
| 设计
| 4*
| 计算机、Labview
| 校内实验室
| 选作
|
五、考核方式：笔试（开或闭卷）
