课程大纲

一、课程简介

       本课程的内容主要包括：数字化基础知识、工控机控制技术、PLC 控制技术、制造过程中信号的传感、数字化采集、处理和传输技术，材料制造过程自动控制理论基础和基本控制方法，最后通过典型的数字化系统集成范例，展示数字化技术在材料制造中的应用。
       通过本课程学习，使学生初步了解数字化技术的特点、现状和发展趋势，掌握数字化技术的基础知识，包括通用微处理器与嵌入式微处理器的基本架构，工控机和PLC的控制原理与特点，材料制造过程中信号的数字化采集、处理、传输的基本原理和特点，材料制造和加工过程进行数字化控制的基本方法。通过典型的应用实例和实验操作，熟悉基本的数字化控制系统设计的方法和技巧，提高数字化技术的应用能力和科研能力。最后通过期末大作业，让学生了解材料工程设计中存在的问题和发展趋势，培养其对材料工艺和设备进行优化、调整和改进的基本能力。

二、课程目标

1. 了解数字化技术的特点、现状、在材料制造中的应用和发展趋势（支持毕业要求1.1、1.4）；
2. 掌握数字化基础知识，包括通用和嵌入式微处理器的基本知识（支持毕业要求1.1）；
3. 熟悉工控机和 PLC控制的基本原理与技术特点（支持毕业要求2.1、2.3）；
4. 掌握材料制造过程中信号的传感和采集基本原理（支持毕业要求3.1）；
5. 熟悉数字信号处理的基本原理、方法和技术特点（支持毕业要求2.1、2.3）；
6. 熟悉数字信号传输的基本原理、方法和技术特点（支持毕业要求2.1、2.3）；
7. 熟悉材料制造和加工过程数字化控制的基本方法，提高数字化技术的应用能力和科研能力（支持毕业要求2.3、3.1、3.2）。

三、课程教学内容

第1章. 绪 论

1.1 数字化的概念
1.2 数字化制造的基本内容
1.3 数字化在现代制造业中的地位
1.4 数字化控制系统

第2章. 数字化技术基础知识

2.1 数字逻辑基础
2.2 微处理器

第3章. 工控机控制技术

3.1 工业控制计算机概述
3.2 工控机I/O板卡基础
3.3 工控机的编程与组态
3.4 工控机数据采集控制系统
3.5 工控机的应用和发展

第4章. PLC控制技术

4.1 PLC概述
4.2 PLC组成及工作原理
4.3 PLC编程技术
4.4 PLC控制系统
4.5 PLC主要产品介绍
4.6 PLC现状和发展趋势

第5章. 信号的数字化采集

5.1 信号概述
5.2 信号的传感
5.3 信号的采集
5.4 数字化数据采集系统
5.5 数据采集系统举例

第6章. 数字化信号的处理

6.1 数字信号基本概念
6.2 数字信号处理的特点
6.3 数字信号处理基本方法
6.4 数字化信号的输出

第7章. 数字化信号的传输

7.1 数据通信概述
7.2 数字化信息传输技术
7.3 基于现场总线的信息传输技术
7.4 基于网络的信息传输技术

第8章. 自动控制理论基础

6.1 引言
6.2 基本概念和原理
6.3 控制模型和传递函数
6.4 自动控制系统性能

第9章. 数字化控制方法

9.1 PID控制方法
9.2 其他自动控制方法
9.3 材料制造过程控制方法举例

第10章. 材料制造数字化系统集成范例

10.1 热处理炉温度控制系统
10.2 反重力铸造液态成形控制系统
10.3 激光熔覆增材制造系统
10.4 机器人材料加工系统
10.5 基于机器视觉的焊缝质量检测系统

四、实验内容和基本要求

1、实验手段：

通用微型计算机，信号数字化采集、处理与控制一体化实验平台，焊接机器人、PLC控制器、演示用焊接设备等。

2、基本实验方法：

本课程的实验采用操作实验和参观演示实验相结合，操作实验采用通用微型计算机、数字信号采集控制卡，与材料制造和加工过程中常用的温度检测与控制一体化实验平台相连接，通过模块化应用程序的参数调整和调试，对温度信号进行一系列的数字化采集、处理和控制，以利于同学熟悉数字化技术的基本应用；参观演示实验采用焊接机器人、PLC控制器、焊接设备、现场总线、工业以太网等组成的联网控制系统，进行现场焊接、编程、联网控制演示，从而让学生熟悉数字化控制技术在材料加工制造中的应用情况。

3、实验内容：

1 操作实验     PLC编程操作和使用              熟悉PLC语言的编程
2 操作实验     交通灯PLC编程控制实验       掌握PLC编程和基本应用
3 操作实验     数字化实验系统操作和使用   熟悉实验系统基本操作
4 操作实验     信号的数字化采集与处理       掌握采样定理和数字信号处理
5 操作实验     炉温控制PID参数整定            掌握PID参数整定基本方法
6 操作实验     材料回火热处理温控实验       材料加工所学知识综合应用
7 演示实验     数字化技术参观演示实验      了解数字化技术与材料制造相结合应用实例

4、实验基本要求：

        学生上机实验时要求独立完成实验程序编程，掌握PLC语言的基本编程和应用，提交程序代码和计算结果；通过数字化实验要求能够掌握采样定理，常见滤波方法，PID参数的整定方法，熟悉其基本原理和简单应用并提交实验报告。通过对信号采集、处理，传输、控制的应用和了解，熟悉计算机在材料制造过程中应用的基本原理。

五、考核及成绩评定方式

        为了切实使学生从材料制造数字化技术基础这门课程中学到知识，建立数字化控制系统设计的基本思路与方法，掌握基本的原理和方法，本课程采用平时（15%）（5%课堂+10%作业）、实验（25%）、期中测验（20%）、期末考核（40%）的考核模式，加强了平时课堂、作业和实验的考核权重，让学生在课堂互动教学和实验中深化了解，加深切身感悟，为重点加强学生思维和动手能力的培养创造条件。

六、教学参考书

[1] 杨海成，数字化设计制造技术基础，西北工业大学出版社，2007
[2] 苏春，数字化设计与制造，机械工业出版社，2009
[3] 黄石生，弧焊电源及其数字化控制，机械工业出版社，2008
[4] 樊新民，材料科学与工程中的计算机技术，中国矿业大学出版社，2000
[5] N.P.Mahalik，机电一体化―原理、概念、应用，科学，2008
[6] 郑学坚，微型计算机原理与应用，清华大学出版社，2001
[7] 戴梅萼. 微型计算机技术及应用. 清华大学出版社, 2008
[8] 金敏，嵌入式系统组成、原理与设计编程，人民邮电出版社，2006
[9] 薛迎成，工控机及组态控制技术原理及应用（第二版），中国电力出版社，2011
[10] 吴亦锋，PLC及电气控制，电子工业出版社，2012
[11] 梅丽凤，电气控制与PLC应用技术，机械工业出版社，2012
[12] 汉泽西，肖志红，董洁.现代测试技术[M].机械工业出版社，2006.
[13] 周林，殷侠，数据采集与分析技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2005.
[14] 祝常红，彭坚，数据采集与处理技术[M].北京：电子工业出版社，2008.
[15] 梅丽凤，王艳秋，张军，单片机原理及接口技术[M]，清华大学出版社，2004.
[16] 何立民，单片机应用系统设计[M]，北京:北京航空航天大学出版社，l990.
[17] 许庆彦，张光跃等，用快速数据采集系统研究铸件充型过程[J]，特种铸造及有色合金，2000年第3期
[18] 鲍泽富，李晓鹏，王江萍，钻杆热处理过程数据实时采集处理系统设计[J]，石油机械，2008年第36卷第10期
[19] 胡广书. 数字信号处理导论[M].北京：清华大学出版社，2003.
[20] 余成波，张莲，邓力. 信号与系统[M].北京：清华大学出版社，2004.
[21] 张树京，信息传输技术原理及应用，电子工业出版社， 2011
[22] 李颖洁，现代通信原理：信息传输的相关技术，科学出版社， 2007
[23] 刘泽祥，现场总线技术，机械工业出版社， 2011
[24] 李正军，现场总线与工业以太网及其应用技术，机械工业出版社， 2011
[25] SteveRackly，无线网络技术原理及应用，电子工业出版社，2012
[26] 胡绳荪，焊接自动化技术及其应用，机械工业出版社，2007
[27] 沈裕康，严武升，杨庚辰， 自动控制基础，西安电子科技大学出版社，1995
[28] 俞孟蕻，李众，王建华，智能控制基数，科学出版社，1998
[29] 付家才，王秀琴， 现代工业控制基础，哈尔滨工程大学出版社，2003
[30] 李强，郝启堂，李新雷，柴艳. 反重力铸造液态成形过程的PLC控制. 铸造技术，2006,27（10）：1093-1097
[31] 刘立君. 材料成形控制工程基础. 北京大学出版社，2009
[32] 张朝晖. 计算机在材料科学与工程中的应用. 中南大学出版社, 2008
[33] 杨思乾，李付国，张建国. 材料加工工艺过程的检测与控制. 西北工业大学出版社2006
[34] 潘际銮.二十一世纪焊接可许研究的展望.第九次全国焊接会议论文集.哈尔滨：黑龙江人民出版社，1999.1-7.
[35] Tam T J，Chen S B，Zhou C J. Robotic welding INTELligent and automation. Springer Verlag，Mar，2004.
[36] Z. X. Gan，H. Zhang, J. J. Wang. Behavior-Based INTELligent robotic technologies in industrial applications, Robotic Welding, INTELligence and Automation[C].Berlin: Springer-Verlag, 2007, 1-12.
[37] 陈善本. 智能化机器人焊接技术研究进展.机器人技术与应用.2007, 8-11
[38] 吴林，陈善本等，智能化焊接技术，国防工业出版社，2000
[39] 陈善本，林涛等，智能化焊接机器人技术，机械工业出版社，2006