機電一體化系統(tǒng)設計復習題今天的

1、1、什么是機電一體化？ 答：機電一體化技術綜合應用了機械技術、微電子技術、信息處理技術、自動控制技術、檢測技術、電力電子技術、接口技術及系統(tǒng)總體技術等群體技術，在高質量、高精度、高可靠性、低能耗意義上實現多種技術功能復合的最佳功能價值的系統(tǒng)工程技術。2、一個典型的機電一體化系統(tǒng)，應包含哪些幾個基本要素？答：機電一體化系統(tǒng)，應包含以下幾個基本要素：機械本體、動力與驅動部分、執(zhí)行機構、傳感測試部分、控制及信息處理部分。我們將這些部分歸納為：結構組成要素、動力組成要素、運動組成要素、感知組成要素、智能組成要素；這些組成要素內部及其之間，形成通過接口耦合來實現運動傳遞、信息控制、能量轉換等有機融合的一

2、個完整系統(tǒng)。3、試簡述機電一體化系統(tǒng)的設計方法。答：機電一體化系統(tǒng)的設計過程中，一直要堅持貫徹機電一體化技術的系統(tǒng)思維方法，要從系統(tǒng)整體的角度出發(fā)分析研究各個組成要素間的有機聯系，從而確定系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的設計方法，并用自動控制理論的相關手段，進行系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動態(tài)特性分析，實現機電一體化系統(tǒng)的優(yōu)化設計。4、步進電動機是什么電機？它的驅動電路的功能是什么?答：步進電動機又稱電脈沖馬達，是通過脈沖數量決定轉角位移的一種伺服電動機，成本較低，易于采用計算機控制，且比直流、交流電動機組成的開環(huán)控制系統(tǒng)精度高，因而被廣泛應用于開環(huán)控制的伺服系統(tǒng)中。步進電動機驅動電路實際上是一個功率開關電路，為使步進電動機

3、能輸出足夠的轉矩以驅動負載工作，提供足夠功率的控制信號。5、描述傳感器靜態(tài)特性的主要技術指標是什么？答：傳感器變換的被測量的數值處在穩(wěn)定狀態(tài)時，傳感器的輸入/輸出關系稱為傳感器的靜態(tài)特性。描述傳感器靜態(tài)特性的主要技術指標是：線性度、靈敏度、遲滯、重復性、分辨率和零漂。6、測試傳感部分的作用是什么？答：測試傳感部分的作用：對系統(tǒng)運行中所需要的本身和外界環(huán)境的各種參數及狀態(tài)進行檢測，傳輸到信息處理單元，經分析處理后產生控制信息15、伺服控制系統(tǒng)一般包括哪幾個部分？每部分能實現何種功能？答：伺服控制系統(tǒng)一般包括控制器、被控對象、執(zhí)行環(huán)節(jié)、檢測環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)等五個部分。比較環(huán)節(jié)是將輸入的指令信號與系統(tǒng)

4、的反饋信號進行比較，以獲得輸出與輸入間的偏差信號，通常由專門的電路或計算機來實現；控制器通常是計算機或PID控制電路；其主要任務是對比較元件輸出的偏差信號進行變換處理，以控制執(zhí)行元件按要求動作；執(zhí)行元件按控制信號的要求，將輸入的各種形式的能量轉化成機械能，驅動被控對象工作，機電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行元件一般指各種電機或液壓、氣動伺服機構等。被控對象是指被控制的機構或裝置，是直接完成系統(tǒng)目的的主體，一般包括傳動系統(tǒng)、執(zhí)行裝置和負載；檢測環(huán)節(jié)指能夠對輸出進行測量，并轉換成比較環(huán)節(jié)所需要的量綱的裝置，一般包括傳感器和轉換電路。18、轉動慣量對傳動系統(tǒng)有哪些影響?答：轉動慣量增大使機械負載增加，功率消耗大

5、；使系統(tǒng)相應速度變慢，降低靈敏度；使系統(tǒng)固有頻率下降，容易產生諧振。20、已知某工作臺采用直流電機絲杠螺母機構驅動，已知工作臺的行程L=250mm，絲杠導程t4mm，齒輪減速比為i=5，要求工作臺位移的測量精度為0.005mm(忽略齒輪和絲杠的傳動誤差)。 (1)試采用高速端測量方法，確定旋轉編碼器的每轉脈沖數。 (2)若將傳感器與絲杠的端部直接相連，n=500脈沖轉的旋轉編碼器是否合用。高速端測量 設傳感器的每轉脈沖數為n，每個脈沖對應工作臺的位移為 滿足題目要求。低速端測量 傳感器直接與絲杠連接，與減速比無關可知n500脈沖轉的編碼器不合用。19、已知數控機床控制系統(tǒng)如圖所示，試說明圖中的

6、各個部分屬于機電一體化系統(tǒng)中的哪一個基本要素?答： 控制及信息處理單元：鍵盤、計算機、顯示； 測試傳感部分：光電編碼器、信號處理； 能源：電源； 驅動部分：功放、電機； 執(zhí)行機構：聯軸器、齒輪減速器、絲杠螺母機構、工作臺。21、什么是機電一體化？ 答：機電一體化技術綜合應用了機械技術、微電子技術、信息處理技術、自動控制技術、檢測技術、電力電子技術、接口技術及系統(tǒng)總體技術等群體技術，在高質量、高精度、高可靠性、低能耗意義上實現多種技術功能復合的最佳功能價值的系統(tǒng)工程技術。22、什么是機電一體化的變參數設計？答：在設計方案和結構原理不變的情況下，僅改變部分結構尺寸和性能參數，使之適用范圍發(fā)生變化的

7、設計方式。例如，同一種產品不同規(guī)格型號的相同設計。23、機電一體化技術與傳統(tǒng)機電技術的區(qū)別。答：傳統(tǒng)機電技術的操作控制主要以電磁學原理的各種電器來實現，如繼電器、接觸器等，在設計中不考慮或很少考慮彼此間的內在聯系。機械本體和電氣驅動界限分明，整個裝置是剛性的，不涉及軟件和計算機控制。機電一體化技術以計算機為控制中心，在設計過程中強調機械部件和電器部件間的相互作用和影響，整個裝置在計算機控制下具有一定的智能性。26、機電一體化系統(tǒng)中的接口的作用。答：接口主要完成電平轉換、信號隔離、放大、濾波、速度匹配等。27、試分析機電一體化系統(tǒng)設計與傳統(tǒng)的機電產品設計的區(qū)別。答：機電一體化系統(tǒng)設計方法與用經驗

8、公式、圖表和手冊為設計依據的傳統(tǒng)方法不同，它是以計算機為手段，其設計步驟通常如下：設計預測信號分析科學類比系統(tǒng)分析設計創(chuàng)造設計選擇各種具體的現代設計方法（如相似設計法、模擬設計法、有限元法、可靠性設計法、動態(tài)分析法、優(yōu)化設計法、模糊設計法等）機電一體化系統(tǒng)設計質量的綜合評價。28、機電一體化技術與自動控制技術的區(qū)別。答：自動控制技術的側重點是討論控制原理、控制規(guī)律、分析方法和自動系統(tǒng)的構造等。機電一體化技術是將自動控制原理及方法作為重要支撐技術，將自控部件作為重要控制部件。它應用自控原理和方法，對機電一體化裝置進行系統(tǒng)分析和性能測算。29、試述在機電一體化系統(tǒng)設計中，系統(tǒng)模型建立的意義。答：機

9、械系統(tǒng)的數學模型分析的是輸入（如電機轉子運動）和輸出（如工作臺運動）之間的相對關系。等效折算過程是將復雜結構關系的機械系統(tǒng)的慣量、彈性模量和阻尼（或阻尼比）等機械性能參數歸一處理，從而通過數學模型來反映各環(huán)節(jié)的機械參數對系統(tǒng)整體的影響。 30、機電一體化系統(tǒng)中，機械傳動的功能是什么？答：機電一體化機械系統(tǒng)是由計算機信息網絡協(xié)調與控制的，用于完成包括機械力、運動和能量流等動力學任務的機械及機電部件相互聯系的系統(tǒng)。其核心是由計算機控制的，包括機械、電力、電子、液壓、光學等技術的伺服系統(tǒng)。它的主要功能是完成一系列機械運動，每一個機械運動可單獨由控制電動機、傳動機構和執(zhí)行機構組成的子系統(tǒng)來完成，而這些

10、子系統(tǒng)要由計算機協(xié)調和控制，以完成其系統(tǒng)功能要求。機電一體化機械系統(tǒng)的設計要從系統(tǒng)的角度進行合理化和最優(yōu)化設計。機電一體化系統(tǒng)的機械結構主要包括執(zhí)行機構、傳動機構和支承部件。在機械系統(tǒng)設計時，除考慮一般機械設計要求外，還必須考慮機械結構因素與整個伺服系統(tǒng)的性能參數、電氣參數的匹配，以獲得良好的伺服性能。31、從系統(tǒng)的動態(tài)特性角度來分析：產品的組成零部件和裝配精度高，但系統(tǒng)的精度并不一定就高的原因。答：產品的組成零部件和裝配精度高，是靜態(tài)的，由于阻尼的影響、摩擦的影響、彈性變形的影響以及慣量的影響在動態(tài)響應上存在滯后或超前的影響，使得整個系統(tǒng)的動態(tài)精度不高32、滑動摩擦中采用導軌有什么作用，對導

11、軌有什么具體要求？答：滑動摩擦導軌的運動件與承導件直接接觸。其優(yōu)點是結構簡單、接觸剛度大；缺點是摩擦阻力大、磨損快、低速運動時易產生爬行現象。(1) 導向精度高。導向精度是指運動件按給定方向作直線運動的準確程度，它主要取決于導軌本身的幾何精度及導軌配合間隙。(2) 運動輕便、平穩(wěn)、低速時無爬行現象。導軌運動的不平穩(wěn)性主要表現在低速運動時導軌速度的不均勻，使運動件出現時快時慢、時動時停的爬行現象。(3) 耐磨性好。導軌的初始精度由制造保證，而導軌在使用過程中的精度保持性則與導軌面的耐磨性密切相關。導軌的耐磨性主要取決于導軌的類型、材料、導軌表面的粗糙度及硬度、潤滑狀況和導軌表面壓強的大小。(4)

12、 對溫度變化的不敏感性。即導軌在溫度變化的情況下仍能正常工作。(5) 足夠的剛度。在載荷的作用下，導軌的變形不應超過允許值。剛度不足不僅會降低導向精度，還會加快導軌面的磨損。剛度主要與導軌的類型、尺寸以及導軌材料等有關。（6）結構工藝性好。導軌的結構應力求簡單、便于制造、檢驗和調整，從而降低成本。33、驅動力和溫度對導軌間隙有什么影響？答：設計導軌時，必須合理確定驅動力的方向和作用點，使導軌的傾復力矩盡可能小。否則，將使導軌中的摩擦力增大，磨損加劇，從而降低導軌運動靈便性和導向精度，嚴重時以至使導軌卡住而不能正常工作?；瑒幽Σ翆к墝囟茸兓容^敏感，由于溫度的變化，可能使自封式導軌卡住或造成不

13、能允許的過大間隙。35、檢測系統(tǒng)由哪幾部分組成？說明各部分的作用？答：敏感元件：是一種能夠將被測量轉換成易于測量的物理量的預變換裝置。 傳感元件：是將敏感元件輸出的非電物理量轉換成電信號（如電阻、電感、電容等）形式。 基本轉換電路：將電信號量轉換成便于測量的電量，如電壓、電流、頻率等。36、何謂I/O接口？計算機控制過程中為什么需要I/O接口？答：I/O接口與I/O通道是計算機主機與外部連接的橋梁，常用的I/O接口有并行接口和串行接口。I/O通道有模擬量I/O通道和數字量I/O通道。其中模擬量I/O通道的作用是，一方面將經由傳感器得到的工業(yè)對象的生產過程參數變換成二進制代碼傳送給計算機；另一方

14、面將計算機輸出的數字控制量變換為控制操作執(zhí)行機構的模擬信號，以實現對生產過程的控制。數字量通道的作用是，除完成編碼數字輸入輸出外，還可將各種繼電器、限位開關等的狀態(tài)通過輸入接口傳送給計算機，或將計算機發(fā)出的開關動作邏輯信號經由輸出接口傳送給生產機械中的各個電子開關或電磁開關。37、什么是伺服控制？為什么機電一體化系統(tǒng)的運動控制往往是伺服控制？答：伺服控制系統(tǒng)是一種能夠跟蹤輸入的指令信號進行動作，從而獲得精確的位置、速度及動力輸出的自動控制系統(tǒng).機電一體化的伺服控制系統(tǒng)的結構、類型繁多，但從自動控制理論的角度來分析，伺服控制系統(tǒng)一般包括控制器、被控對象、執(zhí)行環(huán)節(jié)、檢測環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)等五部分。38

15、、機電一體化系統(tǒng)的伺服驅動有哪幾種形式?各有什么特點？答：（1）按被控量參數特性分類 按被控量不同，機電一體化系統(tǒng)可分為位移、速度、力矩等各種伺服系統(tǒng)。其它系統(tǒng)還有溫度、濕度、磁場、光等各種參數的伺服系統(tǒng) （2）按驅動元件的類型分類 按驅動元件的不同可分為電氣伺服系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)、氣動伺服系統(tǒng)。電氣伺服系統(tǒng)根據電機類型的不同又可分為直流伺服系統(tǒng)、交流伺服系統(tǒng)和步進電機控制伺服系統(tǒng)。 （3）按控制原理分類 按自動控制原理，伺服系統(tǒng)又可分為開環(huán)控制伺服系統(tǒng)、閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)和半閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)39、比較直流伺服電動機和交流伺服電動機的適用環(huán)境差別。答：直流伺服電機具有良好的調速特性，較大的啟動轉

16、矩和相對功率，易于控制及響應快等優(yōu)點。盡管其結構復雜，成本較高，在機電一體化控制系統(tǒng)中還是具有較廣泛的應用。 與直流伺服電動機比較，交流伺服電動機不需要電刷和換向器，因而維護方便和對環(huán)境無要求；此外，交流電動機還具有轉動慣量、體積和重量較小，結構簡單、價格便宜等優(yōu)點；尤其是交流電動機調速技術的快速發(fā)展，使它得到了更廣泛的應用。40、簡述干擾對機電一體化系統(tǒng)的影響。答：在機電一體化系統(tǒng)的工作環(huán)境中，存在大量的電磁信號，如電網的波動、強電設備的啟停、高壓設備和開關的電磁輻射等，當它們在系統(tǒng)中產生電磁感應和干擾沖擊時，往往就會擾亂系統(tǒng)的正常運行，輕者造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，降低了系統(tǒng)的精度；重者會引起控制

17、系統(tǒng)死機或誤動作，造成設備損壞或人身傷亡。41、分析在機電一體化系統(tǒng)中常用的抗干擾措施。答：抑制干擾的措施很多，主要包括屏蔽、隔離、濾波、接地和軟件處理等方法。42、什么是屏蔽技術及其分類？答：屏蔽是利用導電或導磁材料制成的盒狀或殼狀屏蔽體，將干擾源或干擾對象包圍起來從而割斷或削弱干擾場的空間耦合通道，阻止其電磁能量的傳輸。按需屏蔽的干擾場的性質不同，可分為電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁場屏蔽。43、機電一體化中隔離方法有哪些？答：隔離方法有光電隔離、變壓器隔離和繼電器隔離等方法。44、機電一體化系統(tǒng)中的計算機接口電路通常使用光電耦合器，請問光電耦合器的作用有哪些？答：光電隔離是以光作媒介在隔離的兩

18、端間進行信號傳輸的，所用的器件是光電耦合器。由于光電耦合器在傳輸信息時，不是將其輸入和輸出的電信號進行直接耦合，而是借助于光作介物進行耦合，因而具有較強的隔離和抗干擾的能力。一般光電耦合器組成的輸入/輸出線路，在控制系統(tǒng)中，它既可以用作一般輸入/輸出的隔離，也可以代替脈沖變壓器起線路隔離與脈沖放大作用。由于光電耦合器具有二極管、三極管的電氣特性，使它能方便地組合成各種電路。又由于它靠光耦合傳輸信息，使它具有很強的抗電磁干擾的能力，從而在機電一體化產品中獲得了極其廣泛的應用.45、常用的濾波器有哪些，并分析他們的適用場合?答：濾波是抑制干擾傳導的一種重要方法。由于干擾源發(fā)出的電磁干擾的頻譜往往比要接收的信號的頻譜寬得多，因此，當接受器接收有用信號時，也會接收到那些不希望有的干擾。這時，可以采用濾波的方法，只讓所需要的頻率成分通過，而將干擾頻率成分加以抑制。常用濾波器根據