机电一体化系统研发设计Word下载.docx
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（1）机械受控模块
机械受控模块代表系统的机械结构，通常包含机械传动、支承和支座等。
它的设计既涉及材料性能、结构特性、形状、体积及重量等参数，也涉及系统的外貌。
机械受控模块在机电一体化系统中的主要功能是承载、传递力和运动，如改变速度、远距离动作、力的放大和反馈、速度和力的参数调爷、同步传动和传送物料等。
厦礴恳蹒骈時盡继價骚。
（2）测量模块
测量模块的功能是采集有关系统状态和行为的信息，由传感器、调理电路、变换电路等组成。
对测量模块的设计要求，就是不失真地反呋被测物理变量的时间变化曲线。
茕桢广鳓鯡选块网羈泪。
（3）驱动模块
驱动模块通常是指由电动机及其驱动电路组成的技术模块。
驱动模块在系统中的作用是提供驱动力改变系统包含速度和方向的运行状态，产生所希望的运动输出。
鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。
（4）通信模块
通信模块的功能足传递信息，实现系统的内部、外部，近程和远程通信。
远距离传输
多数采用光缆或无线电通信网络。
在车间环境一卜．工作，为防止电噪声干扰，红外通信用得比较普遍。
在制造系统中，普遍采用局域网（LAN）实现各个独立设备之间的通信。
籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。
（5）微计算机模块
微计算机模块在系统中负责处理由测量模块和接口模块提供的信息。
（6）软件模块
软件模块包括系统的操作指令和预先定义的各种算法，负责控制微计算机模块工作。
软件模块的特性和形式与所选用的微计算机模块密切相关。
软件模块的质量对机电一体化系统的柔性和智能化有着巨大的影响。
預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。
（7）接口模块
接口模块在系统内主要用于各级之问的信息传递。
4．机电一体化系统的设计指标和评价标准大体上应包括哪几个方面？
（PI4~15）
机电一体化系统的设计指标和评价标准大体上应包括以下几个方面：
（1）系统功能
任何系统都是供给最终用户使用的口任何系统的功能要求，都应该从市场需求出发，尊重最终用户的意见，结合技术上的可行性，再作出抉择，不可片面追求功能的多寡。
渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。
（2）性能指标
性能指标是系统功能的定量度量。
性能指标有分辨率、灵敏度、精度、可靠性、线性度，速度和位移范围，以及承载能力、功耗、体积、重量等。
当系统功能决定后，每一项功能都应该满足一定的性能指标，只有这样，浚项功能才具有实用价值。
制定性能指标时，必须有科学的依据，切不可轻率从事。
否则，便会造成巨大的浪费。
性能指标降低了，会使设计出来的系统不能实用；
而性能指标高厂，将加大实现的难度和成本，而且可靠性可能降低。
铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。
（3）使用条件
任何系统都是在一定条件下运行的，其中包括客观的环境条件和．主观的人员素质。
客观的环境条件有温度、湿度、振动、冲击、噪声、电磁干扰等，主观因素应考虑系统适合何种文化水平的人员使用。
这里必须满足可操作性、可维修性、安全性及性能稳定性等一系列有关人身和设备的正常运转的要求。
在满足客观环境和主观因素这两方面的使用条件下，系统应具有一定的平均无故障时间和足够的使用寿命。
只有这样，系统才能经久耐用，具有实用价值。
擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。
（4）社会经济效益
所谓经济效益．应从两个方面考虑，一是从投资一方，花多少经费、人力及时问，可以开发出新一代产品并投放市场，估计在市场上占有多大的份额，将有多大的收益；
二是从最终用户这一方，分析他们的费效比和经济承受能力。
贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。
5．传统的工程设计方法与机电一体化的工程设计方法之间有什么不同？
（P7）
答：
不同点如下表所示：
传统设计
机电一体化设计
传统没计
大批量系统
中小批量系统
机械同步
电子同步
复杂的机械系统
简化的机械系统
笨重结构
轻巧结构
不可调的运动循环
可编程序运动
由机械公差决定精度
由反馈实现精度
常速度驱动
可变速度驱动
人工控制
自动化和可编程序控制
6．进行机电一体化设计时应遵循什么原则处理“机”与“电”的关系？
（P17～18）
在进行机电一体化系统设计时，通常，应遵循如下原则来处理“机”与“电”的关系：
（1）替代机械系统
在极端情况下，机械的功能可以完全由微计算机和执行器取代，从而使机械产品变成电子产品。
（2）简化机械系统
在许多情况下，机械系统可采用机电一体化方法加以简化。
依靠微计算机和执行器可以提供诸如轮廓、速度以及定位控制任务的功能。
坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。
（3）增强机械系统
将正常设计的机械与闭环控制回路相组合，可以实现增强机械系统的运动速度、精度以及柔性，有关的部件可以做得更轻、惯量更小。
蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。
（4）综合机械系统
采用嵌入式微处理系统，有能力综合不同的机械系统以及相关的功能。
7．一般机电一体化产品设计主要有哪几个阶段？
（P20~24）
整个设计过程可以分为以下几个阶段：
（1）市场调研、需求分析和技术预测；
（2）概念设计；
（3）可行性分析；
（4）编制设计任务书；
（5）初步设计——方案设计；
（6）方案设计评估与优化；
（7）详细设计和参数核算；
（8）完成全部设计文件。
二、名词解释题
1．（P50）闭式导轨借助导轨副本身的封闭式结构，在变化的空间位置和受力状况下，使运动导轨和支承导轨的工作面都能可靠接触，从而保证运动导轨的规定运动。
闭式导轨一般受温度变化的影响较小。
買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。
2．（P56）支承件静刚度：
静刚度等于支承件产生的静变形与承受的静载荷之比。
3．（PSo）开式导轨：
借助于运动件的自重和外载荷，在+-定的宅问位置和受力状况下，使运动导轨和支承导轨的工作面可靠接触，从而保证运动导轨的规定运动。
开式导轨一般受温度变化的影响较小。
綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。
4．（P50）直线运动导轨副：
支承导轨约束了运动导轨的五个，自由度，仅保留沿给定方向的直线移动自由度。
驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。
5．（P50）旋转运动导轨副：
支承导轨约束了运动导轨韵五个自由度，仅保留沿给定轴线的旋转运动自由度。
6．（P45）轴系的热特性：
轴系的热特性主要参数是热源强度、温升及上作部位的热位移。
7．（P47）气体动压支承：
是利用窄气作润滑剂的一种轴承，通过空气的弹性起支承作用，可避免固体面之间的直接接触，在轴颈和轴瓦之间形成气楔。
猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。
8．（P50）滚动导轨：
滚动导轨的配对导轨面间由滚动体隔开，导轨面不直接接触，运动时与滚动体产生滚动摩擦。
锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。
三、简答题
1．什么是轴系的动特性？
（P45）
指轴系抵抗冲击、振动、噪声的特性。
2．设计定轴齿轮系传动部件时需要考虑哪些因素？
（P30）
在设计定轴齿轮系传动部件时，确定传动级数和传动比必须综合考虑最佳分配条件、可行性及经济性，合理分配传动比。
構氽頑黉碩饨荠龈话骛。
3．为什么要消除齿轮副间隙？
常用什么方法消除间隙？
（P30）
齿轮副的间隙使得在传动过程中，主动轮突然改变旋转方向时，从动轮不能立即随之反转，而是有一个滞后量，造成齿轮传动的回差。
这种非线性因素将会影响全闭环伺服系统的稳定性。
消除齿轮副间隙通常分为刚性调整法和柔性调整法。
輒峄陽檉簖疖網儂號泶。
4．简述调整中心距法调整齿轮副间隙的原理。
调整中心矩法结构如图2-8所示。
大齿轮1装在偏心矩为P的偏心轴2上，根据间隙调整相应的中心矩。
5．简述斜齿轮法调整齿轮副间隙的原理。
斜齿轮法结构如图2-9所示。
与齿轮4相啮合的齿轮1和齿轮2为薄片齿轮，中间用垫圈3隔开，选择、修磨垫圈厚度，即可消除齿轮副间隙。
由于正、反向转动时只有其中一个薄片齿轮承载，故采用这种方法的齿轮副承载能力较小。
尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。
6．简述采用拉簧法调整齿轮副间隙的原理。
（P31）
图2-10为采用拉簧的结构。
薄片齿轮1和2套装在一起，通过拉簧3的拉力使两个齿数相同的薄片齿轮错位，使两薄片齿轮的左右齿面分别贴在与其啮合的齿轮的左右面上，以消除齿轮间隙。
选择的弹簧拉力应能克服传动的最大转矩，否则将会出现动态间隙。
识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。
7．简述采用碟形弹簧法调整齿轮副间隙的原理。
图2-11为采用碟形弹簧消除斜齿轮间隙的结构。
斜齿轮1和2与齿轮6啮合，碟形弹簧3的压力通过螺母5调侈．4为垫圈。
弹簧力过小，达不到消除间隙的目的；
弹簧力过大，则使齿轮磨损加快、阻力增加，因此应将弹簧力调整适当。
凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。
8．对于高精度、高刚度的齿轮副传动系统如何提高精度？
（P32）
通常，对于高精度、高刚度的齿轮副传动系统，除提高齿轮制造精度以外，现代普遍采用的方法是：
提高孔距精度（如±
0.01mm～±
0.02mm）。
或在给定孔距条件下配磨高精度齿轮，以求解决间隙问题。
恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。
9．滚珠丝杠螺母副与普通螺旋传动相比有哪些特点？
（P33）
滚珠丝杠螺母副克服厂普通螺旋传动的缺点，已发展成为一种高精度的传动装置。
它采用滚动摩擦螺旋取代了滑动摩擦螺旋，具有磨损小、传动效率高、传动平稳、寿命长、精度高、温升低等优点。
由于滚珠丝杠螺母副具有运动摩擦小、便于消除传动间隙等突出优点，它给机电一体化系统的性能改善带来了巨大的益处。
但是，它不能自锁，用于升降传动时需要另加锁紧装置，结构复杂、成本偏高，另外传动的距离和速度有限。
鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。
10．滚珠丝杠螺母副分为外循环插管式和内循环反向器式两种类型，这两种类型各有什么特点？
（P34）
外循环插管式滚珠丝杠螺母副的滚珠，在循环过程中有一段离开丝杠表面，通过弯管形成循环回路。
它的结构简单，制造容易，但径向尺寸大．Il弯臀两端管舌耐磨性和抗冲击性差。
硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。
内循环反向器式滚珠丝杠螺母副的滚珠，茌循环过程中始终与丝杠表而接触，通过反向器越过丝杠的螺纹外径进入相邻滚道，形成一个循环回路。
内循环反向器式结构同路短，摩擦小，效率高，径向尺寸小，但制造成本较高。
阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。
11．简述双螺母齿差式调隙和预紧方式的原理。
（P35）
双螺母齿差式如图2-12所示。
在螺母1和螺母2的凸缘上分别切出只相差一个齿的齿圈，然后装入螺母座3中，与相应的内齿圈相啮合。
由于齿数差的关系．两个螺母在圆周上相互错动一定的相位，从而达到调整间隙的目的。
这种调整方法精度高，预紧准确可靠，不易松动，调整方便。
氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。
13．简述双螺母垫片式调隙和预紧方式的原理。
（P35）
图2-1-1为两种常用的双螺母垫片式。
图（a）为压紧式。
图中1为丝杠；
2为螺母；
3为垫块；
4为螺栓。
图（h）为拉紧式。
图巾1为丝杠；
3为垫片；
4为衬筒。
这种方法通过改变挚片的厚度，使螺母产生位移，以达到消除间隙和预紧的同的。
该方法结构简单，拆卸方便，工作可靠，刚性好；
但使用中不便于随时调整，调整精度较低。
釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。
14.简述单螺母变位导程自预紧式调隙和预紧方式的原理。
（P36）
单螺母变位导程自预紧式如图2-15所示。
这种方法是在滚珠螺母内的两组循环圈之间，借助于螺母内螺纹变位导程产生变位量±
△L来实现消除间隙和预紧，其预紧力的大小由±
△L和径向间隙确定。
该方法结构简单、尺寸紧凑且价格低廉，缺点是不便于随时调整。
怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。
15．双推一双推支承组合有什么优缺点？
双推一双推支承组合结构刚度最高，预拉伸后可减少丝杠自重变形和补偿热变形，使刚度更高，适用于高精度高刚度的工作条件。
但是这种支承形式结构复杂，工艺困难，成本最高。
谚辞調担鈧谄动禪泻類。
16．滚珠丝杠螺母副主要有哪几种支承方式？
（P36~38）
（1）两端固定（双推一双推）
双向推力固定可用双向圆锥滚子轴承、两个单向圆锥滚子轴承反向成组使用，双向推力角接触球轴承、两个单向推力角接触球轴承反向成组使用，双向推力球轴承、两个单向推力球轴承反向成组使用，滚针和推力滚子组合轴承以及600接触角推力角接触球轴承组合。
嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。
（2）一端固定一端游动（双推—简支）
固定端用双向推力支承。
另一端轴向游动简支叮用深沟球轴承、圆柱滚子轴承等。
双推一简支支承组合结构中丝杠有膨胀的余地。
熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。
（3）两端均为单向推力（单推一单推）
单向推力可用单向圆锥滚子轴承、草向推力角接触球轴承等。
单推一单推支承组合结构，可根据预计温升产生的膨胀量，进行预拉伸。
鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。
（4）一端固定一端自由（双推一自由）
自由端轴向和径向均无约束。
双推一自由支承组合结构简单，刚度、临界转速、压杆稳定性都比较低，适用于较短和竖直安装的丝杠。
纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。
17．谐波齿轮有什么特点？
（P39～40）
（1）结构简蕾．体积小，重量轻，传动效率高；
（2）传动比范围大；
（3）同时啮合的街数多，运动精度高．承载能力大；
（4）运动平稳，无冲击，噪声小；
（5）齿侧问隙可以调整；
（6）可实现向密闭空间传递运动及动力；
（7）可实现高增速运动；
（8）方便地实现差速传动。
18．简述谐波齿轮减速器的工作原理。
（P38）
图2-16为舣波传动谐波齿轮爪意图。
它由波发生器H、柔轮1和刚轮2组成。
通常，波发生器为主动构件．柔轮或刚轮为从动构件。
从传动原理上讲，谐波齿轮传动分单波和双波两种；
当波发生器只有一个单滚子时，这种传动称为单啮合区（单波）谐波齿轮传动；
当波发生器有两个滚子时，则称为双波传动。
双波传动由于对称安装有两个滚子，抵消了单滚子波发生器上的径向力，而且，柔轮和刚轮的齿数差最好为2，保证了柔轮变化的对称性。
此外波发生器还可做成3个或3个以上的滚子，这时，柔轮和刚轮的齿数差相应为3个或3个以上。
不过，滚子越多，柔轮中的弯曲应力越大。
颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。
由图2-16可见，柔轮是一个薄壁外齿圈，波发生器将它撑为椭圆形。
当波发生器转动时，柔轮长轴上的轮齿A和B与刚轮完全啮合，短轴上的轮齿C和D则与刚轮完全脱开，而中间区域处于过渡状态。
当波发生器顺时针转动一周时，柔轮相对刚轮逆时针转过两个齿，于是，将波发生器的快速转动变为柔轮的慢速转动，获得很大的降速比。
谐波齿轮传动除了可设计成刚轮固定外．还可设计成柔轮固定或波发生器固定的传动形式，将柔轮固定可实现通过密封壁传动。
濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。
19．双波传动谐波齿轮减速器如何消除传动间隙？
（P41～42）
消除传动间隙通常从以下两方面人手：
其一是采用无间隙花键、过盈配合、销钉等方式联接柔轮和轴；
其二是将齿轮按照尤间隙加工，由于存在柔性构件，这种无齿隙啮合传动不会有任何问题。
銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。
20．对于保证机械功能、完成机械主要运动的主轴有哪些较高的要求？
（P44～45）
轴系由轴、轴颈、轴承以及轴上的传动件等组成。
在机械传动链内，中间传动轴的要求一般不高，但对于保证机械功能、完成机械主要运动的主轴，则有较高的要求。
主要要求包括：
挤貼綬电麥结鈺贖哓类。
（1）回转精度含轴向精度。
（2）静刚度。
即单位变形量所需的静载荷大小。
（3）动特性。
一般指轴系抵抗冲击、搌动、噪声的特性。
它与轴系的动刚度、惯量和质量分布等因素有关。
通常，通过模态分析，以轴系主振频率来表征。
赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。
（4）热特性。
轴系的热特性主要参数是热源强度、温升及工作部位的热位移。
精密机械不仅要控制弹性变形，还应注意热变形引起的误差。
塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。
21．对导轨副的性能要求有哪些？
导轨分为哪几类？
（P49～50）
对导轨副的性能要求是．导向精度、接触刚度、精度保持性以及低速运动稳定性。
按运动导轨的轨迹分：
（1）直线运动导轨副；
（2）旋转运动导轨副。
裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。
按导轨面间的摩擦性质分：
（1）滑动导轨；
（2）滚动导轨；
（3）液体静压导轨；
（4）气浮导轨；
（5）磁浮导轨。
仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。
按导轨副结构分：
（1）开式导轨；
（2）闭式导轨。
22．滚珠式滚动导轨和滚柱式滚动导轨各有什么特点？
（P51）
滚珠式为点接触，摩擦阻力小，但承载能力差，刚度低。
滚柱式为线接触，摩擦阻力大，对导轨面的平行度误差较敏感，易产生侧向偏移和滑动而引起应力集中和磨损。
但承载能力高，刚度大，导向性能较好。
滚动体的材料为滚动轴承钢。
绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。
23．刚度和转动惯量对传动系统有哪些影响？
（P64）
刚度低，引起系统稳定性下降，与摩擦一起产生反转误差，以及造成系统在平衡位置附近振荡。
转动惯量低，可以增加电动机的驱动加速度，从而提高系统的快速性。
骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。
24．滚珠丝杠螺母副的轴向间隙对系统有何影响？
如何处理？
滚珠螺母副的轴向间隙将使控制性能变差。
可以采取双螺母齿差式、双螺母螺纹式、双螺母垫片式和单螺母变位导程自预紧式来消除间隙。
常用的调整预紧方法有垫片调隙式、螺纹调隙式和齿差调隙式三种。
瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。
25．锥齿轮传动机构中消除齿侧间隙常用什么方法？
（P31）
锥齿轮传动采用压簧消除间隙。
锥齿轮圆弧槽中的压簧使内外齿圈的锥齿错位，达到消除间隙的目的。
1．（P133）伺服电动机：
伺服电动机是一种受输入电信号控制，并作快速响应的电动机。
2．（P134）始动电压：
调节特性曲线与电枢电压的交点为电动机的始动电压。
鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。
3．（P134）失灵区：
在直流伺服电动机调节特性曲线中，从原点到始动电压点的横坐标范围,被称为在某一电磁转矩值时伺服电动机的失灵区。
栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。
4．（P133）直流电动机的机械特性：
即保持控制电压恒定时，电动机转矩与转速的关系曲线。
5．（P133）直流伺服电动机的调节特性：
即电磁转矩恒定时，电动机转速随控制电压变化的关系曲线。
6．（P139）开通延迟：
在PWM放大器中，为了防止晶体管开关控制信号跳变的瞬间两晶体管处于同时导通状态形成短路而损坏晶体管，必须使控制信号由低变高的过程延时一段时间，以免造成桥臂直通，这种延迟就是开通延迟。
辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。
7．（P140）永磁同步电动机：
以电子换向取代了传统直流电动机的电刷换向，又称无刷电动机。
8．（P135）PWM:
通过调节脉冲的宽度改变负载电压平均值的脉宽调制放大器。
9．（P147）变频调速：
采用改变电机通电频率的方式来改变电动机转速的调速方式。
1．机电一体化系统中的驱动模块的作用是什么？
（P127）
机电一体化系统中的驱动模块在系统中的作用是改变系统的运行状态和产生所希望的运动输出。
2．交直流电动机各有什么特点？
（P130）
直流电动机是最先应用于变速传动的电动机，因为它具有简单的电压和电流关系式，精确控制算法和功率放大器都比较简单。
但它比交流电动机昂贵，而且换向器和电刷降低了它的可靠性，在许多易燃易爆的工业环境不宜使用。
峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。
交流电动机本质Il就是比较简单的机电装置，但是由于它的非线性特性，精确控制比较复杂。
倘若采用更加理想的控制算法．可以得到与直流电动机相比拟、甚至更好的性能。
但足，为了实现这些算法，需要功能更强的计算装置。
现在．由于集成电路和功率器件的发展，交流电动机正在许多领域取代直流电动机用作变速传动。
它们代表了运动控制最典型的应用。
詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。
3．简述直流电动机的结构。
（P131）
直流电动机丰要组成包括三部分：
（1）定子磁极
永磁式直流电劭机的磁极N-S由永久磁铁构成。
他励式赢流电动机的定子磁极由绕制在磁极上的励磁线圈构成。
（2）电枢
电枢是绕有电流线圈的转子．其铁心是由硅钢片叠制的导磁体。
。
每一个线圈的端点都焊接到时应的换向片上。
（3）电刷
电刷是电动机定子的一部分。
当电枢转动时，每一一个电刷都交替的与两个换向片接触，以保持电枢线圈中的电流分布相对于定子是不变的。
则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。
t4．简述伺服电动机的特点及分类。
（P133）
堵转转矩与控制电压成正比，转速随转矩的增加而近似线性下降，调速范围宽，当控制电压为零时能立即停转。
根据伺服电动机的这种丁作特点，其结构设计有一些特别的要求。
按照结构分类，直流伺服电动机有普通型和低惯量型两类，普通型又分永磁式和电磁式两种。
低惯量型的有印刷绕组伺服电动机、无槽伺服电动机及空心杯形电枢伺服电动机。
必须指出，在基本原理上，直流伺服电动机与普通直流电动机是完全相同的。
胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。
5．如何加快直流伺服电动机的过渡过程？
（P135）
直流伺服电动机通常可近似为一阶惯性环节，其过渡过程的快慢主要取决于机电
宽度可变的调制输出电压。
有时还需要一个偏置电压使调制信号移位。
11.PWM放大器中的功率管选择原则与线性放大器有什么不同？
（P138）
PWM放大器中的功率管选择原则与线性放大器不同．由于其工作在高频开关状态，动态开关损耗比较大，一般要求选用截止频率比较高的晶体管，以降低开关损耗。
另外，由于工作频率高，线路分布电感及杂感的影响较大，可能会引起较高的尖峰电压
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