《机电一体化系统设计》思考题文档格式.docx
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传真机、复印机、摄像机、磁盘驱动器、CNC数控机床
16、机电系统的设计类型P8
开发性设计、适应性设计、变异性设计
17、何谓开发性设计P8
开发性设计是一个从无到有的创造过程，是在没有任何样板可供参照的情况卞，根据功能和性能要求，按照机电一体化设计原理，为满足市场需求所进行的设计。
18、何谓变异性设计P8
变异性设计是在设计方案和功能结构不变的情况卞，通过改变尺寸、速度、力或功率等参数，以满足市场对产品规格方面的需求所进行的系列化设计。
19、何谓适应性设计P8
适应性设计是在原有产品总的方案原理基本不变的情况卜，对产品的某些局部加以变动或改进，以增加功能、提高性能和质量或降低成本为目的所进行的设计。
20、六项共性关键技术P6
机械技术、计算机与信息处理技术、检测与传感技术、自动控制技术、伺服驱动技术、系统总体技术
第二章：
机械系统设计
21、机电一体化系统对机械系统的要求是什么？
P11
高精度、快速响应、良好的稳定性。
22、影响精度、快速响应性、稳定性的因素有哪些？
pptl3
影响高精度的主要因素：
1、运动件的惯量1、机械系统刚度
1、传动机构的间隙2、运动件间的阻尼2、机械系统的阻尼
2、受力元件的变形3、机械构件的刚度3、机械系统的惯量
3、运动件之间的摩擦4、运动传递系数及其分配（如传动比
4、制造装配误差和各级传动比的分配）
运动传递系数及其分配也会影响精度
的犬小（如传动比和各级传动比的分配）
影响快速响应性的主要因素：
影响稳定性的主要因素：
23、为了达到要求应采取哪些措施？
pptl6
1、消除反向传动间隙
4、缩短传动链（采用直接驱动）
2、采用低摩擦阻尼传动件（滚动摩擦传动件）
5、提高传动与支承刚度
3、最佳传动比和传动比最佳兀配
6、采用现代设计方法
24.齿轮传动消除反向间除的方法P12、13、14ppt37
圆柱齿轮：
斜齿轮：
锥齿轮：
齿轮齿条：
1、偏心轴套调整法
1、垫片调整法
1、轴向压簧调整法
传动负载小：
双片薄齿轮错
2、轴线垫片调整法
2、轴向压簧调整法
2、周向压簧调整法
齿调整法
3.双片薄齿轮错齿调整法
传动负载人：
双齿轮调整法
25、滚珠丝杠传动消除反向传动间隙的方法P16ppt67
1、双螺母垫片调隙式2、双螺母螺纹调隙式3、双螺母齿差调隙式4、单螺母变导程预紧
26、滚珠丝杠传动的特点P15ppt49
1、传动效率高2、运动具有可逆性3、系统刚度好4、传动精度高5、使用寿命长6、不能自锁7、制造工艺复杂
27、滚珠丝杠的支承方式及其特点、应用范围P19
支承形式
简图
特点
一端固定
—端自由
（F-O）
i-°
1.结构简单
2.丝杠的轴向刚度比两端固定低
3.丝杠的压杆稳定性和临界转速都较低
4・设计时尽量使丝杠受拉伸
5・适用于较短和竖直的丝杠
一端固定一端游动（F-S）
1r
1.需保持螺母与两堆支承同轴，故结构较复杂，工艺较困难
2.丝杠的轴向刚度和F-O相同
3.压杆稳定性和临界转速比同长度的熨髙
4.丝杠有热彫胀的余鲍
5.适用于较长的卧式安装丝杠、
两靖固定
（F-F）
1.同F・S的/
2.只要轴承无间隙，丝杠的轴向刚度为一端固定的4倍
3・丝杠一股不会受压，无压杆稳定问题，固有频率比一端固定要髙
4・可以预拉伸■预拉伸后可减少丝杠自型的F垂和热补偿膨胀，但需一套预拉伸机构，结构及工艺都比较困难
5.要进行预拉伸的丝杠•其目标行程应略小于公称行程，滅少址等于拉伸量-■
6・适用于对刚度和位移楮度要求高的场合
分别为刚性轮、柔性轮和谐波发生器的转速
•H
一
垒
5
一3H
瑤-
O>
g—
0-
妙=
zr纶:
1-z=
-Zr
1-
O?
h一
（a）当柔轮固定3『=o则H轮主动，刚轮输出，求iHg
（b）当刚轮固定3g=0则H轮主动，柔轮输出，求iHr
第三章接口设计
41、机电一体化系统五大结构要素之间有哪几种接口？
ppt3
信息接口、物理接口、机械接口
42、人机接口和机电接口的作用和特点P53ppt9、10P69ppt55、56
45、机电接口路径中有哪些环节？
｛输入接口路径和输出接口路径、不同信号形式都要知道｝ppt58
人机接II输出设备的信号类型：
指示灯、蜂鸣器需要二值量信号。
数码显示器、图形显示器、微型打印机需要数字址信号。
（4）键的单次响应
保证按键一次计算机仅响应一次。
等待键释放以后再进入键处理程序。
46、人机接口路径中有哪些环节？
（同上）pptl2
人机接口输入设备的信号类型：
开关、按钮、键类的输入设备由于它们的工作状态仅为通、断两种状态，把这两种状态转换成电路信号对应高、低电平，因此这类信号称作二值量信号。
拨码盘BCD码的拨码盘给出四位二进制表示的十进制数,称作数字信号。
多个按键组成键盘也是数字信号。
电位器给出的是连续的电压信号称作模拟信号。
47、矩阵键盘输入程序的功能有哪些？
ppt35
（1）全扫描判定是否有键按下
（2）逐行逐列扫描根据键的判定原理计算获得键值
（3）消除键抖动采用软件消抖方法（延时程序大约10-
20亳秒左右）延时以后，再判定结果未变，即确认该键按下。
48、键消抖方法ppt20
硬件消抖：
采用消抖电路，典型消抖电路是双稳态触发器
软件消抖：
利用延时程序，在开关稳定时再输入开关状态。
软件消抖是一种简便、常用的方法。
49、键盘单次响应功能实现方法ppt35
等待键释放以后再进入键处理程序。
50、LED数码管显示方法ppt42
静态显示：
多位数码管同时工作，亮度人稳定，但需要用计算机较多I1线或磯件电路。
用在数码位数较少的场合。
动态显示：
各个数码管轮流工作，需要的接口较少，是目前常采用的方法。
51、动态显示方式电路形式ppt45
+5V
图3・178031扩展6位动态LED显示器的接口电路
52、数码管动态显示程序流程ppt47
1）确定显示缓冲区
2）显示代码
3）显不时间
53、数码管显示代码译码方法ppt41按确定的显示代码点亮相应的段，组成字符。
54、熟悉键盘、拨码盘、数码显示的动态扫描原理P55ppt3347键盘的动态扫描原理：
1）全扫描
判断是否有健按卞，给全部输出线送“0”。
如给Pl.4—P1.7输出0000
则只要键盘上有键按下，
P10-P1.3就必有“0”信号出现。
2）逐行逐列扫描
图3-18显示子穫序框图
轮流给各条输出线送“0”，判断哪个键按卞拨码盘：
图3・74片BCD码拨盘与8031动态接口电路
数码显示：
1）确定显示缓冲区显示缓冲区用于存放需要显示的数，一般每位数码管固定对应一个存储单元。
比如根据图3-17扩展8155作接II，有6位数码管，从个位到十万位，显示缓冲区在51系列单片机内部RANI的30H—35H6个单元中，30H的数显示在个位数码管，依次35H的数显示在十万位上。
2）显示代码显示的数要经一定方法转换成显示代码才能输出给数码管。
动态扫描程序一般把显示代码根据接II电路确定后，按照数码顺序建立一个常数表格，程序中根据要显示的数码查表获得显示代码。
3）显示时间编程前确定显示时间，编制好延时子程序供调用。
55、光电耦合器的作用与用法P83
作用：
高压开关、信号隔离转换、脉冲系统间的电平匹配
56、机电接口的功率接口中的驱动元件有哪几种？
ppt87
功率晶体管、功率场效应管（功率MOS管）、晶闸管（可控硅）、固态继电器（SSR）
57、接口芯片和计算机之间的一般性联接规律？
58、如何选择A/D芯片？
1）分辨率2）转换速度3）输入电压范围4）转换精度
59、某系统采用一24V直流电磁阀控制气动执行元件，电磁阀线圈额定电流100mA,用MCS-51系列单片机8031的P1.0作输出控制口线，试设计接口电路。
60、在一个位置伺服系统中需要接入一行程开关，该行程开关的外接电源是24V,试画出行程开关和计算机之间隔离和电平转换电路。
61、请设计一四位共阴LED数码管的接口电路，显示形式为动态扫描。
并给出动态扫描码。
62、某机电系统中采用一LED指示灯显示工作状态，指示灯工作电流20niA,导通压降IV,电源5V,采用一NPN型三极管作驱动电路。
1）试设计电路，计算LED回路限流电阻值；
2）如果指示灯具有闪烁功能，说明实现方案。
（采用MCS-51系列单片机）
63、在一个机电系统中要求控制器输出一路方波，1）说明方波的产生方法；
2）说明方波的频率调节方法。
（注：
根据自己设计的硬件方案说明，硬件需用图形表示）
64、一机电系统采用8位LED数码显示，要求：
（1）扩展8255A为显示接口，要求画出原理图；
（2）编制显示程序框图。
65、在一交流伺服电机调速系统中，采用计算机通过变频器对电机进行调速，变频器的输入控制信号为0-5V的模拟信号,对应的输出频率为0—50Hz,电机转速为每分钟0—1500转。
1）进行控制输出接口设计；
2）如输出转速要求1200转，微机输出的数字量应为多少？
（用MCS51系列单片机作微控制器，DAC0832作D/A转换器）
66、某机电一体化设备需要控制电机的转速，控制器根据设定的电机速度控制，现采用4个拨码盘组成四位十进制数输入器件，1）请设计一动态读数接口电路；
2）并编读数程序分别将四位拨码盘值从千位到个位依次存入内部RAM30H到33H四个单元中。
（采用MCS51系列单片机）
67、设计并实际运行一键盘式数字输入程序，数字以压缩的BCD码形式存放，最大位数为6位BCD码。
（在实验室完成）
68、设计并运行一数码显示程序，把67题的键盘输入数字显示在数码管上.（在实验室完成）
69、设计大作业所要求的系统的人机操作系统。
70、设计一步进电机控制接口，并在实验装置上实际运行。
第四章检测系统设计
67、机电一体化系统对检测系统的要求
精度高、动态特性好、精度保持性好。
68、模拟量检测系统组成框图，各环节的功能、方法。
69、数字量检测系统组成框图，各环节的功能、方法。
70、有哪些基本转换电路？
71、在数据釆集系统中，什么情况下需要采用采样保持电路？
72、、有一个计测系统有5路模拟信号需要采样并A/D转换，要求采用采样保持电路，请给出一种接口结构框图。
73、有一直线光栅传感器，栅距为0.02mm,如果希望获'
得一个脉冲当量为0.001mm的位移，求需要的细分数。
74、一计测系统对一压力值进行检测，压力值的范围为0—200MPa,当输入OMPa时，获得的采样转换值为（以十进制表示）0.5,当输入200MPa时，获得的采样转换值为（以十进制表示）9.5。
1）计算系统的灵敏度（每单位压力的采样转换值）。
2）当采样转换值为5时，计算压力值。
75、一个RC低通滤波器，R=1KQ,C=1UF,试计算其截至频率。
76、、光电编码盘输出两路相差90度的方波信号A和B,请利用该两路信号说明如何进行4细分，并画出波形图。
'
77、在一机电系统中，采用一应变式压力传感器测量压力，对应0〜lOOMpa,传感器的电路输出0〜10V,要求测量精度0.1
Mpa,采样频率100次/秒。
1）绘出接口路径框图；
2）选择A/D转换器参数（分辨率、转换速度、转换电压范围）。
78、有哪几种数字滤波方法？
各适应滤除什么性质的干扰信号？
79、非线性补偿方法
80、零位和增益补偿方法
第五章伺服系统设计
81、伺服系统基本结构框图以及各部分作用
图5-1伺服系统基本结构方框图
比较元件：
把指令值和检测反馈值作比较，以产生控制信号。
一般由计算机软件来实现
调节元件：
完成控制功能，对偏差信号进行分析运算按一定的控制策略输出控制量。
由计算机硬件、软件构成。
执行元件：
驱动被控对彖工作，一般为伺服电机。
被控对象：
完成操作功能的机构，一般为执行机构。
检测反馈元件：
指检测系统，实时检测被控对彖的输出屋，并反馈到比较元件。
82、伺服系统的基本要求
1、稳定性2、精度3、快速响应性
83、伺服系统有几种误差
动态误差稳态误差静态误差
84、快速响应性用什么指标衡量？
上升时间调整时间
85、开环伺服系统的设计步骤，各步骤中应考虑哪些关键问题？
1、设计任务和技术要求分析（系统方案）
2、系统性能分析（初步分析稳定性、精度、快速响应）
3、执行元件和传感器选择
4、机械系统设计
5、控制系统设计
6、系统性能复查
7、系统设计方案定案
86、步进电机的脉冲分配方法有哪些？
硬件脉冲分配
软件脉冲分配
单片机与歩进电动机接口电路
5-4醃八繃冲分磁制齡表
—町）歩兰
87、步进电机的转角、速度、方向如何控制?
速度控制方法：
取决于控制绕组通电的脉冲频率，改变脉冲频率即改变转速。
转角：
步距角a=360°
/kinzk-通电方式系数m-相数z-转子齿数方向：
通电顺序
88.步进电机的矩频特性和起动过程
启动矩频特性：
指在外加负载启动时不失步的正常启动所能接受的最人输入脉冲频率和负载转矩的对应关系。
负载转矩越人允许的输入脉冲频率越低，如超出范围电机出现失步（丢步）。
89.步进电机有哪几种驱动方式？
原理和各有何优缺点？
（a）简单的单电源驱动电路结构简单，成本低。
但电流波形差，出力小，效率低。
（b）双电源驱动电路单电源驱动电路之所以性能差是因为电流波形差。
为了改善电流波形采用双电源驱动电路。
（c）
斩波限流驱动电路双电源驱动电路对驱动电流波形有所改善，但效率还不高。
斩波限流驱动电路采用高压单电源供电,电流闭环控制为恒定值。
故电流波形好，出力大，效率高，是目前常采用的方法。
12匕三
90.直流伺服电机的控制特性和机械特性各指什么？
机械特性：
一组斜率相同的直线簇。
9K控制直流伺服电机的转速一般采用什么方法？
1-晶闸管功率放大器
2•电枢电压的调节方法：
电枢电压是直流量，传统方法是经计算机D/A转换得到，并经功率放犬器驱动电机。
目前的主流方法是数字控制方法-PWM（脉冲调宽）。
用脉冲量产生直流量的方法，电枢绕组工作在均值电压，改变脉宽以改变电压。
92.PWM脉冲的产生原理
图5・28PWMK宽调制波形
93、直流伺服电机的驱动电路通常采用哪种形式？
采用PWM方式控制电枢电压的方法其驱动器采用开关式驱动器一开关功率驱动器，常用H型桥式驱动电路。
该电路既控平均电流又控方向。
PWM脉冲Q和经反相器输出的/Us使晶体管1、4和2、3轮流导通，导通时间为脉冲宽度，脉宽越人，电机电流越大，转速越高。
94、电动机和负载的惯量如何匹配?
l/4WJd/JmWl
95、PID（比例积分微分）控制的作用
比例积分控制（PI）在比例控制的基础上加上积分控制，既可保证系统的快速响应性;
又可消除系统的稳态误差，使系统稳态和瞬态特性都得到改善，因而应用比较广泛。
比例微分控制（PD）在比例微分控制器中，由于微分控制作用的加入，可缩短瞬态响应的过渡过程，使系统稳定性和动态精度都得到提高。
但是，比例微分控制不能消除稳态误差。
比例微分控制对具有较人容量滞后（如温度控制中由物体热容屋引起的滞后）的系统具有显著的控制效果。
PID控制兼有比例、枳分和微分三种基本控制规律的优点，可使系统的稳态和动态性能以及系统的稳定性都得到改善，因而应用最为广泛。
96、系统在稳定状态下，其跟踪误差为O.Olmrn,机械系统的位置增益K3=0.5mm/rad,扭矩增益KR=2X103N*m/rad,负载扰动力矩T1=20N.m,问该系统的稳态误差是多少？
跟踪误差81二v/K
负载扰动引起的误差82二K3T1/KR=0.5niniiad20N*ixvz2X103N*miad
稳态误差=81+82
97、某开环系统，由步进电机驱动，电机的步距角为0.36度，一级齿轮传动比为2,丝杠导程为6mm,问脉冲当量为多少？
i=ap/3606p
98、某伺服系统作用于电机的总等效转动惯量Jd=5X10-^kg.m\要求电机启动最高转速为每分钟900转，空载起动时间为25毫秒，试计算该电机的空载启动转矩Tj。
耳=兀司竽£
J=jd=5XlO-^kg-m2^.=900/60=15
99、一丝杠传动的工作台系统，为二阶系统。
折算到丝杆轴上的总等效转动惯量Js=0.0583kg.m2,折算到丝杆轴的总等效扭转刚度Ks=1.9X104N*m/rad,试计算该系统的扭振固有频率3n。
100、一个直流伺服电机在空载情况下电枢电压和转速之间的关系为：
对应电机转速0到每分钟2000转，电枢电压为0到40V,采用PWM方式进行速度控制，试计算当控制转速为每分钟1500转时的控制脉冲的占空比。
对应「网，需要0-100%占空比
1500_X_y_3
4000~4O"
To6~4
X——电压
Y——占空比
所以，占空=79%
101、试画出微型机控制系统基本框图。
pl94
102、某控制器采用8031的定时器/计数器T0来确定步进电机的脉冲分配时间间隔，以控制步进电机转速。
试用流程图说明应用TO对步进电机变速控制方法。
103、请说明电动机的选择需要根据哪些参数，并详细说明计算、选择的过程和要点。
L计算减速器传动比「歳
h+人）為+@处/血
2-计算系统转动惯量i
3•动力参数的选择
山=移动部件工珂5十转动
部件£
卩
t=lJ=1
T='
Jg+几尢|力（几+几）pPg—好）
_乃2切-—2顾
4.惯量匹配lMWJd/LWl
5-计算传动系统刚度
104、请画出数控工作台闭环伺服系统的系统框图。
105、如图所示的机电传动系统，减速机构为两级减速箱，已知齿轮齿数之比z2/zi=3,z〃z尸5,
减速机构的效率叽=0・92,各齿轮的惯量分为Jl=0.0294Kgm:
J2=0.0784Kgm2,J3=0.049Kgm2,J4=0.196Kgm:
电动机的惯量Jm=0.294Kgm:
负载惯量兀=0.4508Kgm2,负载转矩T:
=47.4Nm,
试求：
1）折算到电动机轴上的负载转矩Tz；
2）折算到电动机轴上的系统惯量Jz
Jz=Jzl~^2（Jz2+Jz3）+^Jz4±
/z.+加
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