机电一体化题库2.docx

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机电一体化题库2

填空题、简答题

1、简述机电一体化的定义和机电一体化系统的基本组成要素。

机电一体化乃是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。

基本组成要素：

控制器、检测传感器、执行元件、动力源、机构

2、何为机电一体化系统的“可靠性”？

可靠性是指系统（产品）在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的动力。

3、试述机电一体化设计中控制用微机的种类及其特点。

通常按组装形式、微处理机位数、微处理机的制造工艺或封装芯片数及用途范围进行分类。

1、较完善的适时中断系统：

实时控制能力，紧急处理能力。

2、足够的存储容量：

有效地保证微机系统软件、应用软件、数据处理工作的正常运行3、完善的输入/输出通道：

逻辑、数字、模拟通道，以及输入/输出通道接口数。

4、实时时钟控制：

作为控制系统实现控制功能的基准。

除此之外，还有一些特殊要求：

字长、运行速度、指令、成本、编程难易、输入/输出接口扩展能力等。

4、光电隔离电路的主要作用有哪些方面？

1、可将输入与输出两部分电路的地线分开，各自使用一套电源供电2、可以进行电平转换3、提高驱动能力

5、机电一体化系统中主要的干扰源有哪些？

有哪些抗干扰的措施？

干扰源：

供电干扰、强电干扰、接地干扰、辐射干扰

措施：

1、供电系统的抗干扰措施主要是稳（稳压）、滤（滤波）、隔（隔离）2、接口电路的抗干扰措施是采取吸收的方法抑制其产生，然后采取隔离的方法，阻断其传导3、接地系统的抗干扰措施的主要方法是切断接地环路，例如单点接地、并连接地、光电隔离。

6、试比较开环、半闭环和闭环伺服系统的优缺点。

开环结构简单，造价低，维护较容易；半闭环结构简单，调试方便，加工精度高；闭环系统加工精度高，速度快，技术要求高，制造成本也高。

7、机电一体化系统的设计方法通常有哪几种？

大致有哪几种设计类型？

设计方法：

相似设计法、模拟设计法、有限元设计法、可靠性设计法、动态分析设

计法、优化设计法等。

设计类型：

开发性设计、适应性设计、变异性设计。

8、机电一体化系统对检测传感器的基本要求是什么？

1、体积小、重量轻、对整机的适应性好2、精度和灵敏度高、响应快、稳定性好、信噪比高3、安全可靠、寿命长4、便于与计算机连接5、不易受被测对象的影响，也不影响外部环境6、对环境条件适应能力强7、现场处理简单、操作性能好8、价格低廉

9、试述提高软件设计可靠性的措施有哪些？

1、增加系统信息管理的软件，与硬件配合，对信息进行保护2、利用软件冗余，防止信息的输入/输出过程及传送过程中出错，如对关键数据采用重复校验方式,对信息采用重复传送并进行校验等3、编制诊断程序，进行发现故障，找出故障的部位，以便缩短修理的时间4、用软件进行系统调度，这包括在发生故障时，进行现场保护、迅速将故障装置切断成备用装置；在过负载或环境条件变化时，采取应急措施；在排除故障后，使系统迅速恢复正常并投入运行等。

10、举例说明单片机、工控机、PLC在机电一体化系统中的应用。

PLC：

开关量的控制，运动控制，过程控制，数据处理，通讯联网。

工控机：

作为机电一体化系统中控制中心。

有指挥、协调作用。

单片机：

微机控制的车床、钻床中的控制器

11、机电一体化系统的“失效”与“故障”有何异同？

同：

是一种破坏系统（产品）工作能力的事件，它们越频繁可靠性就越低。

异：

产品不能完成规定功能称为失效；对于可修复的系统（产品）称为故障。

12、保证机电一体化系统（产品）可靠性的方法有哪些？

提高系统（产品）的设计和制造质量；冗余技术；诊断技术。

13、机电一体化系统设计时的稳态设计和动态设计各包含哪些内容？

A）稳态设计包括使系统的输出运动参数达到技术要求、执行元件（如电动机）的参数选择、功率（或转矩）的匹配及过载能力的验算、各主要元部件的选择与控制电路设计、信号的有效传递、各级增益的分配、各级之间阻抗的匹配和抗干扰措施等，并为后面动态设计中的校正补偿装置的引入留有余地。

B）动态设计主要是设计校正补偿装置，是系统满足动态技术指标要求，通常要进行计算机仿真，或借助计算机进行进行辅助设计。

14、为保证机电一体化系统（产品）的安全性，举例说明在设计中应采取哪些措施？

以工业机器人为例，安全措施有：

1、设置安全栅2、安装警示灯

3、安装监视器4、安装防越程装置5、安装紧急停止装置6、低速示教

15、机电一体化系统中的执行元件有哪些？

对其的基本要求是什么？

执行元件：

电动式执行元件、液动式执行元件、气动式执行元件

基本要求：

1、惯量小、动力大2、体积小、重量轻3、便于维修、安装

4、易于微机控制。

16、机电一体化系统（产品）设计中各级传动比的分配原则是什么？

1、重量最轻原则2、输出轴转角误差最小原则3、等效转动惯量最小原则。

17、简述输出轴转角误差最小原则的含义是什么？

为了提高机电一体化系统齿轮传动系统的精度，各级传动比应按先小后大的原则分配，以便降低齿轮的加工误差、安装误差以及回转误差对输出转角精度的影响。

18、轴系设计的基本要求有哪些？

旋转精度、刚度、抗震性、热变形、轴上零件的布置。

19、什么是机电互补法、结合法、组合法？

机电互补法：

又称取代法。

该方法的特点是利用通用和专用电子部件取代传统机械产品（系统）中的复杂机械功能部件或功能子系统，以弥补其不足。

结合法：

是将各组要素有机结合为一体构成构成专用或通用的功能部件（子系统），其要素之间机电参数的有机匹配比较充分。

组合法：

是将结合法制成的专用或通用功能部件（子系统）、功能模块，像积木那样组合成各种机电一体化系统（产品）。

21、机电一体化系统的接口功能有有哪两种？

1、变换、调整；2、输入/输出

22、机电一体化系统（产品）的主要评价内容有哪些？

高性能化、低价格化、高可靠性化、智能化、省能化、轻薄短小化、高附加价值化。

23、说明机电一体化系统（产品）的设计步骤。

1、根据目的功能确定产品规格、性能指标2、系统功能部件、功能要素的划分3、接口的设计4、综合评价5、可靠性复查6、试制与调试。

20、开发性设计、变异性设计、适应性设计有何异同？

同：

都是为了获得用来构成事物（产品或系统）的有用信息。

异：

a）开发性设计：

是没有参照产品的设计，仅仅是根据抽象的设计原理和要求，设计出在质量和性能方面满足目的的要求的产品（系统）。

b）适应性设计：

是在总的设计方案、原理基本保持不变的情况下，对现有产品进行局部更改，或用微电子技术代替原有的机械结构或为了进行微电子控制对机械结构进行局部适应性设计，以使产品在性能和质量上增加某些附加价值。

c）变异性设计：

是在设计方案和功能结构不变的情况下，仅改变现有产品的规格尺寸使之适应于量的方面有所变更的需求。

24、机电一体化系统由哪些子系统所组成？

分别实现哪些功能？

机械系统：

构造功能；信息处理系统：

控制功能；动力系统：

动力功能；

传感检测系统：

计测功能；执行元件系统：

操作功能。

25、传感器的选用原则及注意事项。

1、传感器的选用原则：

主要是依据传感器的使用要求和被控制对象的控制精度要求选择适用的传感器。

2、传感器选用的注意事项：

在确保主要性能参数和指标的条件下，适当可放宽次要的性能指标和指标要求，以便获得较高的性能价格比。

注意：

不能盲目的追求传感器各种性能指标均高的传感器选择方法或原则。

分析题

1、选择滚珠丝杠副支承方式

A）、单推-单推式支承，特点：

两端止推轴承可使滚珠丝杆产生预拉伸力，提高了丝杆安装刚度，预拉力越大，轴承寿命降低，低于双推-双推式支承。

B）、双推-筒支式支承，特点：

滚珠丝杆一端固定并产生一定预拉伸力，另一端筒支可适当的提高丝杆安装刚度，丝杆无热变形应力，适用于中速，传动精度较高的长丝杆传动系统。

C）、双推-双推式支承，特点：

两端止推轴承可使滚珠丝杆产生较大的预拉伸力，丝杆安装刚度最高，预拉力随温度变化而变化，两端轴承预紧力不均。

适用于高刚度，高转速，高精度的精密丝杆传动系统。

D）、双推-自由式支承，特点：

一端固定，另一端自由，丝杆刚度较差，承载能力低，常用于轻载，低速，垂直安装的丝杆传动。

2、直流（DC）伺服电动机的驱动

要实现对直流电动机的速度和方向进行调节控制，通常可用两种驱动控制方式：

晶体管直流脉宽调制驱动，晶闸管直流脉宽调速驱动。

A）、脉宽调速驱动（PWM）工作原理：

当输入一个直流控制电压U时就可得到一定宽度与U成比例的脉冲方波给伺服电机电枢回路供电，通过改变脉冲宽度来改变电枢回路的平均电压，从而得到不同大小的电压值Ua，使直流电动机平滑调速。

设开关S周期性地闭合、断开，闭和开的周期是T。

在一个周期T内，闭合的时间是τ，开断的时间是T—τ，若外加电源电压U为常数，则电源加在电动机电枢上的电压波形将是一个方波列，其高度为U，宽度为τ，则一个周期内电压的平均值为Ua=1/TʃoτUdt=τ/TU=μU,式中μ--导通率。

又称占空系数，μ=τ/T。

B）、直流电动机的方向控制

为使电动机实现双向调速，多采用桥式电路，其工作原理与线性放大桥式电路相似。

电桥由四个大功率晶体管VT1—VT4组成。

如果在VT1和VT3的基极上加以正脉冲的同时，在VT2和VT4的基极上加负脉冲，这时VT1和VT3导通，VT2和VT4截止，电流沿+90V→c→VT1→d→M→b→VT3→a→0V的路径流通，设此时电动机的转向为正向。

反之，如果在晶体管VT1和VT3的基极上加负脉冲，在VT2和VT4的基极上加正脉冲，则VT2和VT4导通，VT1和VT3截止，电流沿+90V→c→VT2→b→M→d→VT4→a→0V的路径流通，电流的方向与前一情况相反，电动机反向旋转，显然，如果改变加在VT1和VT3、VT2和VT4这两组管子基极上控制脉冲的正负和导通率μ，就可以改变电动机的转向和转速。

3、交流（AC）伺服电动机及其驱动

矢量控制原理：

交流电动机的等效电路如图3.7a所示，图中r1、X1为定子绕组的电阻和漏抗；r2、X2为归算过的转子绕组的电阻和漏抗；rm代表与定子铁心相对应的等效电阻；Xm为主磁通相对应的铁心电路的电抗；s为转差率，其电流矢量图如图，为了简化控制电路，在忽略r1、X1、r2、rm时，上述等效电路图可简化成图，电流矢量如图。

从电流矢量可知：

I1=（I2m+I22）1/2，而Im（励磁电流）可以认为在整个负载范围内保持不变，而电磁转矩正比于I2。

当要求转矩加大为原来的两倍时，则要求I2也为原来的两倍。

为此，只需将输入电流从I1变成I1ˊ即可。

由此可知，矢量控制就是要同时控制电动机输入电流I1的幅值和相位ψ，以得到交流电动机的最佳控制。

4、步进电动机与驱动工作原理：

步进电机又称脉冲电动机。

它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。

其轴收入一个电脉冲就转动一步，即每当电动机绕组接受一个电脉冲，转子就转过一个相应的步距角。

转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及其频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步，只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电动机绕组通电相序即可获得所需的转角，转速和转向，很容易用微机实现数字控制。

5.步进电机的运行特性与性能指标

1.分辨力

在一个点脉冲作用下（即一拍），电动机转子转过的角位移，即步距角α越小，分辨力越高，最常用的步距角有0.6º/1.2º,0.75º/1.5º,0.9º/1.8º,1º/2º1.5º/3º等。

2.静态特性

步进电机的静态特性是指它在稳定状态时的特性，包括静转矩，矩-角特性及静态稳定区。

矩-角特性：

在空载状态下，给步进电机某相通以直流电流时，转子齿的中心线与定子齿的中心线相重合，转子上没有转矩输出，此时不断位置为转子初始稳定平衡位置。

如果在电动机转子轴上加一负载转矩，则转子齿的中心线与定子齿的中心线将错过宇哥电角度θc使能重新稳定下来。

此时转子上的电磁转矩Tj与负载转矩TL相等；该Tj为静态转矩，为失调角。

当θc=±90º时，其静态转矩为最大静转矩Tjmax。

Tj与θc之间的关系大致为一条正弦曲线，该曲线称矩-角特性曲线。

静态转矩越大，自锁力矩越大，静态误差就越小。

一般用品说明书中标示的最大静转矩就是指在额定电流和通电方式下的Tjmax。

当失调角在-π到π的范围内时，若去掉负载转矩TL，转子仍能回到初始稳定平衡位置，因此-π<θc<π的区域称为步进电机的稳态稳定区。

6、步进电机的驱动与控制

步进电机的运行特性与配套使用的驱动电源（驱动器）有密切关系。

驱动电源由脉冲分配器，功率放大器等组成。

驱动电源是将变频信号源（微机或数控装置）送来的脉冲信号及方向信号按要求的配电方式自动地循环供给给电动机各相绕组，以驱动电动机转子正反转旋转。

变频信号源是可提供从几赫兹到几万赫兹的频率信号连续可调的脉冲信号发生器，因此，只要控制输入电脉冲的数量及频率就可精确控制步进电机的转角及转速。

7、步进电机的微机控制

主要分为：

串行控制和并行控制

步进电机的加减速控制原则：

步进电机的加减速控制：

对于点-位控制系统，从起点至终点的运行速度都有一定要求。

如果要求运行频率（速度）小于系统的极限起动频率，则系统可以按要求的频率（速度）直接起动，运行至终点后可立即停发脉冲串而令其停止。

系统在这样的运行方式下其速度可认为是恒定的，但在一般情况下，系统的极限起动频率是比较低的，而要求的的运行速度往往较高。

如果系统以要求的速度直接起动，因为该频率已超过极限起动频率而不能正常起动，可能发生丢步或根本不能起动的状况。

系统运行起来后，如果到达终点时突然停发脉冲串，令其立即停止，则因为系统的惯性作用，会发生冲过终点的现象，使点-位控制精度发生偏差。

因此在点-位控制过程中，运行速度都需要有一个加速-恒速-减速-（低恒速）-停止的过程，如图，系统在工作过程中要求加减速过程时间尽量短，而恒速时间尽量长。

特别是在要求快速响应的工作中，从起点至终点运行的时间要求最短，这就必须要求升速、减速的过程最短，而恒速时的速度最高。

8、步进电机闭环制原理

步进电机的闭环控制也有不同的方案，主要有核步法，延迟时间法，用位置传感器的闭环控制系统等。

采用电脉冲编码器作为位置检测元件的闭环控制原理框图如图3.35.其中编码器的分数力必须与步进电机的不距角相匹配。

该系统不同于通常控制技术中的闭环控制，步进电机由微机发出的一个初始脉冲起动，后续控制脉冲由编码器产生。

编码器直接反应切换角这一条数。

然而编码器相当于电动机的位移式固定的，因此发出相切换的信号也是一定的，只能是一种固定的切换角数值。

采用时间延迟的方法可获得不同的切换角，从而可使电动机产生不同的平均转矩，得到不同的转速。

在闭环控制系统中，为了扩大切换角的范围，，有时还要插入或消去切换角。

通常在加速时要插入脉冲，而在减速时要删除脉冲，从而实现电动机的加减速控制。

在固定切换角的情况下，如负载增加，则电动机转速将下降，要实现匀速控制可利用编码测出电动机的实际转速（编码器两次发出脉冲信号的时间间隔），从而作为反馈信号不断地调切换角，从而补偿由负载所引起的转速变化。

9、专用、通用微型计算机的选择

1）专用控制系统的构成与特点

用于大批量生产的机电一体化产品。

具有机械电子有机结合紧凑，由于专用IC芯片，接口电路，执行元件，传感器等相互合理匹配成专用控制器，软件采用专用机器代码或语言，可靠性强，成本低，但适应能力较差。

2）通用控制系统的构成与特点

构成：

控制系统以通用微型计算机为核心，设计专用或选用通用的集成IC芯片，接口电路，执行元件，传感器，以及相互合理匹配元件，组成具有较好通用能力的控制器。

软件采用通用平台软件系统

特点;具有可靠性高，适应能力强，但成本高，应采取一定的抗干扰措施等特点。

应用；适用于多品种，中小批量生产的几点一体化产品。

10、硬件与软件的权衡，匹配

任何微型控制系统功能，既可以由硬件实现，也可以由软件实现，两者的合理匹配是确定或选用微机控制系统研究内容之一。

主要依据经济性。

可靠性，适用性等要求来决定。

主要用通用分离原件组成的控制系统—最好采用软件来实现对机电一体化产品的主要控制功能，借口少，易于调整，适应能力强，但成本高。

主要用集成原件组成的控制系统—最好选用硬件实现对机电一体化产品的主要控制功能，具有廉价，可靠，处理速度快等特点。

11、微型控制系统输入、输出的可靠性设计

1）能可靠地传递各类控制信息

有效保证输入，输出控制信号转换的运动状态。

2）能够进行有效的信息转换

满足微机对输入，输出信息类型的转换要求。

如；A/D,D/A转换：

平行数字信号与串行数字信号的转换；电平信号的转换与匹配；点亮与非电量的转换；强电与弱点转换。

3）具有阻断干扰信号进入微型控制系统的能力

主要采用滤波技术，观点隔离技术，疲敝技术等。

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