《机电一体化》word版.docx

1、机电一体化word版第1章 绪论通过本章的学习，了解机电一体化的定义、机电一体化系统的基本功能、相关技术和方法。明确学习内容和目的，以及本课程的性质和任务。考核知识点与考核要求1. 机电一体化的定义:是机械的主功能、动力功能、信息功能、控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称识记：机电一体化的基本概念；机电一体化的理论基础和物质基础；2. 机电一体化系统的基本功能要素:机械本体、控制与信息处理、动力、传感器检测、执行元件等。 3. 1、机械子系统 功能：机身、框架、机械联接等产品支持机构，实现构造功能 要求：可靠、小型、美观 2、动力子系统 功能：提供

2、能量，转换成需要的形式，实现动力功能 要求：效率高、适应性好、可靠性高 3、传感检测子系统 功能：检测产品内部状态和外部环境，实现计测功能 要求：体积小、精度高、抗干扰能力强 4、执行机构子系统 功能：包括机械传动与操作机构，接收控制信息，完成要求的动作 常用执行机构：机械、电磁、电液等机构 5、电子信息处理子系统 功能：处理、运算、决策，实现控制功能 要求：高可靠性、柔性、智能化 识记：一个较完善的机电一体化系统的几个基本要素；每个功能要素在机电一体化系统中的作用。3. 机电一体化的相关技术: 1.机械技术 机械技术是机电一体化系统的基础，在机电一体化产品中，它不再是单一地完成系统间的连接，

3、必须从系统的结构、重量、体积、刚性、可靠性能及通用性等几个方面加以改进，使机电一体化产品结构合理、重量减轻、刚性提高具有高的可靠性，实现产品的通用化、标准化、系列化，提高产品的可维修性，为机电一体化产品提供坚实的基础。2.传感检测技术 传感检测技术是机电一体化的感受器官，是实现自动控制、自动调节的关键性环节，它的功能越强，系统的自动化程度就越高。 3.信息处理技术 信息处理技术包括信息的交换、存取、运算、判断和决策，主要设备是计算机或可编程序控制器及与其配套的I/O设备、显示器和外部存储器。与计算机技术紧密相关，指挥整个系统的运行。 4.伺服驱动技术驱动技术按动力源可分为电动、液压和汽动3种，

4、常见伺服驱动有电液马达、脉冲液压缸、步进电机和交直流伺服电动机，目前存在功能可靠性和减小体积等问题。5.系统技术 系统技术就是以整体的概念组织应用各种相关技术，从系统目标出发，将整体分解成相互关联的若干功能子系统，以子系统进行一次分解，生成功能更为单一的、具体的功能单元，直到找出一个最佳、可行的技术方案。6.自动控制技术 关于软件方面的技术，主要以控制理论为指导，对控制系统设计、计算、仿真、现场调试、可靠运行等7.软件技术软件技术必须与硬件协调发展，在满足系统要求的同时，必须降低成本及提高软件的通用性。识记：机电一体化的六个关键技术；各项关键技术在机电一体化系统中的作用。4现代机械的机电一体化

5、方法领会：机电一体化产品和系统的分类和现代机械的机电一体化目标。第2章 机械系统分析通过本章的学习，了解机械系统的要求，掌握常见传动装置的结构、特性及选用及其设计方法和消隙方法。考核知识点与考核要求1. 机械传动装置性能要求 : 传动装置是一种转矩、转速变换器，使执行元件与负载间在转矩与转速方面得到最佳匹配。 1)转动惯量小。2)低摩擦2. 滚珠丝杠副: 滚珠丝杠副是一种螺旋传动机构, 组成：丝杠、螺母、滚珠、滚珠循环装置； 工作原理：丝杆（螺母）旋转，滚珠在封闭滚道内沿滚道滚动、迫使螺母（丝杆）轴向移动； 特点:1:传动效率高,2:运动具有可逆性,3:传动精度高,4:磨损小，使用寿命长，5：

6、不能自锁。 循环方式:内循环，外循环 ； 滚珠丝杠副间隙调整法：1)双螺母垫片式调隙 2)双螺母螺纹式调隙3)双螺母齿差式调隙识记: 结构组成及其特点，循环方式，滚珠丝杠副间隙调整方法（掌握其工作原理），滚珠丝杠副的设计3.齿轮传动装置：总传动比的确定： 原则：通常采用负载角加速度最大原则选择总传动比,以提高伺服系统的响应速度（稳、准、快） 常见几种传动比分配原则：1)等效转动惯量最小原则 2)重量最轻原则 常见间隙调整方法：1)错齿法垫片调整法弹簧调整法 2)偏心套法识记： 总传动比的确定原则、结论及其意义，常见的几种传动比分配原则及其分配方法，间隙的种类及常见的间隙调整方法（掌握其工作原理

7、）4. 导向装置: 导轨的作用：支承和引导运动部件，按给定的方向作运动 导轨的基本组成：运动件（动导轨） 承导件（支承导轨/静导轨）直线运动导轨要求：（1）导向精度高（2）刚度好（3）运动平稳（4）结构工艺性好 直线滚动导轨的特点：1:导向精度高，运动平稳可靠，f小，动作轻便灵活，无爬行2: 预紧后导轨刚度提高，耐冲击振动 3:寿命长4: 便于润滑，应用广泛 静压导轨：是由外界向导轨面间通入压力油或压缩空气，使运动件浮起，与承导件分开，保证导轨处于液体摩擦或气体摩擦，再由油孔流回油箱。特点：即使导轨面有不平，也能保证平稳运动。识记：导向装置的功能及其组成，导向装置的基本要求，滚动直线导轨的特点

8、，静压导轨的工作原理， 第3章 执行装置及伺服电动机通过本章的学习，了解常见的执行装置的工作原理，掌握常用的伺服执行部件的工作原理、伺服驱动放大和控制的方法。1. 微动装置：1.机械式微动装置常用的机械式微动装置传动类型有螺旋传动、齿轮传动、摩擦传动、杠杆传动以及这几种传动方案的结合。2.热变形式微动装置该类装置利用电热元件作为动力源，靠电热元件通电后产生的热变形实现微小位移举例说明常见的微动装置，2. 执行装置什么是静压轴承、相比普通轴承其特点有哪些:静压轴承是流体摩擦支撑的基本类型之一，它是在轴颈与轴承之间充有一定压力的液体或气体，将转轴浮起并承受负荷的一种轴承。 特点：f小，高，寿命长，

9、转速范围高，刚度大，抗振性好，回转精度高 执行装置结构设计应注意哪些问题: 1)具有实现所需的全部运动形式的能力，包括给定的运动轨迹、给定的行程、速度方向及运动的起止点位置的范围等，并具有相应的精度和灵敏度。2)具有传递所需动力的能力。3)具有良好的动态品质，即要求尽量减少装置的转动惯量、提高传动刚度和系统固有频率，以减少摩擦和间隙等。4)可靠性高、寿命长。提高结合面刚度的主要手段是什么:3. 伺服电动机机电一体化中伺服电动机的性能要求: 1)性能密度大，即功率密度和比功率大。2)快速响应特性好，即加减速转矩大，频率特性好。3)位置控制精度高，调速范围宽，低速运行平稳、分辨率高。4)适应启停频

10、繁的工作要求。5)振动和噪声小。6)空载始动电压小。7)可靠性高，寿命长常用的伺服电机有哪些: 步进电动机，永磁式步进电动机，混合式步进电动机步进电机的步距角与哪些因素有关，转速如何计算： P-步进电机相数 Z-转子齿数 f-脉冲频率 K-通电方式一般最小步距角：0.75-9步进电机的主要性能指标及其含义：（1）最大静转矩：步进电动机在某相始终通电而处于静止不动状态时，能承受的最大外加转矩，即所能输出的最大电磁转矩，反应了步进电动机的制动能力和低速步进运行时的负载能力。(2)步距误差：空载时实测的步进电动机步距角与理论步距角之差，它在一定程度上反映了步进电动机的角位移精度。(3)运行矩频特性：

11、步进电动机运行时，输出转矩与输入脉冲频率的关系。(4)最大相电压和最大相电流：分别是指步进电动机每相线圈所允许施加的最大电源电压和流过电流。步进电机控制中环形分配器的作用、功率放大器的功能；常见的功率放大器的类型；直流伺服电机的结构和工作原理：主磁极、电枢铁芯、电枢绕组、换向器、电刷等。原理：主磁极的励磁线圈在直流电源下产生恒定磁场，当电枢绕组两端接上直流电源时，在电枢绕组中就有直流电流，因而电枢绕组在磁场的作用下受到电磁力矩而带动转子旋转这种旋转要靠电刷对电枢绕组电流的不断换向来维持。直流伺服电机的控制方式：恒转矩电枢电压控制；恒功率励磁磁场控制交流伺服电机的类型：同步型、异步型交流伺服电机

12、的结构和工作原理：1）定子：由于尺寸太大，硅钢片常制成扇形，然后对成圆形。2）转子：由磁极、转轴、阻尼绕组、滑环、电刷等组成，在电刷和滑环通入直流电励磁，产固定磁极 3）位置传感器转速的计算：同步交流电机 异步交流电机异步交流伺服电机的调速方法：（1）变频调速：改变异步电动机的供电频率f实现实现调速，是无级调速（2）改变磁极对数p调速：有级调速（精度不高的场合，如镗床、铣床）（3）改变转差率：转子电路串电阻调速（调速方法简单、设备简单投资少，但能耗较大，轻载时调速范围小；常用于起重、提升设备）第4章 机电一体化常用电路及应用通过本章的学习，掌握一些常见的电路的工作原理及其功能。1. 模拟电路主

13、要元器件: 成模拟电路的主要元器件包括电阻、电容、电感线圈、变压器、二极管、三极管、石英谐振器和继电器等。电阻值、电容值的表示方法：电阻：第一色环表示电阻值的第一位数。第二色环表示电阻值的第二位数。第三色环表示电阻值的乘数。第四色环表示电阻值的允许误差。电容：第一色环和第二色环表示电容器容量的第一位数和第二位数。第三色环表示电容器容量的乘数。第四色环表示电容器容量的允许误差。晶闸管的导通条件：在阳极上加正向电压，同时在控制极上加正向电压。2. 常见电路什么是变流技术:电源电路主要是指为工作设备的需要，将外部电源转换为设备所需要的电源的电路部分-变流技术。 整流器、逆变器、斩波器、变频器的功能:

14、整流器：把交流电变为固定的或可调的直流电；逆变器：把固定的直流电压变成可调的或固定的直流电压；斩波器：把固定的直流电压变为可调的交流电压。能够说明常用的变流电路的工作原理:集成电路的特点: 1)电路合理，系统质量高。2)降低系统成本，提高生产效率。 3)减少元器件数量，提高系统可靠性。差动运算放大器电路的工作原理:PID调节电路的功能是什么：在自动控制系统中，PID调节器是广泛应用的通用校正装置，其作用是对经过传感器转换的信号与给定信号相比较得到的偏差量进行运算，产生相对的输出，去控制系统执行环节。传导型干扰有哪几类，辐射型干扰有哪几类：传导型干扰：可分为供电干扰、强电干扰和接地干扰。辐射型干

15、扰： 电磁干扰、静电干扰常见滤波电路的工作原理：隔离的方法有哪几种，并进行比较：光电隔离、变压器隔离、继电器隔离。比较: 1）光电隔离体积稍大，隔离度和支持的频率丰富；但前提必须供电。 2）变压器隔离效果稍差些，只能针对特定的一点频率和波段的信号进行过滤及隔离,相对于光耦，其体积可以做到小很多；它可实现无源状态下工作。3）继电器隔离的接触点，接通时电阻很小，断开时无漏电流，这是晶体管开关电路达不到的，而且耐压高。什么是接地，接地的目的是什么： 将电路、设备机壳等与作为零电位的一个公共参考点（大地）实现低阻抗的连接称为接地。接地的目的有两个：1）为了避免操作人员因设备的绝缘损坏或下降遭受触电危险

16、和保证设备的安全，这称为安全接地，如把电子设备的机壳、机座等与大地相接，当设备中存在漏电时，不致影响人身安全；2）为了给系统提供一个基准电位，保证控制系统以及与之相连的仪表均能可靠运行并保证测量和控制精度，或是防止地环路引起的干扰，常称为工作接地，如脉冲数字电路的零电位点等，或为了抑制干扰，如屏蔽接地等。第5章 计算机控制技术通过本章的学习，了解机电一体化系统中计算机控制技术的组成、特点和类型。掌握接口技术在机电一体化系统中应用以及常用的控制方法。考核知识点1. 概述计算机控制系统的组成:计算机在控制系统中的应用方式: 1.操作指导控制系统 2.直接数字控制系统DDC（DirectDigita

17、lControl）3.监督计算机控制系统SCC （SupervisoryComputerControl） 4.分级计算机控制系统2. 工业控制计算机工业控制计算机的要求:1.实时性2.高可靠性 3.硬件配置的可装配可扩充性4.可维护性常用的工业控制计算机有哪几种: 1.STD总线工业控制机 2.PC总线工控机STD总线工控机的突出特点:1）模块化设计 2）开放式系统结构3. 计算机接口计算机I/O接口的主要功能:（1）解决主机CPU和外围设备之间的时序配合和通信联络问（2）解决CPU和外围设备之间的数据格式转换和匹配问题。（3）解决CPU的负载能力和外围设备端口的选择问题。I/O信号的种类:

18、1.数据信息2.状态信息 3.控制信息计算机与外部的通信方式: 1.并行通信2.串行通信 I/O接口的控制方式: 程序控制方式、中断控制方式和直接存储器存取方式。I/O接口的编址方式: 1. I/O接口独立编址方式 2. I/O接口与存储器统一编址方式 微机控制系统中的输入与输出通道一般包括哪几种:（1）模拟量输入通道（2）模拟量输出通道（3）数字量输入通道（4）数字量输出通道量化单位q的概念及其计算: 量化单位q是指量化后二进制数的最低位所对应的模拟量的值。设fmax和f min分别为转换信号的最大值和最小值，i为转换后二进制数的位数，则量化单位为 4. D/A转换器D/A转换器的分辨力感念

19、及计算: 分辨率 D/A转换器的分辨率表示当输入数字量变化了1时，输出模拟量变化的大小。它反映了计算机的数字量输出对执行部件控制的灵敏程度。对于一个N位的D/A转换器,其分辨率为：DAC0832的工作方式有哪几种:（1）直通方式 （2）单缓冲方式（3）双缓冲方式第6章 检测技术通过本章的学习，了解各种常用传感器的类型、结构、静动态特性、测量范围、使用条件等，掌握常用传感器的工作原理及其应用。考核知识点1. 传感器技术传感器的定义: 一种以一定的精确度将被测量转换为与之有确定对应关系的、易于精确处理和测量的某种物理量（如电量）的测量部件或装置。传感器的构成图传感器的构成:（1）敏感元件：是一种能

20、够将被测量转换成易于测量的物理量的预变换装置,其输入、输出间具有确定的数学关系（最好为线性）（2）转换元件：又称变换器，将非电量转换为电信号的元件。（3）基本转换电路：将电信号量转换成便于测量的电量,如电压、电流、频率等。传感器的特性：1）静特性：传感器输入量为常量或随时间做缓慢变化时，输入与输出的关系 动态特性：指传感器测量动态信号时，输出对输入的响应特性。线性度: 传感器输出量与输入量之间的实际曲线偏离拟合曲线的程度。通常希望这个特性（曲线）为线性。灵敏度: 传感器在静态标准条件下，输出量的增量与引起该增量的相应输入量增量之比。迟滞: 传感器在正、反行程中输出/输入特性曲线的不重合程度。重

21、复特性:传感器在同一条件下,被测输入量按同一方向作全量程连续多次重复测量时的输出/输入曲线不一致的程度。传感器信号处理电路的主要目的:（1）提高系统的测量精度（2）提高测流量系统的线性度（3）抑制噪音2. 位移测量传感器:能举出几个具体的常用位移传感器，并能说出其应用场合；光电式编码器按旋转规律可分为哪两种；比较绝对式编码器与增量式编码器。注意理解上课例题3. 测速传感器能举出几个具体的常用测速传感器；光电式转速传感器的结构和测速原理；注意理解上课例题4. 传感器接口技术采样保持电路的组成及工作原理: 组成：存储电容C、模拟开关S等。采样/保持器是一种用逻辑电平控制工作状态的器件。采样/保持的

22、概念: 1）采样：尽可能快的接收模拟输入信号，并精确的跟踪模拟输入信号的变化，一直到接到保持指令为止；2）保持：对接收到的保持指令前一瞬间的模拟输入信号进行保持。此阶段相当于一个“模拟信号存储器”5. 传感器非线性补偿处理软件数字量非线性校正的概念:常用非线性软件处理方法：查表法、分段线性插值； 6. 数字滤波数字滤波的概念及其特点:常用的数字滤波方法:第7章 简单机电一体化系统通过本章的学习，了解机电一体化技术在典型产品如。考核知识点1. 工业机器人机器人的组成: 机器人一般由执行系统、驱动系统、控制系统，检测传感系统和人工智能系统等组成 。1. 滚珠丝杆中滚珠的循环方式 内循环、外循环。2

23、. 某4极异步交流感应电机，电源频率为50Hz，转速为1470r/min，则转差率为多少？若为同步交流电机，则转速为多少？（计算公式前面有）3、应用于工业控制的计算机主要有哪些？STD总线的突出特点是什么？答：有1.STD总线工业控制机 2.PC总线工控机 特点：1）模块化设计 2）开放式系统结构。4、步进电机控制中，常见的环形分配方法有什么，驱动放大电路有哪些？答：1）计算机软件分配2）硬件环形分配； 驱动电路：电源驱动、双电源驱动、斩波限流。5、DAC0832是什么，它的工作方式有哪几种？答：是双列直插式8位D/A转换器，能完成从数字量输入到模拟量（以电流形式）输出的转换。 工作方式：（1

24、）直通方式（2）单缓冲方式（3）双缓冲方式6、齿轮传动装置总传动比的确定原则是什么？为什么？结论是什么？答：总传动比的确定：原则：通常采用负载角加速度最大原则选择总传动比,以提高伺服系统的响应速度（稳、准、快）； 常见几种传动比分配原则：1)等效转动惯量最小原则 2)重量最轻原则。7、小功率电动机驱动多级齿轮传动，当采用等效转动惯量最小原则是，各级齿轮传动比按照什么次序分配；若按照重量最轻原则，则各级齿轮传动比如何分配。答：小功率传动装置按质量最小原则来确定传动比时, 常选择相等的各级传动比 质量最小原则确定的各级传动比表现为“前大后小”的传动比分配方式。8、丝杠螺母间隙的调整方法有哪几种？齿

25、轮调隙常见的方法有哪些？要求能说明其工作原理。答：丝杠螺母间隙的调整方法(1)双螺母垫片式调隙 原理：调整垫片厚度，螺母轴向移动，消除轴向间隙(2)双螺母螺纹式调隙 原理:螺母6有凸缘，螺母8有螺纹，用两个圆螺母1和2锁紧，螺母2可调整轴向间隙和预紧(3)双螺母齿差式调隙 原理：螺母2凸缘切有外齿，相差1个齿，与内齿轮3、5啮合。当两个螺母按同方向转过一个齿，会产生相对轴向位移，位移量大小；齿轮调隙常见的方法：1)错齿法垫片调整法弹簧调整法 2)偏心套法9、一步进电机，转子齿数z=60、导电拍数m=6，则其步距角为多少呢？转速又如何计算呢？ =360/mzk n=60f/mzk 其中(k=1)

26、10、机电一体化的概念是什么？答：是机械的主功能、动力功能、信息功能、控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。11、什么是传感器？什么是传感器的线性度？答：传感器：一种以一定的精确度将被测量转换为与之有确定对应关系的、易于精确处理和测量的某种物理量（如电量）的测量部件或装置。 线性度：传感器输出量与输入量之间的实际曲线偏离拟合曲线的程度。通常希望这个特性（曲线）为线性。12、什么是逆变器？什么是整流器？答：逆变器：把固定的直流电压变成可调的或固定的直流电压。整流器：把交流电变为固定的或可调的直流电。斩波器：把固定的直流电压变成可调的交流电压。13、机

27、电一体化系统中，齿轮传动装置总传动比的确定原则是什么？为什么？此时传动比等于多少？答：总传动比的确定：原则：通常采用负载角加速度最大原则选择总传动比,以提高伺服系统的响应速度（稳、准、快） 常见几种传动比分配原则：1)等效转动惯量最小原则 2)重量最轻原则 总传动比=电动机的角位移/负载的角位移=电动机的角速度/负载的角速度=电动机的角加速度/负载的角加速度。14、什么是接地？接地的目的是什么？答：将电路、设备机壳等与作为零电位的一个公共参考点（大地）实现低阻抗的连接称为接地。 接地的目的有两个：1）为了避免操作人员因设备的绝缘损坏或下降遭受触电危险和保证设备的安全，这称为安全接地 如把电子设

28、备的机壳、机座等与大地相接，当设备中存在漏电时，不致影响人身安全；2）为了给系统提供一个基准电位，保证控制系统以及与之相连的仪表均能可靠运行并保证测量和控制精度，或是防止地环路引起的干扰，常称为工作接地，如脉冲数字电路的零电位点等，或为了抑制干扰，如屏蔽接地。15、机电一体化系统的主要构成要素有哪些？检测系统的关键元件是什么？答：机电一体化系统的基本功能要素： 1、机械子系统功能：机身、框架、机械联接等产品支持机构，实现构造功能。要求：可靠、小型、美观。2、动力子系统功能：提供能量，转换成需要的形式，实现动力功能。要求：效率高、适应性好、可靠性高。3、传感检测子系统功能：检测产品内部状态和外部

29、环境，实现计测功能。要求：体积小、精度高、抗干扰能力强。4、执行机构子系统功能：包括机械传动与操作机构，接收控制信息，完成要求的动作。常用执行机构：机械、电磁、电液等机构。5、电子信息处理子系统功能：处理、运算、决策，实现控制功能。要求：高可靠性、柔性、智能化。16、什么是静压导轨？相比其他导轨其特点有哪些？答：静压导轨：是由外界向导轨面间通入压力油或压缩空气，使运动件浮起，与承导件分开，保证导轨处于液体摩擦或气体摩擦，再由油孔流回油箱。特点：即使导轨面有不平，也能保证平稳运动。17、PID调节电路的功能是什么？当参数KP增大时，对系统有何影响？答：PID调节电路：在自动控制系统中，PID调节

30、器是广泛应用的通用校正装置，其作用是对经过传感器转换的信号与给定信号相比较得到的偏差量进行运算，产生相对的输出，去控制系统执行环节。18、机电一体化系统对工业控制计算机的要求有哪些？答：工业控制计算机的特点及要求1.实时性2.高可靠性3.硬件配置的可装配可扩充性4.可维护性。19、简述滚珠丝杠传动装置的组成及其特点。答：组成：1丝杠2螺母3滚珠 4滚珠循环装置 工作原理：丝杆（螺母）旋转，滚珠在封闭滚道内沿滚道滚动、迫使螺母（丝杆）轴向移动 特点：1:传动效率高,2:运动具有可逆性,3:传动精度高,4:磨损小，使用寿命长，5：不能自锁。20、光电式编码器按工作原理有两类？并对他们进行比较。21

31、、计算机I/O接口的主要功能有哪些？其控制方式有哪些？编址方式有哪几种？解：主要功能：（1）解决主机CPU和外围设备之间的时序配合和通信联络问题。（2）解决CPU和外围设备之间的数据格式转换和匹配问题。（3）解决CPU的负载能力和外围设备端口的选择问题。控制方式：程序控制方式、中断控制方式和直接存储器存取方式。编制方式： 1. I/O接口独立编址方式； 2. I/O接口与存储器统一编址方式。22、图示斜齿轮调隙机构，请分析其调整齿侧间隙原理。1、2薄片斜齿轮 3蝶形弹簧4垫片 5螺母 6宽齿轮 23. 试分析图示滚珠丝杠副轴向间歇调整与预紧的工作原理及其结构特点。双螺母垫片式调隙 原理：调整垫片厚度，螺母轴向移动，消除轴向间隙特点：结构简单，可靠性高，刚性好；但精确调整困难；滚道磨损时不能随意调整。适用于一般的传动机构。24、分析图示半桥逆变的原理，并能画出负载上的电压和电流的波形图。1） V1和V2栅极信号在一周期内各半周正偏、半周反偏，两者互补，输出电压uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2 2）V1或V2通时，io和uo同方向，直流侧向负载提供能量；VD1或