机电一体化简答分析.docx

1、机电一体化简答分析1-5. 机电一体化系统由哪些基本要素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。1-7. 根据不同的接口功能说明接口的种类。1.根据接口的变换，调整功能：零接口、无源接口、有源接口、智能接口 2.根据输入 / 输出功能：机械接口、物理接口、信息接口、环境接口1-11. 说明机电一体化系统的主要评价内容 高性能化、低价格化、高可靠性比、智能化、省能化、轻薄短小化、高附加价值 化。2.机械传动部件通常有 螺旋传动、齿轮传动、同步带传动、高速带传动、各种非 线性传动部件 等，其主要功能是

2、传递转矩和转速。2-5. 丝杆螺母机构的传动形式及选择方法有哪些(1) 螺母固定、丝杆转动并移动 该传动形式因螺母本身起着支承作用，消 除了丝杆轴承可能产生的附加轴向窜动，结构较简单，可获得较高的传动精度。 但其轴向尺寸不易太长，刚性较差。因此只适用于行程较小的场合。 (2) 丝杆转 动，螺母移动 该传动形式需要限制螺母的转动，故需导向装置。其特点是结构 紧凑、 丝杆刚性较好。 适用于工作行程较大的场合。 (3) 螺母转动， 丝杆移动 该 传动形式需要限制螺母移动和丝杆的转动， 由于结构较复杂且占用轴向空间较大， 故应用较少。 (4) 丝杆固定，螺母转动并移动 该传动方式结构简单、紧凑，但 在

3、多数情况下，使用极不方便故很少应用。( 5)差动传动方式 多用于各种微 动机构中2-16. 各级传动比的分配原则是什么输出轴转角误差最小原则是什么1）重量最轻原则 小功率传动装置各级传动比 （等传动比分配， 等模数原则） 大功率传动装置 各级传动比确定，应遵循“先大后小”原则，再由经验、类比方法 和结构设计紧凑等方法确定。（不等传动比分配，不等模数原则）（ 2）输出转角误差最小原则 为了提高机电一体化系统中齿轮传动系统传递运动的精度， 各级 传动比应按“先小后大”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。设齿轮传动系统中各级齿轮的转角误差换算到末 级输出轴上

4、的总转角误为 ，则：3 ）等效转动惯量最小原则 各传动轴转动惯量等效到电 机轴上的等效转动惯量最小。 （机械传动部分响应特性最佳原则 ） 。2-18. 谐波齿轮传动有何特点传动比的计算方法是什么 nmax （ k / ikn ）答：（1）谐波齿轮传动特点有：结构简单、传动比大、传动精度高、回程误差小、噪声低、传动平稳、承载能力强、效率高等特点。谐波齿轮传动的波发生器相当 于行星轮系的转臂，柔轮相当于行星轮，刚轮则相当于中心轮。故谐波齿轮传动装置的传动比可以应用行星轮系求传动比的方式来计算。设 Wg Wr、WH分别为刚轮、柔轮和波形发生器的角速度，则2-20. 齿轮传动的齿侧间隙的调整方法有哪些

5、圆柱齿轮传动、斜齿轮传动、锥齿轮传动、弹簧2-25. 轴系部件的基本要求旋转精度、刚度、抗振性、热变形、轴上零件的布置3.执行元件的种类对执行元件的基本要求1 ）电动势执行元件、液动式 、气动式 2 ）惯性小，动力大、体积小，重 量轻、便于维修安装、宜于微机控制3-5.直流伺服电机控制方式的基本形式是什么1）晶闸管直流调速驱动：主要通过调节触发装置控制晶闸管的触发延迟角 （控制电压的大小）来移动触发脉冲的相位，从而改变整流电压的大小，使直流电动 机电枢电压的变化易于平滑调速。 2）晶体管脉宽调理驱动：当输入一个直流电压U时，就可得到一定宽度与 U成比例的脉冲方波来给伺服电动机电枢回路供电， 通

6、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。3-6.简述PWMt流驱动调速、换向的工作原理。如果改变加到 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卩 ，就 可以改变电动机的转向和转速。3-10.简述步进电机的工作原理。通常电机的转子为，当电流流过时，定子绕组产生一矢量。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定 子的方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。 每输入一个电，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数 成正比、转速与成正比。改变绕组通电的顺序，电机就

7、会反转。所以可用控制脉 冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。3-11.简述步进电机步距角大小的计算方法。步进电动机走一步所转过的角度称为步距角，可按下面公式计算空Zm式中Z为转子上的齿数；m为步进电动机运行的拍数。通常等于相 数或相数整数倍，m=KN（N为电动机的相数，单拍时 K=1，双拍时K=2）3-12.简述步进电机的环形分配方式1采用计算机软件，利用查表或计算方法来进行脉冲的环形分配，简称软环分。2采用小规模集成电路搭建而成环形脉冲分配器。 采用专用环形脉冲分配器3-13.简述步进电机的运行特性分辨力、静态特性（静转矩、矩-角转矩、静态稳定区）、动态特性（动态稳定

8、区、 启动转矩Tq、最高连续运行频率及矩-频特性、空载启动频率与惯-频特性）4-2.试说明微型计算机的基本特点及选用要点於牡幅元电肾舟电速度，指令4-17.试说明光电耦合器的光电隔离原理。作用1）光电隔离电路主要由光电 耦合器的光电转换元件组成，如 下图所示.控制输出时，从上图a 可知，微机输出的控制信号经 74LS04非门反相后，加到光电耦 合器G的发光二极管正端。当控制信号为高电平时，经反相后，加到发光二极管正端的电平为低电平，因此，发 光二极管不导通，没有光发出。这时光敏晶体管截止，输出信号几乎等于加在光 敏晶体管集电极上的电源电压。当控制信号为低电平时，发光二极管导通并发光, 光敏晶体

9、管接收发光二极管发出的光而导通，于是输出端的电平几乎等于零。同样的道理，可将光电耦合器用于信息的输入，如上图 b所示。2）可将输入与输出 端两部分电路的地线分开，各自使用一套电源供电、可以进行电平转换、提高驱 动能力4-16. 微机应用系统 I/O 控制的可靠性设计分析方法是什么 光电隔离电路设计、信息转换电路设计4-19. 试说明检测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

10、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。6-1. 稳态设计和动态设计包含哪些内容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。6-8. 何谓机电一体化系统的可靠性 机电一体化可靠性是指，系统（产品）在规定条件下和规定时间内

11、完成规定 功能的能力。6-9. 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。6-10. 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。7-7. 直线插补与圆弧插补有何区别 直线：给出两端点间的插补数字信息，借此信息控制刀具的运动，加工出预 期的直线。圆弧：给出两端点间的插补数字信息，借此信息控制刀具的运动，加工出预 期的圆弧。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

12、套电源供电 2 、可以进行电平转换 3 、提高驱动能力6-3 机电一体化系统中的典型负载有哪些说明以下公式的含义： 答：典型负载是指惯性负载、外力负载、弹性负载、摩擦负载（滑动摩擦负 载、粘性摩擦 负载、滚动摩擦负载等）。对具体系统而言，其负载可能是以上几 种 典 型 负 载 的 组 合 ， 不 一 定 均 包 含 上 述 所 有 负 载 项 目 。議一式表乐髯效转动嵋量.X统运动部件苗动能总和为恵斗工吩：+丄工J同2 hi 2 j.i迅 淨刊元件谕出轴上的总动能为EJgjy 由陶时恒：F _F用询伽用单阴.痕窗贰N丧示琴效贸賊转矩。设上述条统住吋闾I内克服G戟所件的現德总和为, 疔=工十“孕

13、呼同理.执行元杵输出軸在时间t内的转角为jJ佻二珂F则也秆瓦件術作刖功为叭二T池 由叫二炉粘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

14、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。设幵关S周期性地闭合、断幵，闭和幵的周期是 T。在一个周期T内，闭合的时间是t,幵断的时间是T

15、t,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T,则一个周期内电压的平均值为Ua=1/ToT Udt= t /TU二口 U,式中口 -导通率。又称占空系数，口 =t /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+90ScVT1 d MRbVTIa 0V的路径流通，设此时电 动机的转向为正向。反之，如

16、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 VT2bMdVT4a0V 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卩，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

17、； 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、XI、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I1 /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的幅值和相位如，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

18、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a越小，分辨力越高，最常用的步距角有 ,1o/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

19、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 9 c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9 c= 90o时，其静态转 矩为最大静转矩 Tjmax。 Tj 与9 c 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-n到n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-

20、n 9 c n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

21、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-

22、（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 . 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

23、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

24、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

25、，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。