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1、机电一体化系统设计基础_复习资料（一）填空题机电一体化系统常用的能源有电源、气压源和液 压源。市场预测的方法主要有定期预测和定量预测。机电设计的质量管理主要体现在质量目标管理、 实行可行性设计和进行手机质量评审控制及信息处理单元一般由控制计算机、控制软 件和硬件接口组成。在多级传动中，为了减小传动误差，传动比的分 配应遵守先小后大原则。机电系统中，机械传动要满足伺服控制在精度、 稳定性和快速响应性等方面的要求。影响系统传动精度的误差可分为传动误差和回程 误差两种对于线性控制系统，若要求在达到高精度的同时 减小定位时间，则必须提高系统的固有频率。提高 固有频率和阻尼可以提高闭环系统的稳定性。液压
2、系统的伺服控制元件主要有电液伺服阀和电 液比例阀典型开关量 I/O 模板的 I/O 电气接口的主要功能 有滤波、电平变换、光电隔离和功率驱动。计算机的指令进行 D/A 转换后，需经过信号调理 环节才能驱动执行机构。传感器由敏感元件、转换元件和基本转换电路组 成。传感器的静态特性参数主要有灵敏度、线性度、 迟滞和重复精度。传感器输入特性的主要参数是输入阻抗或静态刚 度。执行机构，选择较大传动比可使系统的相对阻尼 系数增大，有利系统稳定。机电产品设计类型可分为开发性设计、适应性设 计、变参数设计三类。当负载折算到电机轴上的惯量等于转子质量时， 系统能达到惯性负载和驱动力矩的最佳匹配。步进电机的最大
3、动态转矩小于最大静转矩，并随 着脉冲频率的升高而降低。（二）选择题开放式体系结构中的 VLSI 是指（超大规模集成电 路）以下移动电话不属于机电一体化产品。数控机床需要进行抗干扰设计。幅频特性和相频特性（或频率响应函数）是传感 器动态特性指标丝杠螺母机构在闭环外，所以它回程误差和传动 误差都影响输出精度闭环控制，齿轮减速器在前向通道，它回程误差 不影响输出精度，但传动误差影响步进电机转动后，其输出转矩所工作频率增高而 下降采用脉宽调制进行直流电动机调速驱动是，通过 改变脉冲宽度来改变电枢贿赂的平均电压而实现机 的平滑调速。数控机床进给系统的伺服电机属于设备的驱动部 分。分离活塞式油缸属于系统中
4、的驱动部分在工业机器人的设计中传感器的选择及精度分析 是理论分析阶段要进行为提高机话接卸传动系统的固有频率，应增大系 统刚度。机械系统的刚度对系统的主要影响表现为固有频 率、精度、稳定性。多齿轮传动中，各级传动比相等的分配原则适用 于按输出轴的转角误差最小原则设计的传动链前大后小的分配原则适用于重量最轻原则（大功 率装置）频矩特性表示步进电机最大动态转矩与脉冲频率 的关系永磁式直流伺服电机又称为力矩电机STD 总线的 A/D 转换接口模板中，出 A/D 转换器 及 STD 总线接口逻辑外，还应有多路开关与采样保 持器（三）简答题机电相关技术有哪些 机械技术、计算机与信息处理技术、系统技术、自
5、动控制技术、传感器测试技术和伺服驱动技术。试述机电一体化产品的定义和分类方法。 答：机电一体化产品是新型机械与微电子器件，特 别是与微处理器、微型计算机相接合而开发的新一 代电子化机械产品。 按用途可分为信息机电一体化产品、产业机电一体 化产品和家庭用机电一体化产品。机电一体化系统的基础结构要素有哪些？喷漆机 器人的电液伺服系统和手臂手腕分别属于其中的那 个结构要素？数控系统、主传动系统答：要素有机械本体，能源，测试传感部分，执行 机构，驱动部分，控制及信息处理单元等 6 项。电 液伺服系统属驱动部分，手臂腕、主传动系统属执 行机构的一部分，数控系统属控制及信息处理单元。简述数控机床中计算机数
6、控装置的组成和功能。 答：由专用计算机、输入输出接口以及机床控制器 等部分组成。功能：根据输入的数据和程序，完成 数据运算、逻辑判断、输入输出控制等功能机电系统中，对控制及信息处理单元的基本要求 是？信息处理速度和可靠性，增强抗干扰能力，完善系 统自诊断功能，实现信息处理智能化和小型化，轻 量，标准化等。机电产品对机械传动系统有哪些要求 精度、稳定性、快速响应性、还应满足小型、轻量、 高速、低冲击振动、低噪声、高可靠性。机电系统中，测试传感部分的作用是什么？ 答：对系统运行中所需要的本身和外部环境的各种 参数及状态进行检测，传输到信息处理单元，经分 析处理后产生控制信息。影响机电一体化系统传动
7、机构动力学特征的主要 因素有那些？ 答：主要因素有负载变化；传动系统的惯性；传动系统固有频率；传动系统中的摩擦与润滑。why 采用机电可提高系统精度？ 答机电技术使机械传动部分减少，因而使机械磨损， 配合间隙及受力变形等引起的误差大大减少，同时 采用电子技术实现自动检测，控制，补偿和校正因 各种干烧因素造成的误差，从而提高精度。为减少机械系统的传动误差，可采用那些结构措 施？ 答：适当提高零部件本身的精度；合理设计传动链， 减少零部件制造、装配误差对传动精度的影响；采 用消隙机构，以减少或消除回程误差。什么是步进电机的步距角？他是由那些参数确定 的？ 答：步进电机在每输入一个电脉冲信号，转子所
8、转 过的角度为步距角。由步进电机的相数、电机转子 的齿数和电机的通电方式决定。步进电机是如何实现速度控制的。答：步进电机的运动由输入的电脉冲信号控制，电 机绕组每接收一个脉冲，转子就转过一个响应的角 度，其角位移量与输入脉冲的个数严格成正比。在时间上与输入脉冲同步。因而只需要控制输入脉冲 的数量、频率和电机绕组的相序，即可控制转动的 速度和方向。简述开关量输入模板的基本组成。 答：由外部开关设备、输入信号调理电路、输入缓 冲器、输入端口译码、（STD 总线）。简述开关量输出模板的基本组成。答：STD 总线信号、输出端口译码控制、输出数据 所存、输出信号调整电路、负载。工业 PC 机和个人计算机
9、的主要差别是什么？ 答：大母版改为功能插板，具有丰富的过程输入输 出功能；具有良好的实时性，能够对生产过程工况 变化实时监控；抗干扰电源，密封机箱，具有良好 的环境适应性；具有丰富的应用软件。齿轮传动中齿侧间隙对系统有何影响，如何消除 圆柱直齿轮的齿侧间隙？ 答：齿轮的啮合间隙会造成传动死区，若死区在闭 环系统中，则可能造成系统不稳定，使系统内高以15 倍间隙角产生的低频振荡。为降低制造成本， 多采用各种调整齿侧间隙的方法来消除或减少啮合 间隙，常法有偏心套调整法、轴向垫片法、双片薄 齿轮错齿法等。机电系统仿真的模型主要有哪几种？分别应用于 系统设计的那个阶段。 答：仿真模型有物理模型、数学模
10、型和描述模型。 当仿真模型为物理模型时，为全物理仿真，系统研 制阶段；是数学模型时，称为数学仿真，分析设计 阶段。用已研制出来的系统中的实际部件或子系统 替代部分数学模型所构成的为半物理仿真，部件及 子系统研制阶段。仿真再设计中起到的作用是什么？ 在项目的设计和规划时需要对项目的合理性、经济 型等品质加以评价；在系统实际运行前，要对项目 的实施结果加以预测，一边选择正确、高效的运行 策略或提前消除设计中的缺陷，最大限度的提高实 际系统的运行水平。采用仿真技术可以省时省力省 钱的达到上述目的。什么是 PID 调节器？三部分在系统中起什么作用。 答：按偏差的比例、积分和微分进行控制的调节器， 将偏
11、差的比例、积分、微分通过现行组合构成控制量，简称为 P（比例）I（积分）D（微分）调节器， 是连续系统中技术成熟，应用最为广泛的一种调节 器。aPID 调节器中比例调节起纠正偏差的作用，其反应 迅速；b 积分调节能消除静差，改善系统静态特性；c 微分调节有利于减少超调，加快系统的过渡过程。直流电机伺服系统中脉宽调制放大器的基本工作 原理。 答：脉冲调制放大器是直流伺服电机常用的晶体管 驱动电路。利用大功率晶体管的开关作用，将直流 电源电压换成一定频率的方波电压，施加于直流电 机的电枢，通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢 的平均电压，是电机的转速得到调节。永磁式直流伺服电机的主要特点： 可以不经
12、过减速机构直接驱动负载，由输入的电压 信号直接调节负载的转速；在以位置控制方式的伺 服系统中，电机可工作于堵转状态。交流伺服电机有哪些类型？交流伺服驱动的主要 特点？ 答：分为永磁式交流同步电机和笼型异步电机两类。 特点：1 调速范围大；2 适合大、中功率伺服系统；3 运行平稳，转速不受负载变化的影响；4 输出转矩 交大而转矩脉动小；5 通过闭环实现速度控制或位 置控制，其中永磁式同步电机也可作步进方式运行。开放式体系结构的主要特点是什么？ 答：开放式体系结构是今年在电子工业和计算机工 业中流行的一种设计思想，其主要特点是向未来的 VLSI 开放；向不同用户层次开放；向用户的特殊要 求开放；采
13、用模块化结构。简述 STD 总线微机控制系统的主要特点。 答：采用小版结构，高度模块化，功能模板结构灵 活，可靠性高，硬件冗余小，成本低；模块设计具 有严格的标准和广泛的兼容性；面向 I/O 的设计， 具有强大的 I/O 扩展能力，使控制系统非常适合工 业控制的应用；高可靠性。简述 STD 有哪些工作模式？1 独立工作模式即采用微机的基本系统与工业 I/O 模板单独构成控制系统；2 作为前端控制机 STD 可 作为其他微机的前端控制机，完成实时在线控制， 并把采集的数据和执行结果传送到上位机；3 构成分部式组合 利用 STD 控制机的组合方法，可方便进 行各种分布式系统的组合。转动惯量对传动系
14、统有哪些影响？ 答：转动惯量增大使机械负载增加，功率消耗大； 使系统响应速度变慢，降低灵敏度；是系统固有频 率下降，容易产生谐振。光电隔离型 DI/DO 模板有哪些主要特点？输入信 号与输出信号在电器上完全隔离，抗干扰能力强； 无触点，耐冲击，寿命长，可靠性高；响应速度快， 易于逻辑电路配合。D/A,A/D 接口功能A/D 接口功能是将温度、压力等物理量经传感器变 成电压、电流等信号转换为数字量。D/A 接口是将 二进制数字量转换成电压信号。简述电位器式位移传感器的测量原理。 电位器的可动电刷与被测物体相连，物体的位移引 起电位器移动端电阻的变化，电阻值的变化量即反 应出唯一的大小和方向。通常
15、由电源电压吧电阻的 变化转换成电压输出。PLC 的功能和组成。优越性 功能：可取代继电器控制，完成顺序和程序控制； 可组成闭环系统实现精确的位置和速度控制；可构 成告诉数据采集和分析系统，实现生产过程的自动化。组成：CPU，存储器，电源，I/O 口和编程器。 优越性：可靠性高，环境适应性强，灵活通用个， 维护简单，方便组成网络，应用程序的编制和调试 非常方便，还具有监控功能。（四）分析题试分析比较直流测速发电机和光电编码器做转速 测量的特点。 解答：直流测速发电机由永久磁铁与感应线圈组成， 用电枢获取速度信号。它具有灵敏度高、结构简单 等特点，常用于高精度低速伺服系统，也可与永磁 式直流电动机
16、组成低速脉宽调速系统。直流测速发 电机的输出信号是与输入轴的转速成正比的直流电 压信号，信号幅度大，信号调理电路简单。由于输 出电压信号有波纹，一般需要配置滤波电路。 光电编码器（增量式）主要由旋转孔盘和光电器件 组成。它具有体积小、使用方便、测量精度高等特 点，常与直流电机配合使用构成脉宽调速系统。增 量式光电编码器输出的是与转角成比例的增量脉冲 信号，可以通过脉冲计数获得角位置信号，也可以 定时取样脉冲数的增量实现角速度测量。因此，可 以同时测量转角和转速。试分析齿轮机构、传感器及丝杠螺母机构的误差 对输出精度的影响。 答：齿轮减速器位于前向通道，误差的低频分量不影响输出精度，因此允许有一
17、定的间隙误差；而误 差的高频分量影响输出精度，因此应尽量减少传动 误差。 传感器位于反馈通道，误差的低频分量会影响输出 精度，因此对静态精度有较高要求；而误差的高频 分量对输出精度几乎没有影响，允许存在一定程度 的高频噪声。 丝杠螺母机构位于闭环之后，其误差的低频分量和 高频分量都会影响输出精度，因此要尽量消除传动 间隙和传动误差。工业控制 PC 计算机与可编程控制器的主要区别： 答：工业控制 PC 的基本系统与普通 PC 大体相同， 但备有各种控制模板，一般不需要再做硬件开发， 在结构上进行了模块化；系统具备完整的控制功能， 软件丰富，执行速度块，适用于需要做大量数据处 理的测控系统。在程序
18、语言方面，工控 PC 以使用高 级语言为主，也可使用汇编语言。PLC 结构小巧，适应性强，可按照使用要求选个相 应产品构成控制系统，PLC 的控制功能以逻辑控制 为主，小型 PLC 适用于实现各种逻辑控制和开关量 控制，大中型 PLC 为模块化结构，按用户需求的功 能选配模块，可组成规模较大，精度较高的闭环控制系统。PLC 的控制功能由软件实现，但信号的输 入输出采用周期性的扫描方式，这一点是与工控 PC 的重要区别。此外，在程序语言方面 PLC 主要采用 提醒度，大型 PLC 可使用高级语言。对比说明步进电机和直流伺服电机驱动的特点。 答：1 在工作方面，步进电机通过输入脉冲的数量、 频率和
19、相序来控制电机；而直流电机主要靠改变电 枢两端的电压来调速，调速特性好，调速范围宽。2 步进电机可实现开环位置控制；直流电机一般用于 闭环位置控制。3 步进电机具有自锁功能；二直流 电机没有断电自锁能力。4 步进电机输出力矩较小， 而直流电机输出力矩可以很大。此外步进电机的转速和转角不受电源电压波动的影响，但对电源的要 求较高。已知数控机床控制系统，说明图中的各部分属于 机电系统的哪一个基本要素？1 控制及信息处理单元：键盘、计算机、显示2 测试传感部分：光电编码器、信号处理3 能源：电源4 驱动部分：功放、电机5 执行机构：联轴器、齿轮减速器、丝杠螺母机构、 工作台齿轮减速器的传动误差对工作
20、台的影响？ 齿轮减速器在电机之后，前向通道的闭环之外，其传动误差的高频分量和低频分量都不能通过闭环控 制来消除，都会影响输出精度。（五）计算题如图所示电机驱动系统，已知工作台的质量为 m=50Kg，负载力为 Fi=1000N,最大加速度为 10m/s2, 丝杠直径为 d=16mm,导程 t=4mm,齿轮减数比为 i=5, 总效率为 =30%，忽略丝杠惯量的影响，试计算电 机的驱动力矩。解：总负载力包括以下几部分先分 析负载力有哪些组成（1）外负载力 Fi=1000N（摩擦负 载 F=mgf=（2）惯性载力 Fm，m=50kg，a=10m/sFm=ma=5010=500N（3）电机的驱动力矩为图
21、示为电枢控制式直流电动机的工作原理图，电 流 i；LR 为线圈的电感电阻，输入电压 u；Jm； T； ；Ke；Kt，求输出转速与输入电压之间的传递函数。解：e=Ke ；T=Kti；KtI（s）=Jm（s）s； =Gm（s）T；Gm=1/（Jm s）；（）（）（） 计算电机轴 上的总等效惯量。解：（1）电机轴上的元件 Je1=J1+Jm；（2）中间轴上的元件 Je2= （J2+J3）（3）负载轴上的元件 Je3=（J4+JL） 总的折算惯量为 Je=Je1+Je2+Je3。已知电枢转子惯量 Jm=0.005kgm，负载惯量 JL=0.04kgm，确定传动比 i 为何值时可是负载或最 大加速度。解
22、：当=Jm 时，负载获最大加速度。 所以 i=2.828。开环步进电机位置控制系统，负载力 F=1000N， 工作台长 L=500mm，往复精度为0.025mm，丝杠导 程 ts=6mm，直径 d=20mm，步进电机步距角为 =3， 确定齿轮减速比 i。解：步进电机的每转脉冲数 ns=360/ =360/3=120 脉冲/转根据工作台定位精度的要求，选用脉冲 当量 =0.025mm/脉冲设传动比为 i，每个脉冲对应工作台的 位移为 =ts/（ins）则i=ts/（ ns）=6/（0.025120）=2已知工作台直流电机丝杠螺母机构驱动，工作台 的行程 L=250mm，丝杠导程 t=6mm，齿轮
23、减速比 i=4， 要求工作台位移的测量精度为 0.01mm。试采用高速 段测量方法，确定旋转译码器的每转脉冲数。若将 传感器与丝杠的端部直接连接，ns=500 脉冲/转的 旋转译码器是否合用。解：1 高速端测量，设传感器每转脉冲 数为 n，每个脉冲对应工作台的位移为 L=t/（in）由测量进度， L=0.01mm， 则n=t/（i L）=6/（40.01）=150 脉 冲/转选取 n=200 光电编码器，则理论测量精 度 L=6/（4200）=0.00750.01 可 满足题目要求。2 低速端测量，传感器直接与丝杠连接， 与减速比无关 L=t/n n=t/ L=6/0.01=600 脉冲/转，
24、可知 ns=500 脉冲/转的编码器不 合用。（六）综合题已知电机驱动的三自由度位置控制系统，单个自 由度的驱动系统如图所示。试说明单自由度驱动系 统的两种测量方案；注：需要回答至少两种测量方案，每种方案选出一 种传感器即可。采用直流电机驱动的机器人关节有两种转角和转 速测量方案解：方案 a 为高速端测量方案，结构简单，易实现。 同样的测量精度要求，对译码器的测量精度要求较 低。减速器包括在闭环之外，传动误差直接影响输 出精度，传动误差无法通过控制进行补偿，因此对 减速器的精度要求较高。传感器在电机尾部，不知 容易，外观较好。方案 b 为低速端测量方法，同测精要求，对编码器 的精度要求较高，成
25、本比方 a 高；但减速器包括在 闭环内，从而通过闭环来消除传动误差，对减速器 的精度要求较低。传感器安装在关节部位，布置较 困难，外观差。 实际中多采用方 A。某车间内有两条自动生产线上需要一款搬运机器 人，用于生产线请指定出概念设计流程。解：产品概念设计决定性地影响产品创新过程中后 续的产品详细设计、产品生产开发、产品市场开发 以及企业经营战略目标的实现。包含以下流程：明确设计任务解：依题意有两种测量方案分析（1）高速端测量方案：传感器安装在电机的尾部（电机轴），通过测量电 机的转角实现工作台位移的间接测量。可选用光电 编码器式传感器或者磁电式编码器。综合评价 决策（2）低速端测量方案： 传
26、感器安装在工作台上（负载轴），直接测量工作 台的位移。可选用光栅式位移传感器、感应同步器 或者电位计式位移传感器。求总功能 总功能分解寻求子功能解 原理解组合 评价与决策 概念产品黑箱法功能逐级分解创造性方法、目录法、 调查分析法形态学矩阵法各种评价方法已知五自由度机器人，采用直流电机控制，关 节是确定其控制计算机及控制方案。手动示教盒是一个单片机系统，他由单片机、RAM、 串行通信口、键盘、LED 显示器等组成。它承担命 令输入、状态显示、数据存储、通过与关节控制单 片机通信给关节单片机发送控制命令等任务。 每个关节控制单片机分别负责每个关节直流电机的 位置伺服控制，有单片机、PWM 驱动接
27、口、编码器 接口和串行通信口组成。PC 具有与手动示教盒同样的功能，不同是，状态显示及命令输入由显示器和 PC 键盘实现。已知某物料搬动机械手要求写出物料搬动机 械手设计和产品开发的详细工程路线。答：a 确定目标及技术规范：机械手的用途：物料 搬运。工作方式：手动、自动方式。主要技术参数：3 自由度。使用环境：生产线。b 可行性分析：收集 资料、市场分析、可行性分析、技术经济性分析。c 总体方案设计：机械手总体结构方案设计，指定研 制计划；开发经费概算；开发风险分析。d 总体方 案的评审、评价。e 理论分析阶段：结构运动血模 型、作业空间分析；结构的力学计算；驱动元件的选择、动力计算；传感器选择、精度分析；建立控 制模型、仿真分析。f 详细设计：包括系统总体设计， 业务的划分；控制系统设计；程序设计；后备系统 设计；设计说明书、使用说明书。g 详细设计方案 评价。h 试制样机：机械本体、动力驱动系统、供 电系统、控制系统、传感器、检测系统。i 机械手样 机的实验测试：调试控制系统、控制性能测试、功能测试、精度、工作空间测试、动态指标测试、作 业试验。j 技术评价与审定：对样机及其性能进行综 合评价，提供改进意见，对不满意的部分进行修改，直至样机合格后方可进入下一步。k 小批量生产。l试销。m 正式生产。n 销售。