《机电一体化系统设计》思考题.docx

1、机电一体化系统设计思考题思考题和习题第一章：概论1、 工业三大要素P3物质、信息、能量2、 机电一体化技术对工业三大要素的作用P3对输入的物质、信息、能量进行某种处理，输出具有所需形式或所需特效的物质、信息、能量。3、 机电一体化的内容P1机电一体化是一个综介的概念，包含了技术和产品两方面内容。它首先是指机电一体化技术，其次是指机电一体化产品。机 电一体化技术是指包括技术基础，技术原理在内的、使机电一体化产品得以实现、使用和发展的技术。机电一体化产品是指 采用机电一体化技术，在机械产品基础上创造出来的新一代机电产品，4、 机电一体化的定义P1机电一体化乃是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控

2、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。5、 机电一体化的基础P1机械技术、微电子技术、计算机和信息处理技术、自动控制技术、传感与测试技术、电力电子技术、伺服驱动技术、系统总 体技术等现代高新技术群体。6、 机电一体化的目的P2机电一体化的目的是使产品具有多功能、高效率、高智能、高可靠性，同时又能省材料、省能源，并使产品向轻、薄、细、 小、巧的方向发展，以不断满足人们生活的多样化要求和生产的省力化、自动化要求。7、 机电一体化的实质P2机电一体化技术的垂要实质是应用系统工程的观点和方法来分析和研宪机电一体化产品或系统，综合运用各种现代高新技术 进行产

3、品的设计与开发，通过各种技术的有机结合，实现产品内部各组成部分的合理匹配和外部的整体效能瑕佳。8、 机电一体化的效果P3机电一体化通过综合利用现代高新技术的优势，扬长避短，在提高精度、增强功能、改善操作性和使用性、提高生产率和降 低成本、节约能源和降低消耗、减轻劳动强度和改善劳动条件、提高安全性和町靠性、简化结构和减轻重鼠、增强柔性和智 能化程度、降低价格等诸多方面都取得了显著的技术经济效益和社会效亞，促使社会和科学技术又向前人人迈进了一步。9、 机电一体化系统五大功能要素P3主功能、动力功能、计测功能、控制功能、构造功能。10、 解释：动力功能、信息功能、操作功能、计测功能、控制功能P3、4

4、11、 机电一体化系统五大结构要素P4、5机械本体、动力源、检测与传感装置、控制与信息处理装置、执行机构12、 机电一体化产品类型和特点P5功能附加型、功能替代型、机电融合型13、 何谓功能附加型产品P5在原有机械产品基础匕，采用微电子技术，使产品功能増加和增强，性能得到适当的提高。经济型数控机床、电子秤、数显 量具、全自动洗衣机14、 何谓功能替代型产品P5采用微电子技术及装置取代原产品中的机械控制功能、信息处理功能或主功能，使产品结构简化，性能提高，柔性增加。电 子缝纫机、自动照相机。15、 何谓机电融合型产品P5根据产品的功能和性能要求及技术规范，采用专门设计的或具有特定用途的集成电路來

5、实现产品中的控制和信息处理等功能, 因而使产品结构更加紧凑、设计更加灵活、成本进一步降低。传真机、复印机、摄像机、磁盘驰动器、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下，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适应性设计是在原仃产胡总的方案原理基本不

6、变的情况下，対产品的某些局部加以变动或改进，以增加功能、捉高性陡和质 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、机械系统的惯最3、 运动件之间的摩擦 4、运动传递

7、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彫响精度的大小（如传动比和各级传动比的分配）25、滚珠丝杠传动消除反向传动间隙的方法P16 ppt67 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、 滾珠丝杠传动的特点P15 ppt491、传动效率高2、运动具有可逆性3、系统刚度好4、传动楕度筍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 图持 点一端固定 一端自由 （F-O）4。1.结构简单2.丝杠的轴向團度比两端固定低3.丝杠的压杆稳定性和临界转連都较低4

8、-设计时尽最使丝杠受拉仲5.适用于较短和竖直的丝杠一端固定 -端游动 （F-S）1 丁1.需保持螺母与两端支承同轴故结构较复杂，工艺较困难2.丝杠的轴向则度和F-0相同3.压杆稳定性和临界转速比同长度的FO別髙4.丝杠有热膨胀的余地5.适用于较长的卧式安装丝杠两端固定（F-F）1.同FS的Z2.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-般不会受压.无压杆稳定问题.固有频率比一端固 定要高4.可以预拉伸预拉伸后可減少丝杠自重的下垂和热补偿膨 胀，但需-套预拉伸机构，结构及工艺都比较困难5.契进行預拉伸的丝杠其目标行程应略小于公称行程减 少慑竽于拉伸址6.适用于对刚度和位移槁度奥求高

9、的场合32、 齿差调隙时，两齿轮同方向转过一个齿时，轴向调节多少距离？ P16 ppt72当两个螺母同方向转过一个齿时，所产生的相对轴向位移为：As二(l,/zl/z2)pp为丝杠导程33、 滚动直线导轨的特点是什么？ P31、32 pptl45(1)承载能力大(2)刚性强(3)寿命长(4)传动平稳可靠(5) H有结构自调整能力能在振动冲击载荷卜工作安装、使用、维修方便作用于系统的附加載荷小、噪声低。38、 热变形微动机构原理P41 pptl63靠电热元件通电后产生的热变性实现微小位移39、 磁滞伸缩微动机构原理P42 pptl64利用某些材料在磁场作用下改变尺寸的磁致伸缩效应实现微小位移40

10、、 已知双波谐波齿轮的柔轮齿数ZgOO,刚轮齿数Z-202,波发生器的转速nH=600r/min.试求：柔轮固定时刚轮的转 速 n” pptl03、104、105谐波齿轮传动的传动比计算：分别为刚性轮、柔性轮和谐波发生器的转速（b）当刚轮固定O）g=0则H轮主动，柔轮输岀，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I、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、10 P69ppt55、5645、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输岀设备的信号类型：指示灯、蜂鸣

11、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量信号（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童信号，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。务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

12、逐列扫描根据键的判定原理计算获得键值（3） 消除fll抖动采用软件消抖方法（延时程序大约1020毫 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破件消抖：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保证按键次计算机仅响应一次。等待键释放以后再进入锥处理程序。50、 LED数码管显示方法ppt42静态显示：务位数码管同时工作，亮度人稳定，但需要用计算机较多II线或彼件电路。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

13、，是目前常采用的方法。51、 动态显示方式电路形式ppt45图317 8031扩展6位动态LED显示器的接口电路图3-18显示子程序框图52、数码管动态显示程序流程ppt471） 确定显示缓冲区2） 显示代码3） 显示时间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P55 ppt33 47 键盘的动态扫描原理：1） 全扫描判断是否有健按下，给全部输出线送“0”。如给Pl.4P1 7输出0000则只要键盘上有键按下，Pl 0-P1 3就必有“0”信号出现。2） 逐行逐列扫描轮流给各条输出线送“0”，判断哪个键按

14、F拨码盘：图37 4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盅要显示的数，-般每位数码管固定对应-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RAM的30H35H 6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。动态打描程序一般把显示代码根据接I I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

15、、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）、品闸管（可控硅）、固态继电器（SSR）5人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）输入电压范闱4）转换精度 59、某系统釆用一 24V宜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

16、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20 mA ,导通压降IV,电源5V,釆用一 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

17、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

18、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

19、釆用采样保持电路？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0-200MP3,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=lp F,试计算其截至频率。76、

20、 、光屯編码盘输出两路相差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压力，对应0100Mpa ,传感器的电路输出O-10V,要求测童精度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

21、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呈。由计算机破件、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。检測反馈元件：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、梢度、快速响应）3、 执行元件和传感器

22、选择4、 机械系统设计5、 控制系统设计6、 系统性能复査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p p p pQ 11 111o 1 .23c5V7o 丄p p p p1 11 14567光电隔离接口5-19单片机与步进电动机接口电路a 5-4疏朋附麵觀濒表节抽F号丄户二苣劳方向9Wpl.o PLDcHATAIXix1AoAEEH- 11# ; rt9W11ooABCCH| IXo1BJZH4rIoolxBe9-O oI 1 cBBHAbO oCDH co3?|ftd4 X 1A1 ADoonV1 oDAH fiu AbC X分舵）图 5-20 脉M

23、分配羟制相庁框禺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/kmz k通电方式系数m相数z转子齿数 方向：通电顺序2 is兀）L288、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，如超出范尉电机出现失步（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

24、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冇所改善，但效率还不高。斩波限流驱动电路采用高压单电源供电,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。3 = OJ = % K c 朋机械特性表达式： Ce eg GC少91、控制直流伺服电机的转速一般采用什么方法？1晶闸管功率放人器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，并经功率放人器驱动电机。目前的主流方 法是数字控制方法PWM (脉冲调宽)。用脉冲最产生直流最的方法，电枢绕组工作在均值电压，改变脉宽以改变电乐。92、P

25、WM脉冲的产生原理5! :-X4K ：k z 、/ rU/ /.Z J、 y if a Uft丄 nIU) w图 293、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釆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U,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/4WMmWl95、 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，既町保证系统的快速响应性，又町消除系统的稳态

26、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，町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量引 起的滞后）的系统具有显著的控制效果。PID控制兼有比例、积分和微分三种基本控制规律的优点，町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.Olmin,机械系统的位置增益K3=O.5iTun/rad,扭矩增益KR=2X103Nm/rad,负载 扰动力矩Ti

27、=2ONm，问该系统的稳态误差是多少？跟踪误差6 1=V/K负我扰动引起的误差 6 2=K3T 1 /KR =0 5miMad 20N*m/2X 1 OTn/rad稳态误差=0 1+6 297、 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/3606p98、 某伺服系统作用于电机的总等效转动惯量片 XlOf gir?,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。7）=j冃 讐j=Jd=5 XI0 jkg-mjnax =900/60=1599、 一丝杠传动的工作台系统，

28、为二阶系统。折算到丝杆轴上的总等效转动惯量Js=0.0583kgnn2 ,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3 n。100、一个宜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0-40V ,需要0-100%占空比1500_ X Y _ 34000 4OT6o 4X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。pl94102、 某控制器采用8031的定时器/计数器T

29、O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希要根据哪些参数，并详细说明计算、选择的过程和要点。1计算减速器传动比1-3动力参数的选择nt nTe =移动部件+转动部件纬色i=l j=l（几十JM +凡）吗（1 - V）V 十 2疋加十4惯最匹配 l/4WJd/JmWl5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。图5-37 闭环伺眼系统结构原理图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/zh，减速机构的效率n c=092.各齿轮的惯量分为 Jl=0.0294Kgm J2=0.0784Kgm2, J3=0.049Kgm2, J4=0.196Kgm2,电动 机的惯量Jm = 0.294Kgm负载惯量JL=0.4508Kgm2,负载转矩T2=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血（人2+人3）+Jz4+Ji +Jm