机电一体化系统设计.docx

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机电一体化系统设计

机电一体化复习资料

题型：

1.判断（1*10=10）

2.填空（1*20=20）

3.选择（2*10=20）

4.问答（5*6=30）

5.综合（20*1=20）

第一章

1．机电一体化是机械设计、电子技术和信息技术等各相关技术有机结合的一种新形式。

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

3．机电一体化的发展有一个从自发状况向自为方向发展的过程。

4．机电一体化的目的是提高系统的附加价值，即多功能、高效率、高可靠性、省材料省能源，并使产品结构向短、小、轻、薄化方向发展，从而不断满足人们生活的多样化和生产的省力化、自动化需求。

5．优先发展的机电一体化领域须同时具备以下几个条件：

（1）短期或中期普遍需要；

（2）具有显著的经济效益；（3）具备或经过短期努力能具备必需的物质技术基础。

6．优先发展的机电一体化领域需面临的关键技术有：

检测传感技术、信息处理技术、伺服驱动技术、自动控制技术、精密机械技术及系统总体技术等。

7．机电一体化系统由机械系统、信息处理系统、动力系统、传感检测系统、执行元件系统，这五个子系统组成。

（要掌握一种机电一体化系统实例，分析对应的五个子系统及其功能。

）

8．机电一体化必须具备的三大“目的功能”：

（1）变换（加工、处理）功能；

（2）传递（移动、输送）功能；（3）储存（保持、积蓄、记录）功能。

（看书上P7具体内容）

9．构成机电一体化的要素或子系统之间必须能顺利地进行物质、能量和信息的传递与交换。

为此，各要素或各子系统连接处必须具备一定的“联系条件”，这些联系条件称为接口。

系统的性能在很大程度上取决于接口的性能，各要素或各子系统之间的接口性能就成为整个系统性能好坏的决定性因素。

10．广义的接口有两种，一种是变换、调整；另一种是输入/输出。

（看书上P10具体内容，肯能会考判断题）

11．看书上P11机电一体化系统的评价内容

12．机电一体化系统的设计方法及其特点

（1）机电互补法；又称取代法。

特点是利用通用或专用电子部件取代传统机械产品中的复杂机械功能部件或功能子系统，以弥补其不足。

（2）融合法；它是将各组成要素有机结合为一体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配合比较充分（3）组合法；它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。

第二章

13．为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，在设计中，常提出低摩擦、无间隙、低惯量、高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比等要求。

为达到以上要求，主要从以下几方面来实施：

（1）低摩擦采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件，如采用滚珠丝杠副、滚动导向支承、动（静）压导向支承等。

（2）短传动链缩短传动链，提高传动与支承刚度，如用预紧的方法提高滚珠丝杠副和滚动导轨副的传动和支承刚度。

（3）最佳传动比选用最佳传动比，以达到提高系统分辨率、减少等效到执行元件输出轴上的等效传动转动惯量，尽可能提高加速能力。

（4）反向死区误差小缩小反向死区误差（所谓死区误差，是指启动或反向时，系统的输入运动与输出运动之间的差值），如采取消除传动间隙、减少支承变形的措施。

（5）高刚性改进支承及架体的结构设计以提高刚性、减少振动、降低噪声。

如采用复合材料等来提高刚度和强度，减轻重量、缩小体积使结构紧密化，以确保系统的小型化、轻量化、高速化和高可靠性。

14.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，其主要功能是传递转矩和转速。

其目的是使执行元件与负载之间在转矩和转速方面得到最佳匹配。

15.看书上P24表2.1传动机构及其功能。

16.随着机电一体化技术的发展，要求传动系统不断适应新的技术要求。

具体讲有三个方面

（1）精密化；

（2）高速化；（3）小型、轻量化。

17.丝杠螺母机构主要用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。

18.与滑动丝杠副相比，滚珠丝杠副除上述优点外，还具有轴向刚度高（即通过适当预紧可消除丝杠与螺母之间的轴向间隙）、运动平稳、传动平稳、传动精度高、不易磨损、使用寿命长等优点。

但由于不能自锁，具有传动的可逆性，在用做升降传动机构时，需要采取制动措施。

19.我国生产的滚珠丝杠副的螺纹滚道有单圆弧型和双圆弧型。

（看书上P26.P27.P28，可能会出小题）

20.预紧原因：

滚珠丝杠副在有负载时，滚珠与滚道面接触点处传动精度将产生弹性变形。

换向时，其轴向间隙会引起空回。

这种空回是非连续的，既影响传动精度，又影响系统的稳定性。

单螺母丝杠副的间隙消除间隙相当困难。

常采用以下几种预紧方式：

（1）双螺母螺纹预紧调整式；

（2）双螺母齿差预紧调整式；（3）双螺母垫片调整预紧式；（4）弹簧式自动调整预紧式；（5）单螺母变位导程预紧式和单螺母滚珠过盈预紧式

21．滚珠丝杠副支承方式

（1）单推—单推式；

（2）双推-双推式（3）双推-间支式（4）双推-自由式

22．圆柱齿轮传动间隙调整方法

（1）偏心套调整法

（2）轴向垫片调整法（3）双片薄齿轮错齿调整法

23.导轨副应满足的基本要求：

导向精度高，刚性好，运动轻便平稳，耐磨性好，温度变化影响小以及结构工艺性好等。

24.导向精度是指动导轨按给定方向作直线运动的准确程度。

直线导轨的几何精度

（1）导轨的纵向直线度

（2）导轨的横向直线度（3）两导轨面间的平行度。

25.如何保证导轨的静刚度、动刚度？

导轨的刚度就是抵抗载荷的能力，抵抗恒定载荷的能力称静刚度，抵抗交变载荷的能力称为动刚度。

在恒定载荷作用下，物体变形的大小，表示静刚度的好坏，导轨变形一般有自身、局部和接触三种变形。

自身变形：

为了加强导轨自身刚度，常用增大尺寸和合理布置筋和肋板等办法解决。

局部变形：

导轨局部变形发生在载荷集中的地方，因此必须加强导轨局部刚度。

接触变形：

对于活动接触面，需施加预载荷，提高接触刚度。

（动刚度？

？

？

）

26．爬行现象：

在低速运行时，往往不是做连续的匀速运动而是时走时停。

原因：

摩擦系数随运动速度的变化和传动系统的刚性不足

采取措施：

（1）采用滚动导轨，静压导轨，卸荷导轨，贴塑料层导轨等；

（2）在高速滑动导轨上使用含有极性添加剂的导轨油；（3）用减少结合面，增大结构尺寸，缩短传动链，减少传动副等方法来提高传动系统刚度。

27.常见的导轨截面形状：

三角形，矩形，燕尾形及圆形，每种又分为凸形和凹形两种。

第三章执行元件的选择与设计

28、执行元件的概念：

该元件是处于机电一体化系统的机械系统与微电子控制系统的接点部位的能量转换部件。

功能：

它能在微电子控制系统的控制下，将各种形式的输入能量转换为机械能，

29、根据使用能量的不同，可以将执行元件划分为电动式、液动式和气动式等几种类型

30、表3.1执行元件的优缺点p91

31、对执行元件的基本要求

a、惯量小、动力大b、体积小、重量轻

c、便于维修、安装d、宜于微机控制

32.在机电一体化系统中使用两类电动机，一类为一般的动力用电动机，如（感应式异步电动机和同步电动机等；另一类为控制用电动机，如力矩电动机、脉冲电动机、开关磁阻电动机、变频调速电动机和各种AC/DC电动机等。

33.直流伺服电机及驱动

目前常用晶体管脉宽调理驱动和晶闸管直流调速驱动两种方式

a.脉宽调频直流调速驱动系统原理：

当输入一个直流控制电压U时就可得到一定宽度与U成正比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。

b.调速原理：

设开关S周期性的闭合、断开，闭和开的周期是T，在一个周期内，闭合的时间是t，开断的时间是T-t，若外加电源电压U为常数，则电源加到电动机电枢上的电压波形将是一个方波列，高度为U宽度为t，一个周期内电压的平均值为：

Ua=t/T*U

当T不变时，只要连续的改变t就可连续的使U0由0变化到U,从而达到连续改变电动机转速的目的

c、正反转原理：

为使电动机实现双向调速，多采用桥式电路，电桥由四个大功率晶体管VT1~VT4组成。

在VT1和VT3的基极上加以正脉冲的同时，在VT2和VT4上的基极上加负脉冲，此时VT1和VT3导通，VT2和VT4截止，电流沿路流通，设此为正向，反之则为负向。

34.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。

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。

步进电机具有以下特点：

1）步进电机的工作状态不易受各种干扰因素的影响，只要在它们的大小未引起步进电机产生“丢步”现象之前，就不影响其正常工作；2）步进电机的步距角有误差，转子转过一定步数以后也会出现累积误差，但转子转过一转以后，其累积误差变为“零”，因此不会长期积累；3）控制性能好，在起动、停止、反转时不易“丢步”。

因此，步进电机广泛应用于开环控制的机电一体化系统，使系统简化，并可靠地获得较高的位置精度。

35.按照旋转式步进电机的转子结构可分为：

1）可变磁阻型2）永磁型3）混合型

36.从一相通电换接到另一相通电称为一拍，每一拍转子转动一个步距角。

步距角的大小与通电方式和转子齿数有关，其大小可用下式计算：

α=360/（zm）

Z转子的齿数m运行的拍数

相数

环形分配方式

名称

系数K

3

3

ABCA。

。

。

.ABBCCAAB….

三相单三拍

三相双三拍

1

1

3

AABBBCCCAA…

三相六拍

2

4

ABCDA…

.

ABBCCDDAAB

AABBBCCCDDDAA..

四相单四拍

四相双四拍

四相八拍

1

1

1

37.静态稳定区：

当失调角θ在-π到π的范围内时，若去掉负载转矩T，转子仍能回到初始稳定平衡位置，因此-π-π的区域称步进电机的静态稳定区。

电动机在连续运行状态下，其电磁转矩随控制频率的升高二逐步下降。

p114到p115的仔细看

38.功率放大器

（1）单电压功率放大电流P116图3.21电路工作原理：

①无脉冲时，VT1和VT2均截止，绕组W中无电流；

②有脉冲时，VT1和VT2相继导通，绕组W中电流上升；

③脉冲结束时，VT1截止，然后VT2截止，W与电源断开，W通过R与VD进行能量泄放。

（2）高低压功率放大电路P117图3.22电路工作原理：

①无脉冲时，VT1，VT2，VT3,VT4均截止，W无电流；

②有脉冲时，VT1，VT2,VT4相继导通，TI产生感应电流，VT3导通，Iw迅速上升，VT2稳定导通，感应电流消失，VT3截止；

③脉冲持续时，w由+12V供电，保持刚放大的Iw；

④脉冲结束时,VT1,VT2,VT4相继截止，w上电流下降。

（3）恒流源功率放大电路P118图3.23电路工作原理：

①无脉冲时，VT1导通；

②有脉冲时，VT1截止，VT2，VT3导通，随脉冲持续，Iw逐渐上升；

③脉冲结束时，VT1导通，VT2，VT3截止，R通过R5，VD泄放能量。

（4）斩波恒流功率放大电路P118图3.24电路工作原理：

①无脉冲时，VF2截止，Y输出1，VT导通，w无电流；

②有脉冲时，VF2导通，Y输出0，VT截止，VF1导通，Iw上升，U1上升，当U1>Ur时，CP输出0，Y输出1，Iw下降，CP输出1，Y输出0，Iw上升…….一直循环；

③脉冲结束时，Y输出1，w与电源断开，Iw下降。

2.细分驱动

要实现细分，需要将绕组中的矩形电流波改成阶梯形电流波，即设法使绕组中的电流以若干个等幅等宽度阶梯上升到额定值，并以同样的阶梯从额定值下降为零。

注：

这份复习资料我们要特别感谢魏丽青、吴翠萍同学的积极参与，复习内容还是相当多的，请大家结合书本认真复习。

多多与同学分享。

祝大家考个好成绩。

刘丹

•

1、简述机电一体化系统发展的过程？

其发展受哪些因素影响？

•2、举例说明机电一体化系统的五个子系统及其对应功能

•3、接口在机电一体化系统中的地位

•4、如何理解机电一体化系统的评价指标？

•5、机电一体化系统的三大目的功能？

•6、滚珠丝杠螺母副为何需要轴向预紧？

•7、双螺母螺纹预紧调整式与齿差预紧式有何异同？

•8、何种情况下需要预拉伸安装？

•9、滚珠丝杠副的四种支承方式各适用于什么场合？

•10、齿侧间隙如何产生？

双片薄齿轮错齿调整法的特点？

•11、滑动导轨的四种基本截面形式各有何特点？

•12、什么是爬行现象？

在导轨副的运动中爬行现象会造成什么危害？

防止措施是什么？

•13、什么是执行元件？

机电一体化系统中常用的是哪类执行元件？

为什么？

•14、如何保证执行元件的惯量小，而动力大？

•15、机电一体化系统对控制用电机的基本要求？

16、为什么说步进电机在开环控制中可实现较高的控制精度

注：

大家可参考此题目复习，匡晶同学提供。