機電一體化題庫

1、填空題、簡答題1、簡述機電一體化的定義和機電一體化系統(tǒng)的基本組成要素。機電一體化乃是在機械的主功能、動力功能、信息功能和控制功能上引進微電子技術(shù)，并將機械裝置用相關(guān)軟件有機結(jié)合而構(gòu)成系統(tǒng)的總稱。 基本組成要素：控制器、檢測傳感器、執(zhí)行元件、動力源、機構(gòu)2、何為機電一體化系統(tǒng)的“可靠性”？ 可靠性是指系統(tǒng)（產(chǎn)品）在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的動力。3、試述機電一體化設(shè)計中控制用微機的種類及其特點。 1、較完善的適時中斷系統(tǒng)：實時控制能力，緊急處理能力。2、足夠的存儲容量：有效地保證微機系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件、數(shù)據(jù)處理工作的正常運行3、完善的輸入/輸出通道：邏輯、數(shù)字、模擬通道，以及輸入/輸

2、出通道接口數(shù)。4、實時時鐘控制：作為控制系統(tǒng)實現(xiàn)控制功能的基準(zhǔn)。 除此之外，還有一些特殊要求：字長、運行速度、指令、成本、編程難易、 輸入/輸出接口擴展能力等。4、光電隔離電路的主要作用有哪些方面？ 1、可將輸入與輸出兩部分電路的地線分開，各自使用一套電源供電 2、可以進行電平轉(zhuǎn)換 3、提高驅(qū)動能力5、機電一體化系統(tǒng)中主要的干擾源有哪些？有哪些抗干擾的措施？ 干擾源：供電干擾、強電干擾、接地干擾、輻射干擾措施：1、供電系統(tǒng)的抗干擾措施主要是穩(wěn)（穩(wěn)壓）、濾（濾波）、隔（隔離）2、接口電路的抗干擾措施是采取吸收的方法抑制其產(chǎn)生，然后采取隔離的方法，阻斷其傳導(dǎo)3、接地系統(tǒng)的抗干擾措施的主要方法是切斷

3、接地環(huán)路，例如單點接地、并連接地、光電隔離。6、試比較開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)的優(yōu)缺點。開環(huán)結(jié)構(gòu)簡單，造價低，維護較容易；半閉環(huán)結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便，加工精度高；閉環(huán)系統(tǒng)加工精度高，速度快，技術(shù)要求高，制造成本也高。7、機電一體化系統(tǒng)的設(shè)計方法通常有哪幾種？大致有哪幾種設(shè)計類型？設(shè)計方法：相似設(shè)計法、模擬設(shè)計法、有限元設(shè)計法、可靠性設(shè)計法、動態(tài)分析設(shè)計法、優(yōu)化設(shè)計法等。 設(shè)計類型：開發(fā)性設(shè)計、適應(yīng)性設(shè)計、變異性設(shè)計。8、機電一體化系統(tǒng)對檢測傳感器的基本要求是什么？1、體積小、重量輕、對整機的適應(yīng)性好2、精度和靈敏度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、信噪比高3、安全可靠、壽命長4、便于與計算機連接5、不易受

4、被測對象的影響，也不影響外部環(huán)境6、對環(huán)境條件適應(yīng)能力強7、現(xiàn)場處理簡單、操作性能好8、價格低廉9、試述提高軟件設(shè)計可靠性的措施有哪些？1、 增加系統(tǒng)信息管理的軟件，與硬件配合，對信息進行保護2、利用軟件冗余，防止信息的輸入/輸出過程及傳送過程中出錯，如對關(guān)鍵數(shù)據(jù)采用重復(fù)校驗方式,對信息采用重復(fù)傳送并進行校驗等3、編制診斷程序，進行發(fā)現(xiàn)故障，找出故障的部位，以便縮短修理的時間4、用軟件進行系統(tǒng)調(diào)度，這包括在發(fā)生故障時，進行現(xiàn)場保護、迅速將故障裝置切斷成備用裝置；在過負(fù)載或環(huán)境條件變化時，采取應(yīng)急措施；在排除故障后，使系統(tǒng)迅速恢復(fù)正常并投入運行等。10、舉例說明單片機、工控機、PLC在機電一體化

5、系統(tǒng)中的應(yīng)用。11、機電一體化系統(tǒng)的“失效”與“故障”有何異同？ 同：是一種破壞系統(tǒng)（產(chǎn)品）工作能力的事件，它們越頻繁可靠性就越低。異：產(chǎn)品不能完成規(guī)定功能稱為失效；對于可修復(fù)的系統(tǒng)（產(chǎn)品）稱為故障。12、保證機電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）可靠性的方法有哪些？ 提高系統(tǒng)（產(chǎn)品）的設(shè)計和制造質(zhì)量；冗余技術(shù)；診斷技術(shù)。13、機電一體化系統(tǒng)設(shè)計時的穩(wěn)態(tài)設(shè)計和動態(tài)設(shè)計各包含哪些內(nèi)容？ A)穩(wěn)態(tài)設(shè)計包括使系統(tǒng)的輸出運動參數(shù)達(dá)到技術(shù)要求、執(zhí)行元件（如電動機）的參數(shù)選擇、功率（或轉(zhuǎn)矩）的匹配及過載能力的驗算、各主要元部件的選擇與控制電路設(shè)計、信號的有效傳遞、各級增益的分配、各級之間阻抗的匹配和抗干擾措施等，并為后面

6、動態(tài)設(shè)計中的校正補償裝置的引入留有余地。B)動態(tài)設(shè)計主要是設(shè)計校正補償裝置，是系統(tǒng)滿足動態(tài)技術(shù)指標(biāo)要求，通常 要進行計算機仿真，或借助計算機進行進行輔助設(shè)計。14、為保證機電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）的安全性，舉例說明在設(shè)計中應(yīng)采取哪些措施？ 以工業(yè)機器人為例，安全措施有：1、設(shè)置安全柵2、安裝警示燈3、安裝監(jiān)視器4、安裝防越程裝置5、安裝緊急停止裝置6、低速示教15、機電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行元件有哪些？對其的基本要求是什么？執(zhí)行元件：電動式執(zhí)行元件、液動式執(zhí)行元件、氣動式執(zhí)行元件基本要求：1、慣量小、動力大2、體積小、重量輕3、便于維修、安裝4、易于微機控制。16、機電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）設(shè)計中各級傳動

7、比的分配原則是什么？1、重量最輕原則2、輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則3、等效轉(zhuǎn)動慣量最小原則。17、簡述輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則的含義是什么？為了提高機電一體化系統(tǒng)齒輪傳動系統(tǒng)的精度，各級傳動比應(yīng)按先小后大的原則分配，以便降低齒輪的加工誤差、安裝誤差以及回轉(zhuǎn)誤差對輸出轉(zhuǎn)角精度的影響。18、軸系設(shè)計的基本要求有哪些？旋轉(zhuǎn)精度、剛度、抗震性、熱變形、軸上零件的布置。19、什么是機電互補法、結(jié)合法、組合法？機電互補法：又稱取代法。該方法的特點是利用通用和專用電子部件取代傳統(tǒng)機械產(chǎn)品（系統(tǒng)）中的復(fù)雜機械功能部件或功能子系統(tǒng)，以彌補其不足。結(jié)合法：是將各組要素有機結(jié)合為一體構(gòu)成構(gòu)成專用或通用的功能部件（子系統(tǒng)）

8、，其要素之間機電參數(shù)的有機匹配比較充分。組合法：是將結(jié)合法制成的專用或通用功能部件（子系統(tǒng)）、功能模塊，像積木那樣組合成各種機電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）。21、機電一體化系統(tǒng)的接口功能有有哪兩種？一種變換、調(diào)整；另一種是輸入/輸出22、機電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）的主要評價內(nèi)容有哪些？高性能化、低價格化、高可靠性化、智能化、省能化、輕薄短小化、高附加價值化。23、說明機電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）的設(shè)計步驟。1、根據(jù)目的功能確定產(chǎn)品規(guī)格、性能指標(biāo)2、系統(tǒng)功能部件、功能要素的劃分3、接口的設(shè)計4、綜合評價5、可靠性復(fù)查6、試制與調(diào)試。20、開發(fā)性設(shè)計、變異性設(shè)計、適應(yīng)性設(shè)計有何異同？同：都是為了獲得用來構(gòu)成事物（產(chǎn)

9、品或系統(tǒng)）的有用信息。異：a)開發(fā)性設(shè)計：是沒有參照產(chǎn)品的設(shè)計，僅僅是根據(jù)抽象的設(shè)計原理和要求，設(shè)計出在質(zhì)量和性能方面滿足目的的要求的產(chǎn)品（系統(tǒng)）。b)適應(yīng)性設(shè)計：是在總的設(shè)計方案、原理基本保持不變的情況下，對現(xiàn)有產(chǎn)品進行局部更改，或用微電子技術(shù)代替原有的機械結(jié)構(gòu)或為了進行微電子控制對機械結(jié)構(gòu)進行局部適應(yīng)性設(shè)計，以使產(chǎn)品在性能和質(zhì)量上增加某些附加價值。c)變異性設(shè)計：是在設(shè)計方案和功能結(jié)構(gòu)不變的情況下，僅改變現(xiàn)有產(chǎn)品的規(guī)格尺寸使之適應(yīng)于量的方面有所變更的需求。24、機電一體化系統(tǒng)由哪些子系統(tǒng)所組成？分別實現(xiàn)哪些功能？機械系統(tǒng)：構(gòu)造功能；信息處理系統(tǒng)：控制功能；動力系統(tǒng)：動力功能；傳感檢測系統(tǒng)：

10、計測功能；執(zhí)行元件系統(tǒng)：操作功能。25、傳感器的選用原則及注意事項。1、傳感器的選用原則：主要是依據(jù)傳感器的使用要求和被控制對象的控制精度要求選擇適用的傳感器。2、傳感器選用的注意事項：在確保主要性能參數(shù)和指標(biāo)的條件下，適當(dāng)可放寬次要的性能指標(biāo)和指標(biāo)要求，以便獲得較高的性能價格比。注意：不能盲目的追求傳感器各種性能指標(biāo)均高的傳感器選擇方法或原則。分析題1、 選擇滾珠絲杠副支承方式 A)、單推-單推式支承，特點：兩端止推軸承可使?jié)L珠絲桿產(chǎn)生預(yù)拉伸力，提高了絲桿安裝剛度，預(yù)拉力越大，軸承壽命降低，低于雙推-雙推式支承。B）、雙推-筒支式支承，特點：滾珠絲桿一端固定并產(chǎn)生一定預(yù)拉伸力，另一端筒支可適

11、當(dāng)?shù)奶岣呓z桿安裝剛度，絲桿無熱變形應(yīng)力，適用于中速，傳動精度較高的長絲桿傳動系統(tǒng)。C)、雙推-雙推式支承，特點：兩端止推軸承可使?jié)L珠絲桿產(chǎn)生較大的預(yù)拉伸力，絲桿安裝剛度最高，預(yù)拉力隨溫度變化而變化，兩端軸承預(yù)緊力不均。適用于高剛度，高轉(zhuǎn)速，高精度的精密絲桿傳動系統(tǒng)。D)、雙推-自由式支承，特點：一端固定，另一端自由，絲桿剛度較差，承載能力低，常用于輕載，低速，垂直安裝的絲桿傳動。2、 直流（DC)伺服電動機的驅(qū)動要實現(xiàn)對直流電動機的速度和方向進行調(diào)節(jié)控制，通?？捎脙煞N驅(qū)動控制方式：晶體管直流脈寬調(diào)制驅(qū)動，晶閘管直流脈寬調(diào)速驅(qū)動。 A)、脈寬調(diào)速驅(qū)動(PWM)工作原理：當(dāng)輸入一個直流控制電壓U時

12、就可得到一定寬度與U成比例的脈沖方波給伺服電機電樞回路供電，通過改變脈沖寬度來改變電樞回路的平均電壓，從而得到不同大小的電壓值Ua，使直流電動機平滑調(diào)速。設(shè)開關(guān)S周期性地閉合、斷開，閉和開的周期是T。在一個周期T內(nèi)，閉合的時間是，開斷的時間是T，若外加電源電壓U為常數(shù)，則電源加在電動機電樞上的電壓波形將是一個方波列，其高度為U，寬度為，則一個周期內(nèi)電壓的平均值為Ua=1/ToUdt=/TU=U,式中-導(dǎo)通率。又稱占空系數(shù)，=/T。 B)、直流電動機的方向控制為使電動機實現(xiàn)雙向調(diào)速，多采用橋式電路，其工作原理與線性放大橋式電路相似。電橋由四個大功率晶體管VT1VT4組成。如果在VT1和VT3的基

13、極上加以正脈沖的同時，在VT2和VT4的基極上加負(fù)脈沖，這時VT1和VT3導(dǎo)通，VT2和VT4截止，電流沿+90VcVT1dMbVT3a0V的路徑流通，設(shè)此時電動機的轉(zhuǎn)向為正向。反之，如果在晶體管VT1和VT3的基極上加負(fù)脈沖，在VT2和VT4的基極上加正脈沖，則VT2和VT4導(dǎo)通，VT1和VT3截止，電流沿+90VcVT2bMdVT4a0V的路徑流通，電流的方向與前一情況相反，電動機反向旋轉(zhuǎn)，顯然，如果改變加在VT1和VT3、VT2和VT4這兩組管子基極上控制脈沖的正負(fù)和導(dǎo)通率，就可以改變電動機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。3、 交流（AC）伺服電動機及其驅(qū)動矢量控制原理：交流電動機的等效電路如圖3.7a所

14、示，圖中r1、X1 為定子繞組的電阻和漏抗；r2 、X2為歸算過的轉(zhuǎn)子繞組的電阻和漏抗；rm代表與定子鐵心相對應(yīng)的等效電阻；Xm為主磁通相對應(yīng)的鐵心電路的電抗；s為轉(zhuǎn)差率，其電流矢量圖如圖，為了簡化控制電路，在忽略r1、X1、r2、rm時，上述等效電路圖可簡化成圖，電流矢量如圖。從電流矢量可知：I1=（I2m+I22）1/2 ，而Im（勵磁電流）可以認(rèn)為在整個負(fù)載范圍內(nèi)保持不變，而電磁轉(zhuǎn)矩正比于I2。當(dāng)要求轉(zhuǎn)矩加大為原來的兩倍時，則要求I2也為原來的兩倍。為此，只需將輸入電流從I1變成I1即可。由此可知，矢量控制就是要同時控制電動機輸入電流I1的幅值和相位，以得到交流電動機的最佳控制。4、 步

15、進電動機與驅(qū)動工作原理： 步進電機又稱脈沖電動機。它是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移的執(zhí)行元件。其軸收入一個電脈沖就轉(zhuǎn)動一步，即每當(dāng)電動機繞組接受一個電脈沖，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個相應(yīng)的步距角。轉(zhuǎn)子角位移的大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的電脈沖數(shù)及其頻率成正比，并在時間上與輸入脈沖同步，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量、頻率以及電動機繞組通電相序即可獲得所需的轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，很容易用微機實現(xiàn)數(shù)字控制。5.步進電機的運行特性與性能指標(biāo)1.分辨力在一個點脈沖作用下（即一拍），電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移，即步距角越小，分辨力越高，最常用的步距角有0.6/1.2,0.75/1.5,0.9/1.8,1/21.5/3等。2.靜態(tài)特性步

16、進電機的靜態(tài)特性是指它在穩(wěn)定狀態(tài)時的特性，包括靜轉(zhuǎn)矩，矩-角特性及靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)。矩-角特性：在空載狀態(tài)下，給步進電機某相通以直流電流時，轉(zhuǎn)子齒的中心線與定子齒的中心線相重合，轉(zhuǎn)子上沒有轉(zhuǎn)矩輸出，此時不斷位置為轉(zhuǎn)子初始穩(wěn)定平衡位置。如果在電動機轉(zhuǎn)子軸上加一負(fù)載轉(zhuǎn)矩 ，則轉(zhuǎn)子齒的中心線與定子齒的中心線將錯過宇哥電角度 c使能重新穩(wěn)定下來。此時轉(zhuǎn)子上的電磁轉(zhuǎn)矩Tj與負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL相等；該Tj為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩， 為失調(diào)角。當(dāng)c=90時，其靜態(tài)轉(zhuǎn)矩為最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax。Tj與c之間的關(guān)系大致為一條正弦曲線，該曲線稱矩-角特性曲線。靜態(tài)轉(zhuǎn)矩越大，自鎖力矩越大，靜態(tài)誤差就越小。一般用品說明書中標(biāo)示的最大靜轉(zhuǎn)矩就是指

17、在額定電流和通電方式下的Tjmax。當(dāng)失調(diào)角在-到的范圍內(nèi)時，若去掉負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL，轉(zhuǎn)子仍能回到初始穩(wěn)定平衡位置，因此-c的區(qū)域稱為步進電機的穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定區(qū)。6、步進電機的驅(qū)動與控制 步進電機的運行特性與配套使用的驅(qū)動電源（驅(qū)動器）有密切關(guān)系。驅(qū)動電源由脈沖分配器，功率放大器等組成。驅(qū)動電源是將變頻信號源（微機或數(shù)控裝置）送來的脈沖信號及方向信號按要求的配電方式自動地循環(huán)供給給電動機各相繞組，以驅(qū)動電動機轉(zhuǎn)子正反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)。變頻信號源是可提供從幾赫茲到幾萬赫茲的頻率信號連續(xù)可調(diào)的脈沖信號發(fā)生器，因此，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量及頻率就可精確控制步進電機的轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速。7、步進電機的微機控制 主要分為：串行控

18、制和并行控制 步進電機的加減速控制原則：步進電機的加減速控制：對于點-位控制系統(tǒng)，從起點至終點的運行速度都有一定要求。如果要求運行頻率（速度）小于系統(tǒng)的極限起動頻率，則系統(tǒng)可以按要求的頻率（速度）直接起動，運行至終點后可立即停發(fā)脈沖串而令其停止。系統(tǒng)在這樣的運行方式下其速度可認(rèn)為是恒定的，但在一般情況下，系統(tǒng)的極限起動頻率是比較低的，而要求的的運行速度往往較高。如果系統(tǒng)以要求的速度直接起動，因為該頻率已超過極限起動頻率而不能正常起動，可能發(fā)生丟步或根本不能起動的狀況。系統(tǒng)運行起來后，如果到達(dá)終點時突然停發(fā)脈沖串，令其立即停止，則因為系統(tǒng)的慣性作用，會發(fā)生沖過終點的現(xiàn)象，使點-位控制精度發(fā)生偏差

19、。因此在點-位控制過程中，運行速度都需要有一個加速-恒速-減速-（低恒速）-停止的過程，如圖，系統(tǒng)在工作過程中要求加減速過程時間盡量短，而恒速時間盡量長。特別是在要求快速響應(yīng)的工作中，從起點至終點運行的時間要求最短，這就必須要求升速、減速的過程最短，而恒速時的速度最高。8、步進電機閉環(huán)制原理 步進電機的閉環(huán)控制也有不同的方案，主要有核步法，延遲時間法，用位置傳感器的閉環(huán)控制系統(tǒng)等。采用電脈沖編碼器作為位置檢測元件的閉環(huán)控制原理框圖如圖3.35.其中編碼器的分?jǐn)?shù)力必須與步進電機的不距角相匹配。該系統(tǒng)不同于通?？刂萍夹g(shù)中的閉環(huán)控制，步進電機由微機發(fā)出的一個初始脈沖起動，后續(xù)控制脈沖由編碼器產(chǎn)生。編

20、碼器直接反應(yīng)切換角這一條數(shù)。然而編碼器相當(dāng)于電動機的位移式固定的，因此發(fā)出相切換的信號也是一定的，只能是一種固定的切換角數(shù)值。采用時間延遲的方法可獲得不同的切換角，從而可使電動機產(chǎn)生不同的平均轉(zhuǎn)矩，得到不同的轉(zhuǎn)速。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，為了擴大切換角的范圍，有時還要插入或消去切換角。通常在加速時要插入脈沖，而在減速時要刪除脈沖，從而實現(xiàn)電動機的加減速控制。在固定切換角的情況下，如負(fù)載增加，則電動機轉(zhuǎn)速將下降，要實現(xiàn)勻速控制可利用編碼測出電動機的實際轉(zhuǎn)速（編碼器兩次發(fā)出脈沖信號的時間間隔），從而作為反饋信號不斷地調(diào)切換角，從而補償由負(fù)載所引起的轉(zhuǎn)速變化。9、專用、通用微型計算機的選擇1） 專用控制系統(tǒng)