资源描述
机电一体化系统设计考试资料1. 机电一体化：在机械的主功能、动力功能、信息与控制功能上引进了电子技术、并将机械 装置与电子设备以以及软件等有机结合而成的系统的总称。2. 工业三大要素：物质、能量和信息3. 机电一体化系统由机械系统、电子信息处理系统、动力系统、传感检测系统、执行元件系 统等五个子系统构成。4. 机电一体化系统设计流程：（1）根据目的功能确定产品规格、性能指标（2）系统功能部 件、功能要素的划分（3）接口的设计（4）综合评价（5）可靠性复查（6）试制与调试5. 机电一体化系统设计的考虑方法：（1）机电互补法：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。（2）结合法：将各组成要素冇机结合为一体构 成专用或通用的功能部件。（3）组合法：将用结合法制成的功能部件、功能模块，像积木那 样组合成各种机电-体化产品。6. 机电一体化设计类型：（1）开发性设计：是没有产品的设计，仅仅是根据抽象的设计原理 和要求，设计出在质量和性能方面满足目的要求的系统。（2）适应性设计：是在总的方案原 理基本保持不变的情况下，对现有产品进行局部更改，或用微电子技术代替原有的机械机构 或为了进行微电子控制对机械结构进行局部适应性设计，以使产品的性能和质量增加某些附 加价值。（3）变异性设计：是在设计方案和功能结构不变的情况下，仅改变现有产品的规格 尺寸使Z适应于量的方面有所变更的要求。7. 机电一体化设计程序：（1）明确设计思想（2）分析综合要求（3）划分功能模块（4）决 定性能参数（5）调研类似产品（6）拟定总体方案（7）方案对比定型（8）编写总体设计论 证书8. 设计准则：在保证目的功能要求与适当寿命的前提下不断降低成本。9. 设计规律：根据设计要求首先确定离散元素间的逻辑关系，然后研究其相互间的物理关系 这样就可根据设计要求和手册确定其结构关系，最终完成全部设计工作。10. 绿色设计：在新产品的开发阶段，就考虑其整个生命周期内对环境的影响，从而减少对 环境的污染、资源的浪费、使用安全和人类健康等所产生的副作用。11. 传动机构的作用：传动机构的主要功能是传递转矩与转速。日的是使执行元件与负载之 间在转矩与转速方面得到最佳匹配。12. 机电一体化对传动机构的基木要求：传动间隙小、精度高、体积小、重量轻、运动平稳、 传递转矩大。13. 谐波齿轮传动具有结构简单、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、效率髙等一系列优点。传动比：14. 导轨的主要作用：支承和限制运动部件按给定的运动要求和规定的运动方向运动。导轨 副主要由承导件和运动件两大部分组成。导轨副按其接触面的摩擦性质可分为：滑动导轨、 滚动导轨、流体介质摩擦导轨。按其结构特点可分为：开式导轨和闭式导轨。15. 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好。16. 轴系设计的基本要求：（1）旋转精度（2）刚度（3）抗振性（4）热变形（5）轴上零件 的布置17. 执行元件分为：电气式、液压式和气压式（按使用能量不同分）1&电气式执行元件优点：操作简便；编程容易；能实现定位伺服；响应快、易与CPU相接; 体积小、动力较人；无污染。缺点：瞬时输出功率人；过载差，特别是由于某种原因而卡住 时，会引起烧毁事故，易受外部噪声影响。19. 气压式执行元件优点：气源方便、成本低；无泄露污染；速度快、操作比较简单。缺点： 功率小，体积大，动作不够平稳；不易小型化；远距离传输困难；工作噪声大、难丁伺服。20. 液压式执行元件优点：输岀功率大，速度快，动作平稳，可实现定位伺服；易与CPU相 接；响应快。缺点：设备难于小型化；液压源或液压油要求严格；易泄露且冇污染。共69 页第 2页21机电一体化对执行元件的基本要求：（1）惯量小、动力大（2）体积小、重量轻（3）便于维修、安装（4）宜于微机控制22步进电机的特点：（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”。23步进电机的种类：可变磁组型、永磁型、混合型（旋转式步进电机的分类）24步进电机的工作原理：步进电机定子有六个均匀分布的磁极，每两个相対磁极组成一相， 即有A-A B-B C-C三相，磁极上绕有励磁绕组。假定转子具有均匀分布的四个齿，当A、B、C三个磁极的绕组依次通电时，则A、B、C三对磁极依次产生磁场吸引转子转动。25步进电机步距角：a =360 / （zm） z转子齿数，m运行拍数，通常等于相数或相数整数倍，即m二KN （N为电动机的相数,单拍时K二1,双拍时K二2）26步进电机功放电路：单电压功率放大电路、高低压功率放大电路、恒流源功率放大电路、 斩波恒流功率放大电路、调频调压功放电路。27脉宽调制直流调速驱动系统（PWM）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成比例的脉冲方波来给伺服电动机电枢回路供电，通过改变脉冲宽度来改变电枢 冋路的平均电压，从而得到不同大小的电压值，使直流电动机平滑调速。2&交流电机矢量控制：就是要同时控制电动机输入电流II的幅值和相位q,以得到交流电 动机的最佳控制。29从控制的角度出发，微机应能满足具有较完善的中断系统、足够的存储容量、完善的输入/输出通道和实时时钟等要求。（从不同的被控制对象角度而言，还应考虑几个特殊要求： 字长、速度、指令。）30微型计算机的基本特点：小型化、超小型化，具有一般计算机的信息处理、计测、控制 和记忆功能，价格低廉，且可靠性高、耗电少。选用要点：不同领域可选用不同品种、不同 档次的微机。4位机常用于较简单、规模较小的系统，16位和32位机及64位机主要用于较共69 页第 3页复杂的大系统，8位机则用于中等规模的系统。单片机应用范围广，不但用于简单小系统, 而且不断被复杂大系统所应用。31单片机具有：功能全、体积小、功耗低、价格便宜等优点。32机电一体化对检测传感器的基本要求：（1）体积小、重量轻、对整机的适应性好；（2）精度和灵敏度高、响应快、稳定性好、信噪比高；（3）安全可靠、寿命长；（4）便于与计算机连接；（5）不易受被测对象的影响，也不影响外部环境；（6）对环境条件适应能力强；（7） 现场处理简单、操作性能好；（8）价格便宜。33稳态设计包括：使系统的输出运动参数达到技术要求、执行元件的参数选择、功率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。34动态设计包括：设计校正补偿装置，使系统满足动态技术指标要求；通常要进行计算机 仿真，或借助计算机进行辅助设计。35.机电一体化伺服系统的稳态设计就是要从两头入手，即首先从系统应具有的输出能力及36工业机器人一般由机械系统、驱动系统、控制系统、检测传感系统和人工智能系统等组 成。37工业机器人的主要技术参数：握取重量、运动速度、自由度、定位精度、程序编制与存 储容量。38自由度：确定工业机器人的末端执行器在运动空间的位置和姿态的、独立的变化参数就 是工业机器人的自由度。一般具有4、6个自由度即满足使用要求。39工业机器人按坐标形式分为：直角坐标型、圆柱坐标型、极坐标型、SCARA型、多关节 型。41、绘制由光电编码器等组成的工作台闭环伺服系统框图。42、有一脉冲电源，通过环形分配器将脉冲分配给三相六拍通电的步进电机励磁绕组，测得 步进电机的转速为100r/min,已知转子有24个齿，求：（1）、步进电机的步距角（2）、脉冲电源的频率43、如图所示的机电传动系统，减速机构为两级减速箱，已知齿轮齿数之比为Z2/Z1二3,Z4/Z3二5,减速机构的效率为口二0.92,各齿轮的转动惯量为J1 =29. 4Nm2,J2 =78. 4Nm2J3 =49Nm2,J4 =196Nm2,电动机转动惯量Jm二294Nm2,负载惯量JL =450. 8Nm2负载转矩T2二470Nm ,试求：（1）、折算到电机轴上的负载转矩（2）、折算到电机的转动惯量。1. 机电一体化技术的内涵是微电子技术和 机械技术 渗透过程中形成的一个新概念。2. 机电一体化系统（产品）是机械和微电子技术的有机结合。3. 工业三大要素是物质、能量、信息；机电一体化工程研究所追求的三大目标是：省能源、 省资源、智能化。4. 机电一体化研究的核心技术是接口问题。5. 机电一体化系统（产品）构成的五大部分（或子系统）是：机械系统、电子信息处理系 统、动力系统、传感检测系统、执行元件系统。6. 机电一体化接口按输入/输出功能分类机械接口、物理接口、信息接口、环境接口7. 机电一体化系统（产品）按设计类型分为：开放性设计、适应性设计、变异性设计。8. 机电一体化系统（产品）按机电融合程度分为：机电互补法、机电结合（融合）法、机 电组合法。9. 机电一体化技术是在机械的主功能、动力功能、信息功能、控制功能基础上引入 微电 子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机地结合所构成系统的总称。10机电一体化系统实现三大功能应具有的两大重要特征（转换作用方式）：以能源转换为主 和以信息转换为主11. 丝杠螺母机构的基本传动形式有：螺母固定丝杆转动并移动、丝杆转动螺母移动、螺 母转动丝杆移动、丝杆固定螺母转动并移动四种形式。12滚珠丝杠副按螺纹滚道截面形状分为单圆呱和双圆弧两类；按滚珠的循环方式分为内循 环和外循环两类。13滚珠丝杠副轴向间隙调整与预紧的基本方法有：双螺母螺纹预紧调整、双螺母齿差预紧 调整、双螺母垫片调整预紧、弹簧自动调整预紧四种方式。14滚珠丝杠副常选择的支承方式有：单推一单推式、双推一双推式、双推一简支式、双推 一自由式。15. 机电一休化系统（产品）常用齿轮传动形式冇定轴轮系、行星轮系和谐波轮系三种形式。16. 在机电一体化系统机械传动中，常用的传动比分配原则有：重量最轻原则、转动惯量最 小原则、传动精度最优原则等。17. 常用导轨副的截面形式有：三角形导轨、矩形导轨、燕尾形导轨、圆形导轨四种形式。18导轨刚度主要指：结构刚度、接触刚度和局部刚度。19. 机电一体化系统（产品）中，常可选择的执行元件：电磁式、液压式、气压式和其他形 式的执行元件。20. 电动机的工作特性分为恒转矩工作和恒功率工作两个阶段，其转折点的转速和功率分别 称为：额定转速和额定功率；伺服电动机用于调速控制时，应该工作在恒转矩阶段。21. 步进电机按转子结构形式可分为：反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机 三种。22. 步进电机的工作方式有：单拍工作方式和倍拍工作方式。23. 步进电机的开环控制精度主要由步进电机的结构形式和工作方式决定的；为了进一步提共69 页第 7页高步进电机的控制精度，可以采用细分电路来提高控制精度。24. 依据步进电机的工作原理，步进电机的驱动控制电路主要由：方向控制电路、环形分配 电路、驱动放大电路等组成。25. 机电一体化系统中，常用的微型计算机类型有：单片机控制系统、 单板机控制系统、 工业微型计算机控制系统三种。26. 提高机电一体化控制系统工作可靠性的措施主要有：隔离技术、屏蔽技术和滤波技术27. 常用传感器主要分为模拟信号检测传感器、数字信号检测传感器、开关信号检测传感 器三种形式。28. 机电有机结合分析设计方法主要有稳态设计方法和动态设计方法两种29. 在机电一体化系统稳态设计的负载分析中，常见的典型负载形式有：惯载、内力负载、弹性负载、摩擦负载等。30. 在进行机械系统负载和转动惯量的等效中，遵循的基本原则是能量守简述题1. 机电一体化技术（或产品）的定义。在机械的主功能，动力功能，信息功能，控制功能基础上引入微电子技术，电子装置用相关软件有机的结合所构成的系统的总称。2. 机电一体化系统或产品设计的目的是什么？主要目的：增加机械系统或产品的附加值和自动化程度。3. 机电一体化系统（产品）的主要构成单元或组成部分有哪些？机械系统，电子信息处理系统，动力系统，传感系统，执行控制系统4. 简述机电一体化系统或产品的机电结合（融合）设计方法。机电结合设计方法是将个组成要素有机的结合为一体而构成专用或通用的之间机电参数的有机匹配比较充分5. 简述机电一体化系统（产品）的机电组合设计方法，特点是什么？。5、简述机电一体化系统（产品）的机电组合设计方法，特点是什么？。共69 页第 7页机电一体化系统的机电组合设计方法是将用结合法制成的功能部件，功能模块，像积木那样 组合成各种机电一体化系统，特点是可以缩短设计与研制周期，节约工装设备费用，且有利 于生产管理，使用和维修。6. 机械传动系统在机电一体化系统（产品）中的基本功能和作用是什么？机械传动系统在机电一体化系统中的基本功能是传递力/转矩和速度/转速。实质上是一种转矩，转速变换器。作用是使执行原件与负载之间在转矩和转速方面达到合理的匹配7. 简答机电一体化机械传动的主要功能，目的，基本要求。功能：传递力/转矩和速度/转速0的：使执行元件与负载之间在转矩和转速方面达到合理的匹配。基本要求：转动间隙小，精度高，体积小，重量轻，运动平稳，传动转矩大。8. 机电一体化系统（产品）的机械部分与一般机械系统相比，应具备哪些特殊要求？1 较高的定位精度。2良好的动态响应特性一响应快，稳定性好，收敛时间合理。3o无间隙, 低摩擦，低惯量，大刚度。4O高的消振频率，合理的阻尼比9. 简述滚珠丝杠传动装置的组成，结构和应用特点。滚珠丝杠传动装置的组成由带螺旋槽的丝杆，螺母，滚动元件，回珠装置组成。结构：丝杆轻动时，带动滚珠螺纹滚道滚动，为阻止滚珠从滚道端面掉出，在螺母的螺旋槽两端没冇滚珠冋程引导装置构成滚珠的循环返冋通道，从而形成滚珠滚动的闭合通路。应用特点：阻尼小，传动效率高，合理的结构设计，适应大刚度传递，可实现无间隙工作， 不能自锁10. 试分析齿轮传动中，定轴传动、行星传动、谐波传动的组成与传动特点。定轴传动由圆柱齿轮传动，圆锥齿轮传动，蜗杆蜗杆传动。特点：结构简单。传递可靠，用几何特性来实现传动。行星传动主要是由传动齿轮，定位齿轮，行星轮和行星架组成。特点。 结构紧凑，可实现传动比更大，几何特性+机构传动原理來实现。谐波传动主要又钢轮，柔 轮，波发生器组成。特点：结构紧凑，体积小，重量轻，充分发挥材料的特性，传动比可大， 也相当可靠，儿何特性+材料弹性变化特性实现传动共69 页第 8页11 滚动导轨副应达到的基本要求。高的导向精度，高的耐磨性，足够的刚度，良好的工艺性12. 导轨的刚度所包含的主要内容有哪些？以及各部分对导轨副的导向精度影响如何？静刚度一抵抗恒定载荷的能力。动刚度一抵抗变变载荷的能力。每一类刚度都包括：结构刚 度，接触刚度，局部刚度13. 机电一体化系统（产品）对执行元件的基木要求是什么？1惯量小，动力大。2体积小，重量轻。3安装方便，便于维护。4易于实现自动化控制14. 机电一体化系统対伺服控制电动机的基本要求1性能密度大。2快速响应性好。3位置控制与速度控制精度高，调速范围大，低速平稳性 好，分辨率高以及振动噪音小。4能适应频繁启动，可靠性高，寿命长。5易于与计算机对 接，实现计算机控制15 常用伺服电动机有哪些工作特点？2个工作区。1恒转矩工作区，2恒功率工作区16. 对于伺服电动机半闭环控制系统而言，控制系统的主要构成有哪些？主要是指令控制器，反馈调节器，功率放大与整形电路，执行元件17. 步进电机驱动控制电路设计的基本要求是什么？提高驱动信号，控制有效，可靠性，整形抗干扰电路18简述机电一体化系统（产品）对检测传感器的基本要求。1体积小，重量轻，适应性好。2精度和灵敏性高，响应快，稳定性好，信噪比高。3安全 可靠，寿命长。4便于与计算机对接。5不易受被检测对象和外部环境的影响。6环境适应 能力强。7现场安装处理简单，操作方便。8价格便宜19.简答通用微机控制系统核心部件，通用微机控制系统的构成与特点。通用微型计算机的核心部件为可编程控制器和工业计算机。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。软件采用通共69 页第 9页用平台软件系统。20简答专用微机控制系统核心部件，专用微机控制系统的构成与特点。核心部件为单片机和单板机构成由专用IC芯片，接口电路，执行元件，传感器相互合理匹配成专用控制器。特点：软件采用专用机器代码或语言，可靠性强，成本低，但适应能力差，用于大批量生产 的机电一体化产品21. 光电隔离电路的组成有哪些？主要作用是什么？主要由光耦合器的光电转换元件输入电路，光源，光敏元件，输出放大电路组成作用：1可将输入输出两部分的供电电源和电路的地线分离。2可进行电平转换，实现要求的电平输出，从而具有初级功率放大作用。3提高对负载的驱动能力22机电一体化系统设计中，驱动电路设计的目的和基本要求是什么？目的：实现指令信号和执行驱动信号之间的有效匹配。要求：信号类型转换，能量放人，质量的保证23. 研究机电一体化系统稳态设计方法的主要冃的是什么？主要目的是使控制被控制对象能完成所需要的机械运动即进行机械系统的运动学，动力学分 析以及计算，保障整个机电一体化系统的整体性能24. 在机电-体化系统的稳态设计中，分析研究机械系统的负载和惯性特征，进行等效负载 和惯原则：能量守恒。目的:为使选择的执行软件与被控对象的固有参数相匹配,将输出轴个部 分的惯量和负载转换到执行元件的输出端，以便确定执行元件。25. 机电一体化系统的动态设计的目的是什么？机电一体化动态设计的冃的；在稳态设计的基础上，保证系统的动态稳定性，过度过程的品 质，动态稳定精度，动态响应特性指标参数。26. 机电一体化系统的动态设计研究的主要性能指标参数有哪些？主要有：响应时间，超调量，稳态误差，收敛时间。振荡次数，过度时间的位置误差。（动共69 页第 10页态误差和稳态误差等) 三、分析论述题1. 简述如图2所示死杠螺母传动机构的特点。P24A：结构简单，传动精度高。螺母支撑丝杆可消除轴向蹿动，刚性较差。B：结构紧凑，丝杆刚性较高，要限制螺母移动，需导向装置。C：结构复杂，占用空间较大，传动时间需限制螺母移动和丝杆转动。D：结构简单，紧凑，丝杆刚性较高，但使用不方便，使用较少。2. 试分析单圆弧轨道和双圆弧轨道的结构特点(设计、制造、使用与维护)P25单圆弧滚道：结构简单，传递精度由加工质量保证，轴向间隙小，无轴向间隙调整和预紧 能力，加工困难，加工精度要求高，成本高，一般在轻载条件下工作。双圆弧滚道：结构简单，存在轴向间隙，加工质量易于保证，在使用双螺母结构的条件下， 具有轴向间隙调整和预紧能力，传递精度高。图1丝杠螺母传动机构的基本传动形式10. 在机电一体化系统动态设计中，叙述所增加PID调节器内各坏节的调节特点，试分析控 制系统中增加PID调节器的主要作用是什么？答：比例(P)调节：调节作用的大小主要取决于增益KP(比例系数)的大小。KP越大，作用 越强，但是存在调节误差，且KP太大会引起系统不稳定。积分调节：可以减少或消除 误差，但积分调节器响应较慢。比例一积分调(PI)节：既客服了单纯比例调节有调节误差 的缺点，又避免了积分环节响应慢的弱点，既能改善系统的稳定性能，又能改善其动态性能。 比例一积分一微分(PID)调节：主要作用：不但能改善系统的稳定性能也能改善其动态性能，但是，由于它含有微分作用，在噪声比较大或要求响应快的系统中不宜采用；PID调节器能使闭环系统更加稳定，其共69 页第 11页动态性能也比用PI调节器时更好。机电一体化系统习题答案第一章思考与练习题一一.名词解释1. 机电一体化机电一体化是以机械学、电子学和信息科学为主的多门技术学科在机电产品发展过程中相互交叉、相互渗透而形成的一门新 兴边缘性技术学科。二.简答题1. 机电一体化系统的组成部分主要分为哪儿种？答：机电一体化系统主要分为：机械本体、动力部分、测试传感部分、执行机构、控制性处理单元以及接口等部分组成。2. 接口技术的作用？答：是系统中各单元和坏节之间进行物质、能量和信息交换的连接界面，是外设和数控装置之间的桥梁。其功能为：变换、放大和传递。第二章思考题1一. 名词解释1. 误差：是对某一特定的物理量进行度量时，所测得数值与真值得差值。2. 准确度：通常用来反映系统的测量值与真值的近似程度，反映了系统误差的大小； 精密度：是从随机误差的角度来反映系统的测量值与真值的近似程度；精确度则是系统误差和随机误差的综合反映。3. 传动精度：是指机械传动链单向传动时，其输入端与输出端瞬时传动比的实际值与理论值之差。4. 装配精度：是是指不同零件或不见按照特定要求组装成具有一定功能的综合精度，包括零件或不见的相对位置精度、运 动精度、接触精度。5. 机床加工精度：是一项综合型精度指标，即指机床在加工工件时所能达到的精确度。6. 机床定位精度：是指机床或仪器主耍部件在运动终点所能达到的实际位置的精度。（是一个具有综合性质的精度指标，其定位形式大致可分为手动定位、自动间歇定位和连续定位三种形式。）二. 简答题1. 机械系统在机电一体化屮的作用？答：机械系统在机电一体化中起着传递功率、支撑、连接、执行的功能。2. 机床精度与机床加工精度有什么不同？（判断）答：二者的概念Z间有一定的区别，机床加工精度是指在加工吋体现出来的精度，与机床设备本身使用的时间年限、加工时的切削力、环境温度等都有关系，而机床精度所描述的是机床的原始精度，不考虑上述这些情况。4. 什么是六点定位原理？答：任何一个物体在三维空间中，相对三个互相垂直的坐标系OXYZ来说，都有六个自由度，即沿X、Y、Z三个坐标轴的移动，以、G表示，及绕着X、Y、Z轴的转动，用5、y 9表示，如图所示。如果说某物体在某一方向上的 自由度被限制住了，实际上是说该物体在该方向上有了一个确定的位置。当物体的六个自由度完全被限制住时.该物体在坐 标系中的位置也就完全被确定了，也就是我们所说的六点定位原理。5. 机械系统的组成部分主要有哪些？答：一般由减速装置、丝杠螺母副、蜗轮蜗杆副等各种线性传动部件以及连杆机构、凸轮机构等非线性传动部件、导向 支承部件、旋转支承部件、轴系及架体等机构组成。6. 举例说明，为什么有些零件在加工是不需耍六点定位？答：由六点定位原理可知，一个零件在机床上实现完全定位需要限定六个自由度。但是在一些特定环境下，没有必要去 限定六个自由度。例如，在铳床上铳削轴类零件的键槽时，绕轴线旋转方向的自由度就没有必要限定，因为从端面上来看, 所得到的圆是关于过轴线的任意一个平面对称的。思考与练习题2二简答题1. 常见的机械传动主要有什么？机械传动的作用？主要有带传动、链传动、蜗轮蜗杆传动、齿轮传动、轮系减速器及机械无极变速传动、连杆传动、凸轮传动、棘轮传 动、槽轮传动和不完全齿轮传动等等。作用：某种传动机构既可以实现运动形式的变换，也可以实现运动速度的变化，同时还可以实现动力的传动。2. 简述传动比的分配原则？答：(1)重量最轻原则输出轴转角谋差最小原则(3) 等效传动惯量最小原则3. 举例说明各类支承的结构特点？(判断)答:(1).圆柱支撑优点：具有较大的接触衣面，承受载荷较大；缺点：方向精度和置中精度较差，且摩擦阻力矩较大。(2) .圆锥支撑优点：承载能力较强，方向精度和置中精度较高；缺点：摩擦阻力矩也较大，置中精度必恻柱支撑好；缺点：对温度变化比较敏感，制造成本较高。(3) .填入式滚动支撑结构特点：没有内圈和外圈，仅在相对运动的零件上加工出滚道面，用标准滚珠散装在滚道内。主要有三种形式。(4) .球面支撑(5) .顶针支撑4. 机械机构的工艺性主要包括那些内容？答：机械结构的工艺性包括毛坯铸造的工艺性、焊接零件的结构工艺性、零部件的装配工艺性、零部件的机械加工工 艺性等几方面内容。5. 在机械系统中设计选择构件时，为什么要考虑动平衡问题？答：如果回转件动件的结构不对称、制造不准确或材质不均匀，都会使整个回转件在转动时产生离心力系的不平衡，使 离心力系的合力和合力偶矩不等于零。产生的离心力为F = mnv 2,它的方向随着回转件的转动而发生周期性的变化，并在轴承中引起一种附加的动力，使整个机械产生周期性的振动。振动容易引起机械工作精度和可靠性降低，零件材料的疲 劳损坏等。思考与练习题3一. 名词解释1. 轴系零部件：轴、轴承、联轴器和离合器及轴上的转动零件组合起来成一个系统，常称为轴系零部件。4. 导轨：导向支承部件的作用是支承和限制运动部件按给定的运动耍求和规定的运动方向运动。这样的部件通常被称为导轨 副，简称导轨。二. 简单题1. 轴的功能及分类？轴是机械屮的重要零件，功能：支承转动零件，并传递运动和动力。分类：(1) 三点支承方式，前后及中间三处均有轴承支承，并且前后的轴承皆为双列短圆柱滚子轴承。特点为结构简单，刚度较高， 极限转速较高，承载能力强。(2) 浮动支承方式，只传递转矩而不支承弯矩或受弯矩较小，两支点并不固定。(3) 定轴心的两支点传动轴，不近承受转矩，而且还承受弯矩和轴向力。4. 零件在轴上固定时，什么吋候采用轴肩固定、什么时候采用套筒固定？为了使零件端面与轴肩能很好地贴合，轴上圆角半径r应比轴上零件孔端的圆角半径R或倒角高度C稍微小些时用轴 肩固定。当轴上两个零件相距不人时，常采用套筒作轴向固定。作用：能承受较大的轴向力，克服应力集中。5. 导轨副的种类？按导轨副运动导轨的轨迹分类(1)直线运动导轨副.(2)滚动运动导轨副6. 对导轨副的基本要求？机电一体化系统对导轨的基本要求是导向精度高、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。弟二早思考与练习题1一.名词解释1传感器：是将被测量(包括各种物理量、化学量和生物量等)变换成系统可识别的、与被测量有确定对应关系的右用电信号 的一种装置。2. 感应同步器：感应同步器是一种电磁位置检测元件，感应同步器是利用电磁感应原理把两个平面绕组间的位移量转换成电 信号的一种位移传感器。3. 感应同步器的鉴相方式：是通过检测感应电压的相位来测量位移(判断)4. 感应同步器的鉴幅方式：是通过检测感应电压的幅值来测量位移(判断)思考与练习题2一.名词解释1. 光栅:是在透明的玻璃板上，均匀地刻出许多明暗相间的条纹，或在金属镜面上均匀地划出许多间隔相等的条纹，通常线条的间隙和宽度是相等的。/ 2.莫尔条纹：如果把两块栅距“相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之间有较小的夹角0时，这时光栅上会出现若就是莫尔条纹。它们沿着与光栅条纹几乎垂直的方向排列.*六十进制十进制二进制丁条明暗相间的间隔相等的粗大条纹，道线光肌分类：pt量光栅Y 光栅J圆光栅Y物理光栅1. 简述光栅莫尔条纹的特点(1) 用平行光束照射时，莫尔条纹由亮带到暗带，再由暗带到亮带,透过的光强度为正弦分布.(2) .起位移放大作用漠尔条纹的位移与光栅的移动成比例。(4) .起平均谋差的作用思考与练习题31. 什么是码盘式编码器？码盘式编码器也称为绝对编码器，它将角度转换为数字编码，能方便地与数字系统(如微机)联接。码盘式编码器按其结构可分为接触式、光电式和电磁式三种，后两种为非接触式编码器。5. 检测电路主要包括哪个部分？磁栅检测电路包括：磁头励磁电路、读取信号的放大、滤波及辨向电路，细分内插电路，显示及控制电路等各个部分。思考与练习题5一.名词解释1.霍尔效应金属或半导体薄片置于磁场屮，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍 尔效应。3. 热电效应将两种不同成分的导体组成一个闭合冋路，如图3.36所示，当闭合冋路的两个接点分别置于不同的温度场中，冋路中 产生一个方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关的电动势，这种效应称为“热电效应S图3.36热电偶的组成共69 页第 20页二.简答题1.简述直流测速发电机的工作原理。直流测速发电机的工作原理与普通直流发电机相同。图3.20所示为电磁式直流测速发电机的工作原理图。图3.20直流测速发电机的工作原理在恒定磁场中，旋转的电枢组切割磁通，并产生感应电动势，由电刷两端引出的电枢电压为:空载运行时，电枢电流厶=0,直流测速发电机的输出电压就等于电枢感应电动势，B|j：输出电压与转速成正比。负载运行时，电枢电流/ H0,若不计电枢反应的影响，不计电刷接触压降，直流测速发电机的输出电压为: aUU = E - I R = E -R aa aaaRl把式上两式结合，整理后得：C（fnU =-=CnR1 + R.在理想情况下，系数c中的参数均为常数，因而从式中可以看出测速发电机的输出电压与转速严格成正比。2. 简述霍尔转速传感器的工作原理。假设薄片为N型半导体，磁感应强度为B的磁场方向垂直于薄片，加图3.21所示，在薄片左右两端通以电流/（称为 控制电流），那么半导体中的载流子（电子）将沿着与电流/相反的方向运动。由丁外磁场B的作用，使电子受到磁场力仇（洛 仑兹力）而发牛偏转，结果在半导体的后端面上电子有所积累，而前端面缺少电子，因此后端面带负电，前端而带正电，在 前后端面间形成电场。该电场产生的电场力丘阻止电子继续偏转。当几与尽相等时，电子积累达到动态平衡。这时，在 半导体前后两端面之间（即垂直于电流和磁场方向）建立电场，称为霍尔电场陥，相应的电势称为霍尔电势5。图3.21霍尔原理效应图由实验可知，霍尔电势的大小与激励电流/和磁场的磁感应强度成正比，与半导体薄片厚度d成反比，即IB4. 机电一体化系统中常用的检测坏节有哪几类？主要可以测量什么？根据被检测物理量特性的不同，检测环节可分为：(1) 运动学检测系统：主要完成对位移、速度、加速度和振动的检测；(2) 力学参数检测系统：主要完成对拉力、压力、弯曲力矩和应力的检测；(3) 其他物理量检测系统：可对温度检测、湿度检测、酸碱度检测、声音检测和图像检测系统等。第四章思考与练习题一. 名词解释滤波：所谓滤波，就是从所测量的信号中除去不需要的信号。二. 简单题2. 控制系统中常用的输入装置有哪些？常用的输入装置是键盘.各种开关和接口电路等。3. 共阳极和共阴极的LED有何不同之处？答:LED数码管显示器共阴极的接法是发光二极管的阴极接地，当数码管的笔划发光二极管的阳极为高电平吋，该笔划被 点亮。共阳极的接法是发光二极管的阳极接高电平，当数码管的笔划发光二极管的阴极为低电平时，该笔划被点亮。总Z, 主要区别在于LED数码管的接法和驱动笔划的数据电平的不同。4. 控制系统主耍有哪些部分组成？机电一体化的控制系统一般由数控装置、输入、输出装置、接口、功率放大电路等几部分组成。5. 控制系统中的信息显示主要的方法是什么？方法分为：(1) 用CRT显示信息，利用计算机操作系统和有关语言丁具提供的显示功能调用或命令语句实现信息的显示。(2) 用数码管显示，用专用的显示电路和专用的显示程序。6矩阵式键盘工作原理？矩阵式键盘由一组行线(力)与一组列线(冯交叉构成，按键位于交叉点上，为对各个键进行区别，可以按一定规律分 别为各个键命名键号。将列线通过上拉电阻接至+5V电源，当无键按下时，行线与列线断开，列线呈高电平。当键盘上某键按下时，则该键对 应的行线与列线被短路。第五章思考与练习题2二简答题1.步进电机的调速包括哪几个方而的控制？如何控制？1)步进电机速度控制控制步进电机的运行速度，实际上就是控制系统发出步进脉冲的频率或者换相的周期。系统可用两种办法來确立步进脉冲的周期：一种是软件延时：通过延时子程序的方法來实现的，它占有CPU时间。另一种是用定时器方法：是通过设置定时时间常数的方法来实现的。2)步进电机的加减速控制一般用微机控制系统的加减速，控制吋需准备下列数据：加减速的斜率；加速过程的总步数；恒速运行总步数;共69 页第 17页减速运行的总步数。2. 简述三相单三拍或者三相双三拍工作原理（任选其一）。（一）以三相单三拍为例：当A相绕组通人直流电流心时，由于磁力线力图通过磁阻最小的路径，转子将受到磁阻转矩的作用而转动。当转子转 到其轴线与A相绕组轴线相重合的位置时，磁阻转矩为零，转子停留在该位置，如图5.8a所示。如果A相绕组不断电，转子将一直停留在这个平衡位置，称为“自锁二要使转子继续转动，可以将A相绕组断电，而 使B相绕组通电。这样转子就会顺时针旋转30。，到其轴线与B相绕组轴线相重合的位置，如图5.8b所示。继续改变通电状态，即使B相绕组断电，C相绕组通电，转子将继续顺时针旋转30。，如图5.8c所示。如果三相定子绕组按照A-C-B顺序通电，则转子将按逆时针方向旋转。上述定子绕组的通电状态每切换一次称为“一 拍，其特点是每次只有一相绕组通电。每通入一个脉冲信号，转子转过一-个角度，这个角度称为步距角。每经过三拍完成 次通电循环，所以称为“三相单三拍”通电方式。（二）以三相双三拍为例：m I 快妍弗軸焜酸（三三帕、三相双三拍运行方式的通电顺序是AB-BC-CA-ABo由于每拍都有两相绕组同时通电、如A、B两相通电时，转子齿极 1、3受到定子磁极A、X的吸引、而2、4受到B、Y的吸引，转子在两者吸力相平衡的位置停止转动，如图la所示。下一 拍B、C相通电时，转子将顺时针转过30。，达到新的平衡位置，如图lb所示。再下一拍C、A相通电时，转子将再顺时针 转过30。，达到新的平衡位置，如图lc所尔。可见这种运行方式的步距角也是30。3.步进电机的驱动控制是如何来实现的？ 包括哪几部分？答：步进电机的驱动是通过弱电驱动强电来实现的。其中步进电机的弱电部分实现了频率、数量和方向的变化，主要包括脉冲混合电路、加减脉冲分配电路、加减速电路和 环形分配器四个部分。思考与练习题3 一名词解释2. 脉宽调制：所谓脉宽调制，就是使功率晶体管工作于开关状态，开关频率恒定，用改变开关导通时间的方法来调整 晶休管的输出。使电机两端得到宽度随时间变化的电压脉冲。当开关在单周期内的导通吋间随时间发生连续地变化吋，电机共69 页第 18页电枢得到的电压的平均值也随时间连续地发生变化，而由于内部的续流电路和电枢电感的滤波作用，电枢上的电流则连续地 改变，从而达到调节电机转速的目的。思考与练习题4一. 填空题1. 变频调速的主要环节是为电机提供频率可变电源的（变频器），主要分为（交一交变频）和（交一直一交）变频两种。2. 交流伺服电机主要分为冰磁同步伺服电机）和（笼型异步伺服电机）两类。3. 液压控制系统主要由（动力元件）、（执行元件）、（控制元件）以及（辅助元件）四个部分组成。4. 气动回路的基本控制方式一般有（电气一气动控制方式）、（全气动控制方式）和（机械操作方式）三种。二. 简答题3. 试述液压传动与气动传动的异同点。相同点：（1）组成部分都是有动力元件、执行元件、控制元件和辅助元件组成；工作原理相似，工作原理都是先将机械能转换为便丁输送的液（气）压能，后又将液（气）压能转换为机械能做功， 以实现某种控制。不同点：（1）匸作介质不同，液压传动的介质是液压油，而气压传动的T作介质是压缩空气。（2）气压传动与液压传动比较其元件结构简单，系统中不必有回气管，不污染环境；气动系统在恶劣工作环境屮， 安全可靠性优丁液压系统。（3）气压传动与液压传动比较工作压力较低，输出功率较小，因此气信号传递的速度慢，不宜用于高速传递的回路 中。气压传动的压缩控制，容易使载荷变化使动作稳定性比液压介质差。（4）另外气压传动排气噪声大，在系统屮需加消声器。4. 什么是液压传动？液压传动控制本质上是一种能量转换装置，它先将机械能转换为便于输送的液压能，后又将液压能转换为机械能做功， 以实现某种控制冃的。7.试述什么是SPWM调制SPWM调制是用脉冲宽度不等的一系列矩形脉冲去逼近一个所需要的电压信号；它是利用三角波电压与正弦参考电压 相比较，以确定各分段矩形脉冲的宽度。图5.24为三角波调制法原理。它利用三角波与参考电压正弦波相比较，以确定各段矩形脉冲的宽度。在电压比较器A 的两输入端分別输入正弦波参考电压R和频率与幅值固定不变的三角波电压如，在A的输出端便得到PWM调制电压脉冲。PWM脉冲宽度确定可由图5.24（b）看出。当垃0/r时，A输出端为高电平，而血刁压时，A输出端为低电平。你与叫的 交点之间的距离随正弦波的大小而变化.而交点之间的距离决定了比较器A输出脉冲的宽度，因而可以得到幅值相等而宽 度不等的脉冲调制信号知。图5 24三角波调制法原理第7章 工业机器人技术、名词解释1、机器人：机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能操作机，这种操作机具有几个轴，能够借助可编程操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务。 2、兀余自由度：当机器人的自由度数大于六个，且有任意六个关节线性无关吋，我们称这样的机器人为冗余自由度机 器人。 二、简答题 1、按照信息输入形式机器人主要分为哪几类？ 答：主要有：操纵机器人（2）程序机器人（3）示教再现机器人（4）计算机控制工业机器人（5）智能机器人。 2、按坐标分类机器人主要分为哪几类？ 答：主要有（1）直角坐标型（2）圆柱坐标型（3）球坐标型（4）全关节型 3、机器人的机械部分主要由哪儿部分组成？ 答：机器人的机械部分是由机座、腰部、大臂、小臂、腕部、夹持器构成。 4、工业机器人的结构组成？ 答：工业机器人是由机座、手臂、手腕、手指等几部分组成的，这几部分构成了机器人的整个结构部分。 5、机器人手腕的腕冋转关节的组合运动形式？答：主要有俯仰、偏摆、横滚。 6、机器人末端夹持器主要分为哪几类？ 答：夹钳式取料手（2）吸附式取料手（3）专用操作器及转换器（4）仿生多指灵巧手。 7、简述机器人手臂的运动形式？ 答：主要有：直线运动，例如手臂的伸缩、升降及横向（或纵向）移动；有回转运动的，例如手臂的左右回转，上下摆动; 有复合运动的，如直线和回转运动的组合，两直线运动的组合，两回转运动的组合。第一章1- 1试说明较为人们所接受的机电一体化的含义。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。1- 2机4电一休化的目的是什么？ P2机电一体化的目的是提高系统（产品）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。1- 3机电一体化时代的特征是什么？ P2机电有机结合1- 4何谓机电一体化技术革命？ P2将微型计算机等微电子技术用于机械并给机械以“智能”的技术革新潮流可成“机电一 体化技术革命”。1-7机电一体化系统由哪些基本要素组成？分别实现哪些功能？ P9机电一体化系统（产品）要素功能控制器（计算机等）控制（信息储存、处理、传送）检测传感器计测（信息收集与变换）执行元件驱动（操作）动力源提供动力（能量）机构构造1-8工业三大要素指的什么？ P12 物质、能量和信息1-9机电一体化的三大效果是什么？ P12 省能、省资源、智能化1-11机电一体化系统（产品）的主要评价内容是什么？P111-13根据不同的接口功能说明接口的种类。P10根据接口的交换、调整功能分为：零接口无源接口有源接口智能接口根据接口的输入/输出功能分为：机械接口物理接口信息接口环境接口 1-14机电一体化工程与系统工程有何异同？P16系统工程机电一体化丁程产生年代20世纪50年代（美国）20世纪70年代（日本）对象大系统小系统机器基本思想系统概念机电一体化概念（系统及接口概念）技术方法利用软件进行优化、仿真、 鉴定、检查等硬件的超精密定位、超精密加工、优化设计、 微机控制及仿真等信息处理系统大型计算机微型计算机实例阿波罗计划 银行在线系统 日本新干线 航天飞机、人造卫星等CNC机床 ROBOT （机器人）VTR （录像机）、DVD 照相机、摄像机等共同点应用计算机，具有实用性、综合性、复合性1-15说明机电一体化系统设计的设计思想方法。P19计算机辅助设计 虚拟产品设计快速响应设计绿色设计反求设计网络合作设计1-16什么是机电互补法、融合法、组合法？P12机电互补法：又称取代法，该方法的特点是利用通用或专用电子部件取代传统机械产品 （系统）中的复杂机械功能部件或功能子系统。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匹配比较充分。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 合成各个机电一体化系统（产品），故称组合法。1-17开发性设计、变异性设计、适应性设计有何异同？P13开发性设计：它是没有参照产品的设计，仅仅是根据抽象的设计原理和要求，设计出在 质量和性能方面满足目的要求的产品（系统）。变异性设计：它是在设计方案和功能结构不变的情况下，仅改变现有产品的规格尺寸使 之适应于量的方面有所变更的需求。适应性设计：它是在总的设计方案、原理基本保持不变的情况下，对现有产品进行局部 更改，或用微电子技术代替原有的机械结构或为了进行微电子控制对机械结构进行局部适应 性设计9以使产品在性能和质量上增加某些附加价值。1-19现代设计方法与传统设计方法相比较有何突出特点？ P19现代设计方法与用经验公式、图表和手册为设计依据的传统设计方法不同，它是以计算 机为辅助手段进行机电一体化系统设计的有效方法。其设计步骤通常是：技术预测-市场需求 -信息分析-科学类比-系统设计-创新性设计-因吋制宜的选择各种具体的现代设计方法-机电 一体化系统设计质量综合评价等。1-20简述计算机辅助设计与并行工程、虚拟设计、快速响应设计、绿色设计、反求设计等 的含义。 pi9计算机辅助设计：是设计机电一体化船票（系统）的有力工具。用来设计一般机械产品 的CAD的研究成果，包括计算机硬件和软件，以及图像仪和绘图仪等外围设备，都可以用于 机电一体化产品的设计，需要补充的不过是有关机电一体化系统设计和制造的数据、计算方 法和特殊表达的形式而已。并行工程：是把产品（系统）的设计、制造及其相关过程作为一个有机整体进行综合（并 行）协调的一种工作模式。虚拟产品设计：是虚拟环境中的产品模型，是现实世界中的产品在虚拟环境中的映像。快速响应设计：是实现快速响应工程的重要一环。是企业面对瞬息万变的市场环境，不 断迅速开发适应市场需求的新系统（产品），以保证企业在激烈竞争环境中立于不败之地的重 要工程。绿色设计：是从并行工程思想发展而出现的一个新概念。就是在新系统（产品）的开发 阶段，就考虑其整个生命周期内对环境的影响，从而减少对环境的污染、资源的浪费、使用 安全和人类健康等所产生的副作用。反求设计：反求设计思想属于反向推理、逆向思维体系。网络合作设计：是现代设计最前沿的一种方法。其核心是利用网络工具来汇集设计知识、 资源以及知识获取的方法进行设计。第二章2- 1设计机械传动部件时，为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，常提出哪些要求？P23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。2- 2机电一体化系统传动机构的作用是什么？P24传递转矩和转速2- 3机电一体化系统（产品）对传动机构的基本要求是什么？ P24对工作机中的传动机构，既要求能实现运动的变换，又要求能实现动力的变换；对信息 机中的传动机构，则主要要求具有运动的变换功能，只需要克服惯性力（力矩）和各种摩擦 阻力（力矩）及较小的负载即可。2- 4简述丝杠螺母机构的分类及其特点。P25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。这些 传动机构既有以传递能量为主的（如螺旋压力机、千斤顶等），也有以传递运动为主的（如工 作台的进给丝杠），还有调整零件之间相对位置的（如螺旋传动机构）。2-6丝杠螺母副的组成要素有哪些？ P26滚珠丝杠副构成原理：1 反向器；2-螺母；3丝杠；4.滚珠。2-7滚珠丝杠副的传动特点？ P26轴向刚度高、运动平稳、传动精度高、不易磨损、使用寿命长等特点。2-9滚珠丝杠副消除轴向间隙的调整预紧方法有哪些？ P321、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2-13简述滚珠丝杠副的支承方式及特点？ P341单推一单推式：轴向刚度较高，预拉伸安装时，预紧力较大，但轴承寿命比双推一双 工弋彳氐O2双推一双推式：该方式适合于高刚度，高转速，高精度的精密丝杠传动系统。3双推一简支式：双推端可预拉伸安装，预紧力小，轴承寿命较高，适用于屮速、传动 精度较高的长丝杠传动系统。4双推一自由式：轴向刚度和承载能力低，多用于轻载、低速的垂直安装的丝杠传动系统。2-15齿轮传动部件的作用有哪些？ P38 传递转矩、改变转速、改变转向2-16各
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