《机电一体化技术》课程读书笔记资料

第一章 绪论1机电一体化包括哪六大共性关键技术（相关技术）？p1答：机电一体化包括六大共性关键技术：（ 1）精密机械技术，（ 2）伺服传动技术，（ 3）检测传感技术，（ 4）信息处理技术，（ 5）自动控制技术，（ 6）系统总体技术2一个较完善的机电一体化系统，应具有哪六个基本功能要素？p2答：机电一体化系统应具有以下六个基本功能要素：（1）机械本体，（ 2）动力部分，（ 3）传感检测部分，（ 4）执行机构，（ 5）驱动部分，（ 6）控制及信息处理、各要素和环节之间相联系的接口。3何谓机电一体化系统中的接口？接口的作用和基本功能是什么？p3答：机电一体化系统中的接口，是机电一体化系统中各子系统之间进行物质、能量和信息传递与交换的联系部件。接口的作用使各要素或子系统联接成为一个有机整体， 使各个功能环节有目的地协调一致运动，从而形成机电一体化的系统工程。接口的基本功能主要有三个：一是交换 ，通过接口完成使各要素或子系统之间信号模式或能量的统一；二是 放大，在两个信号强度相差悬殊的环节间，经接口放大，达到能量的匹配；三是 传递 ，变换和放大后的信号在环节间可靠、快速、精确地交换，必须遵循协 调一致的时序、信号格式和逻辑规范。接口具有保证信息传递的逻辑控制功能，使信息按规定模式进行传递。4简述执行部分的功能和分类。 P3 答：执行机构的功能是根据控制信息和指令完成所要求的动作。执行部分是运动部件，一般采用机械、电磁、电液等机构。它将输入的各种形式的能量转换为机械能。5何谓机械本体？ P2 答：机械本体包括机械传动装置和机械结构装置。其主要功能是使构造系统的各子系统、零部件按照一定的空间和时间关系安置在一定位置上。6何谓动力部分？ p2 答：部分动力部分的功能是按照机电一体化技术系统的控制要求，为系统提供能量和动力以保证系统正常运行。7何谓传感检测部分？ p2 答：传感检测部分的功能是对系统运行过程中所需要的本身和外界环境和各种参数及状态进行检测，并转换成可识别信号，传输到信息处理单元，经过分析、处理后产生 相应的控制信息。8机电一体化技术方向？ p8答： 1）在原有机械系统的基础上采用微型计算机控制装置，使系统的性能提高，功能增强。2）用电子装置局部替代机械传动装置和机械控制装置，以简化结构，增强控制灵活性。 3）用电子装置完全替代原来执行信息处理功能的机构，既简化了结构，又极大地丰富了信息传输的内容，提高了速度。4）用电子装置替代机械的主要功能，形成特殊的加工能力。 5）机电技术完全融合形成新型机电一体化产品。第二章 机械传动与支承技术9简述机电一体化系统中机械系统的作用以及设计时的注意事项。P9答：机械系统是机电一体化系统的最基本要素，主要用于执行机构、传动机构和支承部件，以完成规定的动作；传递功率、运动和信息；支承联接相关部件等。机械系统 通常是微型计算机控制伺服传动系统的有机组成部分，因此，在机械系统设计时，除考虑一般的机械设计要求外，还必须考虑机械结构因素与整个伺服传动系统的性能参 数、电气参数的匹配，以获得良好的伺服性能。10简述机电一体化对机械传动的要求。 P20答：机械的主要功能是完成机械运动。一部机器必须完成相互协调的若干机械运动，每个机械运动可由单独的控制电动机、传动件和执行机械组成的若干子系统珲完成， 若干个机械运动则由计算机来协调与控制。这就要求设计机械时的总体而已、机械选型和结构造型更加合理和多样化。11机械传动系统的特性是什么？ p21答：为满足机电一体化机械系统的良好伺服性能，要求机械传动部件满足转动已经惯量小、摩擦小、阻尼合理、刚度大、抗振动性能好、间隙小的要求，还要求机械部分 的动态特性与电动机速度环的动态特性相匹配。12简述两运动物体间的三类摩擦力的特点。 P24答：两物体接触面间的摩擦力在应用上可简化为 粘性摩擦力、库仑摩擦力（即动摩擦力）和静摩擦力三类 ，方向均与运动方向（或有运动趋势方向）相反。粘性摩擦力大 小与两物体相对运动速度成正比。库仑摩擦力是接触面对运动物体的阻力，大小为一常数；静摩擦力是有相对运动趋势但仍处于静止状态时摩擦面间的摩擦力，其最大值 发生在相对运动开始前的一瞬间，运动开始后，静摩擦力即消失。13机电一体化系统对机械传动部件的摩擦特性的要求是什么？p24答：静摩擦力尽可能小，动摩擦力应为尽可能小的正斜率，若为负斜率则易产生爬行，降低精度，减少寿命。答：由力学知识可知，刚度为使弹性体产生单位变形量所需的作用力。机械系统的刚度包括构件产生各种基本变形时的刚度和两接触面的接触刚度两类。静态力和变形之 比为静刚度；动态力（交变力、冲击力）和变形之比为动刚度。15齿轮传动齿侧间隙的消除方法有哪两种？p2627答： 1）刚性消隙法 刚性消隙法是在严格控制齿轮齿厚和齿距误差的条件下进行的，调整后，齿侧间隙不能自动补偿，但能提高传动精度；2）柔性消隙法 柔性消隙法指调整后齿侧间隙可以自动补偿，采用这种消隙方法时，对齿轮齿厚和齿距的精度要求可适当降低，但对传动平稳性有负面影响，且传动刚度低，结构也较复杂。16机电一体化系统中常用的丝杠螺母是什么结构？间隙的调整方法是什么？p29答：丝杠螺母传动系统的轴向间隙为丝杠静止时螺母沿轴向的位移量。机电一体化系统中常用滚珠丝杠螺母传动，其间隙的调整既要考虑轴向间隙又要考虑滚珠与滚道的 接触弹性变形。丝杠螺母传动系统的调隙一般采用双螺母。17在齿轮传动中，如何选择系统的总传动比？p30答：在齿轮传动系统中，通常采用负载角加速度最大原则选择总传动比，以提高整个系统的响应速度。 18齿轮传动链的级数和各级传动比的分配原则是什么？p30答：齿轮副级数的确定和各级传动比的分配，按以下三种不同原则进行： （1）最小等效转动惯量原则1）小功率传动装置各级传动比分配的结果应遵循“前小后大”的原则。2）大功率传动装置各级传动比分配的结果仍应遵循“前小后大”的原则。2）质量最小原则1）小功率传动装置按“质量最小”原则来确定传动比时，其各级传动比相等。2）大功率传动装置按“质量最小原则”确定的各级传动比是逐级递减的，即“前大后小”。（3）输出轴的转角误差最小原则要使总转角误差最小，从输入端到输出端的各级传动比按“前小后大”原则排列p3219如何综合考虑齿轮系各级传动比的分配三种原则的使用？答：1）对于以提高传动精度和回程误差为主的降速齿轮传动链，可按输出轴转角误差最小的原则设计。若为增速传动链，则应在开始几级就增速；2）对于要求运转平稳、启停频繁和动态性能好的降速传动链，可按最小等效转动惯量原则和输出轴转角误差最小的原则进行设计。对于负载变化的齿轮传动装置，各级传动比最好采用不可约的比数，避免同时啮合；3）对于要求质量尽可能轻/小的降速传动链，可按质量最轻 /小原则设计；4）对于传动比很大的齿轮传动链，可把定轴轮系和行星轮系结合使用。20.根据右图简述滚珠花键传动结构特征。P3233答：花键轴的外圆上均布 3条凸起轨道，配有6条负载滚珠列，相对应有 6条退出滚珠列。轨道横截面为近似滚珠的凹圆形，以减小接触应力。承受载荷转矩时，3条负载滚珠列自动定心。反转时，另 3条负载滚珠列自动定心。这种结构使切向间隙（角冲量）减小，必要时还可用一个花键螺母按放置方向施加预紧力后再锁紧，故刚度高、 定位准确。外筒上开键槽，以备联接其他传动件。保持架使滚珠互不摩擦，且拆卸时不会脱落。用橡胶密封垫防尘，以提高使用寿命，通过油孔润滑以减少磨损。外筒与花键轴之间，既可以轴带筒或以筒带轴作回转运动，又可以作灵活、轻便的相对直线运动，所以，滚珠花键既是一种传动装置，又是一种直线运动支承。21 机电一体化系统对支承部件的要求是什么？p36答：支承部件是机电一体化系统中的重要部件，它不仅要支承、固定和联接系统中的其它零部件，还要保证这些零部件之间的相互位置要求和相对运动的精度要求，而且 还是伺服系统的组成部分。机电一体化系统对支承部件的主要要求是：精度高、刚度大、热变形小、抗振性好、可靠性高，并且具有良好的摩擦特性和结构工艺性第二章检测技术22 何谓传感器？ p41答：传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息，并按一定规律将它转换成另一种信息的装置。它获取的作息，可以是各种物理量、化学量和生物量，而且转换后的信 息形式也是不尽相同。23.何谓传感器的基本特性？p42 答：传感器的基本特性即是传感器的输入输出特性，由于输入信息的状态不同，传感器所表现的基本特性也不同，存在所谓的静态特性和动态特性。24衡量传感器的静态特性的重要指标有哪些？p42答：线性度、灵敏度、迟滞性和重复性。25何谓位移测量传感器？ p44答：位移测量传感器是直线位移和角位移测量的总称。常用的直线位移测量传感器包括：电感传感器、差动传感器、电容传感器、感应同步器、光栅传感器等26何谓光栅？ p47答：光栅是一种新型的位移检测元件，它的特点是测量精度高（可达土1 口 m）、响应速度快和量程范围大等。光栅由标尺光栅和指示光栅组成，两者的光刻密度相同,但体长相差很多。光栅条纹密度一签为每毫米25、50、100、250 条等。27位置传感器有哪两种？试简单叙述。P51答：位置传感器分接触式和接近式两种。接触式传感器就是能获取两个物体是否已接触的信息的一种传感器；接近式传感器是用来判别在某一范围内是否有某一物体的一 种传感器。第四章 伺服传动技术28何谓伺服？ p65答：伺服就是在控制指令的指挥下，控制驱动元件，使机械系统的运动部件按照指令要求进行运动。29伺服系统由哪四大部分构成其基本组成？p65答：一般来说，伺服系统的基本组成可包括控制器、功率放大器、执行机构和检测装置等四大部分。30简述开环控制伺服系统和闭环控制伺服系统的特征。P66答：（ 1）开环伺服系统，结构上较为简单，技术容易掌握，调试、维护方便，工作可靠，成本低。缺点是精度低、抗干扰能力差。一般用于精度、速度要求不高，成本 要求低的机电一体化系统。（2）闭环伺服系统，采用反馈控制原理组成系统，具有精度高、调速范围宽、动态性能好等优点，缺点是系统结构复杂、成本高等。一般用于要求高精度、高速度的机 电一体化系统。31常用的伺服电动机有哪三大类？ p66答：目前常用的伺服电动机有直流伺服电动机、交流伺服电动机、步进电动机三大类。32什么是步进电动机？步进电动机是如何工作的？常用的有哪三种步进电动机？p67答：步进电动机是一种将脉冲信号转换成角位移的执行元件。对这种电动机施加一个电脉冲后，其转轴就转过一个角度，称为一步；脉冲数增加，角位移随之增加；脉冲 频率高，则电动机旋转速度就高，反之则慢；分配脉冲的相序改变后，电动机便反转。这种电动机的运动状态与通常均匀旋转的电动机有一定的差别，是步进形式运动， 故称为步进电动机。32功率放大器由什么组成？ p68答：功率放大器是由开关器件、电感、电容以及保护电路和驱动电路组成。33何谓直流伺服系统？ p72答：采用直流伺服电动机作为执行元件的伺服系统，称为直流伺服系统。34相敏放大器的功能和输出特点是什么？ p74， 75 答：相敏放大器也称为鉴幅器。它的功能是将交流电压转换为与之成正比的直流电压，并使它的极性与输入的交流电压的相位相适应。由于相敏放大器输出的是脉动的直流电压，必须采用滤波器，将其变成平滑的直流电压。35脉宽调制型（PWM）功率放大器的基本原理是什么？p75答：PWM功率放大器的基本原理是：利用大功率器件的开关作用，将直流电压转换成一定频率的方波电压，通过对方波脉冲宽度的控制，改变输出电压的平均值。36 PWM的控制电路由哪些器件组成？p78答： PWM 的控制电路主要包括脉冲调制器，逻辑延时环节和晶体管基极驱动器等。其中最关键的部件是脉冲调制器。37影响伺服系统稳态精度，导致系统产生稳态误差的主要因素有哪3个方面？ p81答：影响伺服系统稳态精度，导致系统产生稳态误差的主要因素有 3 个方面：（ 1）由检测元件引起的检测误差；（ 2）由系统的结构和输入信号引起的原理误差；（3）负载扰动引起的扰动误差。38常用的交流伺服电动机有哪两大类？p86 答：目前常用的交流伺服电动机分为同步型交流伺服电动机和异步型交流伺服电动机两大类。39何谓交流伺服系统？ p86 答：采用交流伺服电动机作为执行元件的伺服系统，称为交流伺服系统。40何谓交流调速过程中的同步调制？ p89答：在改变正弦调制波的频率 f的同时成正比的改变三角载波的频率fc,使载频比N保持不变，则称为同步调制。41何谓异步调制？ p82答：在改变正弦调制波的频率 f的同时，三角载波的频率fc的值保持不变，使载频波比N值不断变化，则称为异步调制。42何谓环形分配器？ p92 答；步进电动机的各绕组必须按一定的顺序通电才能正确工作。这种使电动机绕组的通电顺序按输入脉冲的控制而循环变化的装置称为脉冲分配器,又称为环形分配器。 43简述以步进电动机为驱动装置的伺服系统的组成及其作用。P95答：以步进电动机为驱动装置的伺服系统,包括驱动控制系统和步进电动机两大部分。驱动控制系统的作用是把脉冲源发出的进给脉冲进行重新分配,并把此信号转换为 控制步进电动机各定子绕组依次通、断电的驱动信号,使步进电动机运转。步进电动机的转子通过传动机构（如丝杠）与执行部件联接在一起,将转子的转动转换成执行 部件的移动。44按控制元件的种类和驱动方式分类,有哪两类电液位置控制系统？广泛应用的是哪一类控制系统？其中包括哪两种控制方式？p96答：在电液位置控制系统中,按控制元件的种类和驱动方式分为：节流式控制（阀控式）系统和容积式控制（泵控式）系统两类。目前广泛应用的是阀控系统,它包括阀 控液压缸和阀控液压马达系统两种方式。45何谓电液速度伺服控制系统？ p100 答：若系统的输出量为速度,将此速度反馈到输入端,并与输入量比较,就可以实现对系统的速度控制,这种控制系统称为速度伺服控制系统。第五章 计算机控制技术46计算机控制系统由哪两部分组成？p103104 答；计算机控制系统由硬件和软件两部分组成。（1）硬件组成，计算机控制系统的硬件主要是由主机、外围设备、过程输入与输出设备、人机联系设备和通信设备等组成。（2）软件组成，软件是各种程序的统称，软件分为系统软件和应用软件两大类。47 何谓监督控制系统（SCC ?其任务是什么？ p104105答：监督控制（Supervisory Computer Control）就是根据原始的生产工艺信息及现场检测信息按照描述生产过程的数字模型，计算出生产过程的最优设定值。输入给直接数 字控制系统（DDC系统）或连续控制系统。SCC系统的输出值不直接控制执行机构，而是给出下一级的最佳给定值。因此是较高一级的控制。它的任务是着重于控制规律 的修正与实现，如最优控制、自适应控制等，实际上它是操作指导系统与DDC系统的综合与发展。48. 何谓分布式控制系统（DCS ？ p105答：分布式控制系统 DCS综合了计算机技术、通信技术和控制技术，采用多层分级结构形成，从下而上分为控制级、控制管理级、生产管理级和经营管理级。每级用一台 或多台计算机，级间连接通过数据通信总线。分布式控制系统采用分散控制、集中操作、分级管理和分而自治的原则。其安全可靠性、通用灵活性、最优控制性能和综合 管理能力，开创了计算机控制新方法。49. 何谓接口技术？ p106答：接口技术是研究主机与外围设备交换的技术。50. 常用的接口方式有哪几种？p106答：对于多台计算机同时工作的计算机控制系统，为了便于整体控制及资源共享，各个系统间应当有系统间通道接口，接口有通用和专用之分，外部信息的不同，采用的 接口方式也不同。一般可分为如下几种：（1）人机通道及接口，（ 2）检测通道及接口，（ 3）控制通道及接口，（ 4）系统间通道及接口。51. 接口电路的最重要的功能是什么？常用什么方式传送数据？p106 答：接口电路处于运行速度快的微处理器与运行速度比较慢的外设之间，它的一个重要功能就是能使它们在速率上匹配，正确地传送数据。通常使用的方法有：无条件传 送、查询式传送和中断传送。52. 何谓数 /模（ D/A ）转换器？ p110答： D/A 转换器是指将数字量转换成模拟量的电路。53.何谓模 /数（ A/D ）转换器？ p112 答；A/D转换器是将模拟电压（模拟量）转换成数字量的器件54何谓总线式工业控制机？ p116 答：总线式工业控制机即是依赖于某种标准总线，按工业化标准设计，包括主机在内的各种I/O 接口功能模板而组成的计算机。55单片微计算机由什么集组成？ p118答：单片微计算机是将 CPU RAM、ROM、定时/计数、多功能I/O （并行、串行、A/D）、通信控制器，甚至图形控制器、高级语言、操作系统等都集成在一块大规模集 成电路芯片上。56. STD总线工业控制计算机由什么组成？p121答: STD总线工业控制计算机就是由某种型号 CPU芯片构成的主机板和按要求配置的I/O功能模板共同插在带有总线板的机箱内，再配上相应的电源而组成。第七章 工业机器人57. 工业机器人的定义是什么？p147 答：工业机器人定义为：“一种能自动定位控制、可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机。能搬运材料、零件或操作工具，用以完成各种作业。”58. 工业机器人操作机的定义是什么？p147 答：工业机器人操作机定义为：“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或进行其它操作的机械装置。”59. 工业机器人有哪三个重要特性？p148答：工业机器人具有以下三个重要特性：1）是一种机械装置，可以搬运材料、零件、工具、或者完成多种操作和动作功能，也即具有通用性；2）是可以再编程的，具有多种多样程序流程的，这为人一机联系提供了可能，也使之具有独立的柔软性；3）有一个自动控制系统，可以在无人参与下，自动地完成操作作业和动作功能。60. 试述工业机器人的组成。p148 答：一个较完善的工业机器人，一般由操作机、驱动系统、控制系统及人工智能系统等（四个）部分组成。61.试论工业机器人所需的自由度。 p152 答：确定一个工业机器人操作位置时所需要的独立运动参数的数目称为工业机器人的运动自由度，它是表示工业机器人动作灵活程度的参数。工业机器人的自由度数取决于作业目标所要求的动作。对于只进行二维平面作业的工业机器人只需三个自由度，若要使操作具有随意的位姿，则工业机器人至少需要六个自由度。而对于回避障碍作 业的工业机器人则需要有比六个自由度更多的冗余自由度。62工业机器人操作机常采用什么样的关节形式来实现其自由度？p152答：工业机器人操作机常采用低副式（回转副或移动副）主动关节来实现各个自由度。63研究工业机器人机构运动学的目的是什么？ p159160答：研究工业机器人机构运动学的目的是建立工业机器人各运动构件与手部在空间的位置之间的关系，建立工业机器人手臂运动的数学模型，为控制工业机器人的运动提 供分析的方法和手段，为仿真研究手臂的运动特性和设计控制器实现预定的功能提供依据。64工业机器人力学分析包括什么内容？ p166答：工业机器人力学分析主要包括静力学分析和动力学分析。静力学分析是研究操作机在静态工作条件下，手臂的受力情况；动力学分析是研究操作机各主动关节驱动力 与手臂运动的关系，从而得出工业机器人动力学方程。静力学分析和动力学分析是工业机器人操作机设计、控制器设计和动态仿真的基础。65简述工业机器人控制系统的结构组成及其功能。 p174175， 176177答：（ 1）结构组成：目前大部分工业机器人都采用二级计算机控制，第一级为主控制级，第二级为伺服控制级。（2）各级的功能： 1）主控制级，主控制级的主要功能是建立操作和工业机器人之间的信息通道，传递作业指令和参数、反馈工作状态、完成作业所需的各种计算、建立 与伺服控制级之间的接口。它由以下几个主要部分组成：主控制计算机，主控制软件，外围设备。2）伺服控制级，伺服控制级由一组伺服控制系统组成，每一个伺服控制系统分别驱动操作机的一个关节。关节运动参数来自主控制级的输出。伺服控制级的主要组成部 分有：伺服驱动器，伺服控制器。66试列举出你所知道的机器人所能从事的工作和应用特点。P178183答：（ 1）工业机器人从事单调重复的劳动，（ 2）工业机器人从事危险作业，（ 3）工业机器人具有很强的通用性，（ 4）工业机器人具有独特的柔软性，（ 5）工业机器 人具有高度的动作准确性，（ 6）采用工业机器人可以明显提高生产率和大幅度降低产品成本。