机电一体化系统设计考试复习资料.doc

机电一体化系统设计复习课(仅供参考)
题型一：问答/填空
1.机电一体化的定义，基本组成要素（五个子系统）
答：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，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。
五大功能构成要素：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（元件）
2.机电一体化系统可靠性的定义
答：指系统（产品）在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。“完成规定功能”就是能够连续地保持产品（或系统）的工作能力，使各项技术指标符合规定值。
3.机电一体化系统设计中控制用微机的特点
答：1）较完善的适时中断系统：实时控制能力、紧急处理能力。
2）足够的存储容量：有效地保证微机系统软件、应用软件、数据处理工作的正常运行。
3）完善的输入/输出通道：逻辑、数字、模拟通道，以及输入/输出通道接口数。
4）实时时钟控制：作为控制系统实现控制功能的基准。
除此之外，还有一些特殊要求——字长、运行速度、指令、成本、编程难易、输入/输出接口扩展能力等。
4.光电隔离电路的工作原理及其主要作用
答：
工作原理：控制输出时，如图所示可知，微机输出的控制信号经74LS04 非门反相后，加到光电耦合器G 的发光二极管正端。当控制信号为高电平时，经反相后，加到发光二极管正端的电平为低电平，因此，发光二极管不导通，没有光发出。这时光敏晶体管截止，输出信号几乎等于加在光敏晶体管集电极上的电源电压。当控制信号为低电平时，发光二极管导通并发光，光敏晶体管接收发光二级管发出的光而导通，于是输出的电平几乎等于零。
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，各自使用一套电源供电。光电耦合输入、输出端之间绝缘电阻很大（1011~1013Ω），寄生的电容很小（0.5~2pF），因而干扰信号很难从输入端反馈到输出端。
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。可直接驱动光控晶闸管工作。
如果光电隔离电路与滤波电路、屏蔽电路有效的结合起来，将会进一步提高微机控制系统的抗干扰能力。
5.机电一体化系统主要的干扰源有哪些？有哪些抗干扰的措施？
答： 1）系统干扰源的类型
传导型——---由线路传入信号影响控制系统工作。如：供电干扰、强电干扰、接地干扰等。
辐射型——---由空间感应输入信号影响控制系统工作。如：电磁干扰、电场干扰、静电干扰等。

2）提高系统抗干扰能力的措施
针对不同类型的干扰信号，采取的抗干扰措施也有所不同。
· 供电系统的抗干扰措施：稳压、滤波、隔离。
· 接口电路的抗干扰措施：吸收抑制、阻断隔离。
· 转换接口抵消隔离措施：差动式运算放大器或桥式电路、高频滤波整形电路。
· 接地系统干扰措施：单点接地、并联接地、光电隔离接地。
6.试比较开环、半闭环、和闭环伺服系统的优缺点
答：（1）开环控制就是系统按设定的参数来运转，不作监测，不反馈。开环系统最简单，成本低，但执行精度最差，基本无系统波动。
（2）半闭环控制就是在系统的执行端之前（非最终端）设置监测，反馈回的信号可以对执行端之前的机构进行实时调整。半闭环系统成本介于两者之间。
（3）闭环控制是在系统的最终执行端设置监测，反馈回的信号直接用于系统整体调整。闭环系统最复杂，控制成本最高，但执行精度相当高，系统波动也最大。
7.机电一体化系统的设计方法通常有哪几种？大致有哪几种设计类型？
答：常用的设计方法：机电互补法、机电结合（融合）法、机电组合法
常见的设计类型：开发性设计、适应性设计、变异性设计
8.机电一体化系统对检测传感器的基本要求是什么?
答：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，价格便宜。
9.提高软件设计可靠性的措施是什么？
答： 1）利用软件提高控制系统的可靠性
①增加系统的管理软件与硬件的匹配，保护处理信息②利用冗余技术，防止信息输入输出和传送中出错③编制软件对系统的故障诊断程序和故障修复程序④编制可对系统(硬件和软件)进行调试和保护的程序。
2）提高软件自身的可靠性
① 采用软件分和层次结构编程。②提高软件自身可测试程序的设计。
③对软件进行测试调试——提高可靠性的关键技术。
3）软件测试调试技术的制定
制定合理的软件测试调试技术方法是提高可靠性的关键技术之一。
具体方法如下：①确定软件测试调试前的初试条件——输入条件、输出结果评价规范②单元或模块测试③局部或系统测试。④系统功能或性能调试与测试。⑤现场安装、综合验收与评价。
10.举例说明单片机、工控机、PLC在 PLC系统中的应用
单片机：微机控制的车床、钻床中的控制器；
工程机：作为机电一体化系统中控制中心，有指挥协调作用；
PLC：开关量的控制，运动控制，过程控制，数据处理通讯联网。
11.机电一体化系统失效与故障有什么异同？
答：如果产品不能完成规定功能，就称为失效。对于可修复的系统（产品），也可称故障。可见失效（或故障）是一种破坏系统（产品）工作能力的事件，失效（或故障）越频繁，可靠性就越低。
12.保证机电一体化系统可靠性的方法有哪些？
答：1）提高产品的设计和制造质量——裕度法、自动控制。2）采用冗余技术——工作冗余、后备冗余。
3）故障诊断技术——测试、症兆、诊断。
注意：裕度法是从改进硬件性能，提高系统可靠性的有效方法；自动控制、冗余技术、故障诊断技术是用硬件和软件来提高系统可靠性的有效措施。
13.机电一体化系统设计时的稳态设计与动态设计共包含哪些内容？
答：稳态设计：① 使系统的输出运动参数达到所要求技术状态② 执行元件的参数选择③功率（力/力矩）匹配以及过载能力的验算。④ 各主要元件的选择与控制电路的设计⑤信号的有效传递⑥各级增益的分配⑦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。
动态设计：主要是设计校正补偿装置，是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。
14.为保证机电一体化系统的安全性，举例说明在设计中应采取哪些措施？
答：P285 工业机器人：1、设置安全* 2、安装警示灯 3、安装监视器 4、安装防越程装置 5、安装紧急停止装置 6、低速示数
15.机电一体化系统中的执行元件有哪些？对它们的基本要求是什么？
答：执行元件：电动式执行元件，液动式执行元件，气动式执行元件
基本要求：（1）惯量小，动力大。
（2）体积小，重量轻。
（3）安装方便、便于维修维护。
（4）易于实现自动化控制。
16机电一体化系统设计中，各级齿轮传动比的分配原则是什么？
答：1）重量最轻原则
• 小功率传动装置各级传动比（等传动比分配，等模数原则）
• 大功率传动装置各级传动比确定，应遵循“先大后小”原则，再由经验、类比方法和结构设计紧凑等方法确定。（不等传动比分配，不等模数原则）
2）输出转角误差最小原则
为了提高机电一体化系统中齿轮传动系统传递运动的精度，各级传动比应按“先小后大”原则分配，以便降低齿轮的加工误差、安装误差以及回转误差对输出转角精度的影响。设齿轮传动系统中各级齿轮的转角
误差换算到末级输出轴上的总转角误为，则：

式中： —第个齿轮所具有的转角误差；
—第个齿轮的转轴至第级输出轴的传动比。

3）等效转动惯量最小原则
各传动轴转动惯量等效到电机轴上的等效转动惯量最小。(机械传动部分响应特性最佳原则)。
17.输出轴转角误差最小原则的含义是什么？
答：为了提高机电一体化系统中齿轮传动系统传递运动的精度，各级传动比应按“先小后大”原则分配，以便降低齿轮的加工误差、安装误差以及回转误差对输出转角精度的影响。
18.轴系设计的基本要求有哪些？
答：作业2.25
19.什么是机电互补法、结合法、组合法？
答：作业1.16
20.开发性设计、变异性设计、适应性设计有何异同？
答：①开发性设计是没有参照产品的设计，仅仅是根据抽象的设计原理要求，设计出在质量和性能方面满足目的要求的产品。②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之适应于量的方面有所变更的需求。③适应性设计是在总的设计方案、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，以使产品在性能和质量上增加某些附加价值。所有机电一体化系统的设计都是为了获得用来构成事物的有用信息。
21.机电一体化系统的接口功能有哪两种？
答：接口功能:①输入,输出。②变换,调整
22.机电一体化系统的主要评价内容有哪些?
答：作业1.11 :
23.机电一体化系统的设计步骤
答：明确设计思想和概念→分析系统（产品）的综合性能指标要求→产品调研和市场调研→根据目的功能确定产品规格→按产品（系统）内部五大功能划分功能部件或功能子系统→确定各功能部件或子系统的功能要素→接口设计→整体评价→可靠性复查→试制与调试
24.机电一体化系统由哪些子系统所组成？分别实现哪些功能？
答：①机械系统：构造功能②电子信息处理系统：控制功能③动力系统：动力功能④传感系统：计测功能⑤执行控制系统（元件）：操作功能
25.传感器的选用原则及注意事项
答：作业4.19
①传感器的选用原则
主要是依据传感器的使用要求和被控制对象的控制精度要求选择适用的传感器。
②传感器选用的注意事项
在确保主要性能参数和指标的条件下，适当可放宽次要的性能和指标要求，以便获得较高的性能价格比。注意：不能盲目的追求传感器各种性能指标均高的传感器选择方法或原则。

题型二：分析题
第二章
1.选择滚珠丝杠副支承方式

第三章
2.直流（DC）伺服电动机的驱动
要实现对直流电动机的速度和方向进行调节控制，通常可用两种驱动控制方式：
晶体管直流脉宽调制驱动；晶闸管直流脉宽调速驱动；
1）脉宽调制驱动(PWM)工作原理：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。设开关S 周期性地闭合,断开，闭和开的周期是T。在一个周期T 内，闭合的时间是τ，开断的时间是T-τ，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，其高度为U,宽度为τ,则一个周期内电压的平均值为

式中μ——导通率， 又称占空系数，μ=τ/T

2）直流电动机的方向控制

3.交流（AC）伺服电动机及其驱动
矢量控制原理：

4.步进电动机与驱动工作原理：

5.步进电动机的运行特性与性能指标

6.步进电机的驱动与控制

7.步进电机的微机控制
主要分为：串行控制和并行控制两种方法
步进电机的加减速控制原则：

8.步进电机闭环控制原理

第四章
9.专用/通用微型计算机的选择
1）专用控制系统的构成与特点
用于大批量生产的机电一体化产品。具有机械电子有机结合紧凑，由专用IC 芯片、接口电路、执行元件、传感器等相互合理匹配成专用控制器，软件采用专用机器代码或语言，可靠性强，成本低，但适应能力较差。
2）通用控制系统的构成与特点
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。软件采用通用平台软件系统。
特点：具有可靠性高，适应性强，但成本高，应采取一定的抗干扰措施等特点。
应用：适用于多品种、中小批量生产的机电一体化产品。
10.硬件与软件的权衡/匹配
任何微机控制系统的控制功能，即可以由硬件实现，也可以由软件实现，两者的合理匹配是确定或选用微机控制系统研究内容之一。
主要依据经济性、可靠性、适用性等要求来决定。
★ 主要用通用分离元件组成的控制系统——最好采用软件来实现对机电一体化产品的主要控制功能，接口少，易于调整，适应能力强，但成本较高。
★ 主要用专用集成元件组成的控制系统——最好选用硬件实现对机电一体化产品的主要控制功能，具有廉价、可靠、处理速度快等特点。
11.微机控制系统输入/输出的可靠性设计
1）能可靠地传递各类控制信息
有效保证输入/输出控制信号转换的运动状态。
2）能够进行有效的信息转换
满足微机对输入/输出信息类型的转换要求。如：A/D、D/A 转换；平行数字信号与串行数
字信号的转换；电平信号的转换与匹配；电量与非电量的转换；强电与弱点转换。
3）具有阻断干扰信号进入微机控制系统的能力
主要采用滤波技术、光电隔离技术、屏蔽技术等。
12.几种常用光电耦合器结构原理图

机械传动系统模型（课上补充）
(1) 机械移动系统
机械移动系统的基本元件是质量、阻尼和弹簧。
图5-1 是这三个系统机械元件的符号表示。
F(t)代表外力；x(t)代表位移；m 代表质量；
f 为粘滞阻尼系数，K 为弹簧刚度。
由图可得到：
质量的数学模型为
阻尼器的数学模型为
弹簧的数学模型为
下面举例说明平移系统的建模方法：
图5-2 为组合机床动力滑台洗平面的情况。若不计M 与地面间的摩擦，系统可以抽象成图5-3 所示的力学模
型。
根据牛顿第二定律，系统方程为 对上式取拉氏变换，得系统传递函数
图5-4 是一个简单隔震系统装置示意图。
对其受力情况进行分析后，得系统运动方程为
对上式取拉氏变换，得系统传递函数
根据上式可画出系统传递函数方框图如图5-5 所示。
图5-2 动力滑台洗平面图5-3 图5-2 的力学模型

图5-2 动力滑台洗平面图 5-3 图5-2 的力学模型
图5-4 隔震系统装置
图5-5 隔震装置方框图
图5-1 机械直线移动元件
机电班机电一体化系统设计复习课——ZJ 整理（2012.11.15）
长风破浪会有时，直挂云帆济沧海12
图5-6 所示机械系统，是一个单轮汽车支撑系统
的简化模型。图中：m1 为汽车质量，f 为震动阻尼器
系数；K1 为弹簧刚度；m2 为轮子质量；K2 为轮眙弹
性刚度； 、分别为m1 和m2 的独立位移。
通过对系统进行受力分析，可建立m1 的运动方程为
而m2 的运动方程为
对上式取拉氏变换，可得
可以求出以作用力F(s)为输入，分别以X1(s)和X2(s)为输出位移的传递函数如下：

以上两式完全描述了该机械系统的动力特性，只要给定汽车的质量、轮子的质量、阻尼器及弹簧参数，车胎的弹性，便可决定车辆行驶的运动特性。
(2) 机械转动系统
机械转动系统的基本元件是转动惯量、阻尼器和弹簧。
图5-8 是这三个系统机械元件的符号表示。
M(t)代表外力矩； (t)代表位移；J 代表转动惯量；f 为粘滞阻尼系数，K 为弹簧刚度。由图可得到：转动惯量的数学模型为