机电一体化复习答案.docx

1.1 机电一体化的涵义是什么？它包含了哪两方面内容？答：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。它包含了技术和产品两方面内容。首先是指机电一体化技术，其次是指机电一体化产品。1.2 机电一体化的英文名称是什么？Mechatronics1.3 机电一体化突出的特点是什么？重要的实质是什么？答：突出特点在于它在机械产品中注入了过去所没有的新技术，把电子器件的信息处理和自动控制等功能揉和到机械装置中去，从而获得了过去单靠某一种技术而无法实现的功能和效果。重要实质是：应用系统工程的观点和方法来分析和研究机电一体化产品或系统，综合运用各种现代高新技术进行产品的设计与开发，通过各种技术的有机结合，实现产品内部各组成部分的合理匹配和外部的整体效能最佳。1.4 为什么说微电子技术不能单独在机械领域内获得更大的经济效益？答：微电子技术在机械领域内只是机械技术的附加技术，是机械技术的补充。1.5 机电一体化对我国机械工业发展有何重要意义？答：在当前激烈的国际竞争环境中，机电一体化具有举足轻重的作用，其发展水平在很大程度上反映了一个国家的技术经济实力。国民经济建设和发展必须需要大量掌握机电一体化技术人才区改造传统产业，研究和开发新一代机电一体化产品以改善出口产品结构，增强在国际市场上的竞争力，加快赶超国际先进水平的步伐。机电一体化已经显示出强大的生命力，并正以空前的速度和力度冲击着传统的技术思想、生产方式和方法以及传统的机电产品和产业结构，国民经济的个各个领域都将因此而发生深刻变革。1.6 机电一体化产品具有哪三个主要特征？答：整体结构最佳化、系统控制智能化、操作性能柔性化。1.7 试列举10种常见的机电一体化产品。答：汽车，飞机，轮船，洗衣机，电冰箱，打印机，复印机，ATM机，数控机床，机器人。1.8 试分析CNC机床和工业机器人的五大要素与功能。答：机电一体化产品所需的五种内部功能：主功能、动力功能、计测功能、控制功能和构造功能。CNC（计算机数控）机床：切削加工是CNC机床的主功能是实现其目的所必须的功能，电源通过电动机驱动机床，向机床提供动力，实现动力功能。位置检测装置和CNC装置分别实现计测功能和控制功能。机械机构所实现的是构造功能。1.9 机电一体化产品分哪三类？试举例说明。答：功能附加型（电子秤）功能替代型（电子缝纫机）机电融合型（传真机）1.10 机电一体化共性关键技术主要有哪六项？答：1机械技术、2计算机与信息处理技术、3检测与传感技术4自动控制技术5伺服驱动技术6系统总体技术1.11 机电一体化设计时必须考虑到技术方案哪些性质？答：等效性、互补性及可比性。1.12 机电一体化设计与传统设计的主要差别是什么？答：传统机电技术的操作控制主要以电磁学原理的各种电器来实现，如继电器、接触器等， 传统机电技术的操作控制主要以电磁学原理的各种电器来实现，如继电器、接触器等， 在设计中不考虑或很少考虑彼此间的内在联系。机械本体和电气驱动界限分明， 在设计中不考虑或很少考虑彼此间的内在联系。机械本体和电气驱动界限分明，整个装置 是刚性的， 涉及软件和计算机控制。 是刚性的，不涉及软件和计算机控制。机电一体化技术以计算机为控制中 心，在设计过程 中强调机械部件和电器部件间的相互作用和影响，整个装置在计算机控制下具有一定的智能性1.13 为什么产品功能越多，操作性越差？为何产品应向“傻瓜化”方向发展？答：产品功能的多少或强弱，往往与其复杂程度和功能成本直接相关。产品的操作性能与其功能的多少有直接关系，功能越多，操作越复杂，操作性越差。在机电一体化产品向多功能化方向发展的同时，通过软件来改善产品的操作性能，使机电一体化产品也向智能化和傻瓜化发展。2.1 机电一体化对机械系统的基本要求有哪些？答：1.高精度、2.快速响应、3.良好的稳定性2.2 机电一体化机械系统有哪几部分机构组成？各部分的功用是什么？答：1.传动机构：机电一体化中的传动机构不仅仅是转速和转矩的变换器，而是已成为伺服系统的一部分，它要根据伺服控制的要求进行选择设计，以满足整个机械系统良好的伺服性能。2.导向机构：作用是支承和导向，为机械系统中各运动装置能安全、准确地完成其特定方向的运动提供保障。3.执行机构：用以完成操作任务的。根据操作指令的要求在动力源的带动下，完成预定的操作。2.3 传动机构的基本要求是什么？答：1.转动惯性小，2.刚度大，3.阻尼合适，4精密化，5.可靠性高2.4 常用的传动机构有哪些？各有何主要特点？答：1.无侧隙齿轮传动机构：齿轮传动的瞬时传动比为常数，传动精确高，可做到零侧隙无回差，强度大能承受重载，结构紧凑，摩擦力小和效率高。2.滚珠丝杠副传动机构：传动效率高、运动具有可逆性、系统刚度好、传动精度高、使用寿命长、不能自锁、制造工艺复杂。2.5 齿轮传动机构为何要消除齿侧间隙？答：机电一体化产品往往要求传动机构具有自动变向功能，这就要求齿轮传动机构必须采取措施消除齿侧间隙，以保证机构的双向传动精度。主要是提高传动过程的精度，侧隙越小，被驱动装置的控制精度越高；2.6 斜齿轮传动机构的调整方法有哪些？各有何主要特点？答：垫片调整法：结构简单，在使用时往往需要反复测试齿轮的啮合情况，反复调节垫片的厚度才能达到要求，而且齿侧间隙不能自动补偿；轴向压簧调整法：齿侧间隙可以自动补偿，但轴向尺寸较大，结构不紧凑。2.7 滚珠丝杠副传动机构由哪几部分组成？答：由丝杠、螺母、滚珠、反向器组成。2.8 滚珠丝杠副轴向间隙对传动有何影响？采用什么方法消除它？答：对本身单一方向的传动精度有要求外，对其轴向间隙也有严格要求，以保证其反向传动精度。滚珠丝杠副的轴向间隙是承载时在滚珠与滚道型面接触点的弹性变形所引起的螺母位移量和螺母原有间隙的总和。通常采用双螺母预紧的方法，把弹性变形控制在最小限度内，以减小或消除轴向间隙，并可以提高滚珠丝杠副的刚度。2.9 双螺母消除轴向间隙（预紧）的方法有哪几种？各有何主要特点？ 答：垫片调隙式：结构紧凑，工作可靠，调整方便，应用广，但不很准确，并且当滚道磨损时不能随意调整，除非更换垫圈。螺纹调隙式：结构紧凑，工作可靠、调整方便，缺点是不很精确。齿差调隙式：调整精度很高，工作可靠。但是结构复杂，加工和装配工艺性能较差。2.10 试举例说明滚珠丝杠副的标注方法。答：采用汉语拼音字母、数字及汉字。FC1B-6006-5-E2左（汉江机床厂），表示法兰凸出式插管型、变位螺距、预加载荷、标称直径60mm、基本导程6mm、每个螺母上承载滚珠总圈数为5圈、E级精度、检查1、2项、左螺旋纹。2.11 滚珠丝杠副的对传动有何影响？支承形式有哪些类型？各有何主要特点？答：对传动精度和轴向间隙有影响。支承形式有：一端固定一端自由（F-O）:结构简单，丝杠的轴向刚度比两端固定低，丝杠的压杆稳定性和临界转速都较低，设计时尽量使丝杠受拉伸，适用于较短和竖直的丝杠；一端固定一端游动（F-S）：需要保持螺母与两端支承同轴，故结构较复杂，工艺较困难，丝杠的轴向刚度和F-O相同，压杆稳定性和临界转速比同长度的F-O型高，丝杠有热膨胀的余地，适用于较长的卧式安装丝杠；两端固定（F-F）同F-S的1，只要轴承无间隙，丝杠的轴向刚度为一端固定的4倍，丝杠一般不会受压，无压杆稳定问题，固有频率比一端固定要高，可以预拉伸，预拉伸后可减少丝杠自重的下垂和热补偿膨胀，但需一套预拉伸机构，结构及工艺都比较困难，要进行预拉伸的丝杠，其目标形成应略小于公称行程，减少量等于拉伸量，适用于对刚度和位移精度要求高的场合。2.12 设计滚珠丝杠副时，必须验算哪些参数？答：传动效率、刚度及工作平稳性。2.13 导轨的基本要求有哪些？它由哪几部分组成？可分成哪几类？ 答：基本要求：导向精度、耐磨性、疲劳和压溃、刚度、低速运动平稳性和机构工艺性。由两个部分组成：支承导轨和动导轨。可以分成：滑动导轨、滚动导轨。2.14 滚动直线导轨的形式有哪些？各有何主要特点？答：按滚动体的形状分：钢珠式和滚柱式。滚柱式有较高的承载能力，但摩擦力也较高，同时加工装配相对复杂。按导轨截面形状分：有矩形和梯形两种，矩形承载时各方向受力大小相等，梯形：导轨承受较大的垂直载荷，而其他方向的承载能力较低，对于安装基准的误差调节能力较强。按滚道沟槽形状分：有单圆弧和双圆弧二种，单圆弧运动摩擦和安装基准的误差平均作用比后者要小，但其静刚度比后者稍差。其他形式：圆柱形滚动直线导套副：运动轻便、灵活、精度高、价格较低、维护方便，更换容易。滚珠花键副：通过选配滚珠的直径使滚珠花键副内产生过盈，以提高接触刚度，运动精度和抗冲击能力。2.15 塑料导轨的主要特点是什么？答：1.塑料导轨软带：摩擦系数低而稳定，动静摩擦系数相近，吸收振动，耐磨性好，化学稳定性好，维护修理方便，竞技性好。2.金属塑料复合导轨板：摩擦特性优良，耐磨损。3.塑料涂层：可以利用高分子材料的性能特点，得到良好的工作状态。2.16 执行机构是实现机电一体化产品哪一功能的重要环节？答：主功能。2.17 设计执行机构时，应考虑哪些技术要求？答：效率、体积、质量、自控性、工作可靠、响应速度、动态特性、精确度、灵敏度2.18 试列举常用的执行机构。答：微动机构、定位机构、工业机器人末端执行器。2.19 XH754型卧式加工中心分度工作台的定位精度靠什么保证？ 答：由端面齿盘保证。2.20 工业机器人末端执行器可分为哪几类？它装在操作机何处？答：机械夹持器、特种末端执行器、万能手。工业机器人末端执行器是装在操作机手腕的前端，直接实现操作功能的机构。2.21 机械夹持器应具备哪些功能？它分几类？答：具有夹持、握住、松开的功能，分为是三类，圆弧开合型、圆弧平行开合型和直线平行开合型。，特种手指夹持器。2.22 工件在夹持过程中所需的夹持力FQe与所设计结构能提供的夹持力FQ的关系是什么？答：FQ=FQe 3.1 试述机电一体化接口设计的重要性。答：要将各要素、各子系统有机的结合起来，构成一个完整的系统，就必须能顺利的在各要素、各子系统之间进行物质、能量和信息的传递与交换。为此，各要素和子系统的相接处必须具备一定的联系条件，这个联系条件通常被称为接口。因此也可以把机电一体化产品看成是有许多接口将组成产品的各要素的输入/输出联系为一体的系统。机电一体化产品的设计，就是在根据功能要求选择了各要素后，所进行的接口设计。从这一观点出发，机电一体化产品的性能取决于接口的性能，即各要素和各子系统之间的接口性能是综合系统性能好坏的决定性因素。因此，接口设计是机电一体化产品设计的关键环节。3.2 试述机电一体化产品接口的分类方法。答：根据接口的变换和调整功能，可将接口分为零接口、被动接口、主动接口和智能接口；根据接口的输入输出功能，可将接口分为机械接口、物理接口、信息接口与环境接口。以控制微机为出发点，将接口分为人机接口与机电接口两大类。3.3 人机接口的作用和特点各是什么？答：人机接口是操作者与机电系统之间进行信息交换的接口。按照信息传递方向，可分为两大类：输入接口与输出接口。机电系统通过输出接口向操作者显示系统的各种状态、运行参数及结果等信息；另一方面，操作者通过输入接口向机电系统输入各种控制命令，干预系统的运行状态，以实现所要求完成的任务。特点：专用性、低速性、高性能价格比3.4 在人机接口中，常用的输入设备有哪几种？常用的输出设备有哪几种？答：控制开关、BCD二-十进制码拨盘、键盘等；输出设备有状态指示灯、发光二极管显示器、液晶显示器、微型打印机、阴极射线管显示器等。3.5 开关输入接口适用于哪一种情况？答：当系统需要输入一些二值性控制命令和参数3.6 采用消抖方法时，延时时间与抖动时间的关系怎样？答：延时时间应大于抖动时间。3.7 为节省I/O口线，BCD码拨盘宜选用哪一种接口方法？答：动态接口方法。3.8 设计键盘输入程序时应考虑哪几项功能？答：判断键盘上有无键闭合；判别闭合键的键号；去除键的机械抖动；使控制微机对键的一次比闭合仅做一次处理3.9 试设计键盘输入程序框图。答：3.10 在某机电一体化产品中，8031通过P1口扩展了一个44键盘，试画出接口逻辑电路图。 答：3.11 七段发光二极管显示器的动态工作方式和静态工作方式各有何优缺点？答：静态工作方式：优点：显示稳定，只有在需要更新显示内容时，微机才执行显示更新子程序，因而大大节省了微机时间，提高了工作效率。缺点：当扩展显示器位数较多时，需要占用较多I/O口。动态工作方式：优点：减少了所占用I/O口的数量，节省了硬件费用。缺点：为得到稳定显示，微机必须定期对显示器进行刷新扫描，这将占用CPU大量时间。3.12 何时选用点阵式LED显示器？答：当显示信息比较复杂时。3.13 LED、LCD、CRT和PDP分别指什么？答： PDP：等离子显示器；CRT：阴极射线管显示器；LCD：液晶显示器；LED：七段发光二极管显示器。3.14 试述机电接口的作用和特点。答：具有A/D或D/A转换功能、具有功率放大功能、抗干扰能力强。3.15 在机电接口中，哪一种接口完成A/D转换功能？哪一种接口完成D/A转换功能？答：信息采集接口具有A/D转换功能，控制输出接口具有D/A转换功能。3.16 常用的A/D转换器有哪几种？各有何主要特点？答：双积分式转换速度慢，但是精度高MC14433(3 1/2位)、ICL7135(4 1/2位)、ICL7109（12位二进制）；逐次比较式A/D转换器转换速度较快，ADC0808/0809(8通道8位二进制)3.17 试列举一种常用的D/A转换器。答：DAC0832、DAC12103.18 为何要采用功率接口电路？答：在机电一体化产品中，被控对象所需要的驱动功率一般都比较大，而计算机发出的数字控制信号或经D/A转换后所得到的模拟控制信号的功率都很小，因而必须经过功率放大后才能用来驱动被控对象。实现功率放大功能的接口电路被称为功率接口电路。3.19 在机电接口的控制输出接口中，常用的电力电子器件有哪些？答：晶闸管、功率晶体管、功率场效应晶体管、固态继电器、3.20 什么是固态继电器？它具有哪些特点？答：是一种无触点功率型通断电子开关。特点：固态继电器输出电路可接交流或直流，对交流负载的控制有过零与不过零控制功能；固态继电器是一种电子开关，故有一定的通态压降和断态漏电流；负载短路易损坏SSR，应特别注意避免。3.21 SSR和SCR分别指什么？答：SSR：固态继电器；SCR：单项晶闸管4.1 检测系统的功用和构成各是什么？答：检测系统是机电一体化产品中的一个重要组成部分，用于实现计测功能。组成：传感器、信号检测电路、处理电路4.2 传感器按输出信号的性质可分为哪几类？试举例说明。答：模拟式传感器热电偶；数字式传感器光电编码器。4.3 机电一体化对检测系统的基本要求有哪些？答：精度、灵敏度、分辨率高、线性、稳定性和重复性好；抗干扰能力强；静、动态性好。4.4 试述检测系统设计的主要任务和主要方法。答：主要任务：根据使用要求合理选用传感器，并设计或选用相应的信号检测与处理电路以构成检测系统，对检测系统进行分析与调试，使之在机电一体化产品中实现预期的计测功能。方法：实验分析法，即理论分析和计算与实验测试相结合的方法。5.1 何谓伺服系统？它另一名称是什么？答：亦称随动系统，是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作，从而获得精确的位置、速度或力输出的自动控制系统。5.2 伺服系统是根据什么偏差进行动作控制的？答：根据输入的指令值与输出的物理量之间的偏差进行动作控制的。5.3 伺服系统由哪些功能元件组成？试画出伺服系统的基本结构框图。答：比较元件、调节元件、执行元件、被控对象、测量反馈元件。5.4 伺服系统按控制方式的不同可分为哪几种？答：开环、闭环、半闭环等5.5 机电一体化对伺服系统有哪几个基本要求？答：稳定性、精度、快速响应性、调速范围、负载能力、可靠性、体积、质量以及成本等方面要求。5.6 采用什么方法设计伺服系统？为什么？答：采用机电一体化方法进行设计，因为伺服系统是机电一体化系统。6.1 机电一体化控制系统的功用和构成各是什么？ 答：实现控制及信息处理功能。由控制装置、执行机构、被控对象及传感与检测装置所构成的整体。6.2 试画出控制系统基本构成的框图。答：6.3 控制系统按处理信号的形式可分为哪几种？所对应的信号和控制器各是什么？ 答：连续控制系统和离散控制系统。在连续控制系统中，信号是以连续的模拟信号形式被处理和传递，控制器采用硬件模拟电路实现。在离散控制系统中，主要采用计算机对数字信号进行处理，控制器是以软件算法为主的数字控制器。6.4 机电一体化控制系统设计与常规控制系统设计的主要区别是什么？答: 在传统控制系统设计中，被控对象不作为设计内容，设计任务只是采用控制器来调节已给定的被控对象的状态。在机电一体化控制系统设计中，控制装置和被控对象同在设计范围内，在设计过程中应兼顾两者的特点和要求，使设计具有更大的灵活性，所设计的系统性能更好。6.5 建立被控对象数学模型的方法有哪些？各自模型分别称为什么？答：分析法机理模型；实验法辨识模型。6.6 常用哪些方法建立被控对象辨识模型？其试验信号、测试结果和主要特点各是什么？答：时域法采用阶跃信号或矩形脉冲信号对被控对象进行激励，并在输出端测取阶跃（或脉冲）响应曲线，然后根据阶跃（或脉冲）响应曲线来确定对象的传递函数。频率法采用正弦波信号对被控对象进行激励，并在输出端测取频率响应特性，然后根据频率响应特性来确定对象的传递函数。6.7 某被控对象波德图如题6.7图所示，粗实线A和C分别为实验测得的对数幅频和相频特性曲线，试确定该对象的数学模型。 答：6.8 统计法所采用的随机信号主要有哪几种？有何区别？何谓M序列？答：白噪声信号、伪随机信号。伪随机信号实验时间短、信息处理简单、测试误差小。M序列是四级位移寄存器所能获得的所有二位式序列中周期最长的一种。6.9 微型机控制系统是哪一种控制系统？其组成及特点各是什么？答：是一种离散控制系统。由硬件和软件组成。硬件：微型机、外围设备、输入输出通道、操作台。软件：系统软件和应用软件。有完善的输入输出通道、具有实时控制功能、具有丰富的软件系统、可靠性高，耐环境性能好，具有丰富、完善、能正确反映被控对象运动规律并对其进行有效控制的软件系统。6.10 z变换和拉氏变换各适用于何种控制系统中？所处理的信号形式及其传递函数分别是什么？ 答：Z变换适用于离散控制系统，常用脉冲传递函数描述；拉氏变换适用于连续控制系统，常用拉氏传递函数描述。6.11 试求 的z变换x (z)。 答：6.12 z变换具有哪些性质？ 答：线性定理、滞后定理、超前定理、初值定理、终值定理。6.13 z传递函数又称什么传递函数？它有哪几种联接方式？并用表达式和方框图分别表示。答：脉冲传递函数。串联、并联和反馈联接。6.14 PID数字控制器中包含了哪些基本控制规律？其主要特点是什么？答：比例（P）、积分（I）和微分（D）控制规律。P：存在稳态误差，曾答K值可减小稳态误差，但不能消除稳态误差。I：在比例控制的基础上加上积分控制，即可保证系统的快速响应性，又可消除系统的稳态误差，使系统稳态和瞬态特性都得到改善。D：可缩短瞬态响应的过度过程，使系统稳定性和动态精度都得到提高，但是，比例微分控制不能消除稳态误差。6.15 为什么PI数字控制器应用比较广泛？ 答: 兼有比例、积分、微分控制规律的优点，改善系统的稳态和动态性能，提高系统的稳定性。6.16 PID数字控制器有哪几种控制算法？试写出相应的控制算法表达式。在生产实际中常采用哪一种算法？ 答：6.17 设计PID数字控制器的关键是什么？常用哪几种方法确定控制器参数？答：控制器参数的确定和采样周期的选择。理论计算法和工程整定法。6.18 如何合理选择PID数字控制器的采样周期？试举例说明。答：当系统给定值变化频率较高时，采样频率也应取得较高，以使给定值的变化得到迅速的响应。当被控对象是缓慢变化的热工或化工过程时，采样周期可以取得较大，当被控对象是快速系统时，采样周期应取得较小。当执行机构惯性较大时，采样周期可以取得大一些。当系统中控制回路数较多时，考虑到控制程序的执行时间，应取较大的采样周期。6.19 特殊PID数字控制器有哪几种？各适用于何种场合？答：积分分离式PID数字控制器适用于被控对象不允许有过大超调量的场合；带死区的PID数字控制器适用于被控对象比较稳定时不希望执行机构频繁动作的场合。6.20 Smith数字控制器和Dahlin数字控制器分别适用于何处？答：适用于被控对象具有纯滞后环节的场合。6.21 最少拍无差跟踪控制系统有何主要特点？ 答：具有较好快速性和准确性。6.22 设计快速无波纹控制系统必须具备的条件是什么？ 答：被控对象G0(S)中应包含必要的积分环节数。系统闭环Z传递函数W（z）应满足最少拍无差控制系统要求的稳定性、快速性和准确性条件。W（z）还应满足无波纹控制系统要求的附加条件，即包含广义对象GhG0(z)在z平面单位圆内的所有零点。6.23 工业控制计算机主要有哪几类？答：PLC、单片机、工控机6.24 在选择控制装置中的微型机时，应主要考虑哪些因素？答：计算精度、计算速度、控制方法、系统规模、成本/批量及设计周期。6.25 试写出标准化工控机系统的英文缩称。答：Standardized Industrial Personal Computer system6.26 在选用STD总线工控机设计控制装置时，应考虑哪些功能模板和插件？答：数字量I/O模板、模拟量I/O模板、信号调理模板、CPU板、存储器插件、特殊功能插件。6.27 专用控制装置设计的主要内容有哪些？答：确定输入接口的性质和数量、确定输出接口的性质和数量、微控制器的选择、控制装置电路及结构设计、控制装置软件设计。6.28 冗余技术又称为什么？常用的冗余结构有哪几种？有何区别？答：又称储备技术。常用结构有并联冗余将两个或两个以上同样的单元并联运行，平均负担工作负荷；当有一个单元失效时，其它单元自动将其负荷平均分担过来，以保证该环节功能的正常发挥。后备冗余将几个具有同样功能的单元并联但只有一个单元参与运行，其它单元备用；当参与运行的单元失效后通过手动或自动的方式将一个备用单元切换到工作状态。6.29 常见的干扰有哪几种？答：供电干扰、过程通道干扰、空间干扰。6.30 提高控制装置可靠性的软件方法有哪些？答：软件测试、容错设计、纠错设计、抗干扰设计、故障诊断。6.31 应如何理解 “软件测试过程中，测试者的心理状态对测试效果起决定性作用” 这句话？答：软件测试是一项重要的、必不可少的工作，也是一项繁琐的、让人气馁的工作。在软件测