机电一体化技术课后习题及答案(孙卫青版第二版).doc

机电一体化技术课后习题及答案（孙卫青版第二版）1-1、试说机电一体化的含义答：机电一体化是在机械主功能、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、机电一体化的主要组成、作用及其特点是什么答：主要由机械本体、动力系统、传感与检测系统、信息处理及控制系统和执行装置等组成。机械本体用于支撑和连接其他要素，并把这些要素合理的结合起来，形成有机的整体。动力系统为机电一体化产品提供能量和动力功能，驱动执行机构工作以完成预定的主功能。传感与检测系统将机电一体化产品在运行过程中所需要的自身和外界环境的各种参数及状态转换成可以测定的物理量，同时利用检测系统的功能对这些物理量进行测定，为机电一体化产品提供运行控制所需的各种信息。执行装置在控制信息的作用下完成要求的动作，实现产品的主功能。1-3、工业三大要素是什么？答：物质、能量和信息。1-4、传统机电产品与机电一体化产品主要区别是什么？答：传统的机电产品机械与电子系统相对独立，可以分别工作。机电一体化产品是机械系统和微电子系统的有机结合，从而赋予其新的功能和性能的一种新产品，产品功能是由所有功能单元共同作用的结果。 1-6、应用机电一体化技术的突出特点是什么？答： 精度提高；生产能力和工作质量提高；使用安全性和可靠性提高；调解和维护方便，使用性能改善；具有复合功能，适用面广；改善劳动条件，有利于自动化生产；节约能源，减少耗材；增强柔性。1-7、机电一体化的主要支撑技术有哪些，它们的作用如何？答：1、传感测试技术，在机电一体化产品中，工作过程的各种参数、工作状态以及工作过程有关的相关信息都要通过传感器进行接收，并通过相应的信号检测装置进行测量，然后送入信息处理装置以及反馈给控制装置，以实现产品工作过程的自动控制。2、信息处理技术，在机电一体化产品工作过程中，参与工作过程各种参数和状态以及自动控制有关的信息输入、识别、变换、运算、存储、输出和决策分析。3、自动控制技术，主要实现机电一体化系统的目标最佳化。4、伺服驱动技术，它的作用是在控制指令的指挥下，控制驱动元件，使机械系统的运动按照指令要求进行运动。5、接口技术，将各组成要素的输入/输出装置联系成一体的系统。6、精密机械技术，机电一体化产品的主功能和构造功能大都以机械技术为主来实现。7、系统总体技术，它的作用是将各有关技术协调配合、综合运用，从而达到整体系统的最佳化。 1-8试论述机电一体化的发展趋势。答：智能化、模块化、网络化、微型化、绿色化、人格化和自适应化。 2-1机电一体化系统对传动机构的基本要求是什么？答：传动间隙小、精度高、低摩擦、体积小、重量轻、运动平稳、响应速度快、传动转矩大、高谐振频率以及与伺服电机等其他环节的动态性能相匹配等要求的传动部件。2-2丝杠螺母机构的传动形式及其特点是什么？答：螺母固定、丝杠转动并移动。结构简单，精度较高，但刚性差。只适合行程较小的场合。丝杠转动、螺母移动。结构紧凑，丝杠刚性较好，适合工作行程较大的场合。螺母移动、丝杠移动。机构较复杂且占用轴向空间较大，故应用很少。丝杠固定、螺母转动并移动。结构简单，紧凑，但使用不方便，应用较少。2-3滚珠丝杠副的组成及特点有哪些？答：由丝杠、螺母、滚珠、反向器组成。特点：结构复杂、成本高、无自锁能力、轴向刚度高、运动平稳。传动精度高、不易磨损、使用寿命长。2-4如何选择滚珠丝杠副？答：（1）根据防尘防护条件以及对调隙及预紧的要求，选择适当的结构形式。（2）选择滚动丝杠副结构尺寸。主要选择丝杠的公称直径和基本导程。2-5齿轮传动的各级传动比的分配原则是什么？输出轴转角误差最小原则的含义是什么？答：等效转动惯量最小原则、重量最轻原则、输出轴转角误差最小原则。各级转角误差换算到末级输出轴上的总转角误差最小。2-6 已知某4级齿轮传动系统，各齿轮的转角误差为1=2=8=0.005rad，各级减速比相同，即i1=i2=i4=1.5，求：（1）该传动系统的最大转角误差max；（2）为缩小max，应采取何种措施？答：（1）0.022 （2）最末两级的传动比应取大一些，并尽量提高最末一级齿轮副的加工精度。2-8齿轮传动的齿侧间隙的调整方法有哪些？答：偏心套（轴）调整法、轴向垫片调整法、双片薄齿轮错齿调整法2-9对机械执行机构的基本要求有哪些？答：惯性小、动力大；体积小、重量轻；便于维修、安装；易于计算机控制2-10简述各类传感器的特征及选用原则？答：静态特性，静态特性的主要技术指标有：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨率和零漂。动态特性，其主要技术指标有：上升时间、最大超调量、调整时间、频率响应范围和临界频率。传感器应根据测试要求和条件，传感器特性和使用条件三个方面进行选择。2-12简述机电一体化系统中的执行元件的分类和特点？答：电气式：操纵简单，适宜编程，响应快，伺服性能好，易于微机相接液压式：输出功率大，转矩大，工作平稳，承载能力强，但是占地面积大气压式：可得到较大的驱动力，行程和速度，但由于具有可压缩性，故不能在定位精度较高的场合使用。2-13简述直流伺服电动机的PWM调速换向的工作原理？答：脉冲宽度调制是通过改变输出脉冲信号的占空比来改变电枢电压的平均值，从而达到控制电机转速的目的。3-1简述计算机控制系统的组成和特点答：计算机由硬件和软件组成。具有完善的输入/输出通道；具有实时控制功能；可靠性高；具有丰富、完善、能正确反映被控对象运动规律的软件系统。3-2简述计算机控制系统的常用类型及其特点答：过程控制系统：根据生产流程对设备巡回检测，然后按照控制规律对生产过程控制伺服系统：控制信号能够稳定、快速、准确的复现输入信号的变化规律顺序控制系统：按照逻辑顺序控制数字控制系统：根据零件编程或路径指令控制3-3简述计算机控制系统的基本要求和一般设计方法答：实时性；高可靠性；硬件配置的可装配可扩充性；可维护性。3-4简述常用的工业控制计算机类型及其特点答：普通PC机：一般不用作工业控制，硬件无需设计，软件开发复杂，抗干扰等差，成本较高单片机：控制系统自行设计，软硬件设计复杂，抗干扰等差，成本较低可编程控制器:软硬件设计简单，抗干扰能力强，运行速度慢，适用逻辑控制为主工业控制工业PC机：硬件设计简单，软件设计复杂，运行速度，抗干扰能力强，成本高，适合较大规模的工业现场控制3-5 PLC的硬件系统主要由哪几部分组成？各部分的作用是什么？答：由CPU，存储器，输入/输出单元，电源，编程器，其他接口电路。CPU是PLC的运算和控制核心，存储器用来存储数据和程序，I/O单元是CPU与现场I/O设备或其他外部设备之间的连接部件，电源提供电力，编程器用于对程序编辑，其他接口用于扩展PLC的功能。3-6 PLC控制系统设计步骤一般分为哪几步？答：选择用户输入/输出设备；选择PLC；分配I/O点，绘制输入/输出端子的连接图；设计控制程序；如果必要设计操作台等；编制控制系统的技术文件。3-9数字PID控制器的参数整定方法有哪些？答：凑试法确定PID调节参数；实验经验法确定PID调节参数。3-10简述嵌入式系统的组成？答：嵌入式系统组成包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器/微处理器，存储器，电源模块，外围电路及外设器件，I/O端口，图形控制器；软件包括操作系统和应用程序。3-11简述嵌入式系统的软硬件协同设计方法？答：需求分析和描述；设计建模；软硬件划分；软硬件协同设计；软硬件实现和综合；软硬件协同测试和验证。3-12简述计算机控制系统的设计思路？答：确定系统总体控制方案；建立数学模型并确定控制算法；选择微型计算机；控制系统总体设计；软件设计；系统调试。5-1接口的定义及作用答： 定义：机电一体化系统由许多要素或是子系统构成，各要素或子系统之间必须能够顺利进行物质、能量和信息的传递与交换。各种要素或各子系统相接处必须具备一定的联系条件，这些联系条件称为接口。作用：1.通过输入输出接口将其人、自然及其他系统相连；2.通过许多接口将系统构成要素联系为一体。5-2.按接口所联系的子系统不同，以信息处理系统（微电子系统）为出发点将接口分为哪几类？各自特点是什么？答： 按微电子系统分为人机接口和机电接口；人机接口特点：人机接口包括输出与输入接口两类，通过输出接口。操作者对系统的运行状态、各种参数进行监测；通过输入接口操作者向系统输入各种命令及控制参数，对系统运行进行控制。机电接口特点：机电接口按信息传递方向可分信息采集接口与控制量输出接口。计算机通过信息采集接口接收传感器输出信号，检测机械系统运动参数，经过运算处理后，发出有关控制信号，经过控制输出接口的匹配、转换、功率放大、驱动执行元件来调节机械系统运行状态，使其按要求动作。5-3.输入接口可以有哪些方法？各自适用什么场合？答：（1）简单开关输入接口；（2）键盘输入接口简单开关输入主要用于一些二值化的控制命令和参数；键盘输入主要用于操作者需要输入指令或参数比较多时。5-4.ADC0809的结构及工作原理是什么？答： ADC0809是一种8路模拟量输入8位数字量输出的逐次逼近法A/D器件。工作原理：其内部除A/D转换部分，还有模拟开关部分。多路开关有8路模拟量输入端，最多允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换。8路模拟开关切换由地址锁存和译码控制，3根地址线与A、B、C引脚直接相连，通过ALE锁存。5-5.控制量输出接口的作用是什么？有那些种具体形式？各自使用什么情况？答：作用：控制微机通过信息采集接口检测机械系统的状态，经过运算处理，发出有关控制信号，经过控制输出接口的匹配、转换、和功率放大，驱动执行元件去调节系统的运行状态，使其按设计要求运行。具体有：（1）模拟量输出接口；（2）功率驱动接口。使用情况：（1）模拟量输出使用在被控对象要求模拟量作为控制信号，如交流电动机变频调速、直流电动机调速器，而计算机系统是数字系统，不能输出模拟量的时候。（2）功率驱动主要把微机系统后向通道的弱电控制信号转换成能驱动执行元件动作的具体一定电压和电流的强电功率信号或液压气动信号。5-6.什么是电磁兼容性？答： 电磁兼容性是指设备在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态，即该设备不会由于受到处于同一电磁环境中其他设备电磁发射导致或遭受不允许的降级。5-7.何谓电磁干扰？电磁必须干扰具备条件是什么？答：电磁干扰是指系统在工作过程中出现的一些与有用信号无关的，并且对系统性能或信号传输有害电气变化现象。具备条件：（1）存在干扰源；（2）有相应的传输介质；（3）有敏感的接收元件。5-8.电磁兼容性设计的目的是什么？如何进行？答：电磁兼容性设计是应用那些已由理论和实践证明，能保证系统相对免除电磁干扰的设计方法，对干扰加以控制。？5-9.电磁干扰有哪三种形式？并举例说明？答：电磁干扰形式：（1）电容性耦合（2）电感性耦合（3）电磁场耦合5-10.在电磁辐射耦合中，如何判别干扰源的性质？答：常把干扰源通过电场耦合看成电容性耦合（电场耦合），通过磁场的耦合看点成电感耦合，电场和电场同时存在则为电磁场耦合。5-11.为了抑制电容性、电感性和电磁场三种耦合形式，应分别采取何种有效措施？答：常用的方法有滤波、降低或消除公共阻抗、屏蔽、隔离等5-12 、常见的抑制电磁干扰措施有哪些？答：常用的方法有滤波、降低或消除公共阻抗、屏蔽、隔离。5-13、如何进行电场屏蔽，磁场屏蔽？答：电场屏蔽：利用金属屏蔽体可以对电场起到屏蔽作用，屏蔽体必须完善并良好地接地。最好用低电阻金属（铜、铝）做成屏蔽罩，并使之与机壳（地）可靠相连。磁场屏蔽：低频磁场屏蔽：采用磁屏蔽，用铁磁材料制成管状或杯状罩进行磁场屏蔽，这样可以将磁场干扰限制在屏蔽罩内，也可以使外界低频干扰磁场对置于屏蔽罩内的电路和器件不产生干扰。还可以利用双绞线予以消除。高频磁场屏蔽：采用低电阻率的金属良好导体材料来屏蔽，把金属导体做成金属盒，把线圈包围起来，则线圈电流产生的高频磁场在金属盒内壁产生涡流，从而把原磁场限制在盒内，不至于外泄漏。金属外的高频磁场同样由于涡流的作用只能绕过金属盒，不能进入盒内，从而屏蔽了外界的干扰。5-14、接地系统分为几类？举例说明。答：接地系统分为保护地线、工作地线、地环路和屏蔽接地。电气设备的机壳、底盘接地等5-15、如何实施软件抗干扰？答：（1）数据采样的抗干扰设计： 1.抑制工频干扰； 2.数字滤波 （2）程序运行失常的软件抗干扰设计： 1.软件陷阱法； 2.WTD技术法6-1简述机电一体化系统设计流程。P268答：第一阶段：产品规划。对产品进行需求分析、需求设计与可行性分析；第二阶段：概念设计。拟定总体方案、划分功能模块以及对方案进行论证、确定模块设计目标；第三阶段：详细设计。对各功能模块和接口细部设计，并对所做的设计进行总体评价；第四阶段：设计实施。制造、装配和编制各功能模块并进行调试，以及对系统进行整体安装调试与可靠性、抗干扰性复核第五阶段：设计定型阶段。对系统进行工艺定型，编写技术文档资料。6-2开发性设计、适应性设计、变型设计有何异同? P271答：开发性设计是在工作原理、结构等完全未知的情况下，设计出质量和性能方面满足目的的要求的新产品，是一种完全创新的设计。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，以使产品的性能和质量增加某些附加价值。变型设计是在已有产品的基础上，针对原有缺点或新的工作要求，从工作原理、功能结构、执行机构类型和尺寸等方面进行一些变异，设计出新产品。6-3何谓概念设计？简述其具体设计步骤。P275答：在确定任务之后，通过抽象化，拟定功能结构，寻求适当的作用原理及其组合等，确定出基本求解途径，得出求解方案，这一部分设计工作叫做概念设计。步骤：第一阶段：分析阶段。明确设计任务，求总功能和总功能分解。 第二阶段：综合阶段。寻找子功能解，原理解组合。