电大本科机电一体化系统设计基础复习指导二试题类型说明

1、机电一体化系统设计基础复习指导(一)一一课程重点课程重点机电一体化系统设计基础课程是一门综合性课程。本课程介绍机电一体化的基本概念和系统组成，机电一体化系统设计的基本理论和方法。重点介绍机电一体化系统中的机械技术、计算机技术、 伺服驱动技术、传感测试技术，并通过典型机电一体化产品的实例分析，进一步说明机电一体化 系统的设计思路和方法。因此，在进行期末复习时，也要根据课程的脉络，抓住重点，以取得良 好的学习效果。本文将列出课程各章重点，供同学们复习时参考。试题类型将在机电一体化系统 设计基础复习要点(二)中给予说明。第一章概论1 .机电一体化技术的定义机电一体化技术是微电子技术、计算机技术、信息

2、技术与机械技术相结合的综合性高新技术，是机械技术与微电子技术的有机结合。2 .机电一体化系统的基本结构要素机电一体化系统一般包括 6个基本结构要素：机械本体、能源、测试传感部分、执行机构、驱动 部分、控制及信息处理单元。应掌握这些基本结构要素的构成，在机电一体化系统中所起的作用，以及系统对基本结构要素的 要求。对于一般的机电一体化系统应能够熟练分析系统中的各个部分分别属于系统的哪一基本结 构要求。3 .机电一体化的相关技术机电一体化的相关技术有：机械技术、计算机与信息处理技术、系统技术、自动控制技术、系统 技术、自动控制技术、传感与检测技术。伺服驱动技术。应了解各项相关技术在整体系统中的作用。

3、第二章系统设计方法及工程路线机电一体化产品的设计方法和工程路线包括以下14个基本步骤：(1)拟定产品(设计)目标，确定初步技术规范。(2)收集资料，市场分析，可行性分析，技术经济性分析。(3)初步设计(总体方案设计)。(4)初步设计方案的评审、评价(不满意，修改)。(5)确定数学模型(理论分析)。(6)详细设计(样机设计)。(7)详细设计方案评审、评价(不满意，修改)。(8)试制样机。(9)样机试验，测试。(10)技术评价与审定(不满意，修改)。(11)小批量生产。(12)试销。(13)正常生产，收集用户意见。(14)销售，收集用户意见。其中(1)至(4)为总体方案设计阶段：(5)至(8)为详

4、细设计阶段；(9)至(11)为样机测 试阶段；(11)至(14)为生产销售阶段。整个设计过程要经过3次设计，3次评审，以确保设计质量。其中详细设计是机电一体化产品设计与开发过程的核心内容。它包括系统总体设计、业务 的分组、机械本体及工具设计、控制回路设计、程序(软件)设计、后备系统设计、完成设计说 明书、使用说明书等产品文件等。第三章机电一体化机械系统重点掌握机械传动系统中惯量、阻尼、刚度、间隙等机械参数对伺服控制系统性能的影响，以及 折算惯量、驱动力等参数的计算方法。重点在于如何为系统选择合理的传动方案、合适的传动元 件，而不是具体传动元件的结构设计。1 .对传动系统的要求伺服控制对机械系统

5、的要求：传动精度、稳定性、快速响应性、可靠性。机械系统的主要性能取决于传动类型、传动方式、传动精度和可靠性。2 .机械传动系统的主要特性(1)转动惯量 转动惯量对系统动态特性的影响；系统等效转动惯量的计算方法。(2)阻尼阻尼对系统动态特性的影响；机械系统的阻尼比。(3)刚度刚度对系统动态特性的影响。3 .减小传动链误差的措施(1)提高零件本身的制造精度可以减少传动误差和回程误差。(2)合理地设计传动链；(3)采用消除间隙机构可以减少回程误差。螺纹传动间隙的消除机构，齿轮传动侧隙的消除机构，滚珠丝杠螺母间隙的调整机构等。4 .机械传动装置(1)齿轮传动及系统传动比的分配。(2)滚珠丝杠及选用。第

6、四章动力驱动及定位1 .驱动装置的技术要求(1)精度传动系统中的传动误差和回路要对控制系统性能产生影响，而各个环节的误差因其在 系统中所处位置不同，对系统输出的精度的影响是不同的，且同一环节误差的高频分量和低频分 量对输出精度的影响也不同。(2)稳定性 闭环控制可以提高系统的精度和综合性能，但必须考虑稳定性问题。稳定性与系统 的阻尼情况、结构、固有频率、回路误差及一些环境因素有关。在设计驱动装置时，应考虑传动 比分配、惯量的分布、阻尼大小及系统的刚度等因素的影响。(3)响应速度 响应速度主要取决于系统的频率特性和系统的加速度。提高固有频率，减少阻尼 提高驱动元件的输出力都有利于提高系统的响应速

7、度。(4)可靠性2 .步进电机(1)步进电机如何实现速度控制控制输入脉冲的数量、频率和电机绕组的相序，即可得到所需转动的速度和方向。(2)步进电机的类型和通电方式步进电机有反应式、永磁式和混合式三种类型。三相步进电机的通电方式主要有三相三拍、三相 双三拍和三相六拍。(3)步进电机的主要特性特性指标：步距角、最高启动频率、最高连续工作频率等；静态特性与动态特性(4)步进电机的电源步进电机的电源由变频信号源、脉冲分配器和功率放大器组成。(5)步进电机的应用常用于自动化仪表和小功率伺服系统，实现开环的位置或速度控制。(6)步进电机的选择按位置精度要求确定步距角、计算负载转矩、计算换算转动惯量、选择启

8、动和工作频率、按矩频特性曲线校验电机力矩。3 .直流电机直流电机分为永磁式和电磁式两种，电磁式的磁场由激磁绕组产生，永磁式的磁场由永磁体产生。(1)直流伺服电机的主要特点：a.具有较大的起动转矩、功率大，响应速度快。b.输出力矩与控制电流成正比，输出转速要受到负载变化的影响。c.可通过闭环实现转速、位置、力矩的伺服控制。d.具有良好的调速性能，范围宽广。e.常采用线形驱动和脉宽调制驱动两种驱动方式(2)直流电机的选择负载力矩的计算、折算、惯量的计算、电机性能转速及功率的计算等。4 .常用动力驱动系统的特性及选择方法。步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机、电液伺服元件、气压伺服元件等常用驱动元件

9、的主要特性，适用场合及成本。第五章计算机技术1 .开放式体系结构及特点基于国际上流行的工业标准微机总线结构，针对不同的用户系统的要求，选用相应的有关功能模板组合成用户的应用系统。主要特点：向未来的 VLSI开放，向不同用户层次开放；向特殊用户开放；采用模块式结构。2 .工业控制机的分类及特点(1)工业控制机的分类工业控制机的主要类型：可编程序控制器；单、多回路调节器；微型机测控系统；单片机微控器；分散型控制系统。(2)工业控制机的主要特点：丰富的过程输入/输出功能；实时性；高可靠性；良好的环境适应性；丰富的应用软件；技术结合性。3 . STD总线的特点和主要工作模式(1)主要特点a.小板结构，

10、高度模块化，可靠性高，结构灵活，硬件冗余小，成本低；b.严格的标准化，广泛的兼容性；c.面向I/O设计，非常适用工业控制应用；d.高可靠性；(2)工作模式a.独立工作模式；b.作为其他计算机的前端控制机；c.构成分布式组合。4 . STD总线的I/O子系统(1)开关量I/O模板用于I/O信号的测量与控制；(2)模拟量I/O模板用于外部模拟量的采样或输出模拟量的控制；各类开关量I/O模板的构成和功能；典型 A/D模板、D/A模板的组成和功能。第六章传感器技术1 .传感器的基本特性(1)传感器的静态精度指标；(2)传感器的输入、输出特性。2 .典型传感器及其应用(1)位移传感器电位器式位移传感器的

11、特点与应用；光电编码器式位移传感器的特点与应用，测量方案的选择。(2)速度传感器直流测速发电机的特点与应用；光电编码器式速度传感器的特点与应用，测量方案的选择。第七章机电一体化系统设计与综合1 .典型机电一体化系统实例分析工业机器人、数控设备等典型机电一体化系统的结构及功能分析。2 .机电一体化系统设计与综合(1)执行机构与驱动元件执行机构的运动分析；各类驱动元件的特点；执行机构与驱动元件的匹配。(2)驱动方式与传感器传感器的选择与测量方案的确定应全面考虑：传感器的基本特性；驱动元件的类型；执行机构的 传动方式。(3)控制方式与计算机制定控制方案应综合考虑：控制系统的功能和主要性能指标；产品成

12、本、生产周期；可靠性和环 境适应性。不同类型的产品应有不同的侧重电。(4)系统与工作环境机电一体化系统设计基础复习指导(二)试题类型说明试题类型说明试题按大纲要求，其题型包括填空题、简答题、分析题、计算题和综合题等，具体说明如下： (一)填空题此类型试题考查学生对基本理论的理解、对常用的重要概念及公式的掌握程度。题型举例：1 .机电一体化系统常用的能源有 、和。2 .在多级传动中，为了减小传动误差，传动比的分配应遵守 原则。对于例1,应填电源气压源液压源(可不分次序)对于例2,应填前小后大(二)简答题简答题考察学生对基本概念、基本知识的掌握情况，要抓住问题的要点进行回答，不需要过于具 体地描述

13、。题型举例：试述机电一体化产品的定义和分类方法。解答：机电一体化产品是新型机械与微电子器件，特别是与微处理器、微型计算机相接合而开发 的新一代电子化机械产品。按用途可分为信息机电一体化产品、产业机电一体化产品和家庭用机电一体化产品。(三)分析题题型举例：试分析比较直流测速发电机和光电编码器做转速测量的特点。解答：直流测速发电机由永久磁铁与感应线圈组成，用电枢获取速度信号。它具有灵敏度高、结 构简单等特点，常用于高精度低速伺服系统，也可与永磁式直流电动机组成低速脉宽调速系统。 直流测速发电机的输出信号是与输入轴的转速成正比的直流电压信号，信号幅度大，信号调理电 路简单。由于输出电压信号有波纹，一

14、般需要配置滤波电路。光电编码器(增量式)主要由旋转孔盘和光电器件组成。它具有体积小、使用方便、测量精度高 等特点，常与直流电机配合使用构成脉宽调速系统。增量式光电编码器输出的是与转角成比例的 增量脉冲信号，可以通过脉冲计数获得角位置信号，也可以定时取样脉冲数的增量实现角速度测 量。因此，可以同时测量转角和转速。(四)计算题题型举例：例：如图所示电机驱动系统，已知工作台的质量为m=50Kg,负载力为轮减数比为i=5,总效率为的影响，试计算电机的驱动力矩。解：总负载力包括以下几部分,忽略丝杠惯量，最大加速度为(1)外负载力10m/s，丝杠直径为d=16mm,导程t=4mm,齿(2)惯性载力(五)综合题题型举例：已知电机驱动的三自由度