机电一体化系统设计简答题

1、CHAPTER 11. 系统的定义：广义上，系统定义为两个或两个以上事物组成相互依存，作用，共同完成 某种特定功能或某种事物现象的一个统一整体的统称。在工程领域，系统可以是电，机 械，液压，气动，热，生物及医学的，或者是其中某些的组合。2. 机电一体化系统： 按照机电一体化的方法设计出来的机械与电子的紧密结合的产品或系 统，机电一体化系统包含机电一体化系统和产品。处理机与电的关系： 1代替机械系统 2简化机械系统 3 增强机械系统 4综合机械系统3. 系统数学模型，线性定常确定性动态系统数学模型 数学模型是机电一体化系统在信号传递过程中的动态特性的数学表达式的描述。4. 开发机电一体化系统的依

2、据：需求牵引，技术推动。其中市场推动为主要向导，其次是 技术向导。5. 机电一体化系统结构包含的模块： 1 机械受控模块，起承接，传递力和运动作用。 2 测 量模块，用来采集和系统有关状态和行为的信息。 3 驱动模块，改变驱动力改变系统的 运行状态。 4 通信模块，实现系统内部，外部通信。 5 微计算机模块，处理由测量模块 和接口模块提供的信息。 6 软件模块，控制计算机模块的工作。 7 接口模块，系统内部 各级之间的信息交换。6. 典型的机电一体化系统： 1 机械手关节伺服系统 2 数控机床 3 工业机器人 4 自动导引 车 5 顺序控制系统 6 数控自空化制造系统 7 微机电系统。7. 机

3、电一体化的设计依据评价指标： 1 系统功能：即所设计的产品是用来干什么的应具有 那些基本功能和主要操作。 2 性能指标：每一项功能都应满足一定的性能指标。 3 使用 条件，任何系统都是在一定的条件下运行的，其中包括环境条件和人员因素。 4 经济效 益，不仅要包括产品的成本， 也要考虑推向市场前的费用， 保险消耗以及售后维修消耗。8. 概念设计的主要特征： 1 创新工艺； 2 工艺可实现性； 3 多样性； 4 层次性； 5 避免不良 结构性； 6 反复迭代性。9. 机电一体化产品设计的主要阶段： 1 市场调研、需求分析和技术预测； 2 概念设计； 3 可行性分析； 4 编制设计任务书； 5 初步

4、设计方案设计； 6 方案设计评估与优化； ；7 详细设计和参数核算； 8 完成全部设计文件。/*/Chapter21 机械传动转动装置的作用：机械传动装置与支持导向等部件，在系统中具有传动和负责、 匹配转矩和转速、隔离环境温度和震动，以及支撑和仿佛等特殊作用和功能。2 齿轮副、蜗轮蜗杆副、以及滚珠丝杠螺母副的特点：1 齿轮系及蜗杆副他们工作可靠，传动比恒定， 结构成熟制找复杂。 齿轮传动瞬时传动比不变，主动轮做匀速转动，从动轮也做 匀速转动； 2 蜗轮蜗杆副在一定意义上可以看作特殊的齿轮， 只能用于传递空间垂直交错轴 之间的回转运动。传动平稳、噪声小、可自锁，但传动效率低，功率损失大。 3 采

5、用滚动 摩擦代替滑动摩擦，磨损小、传动效率高、传动平稳、寿命长、精度高、温升低的优点。3 消除齿轮副间隙的措施：齿轮副的间隙使得在传动过程中，主动轮突然改变旋转方向时， 从动轮不能随之立即随之反转， 而是有一个滞后量， 造成齿轮传动的回差。 这种非线性因素 将会影响全闭环伺服系统的稳定性。消除齿轮副间隙的方法有：刚性调整法和柔性调整法。4 谐波齿轮减速器有哪几种机构类型：有刚轮固定，柔轮固定和波发生器固定的传动形式。 从波发生器来看 ,可分为单啮合区谐波齿轮传动和双波传动。5 简述并联机构：具有多个运动自由度，且驱动器分配在不同环路上的闭式多换机构。6 简述机械传动系统对轴的要求： 1 回转精

6、度含轴向精度要求； 2 静刚度， 即单位变形量所 需的静载荷大小。 3动特性，即轴系抵抗冲击、振动、噪声的特性。 4 热特性，轴系的热特 性主要参数热源强度、 温升及工作部位的热位移。 故还需考虑轴的支撑形式和轴的质量分布。7 滚珠式和滚柱式滚动导轨的各自的特点：前者为点接触，摩擦阻力小，但承载能力差，刚度低。 滚柱式为接触式， 摩擦阻力大，对导轨面的平行度误差较敏感， 易产生侧向偏移和滑 动二引起应力集中和磨损，但是承载能力较高，刚度大， 导向性能好。 滚动体的材料为滚动 轴承钢。8 谐波齿轮的特点： 1 结构简单，体积小，重量轻，传动效率高； 2 传动比范围大； 3 同时 啮合的齿数多，运

7、动精度高，承载能力大； 4 运动平稳，无冲击，噪声小； 5 齿侧间隙可以 调整； 6 可以实现向密闭空间传递运动及动力； 7 可实现高增速运动； 8 方便地实现差速传 动。/*/Chapter31 测量模块：由传感器、信号调理电路以及测量系统等组成，设计系统状态和行为的信息采 集与处理技术。 它的作用是将机械结构的模块状态和性能参数变换为电信号， 并进行必要 的信号转换和信息处理，提供给检测或控制。2 简述传感器静态特性的主要技术指标：传感器交换的被测量的数值处在稳定状态时，传感 器的输入 / 输出关系称为传感器的静态特性。描述传感器静态特性的主要技术指标是：精 度、线性度、误差、重复性、可复

8、现性等。3 机电一体化系统对传感器的性能要求包括那些： 机电一体化系统对传感器的性能要求包括1 准确性、快速性； 2 精度适当，线性度好； 3 响应时间短，通频带宽； 4 稳定性好，具 有一定的过载能力； 5 经济实用能力，成本低，寿命长。4 实际中那些技术可以改善传感器的性能： 1 差动技术，可消除零位输出和偶次非线性项抵 消共模误差，减小非线性。 2 平均技术，有误差平均技术和数据平均处理。利用 N 个传感 器单元同时感受被测量，因而输出将是这些单元的总和。 3 稳定性处理，传感器作为长期 实用原件器稳定性特别重要，故因该进行必要的稳定性处理。4 屏蔽、隔离措施可以抑制电磁干扰。另外如隔热

9、、密封、隔振等措施可削弱温度、湿度和机械振动的影响。 5 密闭 技术，将反馈控制技术与传感器相结合，可以构成闭环测量系统。5 传感器系统的动态特性的频域指标的内容： 1 谐振角频率； 2 谐振峰值； 3 复现频率； 4 闭环截止频率。6 机电一体化系统动态性能的参数设计原则： 1 足够高的谐振频率； 2 高刚度和低转动惯量；3 适当的阻尼比； 4 尽可能小的传动间隙； 5 良好的摩擦特性。7 传感器阈值：传感器能产生输出变化的被测量的最小变化量 /*/Chapter4 51 直流电机的驱动电路的作用以及分类： 即功率放大器， 是用于放大控制信号并向电机提供 必要能量的电子装置。 它的性能直接影

10、响系统性能。 功率放大器应提供足够的功率， 具有 相当宽的频带和尽可能高的效率。 目前广泛应用的半导体功率放大器主要有直线功率放大 器和 PWM 功率放大器。2 选择放大器开关频率注意事项： 1 开关频率因该尽可能的高。因该在所选频率下，使电枢 电感的电抗远大于电枢电阻， 以使电流变化尽可能小。 这对希望低速轻载时电流也能连续 尤为重要。 2 必须比系统频带大 10 倍以上，以免影响系统性能。 3 远大于各个环节的共振 频率。 4 在满足前三条件下，选择较低频率的开关，以降低开关原件的开关损耗。3 动稳态区： 步进电机但呼入单脉冲时， 电机从一种通电状态切换到另一种状态而不引起失步的区域。4

11、步进电机驱动电路的要求： 1 能提供快速上升和快速下降的电流， 史电流波尽量接近矩形；2 具有截至期间释放电流的回路，以降低相绕组两端的反电动势，加快电流衰减； 3 低功 耗，高效率。除此外，在一些特殊要求的应用场合，为了提高步进电机分辨率，减小过冲 和抑制振荡，还应有细分电路。5 步进电机的速度控制：步进电机由输入的电脉冲信号控制，每当电机绕组收到一个脉冲， 转子就转过相应的角度。 其角度与输入的脉冲数严格 成正比，在时间上与输入脉冲同步。 因而只要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。6 根据工作原理步进电机的分类，特点： 根据工作原理分为反应式、永磁

12、式和永磁感应式三类。7 一般伺服电机与步进电机比较有那些特点： 步进电机可以实现直接数字控制， 在开环系统 中可以达到高精度的调速和定位，位置误差不会积累。8 永磁同步电机特点：调速范围宽、启动迅速、机械特性和调节特性线性度好、寿命长、维 护方便、可靠性高、噪声小、不存在换向火花，不会产生对无线电信号干扰，可用于直流 电动机不能应用的易燃易爆场合，但其控制结构复杂，成本较高，低速时均匀性较差。9 Pwm 放大器中 保护功率管的措施：一般晶体管导通时，其导通电压会随电流的增大而 升高， 尤其是过流时，导通电压会急剧升高， 利用这一特性， 可在晶体管导通时检测其导 通压降，当期高于某一设定值时，便

13、关断晶体管，达到保护目的。 晶体管饱和导通压降检测保护法中与非门的作用是晶体管家导通信号时，检测才其作用， 以免晶体管关断时造成误判。10 霍尔效应：当金属或半导体薄片置于磁场中，有电流流过时，在垂直电流和磁场的方向 上将产生电动势的现象。11 简述光电编码器式传感器工作原理和特点：分为绝对编码器和增量编码器两种类型。增 量编码器是旋转码盘给出一系列脉冲， 然后根据旋转方向对这些脉冲经行加减计数， 来表 示转过的角位移量。 增量编码器具有结构简单，价格低， 精度易于保证等优点。绝对编码 器用于 360 度内角位移的测量，测角精度为数秒，随着分辨率的提高，要求码道数增加， 刻画难度增大。12 A

14、D 转换器的用途和原理： AD 转换器是模拟信号源与计算机或其他数字系统之间联系的 桥梁，它的任务是将连续变化的模拟信号转换为数字信号，以便计算机或数字系统处理、 存储、控制和显示。应用最多的是积分型和足位逼近型。1 前者对常态干扰有很强的抑制作用， 尤其对正负对称的干扰信号。 适用于模拟信号变化比较缓慢的场合， 采样速率要求 低，而对精度要求高，或现场干扰严重的场合。 2 后者转换速度快，转换时间固定不随输 入信号的变化而变化；抗干扰能力相对积分型的差。13 何为 DDA 算法：即以数字量表达加速度、速度以及位置坐标，采用求和公式计算加速度 到速度和速度到位置的数值积分，从而产生运动控制指令

15、。/*/Chapter6 7 81 全闭环伺服系统： 在具有减速的位置伺服系统中， 根据位置反馈传感器安装位置不同， 伺 服系统可以分为半闭环和全闭环伺服系统， 直接测量位置的系统为全闭环伺服系统， 能十 分良好的控制输出精度。2 伺服系统的性能指标及内容： 指标包括静态和动态两个方面， 静态指标含静态误差和静态 刚度；动态指标含系统频带、阻尼比或 时域指标，如过度时间、超调量； 伺服系统的 刚度指输出轴的单位位置误差所能承受的负载转矩。2 PID 控制器中 P. I. D 分别代表： P 是开环增益，降低系统稳态误差，增加系统通频带宽， 但是会使系统变得不稳定。 I 的作用是使系统增加一阶纯

16、积分，从而提高系统一个无静差 度，但使系统相位裕量减小，稳定性变差。 D 的作用是系统提供阻尼，增加稳定性，同时 增加了高频增益，使系统的高频噪声放大，影响系统正常工作。3 电流环的作用：通过调节功率放大器的输出电压，使电动机的转矩跟踪希望的设定值。 此外， 电枢电流负反馈可以引起故障保护作用， 即使电动机处于堵转状态， 电枢电流也不 会上升到足以毁坏电机。4 PLC 的扫描工作机制：即检测输入变量、求解当前控制逻辑以修正输出指令，都是按定 义和设计，连续和重复地进行。描写顺序控制的方法：语句表、流程图、梯形图、顺序功能图、状态图、过程定时图以 及逻辑语句。6 连续路径控制：为了控制工具沿任意曲线或直线运动，必须控制每个轴的位置和速度， 使得它们同步协调达到目标点。这样的运动控制称为连续路径控制。7 点为控制： 在加速度允许的前提下， 尽可能以最大加速度由坐标原点运动到目标坐标位置， 对于两点间的轨迹没有要求。 （路径：只代表与轨迹有关的位置信息，轨迹代表空间直角 坐标系或机器人连杆坐标系中运动的位置时间曲线， 是具有适当速度和加速度信息的 路径