机电一体化习题答案

1、第1章 机电一体化概论 11.1 机电一体化的概念 1 机电一体化的发展历史 1 机电一体化系统的特征 2 机电一体化的意义 51.2 机电一体化的技术基础 6 机械设计和制造技术 6 微电子技术 6 传感器技术 6 软件技术 7 通信技术 7 驱动技术 7 自动控制技术 7 系统技术 81.3 机电一体化的发展及应用概况 8习题与思考题 10第2章 精密机械技术 112.1 概述 11 机电一体化对机械系统的基本要求 11 机械系统的主要组成 122.2 传动机构 12 传动机构的性能要求 12 精密传动机构滚珠丝杠副 12 齿轮传动 18 同步带传动 20 间歇传动 222.3 导向机构

2、23 导轨副的组成及种类 23 导轨的基本要求 24 滑动导轨副 27 滚动直线导轨副和圆柱直线滚动导轨副 31 静压导轨副 332.4 执行机构 34 执行机构及其技术特点 34 电磁执行机构 34 压电驱动器与超声电机 39 微动机构 47 液压机构 51 气动机构 57习题与思考题 62第3章 工业控制计算机 643.1 概述 64 机电一体化对控制系统的基本要求 64 机电一体化控制系统的类型、特点与选用 643.2 工控机的特点、组成及总线 67 工控机及其特点 67 工控机的组成 67 工控机的ISA总线和PCI总线 693.3 工控机的主板 793.4 工控机的接口卡 79 模拟

3、量输入/输出卡 79 数字量输入/输出卡 85 运动控制卡 85 RS-232/RS-485模块 89 CAN总线接口卡 913.5 工业组态软件 94 工业组态软件简介 94 工业组态软件设计的基本步骤 96 工业组态软件的设备连接与测试 96 工业组态软件的报警显示 973.5.5 工业组态软件实现实时数据、历史数据、实时曲线与历史曲线的显示 97 工业组态软件的工程安全机制 973.6 工控机与组态软件的应用 98习题与思考题 99第4章 基于单片机的控制器 1014.1 MCS-51单片机 1014.2 模拟数据采集 101 传感器 102 多路模拟开关 102 放大器 103 采样/

4、保持器 1034.2.5 A/D转换器及其与单片机接口 1034.3 模拟数据输出 1124.4 功率输出 115 功率晶体管接口 115 光电耦合器隔离 116 双向晶闸管接口 1174.5 单片机现场控制器 1174.6 其他嵌入式处理器 119习题与思考题 120第5章 可编程序控制器 1225.1 顺序控制系统及其实现 122 顺序控制系统 122 顺序控制系统的实现 1245.2 可编程序控制器基础 124 可编程序控制器的结构及分类 124 可编程序控制器的输入/输出模块 127 可编程序控制器的工作机制 130 可编程序控制器的编程语言 131 与其他顺序逻辑控制系统的比较 13

5、4 可编程序控制器的应用概况 1355.3 三菱FX2N系列可编程序控制器及其指令系统 136 三菱可编程序控制器概述 136 三菱FX2N系列可编程序控制器的软组件及其功能 138 三菱FX2N系列可编程序控制器的指令系统 1475.4 可编程序控制器的基本应用 1595.4.1 PLC控制系统设计的基本内容和步骤 159 编程方法及编程规则与技巧 160 常用和基本环节编程 163 应用实例 1685.5 可编程序控制器的高级应用 173 可编程序控制器的通信及网络 173 可编程序控制器的人机界面 175习题与思考题 176第6章 传感器与计算机接口 1796.1 概述 179 传感检测

6、装置在机电一体化系统中的作用 179 传感检测装置的组成 1796.2 机电一体化系统中的常用传感器 180 传感器的定义与分类 180 机电一体化系统中的常用传感器 180 智能传感器 1936.3 传感器与计算机接口技术 194 数字型传感器与计算机的接口及实例 194 模拟型传感器与计算机的接口 195习题与思考题 197第7章 动力驱动及其计算机控制 1987.1 概述 198 机电一体化系统中执行装置的特点 198 电力电子技术在执行装置中的应用 198 机电传动系统建模 1997.2 电力电子技术应用基础 203 晶闸管及其驱动电路 203 功率晶体管及其驱动电路 206 功率场效

7、应晶体管及其驱动电路 208 IGBT及其驱动电路 2117.3 直流传动控制系统 213 直流电机的晶闸管驱动控制 213 直流电机的全桥驱动控制 216 直流电机调速和伺服控制 2177.4 交流传动控制系统 218 交流电机控制原理 218 交流伺服电机的驱动原理 2197.5 步进传动控制系统 221 步进电机的原理和结构 221 步进电机控制 223习题与思考题 226第8章 生产过程自动化技术 2288.1 概述 228 基本概念 228 自动化制造系统的常见类型 2298.2 自动化加工设备 231 组合机床 231 一般数控机床 231 车削中心 232 加工中心 2338.3

8、 工件储运系统 234 存储设备 234 工件输送装置 2398.4 检验过程自动化 253 概述 253 加工过程中的自动检验装置 255 自动补偿装置 259 检验自动机 2618.5 辅助设备 264 提升装置 264 分路装置 265 小零件的转向和定向装置 267 大零件的转位装置 269 断屑装置 2718.6 自动化制造系统的控制系统 273 FMS的信息流 273 制造过程的协调控制 275 加工过程监控 2798.7 计算机集成制造系统 279 基本定义 279 计算机集成制造系统的基本组成 279 计算机集成制造系统的递阶控制模式 282习题与思考题 284第9章 机电一体

9、化系统的常用控制策略 2859.1 模拟PID调节器 2859.2 数字PID控制器 286 数字PID位置型控制算法 286 数字PID增量型控制算法 2889.3 数字PID控制算法的改进 290 积分分离PID控制算法 290 遇限削弱积分PID控制算法 292 不完全微分PID控制算法 293 微分先行PID控制算法 295 带死区的PID控制算法 2969.4 数字PID控制技术的应用实例 297 直线电机的数字PID控制 297 运动控制系统中位置环数字PID控制算法的改进实现 3009.5 其他智能控制 302 模糊控制 302 专家智能控制 317 自学习智能控制系统 318

10、基于神经网络的智能控制 318习题与思考题 319第10章 机电一体化系统设计方法与实例 32010.1 机电一体化系统设计方法学概论 320 机电一体化系统设计原则 320 机电一体化系统设计类型 321 机电一体化系统设计方法 321 机电一体化系统设计步骤 322 机电一体化系统的性能评价 32510.2 基于单片机的机电一体化控制系统设计案例 327 基于89C52 单片机的连续纸胶印机控制系统 327 基于P87C591单片机的温室控制单元 329 基于压力平衡原理的汽车燃油检漏仪 33010.3 基于PC机的机电一体化控制系统设计案例 332 基于机器视觉的晶振外壳缺陷在线抽检系统

11、 332 基于PC的并联机床控制系统 334 基于PC的开放式数控系统 33610.4 基于PLC的机电一体化控制系统设计案例 338 锅炉膜式水冷壁管屏自动焊接生产线控制系统 338 气动机械手控制系统 34010.5 机器人及其控制系统设计案例 343 液压挖掘机器人分布式测控系统 343 多自由度机器人的结构与控制系统 345 高速并联机械手位置控制系统 34610.6 机电一体化系统的综合设计实例 349 数控五轴联动激光加工机 349 机器人智能关节 354习题与思考题 363第一章1.什么是机电一体化？各国的主要观点有哪些？(P13)答：机电一体化技术综合应用了机械技术、微电子技术

12、、信息处理技术、自动控制技术、检测技术、电力电子技术、接口技术及系统总体技术等群体技术，在高质量、高精度、高可靠性、低能耗意义上实现多种技术功能复合的最佳功能价值的系统工程技术。2.试述机电一体化技术与传统机电技术的区别。(P2)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，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，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。3.试分析机电一体化系统的组成及相关技术。(P1

13、3) 答：机电一体化系统是多学科技术的综合应用，是技术密集型的系统工程。其技术组成包括：机械技术、检测技术、伺服传动技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术和系统总体技术等。现代的机电一体化产品甚至还包含了光、声、化学、生物等技术等应用。4.一个典型的机电一体化系统，应包含哪些几个基本要素？答：机电一体化系统，应包含以下几个基本要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。我们将这些部分归纳为：结构组成要素、动力组成要素、运动组成要素、感知组成要素、智能组成要素；这些组成要素内部及其之间，形成通过接口耦合来实现运动传递、信息控制、能量转换等有机融合的一个完整系统。

14、5.试述机电一体化系统的设计方法。 答：机电一体化系统的设计过程中，一直要坚持贯彻机电一体化技术的系统思维方法，要从系统整体的角度出发分析研究各个组成要素间的有机联系，从而确定系统各环节的设计方法，并用自动控制理论的相关手段，进行系统的静态特性和动态特性分析，实现机电一体化系统的优化设计。6.试述现代设计的概念。（P4）设计这个词有两种概念。广义的概念是指发展过程的安排，包括发展的方向、程序、细节和达到的目标。狭义的概念指的是将客观需求转化为满足该需求的技术系统的活动，各种产品包括机械产品的设计即属此类。现代设计是过去长期的传统设计活动的延伸和发展，是随着设计实践经验的积累，由个别到一般、具体

15、到抽象、感性到理性，逐步归纳、演绎、综合而发展起来的。由于科技进步的速度日益增快，特别是计算机技术的高速发展，人们在掌握事物的客观规律和人的思维规律的同时，运用相关的科学技术原理，进行过去难以想象的综合集成设计计算，使设计工作包括机械产品的设计过程产生了质的飞跃。8.现代设计方法有哪些？（P313）现代设计方法门类众多且不断出新。可按所研究解决的问题性质分为总体问题和个别性能问题两大类：1.研究总体设计的现代设计方法(1)设计方法学 (2)价值工程设计 (3)优势设计（4)绿色设计 (5)计算机辅助设计 (6)并行工程设计 (7)虚拟设计 (8)反求工程设计 (9)优化设计及其发展 (10)创

16、新设计技术 2研究产品性能的现代设计方法(1)工业产品艺术造型设计 (2)模块化设计 (3)相似性设计 (4)摩擦学设计 (5)三次设计 (6)人机工程设计 (7)智能设计 (8)动态设计 (9)可靠性设计 (10)有限元法 (11)机械疲劳设计 9.何为机电一体化系统的四视图设计？（P13）功能视图、结构视图、控制视图和信息视图第二章1.什么技术系统？什么是技术过程？什么是作业对象？(P27)例如，为了得到某种复杂形状的金属零件，可通过编程在加工中心上对坯料进行加工。坏料是作业对象，加工中心是技术系统，所完成的加工过程是技术过程。作业对象一般可分为三大类：物料、能量和信息2.确定技术过程的一

17、般步骤是什么？(P27)1)根据信息集约和调研预测的资料，分析确定作业对象以及主要转换要求。2)分析比较传统的和现代的理论和实践，确定实现主要转换的工作原理。3)明确实现技术过程的环境和约束条件。环境是与技术系统发生联系的总和，包括经济条件、生产条件、技术条件、社会条件等。4)确定主要技术过程和其他辅助过程。5)根据高效、经济、可靠、美观、使用方便等原则，初步规定技术系统的边界及工作范围。3.试述功能设计方法和主要步骤。(P2830)功能是对技术系统中输入和输出的转换所作的抽象化描述。只有用抽象的概念来表述系统的功能，才能深入识别需求的本质，辨明主题，发散思维，启发创新，总功能逐步分解为比较简

18、单的分功能，一直分解到不能再分解的功能元，形成功能树(一)功能分析(二)功能元求解1选择工作原理2构思功能载体(三)方案综合4.功能设计的工具有哪些？（P30）1设计目录(1)对象目录 (2)作业日录 (3)解法目录 2知识库(1)数据库 (2)设计词典 (3)手册 5.试分析设计与技术系统的关系。设计若是为了对作业对象完成某种技术过程，设计对象就是人造技术系统。第三章1.结构设计有哪些内容？（P78）宏观地看，结构设计大致有以下三方面内容: (1)功能设计 以各种具体的结构实现机电一体化系统的功能要求。 (2)质量设计 兼顾各种要求和限制，提高机电一体化系统质量和性能, (3)优化设计和创新

19、设计 充分应用现代设计方法系统地构造设计优化模型，用创造性设计思维方法进行机电一体化系统设计的优化和创新。 2.机电一体化系统中运动联系结构的基本单元有哪些？(P87) 需要联轴器、减速、变速装置及运动换向与转换装置等基本传动结构 3.滚动导轨副的品质用那几方面来衡量？(P108) (1)导向精度 导向精度是导轨副最基本的性能指标。移功件在沿导轨运动时，不论有无载荷，部应保证移动轨迹的直线性及其位置的精确性。各种设备对导轨副的平面度，垂直度及等高、等距的要求都有相应的规定或标准可以参照。 (2)耐磨性 导轨副应在预定的使用期内，保持其导向精度。精密滚动导轨副的主要失效形式是磨损。因此，耐磨性是

20、衡量滚动导轨副性能的主要指标之一。 (3)刚度 为了保证足够的刚度，应选用最合适的导轨类型、尺寸及其组合。选用可调整间隙和能够预紧的导轨副可以提高刚度。 (4)工艺性 导轨副要便于装配、调整、测量、防尘、润滑和维修保养。 4.结构设计品质是指在那些方面应注意的问题？（P116） 结构设计品质是指结构强度和静刚度、结构动刚度、结构热稳定性和结构工艺性等四大方面应注意的问题 第四章1.机电一体化系统中控制器的作用是什么？它的基本功能应包括那些？(P149150)机电一体化机械的控制器是一个以计算机为核心的测量和控制系统它将来自各传感器的检测信号与外部输人命令进行集中，存储、分析、转换，根据信息处理

21、结果，按照一定的程序和节奏发出相应的指令，控制整个系统有目的的运行。它的基本功能应包括以下几点:1)实时的信息转换和控制功能。2) 人机交互功能。3) 和机电部件接口的功能。4) 对控制软件运行的支持功能。2.单板机模式的控制系统有哪些特点？(P150) 1)结构形态的随意性。 2)空间位置的随意性。 3)形态规模的随意性。 4)最佳的经济性。 3.组合模式的控制系统有哪几种模式？(P150151) 采用商品化硬件模块通过总线母板组合成控制系统具有多种灵活的组成模式，它可以自成系统，即采用独立模式；也可以方便地作为其他小型、微型计算机的前端控制机，或者组成分布式系统的典型的分散系统。 4.在工

22、控机中对存储器有哪些要求？(P153) 像个人计算机存储代码和数据供CPU或其他设备读写 (1)可靠性高 即抗干扰能力强，能在恶劣的工业现场环境下准确进行读写操作。 (2)实时性好 能满足工业控制系统对存储器访问的要求。(3)功耗低 降低自然发热造成的温升，并可用电池供电。(4)数据存储器非易失性 这并不是对全局存储器的要求，但系统中至少有局部非易失数据段或程序代码段，以便能长期保存数据，并在系统突然停电后再重新启动时能迅速恢复现场运行5.I/O子系统的作用是什么？按其物理量的形式分成哪两大类？(P153154) 控制器除了基本系统以外，还应包括各种检测、控制量的输入输出接口，这部分功能称为I

23、/O子系统。按其物理量的形式来分，一般可分成开关量(数字量)I/O即DIDO、模拟量I/O即AI/AO两大类。 6.什么是总线？控制系统中包括哪些总线？各总线作用是什么？(P154155)所谓总线是指一组信号线的集合，是一种按规定协议传送信息的公共通道，由数据总线、地址总线、控制总线和电源总线组成。7.简述控制系统的基本组成。（P152155） (一)中央处理单元(CPU)(二)存储器(三)机电一体化控制系统的I/O子系统(四)人-机接口(五)系统支持功能(六)总线8.什么是计算机数控系统(CNC)？(P155)计算机数控系统简称CNC系统，它是用计算机通过执行其存储器内的程序来完成数控要求的

24、部分或全部功能，并配有接口电路、伺服驱动的一种专用计算机系统。9.计算机数控系统(CNC)由哪几部分组成？(P155)CNC系统由程序、输入输出设备、计算机数字控制装置(CNC装置)、可编程序控制器(PLC)、主轴驱动和进给驱动装置等组成，第五章 1.根据自动化机械的基本模型，简述信息流主要集中在那些子系统中？(P195) 信息流主要集中在人机界面、检测机构和控制器。 2.现代机械和传统机械最本质的区别是什么？(P195)现代机械和传统机械最本质的区别是现代机械中具有信息流。信息系统保证了机电一体化系统基本单元 (MEE)的正确运行，也使许多基本MEE耦合组成复杂的机电一体化系统。3.在机电一

25、体化系统设计中信息流的作用是什么？(P196) 信息系统保证了机电一体化系统基本单元 (MEE)的正确运行，也使许多基本MEE耦合组成复杂的机电一体化系统。信息流是软件总体设计的基础。 4.信息流是如何分类的？(P196)从信息流的形态来分，信息流可以是借助于机、光、声、电等介质传输的信号，也可以是语言、文字、图表、图像等抽象的信号，在计算机内部则是数据表示的数据流。从信息流的功能来分，有控制信息流、检测信息流、数据信息流、显示信息流等。以信息流的流向来分，可分为输入信息流、变换信息流、输出信息流等。5.分析信息流和数据流有什么意义？(P196) 1)对机电一体化系统的工作原理和工作过程有深刻

26、理解。 2)可对系统进行深入的总体分析与规划，以达到解耦与集成的目的。 3)信息流是软件总体设计的基础。按软件工程方法，从数据流可确定软件的结构，并定义此结构中包含的程序模块。同时也可以定义数据库项、格式、规模和存取方法。特别是“全量程”的定义，即用于两个以上的程序模块内的那些量的定义. 6.分析信息流的基本工具有哪些？(P196198) (一)信息流的基本环节 (二)数据流程图 (三)信息流和软件结构7.人机输入界面的基本硬件有哪些？(P204) 其基本硬件是键盘、开关(包括操作按钮和触摸屏等)，并通过CRT实现人机交互。8.输出界面的信息流中对执行机构的控制信息输出有哪几种形式？(P215

27、) 1)直接开关量的输出。 2)脉冲序列和运动方向控制标记。3)直接数字输出。4)模拟量输出。5)其他控制器控制执行机构第六章1.简述机电一体化可重构系统设计提出的背景。(P229230)1)新产品不断涌现，产品更新换代加快。 2)社会对产品的需求趋于多样化、个性化和动态化，顺应客户爱好 (也称客户化或定制)、多品种中小批量生产已成为生产方式的主流。3)市场对企业的要求从原来的对质量、成本的要求演变为现在的对时间 (Time)、质量 (Quality)、成本 (Cost)、创新 (Innovation)、服务 (Service)和环境 (Environment)等诸多方面的要求，时间已成为竞争力的第一要素，能否在最短的时间内开发出最新的产品并推向市场，是赢得市场竞争的关键。4)可持续发展的理念及对生态环境方面的关