机电一体化思考题2013(华科研究生课程)

1、机电一体化控制技术与系统思考题一、概论1机电一体化“一体化”如何定义？答：机电一体化是机械技术与微电子技术、计算机技术、自动控制技术有机结合的一门复合技术。 技术上：体现为机械技术与微电子技术、计算机技术等高新技术的横向交叉、渗透和综合集成，从而形成一种新的学术思想和技术手段，各自单项技术是达不到的。产品结构上：机械装置与电子设备、计算机硬件与软件合理配置，形成一个相互联系的有机整体。2机电一体化装备中广泛应用的计算机有哪些？答：工业控制机、单片机、PLC3机电一体化装备的共性关键技术有哪些？答：（精密）机械技术、计算机和信息处理技术、检测与传感技术、自动控制技术、伺服驱动技术、系统总体技术（

2、P42）4机电一体化装备在应用中是如何分类的？工业机器人和电火花加工机床分别属于哪一类？答：机电一体化装备在应用中分为数控机械类、电子设备类、机电结合类、电液伺服类 、信息控制类。工业机器人属于数控机械类，电火花加工机床属于电子设备类5机电一体化装备的应用效益主要表现在哪些方面？分别举例说明。答：1）提高精度机械传动部件减少，因而，机械磨损、机械间隙、机械受力变形所引起的误差减少。可以实现补偿，校正误差2）增强功能（可用性） 例如，机床CNCMCMC将多台普通机床上的多道工序在一次装夹中完成，换刀，自动检测等6查阅HJD机电一体化产品网站( HYPERLINK 0/ 0)，了解工艺装备及自动化

3、系机电一体化产品的详细内容。二、精密机械从摩擦非线性问题，说明机电装备如何选用导轨？从以上几条曲线可见：对于滑动导轨，静摩擦系数大于动摩擦系数；当相对运动速度较低时，导轨处于边界和混合摩擦状态，动摩擦系数随导轨的滑动速度的增加而降低；当滑动速度加大到动压效应使导轨处于液体摩擦状态时，摩擦力用于克服油层间的剪切时，动摩擦系数随导轨的滑动速度的增加而增加；对于滑动导轨，两导轨面的材料对摩擦特性也有较大影响，如氟塑料铸铁导轨的摩擦系数小，且动、静摩擦系数的差值小；滚动导轨和静压导轨的摩擦系数都很小，且动、静摩擦系数的实际没什么差别；可见，这个摩擦的非线性，对系统的工作特性有很大影响。滚珠丝杠副由哪些

4、元件组成？滚珠丝杠副的特点？通过网上查阅，了解丝杠、导轨副的原理和应用(www。T)（www。T）答：滚珠丝杠副由丝杠、螺母、钢球、还有回珠器等组成。其特点有1）传动效率高，效率高达90%95%，耗费的动力仅为滑动丝杠的1/32）传动精度高 淬火磨削；摩擦小，无非线性，无爬行；摩擦小， 温升小、变形小。3）磨损小，寿命长，工作寿命一般比普通滑动丝杠高56倍。 滚动摩擦，滑道淬火磨损极小4）系统刚度好，通过螺母组件内施加予压，来获得足够的刚度 5）可逆向运动6）不能自锁滚珠丝杠副根据其限制丝杠轴的轴向窜动情况，有哪三种支承方式，各有什么特点？P5丝杆的精度？答：1）一端固定一端自由（FO）结构简

5、单；丝杠的轴向刚度低；丝杠的压杆稳定性低；临界转速低2）一端固定一端游动（FS）结构较复杂，工艺难；需保持螺母与两端支承同轴；丝杠的轴向刚度与（FO）同 ；丝杠的压杆稳定性与临界转速比（FO）高；丝杠有热膨胀的余地3）两端固定（FF） 结构较复杂，工艺难，需保持螺母与两端支承同轴；丝杠的轴向刚度是（FO）的4倍 ；丝杠的不受压，无压杆稳定性问题，临界转速也高；可以通过预拉伸减少丝杠自重下垂和补偿热膨胀 .P5丝杠的精度:0.023/300mm.各种齿轮传动机构，消除齿侧间隙的方法？答：（1）直齿圆柱齿轮传动机构1）偏心轴套调整法 结构简单，不能自动补偿 2）双片薄片齿轮错齿调整法 结构复杂，能

6、自动补偿（2）斜齿圆柱齿轮传动机构 1）双片薄片齿轮中间垫片调整法 不能自动补偿2）双片薄片齿轮弹簧压紧调整法 能自动补偿（3）锥齿轮传动机构1）周向压簧调整：使内外齿圈的锥齿错位与小锥齿轮啮合达到消除间隙的作用；2）向压簧调整：锥齿轮1在弹力作用下沿轴向移动，可消除锥齿轮l和2的间隙。（4）齿轮齿条传动机构当载荷较小、进给力不大时，齿轮齿条可采用双片薄齿轮错齿调整，分别与齿条的齿槽左、右二侧贴紧来消除间隙；当载荷较大所需进给力较大时，通常采用双厚齿轮的传动结构。不同导轨应用？答：滚动直线导轨副是由导轨、滑块、钢球、返向器、保持架、密封端盖及挡板等组成。当导轨与滑块作相对运动时，钢球就沿着导轨

7、上的经过淬硬和精密磨削加工而成的四条滚道滚动，在滑块端部钢球又通过返向装置（返向器）进入返向孔后再进入滚道，钢球就这样周而复始地进行滚动运动。返向器两端装有防尘密封端盖，可有效地防止灰尘、屑末进入滑块内部。 滚柱交叉导轨副是由两根具有V型滚道的导轨、滚子保持架、圆柱滚子等组成，相互交叉排列的圆柱滚子在经过精密磨削的V型滚道面上作往复运动，可承受各个方向的载荷，实现高精度、平稳的直线运动。滚柱导轨块主要由本体、端盖、保持架及滚动体等组成。其中滚动体采用的为滚柱。滚柱在本体中不断运动并承受一定的载荷。滚柱具有中心导向，运动时可自动定心，以免侧移，有利于在载荷作用下运动灵活，且寿命长。 圆柱型滚动直

8、线导套副由直线运动球轴承、导轨轴、直线运动球轴承支承座等部件组成，按结构形式分为封闭式、开放式二类，封闭型分为可调隙和不可调。滚珠丝杠副与齿轮齿条分别用在什么地方？滚珠丝杆副用来将回转运动转化成直线运动（主要用途），或将直线运动转化成回转运动（大导程）。广泛应用于数控机床、自动化设备、测量仪器、印刷包装机械、纺织机械、制药机械、玻璃机械以及其他需要精密路径定位的领域。齿轮齿条传动主要用于行程较长的大型机床上，易于得到高速直线运动。一般来说,导程4m应用滚珠丝杠副;导程在4m以上应用齿轮齿条, 不宜用滚珠丝杠副,因为它的惯性大.三、计算机机电一体化装备与传统的机电产品的最大的区别是什么？对计算机

9、控制系统的要求？主要区别:传统HYPERLINK /z/Search.e?sp=S机电产品&ch=w.search.yjjlink&cid=w.search.yjjlink机电产品设计为单一HYPERLINK /z/Search.e?sp=S产品设计&ch=w.search.yjjlink&cid=w.search.yjjlink产品设计，而HYPERLINK /z/Search.e?sp=S机电一体化系统设计&ch=w.search.yjjlink&cid=w.search.yjjlink机电一体化系统设计为很多个机电产品通过控制设计成一个系统。对控制系统的要求：稳、准、快 P191：一、具

10、有很强的控制功能；二、具有丰富的I/O接口；三、运行速度快；能适应实时控制的需要；四、抗干扰能力强。机电一体化装备所使用的计算机与普通计算机的区别是什么？（1）输入/输出要比普通计算机复杂得多；机电一体化系统的计算机有大量的数据从各个传感器、开关、按钮出入；输出信号还要送到各处的执行机构。（2）运算数据比普通计算机简单的多；以逻辑运算和简单的数学运算为主。（3）运行环境比普通计算机恶劣的多；是生产现场，不是实验室。单片机、PLC、工业PC在应用上有一定的差别？如何选择？(1)、单片机工作量最大，可靠性最差，但价格最低，且体积小。(2)、PLC工作量最小，可靠性最好，价格较高，且体积较大。(3)

11、、工业PC工作量不小，可靠性一般，价格较高，且体积较大，但功能强，软件丰富。项目单片机PLC工业PC控制系统组成自行研制（非标准化）可按使用要求选购相应的产品整机已成系统，外部另有配置系统功能简单的逻辑控制或模拟量控制逻辑控制为主，也可以组成模拟量控制系统具有完善的控制功能，软件丰富，执行速度快通信功能可按需要自行配置可选用RS323C通信模块产品提供串行通信接口程序语言汇编语言梯形图为主高级语言为主硬件制作工作量多很少少软件开发工作量很多很少较多执行速度快很快稍慢输出带负载的能力差强较强抗电干扰能力较差很好好可靠性较差很好好环境适应性较差很好一般价格最低高高应用场合智能仪器，单机简单控制一般

12、规模的工业现场控制较大规模的工业现场控制单片机的结构及应用系统的原理？为什么要扩展？如何扩展？结构由8个部分组成：中央处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM）、I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统、特殊功能寄存器（SRF）都通过片内总线连接而成；其基本结构依然是CPU+外围芯片的模式应用系统的原理：扩展原因：单片机可以满足许多应用场合，但在实际应用中会感到片内功能不能达到整个系统的要求，需要扩展。扩展方法：1、可以用单片机专用的扩展芯片；2、也可以用其他8位CPU的外围芯片来扩展通过网上查阅，( HYPERLINK 、)了解单片机的各种开发系统？了解一些典型应用？ZY

13、N100A、ELITE等按照单片机的特点，其应用可分为单机应用和多机应用两种方式。单机应用：简易数控、智能仪表、测控系统、智能产品、智能接口。多机应用：多机弥散系统、并行多机系统、局部网络系统。用单片机开发步进电机控制系统采用步进脉冲分配器专用芯片PMM8713和程序计数器8253的方法。采用可编程计数器8253、8255和PMM8713芯片安全数字控制方式接线图。在单片机系统中，只连接8253、8255和PMM8713各一个。智能型家用微波炉在家用电器中，应用单片机技术可以简化控制线路，提高家用电器的性能，实现智能化控制。因此，许多家用电器均使用单片机为其控制核心，例如微波炉、电冰箱、洗衣机

14、、电风扇等。尽管不同家用电器中的单片机控制系统的具体结构和实现方法不同，但基本原理都是相似的。PLC的结构和工作原理？通过网上查阅，全面了解MITSUBISHI（三菱电机）可编程序控制器？（三菱工控网 HYPERLINK ）PLC的基本结构：PLC结构：主要由CPU，电源，存储器，输入输出接口，扩展接口和通信接口组成。PLC工作原理：PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式，其中扫描工作分为三个阶段：输出采样阶段，程序执行阶段，输出刷新阶段。（1）输入采样阶段：首先顺序读入所有输入端的信号状态，并逐一存入状态寄存器。（2）程序执行阶段：组成程序的每条指令都有顺序号，在PLC中称为步号，指令按

15、步号依次存入储存单元中，程序执行期间，CPU将指令顺序调出并执行，进行逻辑、算术运算，将结果存入输出状态寄存器中。3）输出刷新阶段;在所有指令执行完毕后，输出状态寄存器中的状态通过输出接口输出，驱动被控设备。通过网上查阅，了解工业PC的特点和应用？各种产品的概况？工业PC的专用外设的概况？(西门子(中国)自动化与驱动集团-产品与系统 HYPERLINK /products /products)工业PC的特点：丰富的过程输入/输出功能，实时性，高可靠性，环境适应性，丰富的应用软件，技术综合性。工业PC的应用：地铁自动售票系统，在车在系统中的应用，汽车综合性检测，机器视觉的应用，塑料加工的应用各种

16、产品概况：（1）、箱式PC，易于维修，采用Intel赛扬或奔腾处理器，安装于开关柜、控制柜、控制台、控制盘或直接安装于设备中；（2）、面板式PC，SIMATIC面板式PC适用于标准的机柜、控制台和盘柜。典型的应用于生产流水线自动化和过程控制自动化系统中；（3）、架式PC，采用Intel赛扬或奔腾处理器，安装于19控制柜和控制台，支持长ISA模块的扩展槽。工业级机箱、工业单板计算机、工业电脑外围设备、工业级一体化工业站、工业自动化产品。通过网上查阅，了解工业PC在制造业和数控系统中的大致应用情况？ 设备控制，过程控制，智能化仪表通过网上查阅，了解运动控制卡的原理和应用( HYPERLINK )？

17、运动控制卡是一种基于工业PC机、用于各种运动控制场合的上位控制单元。通常采用专业运动控制芯片或高速DSP作为运动控制核心，大多用于控制步制电机和伺候电机。一般运动控制卡和PC机构成主从式控制结构：PC机负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控等方面的工作，运动控制卡完成运动控制的所有细节。运动控制卡配有开放的函数库供用户在DOS或Windows系统平台下自行开发、构造所需的控制系统，因而这种结构开放的动动控制卡能广泛地用于制造业设备自动化的各个领域。数控系统的组成？控制功能的类型？PC+运动控制卡系统的应用前景?四、传感器传感器如何定义和基本分类；传感器:能感受规定的被测量并按照一定的规律转

18、换成可用的输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。基本分类：物理型，化学型，生物型。物理型传感器是利用某些变换元件的物理性质或某些功能材料的特殊性能制成的传感器；化学型传感器是利用电化学反应原理把有机和无机的化学物质的成分度等转换成电信号的传感器；生物型传感器是利用生物功能物质作识别器件制成的传感器。机电装备对传感器与自动检测技术的基本要求是什么？基本要求：精度、灵敏度和分辨率高，线性、稳定性和重复性好，抗干拢能力强，静、动态特性好。特殊要求：体积小、质量轻、价格便宜、便于安装与维修、耐环境性能好等。各种位置传感器的用途和工作原理？( HYPERLINK )答：用途：位置检测 、行

19、程控制。接近式位置传感器能判别在某一范围内是否有某一物体；接触式位置传感器能获取两个物体是否接触的信息。电感式接近开关属于一种有开关量输出的位置传感器，它由LC高频振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体在接近这个能产生电磁场的振荡感应头时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须是金属物体。电容式接近开关亦属于一种具有开关量输出的位置传感器，它的测量头通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是物体的本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使

20、得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，由此便可控制开关的接通和关断。这种接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体, 在检测较低介电常数的物体时，可以顺时针调节多圈电位器（位于开关后部）来增加感应灵敏度，一般调节电位器使电容式的接近开关在0.7-0.8Sn的位置动作。红外线光电开关（光电传感器）光电接近开关的简称，它是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均可检测。根据检测方式的不同，红外线光电开关可分为1）.漫反射式光电开关2）.镜反射式光电开关3）.对射式光电开关4）.槽式光电开关5）.光纤式

21、光电开关。霍尔开关的输入端是以磁感应强度B来表征的，当B值达到一定的程度（如B1）时，霍尔开关内部的触发器翻转，霍尔开关的输出电平状态也随之翻转。输出端一般采用晶体管输出，和接近开关类似有NPN、PNP、常开型、常闭型、锁存型（双极性）、双信号输出之分.接触式位置传感器有行程开关和微动开关。行程开关利用生产机械运动部件的碰撞使其触头动作来实现接通或分断控制电路，达到一定的控制目的。通常，这类 HYPERLINK /view/126104.htm 开关被用来限制机械运动的位置或行程，使运动机械按一定位置或行程自动停止、反向运动、 HYPERLINK /view/10389.htm 变速运动或自动

22、往返运动等。各种位移传感器的用途和工作原理？位移传感器分为直线位移传感器和角位移传感器。直线位移传感器分为电感传感器、差动变压器传感器、电容传感器、感应同步器和光栅尺；角位移传感器分为旋转变压器、脉冲编码器和圆光栅。直线运动数控轴位置传感器的应用？原位位置传感器的应用？位置传感器与死挡铁的区别？五、伺服1.伺服驱动系统如何组成？如何分类？按执行元件；按控制原理。.开环、闭环、半闭环分别有什么特点？答：伺服系统的组成：控制器 + 功率放大 + 执行元件+ 机械部件 + 检测装置。伺服系统的分类：按执行元件分类：按控制原理分类：开环进给伺服系统没有位置检测装置，信号流是单向的，故系统稳定性好。开环

23、伺服系统结构较为简单，工作稳定，技术容易掌握，调试、维护方便，工作可靠，成本低。缺点是精度低、抗干拢能力差。在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用，一般用于经济型数控机床和旧机床的数控化改造。半闭环数控机床的进给伺服系统用用的位置检测点从驱动电机或丝杠端引出，通过检测电机和丝杠旋转角度来间接检测工作台的位移量，而不是直接检测工作台的实际位置。精度比开环系统好，比闭环系统差，具有结构简单、调试方便等特点，在现代CNC机床中得到了广泛应用。闭环伺服系统直接对工作台的实际位置进行检测，采用反馈控制原理组成系统，它具有精度高、调速范围宽、动态性能好等优点。缺点是系统结构复杂、成本高等。主

24、要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床及较大型的数控机床，一般用于要求高精度、高速度的机电一体化系统。2.机电装备对电机及伺服驱动系统得基本要求是什么？答：基本要求：稳、准、快。（1）、高的稳定性，装备正常工作的先决条件；（2）、快速性，配合控制计算机的快速需要；（3）、高精度，高精度机电装备的需要。3.步进电机的用途、基本组成和工作原理？细分的基本原理？答：用途：步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械位移的机电执行元件。组成：1)定子：由定子铁心、绕组、绝缘材料等组成 。2）转子：由转子铁心、转轴等组成。工作原理：给A相绕组通电时，转子位置如图（a），转子齿偏离定子齿一个角度。由于励

25、磁磁通力图沿磁阻最小路径通过，因此对转子产生电磁吸力，迫使转子齿转动，当转子转到与定子齿对齐位置时(图b)，因转子只受径向力而无切线力，故转矩为零，转子被锁定在这个位置上。由此可见：错齿是助使步进电机旋转的根本原因。从步进电机的原理看精度、平稳性都有限。步进电机是一种电流驱动元件，改进步进电机各相电流的大小，就能使转子相对于每个驱动脉冲的变化量的转变，使原有的平衡位置增加新的平衡点，实现步距细分。4.查阅有关步进电机和驱动系统资料，了解有关性能指标？() 应用（1）、步距角；（2）、最大工作频率：在转子不失步的情况下，电动机连续工作时，输入脉冲信号的最大频率；（3）、最大突跳频率：在转子不失步的情况下，电动机能增加和减小的最大频率；（4）、步距差：实际的步距角与理想的步距角之并；（5）、输出转矩：电动机轴上的输出转矩大小。5.交流伺服电机的用途和工作原理？交流伺服电机在自动控制系统中用作执行元件，其任务是将输入的电压信号变换成转轴的角位移或角速度的变化。输入的电压信号称为控制信号或控制电压，改变控制电压的大小和极性就可改变伺服电动机的转速大小和