機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)習(xí)課(僅供參考)題型一：?jiǎn)柎?填空1.機(jī)電一體化的定義，基本組成要素（五個(gè)子系統(tǒng)）答：定義：在機(jī)械的主功能、動(dòng)力功能、信息功能、控制功能基礎(chǔ)上引入微電子技術(shù)，并將機(jī)械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機(jī)地結(jié)合所構(gòu)成系統(tǒng)的總稱。五大功能構(gòu)成要素：機(jī)械系統(tǒng)、電子信息處理系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、執(zhí)行控制系統(tǒng)（元件）2.機(jī)電一體化系統(tǒng)可靠性的定義答：指系統(tǒng)（產(chǎn)品）在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。“完成規(guī)定功能”就是能夠連續(xù)地保持產(chǎn)品（或系統(tǒng)）的工作能力，使各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合規(guī)定值。3.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中控制用微機(jī)的特點(diǎn)答：1）較完善的適時(shí)中斷系統(tǒng)：實(shí)時(shí)控制能力、緊急處理能力。2）足夠的存儲(chǔ)容量：有效地保證微機(jī)系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件、數(shù)據(jù)處理工作的正常運(yùn)行。3）完善的輸入/輸出通道：邏輯、數(shù)字、模擬通道，以及輸入/輸出通道接口數(shù)。4）實(shí)時(shí)時(shí)鐘控制：作為控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制功能的基準(zhǔn)。除此之外，還有一些特殊要求——字長(zhǎng)、運(yùn)行速度、指令、成本、編程難易、輸入/輸出接口擴(kuò)展能力等。4.光電隔離電路的工作原理及其主要作用答：工作原理：控制輸出時(shí)，如圖所示可知，微機(jī)輸出的控制信號(hào)經(jīng)74LS04非門反相后，加到光電耦合器G的發(fā)光二極管正端。當(dāng)控制信號(hào)為高電平時(shí)，經(jīng)反相后，加到發(fā)光二極管正端的電平為低電平，因此，發(fā)光二極管不導(dǎo)通，沒(méi)有光發(fā)出。這時(shí)光敏晶體管截止，輸出信號(hào)幾乎等于加在光敏晶體管集電極上的電源電壓。當(dāng)控制信號(hào)為低電平時(shí)，發(fā)光二極管導(dǎo)通并發(fā)光，光敏晶體管接收發(fā)光二級(jí)管發(fā)出的光而導(dǎo)通，于是輸出的電平幾乎等于零。作用：1）可將輸入/輸出兩部分的供電電源和電路的地線分離，各自使用一套電源供電。光電耦合輸入、輸出端之間絕緣電阻很大（1011~1013Ω），寄生的電容很?。?.5~2pF），因而干擾信號(hào)很難從輸入端反饋到輸出端。2）可進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)要求的電平輸出，從而具有初級(jí)功率放大作用。3）提高對(duì)負(fù)載的驅(qū)動(dòng)能力?？芍苯域?qū)動(dòng)光控晶閘管工作。如果光電隔離電路與濾波電路、屏蔽電路有效的結(jié)合起來(lái)，將會(huì)進(jìn)一步提高微機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾能力。5.機(jī)電一體化系統(tǒng)主要的干擾源有哪些？有哪些抗干擾的措施？答：1）系統(tǒng)干擾源的類型傳導(dǎo)型——---由線路傳入信號(hào)影響控制系統(tǒng)工作。如：供電干擾、強(qiáng)電干擾、接地干擾等。輻射型——---由空間感應(yīng)輸入信號(hào)影響控制系統(tǒng)工作。如：電磁干擾、電場(chǎng)干擾、靜電干擾等。2）提高系統(tǒng)抗干擾能力的措施針對(duì)不同類型的干擾信號(hào)，采取的抗干擾措施也有所不同?！す╇娤到y(tǒng)的抗干擾措施：穩(wěn)壓、濾波、隔離。·接口電路的抗干擾措施：吸收抑制、阻斷隔離。·轉(zhuǎn)換接口抵消隔離措施：差動(dòng)式運(yùn)算放大器或橋式電路、高頻濾波整形電路?！そ拥叵到y(tǒng)干擾措施：?jiǎn)吸c(diǎn)接地、并聯(lián)接地、光電隔離接地。6.試比較開(kāi)環(huán)、半閉環(huán)、和閉環(huán)伺服系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)答：（1）開(kāi)環(huán)控制就是系統(tǒng)按設(shè)定的參數(shù)來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)，不作監(jiān)測(cè)，不反饋。開(kāi)環(huán)系統(tǒng)最簡(jiǎn)單，成本低，但執(zhí)行精度最差，基本無(wú)系統(tǒng)波動(dòng)。（2）半閉環(huán)控制就是在系統(tǒng)的執(zhí)行端之前（非最終端）設(shè)置監(jiān)測(cè)，反饋回的信號(hào)可以對(duì)執(zhí)行端之前的機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。半閉環(huán)系統(tǒng)成本介于兩者之間。（3）閉環(huán)控制是在系統(tǒng)的最終執(zhí)行端設(shè)置監(jiān)測(cè)，反饋回的信號(hào)直接用于系統(tǒng)整體調(diào)整。閉環(huán)系統(tǒng)最復(fù)雜，控制成本最高，但執(zhí)行精度相當(dāng)高，系統(tǒng)波動(dòng)也最大。7.機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法通常有哪幾種？大致有哪幾種設(shè)計(jì)類型？答：常用的設(shè)計(jì)方法：機(jī)電互補(bǔ)法、機(jī)電結(jié)合（融合）法、機(jī)電組合法常見(jiàn)的設(shè)計(jì)類型：開(kāi)發(fā)性設(shè)計(jì)、適應(yīng)性設(shè)計(jì)、變異性設(shè)計(jì)8.機(jī)電一體化系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)傳感器的基本要求是什么?答：①體積小、重量輕、適應(yīng)性好。②精度和靈敏性高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、信噪比高。③安全可靠、壽命長(zhǎng)。④便于與計(jì)算機(jī)對(duì)接。⑤不易受被檢測(cè)對(duì)象和外部環(huán)境的影響。⑥環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。⑦現(xiàn)場(chǎng)安裝處理簡(jiǎn)單、操作方便，價(jià)格便宜。9.提高軟件設(shè)計(jì)可靠性的措施是什么？答：1）利用軟件提高控制系統(tǒng)的可靠性①增加系統(tǒng)的管理軟件與硬件的匹配，保護(hù)處理信息②利用冗余技術(shù)，防止信息輸入輸出和傳送中出錯(cuò)③編制軟件對(duì)系統(tǒng)的故障診斷程序和故障修復(fù)程序④編制可對(duì)系統(tǒng)(硬件和軟件)進(jìn)行調(diào)試和保護(hù)的程序。2）提高軟件自身的可靠性①采用軟件分和層次結(jié)構(gòu)編程。②提高軟件自身可測(cè)試程序的設(shè)計(jì)。③對(duì)軟件進(jìn)行測(cè)試調(diào)試——提高可靠性的關(guān)鍵技術(shù)。3）軟件測(cè)試調(diào)試技術(shù)的制定制定合理的軟件測(cè)試調(diào)試技術(shù)方法是提高可靠性的關(guān)鍵技術(shù)之一。具體方法如下：①確定軟件測(cè)試調(diào)試前的初試條件——輸入條件、輸出結(jié)果評(píng)價(jià)規(guī)范②單元或模塊測(cè)試③局部或系統(tǒng)測(cè)試。④系統(tǒng)功能或性能調(diào)試與測(cè)試。⑤現(xiàn)場(chǎng)安裝、綜合驗(yàn)收與評(píng)價(jià)。10.舉例說(shuō)明單片機(jī)、工控機(jī)、PLC在PLC系統(tǒng)中的應(yīng)用單片機(jī)：微機(jī)控制的車床、鉆床中的控制器；工程機(jī)：作為機(jī)電一體化系統(tǒng)中控制中心，有指揮協(xié)調(diào)作用；PLC：開(kāi)關(guān)量的控制，運(yùn)動(dòng)控制，過(guò)程控制，數(shù)據(jù)處理通訊聯(lián)網(wǎng)。11.機(jī)電一體化系統(tǒng)失效與故障有什么異同？答：如果產(chǎn)品不能完成規(guī)定功能，就稱為失效。對(duì)于可修復(fù)的系統(tǒng)（產(chǎn)品），也可稱故障?？梢?jiàn)失效（或故障）是一種破壞系統(tǒng)（產(chǎn)品）工作能力的事件，失效（或故障）越頻繁，可靠性就越低。12.保證機(jī)電一體化系統(tǒng)可靠性的方法有哪些？答：1）提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量——裕度法、自動(dòng)控制。2）采用冗余技術(shù)——工作冗余、后備冗余。3）故障診斷技術(shù)——測(cè)試、癥兆、診斷。注意：裕度法是從改進(jìn)硬件性能，提高系統(tǒng)可靠性的有效方法；自動(dòng)控制、冗余技術(shù)、故障診斷技術(shù)是用硬件和軟件來(lái)提高系統(tǒng)可靠性的有效措施。13.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)與動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)共包含哪些內(nèi)容？答：穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)：①使系統(tǒng)的輸出運(yùn)動(dòng)參數(shù)達(dá)到所要求技術(shù)狀態(tài)②執(zhí)行元件的參數(shù)選擇③功率（力/力矩）匹配以及過(guò)載能力的驗(yàn)算。④各主要元件的選擇與控制電路的設(shè)計(jì)⑤信號(hào)的有效傳遞⑥各級(jí)增益的分配⑦各級(jí)之間阻抗的匹配和抗干擾措施等，并為后面動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)中的校正補(bǔ)償裝置的引入留有余地。動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)：主要是設(shè)計(jì)校正補(bǔ)償裝置，是系統(tǒng)滿足動(dòng)態(tài)技術(shù)指標(biāo)要求，通常要進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，或借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)。14.為保證機(jī)電一體化系統(tǒng)的安全性，舉例說(shuō)明在設(shè)計(jì)中應(yīng)采取哪些措施？答：P285工業(yè)機(jī)器人：1、設(shè)置安全*2、安裝警示燈3、安裝監(jiān)視器4、安裝防越程裝置5、安裝緊急停止裝置6、低速示數(shù)15.機(jī)電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行元件有哪些？對(duì)它們的基本要求是什么？答：執(zhí)行元件：電動(dòng)式執(zhí)行元件，液動(dòng)式執(zhí)行元件，氣動(dòng)式執(zhí)行元件基本要求：（1）慣量小，動(dòng)力大。（2）體積小，重量輕。（3）安裝方便、便于維修維護(hù)。（4）易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。16機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，各級(jí)齒輪傳動(dòng)比的分配原則是什么？答：1）重量最輕原則?小功率傳動(dòng)裝置各級(jí)傳動(dòng)比（等傳動(dòng)比分配，等模數(shù)原則）?大功率傳動(dòng)裝置各級(jí)傳動(dòng)比確定，應(yīng)遵循“先大后小”原則，再由經(jīng)驗(yàn)、類比方法和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊等方法確定。（不等傳動(dòng)比分配，不等模數(shù)原則）2）輸出轉(zhuǎn)角誤差最小原則為了提高機(jī)電一體化系統(tǒng)中齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞運(yùn)動(dòng)的精度，各級(jí)傳動(dòng)比應(yīng)按“先小后大”原則分配，以便降低齒輪的加工誤差、安裝誤差以及回轉(zhuǎn)誤差對(duì)輸出轉(zhuǎn)角精度的影響。設(shè)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中各級(jí)齒輪的轉(zhuǎn)角誤差換算到末級(jí)輸出軸上的總轉(zhuǎn)角誤為，則：式中：—第個(gè)齒輪所具有的轉(zhuǎn)角誤差；—第個(gè)齒輪的轉(zhuǎn)軸至第級(jí)輸出軸的傳動(dòng)比。3）等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小原則各傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等效到電機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小。(機(jī)械傳動(dòng)部分響應(yīng)特性最佳原則)。17.輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則的含義是什么？答：為了提高機(jī)電一體化系統(tǒng)中齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞運(yùn)動(dòng)的精度，各級(jí)傳動(dòng)比應(yīng)按“先小后大”原則分配，以便降低齒輪的加工誤差、安裝誤差以及回轉(zhuǎn)誤差對(duì)輸出轉(zhuǎn)角精度的影響。18.軸系設(shè)計(jì)的基本要求有哪些？答：作業(yè)2.2519.什么是機(jī)電互補(bǔ)法、結(jié)合法、組合法？答：作業(yè)1.1620.開(kāi)發(fā)性設(shè)計(jì)、變異性設(shè)計(jì)、適應(yīng)性設(shè)計(jì)有何異同？答：①開(kāi)發(fā)性設(shè)計(jì)是沒(méi)有參照產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，僅僅是根據(jù)抽象的設(shè)計(jì)原理要求，設(shè)計(jì)出在質(zhì)量和性能方面滿足目的要求的產(chǎn)品。②變異性設(shè)計(jì)是在設(shè)計(jì)方案和功能結(jié)構(gòu)不變的情況下，僅改變現(xiàn)有產(chǎn)品的規(guī)格尺寸使之適應(yīng)于量的方面有所變更的需求。③適應(yīng)性設(shè)計(jì)是在總的設(shè)計(jì)方案、原理基本保持不變的情況下，對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行局部更改，或用微電子技術(shù)代替原有的機(jī)械結(jié)構(gòu)或?yàn)榱诉M(jìn)行微電子控制對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部適應(yīng)性設(shè)計(jì)，以使產(chǎn)品在性能和質(zhì)量上增加某些附加價(jià)值。所有機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都是為了獲得用來(lái)構(gòu)成事物的有用信息。21.機(jī)電一體化系統(tǒng)的接口功能有哪兩種？答：接口功能:①輸入,輸出。②變換,調(diào)整22.機(jī)電一體化系統(tǒng)的主要評(píng)價(jià)內(nèi)容有哪些?答：作業(yè)1.11:23.機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟答：明確設(shè)計(jì)思想和概念→分析系統(tǒng)（產(chǎn)品）的綜合性能指標(biāo)要求→產(chǎn)品調(diào)研和市場(chǎng)調(diào)研→根據(jù)目的功能確定產(chǎn)品規(guī)格→按產(chǎn)品（系統(tǒng)）內(nèi)部五大功能劃分功能部件或功能子系統(tǒng)→確定各功能部件或子系統(tǒng)的功能要素→接口設(shè)計(jì)→整體評(píng)價(jià)→可靠性復(fù)查→試制與調(diào)試24.機(jī)電一體化系統(tǒng)由哪些子系統(tǒng)所組成？分別實(shí)現(xiàn)哪些功能？答：①機(jī)械系統(tǒng)：構(gòu)造功能②電子信息處理系統(tǒng)：控制功能③動(dòng)力系統(tǒng)：動(dòng)力功能④傳感系統(tǒng)：計(jì)測(cè)功能⑤執(zhí)行控制系統(tǒng)（元件）：操作功能25.傳感器的選用原則及注意事項(xiàng)答：作業(yè)4.19①傳感器的選用原則主要是依據(jù)傳感器的使用要求和被控制對(duì)象的控制精度要求選擇適用的傳感器。②傳感器選用的注意事項(xiàng)在確保主要性能參數(shù)和指標(biāo)的條件下，適當(dāng)可放寬次要的性能和指標(biāo)要求，以便獲得較高的性能價(jià)格比。注意：不能盲目的追求傳感器各種性能指標(biāo)均高的傳感器選擇方法或原則。題型二：分析題第二章1.選擇滾珠絲杠副支承方式第三章2.直流（DC）伺服電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)要實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的速度和方向進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，通?？捎脙煞N驅(qū)動(dòng)控制方式：晶體管直流脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)；晶閘管直流脈寬調(diào)速驅(qū)動(dòng)；1）脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)(PWM)工作原理：當(dāng)輸入一個(gè)直流控制電壓U時(shí)就可得到一定寬度與U成比例的脈沖方波給伺服電機(jī)電樞回路供電，通過(guò)改變脈沖寬度來(lái)改變電樞回路的平均電壓，從而得到不同大小的電壓值Ua，使直流電動(dòng)機(jī)平滑調(diào)速。設(shè)開(kāi)關(guān)S周期性地閉合,斷開(kāi)，閉和開(kāi)的周期是T。在一個(gè)周期T內(nèi)，閉合的時(shí)間是τ，開(kāi)斷的時(shí)間是T-τ，若外加電源電壓U為常數(shù)，則電源加到電動(dòng)機(jī)電樞上的電壓波形將是一個(gè)方波列，其高度為U,寬度為τ,則一個(gè)周期內(nèi)電壓的平均值為式中μ——導(dǎo)通率，又稱占空系數(shù)，μ=τ/T2）直流電動(dòng)機(jī)的方向控制3.交流（AC）伺服電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)矢量控制原理：4.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)工作原理：5.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性與性能指標(biāo)6.步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)與控制7.步進(jìn)電機(jī)的微機(jī)控制主要分為：串行控制和并行控制兩種方法步進(jìn)電機(jī)的加減速控制原則：8.步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制原理第四章9.專用/通用微型計(jì)算機(jī)的選擇1）專用控制系統(tǒng)的構(gòu)成與特點(diǎn)用于大批量生產(chǎn)的機(jī)電一體化產(chǎn)品。具有機(jī)械電子有機(jī)結(jié)合緊湊，由專用IC芯片、接口電路、執(zhí)行元件、傳感器等相互合理匹配成專用控制器，軟件采用專用機(jī)器代碼或語(yǔ)言，可靠性強(qiáng)，成本低，但適應(yīng)能力較差。2）通用控制系統(tǒng)的構(gòu)成與特點(diǎn)構(gòu)成：控制系統(tǒng)以通用微型計(jì)算機(jī)為核心，設(shè)計(jì)專用或選用通用的集成IC芯片、接口電路、執(zhí)行元件、傳感器，以及相互合理匹配元件，組成具有較好通用能力的控制器。軟件采用通用平臺(tái)軟件系統(tǒng)。特點(diǎn)：具有可靠性高，適應(yīng)性強(qiáng)，但成本高，應(yīng)采取一定的抗干擾措施等特點(diǎn)。應(yīng)用：適用于多品種、中小批量生產(chǎn)的機(jī)電一體化產(chǎn)品。10.硬件與軟件的權(quán)衡/匹配任何微機(jī)控制系統(tǒng)的控制功能，即可以由硬件實(shí)現(xiàn)，也可以由軟件實(shí)現(xiàn)，兩者的合理匹配是確定或選用微機(jī)控制系統(tǒng)研究?jī)?nèi)容之一。主要依據(jù)經(jīng)濟(jì)性、可靠性、適用性等要求來(lái)決定?！镏饕猛ㄓ梅蛛x元件組成的控制系統(tǒng)——最好采用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電一體化產(chǎn)品的主要控制功能，接口少，易于調(diào)整，適應(yīng)能力強(qiáng)，但成本較高?！镏饕脤Ｓ眉稍M成的控制系統(tǒng)——最好選用硬件實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電一體化產(chǎn)品的主要控制功能，具有廉價(jià)、可靠、處理速度快等特點(diǎn)。11.微機(jī)控制系統(tǒng)輸入/輸出的可靠性設(shè)計(jì)1）能可靠地傳遞各類控制信息有效保證輸入/輸出控制信號(hào)轉(zhuǎn)換的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。2）能夠進(jìn)行有效的信息轉(zhuǎn)換滿足微機(jī)對(duì)輸入/輸出信息類型的轉(zhuǎn)換要求。如：A/D、D/A轉(zhuǎn)換；平行數(shù)字信號(hào)與串行數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換；電平信號(hào)的轉(zhuǎn)換與匹配；電量與非電量的轉(zhuǎn)換；強(qiáng)電與弱點(diǎn)轉(zhuǎn)換。3）具有阻斷干擾信號(hào)進(jìn)入微機(jī)控制系統(tǒng)的能力主要采用濾波技術(shù)、光電隔離技術(shù)、屏蔽技術(shù)等。12.幾種常用光電耦合器結(jié)構(gòu)原理圖機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)模型（課上補(bǔ)充）(1)機(jī)械移動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械移動(dòng)系統(tǒng)的基本元件是質(zhì)量、阻尼和彈簧。圖5-1是這三個(gè)系統(tǒng)機(jī)械元件的符號(hào)表示。F(t)代表外力；x(t)代表位移；m代表質(zhì)量；f為粘滯阻尼系數(shù)，K為彈簧剛度。由圖可得到：質(zhì)量的數(shù)學(xué)模型為阻尼器的數(shù)學(xué)模型為彈簧的數(shù)學(xué)模型為下面舉例說(shuō)明平移系統(tǒng)的建模方法：圖5-2為組合機(jī)床動(dòng)力滑臺(tái)洗平面的情況。若不計(jì)M與地面間的摩擦，系統(tǒng)可以抽象成圖5-3所示的力學(xué)模型。根據(jù)牛頓第二定律，系統(tǒng)方程為對(duì)上式取拉氏變換，得系統(tǒng)傳遞函數(shù)圖5-4是一個(gè)簡(jiǎn)單隔震系統(tǒng)裝置