《機電一體化系統(tǒng)設計

1、機電一體化系統(tǒng)習題答案第一章思考與練習題一一.名詞解釋機電一體化機電一體化是以機械學、電子學和信息科學為主的多門技術學科在機電產(chǎn)品發(fā)展過程中相互交叉、相互滲透而形成的一 門新興邊緣性技術學科。二.簡答題機電一體化系統(tǒng)的組成部分主要分為哪幾種？答：機電一體化系統(tǒng)主要分為：機械本體、動力部分、測試傳感部分、執(zhí)行機構(gòu)、控制性處理單元以及接口等部分組成。接口技術的作用？答：是系統(tǒng)中各單元和環(huán)節(jié)之間進行物質(zhì)、能量和信息交換的連接界面，是外設和數(shù)控裝置之間的橋梁。其功能為：變換、放大和傳遞。第二章思考題1名詞解釋誤差：是對某一特定的物理量進行度量時，所測得數(shù)值與真值得差值。準確度：通常用來反映系統(tǒng)的測量值

2、與真值的近似程度，反映了系統(tǒng)誤差的大小；精密度：是從隨機誤差的角度 來反映系統(tǒng)的測量值與真值的近似程度；精確度則是系統(tǒng)誤差和隨機誤差的綜合反映。傳動精度：是指機械傳動鏈單向傳動時，其輸入端與輸出端瞬時傳動比的實際值與理論值之差。裝配精度：是是指不同零件或不見按照特定要求組裝成具有一定功能的綜合精度，包括零件或不見的相對位置精度、 運動精度、接觸精度。機床加工精度：是一項綜合型精度指標，即指機床在加工工件時所能達到的精確度。機床定位精度：是指機床或儀器主要部件在運動終點所能達到的實際位置的精度。（是一個具有綜合性質(zhì)的精度指標，其定位形式大致可分為手動定位、自動間歇定位和連續(xù)定位三種形式。）簡答題

3、機械系統(tǒng)在機電一體化中的作用？答：機械系統(tǒng)在機電一體化中起著傳遞功率、支撐、連接、執(zhí)行的功能。機床精度與機床加工精度有什么不同？（判斷）答：二者的概念之間有一定的區(qū)別，機床加工精度是指在加工時體現(xiàn)出來的精度，與機床設備本身使用的時間年限、加 工時的切削力、環(huán)境溫度等都有關系，而機床精度所描述的是機床的原始精度，不考慮上述這些情況。什么是六點定位原理？答：任何一個物體在三維空間中，相對三個互相垂直的坐標系OXYZ來說，都有六個自由度，即沿X、Y、Z三個坐 標軸的移動，以尤、y、z表示，及繞著x、y、z軸的轉(zhuǎn)動，用尤、y、z表示，如圖所示。如果說某物體在某一方向上的自由度被限制住了，實際上是說該物

4、體在該方向上有了一個確定的位置。當物體的六個自由度完全被限制住時.該 物體在坐標系中的位置也就完全被確定了，也就是我們所說的六點定位原理。機械系統(tǒng)的組成部分主要有哪些？答：一般由減速裝置、絲杠螺母副、蝸輪蝸桿副等各種線性傳動部件以及連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)等非線性傳動部件、 導向支承部件、旋轉(zhuǎn)支承部件、軸系及架體等機構(gòu)組成。舉例說明，為什么有些零件在加工是不需要六點定位？答：由六點定位原理可知，一個零件在機床上實現(xiàn)完全定位需要限定六個自由度。但是在一些特定環(huán)境下，沒有必 要去限定六個自由度。例如，在銑床上銑削軸類零件的鍵槽時，繞軸線旋轉(zhuǎn)方向的自由度就沒有必要限定，因為從端面 上來看，所得到的圓是關于

5、過軸線的任意一個平面對稱的。思考與練習題2二.簡答題常見的機械傳動主要有什么？機械傳動的作用？主要有帶傳動、鏈傳動、蝸輪蝸桿傳動、齒輪傳動、輪系減速器及機械無極變速傳動、連桿傳動、凸輪傳動、棘輪 傳動、槽輪傳動和不完全齒輪傳動等等。作用：某種傳動機構(gòu)既可以實現(xiàn)運動形式的變換，也可以實現(xiàn)運動速度的變化，同時還可以實現(xiàn)動力的傳動。簡述傳動比的分配原則？答：(1)重量最輕原則輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則(3 )等效傳動慣量最小原則舉例說明各類支承的結(jié)構(gòu)特點？(判斷)答：(1).圓柱支撐優(yōu)點：具有較大的接觸表面，承受載荷較大；缺點：方向精度和置中精度較差，且摩擦阻力矩較大。(2).圓錐支撐優(yōu)點：承載能力較強

6、，方向精度和置中精度較高；缺點：摩擦阻力矩也較大，置中精度必圓柱支撐好；缺點：對溫度變化比較敏感，制造成本較高。(3).填入式滾動支撐結(jié)構(gòu)特點：沒有內(nèi)圈和外圈，僅在相對運動的零件上加工出滾道面，用標準滾珠散裝在滾道內(nèi)。主要有三種形式。.球面支撐.頂針支撐機械機構(gòu)的工藝性主要包括那些內(nèi)容？答：機械結(jié)構(gòu)的工藝性包括毛坯鑄造的工藝性、焊接零件的結(jié)構(gòu)工藝性、零部件的裝配工藝性、零部件的機械加工 工藝性等幾方面內(nèi)容。在機械系統(tǒng)中設計選擇構(gòu)件時，為什么要考慮動平衡問題？答：如果回轉(zhuǎn)件動件的結(jié)構(gòu)不對稱、制造不準確或材質(zhì)不均勻，都會使整個回轉(zhuǎn)件在轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生離心力系的不平衡，使離心力系的合力和合力偶矩不等于零。

7、產(chǎn)生的離心力為F mrw2,它的方向隨著回轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動而發(fā)生周期性的變 化，并在軸承中引起一種附加的動力，使整個機械產(chǎn)生周期性的振動。振動容易引起機械工作精度和可靠性降低，零件 材料的疲勞損壞等。思考與練習題3名詞解釋軸系零部件：軸、軸承、聯(lián)軸器和離合器及軸上的轉(zhuǎn)動零件組合起來成一個系統(tǒng)，常稱為軸系零部件。導軌：導向支承部件的作用是支承和限制運動部件按給定的運動要求和規(guī)定的運動方向運動。這樣的部件通常被稱為 導軌副，簡稱導軌。簡單題軸的功能及分類？軸是機械中的重要零件，功能：支承轉(zhuǎn)動零件，并傳遞運動和動力。分類：三點支承方式，前后及中間三處均有軸承支承，并且前后的軸承皆為雙列短圓柱滾子軸承。特點

8、為結(jié)構(gòu)簡單，剛度較高， 極限轉(zhuǎn)速較高，承載能力強。浮動支承方式，只傳遞轉(zhuǎn)矩而不支承彎矩或受彎矩較小，兩支點并不固定。定軸心的兩支點傳動軸，不近承受轉(zhuǎn)矩，而且還承受彎矩和軸向力。零件在軸上固定時，什么時候采用軸肩固定、什么時候采用套筒固定？為了使零件端面與軸肩能很好地貼合，軸上圓角半徑r應比軸上零件孔端的圓角半徑R或倒角高度C稍微小些時 用軸肩固定。當軸上兩個零件相距不大時，常采用套筒作軸向固定。作用：能承受較大的軸向力，克服應力集中。導軌副的種類？按導軌副運動導軌的軌跡分類(1)直線運動導軌副.(2 )滾動運動導軌副對導軌副的基本要求？機電一體化系統(tǒng)對導軌的基本要求是導向精度高、剛性好、運動輕

9、便平穩(wěn)、耐磨性好、溫度變化影響小以及結(jié)構(gòu)工 藝性好等。第三章思考與練習題1一. 名詞解釋傳感器：是將被測量(包括各種物理量、化學量和生物量等)變換成系統(tǒng)可識別的、與被測量有確定對應關系的有用電信 號的一種裝置。感應同步器：感應同步器是一種電磁位置檢測元件，感應同步器是利用電磁感應原理把兩個平面繞組間的位移量轉(zhuǎn)換 成電信號的一種位移傳感器。感應同步器的鑒相方式：是通過檢測感應電壓的相位來測量位移(判斷)感應同步器的鑒幅方式：是通過檢測感應電壓的幅值來測量位移(判斷)思考與練習題2一.名詞解釋光柵：是在透明的玻璃板上，均勻地刻出許多明暗相間的條紋，或在金屬鏡面上均勻地劃出許多間隔相等的條紋，通 常

10、線條的間隙和寬度是相等的。莫爾條紋：如果把兩塊柵距W相等的光柵平行安裝，且讓它們的刻痕之間有較小的夾角。時，這時光柵上會出現(xiàn)若干條明暗相間的間隔相等的粗大條紋，就是莫爾條紋。它們沿著與光柵條紋幾乎垂直的方向排列.直線光柵j分類：(計量光柵V 光柵金屬反射六十進制 圓光柵j十進制物理光柵簡述光柵莫爾條紋的特點.用平行光束照射時，莫爾條紋由亮帶到暗帶，再由暗帶到亮帶,透過的光強度為正弦分布.起位移放大作用.莫爾條紋的位移與光柵的移動成比例。.起平均誤差的作用思考與練習題3什么是碼盤式編碼器？碼盤式編碼器也稱為絕對編碼器，它將角度轉(zhuǎn)換為數(shù)字編碼，能方便地與數(shù)字系統(tǒng)(如微機)聯(lián)接。碼盤式編碼器按其結(jié)構(gòu)

11、可分為接觸式、光電式和電磁式三種，后兩種為非接觸式編碼器。檢測電路主要包括哪個部分？磁柵檢測電路包括：磁頭勵磁電路、讀取信號的放大、濾波及辨向電路，細分內(nèi)插電路，顯示及控制電路等各個部分。思考與練習題5一.名詞解釋1.霍爾效應金屬或半導體薄片置于磁場中，當有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱 為霍爾效應。熱電效應將兩種不同成分的導體組成一個閉合回路，如圖3.36所示，當閉合回路的兩個接點分別置于不同的溫度場中，回路 中產(chǎn)生一個方向和大小與導體的材料及兩接點的溫度有關的電動勢，這種效應稱為，熱電效應”。高*、 A金屬(銅)45車溫百(康銅圖3.36熱電偶的組成二.

12、簡答題簡述直流測速發(fā)電機的工作原理。直流測速發(fā)電機的工作原理與普通直流發(fā)電機相同。圖3.20所示為電磁式直流測速發(fā)電機的工作原理圖。圖3.20直流測速發(fā)電機的工作原理在恒定磁場中，旋轉(zhuǎn)的電樞組切割磁通，并產(chǎn)生感應電動勢，由電刷兩端引出的電樞電壓為:E = C 4 nae空載運行時，電樞電流/a=0,直流測速發(fā)電機的輸出電壓就等于電樞感應電動勢，即：U = Ea輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比。負載運行時，電樞電流Ia。0，若不計電樞反應的影響，不計電刷接觸壓降，直流測速發(fā)電機的輸出電壓為:U = E -1 R = E - R aa aaa RL把式上兩式結(jié)合，整理后得：U =當=CnR1 + RL在理想情

13、況下，系數(shù)C中的參數(shù)均為常數(shù)，因而從式中可以看出測速發(fā)電機的輸出電壓與轉(zhuǎn)速嚴格成正比。簡述霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理。假設薄片為N型半導體，磁感應強度為B的磁場方向垂直于薄片，加圖3.21所示，在薄片左右兩端通以電流/（稱 為控制電流），那么半導體中的載流子（電子）將沿著與電流/相反的方向運動。由于外磁場B的作用，使電子受到磁場力 馬（洛侖茲力）而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，結(jié)果在半導體的后端面上電子有所積累，而前端面缺少電子，因此后端面帶負電，前端面帶 正電，在前后端面間形成電場。該電場產(chǎn)生的電場力fe阻止電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn)。當fe與fl相等時，電子積累達到動態(tài)平衡。 這時，在半導體前后兩端面之間（即垂直于電流和磁場

14、方向）建立電場，稱為霍爾電場E，相應的電勢稱為霍爾電勢UH.圖3.21霍爾原理效應圖由實驗可知，霍爾電勢的大小與激勵電流/和磁場的磁感應強度成正比，與半導體薄片厚度d成反比，即機電一體化系統(tǒng)中常用的檢測環(huán)節(jié)有哪幾類？主要可以測量什么？根據(jù)被檢測物理量特性的不同，檢測環(huán)節(jié)可分為：運動學檢測系統(tǒng)：主要完成對位移、速度、加速度和振動的檢測；力學參數(shù)檢測系統(tǒng)：主要完成對拉力、壓力、彎曲力矩和應力的檢測；其他物理量檢測系統(tǒng)：可對溫度檢測、濕度檢測、酸堿度檢測、聲音檢測和圖像檢測系統(tǒng)等。第四章思考與練習題名詞解釋濾波：所謂濾波，就是從所測量的信號中除去不需要的信號。簡單題控制系統(tǒng)中常用的輸入裝置有哪些？常

15、用的輸入裝置是鍵盤、各種開關和接口電路等。共陽極和共陰極的LED有何不同之處？答:LED數(shù)碼管顯示器共陰極的接法是發(fā)光二極管的陰極接地，當數(shù)碼管的筆劃發(fā)光二極管的陽極為高電平時，該筆 劃被點亮。共陽極的接法是發(fā)光二極管的陽極接高電平，當數(shù)碼管的筆劃發(fā)光二極管的陰極為低電平時，該筆劃被點亮。 總之，主要區(qū)別在于LED數(shù)碼管的接法和驅(qū)動筆劃的數(shù)據(jù)電平的不同?？刂葡到y(tǒng)主要有哪些部分組成？機電一體化的控制系統(tǒng)一般由數(shù)控裝置、輸入、輸出裝置、接口、功率放大電路等幾部分組成。控制系統(tǒng)中的信息顯示主要的方法是什么？方法分為：用CRT顯示信息，利用計算機操作系統(tǒng)和有關語言工具提供的顯示功能調(diào)用或命令語句實現(xiàn)信

16、息的顯示。用數(shù)碼管顯示，用專用的顯示電路和專用的顯示程序。矩陣式鍵盤工作原理？矩陣式鍵盤由一組行線(X)與一組列線(匕)交叉構(gòu)成，按鍵位于交叉點上，為對各個鍵進行區(qū)別，可以按一定規(guī)律 分別為各個鍵命名鍵號。將列線通過上拉電阻接至+5V電源，當無鍵按下時，行線與列線斷開，列線呈高電平。當鍵盤上某鍵按下時，則該 鍵對應的行線與列線被短路。第五章思考與練習題2二.簡答題步進電機的調(diào)速包括哪幾個方面的控制？如何控制？1)步進電機速度控制控制步進電機的運行速度，實際上就是控制系統(tǒng)發(fā)出步進脈沖的頻率或者換相的周期。系統(tǒng)可用兩種辦法來確定步進脈沖的周期：一種是軟件延時：通過延時子程序的方法來實現(xiàn)的，它占有C

17、PU時間。另一種是用定時器方法：是通過設置定時時間常數(shù)的方法來實現(xiàn)的。2）步進電機的加減速控制一般用微機控制系統(tǒng)的加減速，控制時需準備下列數(shù)據(jù)：加減速的斜率；加速過程的總步數(shù)；恒速運行總步 數(shù)；減速運行的總步數(shù)。簡述三相單三拍或者三相雙三拍工作原理（任選其一）。（一）以三相單三拍為例：當A相繞組通人直流電流iA時，由于磁力線力圖通過磁阻最小的路徑，轉(zhuǎn)子將受到磁阻轉(zhuǎn)矩的作用而轉(zhuǎn)動。當轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)到其軸線與A相繞組軸線相重合的位置時，磁阻轉(zhuǎn)矩為零，轉(zhuǎn)子停留在該位置，如圖5.8a所示。如果A相繞組不斷電，轉(zhuǎn)子將一直停留在這個平衡位置，稱為“自鎖氣要使轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動，可以將A相繞組斷電， 而使B相繞組通電。

18、這樣轉(zhuǎn)子就會順時針旋轉(zhuǎn)30，到其軸線與B相繞組軸線相重合的位置，如圖5.8b所示。繼續(xù)改變通電狀態(tài)，即使B相繞組斷電，C相繞組通電，轉(zhuǎn)子將繼續(xù)順時針旋轉(zhuǎn)30，如圖5.8c所示。如果三相定子繞組按照A-C-B順序通電，則轉(zhuǎn)子將按逆時針方向旋轉(zhuǎn)。上述定子繞組的通電狀態(tài)每切換一次稱 為“一拍”，其特點是每次只有一相繞組通電。每通入一個脈沖信號，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個角度，這個角度稱為步距角。每經(jīng)過 三拍完成一次通電循環(huán)，所以稱為“三相單三拍”通電方式。圖5.S 步進電動機諒理圖（三相單三拍） 相通電 b）B相通電 e）C相通電（二）以三相雙三拍為例:a)b)c)圈1 步進電動機原理圖（三相雙三拍）a） A、B

19、相通電b） B、C相通電，c） C、A相通電三相雙三拍運行方式的通電順序是AB-BC-CA-AB。由于每拍都有兩相繞組同時通電、如A、B兩相通電時，轉(zhuǎn)子 齒極1、3受到定子磁極A、X的吸引、而2、4受到B、Y的吸引，轉(zhuǎn)子在兩者吸力相平衡的位置停止轉(zhuǎn)動，如圖1a所 示。下一拍B、C相通電時，轉(zhuǎn)子將順時針轉(zhuǎn)過30，達到新的平衡位置，如圖1b所示。再下一拍C、A相通電時，轉(zhuǎn) 子將再順時針轉(zhuǎn)過30，達到新的平衡位置，如圖1c所爾?？梢娺@種運行方式的步距角也是30。3.步進電機的驅(qū)動控 制是如何來實現(xiàn)的？包括哪幾部分？答：步進電機的驅(qū)動是通過弱電驅(qū)動強電來實現(xiàn)的。其中步進電機的弱電部分實現(xiàn)了頻率、數(shù)量和

20、方向的變化，主要包括脈沖混合電路、加減脈沖分配電路、加減速電 路和環(huán)形分配器四個部分。思考與練習題3一.名詞解釋脈寬調(diào)制：所謂脈寬調(diào)制，就是使功率晶體管工作于開關狀態(tài)，開關頻率恒定，用改變開關導通時間的方法來調(diào) 整晶體管的輸出。使電機兩端得到寬度隨時間變化的電壓脈沖。當開關在單周期內(nèi)的導通時間隨時間發(fā)生連續(xù)地變化時， 電機電樞得到的電壓的平均值也隨時間連續(xù)地發(fā)生變化，而由于內(nèi)部的續(xù)流電路和電樞電感的濾波作用，電樞上的電流 則連續(xù)地改變，從而達到調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的目的。思考與練習題4填空題變頻調(diào)速的主要環(huán)節(jié)是為電機提供頻率可變電源的（變頻器），主要分為（交一交變頻）和（交一直一交）變頻兩種。交流伺服

21、電機主要分為（永磁同步伺服電機）和（籠型異步伺服電機）兩類。液壓控制系統(tǒng)主要由（動力元件）、（執(zhí)行元件）、（控制元件）以及（輔助元件）四個部分組成。氣動回路的基本控制方式一般有（電氣一氣動控制方式）、（全氣動控制方式）和（機械操作方式）三種。簡答題試述液壓傳動與氣動傳動的異同點。相同點：（1）組成部分都是有動力元件、執(zhí)行元件、控制元件和輔助元件組成；（2）工作原理相似，工作原理都是先將機械能轉(zhuǎn)換為便于輸送的液（氣）壓能，后又將液（氣）壓能轉(zhuǎn)換為機械能做 功，以實現(xiàn)某種控制。不同點：（1）工作介質(zhì)不同，液壓傳動的介質(zhì)是液壓油，而氣壓傳動的工作介質(zhì)是壓縮空氣。（2）氣壓傳動與液壓傳動比較其元件結(jié)構(gòu)

22、簡單，系統(tǒng)中不必有回氣管，不污染環(huán)境；氣動系統(tǒng)在惡劣工作環(huán)境中， 安全可靠性優(yōu)于液壓系統(tǒng)。（3）氣壓傳動與液壓傳動比較工作壓力較低，輸出功率較小，因此氣信號傳遞的速度慢，不宜用于高速傳遞的回 路中。氣壓傳動的壓縮控制，容易使載荷變化使動作穩(wěn)定性比液壓介質(zhì)差。（4）另外氣壓傳動排氣噪聲大，在系統(tǒng)中需加消聲器。什么是液壓傳動？液壓傳動控制本質(zhì)上是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，它先將機械能轉(zhuǎn)換為便于輸送的液壓能，后又將液壓能轉(zhuǎn)換為機械能做 功，以實現(xiàn)某種控制目的。7.試述什么是SPWM調(diào)制SPWM調(diào)制是用脈沖寬度不等的一系列矩形脈沖去逼近一個所需要的電壓信號；它是利用三角波電壓與正弦參考電 壓相比較，以確定各分段矩形脈沖的寬度。圖5.24為三角波調(diào)制法原理。它利用三角波與參考電壓正弦波相比較，以確定各段矩形脈沖的寬度。在電壓比較器 A的兩輸入端分別輸入正弦波參考電壓uR和頻率與幅值固定不變的三角波電壓“a，在A的輸出端