機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)試題

1、一、填空題1.控制及信息處理單元一般由 控制計(jì)算機(jī) 、控制軟件 和 硬件電路接口 組成。2.機(jī)電一體化產(chǎn)品按用途可以劃分為 民用機(jī)電一體化、半工機(jī)電一體化 和 產(chǎn)業(yè)機(jī)電一體化 產(chǎn)品。3.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的質(zhì)量管理主要體現(xiàn)在 質(zhì)量目標(biāo)管理 、實(shí)行可行性設(shè)計(jì) 和 進(jìn)行設(shè)計(jì)質(zhì)量評(píng)審三個(gè)方面。4.市場預(yù)測主要包括 定期預(yù)測 和 定量預(yù)測 方法。5.機(jī)電一體化系統(tǒng)中，機(jī)械傳動(dòng)要滿足伺服控制在 精度、穩(wěn)定性和 快速響應(yīng) 等方面的要求。6.在多級(jí)傳動(dòng)中，為了減小傳動(dòng)誤差，傳動(dòng)比的分配應(yīng)遵守 先小后大 原則。7.當(dāng)負(fù)載折算到電機(jī)軸上的慣量等于 轉(zhuǎn)子慣量 時(shí)，系統(tǒng)能達(dá)到慣性負(fù)載和驅(qū)動(dòng)力矩的最佳匹配。8.機(jī)械傳

2、動(dòng)系統(tǒng)中，影響系統(tǒng)傳動(dòng)精度的誤差可分為 傳動(dòng)誤差 和 回程誤差 兩種。二、簡答題1.機(jī)電一體化系統(tǒng)中，傳感測試部分的作用是什么？傳感測試部分的作用是對系統(tǒng)運(yùn)行中所需要的本身和外界環(huán)境的各種參數(shù)及狀態(tài)進(jìn)行檢測，變?yōu)榭勺R(shí)別的信號(hào)，使輸?shù)叫畔⑻幚韱卧?。?jīng)分析處理后產(chǎn)生控制信息。2.簡述機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的工程路線（主要步驟）擬定產(chǎn)品開發(fā)目標(biāo)和技術(shù)規(guī)范，收集資料，市場分析，可行性分析和技術(shù)經(jīng)濟(jì)型分析，總體方案設(shè)計(jì)，總體方案的評(píng)審和評(píng)價(jià)，詳細(xì)設(shè)計(jì)，方案的評(píng)審和評(píng)價(jià)，試制樣機(jī)，樣機(jī)實(shí)驗(yàn)測試，技術(shù)評(píng)價(jià)與審定，小批量生產(chǎn)，試銷，正常生產(chǎn)，銷售。3.為什么采用機(jī)電一體化技術(shù)可以提高系統(tǒng)的精度？機(jī)電一體化技術(shù)使機(jī)

3、械傳動(dòng)部分減少，因而使機(jī)械磨損，配合間隙及受力變形等所引起的誤差大大減少，同時(shí)由于采用電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測、控制補(bǔ)償和校正因各種干擾因素造成的誤差，從而提高精度。4.影響機(jī)電一體化系統(tǒng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的主要因素有哪些？系統(tǒng)的負(fù)載變化、傳動(dòng)系統(tǒng)的慣性、傳動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率、傳動(dòng)系統(tǒng)中的摩擦與潤滑。5.轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對傳動(dòng)系統(tǒng)有哪些影響？在傳動(dòng)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增大使機(jī)械負(fù)載增加，功率消耗大，使系統(tǒng)相應(yīng)速度變慢，降低靈敏度，使系統(tǒng)固有頻率下降，容易產(chǎn)生諧振。6.為減小機(jī)械系統(tǒng)的傳動(dòng)誤差，可采用哪些結(jié)構(gòu)措施？適當(dāng)提高零部件本身的精度，合理設(shè)計(jì)傳動(dòng)鏈，減小零部件制造、裝配誤差對傳動(dòng)精度的影響，采用消隙機(jī)構(gòu)以減

4、小或消除回程誤差。三、計(jì)算題1圖示絲杠螺母驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，已知工作臺(tái)的質(zhì)量m=200Kg，絲杠螺距t=5mm,絲杠長度L=0.8m,中徑為d=30mm,材料密度為，齒輪齒數(shù)分別為z120，z245，模數(shù)m2mm，齒寬b20mm。試求折算到電機(jī)軸上的總等效慣量J。解：(1)計(jì)算各傳動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(2)工作臺(tái)折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為(3)折算到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量2試設(shè)計(jì)一數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)用滾珠絲杠副。已知平均載荷Fm3600N，絲杠工作長度l1.25m，平均轉(zhuǎn)速nm120r/min，每天開機(jī)6h，每年250個(gè)工作日計(jì)，要求工作10年以上。絲杠材料為CrWMn鋼，滾道硬度為5862HRC，絲杠傳動(dòng)精度要求為0

5、.03mm。四、分析題一數(shù)控系統(tǒng)如圖所示，試說明圖中的各個(gè)部分分別屬于機(jī)電一體化系統(tǒng)的哪一基本結(jié)構(gòu)要素?？刂萍靶畔⑻幚韱卧烘I盤、計(jì)算機(jī)、顯示測試傳感部分：光電編碼器、信號(hào)處理能源：電源驅(qū)動(dòng)部分：功放、電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)：聯(lián)軸器、齒輪減速器、絲杠螺母機(jī)構(gòu)、工作臺(tái)一、填空題1.在機(jī)電一體化系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置中，位于前向通道閉環(huán)之內(nèi)的環(huán)節(jié)，其誤差的 低頻分量 對輸出精度基本無影響，而誤差的 高頻分量 影響系統(tǒng)的輸出精度。2.為提高閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應(yīng)增大執(zhí)行裝置的 固有頻率 和系統(tǒng)的 阻尼能力。3.對于執(zhí)行裝置，選擇較大的傳動(dòng)比可使系統(tǒng)的 相對阻尼系數(shù) 增大，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性。4.對于線性控制系統(tǒng)，若要求

6、在達(dá)到高精度的同時(shí)減小定位時(shí)間，則必須提高系統(tǒng)的 固有頻率 。5.步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源由 變頻信號(hào)源、脈沖分配器 和功率放大器 組成。6.由矩頻特性曲線可知，步進(jìn)電機(jī)的 最大動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩 小于最大靜轉(zhuǎn)矩，并隨著脈沖頻率的升高而 降低 。7.當(dāng)前，廣泛采用的直流伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路有 線性直流伺服放大器 和 脈沖調(diào)制放大器 兩種。8.交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與 電源頻率、磁極對數(shù) 和 轉(zhuǎn)差率 有關(guān)。9.液壓系統(tǒng)的伺服控制元件主要有 電液比例閥 和 電液伺服閥。10.評(píng)定定位系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)是 定位精度 和 定位時(shí)間。二、簡答題1.如何提高伺服系統(tǒng)的響應(yīng)速度？伺服系統(tǒng)的響應(yīng)速度主要取決于伺服系統(tǒng)的頻率特性和

7、伺服系統(tǒng)的加速度。(1)提高系統(tǒng)的固有頻率減小阻尼，增加傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度，減小折算的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，減小摩擦力，均有利于提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。(2)提高驅(qū)動(dòng)原件的驅(qū)動(dòng)力可以提高系統(tǒng)的加速度，由此也可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。2.步進(jìn)電機(jī)是如何實(shí)現(xiàn)速度控制的？步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)是由輸入電脈沖信號(hào)控制的。每當(dāng)電機(jī)繞組接收一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個(gè)相應(yīng)的角度，其角位移量與輸入脈沖的個(gè)數(shù)嚴(yán)格成正比。在時(shí)間上與輸入脈沖同步，因而只要控制輸入脈沖的數(shù)量，頻率和電機(jī)繞組的相序，即可得到所需要的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和方向。3.試述直流電機(jī)伺服系統(tǒng)中脈寬調(diào)制放大器的基本工作原理。脈寬調(diào)制放大器是直流伺服電機(jī)常用的晶體管驅(qū)動(dòng)電路。利用大功率的晶

8、體管的開關(guān)作用，將直流電源電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率的方波電壓，施加于直流電機(jī)的電樞，通過對方波脈沖寬度的控制，改變電樞的平均電壓，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速得到調(diào)節(jié)。4.交流伺服電機(jī)有哪些類型？交流伺服驅(qū)動(dòng)的主要特點(diǎn)是什么？類型：永磁式交流同步電機(jī)和籠型異步電機(jī)。主要特點(diǎn)：調(diào)速范圍大，適合大中功率伺服系統(tǒng)，運(yùn)行平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速不受負(fù)載變化的影響，輸出轉(zhuǎn)矩較大，而轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)量小。三、分析題1.如圖所示的系統(tǒng)，試分析傳感器的誤差對輸出精度的影響。圖1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)直線伺服系統(tǒng)傳感器位于反饋通道，誤差的低頻分量影響系統(tǒng)的輸出精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此，傳感器應(yīng)有較高的精度，而誤差的高頻分量不影響輸出精度，可以允許傳感器及放大器有一定

9、的高頻噪聲。2.如圖所示的伺服系統(tǒng)，試分析齒輪減速器的傳動(dòng)誤差對工作臺(tái)輸出精度的影響。圖2 開環(huán)步進(jìn)電機(jī)位置控制系統(tǒng)四、計(jì)算題1.如圖1所示的電機(jī)驅(qū)動(dòng)直線伺服系統(tǒng)，已知工作臺(tái)的質(zhì)量為50kg，工作臺(tái)與導(dǎo)軌間的摩擦系數(shù)f0.1，負(fù)載力為1000N，絲杠直徑為16mm，導(dǎo)程為4mm，齒輪減速比為5，工作臺(tái)的最大線速度為0.05m/s，試求：（1）折算到電機(jī)軸上的負(fù)載力矩；（2）電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速；（3）電機(jī)所需功率。解：折算到電機(jī)軸上的負(fù)載力矩摩擦負(fù)載力外負(fù)載力 電機(jī)上的負(fù)載力矩為 （2）電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速 （3）電機(jī)所需功率 取系數(shù)2，則 2.如圖2所示的開環(huán)步進(jìn)電機(jī)位置控制系統(tǒng)，已知負(fù)載力F=2000N，

10、工作臺(tái)長L=400mm，往復(fù)精度為mm，絲杠導(dǎo)程6mm，直徑d32mm，步進(jìn)電機(jī)的步距角為，試確定齒輪減速比i。解：步進(jìn)電機(jī)的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)脈沖/轉(zhuǎn)脈沖設(shè)傳動(dòng)比為，每個(gè)脈沖對應(yīng)工作臺(tái)的位移為則一、填空題1.計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)總線（信號(hào)線）有 數(shù)據(jù)總線 、地址總線 和 控制總線 等三類。2.第一條標(biāo)準(zhǔn)微機(jī)總線是S-100 總線，而multi 總線可支持多CPU并行工作。3.開關(guān)量輸入/輸出模板的典型接口由總線接口邏輯、I/O功能邏輯 和 I/O電氣接口 所組成。4.典型開關(guān)量I/O模板的I/O電氣接口的主要功能有濾波、變頻變換 、光電隔離 和 功率驅(qū)動(dòng)。5.一般的多路A/D轉(zhuǎn)換模板由 多路開關(guān)、采樣保持器

11、、轉(zhuǎn)換器 和 總線接口邏輯 所組成。6.選擇A/D模板的主要依據(jù)是 采樣精度、采樣速度 和成本。7.與A/D轉(zhuǎn)換模板不同，在多路D/A轉(zhuǎn)換模板中，需要多個(gè) D/A轉(zhuǎn)換器 ，各通道D/A的有效數(shù)據(jù)由 通道選擇器 產(chǎn)生的信號(hào)來決定。8.在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)的指令進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換后，須經(jīng)過 信號(hào)調(diào)理 環(huán)節(jié)才能驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。二、簡答題1.試述可編程序控制器的功能及組成?？删幊绦蚩刂破魅〈^電器控制，完成順序控制和程序控制，可組成閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)精確的位置和速度控制，可構(gòu)成高速數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的完全自動(dòng)化。 典型的可編程序控制器是由電源、微處理器、存儲(chǔ)器、輸入輸出接口和編程器組成。2

12、.開放式體系結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是什么？開放式體系結(jié)構(gòu)是近年來在電子工業(yè)和計(jì)算機(jī)工業(yè)中流行的一種設(shè)計(jì)思想，它使得當(dāng)代計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)方法有了很大區(qū)別。開放式體系結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是：想未來的VLSI開放，向不同的用戶層次開放，向用戶的特殊要求開放，利用模塊化結(jié)構(gòu)。3.采用STD總線的工業(yè)控制機(jī)有哪幾種工作模式？由于STD總線高度模塊化和采用組合方法的特點(diǎn)，STD工業(yè)控制機(jī)可以靈活的組成各種系統(tǒng)，其工作模式有三種獨(dú)立工作模式，即采用微機(jī)的基本系統(tǒng)與工業(yè)用I/O模板單獨(dú)構(gòu)成控制系統(tǒng)；作為前端控制機(jī)，STD工業(yè)控制機(jī)可作為其他微機(jī)（工業(yè)PCG）的前端控制機(jī)，完成實(shí)時(shí)在線控制，并把采集的數(shù)據(jù)和執(zhí)行

13、結(jié)果傳送給上位機(jī)；構(gòu)成分布式組合，利用STD控制機(jī)的組合方法可方便地進(jìn)行各種分布式系統(tǒng)的組合。4.簡述STD總線微機(jī)控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)。采用小板結(jié)構(gòu)，高度的模塊化，其功能模板結(jié)構(gòu)靈活，可靠性高，硬件冗余小，成本低；模具設(shè)計(jì)具有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和廣泛的兼容性；面向I/O的設(shè)計(jì)，具有強(qiáng)大的I/O擴(kuò)展能力，使控制系統(tǒng)非常適合工業(yè)控制的應(yīng)用。5.STD總線系統(tǒng)的I/O子系統(tǒng)有哪些主要功能？在計(jì)算機(jī)工業(yè)過程控制系統(tǒng)中，I/O子系統(tǒng)是過程接口，其主要功能有開關(guān)量的輸入輸出，用于I/O信號(hào)的測量與控制;模擬量的輸入輸出，用于外部模擬量的采樣及輸出模擬量的控制;脈沖量的輸入輸出，用于輸入脈沖信號(hào)的接收，輸出脈沖信號(hào)的控制，定時(shí)信號(hào)的產(chǎn)生及處理，伺服電機(jī)使用的運(yùn)動(dòng)控制接口。6.A/D、D/A接口的功能是什么？在工業(yè)系統(tǒng)中需要測量和控制的參數(shù)經(jīng)常是連續(xù)變化的模擬信號(hào)，這些物理量經(jīng)傳感器變成連續(xù)變化的電壓電流等信號(hào)，A/D接口的功能是將這些模擬量再變成數(shù)字量，以便計(jì)算機(jī)識(shí)別，D/A接口的功能則是將經(jīng)計(jì)算機(jī)處理的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬電壓或信號(hào)，輸送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，達(dá)到控制過程的目的。三、分析題1畫圖說明工業(yè)控制機(jī)與普通信息處理計(jì)算機(jī)的主要區(qū)別是什么？工業(yè)控制機(jī)與普通信息