机电一体化技术与系统.docx

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1、第一章 概述1、机电一体化术语的来源：最早（1971年）起源于日本2、机电一体化乃是在机械的主功能、动机功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术， 并将机械装置与微电子装置用相关软件有机结合而构成的系统的总称。3、机电一体化系统（产品）构成的五大部分（或子系统）是：控制器、检测传感器、执行 元件、动力源、机构。P64、机电一体化系统设计的考虑方法通常有：机电互补法、融合（结合）法和组合法。例：机电一体化系统设计考虑方法及设计类型考虑方法（1）机电互补法 （2）结合（融合）法设计类型（1）开发性设计 （2）适应性设计 （3）变异性设计第二章 机械系统部件的选择与设计1、为确保机械系统的传动精度和

2、工作稳定性，在设计中常提出低摩擦、无间隙、低惯量、 高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比等要求。2、差动传动方式工作原理图：由图可知螺杆2左、右两段螺纹螺距不同、旋向相同的螺纹Ph1和Ph2，若螺母旋合圈数为 5，当丝杠2转动时，Ph1=15，Ph2=8，则螺母1的移动距离为多少？解：=n(Pn1-Pn2)=351.如图所示差动螺旋传动，两段螺纹均为右旋，固定媒母A处导杆为2. 5皿，活动螺母B 处导程为2. 2mm.当螺杆1回转2周时，活动螺母3的移动距离是多少？向哪个方向移动？2如图所示的电机驱动工作台系统，其中驱动x向工作台的三相双三拍步进电机，转 子齿数z为100。滚珠丝杠的基本导程为l0

3、=6mm。已知传动系统的横向（x向）脉冲当量为 0.005mm/脉冲。试求：（1）步进电机的步距角；解：（1）K=3相，N=3拍，z=100步进电机的步距角=360/（z*m）= 360/（z*K*N）= 360/（100*3*3）=0.4 （2）由于一个脉冲，步进电机旋转0.4 ，工作台横向（x向）脉冲当量0.005mm，由于 滚珠丝杠的基本导程为l0=6mm，对应于丝杠转动一周360 ，设一个脉冲丝杠转动的角度 为x，则 6mm/360=0.005/x，得x=0.3故减速齿轮的传动比i=0.3/0.4=3/46、滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有 内循环 和 外循环 两种。7、滚珠丝杠副轴向间隙

4、的调整与预紧（为什么要调整？什么方式？）滚珠丝杠副在有负载时，滚珠与滚道面接触点处将产生弹性变形。换向时，其轴向间隙 会引起空回。这种空回是非连续的，既影响传动精度又影响系统的稳定性。单螺母丝杠副的 间隙消除相当困难。实际应用中，常采用以下几种调整预紧方法：（1）双螺母螺纹预紧调整式（2）双螺母齿差预紧调整式（3）双螺母垫片预紧调整式（4）弹簧式自动预紧调整式（5）单螺母变位导程预紧式和单螺母滚珠过盈预紧式例1：滚珠丝杠副轴向间隙的调整与预紧方式有几种？各有何特点？答：（1）双螺母螺纹预紧调整式L；结构简单刚性好、预紧可靠，使用中调整方便，但 不能精确定量地进行调整；（2）双螺母齿差预紧调整式

5、Ch或C；可实现定量调整，即可进行精密微调，使用中调 整较方便。（3）双螺母垫片调整预紧式D；结构简单、刚度高、预紧可靠，但使用中调整不方便。（4）弹簧式自动调整预紧式；能消除使用过程中因磨损或弹性变形产生的间隙，但其 结构复杂、轴向刚度低，适合用于轻载场合。（5）单螺母变位导程预紧式和单螺母滚珠过盈预紧式B。结构简单、紧凑，但使用过 程中不能调整，且制造困难。例3：滚珠丝杠副轴向间隙对传动有何影响？采用什么办法消除它？答：滚珠丝杠副轴向间隙影响反向传动精度。消除滚珠丝杠副轴向间隙通常采用的方法有：1）采用双螺母结构调整两螺母轴向相对 位置实现预紧消除间隙。具体措施有：垫片调隙，螺纹预紧调隙，

6、齿差预紧调隙等方式。2） 采用单螺母结构用增大钢球直径的方式实现预紧以消除间隙。8、滚珠丝杠副按支撑方式分为哪四种？P35单推-单推式，双推-双推式，双推-简支式，双推-自由式 例2：滚珠丝杠副的支承方式有几种？各有何特点？答：（1）单推-单推式；轴向刚度较高，预拉伸安装时，预紧力较大，但轴承寿命比双 推-双推式低；（2）双推-双推式；轴向刚度较高，适合于高刚度、高转速、高精度的精密丝杠传动系 统。但随着温度的升高会使丝杠的预紧力增大，易造成两端支承的预紧力不对称；（3）双推-简支式；轴向刚度较低，应注意减少丝杠热变形的影响。双推端可预拉伸安 装，预紧力小，轴承寿命较高，适用于中速、传动精度较

7、高的长丝杠传动系统。（4）双推-自由式；轴向刚度和承载能力低，多用于轻载、低速的垂直安装的丝杠传动 系统。9、各级传动比的最佳分配原则：（1）重量最轻原则；（2）输出轴转角误差最小原则；（3）等效转动惯量最小原则；10、谐波齿轮传动与少齿差行星齿轮传动十分相似。它是依靠柔性齿轮产生的可控变形波 引起齿间的相对错齿来传递动力和运动的。具有双波发生器的谐波减速器，其钢轮和柔轮 的齿数差为ZgZr2。11、齿轮传动间隙的调整方法：（1）圆柱齿轮传动：偏心套（轴）调整法；轴向垫片调整法；双片薄齿轮错 齿调整法（2）斜齿轮传动：与圆柱齿轮相同12、梯形齿同步带结构由包布层、带齿、背带和加强筋组成。13、

8、机电一体化系统对导轨的基本要求是：导向精度高、刚性好、运动轻便平稳、耐磨性 好、温度变化影响小以及结构工艺性好等。14、导向精度：导向精度是指导轨按给定方向作直线运动的准确程度。导向精度的高低主要 取决于导轨的结构类型，导轨的几何精度和接触精度，导轨的配合间隙、油膜厚度和油膜刚 度，导轨和基础件的刚度和热变形等。15、导轨副按截面形状分为哪几种？各自的特点是什么？（1）三角形导轨：磨损自动补偿，精度高，制造检修困难（2）矩形导轨：制造检修容易，承载大，刚度高，安装方便，磨损不能自动补偿 （3）燕尾形导轨：高度小，刚度差，摩擦力大，制造检修困难，磨损不能自动补偿 （4）圆形导轨 ：制造方便，精度

9、高，磨损后难调整补偿，承载低三角形导轨副的特点：导向性和精度保持性高，接触刚度好，工艺性差，对导轨四个表面难以完全接触。第三章 执行元件的选择与设计1、直流伺服电机为直流供电，为调节电动机转账和方向，需要对其直流电压的大小和方向 进行控制。目前，常用晶体管脉宽调理驱动和晶闸管直流调速驱动两种方式。例2：直流伺服电机的驱动方式有哪几种？晶体管脉宽调理驱动、晶闸管直流调速驱动2、控制绕组与励磁绕组在空间上相角相差90。3、步进电机又称脉冲电动机。它是将电脉冲信号转化成机械角位移的执行元件。只要控制 输入电脉冲的数量、频率以及电动机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向，很容 易用微机实现数字控

10、制。（概念）4、P108 计算题步进电机有哪几种通电方式？步距角与通电方式有否有关？答：三相步进电机： 1）单相轮流通电方式，三相单三拍通电。2）双相轮流通电方式，三相双三拍通电.3）单双相轮流通电方式，三相六拍通电。其他相步进电机步距角与通电方式的关系：=360/（zm）；：步距角；z:转子齿数；m为运行拍数。第四章 微机控制系统的选择及接口设计1、所谓计算机控制，就是按照规定的控制算法进行控制，因此，控制算法的正确与否直接 影响控制系统的品质，甚至决定整个系统的成败。2、微型计算机按组装形式可分为单片机、单板机和微型计算机系统等。3、8086/8088CPU的最大与最小工作模式。4、点亮显

11、示器有静态和动态两种方法。5、光电隔离电路的作用有哪些？P172为了防止强电干扰以及他干扰信号通过I/O控制电路进入计算机影响其工作，通常的办 法是首先采用滤波吸收，抑制干扰信号的产生，然后采用光电隔离的办法，使微机与强电部 件不共地。阻断干扰信号的传导，光电隔离电路主要由光电耦合器的光电转换元件组成。作用：1）可将输入与输出央两部分电路的地线分开，各自使用一套电源供电。2）可以进行电平转换3）提高驱动能力6、知道：线性度、灵敏度。7、光电码盘式：分为8份，转一圈需要8个脉冲(反向推)和角度关系；转多少度？多少 个脉冲？P1868、测速发电机：与转速成正比。9、传感器是将被检测对象的各种物理变

12、化量变为电信号的一种变换器。第五章 元、部件的特性分析1、所谓反馈，就是通过适当的检测传感装置将输出量的全部或一部分返回到输入端，使之 与输入量进行比较，用其偏差对系统进行控制，反馈控制的目标是使该偏差为零。例1: 什么是反馈控制？系统的输出量不仅受输出量影响，而且反馈回来影响输入量，由于系统是利用输出量与 输入量之间的偏差进行控制，又称负反馈控制。2、伺服系统有时也称伺服机构，它是以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。其 输出量随输入量的变化而变化，因此有时也称随动系统。3、采样是指将连续时间信号转变为脉冲或数字信号的过程。采样控制系统包括一般的采样 系统和数字控制系统。第六章 机电有

13、机结合的分析与设计1、总结：齿轮传动总的等效惯量随传动级数的增大而减少。P245 例1：齿轮传动的总等效惯量随传动级数( A )；A. 增加而减小B. 减小而减小C. 增加而增加 D. 变化而不变4. 机电一体化研究的核心技术是接口问题。5. 机电一体化系统（产品）构成的五大部分（或子系统）是：机械系统、电子信息处理系 统、动力系统、传感检测系统、执行元件系统。6. 机电一体化接口按输入/输出功能分类机械接口、物理接口、信息接口、环境接口。7. 机电一体化系统（产品）按设计类型分为：开放性设计、适应性设计、变异性设计。8. 机电一体化系统（产品）按机电融合程度分为：机电互补法、 机电结合（融合

14、）法、机 电组合法。9. 机电一体化技术是在机械的主功能、动力功能、信息与控制功能基础上引入微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机地结合所构成系统的总称。10. 机电一体化系统实现三大功能应具有的两大重要特征（转换作用方式）：以能源转换为主 和 以信息转换为主 。11. 丝杠螺母机构的基本传动形式有： 螺母固定丝杆转动并移动、 丝杆转动螺母移动、 螺 母转动丝杆移动、丝杆固定螺母转动并移动四种形式。12. 滚珠丝杠副按螺纹滚道截面形状分为单圆弧和双圆弧两类；按滚珠的循环方式分为内循 环和外循环两类。13. 滚珠丝杠副轴向间隙调整与预紧的基本方法有：双螺母螺纹预紧调整、双螺母齿差预紧

15、调整、双螺母垫片调整预紧、弹簧自动调整预紧四种方式。14. 滚珠丝杠副常选择的支承方式有：单推单推式、双推双推式、双推简支式、双推自由式。15. 机电一体化系统（产品）常用齿轮传动形式有定轴轮系、行星轮系和谐波轮系三种形式。16. 在机电一体化系统机械传动中，常用的传动比分配原则有：重量最轻原则、转动惯量最 小原则、传动精度最优原则等。17. 常用导轨副的截面形式有：三角形导轨、矩形导轨、燕尾形导轨、圆形导轨 四种形式。18. 导轨刚度主要指：结构刚度、接触刚度和局部刚度。19. 机电一体化系统（产品）中，常可选择的执行元件：电磁式、液压式、气压式和其他形 式的执行元件。20. 电动机的工作特

16、性分为恒转矩工作和恒功率两个阶段，其转折点的转速和功率分别称为： 额定转速和 额定功率；伺服电动机用于调速控制时，应该工作在恒转矩阶段。21. 步进电机按转子结构形式可分为：反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机 三种。22. 步进电机的工作方式有：单拍工作方式和倍拍工作方式。23. 步进电机的开环控制精度主要由步进电机的结构形式 和工作方式 决定的；为了进 一步提高步进电机的控制精度，可以采用细分电路来提高控制精度。24. 依据步进电机的工作原理，步进电机的驱动控制电路主要由：方向控制电路、环形分配 电路、驱动放大电路等组成。25. 机电一体化系统中，常用的微型计算机类型有：单片机控

17、制系统、 单板机控制系统、 工业微型计算机控制系统三种。26. 提高机电一体化控制系统工作可靠性的措施主要有：隔离技术、 和 屏蔽技术、滤 波技术27. 常用传感器主要分为模拟信号检测传感器、数字信号检测传感器、 开关信号检测传感 器 三种形式。28. 机电有机结合分析设计方法主要有稳态设计方法和动态设计方法两种。29. 在机电一体化系统稳态设计的负载分析中，常见的典型负载形式有：惯性负载、外力负 载、内力负载 、弹性负载、摩擦负载等。30. 在进行机械系统负载和转动惯量的等效中，遵循的基本原则是能量守恒定律 一.填空1. 机电一体化技术是 机械学 与 电子学 的结合；一个较完善的机电一体化系

18、统包含：机 械本体、动力与驱动装置、执行机构、传感与检测部分 和 控制与信息处理 五部分。2. 在应用力电压相似原理建立机械系统数学模型时，力对应 电压 、位移对应 电荷 、 速度对应 电流 、质量对应 电感 、粘滞阻尼系数对应 电阻 、弹簧柔度对应 电容 、自由 度对应 闭合回路 。3. 传感器的灵敏度反映了被测量的数值处在稳定状态时， 输出量 的变化量与输入量 的变 化量的比值。4. 电容式位移传感器是将被测物理量转换为 电容量 变化的装置。5. 滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有 外循环 和 内循环 两种。6. 测速发电机的负载电阻越大，其线性度 越好 。7. 步进电机的步距角指在 一个电脉冲

19、的作用下，电机转子转过的角位移。8. 谐波齿轮传动的三个主要部件是： 刚轮 、 柔轮 和 谐波发生器 。9. 直流伺服电机的机械特性指当 控制电压Ua一定时， 电磁转矩 与 转速 之间的关系；调 节特性指在 输出转矩 一定时， 转速 与 控制电压 之间的关系。一.填空1 . 通常一个较完善的机电一体化系统包含： 动力、 执行器 、 传感器 、 计算机和 传动 机构 五部分。2 传感器的静态特性指标主要有： 线性度 、 灵敏度 、 迟滞度 、分辨力 和 重复度 等。3 . 电感式位移传感器是通过检测 电感量 的变化来检测被测量的位移。4 .滚珠丝杠副中采用双螺母是为了便于 螺旋弧轴向 间隙的调整

20、。5 .在光栅式位移传感器中，莫尔条纹对光栅的 栅距 起到了放大作用。6 .谐波齿轮传动的三个主要部件是： 刚轮 、 柔轮 和 谐波发生器 。7 .直流伺服电机的优点是稳定性好、可靠性好、响应速度快和扭矩大等；无刷直流伺服电动 机的优点是_无换向器 、可控性好和 稳定性好_等8 . 机电一体化技术是 机械 与 微电子 的结合；10. 传感器的灵敏度反映了被测量的数值处在稳定状态时，输出量 的变化量与 输入量的变化量的比值。11. 电容式位移传感器是将被测物理量转换为电容变化的装置。12. 滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有内循环 和 外循环 两种。13. 测速发电机的负载电阻越大，其线性度 越好。1

21、4. 步进电机的步距角指在电脉冲的作用下，电机转子转过的角位移。15. 直流伺服电机的机械特性指当电枢电压一定时，转矩与转速之间的关系；调节特性指在 负载转矩一定时，电枢电压与 转速 之间的关系。16. 滚珠丝杆副中滚珠的循环方式有内循环和外循环两种17. 在谐波齿轮传动中，若柔轮固定、谐波发生器主动、刚轮从动，则主、从动件转向 相 同。18. 传感器的迟滞特性是指输入量在增加和减少的过程中，同一输入量下其 输出量 的差别。19、压电式加速度传感器中压电元件变形后所产生的 电荷量与加速度成正比。20、若max是传感器的最大非线性误差、yFS为输出量的满刻度值，则传感器的线性度可表示为 max

22、yFS。21、在机电一体化产品的功能原理方案设计中，其功能元的组合方式常用的有串联结构、并 联结构和 环形三种形式。22、在单圆弧型螺纹滚道的滚珠丝杠副中，其接触角会随 轴向 载荷大小的变化而变化。23、对于以提高传动精度和减小回程误差为主的传动齿轮系，应按 输出轴的转矩误差最小 原则分配其各级传动比。二选择题1. “机电一体化”这一名词产生于20世纪，其产生的年代为（ A ）A70年代50年代40年代80年代2. “机电一体化”在国外被称为（ C ）AMachineElectronicsMechatronicsA和B3. 机电一体化产品的动力与驱动部分的主要功能是 （ D ）A提供动力传递运

23、动传递动力4. 在同步齿型带传动中，同步带的齿形为（ A ）A、B和A梯形矩形渐开线摆线5. 直流伺服电动机的电磁转矩与输出转速之间的函数关系式称为其 （A )A机械特性调节特性力矩特性6. 在滚珠丝杠副中，预紧调整是为了消除其 （ B ）转速特性A径向间隙轴向间隙预应力A和B7. 在交流伺服电机中，控制绕组与励磁绕组在空间相差的电角度是（D )A60450 908. 若x为传感器的输入量，y是其输出量，则传感器的灵敏度为（ C）xxyyA Hyyxx9. 在可编程控制器的编程中，同一继电器线圈在梯形图中出现的次数最多为（ B ）A213410. MCS51的每个机器周期包含状态周期数为（ D

24、 ）A122410611.在滚珠丝杠副JB3162.2-91的标准中，最高的精度等级是（ A ）A1级10级7级C级12. 光栅式位移传感器的栅距W、莫尔条纹的间距B和倾斜角之间的关系为 （ AWWWWBBB ns=500,故不合用。1有一脉冲电源，通过环形分配器将脉冲分配给五相十拍通电的步进电机定子励磁绕组，已知转子有24个齿，步进电机的步距角是（C ）。a=360/（znk）=360/（24*5*2）A0.6B1.2 C1.5D22步进电机转动后，其输出转矩随着工作频率增高而（B ）。A上升B下降C不变D前三种情况都有可能3采用脉宽调制（PWM）进行直流电动机调速驱动时，通过改变（A ）来改变电枢回 路的平均电压，从而实现直流电动机的平滑调速。A脉冲的宽度B脉冲的频率C脉冲的正负D其他参数4含有微处理器，可进行程序编制或适应条件变化的接口是（D ）。P220A零接口B被动接口C主动接口D智能接口