機電一體化簡答分析

1、1-5.機電一體化系統(tǒng)由哪些基本要素組成？分別實現(xiàn)哪些功能？機械系統(tǒng)：構造功能；信息處理系統(tǒng)：控制功能；動力系統(tǒng)：動力功能；傳感檢測系統(tǒng)：計測功能；執(zhí)行元件系統(tǒng)：操作功能。1-7.根據(jù)不同的接口功能說明接口的種類。1.根據(jù)接口的變換，調(diào)整功能：零接口、無源接口、有源接口、智能接口2.根據(jù)輸入/輸出功能：機械接口、物理接口、信息接口、環(huán)境接口1-11.說明機電一體化系統(tǒng)的主要評價內(nèi)容高性能化、低價格化、高可靠性比、智能化、省能化、輕薄短小化、高附加價值化。2. 機械傳動部件通常有螺旋傳動、齒輪傳動、同步帶傳動、高速帶傳動、各種非線性傳動部件等，其主要功能是傳遞轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。2-5.絲桿螺母機構的傳

2、動形式及選擇方法有哪些？ (1) 螺母固定、絲桿轉(zhuǎn)動并移動 該傳動形式因螺母本身起著支承作用，消除了絲桿軸承可能產(chǎn)生的附加軸向竄動，結構較簡單，可獲得較高的傳動精度。但其軸向尺寸不易太長，剛性較差。因此只適用于行程較小的場合。(2) 絲桿轉(zhuǎn)動，螺母移動 該傳動形式需要限制螺母的轉(zhuǎn)動，故需導向裝置。其特點是結構緊湊、絲桿剛性較好。適用于工作行程較大的場合。(3) 螺母轉(zhuǎn)動，絲桿移動 該傳動形式需要限制螺母移動和絲桿的轉(zhuǎn)動，由于結構較復雜且占用軸向空間較大，故應用較少。(4) 絲桿固定，螺母轉(zhuǎn)動并移動 該傳動方式結構簡單、緊湊，但在多數(shù)情況下，使用極不方便故很少應用。（5）差動傳動方式 多用于各種

3、微動機構中2-16.各級傳動比的分配原則是什么？輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則是什么？（1）重量最輕原則 小功率傳動裝置各級傳動比（等傳動比分配，等模數(shù)原則） 大功率傳動裝置 各級傳動比確定，應遵循“先大后小”原則，再由經(jīng)驗、類比方法和結構設計緊湊等方法確定。（不等傳動比分配，不等模數(shù)原則）（2）輸出轉(zhuǎn)角誤差最小原則 為了提高機電一體化系統(tǒng)中齒輪傳動系統(tǒng)傳遞運動的精度，各級傳動比應按“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)誤差對輸出轉(zhuǎn)角精度的影響。設齒輪傳動系統(tǒng)中各級齒輪的轉(zhuǎn)角誤差換算到末級輸出軸上的總轉(zhuǎn)角誤為 ，則： 3）等效轉(zhuǎn)動慣量最小原則 各傳動軸轉(zhuǎn)動慣量等效到電機軸上的等

4、效轉(zhuǎn)動慣量最小。(機械傳動部分響應特性最佳原則)。2-18.諧波齒輪傳動有何特點？傳動比的計算方法是什么？答：（1）諧波齒輪傳動特點有：結構簡單、傳動比大、傳動精度高、回程誤差小、噪聲低、傳動平穩(wěn)、承載能力強、效率高等特點。諧波齒輪傳動的波發(fā)生器相當于行星輪系的轉(zhuǎn)臂，柔輪相當于行星輪，剛輪則相當于中心輪。故諧波齒輪傳動裝置的傳動比可以應用行星輪系求傳動比的方式來計算。設Wg、Wr、WH分別為剛輪、柔輪和波形發(fā)生器的角速度，則2-20.齒輪傳動的齒側間隙的調(diào)整方法有哪些？圓柱齒輪傳動、斜齒輪傳動、錐齒輪傳動、彈簧2-25.軸系部件的基本要求旋轉(zhuǎn)精度、剛度、抗振性、熱變形、軸上零件的布置3.執(zhí)行元

5、件的種類？對執(zhí)行元件的基本要求？ 1）電動勢執(zhí)行元件、液動式、氣動式 2）慣性小，動力大、體積小，重量輕、便于維修安裝、宜于微機控制3-5.直流伺服電機控制方式的基本形式是什么？1）晶閘管直流調(diào)速驅(qū)動：主要通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置控制晶閘管的觸發(fā)延遲角（控制電壓的大?。﹣硪苿佑|發(fā)脈沖的相位，從而改變整流電壓的大小，使直流電動機電樞電壓的變化易于平滑調(diào)速。2）晶體管脈寬調(diào)理驅(qū)動：當輸入一個直流電壓U時，就可得到一定寬度與U成比例的脈沖方波來給伺服電動機電樞回路供電，通過改變脈沖寬度來改變電樞回路的平均電壓，從而得到不同大小的電壓值Ua，使直流電動機平滑調(diào)速。3-6.簡述PWM直流驅(qū)動調(diào)速、換向的工作原理

6、。如果改變加到VT1和VT3、 VT2和VT4這兩組管子基極上控制脈沖的正負和導通率 ，就可以改變電動機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。3-10.簡述步進電機的工作原理。通常電機的轉(zhuǎn)子為永磁體，當電流流過定子繞組時，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場。該磁場會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對磁場方向與定子的磁場方向一致。當定子的矢量磁場旋轉(zhuǎn)一個角度。轉(zhuǎn)子也隨著該磁場轉(zhuǎn)一個角度。每輸入一個電脈沖，電動機轉(zhuǎn)動一個角度前進一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比、轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機就會反轉(zhuǎn)。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動機各相繞組的通電順序來控制步進電機的轉(zhuǎn)動。3-11.簡述步進電機步距角大小的計

7、算方法。 步進電動機走一步所轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角，可按下面公式計算式中Z 為轉(zhuǎn)子上的齒數(shù)；m為步進電動機運行的拍數(shù)。通常等于相數(shù)或相數(shù)整數(shù)倍，m=KN（N為電動機的相數(shù)，單拍時K=1，雙拍時K=2）3-12.簡述步進電機的環(huán)形分配方式。 采用計算機軟件，利用查表或計算方法來進行脈沖的環(huán)形分配，簡稱軟環(huán)分。 采用小規(guī)模集成電路搭建而成環(huán)形脈沖分配器。 采用專用環(huán)形脈沖分配器件。3-13.簡述步進電機的運行特性。分辨力、靜態(tài)特性（靜轉(zhuǎn)矩、矩-角轉(zhuǎn)矩、靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)）、動態(tài)特性（動態(tài)穩(wěn)定區(qū)、啟動轉(zhuǎn)矩Tq、最高連續(xù)運行頻率及矩-頻特性、空載啟動頻率與慣-頻特性）4-2.試說明微型計算機的基本特點及選用要點

8、。較完善的中斷系統(tǒng)，足夠的儲存容量，完備的輸入/輸出通道和實時時鐘；字長，速度，指令。4-17.試說明光電耦合器的光電隔離原理。作用？1）光電隔離電路主要由光電耦合器的光電轉(zhuǎn)換元件組成，如下圖所示. 控制輸出時，從上圖a可知，微機輸出的控制信號經(jīng)74LS04非門反相后，加到光電耦合器G的發(fā)光二極管正端。當控制信號為高電平時，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)光二極管不導通，沒有光發(fā)出。這時光敏晶體管截止，輸出信號幾乎等于加在光敏晶體管集電極上的電源電壓。當控制信號為低電平時，發(fā)光二極管導通并發(fā)光，光敏晶體管接收發(fā)光二極管發(fā)出的光而導通，于是輸出端的電平幾乎等于零。同樣的道理，

9、可將光電耦合器用于信息的輸入，如上圖b所示。2）可將輸入與輸出端兩部分電路的地線分開，各自使用一套電源供電、可以進行電平轉(zhuǎn)換、提高驅(qū)動能力4-16.微機應用系統(tǒng)I/O控制的可靠性設計分析方法是什么？光電隔離電路設計、信息轉(zhuǎn)換電路設計4-19.試說明檢測傳感器的選用原則及注意事項。1、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：在確保主要性能參數(shù)和指標的條件下，適當可放寬次要的性能指標和指標要求，以便獲得較高的性能價格比。注意：不能盲目的追求傳感器各種性能指標均高的傳感器選擇方法或原則。6-1.穩(wěn)態(tài)設計和動態(tài)設計包含哪些內(nèi)容？

10、A) 穩(wěn)態(tài)設計包括使系統(tǒng)的輸出運動參數(shù)達到技術要求、執(zhí)行元件（如電動機）的參數(shù)選擇、功率（或轉(zhuǎn)矩）的匹配及過載能力的驗算、各主要元部件的選 擇與控制電路設計、信號的有效傳遞、各級增益的分配、各級之間阻抗的匹 配和抗干擾措施等，并為后面動態(tài)設計中的校正補償裝置的引入留有余地。 B)動態(tài)設計主要是設計校正補償裝置，是系統(tǒng)滿足動態(tài)技術指標要求，通常 要進行計算機仿真，或借助計算機進行進行輔助設計。6-8.何謂機電一體化系統(tǒng)的可靠性？機電一體化可靠性是指，系統(tǒng)（產(chǎn)品）在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。6-9.機電一體化系統(tǒng)的失效與故障有何異同？ 同：是一種破壞系統(tǒng)（產(chǎn)品）工作能力的事件，它們

11、越頻繁可靠性就越低。 異： 產(chǎn)品不能完成規(guī)定功能稱為失效； 對于可修復的系統(tǒng)（產(chǎn)品） 稱為故障。6-10.保證機電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）可靠性的方法有哪些？提高系統(tǒng)（產(chǎn)品）的設計和制造質(zhì)量；冗余技術；診斷技術。7-7.直線插補與圓弧插補有何區(qū)別？直線：給出兩端點間的插補數(shù)字信息，借此信息控制刀具的運動，加工出預期的直線。圓?。航o出兩端點間的插補數(shù)字信息，借此信息控制刀具的運動，加工出預期的圓弧。4、光電隔離電路的主要作用有哪些方面？1、可將輸入與輸出兩部分電路的地線分開，各自使用一套電源供電 2、可以進行電平轉(zhuǎn)換 3、提高驅(qū)動能力6-3機電一體化系統(tǒng)中的典型負載有哪些？說明以下公式的含義：答：典型

12、負載是指慣性負載、外力負載、彈性負載、摩擦負載（滑動摩擦負載、粘性摩擦 負載、滾動摩擦負載等）。對具體系統(tǒng)而言，其負載可能是以上幾種典型負載的組合，不一 定均包含上述所有負載項目。1、選擇滾珠絲杠副支承方式 A)、單推-單推式支承，特點：兩端止推軸承可使?jié)L珠絲桿產(chǎn)生預拉伸力，提高了絲桿安裝剛度，預拉力越大，軸承壽命降低，低于雙推-雙推式支承。B）、雙推-筒支式支承，特點：滾珠絲桿一端固定并產(chǎn)生一定預拉伸力，另一端筒支可適當?shù)奶岣呓z桿安裝剛度，絲桿無熱變形應力，適用于中速，傳動精度較高的長絲桿傳動系統(tǒng)。C)、雙推-雙推式支承，特點：兩端止推軸承可使?jié)L珠絲桿產(chǎn)生較大的預拉伸力，絲桿安裝剛度最高，預

13、拉力隨溫度變化而變化，兩端軸承預緊力不均。適用于高剛度，高轉(zhuǎn)速，高精度的精密絲桿傳動系統(tǒng)。D)、雙推-自由式支承，特點：一端固定，另一端自由，絲桿剛度較差，承載能力低，常用于輕載，低速，垂直安裝的絲桿傳動。2、直流（DC)伺服電動機的驅(qū)動要實現(xiàn)對直流電動機的速度和方向進行調(diào)節(jié)控制，通常可用兩種驅(qū)動控制方式：晶體管直流脈寬調(diào)制驅(qū)動，晶閘管直流脈寬調(diào)速驅(qū)動。 A)、脈寬調(diào)速驅(qū)動(PWM)工作原理：當輸入一個直流控制電壓U時就可得到一定寬度與U成比例的脈沖方波給伺服電機電樞回路供電，通過改變脈沖寬度來改變電樞回路的平均電壓，從而得到不同大小的電壓值Ua，使直流電動機平滑調(diào)速。設開關S周期性地閉合、斷

14、開，閉和開的周期是T。在一個周期T內(nèi)，閉合的時間是，開斷的時間是T，若外加電源電壓U為常數(shù)，則電源加在電動機電樞上的電壓波形將是一個方波列，其高度為U，寬度為，則一個周期內(nèi)電壓的平均值為Ua=1/ToUdt=/TU=U,式中-導通率。又稱占空系數(shù)，=/T。 B)、直流電動機的方向控制為使電動機實現(xiàn)雙向調(diào)速，多采用橋式電路，其工作原理與線性放大橋式電路相似。電橋由四個大功率晶體管VT1VT4組成。如果在VT1和VT3的基極上加以正脈沖的同時，在VT2和VT4的基極上加負脈沖，這時VT1和VT3導通，VT2和VT4截止，電流沿+90VcVT1dMbVT3a0V的路徑流通，設此時電動機的轉(zhuǎn)向為正向。

15、反之，如果在晶體管VT1和VT3的基極上加負脈沖，在VT2和VT4的基極上加正脈沖，則VT2和VT4導通，VT1和VT3截止，電流沿+90VcVT2bMdVT4a0V的路徑流通，電流的方向與前一情況相反，電動機反向旋轉(zhuǎn)，顯然，如果改變加在VT1和VT3、VT2和VT4這兩組管子基極上控制脈沖的正負和導通率，就可以改變電動機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。3、交流（AC）伺服電動機及其驅(qū)動矢量控制原理：交流電動機的等效電路如圖3.7a所示，圖中r1、X1 為定子繞組的電阻和漏抗；r2 、X2為歸算過的轉(zhuǎn)子繞組的電阻和漏抗；rm代表與定子鐵心相對應的等效電阻；Xm為主磁通相對應的鐵心電路的電抗；s為轉(zhuǎn)差率，其電流矢

16、量圖如圖，為了簡化控制電路，在忽略r1、X1、r2、rm時，上述等效電路圖可簡化成圖，電流矢量如圖。從電流矢量可知：I1=（I2m+I22）1/2 ，而Im（勵磁電流）可以認為在整個負載范圍內(nèi)保持不變，而電磁轉(zhuǎn)矩正比于I2。當要求轉(zhuǎn)矩加大為原來的兩倍時，則要求I2也為原來的兩倍。為此，只需將輸入電流從I1變成I1即可。由此可知，矢量控制就是要同時控制電動機輸入電流I1的幅值和相位，以得到交流電動機的最佳控制。4、步進電動機與驅(qū)動工作原理： 步進電機又稱脈沖電動機。它是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移的執(zhí)行元件。其軸收入一個電脈沖就轉(zhuǎn)動一步，即每當電動機繞組接受一個電脈沖，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個相應的步距角

17、。轉(zhuǎn)子角位移的大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的電脈沖數(shù)及其頻率成正比，并在時間上與輸入脈沖同步，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量、頻率以及電動機繞組通電相序即可獲得所需的轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，很容易用微機實現(xiàn)數(shù)字控制。5.步進電機的運行特性與性能指標1.分辨力在一個點脈沖作用下（即一拍），電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移，即步距角越小，分辨力越高，最常用的步距角有0.6º/1.2º,0.75º/1.5º,0.9º/1.8º,1º/2º1.5º/3º等。2.靜態(tài)特性步進電機的靜態(tài)特性是指它在穩(wěn)定狀態(tài)時的特性，包括靜轉(zhuǎn)矩，矩-角特

18、性及靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)。矩-角特性：在空載狀態(tài)下，給步進電機某相通以直流電流時，轉(zhuǎn)子齒的中心線與定子齒的中心線相重合，轉(zhuǎn)子上沒有轉(zhuǎn)矩輸出，此時不斷位置為轉(zhuǎn)子初始穩(wěn)定平衡位置。如果在電動機轉(zhuǎn)子軸上加一負載轉(zhuǎn)矩 ，則轉(zhuǎn)子齒的中心線與定子齒的中心線將錯過宇哥電角度 c使能重新穩(wěn)定下來。此時轉(zhuǎn)子上的電磁轉(zhuǎn)矩Tj與負載轉(zhuǎn)矩TL相等；該Tj為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩， 為失調(diào)角。當c=±90º時，其靜態(tài)轉(zhuǎn)矩為最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax。Tj與c之間的關系大致為一條正弦曲線，該曲線稱矩-角特性曲線。靜態(tài)轉(zhuǎn)矩越大，自鎖力矩越大，靜態(tài)誤差就越小。一般用品說明書中標示的最大靜轉(zhuǎn)矩就是指在額定電流和通電方式下的Tjmax。當

19、失調(diào)角在-到的范圍內(nèi)時，若去掉負載轉(zhuǎn)矩TL，轉(zhuǎn)子仍能回到初始穩(wěn)定平衡位置，因此-<c<的區(qū)域稱為步進電機的穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定區(qū)。6、步進電機的驅(qū)動與控制 步進電機的運行特性與配套使用的驅(qū)動電源（驅(qū)動器）有密切關系。驅(qū)動電源由脈沖分配器，功率放大器等組成。驅(qū)動電源是將變頻信號源（微機或數(shù)控裝置）送來的脈沖信號及方向信號按要求的配電方式自動地循環(huán)供給給電動機各相繞組，以驅(qū)動電動機轉(zhuǎn)子正反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)。變頻信號源是可提供從幾赫茲到幾萬赫茲的頻率信號連續(xù)可調(diào)的脈沖信號發(fā)生器，因此，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量及頻率就可精確控制步進電機的轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速。7、步進電機的微機控制 主要分為：串行控制和并行控制 步進電機

20、的加減速控制原則：步進電機的加減速控制：對于點-位控制系統(tǒng)，從起點至終點的運行速度都有一定要求。如果要求運行頻率（速度）小于系統(tǒng)的極限起動頻率，則系統(tǒng)可以按要求的頻率（速度）直接起動，運行至終點后可立即停發(fā)脈沖串而令其停止。系統(tǒng)在這樣的運行方式下其速度可認為是恒定的，但在一般情況下，系統(tǒng)的極限起動頻率是比較低的，而要求的的運行速度往往較高。如果系統(tǒng)以要求的速度直接起動，因為該頻率已超過極限起動頻率而不能正常起動，可能發(fā)生丟步或根本不能起動的狀況。系統(tǒng)運行起來后，如果到達終點時突然停發(fā)脈沖串，令其立即停止，則因為系統(tǒng)的慣性作用，會發(fā)生沖過終點的現(xiàn)象，使點-位控制精度發(fā)生偏差。因此在點-位控制過程

21、中，運行速度都需要有一個加速-恒速-減速-（低恒速）-停止的過程，如圖，系統(tǒng)在工作過程中要求加減速過程時間盡量短，而恒速時間盡量長。特別是在要求快速響應的工作中，從起點至終點運行的時間要求最短，這就必須要求升速、減速的過程最短，而恒速時的速度最高。8、步進電機閉環(huán)制原理 步進電機的閉環(huán)控制也有不同的方案，主要有核步法，延遲時間法，用位置傳感器的閉環(huán)控制系統(tǒng)等。采用電脈沖編碼器作為位置檢測元件的閉環(huán)控制原理框圖如圖3.35.其中編碼器的分數(shù)力必須與步進電機的不距角相匹配。該系統(tǒng)不同于通?？刂萍夹g中的閉環(huán)控制，步進電機由微機發(fā)出的一個初始脈沖起動，后續(xù)控制脈沖由編碼器產(chǎn)生。編碼器直接反應切換角這一條數(shù)。然而編碼器相當于電動機的位移式固定的，因此發(fā)出相切換的信號也是一定的，只能是一種固定的切換角數(shù)值。采用時間延遲的方法可獲得不同的切換角，從而可使電動機產(chǎn)生不同的平均轉(zhuǎn)矩，得到不同的轉(zhuǎn)速。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，為了擴大切換角的范圍，有時還要插入或消去切換角。通常在加速時要插入脈沖，而在減速時要刪除脈沖，從而實現(xiàn)電動機的加減速控制。在固定切換角的情況下，如負載增加，則電動機轉(zhuǎn)速將下降，要實現(xiàn)勻速控制可利用編碼測出電動機的實際轉(zhuǎn)速（編碼器兩次發(fā)出脈沖信