機電一體化技術(shù)課后習(xí)題及答案(孫衛(wèi)青版第二版)

機電一體化技術(shù)課后習(xí)題及答案（孫衛(wèi)青版第二版）1-1、試說機電一體化的含義答：機電一體化是在機械主功能、動力功能、信息功能和控制功能上引進微電子技術(shù)，并將機械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機結(jié)合而構(gòu)成系統(tǒng)的總稱。1-2、機電一體化的主要組成、作用及其特點是什么答：主要由機械本體、動力系統(tǒng)、傳感與檢測系統(tǒng)、信息處理及控制系統(tǒng)和執(zhí)行裝置等組成。機械本體用于支撐和連接其他要素，并把這些要素合理的結(jié)合起來，形成有機的整體。動力系統(tǒng)為機電一體化產(chǎn)品提供能量和動力功能，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)工作以完成預(yù)定的主功能。傳感與檢測系統(tǒng)將機電一體化產(chǎn)品在運行過程中所需要的自身和外界環(huán)境的各種參數(shù)及狀態(tài)轉(zhuǎn)換成可以測定的物理量，同時利用檢測系統(tǒng)的功能對這些物理量進行測定，為機電一體化產(chǎn)品提供運行控制所需的各種信息。執(zhí)行裝置在控制信息的作用下完成要求的動作，實現(xiàn)產(chǎn)品的主功能。1-3、工業(yè)三大要素是什么？答：物質(zhì)、能量和信息。1-4、傳統(tǒng)機電產(chǎn)品與機電一體化產(chǎn)品主要區(qū)別是什么？答：傳統(tǒng)的機電產(chǎn)品機械與電子系統(tǒng)相對獨立，可以分別工作。機電一體化產(chǎn)品是機械系統(tǒng)和微電子系統(tǒng)的有機結(jié)合，從而賦予其新的功能和性能的一種新產(chǎn)品，產(chǎn)品功能是由所有功能單元共同作用的結(jié)果。 1-6、應(yīng)用機電一體化技術(shù)的突出特點是什么？答： 精度提高；生產(chǎn)能力和工作質(zhì)量提高；使用安全性和可靠性提高；調(diào)解和維護方便，使用性能改善；具有復(fù)合功能，適用面廣；改善勞動條件，有利于自動化生產(chǎn)；節(jié)約能源，減少耗材；增強柔性。1-7、機電一體化的主要支撐技術(shù)有哪些，它們的作用如何？答：1、傳感測試技術(shù)，在機電一體化產(chǎn)品中，工作過程的各種參數(shù)、工作狀態(tài)以及工作過程有關(guān)的相關(guān)信息都要通過傳感器進行接收，并通過相應(yīng)的信號檢測裝置進行測量，然后送入信息處理裝置以及反饋給控制裝置，以實現(xiàn)產(chǎn)品工作過程的自動控制。2、信息處理技術(shù)，在機電一體化產(chǎn)品工作過程中，參與工作過程各種參數(shù)和狀態(tài)以及自動控制有關(guān)的信息輸入、識別、變換、運算、存儲、輸出和決策分析。3、自動控制技術(shù)，主要實現(xiàn)機電一體化系統(tǒng)的目標(biāo)最佳化。4、伺服驅(qū)動技術(shù)，它的作用是在控制指令的指揮下，控制驅(qū)動元件，使機械系統(tǒng)的運動按照指令要求進行運動。5、接口技術(shù)，將各組成要素的輸入/輸出裝置聯(lián)系成一體的系統(tǒng)。6、精密機械技術(shù)，機電一體化產(chǎn)品的主功能和構(gòu)造功能大都以機械技術(shù)為主來實現(xiàn)。7、系統(tǒng)總體技術(shù)，它的作用是將各有關(guān)技術(shù)協(xié)調(diào)配合、綜合運用，從而達(dá)到整體系統(tǒng)的最佳化。 1-8試論述機電一體化的發(fā)展趨勢。答：智能化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、微型化、綠色化、人格化和自適應(yīng)化。 2-1機電一體化系統(tǒng)對傳動機構(gòu)的基本要求是什么？答：傳動間隙小、精度高、低摩擦、體積小、重量輕、運動平穩(wěn)、響應(yīng)速度快、傳動轉(zhuǎn)矩大、高諧振頻率以及與伺服電機等其他環(huán)節(jié)的動態(tài)性能相匹配等要求的傳動部件。2-2絲杠螺母機構(gòu)的傳動形式及其特點是什么？答：螺母固定、絲杠轉(zhuǎn)動并移動。結(jié)構(gòu)簡單，精度較高，但剛性差。只適合行程較小的場合。絲杠轉(zhuǎn)動、螺母移動。結(jié)構(gòu)緊湊，絲杠剛性較好，適合工作行程較大的場合。螺母移動、絲杠移動。機構(gòu)較復(fù)雜且占用軸向空間較大，故應(yīng)用很少。絲杠固定、螺母轉(zhuǎn)動并移動。結(jié)構(gòu)簡單，緊湊，但使用不方便，應(yīng)用較少。2-3滾珠絲杠副的組成及特點有哪些？答：由絲杠、螺母、滾珠、反向器組成。特點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、無自鎖能力、軸向剛度高、運動平穩(wěn)。傳動精度高、不易磨損、使用壽命長。2-4如何選擇滾珠絲杠副？答：（1）根據(jù)防塵防護條件以及對調(diào)隙及預(yù)緊的要求，選擇適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式。（2）選擇滾動絲杠副結(jié)構(gòu)尺寸。主要選擇絲杠的公稱直徑和基本導(dǎo)程。2-5齒輪傳動的各級傳動比的分配原則是什么？輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則的含義是什么？答：等效轉(zhuǎn)動慣量最小原則、重量最輕原則、輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則。各級轉(zhuǎn)角誤差換算到末級輸出軸上的總轉(zhuǎn)角誤差最小。2-6 已知某4級齒輪傳動系統(tǒng)，各齒輪的轉(zhuǎn)角誤差為1=2=8=0.005rad，各級減速比相同，即i1=i2=i4=1.5，求：（1）該傳動系統(tǒng)的最大轉(zhuǎn)角誤差max；（2）為縮小max，應(yīng)采取何種措施？答：（1）0.022 （2）最末兩級的傳動比應(yīng)取大一些，并盡量提高最末一級齒輪副的加工精度。2-8齒輪傳動的齒側(cè)間隙的調(diào)整方法有哪些？答：偏心套（軸）調(diào)整法、軸向墊片調(diào)整法、雙片薄齒輪錯齒調(diào)整法2-9對機械執(zhí)行機構(gòu)的基本要求有哪些？答：慣性小、動力大；體積小、重量輕；便于維修、安裝；易于計算機控制2-10簡述各類傳感器的特征及選用原則？答：靜態(tài)特性，靜態(tài)特性的主要技術(shù)指標(biāo)有：線性度、靈敏度、遲滯、重復(fù)性、分辨率和零漂。動態(tài)特性，其主要技術(shù)指標(biāo)有：上升時間、最大超調(diào)量、調(diào)整時間、頻率響應(yīng)范圍和臨界頻率。傳感器應(yīng)根據(jù)測試要求和條件，傳感器特性和使用條件三個方面進行選擇。2-12簡述機電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行元件的分類和特點？答：電氣式：操縱簡單，適宜編程，響應(yīng)快，伺服性能好，易于微機相接液壓式：輸出功率大，轉(zhuǎn)矩大，工作平穩(wěn)，承載能力強，但是占地面積大氣壓式：可得到較大的驅(qū)動力，行程和速度，但由于具有可壓縮性，故不能在定位精度較高的場合使用。2-13簡述直流伺服電動機的PWM調(diào)速換向的工作原理？答：脈沖寬度調(diào)制是通過改變輸出脈沖信號的占空比來改變電樞電壓的平均值，從而達(dá)到控制電機轉(zhuǎn)速的目的。3-1簡述計算機控制系統(tǒng)的組成和特點答：計算機由硬件和軟件組成。具有完善的輸入/輸出通道；具有實時控制功能；可靠性高；具有豐富、完善、能正確反映被控對象運動規(guī)律的軟件系統(tǒng)。3-2簡述計算機控制系統(tǒng)的常用類型及其特點答：過程控制系統(tǒng)：根據(jù)生產(chǎn)流程對設(shè)備巡回檢測，然后按照控制規(guī)律對生產(chǎn)過程控制伺服系統(tǒng)：控制信號能夠穩(wěn)定、快速、準(zhǔn)確的復(fù)現(xiàn)輸入信號的變化規(guī)律順序控制系統(tǒng)：按照邏輯順序控制數(shù)字控制系統(tǒng)：根據(jù)零件編程或路徑指令控制3-3簡述計算機控制系統(tǒng)的基本要求和一般設(shè)計方法答：實時性；高可靠性；硬件配置的可裝配可擴充性；可維護性。3-4簡述常用的工業(yè)控制計算機類型及其特點答：普通PC機：一般不用作工業(yè)控制，硬件無需設(shè)計，軟件開發(fā)復(fù)雜，抗干擾等差，成本較高單片機：控制系統(tǒng)自行設(shè)計，軟硬件設(shè)計復(fù)雜，抗干擾等差，成本較低可編程控制器:軟硬件設(shè)計簡單，抗干擾能力強，運行速度慢，適用邏輯控制為主工業(yè)控制工業(yè)PC機：硬件設(shè)計簡單，軟件設(shè)計復(fù)雜，運行速度，抗干擾能力強，成本高，適合較大規(guī)模的工業(yè)現(xiàn)場控制3-5 PLC的硬件系統(tǒng)主要由哪幾部分組成？各部分的作用是什么？答：由CPU，存儲器，輸入/輸出單元，電源，編程器，其他接口電路。CPU是PLC的運算和控制核心，存儲器用來存儲數(shù)據(jù)和程序，I/O單元是CPU與現(xiàn)場I/O設(shè)備或其他外部設(shè)備之間的連接部件，電源提供電力，編程器用于對程序編輯，其他接口用于擴展PLC的功能。3-6 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計步驟一般分為哪幾步？答：選擇用戶輸入/輸出設(shè)備；選擇PLC；分配I/O點，繪制輸入/輸出端子的連接圖；設(shè)計控制程序；如果必要設(shè)計操作臺等；編制控制系統(tǒng)的技術(shù)文件。3-9數(shù)字PID控制器的參數(shù)整定方法有哪些？答：湊試法確定PID調(diào)節(jié)參數(shù)；實驗經(jīng)驗法確定PID調(diào)節(jié)參數(shù)。3-10簡述嵌入式系統(tǒng)的組成？答：嵌入式系統(tǒng)組成包括硬件和軟件兩部分。硬件包括處理器/微處理器，存儲器，電源模塊，外圍電路及外設(shè)器件，I/O端口，圖形控制器；軟件包括操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序。3-11簡述嵌入式系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設(shè)計方法？答：需求分析和描述；設(shè)計建模；軟硬件劃分；軟硬件協(xié)同設(shè)計；軟硬件實現(xiàn)和綜合；軟硬件協(xié)同測試和驗證。3-12簡述計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計思路？答：確定系統(tǒng)總體控制方案；建立數(shù)學(xué)模型并確定控制算法；選擇微型計算機；控制系統(tǒng)總體設(shè)計；軟件設(shè)計；系統(tǒng)調(diào)試。5-1接口的定義及作用答： 定義：機電一體化系統(tǒng)由許多要素或是子系統(tǒng)構(gòu)成，各要素或子系統(tǒng)之間必須能夠順利進行物質(zhì)、能量和信息的傳遞與交換。各種要素或各子系統(tǒng)相接處必須具備一定的聯(lián)系條件，這些聯(lián)系條件稱為接口。作用：1.通過輸入輸出接口將其人、自然及其他系統(tǒng)相連；2.通過許多接口將系統(tǒng)構(gòu)成要素聯(lián)系為一體。5-2.按接口所聯(lián)系的子系統(tǒng)不同，以信息處理系統(tǒng)（微電子系統(tǒng)）為出發(fā)點將接口分為哪幾類？各自特點是什么？答： 按微電子系統(tǒng)分為人機接口和機電接口；人機接口特點：人機接口包括輸出與輸入接口兩類，通過輸出接口。操作者對系統(tǒng)的運行狀態(tài)、各種參數(shù)進行監(jiān)測；通過輸入接口操作者向系統(tǒng)輸入各種命令及控制參數(shù)，對系統(tǒng)運行進行控制。機電接口特點：機電接口按信息傳遞方向可分信息采集接口與控制量輸出接口。計算機通過信息采集接口接收傳感器輸出信號，檢測機械系統(tǒng)運動參數(shù)，經(jīng)過運算處理后，發(fā)出有關(guān)控制信號，經(jīng)過控制輸出接口的匹配、轉(zhuǎn)換、功率放大、驅(qū)動執(zhí)行元件來調(diào)節(jié)機械系統(tǒng)運行狀態(tài)，使其按要求動作。5-3.輸入接口可以有哪些方法？各自適用什么場合？答：（1）簡單開關(guān)輸入接口；（2）鍵盤輸入接口簡單開關(guān)輸入主要用于一些二值化的控制命令和參數(shù)；鍵盤輸入主要用于操作者需要輸入指令或參數(shù)比較多時。5-4.ADC0809的結(jié)構(gòu)及工作原理是什么？答： ADC0809是一種8路模擬量輸入8位數(shù)字量輸出的逐次逼近法A/D器件。工作原理：其內(nèi)部除A/D轉(zhuǎn)換部分，還有模擬開關(guān)部分。多路開關(guān)有8路模擬量輸入端，最多允許8路模擬量分時輸入，共用一個A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。8路模擬開關(guān)切換由地址鎖存和譯碼控制，3根地址線與A、B、C引腳直接相連，通過ALE鎖存。5-5.控制量輸出接口的作用是什么？有那些種具體形式？各自使用什么情況？答：作用：控制微機通過信息采集接口檢測機械系統(tǒng)的狀態(tài)，經(jīng)過運算處理，發(fā)出有關(guān)控制信號，經(jīng)過控制輸出接口的匹配、轉(zhuǎn)換、和功率放大，驅(qū)動執(zhí)行元件去調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行狀態(tài)，使其按設(shè)計要求運行。具體有：（1）模擬量輸出接口；（2）功率驅(qū)動接口。使用情況：（1）模擬量輸出使用在被控對象要求模擬量作為控制信號，如交流電動機變頻調(diào)速、直流電動機調(diào)速器，而計算機系統(tǒng)是數(shù)字系統(tǒng)，不能輸出模擬量的時候。（2）功率驅(qū)動主要把微機系統(tǒng)后向通道的弱電控制信號轉(zhuǎn)換成能驅(qū)動執(zhí)行元件動作的具體一定電壓和電流的強電功率信號或液壓氣動信號。5-6.什么是電磁兼容性？答： 電磁兼容性是指設(shè)備在共同的電磁環(huán)境中能一起執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)，即該設(shè)備不會由于受到處于同一電磁環(huán)境中其他設(shè)備電磁發(fā)射導(dǎo)致或遭受不允許的降級。5-7.何謂電磁干擾？電磁必須干擾具備條件是什么？答：電磁干擾是指系統(tǒng)在工作過程中出現(xiàn)的一些與有用信號無關(guān)的，并且對系統(tǒng)性能或信號傳輸有害電氣變化現(xiàn)象。具備條件：（1）存在干擾源；（2）有相應(yīng)的傳輸介質(zhì)；（3）有敏感的接收元件。5-8.電磁兼容性設(shè)計的目的是什么？如何進行？答：電磁兼容性設(shè)計是應(yīng)用那些已由理論和實踐證明，能保證系統(tǒng)相對免除電磁干擾的設(shè)計方法，對干擾加以控制。？5-9.電磁干擾有哪三種形式？并舉例說明？答：電磁干擾形式：（1）電容性耦合（2）電感性耦合（3）電磁場耦合5-10.在電磁輻射耦合中，如何判別干擾源的性質(zhì)？答：常把干擾源通過電場耦合看成電容性耦合（電場耦合），通過磁場的耦合看點成電感耦合，電場和電場同時存在則為電磁場耦合。5-11.為了抑制電容性、電感性和電磁場三種耦合形式，應(yīng)分別采取何種有效措施？答：常用的方法有濾波、降低或消除公共阻抗、屏蔽、隔離等5-12 、常見的抑制電磁干擾措施有哪些？答：常用的方法有濾波、降低或消除公共阻抗、屏蔽、隔離。5-13、如何進行電場屏蔽，磁場屏蔽？答：電場屏蔽：利用金屬屏蔽體可以對電場起到屏蔽作用，屏蔽體必須完善并良好地接地。最好用低電阻金屬（銅、鋁）做成屏蔽罩，并使之與機殼（地）可靠相連。磁場屏蔽：低頻磁場屏蔽：采用磁屏蔽，用鐵磁材料制成管狀或杯狀罩進行磁場屏蔽，這樣可以將磁場干擾限制在屏蔽罩內(nèi)，也可以使外界低頻干擾磁場對置于屏蔽罩內(nèi)的電路和器件不產(chǎn)生干擾。還可以利用雙絞線予以消除。高頻磁場屏蔽：采用低電阻率的金屬良好導(dǎo)體材料來屏蔽，把金屬導(dǎo)體做成金屬盒，把線圈包圍起來，則線圈電流產(chǎn)生的高頻磁場在金屬盒內(nèi)壁產(chǎn)生渦流，從而把原磁場限制在盒內(nèi)，不至于外泄漏。金屬外的高頻磁場同樣由于渦流的作用只能繞過金屬盒，不能進入盒內(nèi)，從而屏蔽了外界的干擾。5-14、接地系統(tǒng)分為幾類？舉例說明。答：接地系統(tǒng)分為保護地線、工作地線、地環(huán)路和屏蔽接地。電氣設(shè)備的機殼、底盤接地等5-15、如何實施軟件抗干擾？答：（1）數(shù)據(jù)采樣的抗干擾設(shè)計： 1.抑制工頻干擾； 2.數(shù)字濾波 （2）程序運行失常的軟件抗干擾設(shè)計： 1.軟件陷阱法； 2.WTD技術(shù)法6-1簡述機電一體化系統(tǒng)設(shè)計流程。P268答：第一階段：產(chǎn)品規(guī)劃。對產(chǎn)品進行需求分析、需求設(shè)計與可行性分析；第二階段：概念設(shè)計。擬定總體方案、劃分功能模塊以及對方案進行論證、確定模塊設(shè)計目標(biāo)；第三階段：詳細(xì)設(shè)計。對各功能模塊和接口細(xì)部設(shè)計，并對所做的設(shè)計進行總體評價；第四階段：設(shè)計實施。制造、裝配和編制各功能模塊并進行調(diào)試，以及對系統(tǒng)進行整體安裝調(diào)試與可靠性、抗干擾性復(fù)核第五階段：設(shè)計定型階段。對系統(tǒng)進行工藝定型，編寫技術(shù)文檔資料。6-2開發(fā)性設(shè)計、適應(yīng)性設(shè)計、變型設(shè)計有何異同? P271答：開發(fā)性設(shè)計是在工作原理、結(jié)構(gòu)等完全未知的情況下，設(shè)計出質(zhì)量和性能方面滿足目的的要求的新產(chǎn)品，是一種完全創(chuàng)新的設(shè)計。適應(yīng)性設(shè)計是在總的方案原理基本保持不變的情況下，對現(xiàn)有產(chǎn)品進行局部更改，或用微電子技術(shù)代替原有的機械結(jié)構(gòu)，或為了進行微電子控制對機械結(jié)構(gòu)進行局部適應(yīng)性設(shè)計，以使產(chǎn)品的性能和質(zhì)量增加某些附加價值。變型設(shè)計是在已有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，針對原有缺點或新的工作要求，從工作原理、功能結(jié)構(gòu)、執(zhí)行機構(gòu)類型和尺寸等方面進行一些變異，設(shè)計出新產(chǎn)品。6-3何謂概念設(shè)計？簡述其具體設(shè)計步驟。P275答：在確定任務(wù)之后，通過抽象化，擬定功能結(jié)構(gòu)，尋求適當(dāng)?shù)淖饔迷砑捌浣M合等，確定出基本求解途徑，得出求解方案，這一部分設(shè)計工作叫做概念設(shè)計。步驟：第一階段：分析階段。明確設(shè)計任務(wù)，求總功能和總功能分解。 第二階段：綜合階段。尋找子功能解，原理解組合。