機電一體化簡答分析

1、1- 5.機電一體化系統(tǒng)由哪些根本要素組成？分別實現(xiàn)哪些功能？ 機械系統(tǒng)：構(gòu)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(gòu)的傳動形式及選擇方法有哪些？1螺母固定

2、、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(jié)構(gòu)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(dǎo)向裝置。其特點是結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)較復(fù)雜且占用軸向空間較大，故應(yīng)用較少。4絲桿固定，螺母轉(zhuǎn)動并移動該傳動方式結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，但在多數(shù)情況下，使用極不方便故很少應(yīng)用。5差動傳動方式多用于各n種微動機構(gòu)中max k / i kn 2- 16.各級傳動比的分配原那么

3、是什么？輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原那么是什么？k 11重量最輕原那么？ 小功率傳動裝置各級傳動比等傳動比分配，等模數(shù)原那么？大功率傳動裝置各級傳動比確定，應(yīng)遵循“先大后小原那么，再由經(jīng)驗、類比方法和結(jié)構(gòu)設(shè)計緊 湊等方法確定。不等傳動比分配，不等模數(shù)原那么2輸出轉(zhuǎn)角誤差最小原那么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(yīng)按“先小后大原那么分配，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(shè)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，那么：3等效轉(zhuǎn)動慣量最小原那么各傳動軸轉(zhuǎn)動慣量等效到電機軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量最小。機械傳動局部響應(yīng)特性最正確原

4、那么。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(jié)構(gòu)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，剛輪那么相當于中心輪。 故諧波齒輪傳動裝置的傳動比可以應(yīng)用行星輪系 求傳動比的方式來計算。設(shè) Wg、Wr、WH分別為剛輪、柔輪和波形發(fā)生器的角速度，貝U2- 20.齒輪傳動的齒側(cè)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 旋轉(zhuǎn)精度、剛度、抗振性、熱變形、軸上零件的布置3執(zhí)行元件的種類？對執(zhí)行元件的根本要求？1電動勢執(zhí)行元件、液

5、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根本形式是什么？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 的大小來移動觸發(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。0Vffi 3PWM呆址的主回唱弋駅埋如果改變加到

6、VT1和VT3、VT2和VT4這兩組管子基極上控制脈沖的正負和導(dǎo)通率卩,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。當定子的矢量磁每輸入一個電脈沖， 電動機轉(zhuǎn)動一個角度 轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。 改變繞組通電 頻率及電動機各相繞組的通電順序來控制場旋轉(zhuǎn)一個角度。轉(zhuǎn)子也隨著該磁場轉(zhuǎn)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、 的順序，電機就會反轉(zhuǎn)。所以可用控制脈沖數(shù)量、 步進電機的轉(zhuǎn)動。3- 11.簡述步進電機步距角大

7、小的計算方法。360Zm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。 采用電腦軟件，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.試說明微型電腦的根本特點

8、及選用要點。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。*5Vf來自徹機1L*丄二4- 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， 如以下圖所示.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(dǎo)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(dǎo)通并發(fā)光， 光敏晶體管接收發(fā)光二極

9、管發(fā)出的光而導(dǎo)通，于是輸出端的電平幾乎等于零。同樣的道理， 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局部電路的地線分開，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(yīng)用系統(tǒng)I/O控制的可靠性設(shè)計分析方法是什么？ 光電隔離電路設(shè)計、信息轉(zhuǎn)換電路設(shè)計4- 19.試說明檢測傳感器的選用原那么及考前須知。1、傳感器的選用原那么：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、傳感器選用的考前須知：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

10、指標均高的傳感器選擇方法或原那么。6-1.穩(wěn)態(tài)設(shè)計和動態(tài)設(shè)計包含哪些內(nèi)容？A穩(wěn)態(tài)設(shè)計包括使系統(tǒng)的輸出運動參數(shù)到達技術(shù)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(shè)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(shè)計中的校正補償裝置的引入留有余地。B動態(tài)設(shè)計主要是設(shè)計校正補償裝置，是系統(tǒng)滿足動態(tài)技術(shù)指標要求，通常要進行電腦仿真，或借助電腦進行進行輔助設(shè)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

11、：是一種破壞系統(tǒng)產(chǎn)品工作能力的事件，它們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(fù)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(shè)計和制造質(zhì)量；冗余技術(shù)；診斷技術(shù)。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(yù)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(yù)期的圓弧。4、光電隔離電路的主要作用有哪些方面？1、可將輸入與輸出兩局部電路的地線分開，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

12、以下公式的含義:答：典型負載是指慣性負載、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 目第一式表示等效特動H量*選集統(tǒng)迄動都件的動能總fli為庁=秒工叫才+丄工打眄 2 何|2 jr設(shè)、導(dǎo)效到元杵輸出軸上的總動能為林 由能杲中恒壬 Z用工程上常用卬忖時.可暮上武改寫兩第二式-&忝奄效悅或轉(zhuǎn)3 n設(shè)上述齡統(tǒng)金時閭L內(nèi)施槪覽戦所作的功勰總和為：同理槪廳元杵愉出細在時間1商的裝角為1J-1q =叭f w,執(zhí)行元件所件的功為 =瑁叩-由叫恢巧=工中叫亠匸g * i譏

13、瑣二ST工耳叫f町亠工刁氣z叫上【上斥i=i1、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(yù)拉伸力，提高了 絲桿安裝剛度，預(yù)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(yù)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(yīng)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(yù)拉伸力， 絲桿安裝剛度最高， 預(yù)拉力隨溫度 變化而變化，兩端軸承預(yù)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，

14、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?？捎脙煞N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(shè)開關(guān)S周期性地閉合、斷開，閉和開的周期是 T。在一個周期T內(nèi)，閉合的時間是t,開斷的時間是Tt,假設(shè)外加電源電壓 U 為常數(shù),那么電源加在電動機電樞上

15、的電壓波形將是一個方波列,其高 度為U,寬度為T,那么一個周期內(nèi)電壓的平均值為Ua=1/T?T Udt= T /TU=卩U,式中卩-導(dǎo)通率。又稱占空系數(shù)，卩=T /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 VT1 VT4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(dǎo)通，VT2和VT4截止，電流沿+90VT1tdtMtbtVT3t0V的路徑流通，設(shè)此時電動機的轉(zhuǎn)向為正向。反之，如果在晶體 管VT1和VT3的基極上加負脈沖，在 VT2和VT4的

16、基極上加正脈沖，那么 VT2和VT4導(dǎo)通， VT1和VT3截止，電流沿+90Vt ct VT2tbtm tdT VT4taT0V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(dǎo)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(yīng)的等效電阻；Xm 為主磁通相對應(yīng)的鐵心電路的電抗； s 為轉(zhuǎn)差率,其電流矢量圖如圖,為了簡化控制電 路,在忽略

17、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12。當要求轉(zhuǎn)矩加大為原來的兩倍時，那么要求 I2也為原來的兩倍。為此，只 需將輸入電流從11變成11/即可。由此可知，矢量控制就是要同時控制電動機輸入電流11的幅值和相位"，以得到交流電動機的最正確控制。4、步進電動機與驅(qū)開工作原理：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(yīng)

18、的步 距角。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。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a 000000,10/20o/3o 等。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 ，那么轉(zhuǎn)子齒的中

19、心線與定子齒的中心線將錯過宇哥電角度 0 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B c=± 90o時，其靜態(tài)轉(zhuǎn)矩為最大靜轉(zhuǎn)矩 Tjmax。Tj與0 c之間的關(guān)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。當失調(diào)角在-n到n的范圍內(nèi)時，假設(shè)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-n <0 C<n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

20、電源 驅(qū)動器 有密切關(guān)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 步進電機的加減速控制原那么：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， 那么系統(tǒng)可以按要求的頻率速度直接起動，

21、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 比擬低的， 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， 那么因為系統(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

22、求快速響應(yīng)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)不同于通常控制技術(shù)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(yīng)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， 那么電動機轉(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