《機電一體化技術》課程讀書筆記

1、第一章緒論1機電一體化包括哪六大共性關鍵技術（相關技術）？p1答：機電一體化包括六大共性關鍵技術：（1）精密機械技術，（2）伺服傳動技術，（3）檢測傳感技術，（4）信息處理技術，（5）自動控制技術，（6）系統(tǒng)總體技術。2一個較完善的機電一體化系統(tǒng)，應具有哪六個基本功能要素？p2答：機電一體化系統(tǒng)應具有以下六個基本功能要素：（1）機械本體，（2）動力部分，（3）傳感檢測部分，（4）執(zhí)行機構，（5）驅動部分，（6）控制及信息處理、各要素和環(huán)節(jié)之間相聯(lián)系的接口。3何謂機電一體化系統(tǒng)中的接口？接口的作用和基本功能是什么？p3答：機電一體化系統(tǒng)中的接口，是機電一體化系統(tǒng)中各子系統(tǒng)之間進行物質、能量和信息

2、傳遞與交換的聯(lián)系部件。接口的作用使各要素或子系統(tǒng)聯(lián)接成為一個有機整體，使各個功能環(huán)節(jié)有目的地協(xié)調一致運動，從而形成機電一體化的系統(tǒng)工程。接口的基本功能主要有三個：一是交換，通過接口完成使各要素或子系統(tǒng)之間信號模式或能量的統(tǒng)一；二是放大，在兩個信號強度相差懸殊的環(huán)節(jié)間，經(jīng)接口放大，達到能量的匹配；三是傳遞，變換和放大后的信號在環(huán)節(jié)間可靠、快速、精確地交換，必須遵循協(xié)調一致的時序、信號格式和邏輯規(guī)范。接口具有保證信息傳遞的邏輯控制功能，使信息按規(guī)定模式進行傳遞。4簡述執(zhí)行部分的功能和分類。P3答：執(zhí)行機構的功能是根據(jù)控制信息和指令完成所要求的動作。執(zhí)行部分是運動部件，一般采用機械、電磁、電液等機構

3、。它將輸入的各種形式的能量轉換為機械能。5何謂機械本體？P2答：機械本體包括機械傳動裝置和機械結構裝置。其主要功能是使構造系統(tǒng)的各子系統(tǒng)、零部件按照一定的空間和時間關系安置在一定位置上。6何謂動力部分？p2答：部分動力部分的功能是按照機電一體化技術系統(tǒng)的控制要求，為系統(tǒng)提供能量和動力以保證系統(tǒng)正常運行。7何謂傳感檢測部分？p2答：傳感檢測部分的功能是對系統(tǒng)運行過程中所需要的本身和外界環(huán)境和各種參數(shù)及狀態(tài)進行檢測，并轉換成可識別信號，傳輸?shù)叫畔⑻幚韱卧?jīng)過分析、處理后產(chǎn)生相應的控制信息。8機電一體化技術方向？p8答：1）在原有機械系統(tǒng)的基礎上采用微型計算機控制裝置，使系統(tǒng)的性能提高，功能增強。

4、2）用電子裝置局部替代機械傳動裝置和機械控制裝置，以簡化結構，增強控制靈活性。3）用電子裝置完全替代原來執(zhí)行信息處理功能的機構，既簡化了結構，又極大地豐富了信息傳輸?shù)膬?nèi)容，提高了速度。4）用電子裝置替代機械的主要功能，形成特殊的加工能力。5）機電技術完全融合形成新型機電一體化產(chǎn)品。第二章機械傳動與支承技術9簡述機電一體化系統(tǒng)中機械系統(tǒng)的作用以及設計時的注意事項。P9答：機械系統(tǒng)是機電一體化系統(tǒng)的最基本要素，主要用于執(zhí)行機構、傳動機構和支承部件，以完成規(guī)定的動作；傳遞功率、運動和信息；支承聯(lián)接相關部件等。機械系統(tǒng)通常是微型計算機控制伺服傳動系統(tǒng)的有機組成部分，因此，在機械系統(tǒng)設計時，除考慮一般的

5、機械設計要求外，還必須考慮機械結構因素與整個伺服傳動系統(tǒng)的性能參數(shù)、電氣參數(shù)的匹配，以獲得良好的伺服性能。10簡述機電一體化對機械傳動的要求。P20答：機械的主要功能是完成機械運動。一部機器必須完成相互協(xié)調的若干機械運動，每個機械運動可由單獨的控制電動機、傳動件和執(zhí)行機械組成的若干子系統(tǒng)琿完成，若干個機械運動則由計算機來協(xié)調與控制。這就要求設計機械時的總體而已、機械選型和結構造型更加合理和多樣化。11機械傳動系統(tǒng)的特性是什么？p21答：為滿足機電一體化機械系統(tǒng)的良好伺服性能，要求機械傳動部件滿足轉動已經(jīng)慣量小、摩擦小、阻尼合理、剛度大、抗振動性能好、間隙小的要求，還要求機械部分的動態(tài)特性與電動

6、機速度環(huán)的動態(tài)特性相匹配。12簡述兩運動物體間的三類摩擦力的特點。P24答：兩物體接觸面間的摩擦力在應用上可簡化為粘性摩擦力、庫侖摩擦力（即動摩擦力）和靜摩擦力三類，方向均與運動方向（或有運動趨勢方向）相反。粘性摩擦力大小與兩物體相對運動速度成正比。庫侖摩擦力是接觸面對運動物體的阻力，大小為一常數(shù)；靜摩擦力是有相對運動趨勢但仍處于靜止狀態(tài)時摩擦面間的摩擦力，其最大值發(fā)生在相對運動開始前的一瞬間，運動開始后，靜摩擦力即消失。13機電一體化系統(tǒng)對機械傳動部件的摩擦特性的要求是什么？p24答：靜摩擦力盡可能小，動摩擦力應為盡可能小的正斜率，若為負斜率則易產(chǎn)生爬行，降低精度，減少壽命。14何謂剛度？機

7、械系統(tǒng)的剛度有哪兩類？何謂靜剛度？何謂動剛度？p25答：由力學知識可知，剛度為使彈性體產(chǎn)生單位變形量所需的作用力。機械系統(tǒng)的剛度包括構件產(chǎn)生各種基本變形時的剛度和兩接觸面的接觸剛度兩類。靜態(tài)力和變形之比為靜剛度；動態(tài)力（交變力、沖擊力）和變形之比為動剛度。15齒輪傳動齒側間隙的消除方法有哪兩種？p2627答：1）剛性消隙法剛性消隙法是在嚴格控制齒輪齒厚和齒距誤差的條件下進行的，調整后，齒側間隙不能自動補償，但能提高傳動精度；2）柔性消隙法柔性消隙法指調整后齒側間隙可以自動補償，采用這種消隙方法時，對齒輪齒厚和齒距的精度要求可適當降低，但對傳動平穩(wěn)性有負面影響，且傳動剛度低，結構也較復雜。16機

8、電一體化系統(tǒng)中常用的絲杠螺母是什么結構？間隙的調整方法是什么？p29答：絲杠螺母傳動系統(tǒng)的軸向間隙為絲杠靜止時螺母沿軸向的位移量。機電一體化系統(tǒng)中常用滾珠絲杠螺母傳動，其間隙的調整既要考慮軸向間隙又要考慮滾珠與滾道的接觸彈性變形。絲杠螺母傳動系統(tǒng)的調隙一般采用雙螺母。17在齒輪傳動中，如何選擇系統(tǒng)的總傳動比？p30答：在齒輪傳動系統(tǒng)中，通常采用負載角加速度最大原則選擇總傳動比，以提高整個系統(tǒng)的響應速度。18齒輪傳動鏈的級數(shù)和各級傳動比的分配原則是什么？p30答：齒輪副級數(shù)的確定和各級傳動比的分配，按以下三種不同原則進行：（1）最小等效轉動慣量原則1）小功率傳動裝置各級傳動比分配的結果應遵循“前

9、小后大”的原則。2）大功率傳動裝置各級傳動比分配的結果仍應遵循“前小后大”的原則。（2）質量最小原則1）小功率傳動裝置按“質量最小”原則來確定傳動比時，其各級傳動比相等。2）大功率傳動裝置按“質量最小原則”確定的各級傳動比是逐級遞減的，即“前大后小”。（3）輸出軸的轉角誤差最小原則要使總轉角誤差最小，從輸入端到輸出端的各級傳動比按“前小后大”原則排列。19如何綜合考慮齒輪系各級傳動比的分配三種原則的使用？p32答：1）對于以提高傳動精度和回程誤差為主的降速齒輪傳動鏈，可按輸出軸轉角誤差最小的原則設計。若為增速傳動鏈，則應在開始幾級就增速；2）對于要求運轉平穩(wěn)、啟停頻繁和動態(tài)性能好的降速傳動鏈，

10、可按最小等效轉動慣量原則和輸出軸轉角誤差最小的原則進行設計。對于負載變化的齒輪傳動裝置，各級傳動比最好采用不可約的比數(shù)，避免同時嚙合；3）對于要求質量盡可能輕/小的降速傳動鏈，可按質量最輕/小原則設計；4）對于傳動比很大的齒輪傳動鏈，可把定軸輪系和行星輪系結合使用。20根據(jù)右圖簡述滾珠花鍵傳動結構特征。P3233答：花鍵軸的外圓上均布3條凸起軌道，配有6條負載滾珠列，相對應有6條退出滾珠列。軌道橫截面為近似滾珠的凹圓形，以減小接觸應力。承受載荷轉矩時，3條負載滾珠列自動定心。反轉時，另3條負載滾珠列自動定心。這種結構使切向間隙（角沖量）減小，必要時還可用一個花鍵螺母按放置方向施加預緊力后再鎖緊

11、，故剛度高、定位準確。外筒上開鍵槽，以備聯(lián)接其他傳動件。保持架使?jié)L珠互不摩擦，且拆卸時不會脫落。用橡膠密封墊防塵，以提高使用壽命，通過油孔潤滑以減少磨損。外筒與花鍵軸之間，既可以軸帶筒或以筒帶軸作回轉運動，又可以作靈活、輕便的相對直線運動，所以，滾珠花鍵既是一種傳動裝置，又是一種直線運動支承。21機電一體化系統(tǒng)對支承部件的要求是什么？p36答：支承部件是機電一體化系統(tǒng)中的重要部件，它不僅要支承、固定和聯(lián)接系統(tǒng)中的其它零部件，還要保證這些零部件之間的相互位置要求和相對運動的精度要求，而且還是伺服系統(tǒng)的組成部分。機電一體化系統(tǒng)對支承部件的主要要求是：精度高、剛度大、熱變形小、抗振性好、可靠性高，并

12、且具有良好的摩擦特性和結構工藝性。第三章檢測技術22何謂傳感器？p41答：傳感器是借助于檢測元件接收一種形式的信息，并按一定規(guī)律將它轉換成另一種信息的裝置。它獲取的作息，可以是各種物理量、化學量和生物量，而且轉換后的信息形式也是不盡相同。23何謂傳感器的基本特性？p42答：傳感器的基本特性即是傳感器的輸入輸出特性，由于輸入信息的狀態(tài)不同，傳感器所表現(xiàn)的基本特性也不同，存在所謂的靜態(tài)特性和動態(tài)特性。24衡量傳感器的靜態(tài)特性的重要指標有哪些？p42答：線性度、靈敏度、遲滯性和重復性。25何謂位移測量傳感器？p44答：位移測量傳感器是直線位移和角位移測量的總稱。常用的直線位移測量傳感器包括：電感傳感

13、器、差動傳感器、電容傳感器、感應同步器、光柵傳感器等。26何謂光柵？p47答：光柵是一種新型的位移檢測元件，它的特點是測量精度高（可達1 m）、響應速度快和量程范圍大等。光柵由標尺光柵和指示光柵組成，兩者的光刻密度相同，但體長相差很多。光柵條紋密度一簽為每毫米25、50、100、250條等。27位置傳感器有哪兩種？試簡單敘述。P51答：位置傳感器分接觸式和接近式兩種。接觸式傳感器就是能獲取兩個物體是否已接觸的信息的一種傳感器；接近式傳感器是用來判別在某一范圍內(nèi)是否有某一物體的一種傳感器。第四章伺服傳動技術28何謂伺服？p65答：伺服就是在控制指令的指揮下，控制驅動元件，使機械系統(tǒng)的運動部件按照

14、指令要求進行運動。29伺服系統(tǒng)由哪四大部分構成其基本組成？p65答：一般來說，伺服系統(tǒng)的基本組成可包括控制器、功率放大器、執(zhí)行機構和檢測裝置等四大部分。30簡述開環(huán)控制伺服系統(tǒng)和閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)的特征。P66答：（1）開環(huán)伺服系統(tǒng)，結構上較為簡單，技術容易掌握，調試、維護方便，工作可靠，成本低。缺點是精度低、抗干擾能力差。一般用于精度、速度要求不高，成本要求低的機電一體化系統(tǒng)。（2）閉環(huán)伺服系統(tǒng)，采用反饋控制原理組成系統(tǒng)，具有精度高、調速范圍寬、動態(tài)性能好等優(yōu)點，缺點是系統(tǒng)結構復雜、成本高等。一般用于要求高精度、高速度的機電一體化系統(tǒng)。31常用的伺服電動機有哪三大類？p66答：目前常用的伺服電

15、動機有直流伺服電動機、交流伺服電動機、步進電動機三大類。32什么是步進電動機？步進電動機是如何工作的？常用的有哪三種步進電動機？p67答：步進電動機是一種將脈沖信號轉換成角位移的執(zhí)行元件。對這種電動機施加一個電脈沖后，其轉軸就轉過一個角度，稱為一步；脈沖數(shù)增加，角位移隨之增加；脈沖頻率高，則電動機旋轉速度就高，反之則慢；分配脈沖的相序改變后，電動機便反轉。這種電動機的運動狀態(tài)與通常均勻旋轉的電動機有一定的差別，是步進形式運動，故稱為步進電動機。32功率放大器由什么組成？p68答：功率放大器是由開關器件、電感、電容以及保護電路和驅動電路組成。33何謂直流伺服系統(tǒng)？p72答：采用直流伺服電動機作為

16、執(zhí)行元件的伺服系統(tǒng)，稱為直流伺服系統(tǒng)。34相敏放大器的功能和輸出特點是什么？p74，75答：相敏放大器也稱為鑒幅器。它的功能是將交流電壓轉換為與之成正比的直流電壓，并使它的極性與輸入的交流電壓的相位相適應。由于相敏放大器輸出的是脈動的直流電壓，必須采用濾波器，將其變成平滑的直流電壓。35脈寬調制型（PWM）功率放大器的基本原理是什么？p75答：PWM功率放大器的基本原理是：利用大功率器件的開關作用，將直流電壓轉換成一定頻率的方波電壓，通過對方波脈沖寬度的控制，改變輸出電壓的平均值。36PWM的控制電路由哪些器件組成？p78答：PWM的控制電路主要包括脈沖調制器，邏輯延時環(huán)節(jié)和晶體管基極驅動器等

17、。其中最關鍵的部件是脈沖調制器。37影響伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度，導致系統(tǒng)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差的主要因素有哪3個方面？p81答：影響伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度，導致系統(tǒng)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差的主要因素有3個方面：（1）由檢測元件引起的檢測誤差；（2）由系統(tǒng)的結構和輸入信號引起的原理誤差；（3）負載擾動引起的擾動誤差。38常用的交流伺服電動機有哪兩大類？p86答：目前常用的交流伺服電動機分為同步型交流伺服電動機和異步型交流伺服電動機兩大類。39何謂交流伺服系統(tǒng)？p86答：采用交流伺服電動機作為執(zhí)行元件的伺服系統(tǒng)，稱為交流伺服系統(tǒng)。40何謂交流調速過程中的同步調制？p89答：在改變正弦調制波的頻率f的同時成正比的改變?nèi)禽d波的頻率f

18、c，使載頻比N保持不變，則稱為同步調制。41何謂異步調制？p82答：在改變正弦調制波的頻率f的同時，三角載波的頻率fc的值保持不變,使載頻波比N值不斷變化，則稱為異步調制。42何謂環(huán)形分配器？p92答；步進電動機的各繞組必須按一定的順序通電才能正確工作。這種使電動機繞組的通電順序按輸入脈沖的控制而循環(huán)變化的裝置稱為脈沖分配器，又稱為環(huán)形分配器。43簡述以步進電動機為驅動裝置的伺服系統(tǒng)的組成及其作用。P95答：以步進電動機為驅動裝置的伺服系統(tǒng)，包括驅動控制系統(tǒng)和步進電動機兩大部分。驅動控制系統(tǒng)的作用是把脈沖源發(fā)出的進給脈沖進行重新分配，并把此信號轉換為控制步進電動機各定子繞組依次通、斷電的驅動信

19、號，使步進電動機運轉。步進電動機的轉子通過傳動機構（如絲杠）與執(zhí)行部件聯(lián)接在一起，將轉子的轉動轉換成執(zhí)行部件的移動。44按控制元件的種類和驅動方式分類，有哪兩類電液位置控制系統(tǒng)？廣泛應用的是哪一類控制系統(tǒng)？其中包括哪兩種控制方式？p96答：在電液位置控制系統(tǒng)中，按控制元件的種類和驅動方式分為：節(jié)流式控制（閥控式）系統(tǒng)和容積式控制（泵控式）系統(tǒng)兩類。目前廣泛應用的是閥控系統(tǒng)，它包括閥控液壓缸和閥控液壓馬達系統(tǒng)兩種方式。45何謂電液速度伺服控制系統(tǒng)？p100答：若系統(tǒng)的輸出量為速度，將此速度反饋到輸入端，并與輸入量比較，就可以實現(xiàn)對系統(tǒng)的速度控制，這種控制系統(tǒng)稱為速度伺服控制系統(tǒng)。第五章計算機控制

20、技術46計算機控制系統(tǒng)由哪兩部分組成？p103104答；計算機控制系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。 （1）硬件組成，計算機控制系統(tǒng)的硬件主要是由主機、外圍設備、過程輸入與輸出設備、人機聯(lián)系設備和通信設備等組成。（2）軟件組成，軟件是各種程序的統(tǒng)稱，軟件分為系統(tǒng)軟件和應用軟件兩大類。47何謂監(jiān)督控制系統(tǒng)（SCC）？其任務是什么？p104105答：監(jiān)督控制（Supervisory Computer Control）就是根據(jù)原始的生產(chǎn)工藝信息及現(xiàn)場檢測信息按照描述生產(chǎn)過程的數(shù)字模型，計算出生產(chǎn)過程的最優(yōu)設定值。輸入給直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC系統(tǒng)）或連續(xù)控制系統(tǒng)。SCC系統(tǒng)的輸出值不直接控制執(zhí)行機構，而是

21、給出下一級的最佳給定值。因此是較高一級的控制。它的任務是著重于控制規(guī)律的修正與實現(xiàn)，如最優(yōu)控制、自適應控制等，實際上它是操作指導系統(tǒng)與DDC系統(tǒng)的綜合與發(fā)展。48何謂分布式控制系統(tǒng)（DCS）？p105答：分布式控制系統(tǒng)DCS綜合了計算機技術、通信技術和控制技術，采用多層分級結構形成，從下而上分為控制級、控制管理級、生產(chǎn)管理級和經(jīng)營管理級。每級用一臺或多臺計算機，級間連接通過數(shù)據(jù)通信總線。分布式控制系統(tǒng)采用分散控制、集中操作、分級管理和分而自治的原則。其安全可靠性、通用靈活性、最優(yōu)控制性能和綜合管理能力，開創(chuàng)了計算機控制新方法。49何謂接口技術？p106答：接口技術是研究主機與外圍設備交換的技術

22、。50常用的接口方式有哪幾種？p106答：對于多臺計算機同時工作的計算機控制系統(tǒng)，為了便于整體控制及資源共享，各個系統(tǒng)間應當有系統(tǒng)間通道接口，接口有通用和專用之分，外部信息的不同，采用的接口方式也不同。一般可分為如下幾種：（1）人機通道及接口，（2）檢測通道及接口，（3）控制通道及接口，（4）系統(tǒng)間通道及接口。51接口電路的最重要的功能是什么？常用什么方式傳送數(shù)據(jù)？p106答：接口電路處于運行速度快的微處理器與運行速度比較慢的外設之間，它的一個重要功能就是能使它們在速率上匹配，正確地傳送數(shù)據(jù)。通常使用的方法有：無條件傳送、查詢式傳送和中斷傳送。52何謂數(shù)/模（D/A）轉換器？p110答：D/A

23、轉換器是指將數(shù)字量轉換成模擬量的電路。53何謂模/數(shù)（A/D）轉換器？p112答；A/D轉換器是將模擬電壓（模擬量）轉換成數(shù)字量的器件。54何謂總線式工業(yè)控制機？p116答：總線式工業(yè)控制機即是依賴于某種標準總線，按工業(yè)化標準設計，包括主機在內(nèi)的各種I/O接口功能模板而組成的計算機。55單片微計算機由什么集組成？p118答：單片微計算機是將CPU、RAM、ROM、定時/計數(shù)、多功能I/O（并行、串行、A/D）、通信控制器，甚至圖形控制器、高級語言、操作系統(tǒng)等都集成在一塊大規(guī)模集成電路芯片上。56STD總線工業(yè)控制計算機由什么組成？p121答：STD總線工業(yè)控制計算機就是由某種型號CPU芯片構成

24、的主機板和按要求配置的I/O功能模板共同插在帶有總線板的機箱內(nèi)，再配上相應的電源而組成。第七章工業(yè)機器人57工業(yè)機器人的定義是什么？p147答：工業(yè)機器人定義為：“一種能自動定位控制、可重復編程的、多功能的、多自由度的操作機。能搬運材料、零件或操作工具，用以完成各種作業(yè)。”58工業(yè)機器人操作機的定義是什么？p147答：工業(yè)機器人操作機定義為：“具有和人手臂相似的動作功能，可在空間抓放物體或進行其它操作的機械裝置。”59工業(yè)機器人有哪三個重要特性？p148答：工業(yè)機器人具有以下三個重要特性：1）是一種機械裝置，可以搬運材料、零件、工具、或者完成多種操作和動作功能，也即具有通用性；2）是可以再編程

25、的，具有多種多樣程序流程的，這為人一機聯(lián)系提供了可能，也使之具有獨立的柔軟性；3）有一個自動控制系統(tǒng)，可以在無人參與下，自動地完成操作作業(yè)和動作功能。60試述工業(yè)機器人的組成。p148答：一個較完善的工業(yè)機器人，一般由操作機、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及人工智能系統(tǒng)等（四個）部分組成。61試論工業(yè)機器人所需的自由度。p152答：確定一個工業(yè)機器人操作位置時所需要的獨立運動參數(shù)的數(shù)目稱為工業(yè)機器人的運動自由度，它是表示工業(yè)機器人動作靈活程度的參數(shù)。工業(yè)機器人的自由度數(shù)取決于作業(yè)目標所要求的動作。對于只進行二維平面作業(yè)的工業(yè)機器人只需三個自由度，若要使操作具有隨意的位姿，則工業(yè)機器人至少需要六個自由度。而對于回避障礙作業(yè)的工業(yè)機器人則需要有比六個自由度更多的冗余自由度。62