机电一体化控制技术与系统期末复习

1、机电一体化复习提纲1.机械系统和微电子系统有机结合，从而产生新功能和新性能的新产品是机电一体 化产品。机电一体化系统的基本结构要素有 机械本体' 执行与 驱动、检测传感 器、 信息处理、动力。机电一体化系统中的机械系统通常由由传动机构' 支承 与导向机构、执行机构与机架等 组成。机电一体 化系统的基本组成是能量流、 物料流、信息流。机电一体化系统的信息 特征（微型化' 嵌入式、实时性、分 布化）、动力特征（结构分散化' 功能智能化）、结构特征（模块化' 简单 化、 高刚度、高精度）。机电一体化的技术基础有机械设计与制造技术' 微电 子技术、传感器

2、技术' 软件技术、通信技术、驱动技术' 自动控制技术' 系统技 术。2 .机电一体化对机械系统的基本要求是（快、准、稳、）：快速响应、高精度、 良 好的稳定性。为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，在设计中常提出无间 隙、低摩擦' 低惯量' 高刚度' 高谐振频率、适当的阻尼比等 要求。为达到上述 要求，主要从a、采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件；b、缩短传动链， 简化主传动系统的机械结构；c、提高传动与支撑刚度；d、选用最佳传动比，尽可能提高加速能力；e、缩小反向死区误差；f、改进支承及架体的结构设计以提高刚性' 减少振动'

3、 降低噪声这几个 方面采取措施。机电一体化系统中的机械系统通常由传动机构、支承与导向机 构、执行机构与机架等几个部分组成。3 .机电一体化系统中的传动系统应满足足够的刚度'惯性小、阻尼适中等性能要 求。为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，在设计中需满足无间隙、 低摩 擦、低惯量、 高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比，为达 到这些要求，主要采取采用低摩擦阻力的传动部件和导向支撑部件缩短传动链，简化传动系统的机 械结构提高传动与支撑刚度选用最 佳传动比，以达到提高系统分辨率、减少 到执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能提高加速能力缩小反向死区误差 改进支撑及架体的结构设计以提高刚性

4、9; 减少震动、降低噪声。4 .滚珠丝杠螺母副中滚珠循环装置有外循环，内循环。滚珠丝杠支承方式有单推- 单推式、双推-双推式、双推-简支式、双推-自由式。具有最大刚度的的支承方 式是双推-双推式。5 .滚珠丝杠螺母副中按照滚珠循环方式划分外循环，内循环。滚珠丝杠螺 母副中 调整间隙和预紧的方法有垫片调整式（调整垫片来改变轴向力）、双螺母调节 式（调整螺母来消除间隙或预紧）齿差调节式（左右螺母外端凸缘制成齿数差1 的直齿圆柱齿轮），原理是什么？滚珠丝杠副的安装方式有单推-单推式（轴向 刚度较高、预紧力较大' 轴承寿命比双推-双推式低）、双推-双推式（刚度最 高、易造成预紧力不对称）、双推

5、-简支式（轴向刚度不太高、预紧力小、轴承 寿命较长、适用于中速、 精度较高的长丝杠传动系统）、双推-自由式（轴向刚 度和承载能力低、多用于轻载、低速的垂直安装丝杠传动系统），特点分别是什 么？滚珠丝杠副的选择方法是结构的选择、结构尺寸的选择（公称直径和基本导 出的选择）。6 .直齿圆柱齿轮侧隙的调整方法有中心距调整法、双片薄齿轮错齿调侧隙法、轴向 垫片调整法。要消除齿轮副间隙是因为侧隙会产生齿间冲击，影响传动平稳 性、 若出现在闭环系统中、则可能导致系统不稳定、使系统产生低频振荡，常用 中心距调整法' 双片薄齿轮错齿调侧隙法' 轴向垫片调整法、轴向压簧法等方法消除间隙。7 .同

6、步带的结构由背带、 抗拉层、带齿、 包布层部分组成，传动特点是传动比准 确' 传动效率高、工作平稳、能吸收振动，噪音小、 速比范围大、允许线速度 高、传动结构紧凑' 适合多轴传动。但中心距要求严格，安装精度要求高，其主 要参数有带齿的节距' 节径、外径、节线。8 .间歇传动机构有槽轮机构（结构简单、制造容易、工作可靠、机械效率较高，加 速过程有冲击' 不适合高速运动）、棘轮机构（优点是结构简单、运动可靠' 缺点是只能进行有级调节、不适合高速传动）、其他间隙运动机构（凸轮式间隙 运动机构、不完全齿轮机构）。9 .导向机构的作用是支撑和限制运动部件按给定的运

7、动要求和运动方向运动。导轨 副的组成主要由运动件和承导件组成及种类有滑动导轨' 滚动导轨' 液体介质 摩擦导轨、弹性摩擦导轨。导轨的基本要求有导向精度高、刚度好、运动轻便 平稳、' 耐磨性好' 温度变化影响小以及结构工艺好。滑动摩擦导轨截面的常用形 式有V型导轨' 矩形' 燕尾型、圆形。滑动导轨副的组合形式有 双三角形、三 角形和矩形、三角形和平面导轨。如何调整导轨副间隙压板法、镶条法。10 .滚动直线导轨副的结构和工作原理是由导轨、滑块' 钢球' 返向器、保持架、 密 封端盖、侧密封端盖等组成P31 o滚动直线导轨副的类型有滚动

8、体循环式和 滚动体不循环式。静压导轨副的工作原理与特点分别是什么P33 o11 .什么是电主轴？有哪些部分组成？（是一套组件，包括电主轴' 高频变 频装置、油气润滑系统、冷却系统、内置编码器和换刀装置）的特点 电主轴 是耐磨耐热、寿命是传统轴承的几倍、高速。电主轴需要润滑哪些部 分？12 .什么是电主轴的刚度静刚度是主轴抵抗静态外载荷的能力，简称刚度？提高电主轴静刚度的主要措施有a、提高支承刚度、 包括增加轴承数量' 采用高刚度的轴承和提高轴承预紧力；b、优化主轴设计，包括尽量缩短前悬伸量，并选择最 佳支承跨距，在满足轴承、电机转子等工作性能的前提下，增大主轴直径。13 .什么

9、是压电效应由于晶体在机械力作下发生变形而引起带电粒子的相对位移，从 而造成晶体的总电矩发生变化。压电式传感器目前多用于测量动态的力或压 力。环形行波电机的工作原理是什么？ P40压电驱动器与超声电机应用领域有 航空航天、精密加工设备的进给机构、汽车行业、精密仪器或医疗器械'机器人 关节驱动、办公自动化设备、微型机械。14 .什么是微动机构是一种能在一定范围内精确、微量地移动到给定位置或 实现特定 进给运动的机构。微动机构应满足a、低摩擦、高灵敏度，最小移动量达到使用 要求；b、传动平稳、可靠，无空程和爬行，有足够的刚度，制动后能保持稳定 的位置；c、有好的动态特性，即相应频率高；d、抗

10、干扰能力强，快速响应性 好；e、能实现自动控制；f、良好的结构工艺性的基本要求？微动机构有双螺 旋差动式、弹性变形式、 热变形式、磁致伸缩式、电致伸缩式等基本类型，工作 原理分别是什么？ P48-5015 .液压机构与气动机构的特点分别是什么液压：a、在输出同等功率的条件下，机构结构紧凑，体积小，重量轻，惯性小；b、工作平稳，冲击、振动和噪音都较小，易于实现频繁的启动' 换向，能够完成各种旋转运动和各种 往复运动；C、操作简单、调试方便，并能在大的范围内实现无级调试，调试可达 5000 ； d、可实现低速大力矩转动，无需减速装置。气压：a、以空气为工作介质，用后可直接排到大气，处理方便

11、；b、动作迅速，反应快，维护简单，不存在介质变质问题，工作环境适应性好，安全可 靠性优于液压、电子和电气机构；d、但工作速度稳定性稍差，工作压力低，难以获得较大的输出力；噪声大，要加消声器0真空发生器的性能指标包括耗气量' 真空度' 抽吸时间。常用的气动机构有哪些?16 .机电一体化对控制系统的基本要求有稳定性、快速性'精确性。机电一体化控制 系统的类型有基于PC的控制系统' 基于微处理器的控制系统' 基于PLC的控制 系统、其他控制系统。各有什么特点？分别应用在什么场合？ P65- 6617 .工业控制计算机叫工控机。工控机的硬件有计算机基本系统和过程

12、I/O系统。 工控机的接口卡有模拟量输入输出卡（处理模拟信号的输入输出）、数字量输入 输出卡（实现各类开关信号的输入输出）、运动控制卡（速度控制'点位控制、 电子齿轮）、RS-232/RS-485模块、CAN总线接口卡，各有什么功能？通常把 8位和8位/16位兼容的AT总线称为ISA总线和PCI总线是一种不依附于某个具体处理器的局部总线。PCI总线定义了内存地址 空间、I/O地址空间' 配置地址空间 三种物理地址空间。工控机的 主板类型有长 卡和半长卡。18 .在计算机和外部交换信息中，按数据传输方式可分为串行通信和并行通信两种。串行通信接口除了 RS-422还有RS-485和

13、RS-232C。19 .机电一体化系统设计类型大致可分为开发型设计、适应性设计和变异性 设计。机电一体化系统设计的方法通常有机电互补法、机电结合法和组合法。20 .机电一体化对控制系统的基本要求是什么？机电一体化系统中的控制系统根据所选用的控制器的不同，一般可分为哪些？21 .根据片内程序存储器的配置上，MCS-51系列单片机有掩膜ROM、EPROM、ROMLess （无片内程序存储器）三种形式。模拟数据采集系统输入通道的基本构成是传感器' 多路模拟开关' 放大器' 采样保持器' A/D转换器。22 .什么叫多路模拟开关？其作用是将多路模拟信号分别与A/D转换器

14、接通，逐一 进行A/D转换，以达到分时享用A/D转换器的目的？举例说明多路模拟开关 的工作原理？ P10223 .采样/保持电路的作用是保证转换精度，在A/D转换的过程中，要求信号的电 压保持不变，在A/D转换完之后，又能跟踪信号电压的变化。分析采样/保持 电路工作原理？ P10324 .实现A/D转换的方法有计数法' 双积分法、逐次逼近法。25 .根据预先规定好的时间或条件，按照预先确定的操作顺序，对开关量实现有规律 的逻辑控制，使控制过程依次进行的一种控制方法叫顺序控制。顺序控制系统 有时间顺序控制系统' 逻辑顺序控制系统' 条件顺序控制系统。顺序控制系统有 实现方

15、法有a、由继电器组成的逻辑控制系统（机械式开关）；b、由晶体管组成 的无触点顺序逻辑控制系统（电子式开关）；c、可编程序控制器（软件开 关）；d、由计算机组成的顺序逻辑控制系统。26 .可编程序控制器有哪些分类方法？具体如何划分？按I。点规模分类（小型机' 中型机、大型机）；按结构特点分类（箱体式、模块式、基板式）27 .可编程序控制器的工作机制是周期循环扫描。可编程序控制器的编程语 言有梯形图、指令表、顺序功能图、功能块图、其他高级语言 。PLC中 存储器的作业是用于存储、运行系统和用户程序。28 . PLC控制系统与继电器控制系统相比较在性能上比继电器控制系统要优 越得多，特别是对

16、工艺的适应性好，可靠性高，设计施工周期短，维护方便，可扩展性好，但价格要高于继电器控制系统?可编程序控制器可以实现开关量的开环控制；模拟量的闭环控制；数字量的智能控制；数 据采集与监控；联网' 通信及集散控制。29 .特殊辅助继电器M8000 （运行监控，PLC运行时接通）' M8002 （初始脉冲）、M8011 （ 10ms 脉冲）、M8012 （ 100ms 脉冲）、M8030（使电池欠压灯熄灭）、M8033 （ PLC停止时保持输出）、M80334 （禁止全 部输出）。状态继电器的功能是是构成顺序功能图的基本要素，是步进控制简易编程的重要元件，它与STL组合使用。状态继电

17、器（初始状态：S0"S9 （10点）；回 零：S10 "S19 （10 点）；通用：S20"S499 （480 点）；保持：S500 "S899（400 点）；报警：S9006999 （100 点）；）、定时器（100ms、10ms、1ms累积型、100ms累积型）、计数器（内部计算器（16位单向计数器、32位双向计 数器）；高速计数器。）30 . PLC编程：交流电机启保停控制电路、电动机Y-减压起动，交流电机正反转 控制（正反直接+延时切换）、送料小车控制' 交通灯等。P168-17231 . PLC控制系统的设计步骤a、根据工艺要求确定控制

18、要求；b、根据控制 要求确 定输入输出设备，并据此确定PLC控制系统的电气原理图和PLC的IO点数；c、选 择PLC类型；d、分配I。端口，设计10连接图；e、设计操作面板；f、设计PLC 程序；g、现场施工和联调；h、编制技术文档并交付使用。32 . 一种以一定的精确度将被测量转换为与之有确定对应关系的' 易于处理和测量的 某种物理量的测量部件或装置叫传感器。传感器输出的信号通常是电信号类型 的。机电一体化系统中的传感检测装置一般由输入装置' 中间变换装置' 输出接 口组成。33 .如果连接到计算机，传感器的信号必须经过变换、放大、 滤波步骤处理。传感 器有按被测对象

19、的不同（如位移传感器' 速度传感器）；按传感器工作原理（如光电式传感器' 电阻传感器）分类方法。34 .常用的位置传感器（接触式和非接触式）、位移传感器（直线位移传感器和角位 移传感器）、速度传感器（直线速度传感器和角速度传感器）、加速度传感器（应变式、压电式、电磁感应式）、力传感器（应变式、压电 式、压阻式' 压磁 式' 电容式、差动变压器式、机械式力传感器），压力传感器（应变式压力、 压 阻式、 压电式、膜片式' 薄壁圆筒式）、力矩传感器（电阻应变式' 压磁式、磁 电感应式、光电式）、温度传感器（热电阻、热电偶）、视觉传感器（CCD、 CMO

20、S ） o35 . 一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器叫 光电编码器。光电编码器根据结构可分为增量式和绝对式。36 .什么是热电偶？热电偶中产生热电势的条件是什么？答：（1）热电偶是温度测 量仪表中常用的测温元件，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温度。（2） 一是要有接触电位差，二是要有温度差（条件是热敏电阻因温度变化 引起阻值变化）37 .应变片的工作原理是利用金属在机械性地伸长或缩短时其电阻会随之变化，从而 测取相应的数值以达到目的。应变片加速度传感器利用的具体原理是当传感器随 被测物体运动加速度为a

21、时，在质量块m上产生惯性力F=m*a,受惯性力的作 用，悬臂梁变形，通过应变片可以测量出悬臂梁 的变形量，进而间接的得到加速度ao38 .常见的速度传感器有测速电机、 电涡流式传感器、 光电式传感器、霍尔元件等。39 .电涡流的工作原理是什么？如何通过电涡流测量速度的？P18640 .加速度传感器通常利用惯性质量受加速度的作用所产生的惯性力而造成的各种物 理效应来工作？常用的加速度传感器有应变式、压电式、电磁感应式。41 .传感检测装置在机电一体化系统中的作用是机电一体化系统的感觉器官，主要用于获取系统内部和外部的信息？机电一体化系统中的常用传感器有 哪些（通过举2-3例说明）？42 .被驱动

22、部件的机械特性有a、恒转矩型机械特性；b、离心式通风机型机械特性； c、直线型机械特性；d、恒功率型机械特性。43 .晶闸管又叫可控硅，是一种具有半控特性的大功率器件，其控制电流可从数安培到数千安培，由阳极A、阴极K、控制极G组成，晶闸管一旦导通，控 制极对晶闸管就不起控制作用了。晶闸管主要有单向晶闸管' 双向晶闸管' 可关断晶闸管三种基本类型。晶闸管的导通条件是阳极和控制极都 加上正向电压。44 .功率晶体管又叫电力晶体管，与晶闸管相比是全控元件，从功能上可以将功率晶 体管看做是一个在开关状态下的大功率三极管。IGBT驱动电路有有正、 负偏压的栅控IGBT电路、隔离驱动IGB

23、T电路。T型桥驱动电 路和H 型桥驱动电路的工作原理是什么？ PWM直流调速系统的工作原理是什么？ SPWM交流调速系统的工作原理是什么？45 .步进电机是用电脉冲信号进行控制，将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的微电动机。步进电机有反应式步进电动机、永磁式步进电动机、混合式步进 电动机三大类型。步进电动机的速度（脉冲信号的频率）、转向（脉冲信号 的相序有关）和转角大小（输入脉冲数）分别和哪些因素有关。步进电机控制电 路包括脉冲分配、驱动信号放大环节。步进电机驱动方式有单极性驱动方式' 双极性驱动方式' 恒压驱动方式'恒流驱动方式、 电压切换驱动方式。46 .机电一

24、体化系统与传统机电系统的区别是智能化。机电一体化系统的共性关键 技术有精密机械技术' 信息处理技术、自动控制技术、检测传感技术'伺服驱动 技术' 系统总体技术。47 .功率输出的常用接口方式除了有双向晶闸管接口，还有晶体管驱动继电器和光电 耦合器隔离。48 .自动化加工设备主要有加工设备主要有组合机床、数控机床、车削中心 及加工中 心？自动化制造系统的常见类型有刚性半自动化单机' 刚性自动化单机、刚性自动线、刚性综合自动化系统、一般数控机床、加工中心'混合 成组制造单元、分布式数控系统（DNC ）、柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS ）、柔性制

25、造线' 计算机集成制造系统。49 .自动化制造系统主要有 刚性半自动化单机' 刚性自动化单机, 刚性自动 线' 刚性 综合自动化系统、一般数控机床、加工中心、混合成组制造单元' 分布式数控系统（DNC）、柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS ）、柔性制造线' 计算机集成制造系统十二种基本形式。步伐式输送 装置有棘爪步伐式输送装置、回转步伐式输送装置' 抬起步伐式输送装置三种类 型。50 .什么叫随行夹具的退回P251 ?随行夹具的返回方式有水平返回方式、上 方返回方式、 下方返回方式。51 .自动检验按不同的特征进行分类a、按转换测量信号

26、的原理可以分为机械式、电气式、气动式；b、按检验过程的性质可以分为主动检验和消极检验；c、 按量头与工件的接触分为接触式和非接触式；d、按被检验参数可以分为零件的尺寸偏差、几何形状误差' 重量偏差等。生产过程自动化装置 中辅助设备有提升装置' 分路装置。52 .什么叫PID （P是比例环节、I积分环节、D是微分环节，是一种控制方 法），PID中的P （即时成比例的反映控制系统的偏差信号e （t） ）、I （主要 用于消除稳态误差，提高系统的无差度）、D （能反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期 修正信号，减小调节时间）分别

27、起什么作用？智能控制包括PID控制、模糊控 制、专家智能控制、自学习智能控制、基于神经网络的智能控制53 .机电一体化系统设计原则是什么？机电一体化系统设计的方法通常有哪些？设计类型可以分为哪些？（1）设计基本原则：机电互补原则功能优化原则自动化' 省力化原则效益最佳原则开放性原则（2）设计方法有 机电互补法机电结合法组合法（3）类型可分为开发性设计适应性设 计变异性设计54 .名词解释放大器：放大器是能把输入讯号的电压或功率放大的装置，由电子管或晶体管' 电 源变压器和其他电器元件组成。用在通讯、广播' 雷达、电视' 自动控制等各种装置 中。采样/保持器：因为

28、A/D转换需要一定的时间，为了保证转换精度，在A/D转换的过程中，要求信号的电压保持不变，在A/D转换完成后，又要能跟踪信号电压的变 化。能完成这个功能的电路叫采样/保持电路(采样/保持电器,Sample/Hold ,简 称 S/H).A/D转换器：模数转换器即A/D转换器，或简称ADC ,通常是指一个将模拟信号 转变为数字信号的电子元件，其主要指标是分辨率。BCD码：亦称二进码十进数或二-十进制代码。用4位二进制数来表示1位 十进 制数中的09这10个数码。是一种二进制的数字编码形式，用二进制编码的十 进制代码。BCD码这种编码形式利用了四个位元来储存一个十进制的数码，使二进 制和十进制之间

29、的转换得以快捷的进行。D/A转换器：数模转换器，又称D/A转换器，简称DAC ,它是把数字量转变成模 拟的器件。D/A转换器基本上由4个部分组成，即权电阻网络' 运算放大器、基 准电源和模拟开关。格雷码：在一组数的编码中，若任意两个相邻的代码只有一位二进制数不同，则称 这种编码为格雷码(Gray Code ),另外由于最大数与最小数之间也仅一位数不同， 即“首尾相连”，因此又称循环码或反射码。光电耦合器：光电耦合器是以光为 媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。发光部分和受光部分没有电的联系，具 有很高的绝缘电阻，能避免输出端对输入端的电磁干扰。香农采样定理：对于一个有限频率的连续信

30、号，当采样频率杷2f信max时，采样函数 才能不失真地恢复原来的连续信号。柔性制造系统：柔性制造系统是由统一的信息控制系统、物料储运系统和一组数字 控制加工设备组成，能适应加工对象变换的自动化机械制造系统(Flexible Manufacturing System),英文缩写为 FMS。热电阻效应：物质的电阻率随温度变化而变化的特性称为热电阻效应。单片机：是 一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器 CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O 口和中断系统' 定时器/计 数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路' 模拟多路转换

31、器' A/D转换 器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统。功率晶体管：从原理上讲与普通三极管是一致的，主要在大功率领域内应用。可以 实现导通控制和关断控制，是全控元件，开关速度远大于晶闸管，从功能上讲，可看 作是一个在开关状态下的大功率三极管。IGBT ： IGBT（lnsulated Gate Bipolar Transistor）,绝缘栅双极型晶体管，是由 BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压 驱动式功率 半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。 斩波器：是一种将负载与电源接通继而又断开的晶闸管通断开关，其作用是 把固定的电源电压转化成满足负载变化要求的可变电压。PWM :保持斩波周期不变，只改变晶闸管的导通时间tn。这种方法称为脉冲 宽带调制。可编程序控制器：可编程序控制器是一种专门为工业环境下应用而设计的数字运算操作 的电子装置。它采用可编程序存储器作为内部指令记忆装置，具有逻辑、排序、定