课后答案42742

1、第1章 ：1 试说明机电一体化的涵义。2 什么是工业三大要素？3 机电一体化系统的主要组成、作用是什么？4 机电一体化系统的构成要素是什么？它们各有什么作用？其主体和核心技术是什么？5 传统机电产品与机电一体化产品的主要区别是什么？6 机电一体化各要素及其与外界是通过什么连接的？有什么重要性？7 为什么说精密机械技术是机电一体化的基础？8 发展机电一体化的共性关键技术有那些？它们的作用如何？9 试举出几个机电一体化的家电产品。10 试论述机电一体化的发展趋势。第2章 ：1 简述机电一体化系统设计流程。2 简述开发性设计、适应性设计、变型设计的异同？3 何谓概念设计？简述概念设计的具体设计步骤。

2、4 简述功能行为结构三者的关系。5 如何进行设计任务的抽象化，其作用是什么？6 总功能为什么要分解，应如何进行分解？7 什么是功能结构，三种基本结构形式是什么？7 何谓功能元，常用的基本功能元有哪些？8 举例说明什么是物理效应和功能载体？9 什么是艺术造型三要素？10 人机接口和机电接口各有哪些分类？并举例说明。 11 为什么要进行系统的评价？简述其步骤。12 为什么要进行系统的决策？简述其步骤。13 如何确定系统的评价指标体系？14 常用的系统评价方法是什么？15 系统调试的一般规律是什么？16 简述各种现代设计方法的内涵。17 如何进行机电一体化系统的可靠性设计？18 传统产品设计与绿色产

3、品设计有何区别与联系？ 第3章 ：1 试对数控机床的主轴功能进行分解，列出其形态学矩阵。2 试以一种你熟悉的机电一体化产品为例，对其总功能进行分解。第4章 ：1 机电一体化的机械系统主要内容有哪些？2 对机械传动机构的性能要求是什么？3 常用无侧隙齿轮传动机构有哪几种？4 滚珠丝杠副有哪些特点？5 滚珠丝杠副常用的支承方式有哪几种？各有什么特点？6 滚珠丝杠副为何要预紧？预紧力常为多少？7 常用的直线运动导轨有哪些？8 对机座机架的基本要求是什么？9 简述花岗岩的特点及应用？10 当工作台重量为400kg，夹具和工件重量为400kg，最大工作行程为1000mm，其它条件和4.5.2节相同时，试

4、选择设计滚珠丝杠副。11 工作台重量为400kg，夹具和工件重量为400kg，最大工作行程为1000mm，其它条件和4.5.3节相同时，试选择设计线性运动滚珠导轨。第5章 ：1 简述传感检测系统的构成及各环节的作用？2 在传感检测系统中为什么要进行标度变换？3 在什么情况下采用数字滤波？数字滤波和模拟滤波相比有何优点？4 试举一例说明传感器非线性特性的线性化过程。5 为何对传感器的温度误差要采用软件补偿？简述其关键和步骤。6 增量式脉冲编码器是如何检测数控机床进给轴的进给速度和进给行程的？7 CCD图像传感器的工作原理是什么？8 光纤传感器的工作原理是什么？第6章 ：1 简述机电一体化系统中的

5、执行元件的分类及特点(优缺点)。2 机电一体化系统对执行元件的基本要求是什么?3 机电一体伺服系统有哪几种，各有何特点？4 简述交流伺服电动机的驱动方式，SPWM交流驱动调速的工作原理。5 简述交流伺服电动机的矢量控制工作原理。6 数控机床的伺服进给驱动与主轴驱动有什么区别？7 试述进给伺服系统在伺服元件、电路、控制和性能方面的发展趋势。8 列举新型执行装置在机电一化系统中的应用。第7章 ：1 控制系统基本性能的要求是什么？2 控制系统设计的主要步骤有哪些？各步骤主要内容是什么？3 系统模型主要有哪些？其主要内容是什么？4 建立系统数学模型主要有哪些方法？5 对于机电一体化控制系统为什么要建模

6、？6 针对数控机床这一典型的机电一体化系统，其进给系统通常可分为那些常见结构？试从控制理论角度画出进给系统控制框图？按照机电一体化的接口概念，各部分之间是如何接口的？7 针对本章中数控铣床控制系统设计实例图7-18所示，根据机电一体化构成要素，那些属于控制要素的构成部分？8 除本章中所述机电一体化控制系统发展趋势外，你还能列举哪些你认为属于其发展的趋势？第1章：1 试说明机电一体化的涵义。答：机电一体化乃是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成的系统总称。2 什么是工业三大要素？答：物质，能量，信息3 机电一体化系统的主要组

7、成、作用是什么？答：主要组成：主功能、动力功能、检测功能、控制功能、构造功能主功能是系统的主要特征部分，是实现系统目的功能直接必需的功能，主要是对物质、能量、信息或其相互结合进行变换、传递和存储；动力功能是向系统提供动力、让系统得以运转的功能；检测功能和控制功能是解决各种信息的获取、传输、处理和利用，从而能够根据系统内部信息和外部信息对整个系统进行控制，使系统正常运转，实施目的功能；构造功能则是使构成系统的子系统及元、部件维持所定的时间和空间上的相互关系所必需的功能。4 机电一体化系统的构成要素是什么？它们各有什么作用？其主体和核心技术是什么？答：机电一体化系统的构成要素是：机械本体、动力系统

8、 、传感检测系统、执行部件、信息处理及控制系统；机械本体：用于支撑和连接其他要素，并把这些要素合理地结合起来，形成有机的整体；动力系统：按照系统控制要求，为机电一体化产品提供能量和动力功能，去驱动执行机构工作以完成预定的主功能；传感检测系统：将机电一体化产品在运行过程中所需要的自身和外界环境的各种参数及状态转换成可以测定的物理量，同时利用检测系统的功能对这些物理量进行测定，为机电一体化产品提供运行控制所需的各种信息；执行部件：在控制信息的作用下完成要求的动作，实现产品的主功能；信息处理及控制系统：根据机电一体化产品的功能和性能要求，信息处理及控制系统接收传感与检测系统反馈的信息，并对其进行相应

9、的处理、运算和决策，以对产品的运行施以按照要求的控制，实现控制功能。5 传统机电产品与机电一体化产品的主要区别是什么？答：机电一体化产品和传统机电产品相比：（1） 生产能力和工作质量提高（2） 使用安全性和可靠性提高（3） 调整和维护方便，使用性能改善（4） 具有复合功能，适用面广（5） 改善劳动条件，有利于自动化生产（6） 节约能源，减少耗材6 机电一体化各要素及其与外界是通过什么连接的？有什么重要性？答：接口；一方面，机电一体化系统通过输入/输出接口将其与人、自然及其他系统相连；另一方面，机电一体化系统通过许多接口将系统构成要素联系为一体。因此，系统的性能在很大程度上取决于接口的性能。7

10、为什么说精密机械技术是机电一体化的基础？精密机械技术是机电一体化的基础，因为机电一体化产品的主功能和构造功能大都以机械技术为主，来得以实现。8 发展机电一体化的共性关键技术有那些？它们的作用如何？答：发展机电一体化技术所面临的共性关键技术包括传感检测技术、信息处理技术、伺服驱动技术、自动控制技术、接口技术、精密机械技术及系统总体技术等。传感检测技术： 在机电一体化产品中，工作过程的各种参数、工作状态以及与工作过程有关的相应信息都要通过传感器进行接收，并通过相应的信号检测装置进行测量，然后送入信息处理装置以及反馈给控制装置，以实现产品工作过程的自动控制。信息处理技术：信息处理技术是指在机电一体化

11、产品工作过程中，与工作过程各种参数和状态以及自动控制有关的信息输入、识别、变换、运算、存储、输出和决策分析等技术。自动控制技术：自动控制技术的广泛应用，不仅大大提高了劳动生产率和产品质量，改善了劳动条件，而且在人类征服大自然、探索新能源、发展空间技术与改善人类物质生活等方面起着极为重要的作用。伺服驱动技术：伺服驱动技术主要是指机电一体化产品中的执行元件和驱动装置设计中的技术问题，它涉及设备执行操作的技术，对所加工产品的质量具有直接的影响。接口技术：机电一体化系统是机械、电子和信息等性能各异的技术融为一体的综合系统，其构成要素和子系统之间的接口极其重要。精密机械技术：精密机械技术是机电一体化的基

12、础，因为机电一体化产品的主功能和构造功能大都以机械技术为主，来得以实现。系统总体技术：系统总体技术是最能体现机电一体化设计特点的技术，也是保证其产品工作性能和技术指标得以实现的关键技术。9 试举出几个机电一体化的家电产品。答：洗衣机，冰箱，豆浆机。10 试论述机电一体化的发展趋势。答：智能化，模块化，网络化，微型化，绿色化，人格化。第2章：1 简述机电一体化系统设计流程。答：主要设计过程可分为5个阶段：产品规划、概念设计、详细设计、设计实施和设计定型阶段。2 简述开发性设计、适应性设计、变型设计的异同？答：开发性设计：在工作原理、结构等完全未知的情况下，没有参照产品，应用成熟的科学技术或经过试

13、验证明是可行的新技术，设计出质量和性能方面满足目的要求的新产品。这是一种完全创新的设计。适应性设计：在总的方案原理基本保持不变的情况下，对现有产品进行局部更改，或用微电子技术代替原有的机械结构，或为了进行微电子控制对机械结构进行局部适应性设计，以使产品的性能和质量增加某些附加价值。变异性设计：在设计方案和功能结构不变的情况下，仅改变现有产品的规格尺寸，使之适应于量的方面有所变更的要求。3 何谓概念设计？简述概念设计的具体设计步骤。答：概念设计可以理解为是由分析用户需求到生成概念产品的一系列有序的、可组织的、有目标的一系列活动，它表现为一个由粗到精、由模糊到清楚、由抽象到具体、不断进化与展开的推

14、理与决策的过程。概念设计过程的步骤：设计任务抽象化，确定系统的总功能将总功能分解为子功能，直到功能元寻找子功能（功能元）的解将原理解进行组合，形成多种原理解设计方案对众多方案进行评价决策，选定最佳方案概念产品。4 简述功能行为结构三者的关系。答：产品结构状态的变化是行为，行为的作用是功能，因此结构是功能和行为的载体。功能通过行为实现，行为受物理定律的制约，产品各组成部分在实现其功能时必然存在着物理关系。5 如何进行设计任务的抽象化，其作用是什么？答：工程设计中常用的抽象方法是“黑箱法”。抽象化的目的是使设计人员暂时抛弃那些偶然情况和枝节问题，突出基本的、必要的要求，这样就便于抓住问题核心，同时

15、避免了构思方案前的框框，可以放开视野，寻求更为理想的设计方案。通过抽象化，设计人员无需涉及具体的解决方案，就能清晰地掌握所设计产品的基本功能和主要约束条件，从而抓着了设计中的主要矛盾。这样就可以把思维注意力集中到关键问题上来，容易有计突破和创新。6 总功能为什么要分解，应如何进行分解？答：产品的整体功能是由不同组成部分相互协调共同完成的。因此，产品总功能可以分解为子功能和多级子功能，它们按确定的功能结合起来，建立功能结构图，这样既可显示各功能元、子功能与总功能之间的关系，又可通过各功能元之间的有机组合求系统方案。总功能的分解常按如下步骤和方法进行： 建立功能结构示意图 功能元7 什么是功能结构

16、，三种基本结构形式是什么？答：在功能分解中要求同级子功能相互协调组合起来应能满足上一级子功能的要求，最后组合起来应能满足总功能，这种功能的分解与组合关系称为功能结构。3种基本结构形式：串联（链状）结构、并联（平行）结构和环形结构（反馈连接）。8 何谓功能元，常用的基本功能元有哪些？答：功能元是能直接从物理效应和逻辑关系找到可满足功能要求的最小单位。常用的基本功能元：物理功能元、逻辑功能元和数学功首元。9 举例说明什么是物理效应和功能载体？答：例如，数控铣床的数控加工过程，如图2-11所示，数控系统根据被加工工件的数控加工程序控制，三个直线运动轴（X轴、Y轴、Z轴）和一个旋转运动轴（主轴），在各

17、自的伺服系统驱动下实现联动，从而加工出所要求的工件几何形状。10 什么是艺术造型三要素？答：功能，物质技术条件，艺术内容11 人机接口和机电接口各有哪些分类？并举例说明。 答：人机接口分为输入接口和输出接口两大类；输入接口：简单开关输入接口，键盘输入接口；输出接口：LED,CRT显示器，LCD显示器机电接口分为信息采集接口（传感器接口）和控制量输出接口。信息采集接口：A/D转换接口；控制量输出接口：D/A转换接口12 为什么要进行系统的评价？简述其步骤。答：评价的目的是为了决策，决策需要评价。系统的评价对于决策的有效性关系极大，正确的评价可以使决策获得成功，取得较好的效益；错误的评价会导致决策

18、失败，付出沉重的代价。系统评价的步骤： 明确系统评价的目的 分析系统、熟悉系统 建立评价指标体系 确定评价尺度 确定评价方法 计算评价值 综合评价13 为什么要进行系统的决策？简述其步骤。答：决策是指为了实现一个特定目标，在占有一定信息和经验的基础上，根据客观条件与环境的可能，借助于一定的科学方法，从各种可供选择的方案中，选出作为实现特定目标的最佳方案的活动。一般遵循的步骤为：发现问题确定目标找出各种可供选择的方案对每个方案进行评估选择其中最佳方案执行14 如何确定系统的评价指标体系？答：确定指标体系要根据系统的不同特点，遵循系统性、可行性和重要性的原则来进行选择各项评价指标。系统评价时，首先

19、要根据系统目标规定一组评价指标，确定系统的评价项目，制定评价的准则，通过对各因素赋予反映价值地位的加权系数，从而形成一种评价的价值体系。15 常用的系统评价方法是什么？答：常见的方法有德尔菲法（专家评价法）、评分法、层次分析法及模糊综合评价方法等。16 系统调试的一般规律是什么？答：基于系统设计过程中主功能实现的因果关系，在调试过程中，应遵循：先调试模块，后调试系统；先调试子功能，再调试总功能；先模拟调试，后在线调试；先静态调试，后动态调试的调试规律。17 简述各种现代设计方法的内涵。答：18 如何进行机电一体化系统的可靠性设计？答：19 传统产品设计与绿色产品设计有何区别与联系？ 答：绿色产

20、品设计是将产品寿命周期内各个阶段（设计、制造、使用、回收处理等）看成一个有机整体，在保证产品良好性能、质量及成本等要求的情况下，还充分考虑到产品的维护资源及能源的回收利用以及对环境的影响等问题。这与传统产品设计有很大的区别，传统产品设计是以市场需求的预测为基础的，其技术方案的确定，重点考虑设计和制造两个领域的问题，而在产品维护和产品废弃方面对环境的影响考虑很少，甚至根本就不考虑。第3章：1 试对数控机床的主轴功能进行分解，列出其形态学矩阵。2 试以一种你熟悉的机电一体化产品为例，对其总功能进行分解。第4章 ：1机电一体化的机械系统主要内容有哪些？答：传动机构，支承与导向机构，执行机构，轴系，机

21、座机架。2对机械传动机构的性能要求是什么？答：无（小）传动间隙，惯量小，摩擦小刚度大，阻尼适中，缩短传动链。3常用无侧隙齿轮传动机构有哪几种？答：消除齿轮传动中齿侧间隙的方法主要有：中心距调整法、双圆柱薄齿轮错齿消隙法、齿轮增宽消隙法等。4滚珠丝杠副有哪些特点？答：1.传动效率高2.运动具有可逆性3.轴向刚度好4.传动精度高，使用寿命长5.制造工艺复杂5滚珠丝杠副常用的支承方式有哪几种？各有什么特点？答：1.一端固定一端自由(F-O)：结构简单，轴向刚度较两端固定低，压杆稳定性和临界转速较低，用于较短和竖直的丝杠。2.一端固定一端支承(F-S)：两端与螺母要同轴，结构较复杂，工艺较困难，刚度同

22、(F-O)相同，压杆稳定性和临界转速较(F-O)高，用于较长的卧式安装丝杠。3.两端固定(F-F)：两端与螺母要同轴，结构较复杂，工艺较困难，轴承无间隙时刚度为(F-S)的4倍，无压杆稳定性问题，固有频率高，适用于刚度和精度要求较高的场合。6滚珠丝杠副为何要预紧？预紧力常为多少？答：预紧的目的是消除滚珠丝杠副的轴向间隙，提高滚珠丝杠副的轴向接触刚性，并且在外加轴向载荷小于3倍预紧力的情况下，轴向刚性是常数。7常用的直线运动导轨有哪些？答：8对机座机架的基本要求是什么？答：（1）保证刚度（2）减少热变形（3）提高抗震性（4）良好的结构工艺性9简述花岗岩的特点及应用？答：花岗岩、大理石、天然岩石等

23、材料已广泛应用于各种高精度机电一体化系统的机座，如三坐标测量机的工作台、金刚石车床的床身以及平板、导轨、底座、横梁、立柱等。花岗岩具有许多优点：稳定性好，无内应力，几乎不变形，能长期保持稳定的精度；通过研磨、抛光，容易得到很高的精度和非常光滑的表面；对温度不敏感，导热系数和膨胀系数均很小；吸振性好，内阻尼系数比钢大15倍；耐磨性比铸铁高510倍；不导电，抗磁、抗氧化。主要缺点是加工困难，脆性大，抗冲击性能差，油和水易渗入晶体中，易引起变形。10当工作台重量为400kg，夹具和工件重量为400kg，最大工作行程为1000m；其它条件和4.5.2节相同时，试选择设计滚珠丝杠副。11工作台重量为40

24、0kg，夹具和工件重量为400kg，最大工作行程为1000mm，其它条件和4.5.3节相同时，试选择设计线性运动滚珠导轨。第5章：1 简述传感检测系统的构成及各环节的作用？答：2 在传感检测系统中为什么要进行标度变换？答：各种不同的传感器都有不同的量纲和数值，被测信号转换成数字量后仅仅与其输入的参数值相对应，但其量纲和大小并不与输入的被测参数相同，因此必须把它转换成和输入参数具有相同的量纲，这些转换就是标度变换。3 在什么情况下采用数字滤波？数字滤波和模拟滤波相比有何优点？答：在由微处理器对传感器采样时，为了减少干扰对采样值的影响，提高系统的可靠性，常采用数字滤波方法。数字滤波和模拟滤波相比较

25、具有以下优点。 不需要增加任何硬件设备，只要在程序进入数据处理和控制算法之前加一段数字滤波软件即可； 因没有硬件设备，传感器精度可以提高，不存在阻抗匹配问题； 数字滤波可以多个通道共用，而模拟滤波器则每个通道都要有一个独立的滤波器； 可以多频率很低的信号进行滤波，而模拟滤波器受电容器容量限制，频率不宜太低； 使用灵活方便，可根据需要选择不同的滤波方法和滤波参数。4 试举一例说明传感器非线性特性的线性化过程。答：5 为何对传感器的温度误差要采用软件补偿？简述其关键和步骤。答：由于温度传感器和微处理器性价比的提高，利用软件补偿温度误差是一条有效的途径。要实现测量系统温度误差的补偿，只要能精确地建立

26、温度误差的数学模型，就可以对温度误差进行较为满意的补偿。步骤：通常在检测系统传感器较近的地方安装一个测温传感器，如半导体热敏电阻、AD590等，测量检测系统的温度，测温传感器的输出经放大及A/D转换送到微处理器，按照温度误差模型进行补偿。6 增量式脉冲编码器是如何检测数控机床进给轴的进给速度和进给行程的？答：7 CCD图像传感器的工作原理是什么？答：基本工作原理是信号电荷的产生、存储和传输。（P154）8 光纤传感器的工作原理是什么？答：光纤传感器主要由光源、光纤、光检测器和附加装置等组成。光纤很细、柔软、可弯曲，是一种透明的能导光的纤维。光导纤维能进行光信息的传输，是利用了光学中的全反射原理

27、，即入射角大于全反射的临界角的光都能在纤芯和包层的界面上发生全反射，反射光仍以同样的角度向对面的界面入射，这样，光将在光纤的界面之间反复地发生全反射而进行传输。第6章：1 简述机电一体化系统中的执行元件的分类及特点(优缺点)。答：伺服执行元件分为液压式、气压式和电气式等主要类型。优缺点见P163.2 机电一体化系统对执行元件的基本要求是什么?答：（1）体积小、重量轻、输出功率大（2）快速性能好（3）宜于计算机控制（4） 可靠性高、便于维修与安装（5）有足够有精确度，即实际的输出与指令值之差要小（6）动作平稳、准确度和分辨率高。3 机电一体伺服系统有哪几种，各有何特点？答：1.开环伺服系统：开环

28、伺服系统的精度低，其定位精度一般可达±0.02mm±0.01mm，且速度也有一定的限制。但是，开环系统结构简单，调试、维修、使用都很方便，由于被控量不以任何形式反馈到输入端，所以其工作稳定、可靠2.闭环伺服系统：闭环伺服系统因为采用了位置检测装置，所以在结构上较开环伺服系统复杂，成本也较高。另外，由于机械传动机构部分或全部包含在系统之内，机械传动机构的固有频率、刚性、阻尼、间隙、摩擦等将成为系统不稳定的因素，从而闭环系统的设计和调试变得异常复杂。3.半闭环伺服系统：闭环系统的精度比闭环系统的精度要低一些。但由于测量角位移比测量线位移容易，并可在传动链的任何转动部位进行角位移

29、的测量和反馈，因此半闭环系统结构比较简单，调整、维护也比较方便。由于将惯性质量很大的工作台排除在闭环之外，这种系统调试比较容易，稳定性好，具有较高的性价比4 简述交流伺服电动机的驱动方式，SPWM交流驱动调速的工作原理。答：第一问未知；原理是采用等腰三角形波形作为载波与正弦调制波相比较，得到一组幅值相等而脉冲宽度随时间按正弦规律变化的矩形脉冲5 简述交流伺服电动机的矢量控制工作原理。答：将三相交流矢量转换成与之等效的直流标量，建立起交流电动机与直流电动机等效的数学模型，然后按直流电动机的控制方法对其进行控制。6 数控机床的伺服进给驱动与主轴驱动有什么区别？答：数控机床的主伺服驱动系统一般都采用无级调速，以适应各种加工方式的需要，保证加工时能选用合理的切削用量，从而获得高的生产率、加工精度和表面质量。数控机床的进给伺服系统，它能根据指令信号自动精确地控制执行部件运动的位移、方向和速度，以及数个执行部件按一定的规律运动以合成一定的运动轨迹。7 试述进给伺服系统在伺服元件、电路、控制和性能方面的发展趋势。答：8 列举新型执行装置在机电一化系统中的应用。、答：新型执行装置：磁致伸缩执行装置；压电执行装置；热变形执