自考机电一体化系统设计简答题

CHAPTER11、 机电一体化的所渭“4A革命”是指什么？工厂自动化、办公自动化、家庭自动化、社会服务自动化。2、 什么是系统数学模型？为什么要进行系统建模和仿真？数学模型是机电一体化系统在信号传递过程中的动态特性的数学表达式的描述。建模并在此基础上对系统分析、综合，是机电一体化系统重要的分析和设计方法；系统数学模型既是分析系统的基础，又是综合设计系统的依据。3、 典型的机电一体化系统：1机械手关节伺服系统2数控机床3工业机器人4自动导引车5顺序控制系统6数控自空化制造系统（a.柔性制造系统b.计算机集成制造系统）7微机电系统。（柔性制造系统：计算机数控机床、工业机器人、自动引导车连接起来，以适应加工成组产品。）4、 .机电一体化系统结构包含的模块：1机械受控模块，又称执行模块，起承载，传递力和运动作用。2测量模块，用来采集和系统有关状态和行为的信息。它有传感器、调理电路、变换电路等组成。3驱动模块，是指电动机及其驱动电路组成的技术模块，作用是提供驱动力改变系统的运行状态。4通信模块，功能是传递信息，实现系统内部，外部通信。5微计算机模块，处理由测量模块和接口模块提供的信息。6软件模块，控制计算机模块的工作。7接口模块，系统内部各级之间的信息交换。5、 机电一体化产品设计的主要阶段：1市场调研、需求分析和技术预测；2概念设计；3可行性分析；4编制设计任务书；5初步设计；6方案设计评估与优化；7详细设计；8完成全部设计文件。6、 机电一体化产品设计中需要贯彻哪些设计思想？整体系统的设计思想；机电融合的设计思想；注重创新的设计思想。7、处理“机”与“电”关系采用哪些设计思想？替代机械系统；简化机械系统；增强机械系统；综合机械系统。8、 简述“替代机械系统”“简化机械系统”“增强机械系统”“综合机械系统”的设计思想是什么？a.“替代机械系统”机械的功能可以完全由微计算机和执行器取代，从机械产品变成电子产品。b.“简化机械系统”机械系统可采用机电一体化方法加以简化。依靠微处理机和执行器可以提供诸如轮廓、速度计定位控制任务的功能。c.“增强机械系统”将正常设计的机械与闭环控制回路相结合，可以实现增强机械系统的运动速度、精度以及柔性。有关部件可以做得更轻、惯量更小。d.“综合机械系统”采用嵌入式微处理系统，有能力综合不同的机械系统以及相关的功能。9、 线性系统、定常系统：输入和输出满足线性叠加原来的系统称为线性系统。数学模型中的所有系数都为常量的系统称为定常系统。CHAPTER21、 消除齿轮间副传动间隙有哪些主要措施？消除齿轮副传动间隙有刚性调整法和柔性调整法。刚性调整法包括调整中心矩法、选择转配法、带锥形齿轮法以及斜齿轮法。柔性调整法主要通过在双齿轮中间加入弹性元件，使双齿轮分别贴紧其啮和齿轮内的两侧，以消除啮合间隙。如拉簧消除间隙结构、压簧消除间隙结构。2、 试说明滚珠丝杠螺母副传动装置的优缺点？滚珠丝杆螺母副是一种高精度的传动装置。它采用滚动摩擦螺旋取代了滑动摩擦螺旋，具有磨损小、传动效率高、传动平稳、寿命长、精度高、升温低等优点。由于滚珠丝杆螺母副具有运动摩擦小，便于消除传动间隙等突出优点，他给机电一体化系统的性能改善带来了巨大的益处。缺点：不能自锁，用于升降传动是需另加缩紧装置。3、 滚珠丝杠螺母副的间隙消除和预紧方法有哪几种？双螺母齿差式；双螺母螺纹式；双螺母垫片式；单螺母变位导程自预紧式。4、 谐波齿轮减速器有哪几种机构类型：有刚轮固定，柔轮固定和波发生器固定的传动形式。从波发生器来看，可分为单啮合区谐波齿轮传动和双波传动。5、 滚珠式和滚柱式滚动导轨的各自的特点：前者为点接触，摩擦阻力小，但承载能力差，刚度低。滚柱式为接触式，摩擦阻力大，对导轨面的平行度误差较敏感，易产生侧向偏移和滑动二引起应力集中和磨损，但是承载能力较高，刚度大，导向性能好。滚动体的材料为滚动轴承钢。6、谐波齿轮的特点：1结构简单，体积小，重量轻，传动效率高；2传动比范围大；3同时啮合的齿数多，运动精度高，承载能力大；4运动平稳，无冲击，噪声小；5齿侧间隙可以调整；6可以实现向密闭空间传递运动及动力；7可实现高增速运动；8方便地实现差速传动。7、 简述机械传动系统对轴的要求：1回转精度含轴向精度要求；2静刚度，即单位变形量所需的静载荷大小。3动特性，即轴系抵抗冲击、振动、噪声的特性。4热特性，轴系的热特性主要参数热源强度、温升及工作部位的热位移。故还需考虑轴的支撑形式和轴的质量分布。8、 试说明液体动压支承与液体静压支承的工作原理：液体动压支承的工作原理是斜板承载机理；若两平面之间的油液成楔形，二者相对运动时，将产生压力，从而可以承载。液体静压支承德工作原理是在油压的作用下，轴套内孔壁上的油腔与运动表面之间形成油膜。当轴的重量忽略不计时，油膜四周厚度相同，油腔没有压力差存在。当轴在径向载荷作用下，轴心下移，上油膜厚度大于下油膜，油腔产生压力差，将轴托起，使之回到平衡位置。9、 简述并联机构：具有多个运动自由度，且驱动器分配在不同环路上的闭式多换机构。CHAPTER31、 简述传感器静态特性的主要技术指标：传感器交换的被测量的数值处在稳定状态时，传感器的输入/输出关系称为传感器的静态特性。描述传感器静态特性的主要技术指标是：精度、线性度、误差、重复性、可复现性等。2、 机电一体化系统对传感器的性能要求包括那些：1准确性、快速性；2精度适当，线性度好；3响应时间短，通频带宽；4稳定性好，具有一定的过载能力；5经济实用能力，成本低，寿命长。3、 实际中那些技术可以改善传感器的性能：1差动技术，可消除零位输出和偶次非线性项抵消共模误差，减小非线性。2平均技术，有误差平均技术和数据平均处理。利用N个传感器单元同时感受被测量，因而输出将是这些单元的总和。3稳定性处理，传感器作为长期实用原件器稳定性特别重要，故因该进行必要的稳定性处理。4屏蔽、隔离措施可以抑制电磁干扰。另外如隔热、密封、隔振等措施可削弱温度、湿度和机械振动的影响。5密闭技术，将反馈控制技术与传感器相结合，可以构成闭环测量系统。4、 传感器系统的动态特性的频域指标的内容：1谐振角频率；2谐振峰值；3复现频率；4闭环截止频率。5、 机电一体化系统动态性能的参数设计原则：1足够高的谐振频率；2高刚度和低转动惯量；3适当的阻尼比；4尽可能小的传动间隙；5良好的摩擦特性。6、 传感器阈值：传感器能产生输出变化的被测量的最小变化量7、霍尔效应： 当金属或半导体薄片置于磁场中，有电流流过时，在垂直电流和磁场的方向上将产生电动势的现象。CHAPTER4>51、 什么是步进电动机?怎样控制步进电动机输出轴的角位移、转速及转向？步进电动机是脉冲电动机，它采用变磁阻原理产生电磁转矩，它将数字的电脉冲输入转换为模拟的输出轴运动。每输入一个脉冲，输出轴转动一步。因此，输出的角位移正比输入脉冲的个数，转速正比于输入脉冲的频率，转向取决于各相绕组通电的顺序。2、 什么叫作步距角?它与哪些因素有关?若系统的步进电动机选定以后，还想进一步减小步距角，可采用何种方法？步进电动机没出入一个脉冲，转子转动一步，每步转过的角度称为步距角。用公式表示为式中z为转子齿数，m为绕组相数，c为通电方式系数：单拍制层c=1，双拍制层c=2,由公式可知，与z，m、c成反比。即z、m、c越大，。越小，电机运行越平稳。当电机选定以后，z、m即固定不变。要想减小。，可选用双拍制运行，或进一步采用减速传动或细分驱动。3、 永磁式步进电动机的结构及特点是什么？永磁式步进电动机的定子极上有两相或多相控制绕组，转子为一对或多对极的星形永久磁钢；永久式步进电动机，由于转子为永久磁钢，所以断电有定位转矩，消耗功率小；永磁式步进电动机的缺点是，步距角较大，启动和运行平率较低，需正、负脉冲供电。4、 简要比较反应式电动机与永磁式电动机的优缺点？反应式步进电动机，结构简单，步距角较小（0.36度-7.5度），启动和运动频率及较高，但消耗功率较大，断电时无定位转矩；永磁式步进电动机，断电时有定位转矩，消耗功率较小，但步距角较大（7.5度-18度），启动和运行频率较低，并需要正负脉冲供电。5、 选择放大器开关频率注意事项：1开关频率因该尽可能的高。因该在所选频率下，使电枢电感的电抗远大于电枢电阻，以使电流变化尽可能小。这对希望低速轻载时电流也能连续尤为重要。2必须比系统频带大10倍以上，以免影响系统性能。3远大于各个环节的共振频率。4在满足前三条件下，选择较低频率的开关，以降低开关原件的开关损耗。6、 动稳态区：步进电机但呼入单脉冲时，电机从一种通电状态切换到另一种状态而不引起失步的区域。7、 步进电机驱动电路的要求：1能提供快速上升和快速下降的电流，史电流波尽量接近矩形；2具有截至期间释放电流的回路，以降低相绕组两端的反电动势，加快电流衰减；3低功耗，高效率。除此外，在一些特殊要求的应用场合，为了提高步进电机分辨率，减小过冲和抑制振荡，还应有细分电路。8、 步进电机的速度控制：步进电机由输入的电脉冲信号控制，每当电机绕组收到一个脉冲，转子就转过相应的角度。其角度与输入的脉冲数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步。因而只要控制输入脉冲的数量、频率和电机绕组的相序，即可得到所需转动的速度和方向。9、 根据工作原理步进电机的分类，特点：根据工作原理分为反应式、永磁式和永磁感应式三类。10、 一般伺服电机与步进电机比较有那些特点：步进电机可以实现直接数字控制，在开环系统中可以达到高精度的调速和定位，位置误差不会积累。11、 永磁同步电机特点：调速范围宽、启动迅速、机械特性和调节特性线性度好、寿命长、维护方便、可靠性高、噪声小、不存在换向火花，不会产生对无线电信号干扰，可用于直流电动机不能应用的易燃易爆场合，但其控制结构复杂，成本较高，低速时均匀性较差。12、 Pwm放大器中保护功率管的措施：一般晶体管导通时，其导通电压会随电流的增大而升高，尤其是过流时，导通电压会急剧升高，利用这一特性，可在晶体管导通时检测其导通压降，当期高于某一设定值时，便关断晶体管，达到保护目的。晶体管饱和导通压降检测保护法中与非门的作用是晶体管家导通信号时，检测才其作用，以免晶体管关断时造成误判。13、 什么是直流伺服电动机?它有怎样的工作特点？是一种受输入电信号控制，并作出快速响应的电动机；堵转转矩与控制电压成正比，转速随转矩的增加而近似线性下降，调速范围宽，当控制电压为零时能立即停转。14、 步进电动机的单、双极性驱动电路，各自的特点是什么？适用范围是什么？单极性驱动电路是最基本的驱动电路形式。功率晶体管的导通与关断使各相绕组的电流导通和截止；单极性驱动电路适用于反应式步进电动机；双极性驱动电动机采用四个晶体管作为开关元件来控制相绕组电流，这步进可控制电流通断，还可以控制相电流方向；双极性驱动电流适用于混合式或永磁式步进电动机。15、 直流伺服电动机的调节特性的含义是什么？什么是直流伺服电动机的失灵区？电磁转矩恒定时，电动机转速随控制电压变化的关系曲线即为调节特性。调节特性与横轴的交点为电动机的始动电压，从原点到始动电压的横坐标范围，被称为在某一电磁转矩值时伺服电动机的失灵区。16、 简述步进电动机单极性驱动电路的组成及工作原理。步进电动机单极性驱动电路中，晶体管开关由脉冲分配器产生的脉冲控制，从而使各相绕组的电流导通和截止。还应有限流电阻和续流二极管。17、 直流伺服电动机的机械特性：直流伺服电动机的机械特性是指保持控制电压恒定时，电动机转矩与转速的关系曲线。18、 直流电动机线性驱动电路：线性功率放大器是指功率元件工作于线性状态，其输出电压或电流与控制信号成正比例关系。19、 何谓步进电动机的启动频率？提高启动频率有哪些措施？在负载转矩小于启动转矩的条件下，步进电动机不失步启动的最高脉冲频率称为启动频率。步进电动机的步距角越小、俗量角越大、最大静转距越大、转动惯量越小、相绕组时间常数越小，则启动频率越高。20、 简述步进电动机细分驱动电路的原来及作用。细分电路通过控制电动机各绕组中电流的大小和比例，是步距角减小到原来的几分之一至几十分之一。提高分辨率、平滑步进运动、减少震荡。21、 他励式直流电动机电枢接额定电压情况下空载运行，如果励磁线圈突然断线，电机是否会停转?为什么？不会，若励磁绕组断开，励磁电流为零，主磁通会迅速下降，因感应电动势很小，电枢电流迅速增大，超过额定值。转速会迅速上升至非常大，造成“飞车”。22、 对步进电动机驱动电路有什么要求？对步进电动机驱动电路有如下要求：能够提供快速上升或下降的电流，是电流波形尽量接近矩形；具有截止期间释放电流的回路；功耗尽量低，效率要高。23、 简述光电编码器式传感器工作原理和特点：分为绝对编码器和增量编码器两种类型。增量编码器是旋转码盘给出一系列脉冲，然后根据旋转方向对这些脉冲经行加减计数，来表示转过的角位移量。增量编码器具有结构简单，价格低，精度易于保证等优点。绝对编码器用于360度内角位移的测量，测角精度为数秒，随着分辨率的提高，要求码道数增加，刻画难度增大。24、 AD转换器的用途和原理：AD转换器是模拟信号源与计算机或其他数字系统之间联系的桥梁，它的任务是将连续变化的模拟信号转换为数字信号，以便计算机或数字系统处理、存储、控制和显示。应用最多的是积分型和足位逼近型。1前者对常态干扰有很强的抑制作用，尤其对正负对称的干扰信号。适用于模拟信号变化比较缓慢的场合，采样速率要求低，而对精度要求高，或现场干扰严重的场合。2后者转换速度快，转换时间固定不随输入信号的变化而变化；抗干扰能力相对积分型的差。CHAPTER6>7、81、 全闭环控制系统的定义及特点是什么？伺服系统中，当位置传感器安装于输出轴上时，传感器直接测量工作台移动，这种直接测量的系统称为全闭环系统。特点：对输出进行直接控制，可以获得十分良好的控制精度。但受机械传动部件的非线性影响严重，只要在要求高精度的场合，才采用全闭环系统。2、 半闭环控制系统的定义及特点是什么？将位置传感器安装在伺服电动机轴（或滚珠丝杆）上，间接测量工作台位移，环内不包含机械传动部件的闭环伺服系统。特点可以避免传动机构非线性引起系统产生极限环和爬行震荡，比全闭环系统容易实现，可节省投资。3、 伺服系统的性能指标及内容：指标包括静态和动态两个方面，静态指标含静态误差和静态刚度；动态指标含系统频带、阻尼比或时域指标，如过度时间、超调量；伺服系统的刚度指输出轴的单位位置误差所能承受的负载转矩。4、 PID控制器中P.I.D分别代表：P是开环增益，降低系统稳态误差，增加系统通频带宽，但是会使系统变得不稳定。I的作用是使系统增加一阶纯积分，从而提高系统一个无静差度，但使系统相位裕量减小，稳定性变差。D的作用是系统提供阻尼，增加稳定性，同时增加了高频增益，使系统的高频噪声放大，影响系统正常工作。5、 在实际系统中，数字PID控制器的两种实现方式是什么？（1）在双传感器系统中，pl有微处理器位置控制器实现，d的作用有测速机负反馈实现；（2）在单个位置传感器的系统中，pid由微处理机单独实现。6、 连续路径控制：为了控制工具沿任意曲线或直线运动，必须控制每个轴的位置和速度，使得它们同步协调达到目标点。这样的运动控制称为连续路径控制。7、 点位控制：在加速度允许的前提下，尽可能以最大加速度由坐标原点运动到目标坐标位置，对于两点间的轨迹没有要求。（路径：只代表与轨迹有关的位置信息，轨迹代表空间直角坐标系或机器人连杆坐标系中运动的位置一一时间曲线，是具有适当速度和加速度信息的路径。8、 采样周期的选择原则：1若考虑对系统速度的影响，采样周期应小于或等于系统的时间常数；2若考虑系统的抑制干扰能力，采样速率为闭环系统通频带宽的10倍以上；3实时算法所花费的时间总和最好小于采样周期的1/10.9、 插补器的形式：有硬件和软件两种。在软件插补器设计中，长采用简单的微分方程方法，轨迹微分方程的简单计算方法是数字微分分析也叫数字积分器法也叫DDA。10、 简述用数字微分分析法（DDA）控制步进电动机运动的原理。所谓DDA法：采用数字量表示速度、加速度及位置坐标；将加速度到速度，速度到位置的积分表达式，采用求和的方法进行近似数值积分；产生增量式的运动控制指令；驱动步进电动机实现要求的运动。11、 闭环私服系统由哪几部分组成？由控制器、受控对象、反馈测量装置以及比较器等组成。12、根据数控机床加工作任务不同，其运动控制分为哪几种类型？并说明其功能。分为点为控制和连续路径控制两类。前者功能是将工具或零件在容许速度和加速度条件下，尽快地从源坐标位置运动到目的坐标位置。运动过程中不进行加工。后者又称为轮廓控制或仿形控制，包括直线和曲线两张运动控制，它不仅控制目标点，而且控制工具到达目标点的整个路径。13、 在机电一体化系统设计中，“路径”和“轨迹”这两个概念之间有什么区别？路径只代表与轨迹有关的位置信息。轨迹是代表在空间直角坐标系或机器人连杆坐标系中运动的位置---时间曲线。是具有适当速度和加速度信息的路径。14、电流环的作用： 通过调节功率放大器的输出电压，使电动机的转矩跟踪希望的设定值。此外，电枢电流负反馈可以引起故障保护作用，即使电动机处于堵转状态，电枢电流也不会上升到足以毁坏电机。15、 机器人按照控制水平可以分为哪三种类型?哪一类肌器人运动控制水平最高？第一类为点控制机器人;第二类为连续路径控制机器人；第三类为控制路径机器人。控制路径机器人代表最高运动控制水平。16、 如何消除因截断误差造成的积累误差？处理截断误差的一种方法就是保留截断误差，等待它们积累到显著值时，修正整数部分，这样就可以消除积累误差。17、简述