机电一体化系统设计基础试题

一、填空题1.控制及信息处理单元一般由控制计算机、控制软件和硬件电路接口组成。2.机电一体化产品按用途可以划分为民用机电一体化、半工机电一体化和产业机电一体化产品。3.机电一体化系统设计的质量管理主要表达在质量目标管理、实行可行性设计和进行设计质量评审三个方面。4.市场预测主要包括定期预测和定量预测方法。5.机电一体化系统中，机械传动要满足伺服控制在精度、稳定性和快速响应等方面的要求。6.在多级传动中，为了减小传动误差，传动比的分配应遵守先小后大原那么。7.当负载折算到电机轴上的惯量等于转子惯量时，系统能到达惯性负载和驱动力矩的最正确匹配。8.机械传动系统中，影响系统传动精度的误差可分为传动误差和回程误差两种。二、简答题1.机电一体化系统中，传感测试局部的作用是什么？传感测试局部的作用是对系统运行中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测，变为可识别的信号，使输到信息处理单元。经分析处理后产生控制信息。2.简述机电一体化产品设计的工程路线〔主要步骤〕拟定产品开发目标和技术标准，收集资料，市场分析，可行性分析和技术经济型分析，总体方案设计，总体方案的评审和评价，详细设计，方案的评审和评价，试制样机，样机实验测试，技术评价与审定，小批量生产，试销，正常生产，销售。3.为什么采用机电一体化技术可以提高系统的精度？机电一体化技术使机械传动局部减少，因而使机械磨损，配合间隙及受力变形等所引起的误差大大减少，同时由于采用电子技术实现自动检测、控制补偿和校正因各种干扰因素造成的误差，从而提高精度。4.影响机电一体化系统传动机构动力学特性的主要因素有哪些？系统的负载变化、传动系统的惯性、传动系统的固有频率、传动系统中的摩擦与润滑。5.转动惯量对传动系统有哪些影响？在传动系统中，转动惯量增大使机械负载增加，功率消耗大，使系统相应速度变慢，降低灵敏度，使系统固有频率下降，容易产生谐振。6.为减小机械系统的传动误差，可采用哪些结构措施？适当提高零部件本身的精度，合理设计传动链，减小零部件制造、装配误差对传动精度的影响，采用消隙机构以减小或消除回程误差。三、计算题1．图示丝杠螺母驱动系统，工作台的质量m=200Kg，丝杠螺距t=5mm,丝杠长度L=0.8m,中径为d=30mm,材料密度为，齿轮齿数分别为z1＝20，z2＝45，模数m＝2mm，齿宽b＝20mm。试求折算到电机轴上的总等效惯量J。解：(1)计算各传动件的转动惯量(2)工作台折算到丝杠上的转动惯量为(3)折算到电机轴的转动惯量2．试设计一数控机床工作台用滚珠丝杠副。平均载荷Fm＝3600N，丝杠工作长度l＝1.25m，平均转速nm＝120r/min，每天开机6h，每年250个工作日计，要求工作10年以上。丝杠材料为CrWMn钢，滚道硬度为58～62HRC，丝杠传动精度要求为±0.03mm。四、分析题一数控系统如下图，试说明图中的各个局部分别属于机电一体化系统的哪一根本结构要素。①控制及信息处理单元：键盘、计算机、显示②测试传感局部：光电编码器、信号处理③能源：电源④驱动局部：功放、电机⑤执行机构：联轴器、齿轮减速器、丝杠螺母机构、工作台一、填空题1.在机电一体化系统的驱动装置中，位于前向通道闭环之内的环节，其误差的低频分量对输出精度根本无影响，而误差的高频分量影响系统的输出精度。2.为提高闭环系统的稳定性，应增大执行装置的固有频率和系统的阻尼能力。3.对于执行装置，选择较大的传动比可使系统的相对阻尼系数增大，有利于系统的稳定性。4.对于线性控制系统，假设要求在到达高精度的同时减小定位时间，那么必须提高系统的固有频率。5.步进电机的驱动电源由变频信号源、脉冲分配器和功率放大器组成。6.由矩频特性曲线可知，步进电机的最大动态转矩小于最大静转矩，并随着脉冲频率的升高而降低。7.当前，广泛采用的直流伺服电机的驱动电路有线性直流伺服放大器和脉冲调制放大器两种。8.交流异步电动机的转速与电源频率、磁极对数和转差率有关。9.液压系统的伺服控制元件主要有电液比例阀和电液伺服阀。10.评定定位系统的主要性能指标是定位精度和定位时间。二、简答题1.如何提高伺服系统的响应速度？伺服系统的响应速度主要取决于伺服系统的频率特性和伺服系统的加速度。(1)提高系统的固有频率减小阻尼，增加传动系统的刚度，减小折算的转动惯量，减小摩擦力，均有利于提高系统的响应速度。(2)提高驱动原件的驱动力可以提高系统的加速度，由此也可以提高系统的响应速度。2.步进电机是如何实现速度控制的？步进电机的运动是由输入电脉冲信号控制的。每当电机绕组接收一个脉冲，转子就转过一个相应的角度，其角位移量与输入脉冲的个数严格成正比。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，即可得到所需要的转动速度和方向。3.试述直流电机伺服系统中脉宽调制放大器的根本工作原理。脉宽调制放大器是直流伺服电机常用的晶体管驱动电路。利用大功率的晶体管的开关作用，将直流电源电压转换成一定频率的方波电压，施加于直流电机的电枢，通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压，使电机的转速得到调节。4.交流伺服电机有哪些类型？交流伺服驱动的主要特点是什么？类型：永磁式交流同步电机和笼型异步电机。主要特点：①调速范围大，②适合大中功率伺服系统，③运行平稳，转速不受负载变化的影响，④输出转矩较大，而转矩脉动量小。三、分析题1.如下图的系统，试分析传感器的误差对输出精度的影响。图1电机驱动直线伺服系统传感器位于反应通道，误差的低频分量影响系统的输出精度和系统的稳定性，因此，传感器应有较高的精度，而误差的高频分量不影响输出精度，可以允许传感器及放大器有一定的高频噪声。2.如下图的伺服系统，试分析齿轮减速器的传动误差对工作台输出精度的影响。图2开环步进电机位置控制系统四、计算题1.如图1所示的电机驱动直线伺服系统，工作台的质量为50kg，工作台与导轨间的摩擦系数f＝0.1，负载力为1000N，丝杠直径为16mm，导程为4mm，齿轮减速比为5，工作台的最大线速度为0.05m/s，试求：〔1〕折算到电机轴上的负载力矩；〔2〕电机轴的转速；〔3〕电机所需功率。解：折算到电机轴上的负载力矩摩擦负载力外负载力电机上的负载力矩为〔2〕电机轴的转速〔3〕电机所需功率取系数2，那么2.如图2所示的开环步进电机位置控制系统，负载力F=2000N，工作台长L=400mm，往复精度为mm，丝杠导程6mm，直径d＝32mm，步进电机的步距角为α＝，试确定齿轮减速比i。解：步进电机的每转脉冲数脉冲/转脉冲设传动比为，每个脉冲对应工作台的位移为那么一、填空题1.计算机的系统总线〔信号线〕有数据总线、地址总线和控制总线等三类。2.第一条标准微机总线是S-100总线，而multi总线可支持多CPU并行工作。3.开关量输入/输出模板的典型接口由总线接口逻辑、I/O功能逻辑和I/O电气接口所组成。4.典型开关量I/O模板的I/O电气接口的主要功能有滤波、变频变换、光电隔离和功率驱动。5.一般的多路A/D转换模板由多路开关、采样保持器、转换器和总线接口逻辑所组成。6.选择A/D模板的主要依据是采样精度、采样速度和本钱。7.与A/D转换模板不同，在多路D/A转换模板中，需要多个D/A转换器，各通道D/A的有效数据由通道选择器产生的信号来决定。8.在工业过程控制系统中，计算机的指令进行D/A转换后，须经过信号调理环节才能驱动执行机构。二、简答题1.试述可编程序控制器的功能及组成。可编程序控制器取代继电器控制，完成顺序控制和程序控制，可组成闭环系统，实现精确的位置和速度控制，可构成高速数据采集与分析系统，实现生产过程的完全自动化。典型的可编程序控制器是由电源、微处理器、存储器、输入输出接口和编程器组成。2.开放式体系结构的主要特点是什么？开放式体系结构是近年来在电子工业和计算机工业中流行的一种设计思想，它使得当代计算机测控系统的设计方法与传统方法有了很大区别。开放式体系结构的主要特点是：想未来的VLSI开放，向不同的用户层次开放，向用户的特殊要求开放，利用模块化结构。3.采用STD总线的工业控制机有哪几种工作模式？由于STD总线高度模块化和采用组合方法的特点，STD工业控制机可以灵活的组成各种系统，其工作模式有三种①独立工作模式，即采用微机的根本系统与工业用I/O模板单独构成控制系统；②作为前端控制机，STD工业控制机可作为其他微机〔工业PCG〕的前端控制机，完成实时在线控制，并把采集的数据和执行结果传送给上位机；③构成分布式组合，利用STD控制机的组合方法可方便地进行各种分布式系统的组合。4.简述STD总线微机控制系统的主要特点。①采用小板结构，高度的模块化，其功能模板结构灵活，可靠性高，硬件冗余小，本钱低；②模具设计具有严格的标准和广泛的兼容性；③面向I/O的设计，具有强大的I/O扩展能力，使控制系统非常适合工业控制的应用。5.STD总线系统的I/O子系统有哪些主要功能？在计算机工业过程控制系统中，I/O子系统是过程接口，其主要功能有①开关量的输入输出，用于I/O信号的测量与控制;②模拟量的输入输出，用于外部模拟量的采样及输出模拟量的控制;③脉冲量的输入输出，用于输入脉冲信号的接收，输出脉冲信号的控制，定时信号的产生及处理，伺服电机使用的运动控制接口。6.A/D、D/A接口的功能是什么？在工业系统中需要测量和控制的参数经常是连续变化的模拟信号，这些物理量经传感器变成连续变化的电压电流等信号，A/D接口的功能是将这些模拟量再变成数字量，以便计算机识别，D/A接口的功能那么是将经计算机处理的数字量转换成模拟电压或信号，输送到执行机构，到达控制过程的目的。三、分析题1．画图说明工业控制机与普通信息处理计算机的主要区别是什么？工业控制机与普通信息处理机的差异：在于