机电一体化系统设计考试复习资料

机电一体化系统设计复习课(仅供参考)

题型一：问答/填空

1.机电一体化的定义，基本组成要素（五个子系统）

答：定义：在机械的主功能、动力功能、信息功能、控制功能基础上引入微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机地结合所构成系统的总称。

五大功能构成要素：机械系统、电子信息处理系统、动力系统、传感系统、执行控制系统（元件）

2.机电一体化系统可靠性的定义

答：指系统（产品）在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。“完成规定功能”就是能够连续地保持产品（或系统）的工作能力，使各项技术指标符合规定值。

3.机电一体化系统设计中控制用微机的特点

答：1）较完善的适时中断系统：实时控制能力、紧急处理能力。

2）足够的存储容量：有效地保证微机系统软件、应用软件、数据处理工作的正常运行。

3）完善的输入/输出通道：逻辑、数字、模拟通道，以及输入/输出通道接口数。

4）实时时钟控制：作为控制系统实现控制功能的基准。 除此之外，还有一些特殊要求——字长、运行速度、指令、成本、编程难易、输入/输出接口扩展能力等。

4.光电隔离电路的工作原理及其主要作用

答：

工作原理：控制输出时，如图所示可知，微机输出的控制信号经74LS04 非门反相后，加到光电耦合器G 的发光二极管正端。当控制信号为高电平时，经反相后，加到发光二极管正端的电平为低电平，因此，发光二极管不导通，没有光发出。这时光敏晶体管截止，输出信号几乎等于加在光敏晶体管集电极上的电源电压。当控制信号为低电平时，发光二极管导通并发光，光敏晶体管接收发光二级管发出的光而导通，于是输出的电平几乎等于零。

作用：1）可将输入/输出两部分的供电电源和电路的地线分离，各自使用一套电源供电。光电耦合输入、输出端之间绝缘电阻很大（1011~1013Ω），寄生的电容很小（0.5~2pF），因而干扰信号很难从输入端反馈到输出端。

2）可进行电平转换，实现要求的电平输出，从而具有初级功率放大作用。

3）提高对负载的驱动能力。可直接驱动光控晶闸管工作。 如果光电隔离电路与滤波电路、屏蔽电路有效的结合起来，将会进一步提高微机控制系统的抗干扰能力。

5.机电一体化系统主要的干扰源有哪些？有哪些抗干扰的措施？

答： 1）系统干扰源的类型

传导型——---由线路传入信号影响控制系统工作。如：供电干扰、强电干扰、接地干扰等。

辐射型——---由空间感应输入信号影响控制系统工作。如：电磁干扰、电场干扰、静电干扰等。

2）提高系统抗干扰能力的措施

针对不同类型的干扰信号，采取的抗干扰措施也有所不同。 · 供电系统的抗干扰措施：稳压、滤波、隔离。 · 接口电路的抗干扰措施：吸收抑制、阻断隔离。

· 转换接口抵消隔离措施：差动式运算放大器或桥式电路、高频滤波整形电路。

· 接地系统干扰措施：单点接地、并联接地、光电隔离接地。 6.试比较开环、半闭环、和闭环伺服系统的优缺点

答：（1）开环控制就是系统按设定的参数来运转，不作监测，不反馈。开环系统最简单，成本低，但执行精度最差，基本无系统波动。

（2）半闭环控制就是在系统的执行端之前（非最终端）设置监测，反馈回的信号可以对执行端之前的机构进行实时调整。半闭环系统成本介于两者之间。

（3）闭环控制是在系统的最终执行端设置监测，反馈回的信号直接用于系统整体调整。闭环系统最复杂，控制成本最高，但执行精度相当高，系统波动也最大。

7.机电一体化系统的设计方法通常有哪几种？大致有哪几种设计类型？

答：常用的设计方法：机电互补法、机电结合（融合）法、机电组合法 常见的设计类型：开发性设计、适应性设计、变异性设计 8.机电一体化系统对检测传感器的基本要求是什么?

答：①体积小、重量轻、适应性好。②精度和灵敏性高、响应快、稳定性好、信噪比高。③安全可靠、寿命长。④便于与计算机对接。⑤不易受被检测对象和外部环境的影响。⑥环境适应能力强。⑦现场安装处理简单、操作方便，价格便宜。

9.提高软件设计可靠性的措施是什么？

答： 1）利用软件提高控制系统的可靠性 ①增加系统的管理软件与硬件的匹配，保护处理信息②利用冗余技术，防止信息输入输出和传送中出错③编制软件对系统的故障诊断程序和故障修复程序

④编制可对系统(硬件和软件)进行调试和保护的程序。

2）提高软件自身的可靠性

① 采用软件分和层次结构编程。②提高软件自身可测试程序的设计。 ③对软件进行测试调试——提高可靠性的关键技术。 3）软件测试调试技术的制定

制定合理的软件测试调试技术方法是提高可靠性的关键技术之一。 具体方法如下：①确定软件测试调试前的初试条件——输入条件、输出结果评价规范②单元或模块测试③局部或系统测试。④系统功能或性能调试与测试。⑤现场安装、综合验收与评价。

10.举例说明单片机、工控机、PLC在 PLC系统中的应用

单片机：微机控制的车床、钻床中的控制器；

工程机：作为机电一体化系统中控制中心，有指挥协调作用； PLC：开关量的控制，运动控制，过程控制，数据处理通讯联网。 11.机电一体化系统失效与故障有什么异同？

答：如果产品不能完成规定功能，就称为失效。对于可修复的系统（产品），也可称故障。可见失效（或故障）是一种破坏系统（产品）工作能力的事件，失效（或故障）越频繁，可靠性就越低。

12.保证机电一体化系统可靠性的方法有哪些？

答：1）提高产品的设计和制造质量——裕度法、自动控制。2）采用冗余技术——工作冗余、后备冗余。

3）故障诊断技术——测试、症兆、诊断。

注意：裕度法是从改进硬件性能，提高系统可靠性的有效方法；自动控制、冗余技术、故障诊断技术是用硬件和软件来提高系统可靠性的有效措施。 13.机电一体化系统设计时的稳态设计与动态设计共包含哪些内容？

答：稳态设计：① 使系统的输出运动参数达到所要求技术状态② 执行元件的参数选择③功率（力/力矩）匹配以及过载能力的验算。④ 各主要元件的选择与控制电路的设计⑤信号的有效传递⑥各级增益的分配⑦各级之间阻抗的匹配和抗干扰措施等，并为后面动态设计中的校正补偿装置的引入留有余地。

动态设计：主要是设计校正补偿装置，是系统满足动态技术指标要求，通常要进行计算机仿真，或借助计算机进行辅助设计。

14.为保证机电一体化系统的安全性，举例说明在设计中应采取哪些措施？

答：P285 工业机器人：1、设置安全* 2、安装警示灯 3、安装监视器 4、安装防越程装置 5、安装紧急停止装置 6、低速示数

15.机电一体化系统中的执行元件有哪些？对它们的基本要求是什么？

答：执行元件：电动式执行元件，液动式执行元件，气动式执行元件

基本要求：（1）惯量小，动力大。 （2）体积小，重量轻。

（3）安装方便、便于维修维护。 （4）易于实现自动化控制。

16机电一体化系统设计中，各级齿轮传动比的分配原则是什么？

答：1）重量最轻原则

? 小功率传动装置各级传动比（等传动比分配，等模数原则）

? 大功率传动装置各级传动比确定，应遵循“先大后小”原则，再由经验、类比方法和结构设计紧凑等方法确定。（不等传动比分配，不等模数原则）

2）输出转角误差最小原则

为了提高机电一体化系统中齿轮传动系统传递运动的精度，各级传动比应按“先小后大”原则分配，以便降低齿轮的加工误差、安装误差以及回转误差对输出转角精度的影响。设齿轮传动系统中各级齿轮的转角

误差换算到末级输出轴上的总转角误为，则：

式中： —第个齿轮所具有的转角误差；

—第个齿轮的转轴至第级输出轴的传动比。

3）等效转动惯量最小原则

各传动轴转动惯量等效到电机轴上的等效转动惯量最小。(机械传动部分响应特性最佳原则)。

17.输出轴转角误差最小原则的含义是什么？

答：为了提高机电一体化系统中齿轮传动系统传递运动的精度，各级传动比应按“先小后大”原则分配，以便降低齿轮的加工误差、安装误差以及回转误差对输出转角精度的影响。

18.轴系设计的基本要求有哪些？

答：作业2.25

19.什么是机电互补法、结合法、组合法？

答：作业1.16

20.开发性设计、变异性设计、适应性设计有何异同？

答：①开发性设计是没有参照产品的设计，仅仅是根据抽象的设计原理要求，设计出在质量和性能方面满足目的要求的产品。②变异性设计是在设计方案和功