机电一体化技术课后答案

1-1、机电一体化是在机械主功能、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系统的总称。 1-2、机电一体化系统的主要组成、作用及其特点是什么？

a、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。B、动力系统：为机电一体化产品提供能量和动力功能，驱动执行机构工作以完成预定的主功能。C、传感与监测系统：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，同时利用监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。D、信息处理及控制系统：接收传感器与检测系统反馈的信息，并对其进行相应的处理、运算和决策，以对产品的运行施以按照要求的控制，实现控制的功能。e、执行装置：在控制信息的作用下完成要求的动作，实现产品的主功能。 1-4、机电一体化产品与传统的机械电气化产品相比，具有较高的功能水平和和附加值，它为开发者、生产者和用户带来越来越多的社会经济效益。 1-7、机电一体化的主要支撑技术：传感检测技术、信息处理技术、自动控制技术、伺服驱动技术、接口技术、精密机械技术、系统总成技术。 1-8、机电一体化的发展趋势：智能化、模块化、网络化、微型化、绿色化、人格化、自适应化。

2-1、机电一体化系统对传动机构的基本要求：传动间隙小、精度高、低摩擦、体积小、重量轻、运动平稳、响应速度快、传动转矩大、高谐振频率以及与伺服电动机等其他环节的动态性能相匹配等要求。

2-2、丝杆螺母机构的传动形式及其特点：a、螺母固定、丝杆转动并移动；b、丝杆转动、螺母移动；c、螺母转动、丝杆移动；d、丝杆固定、螺母转动并移动；e、差动传动。

2-3、滚珠丝杆副的组成及特点：由丝杆、螺母、滚珠和反相器四部分组成；具有轴向刚度高、运动平稳、传动精度高、不易磨损、使用寿命长等优点。

2-5、齿轮传动各级传动比分配原则：①等效转动惯量最小原则 ②重量最轻原则 ③输出轴转角误差最小原则（最末两级的传动比应取大一些，并尽量提高最末一级齿轮副的加工精度）；

2-8、齿轮传动侧隙的调整有偏心套调整、双片薄齿轮错齿调整和轴向垫片调整等多种方法。

2-9、机械执行机构的基本要求：①惯量小、动力大；②体积小、重量轻；③便于维修、安装；④易于计算机控制。

2-10、简述各种传感器的特性及选用原则？ A、开关型传感器，只输出“1”和“0”或开和关两个值，用于有临界值设定的场合：B模拟型传感器，输出是与输入物理量变化相对应的连续变化的电量，有线性的和非线性的输出信号，非线性信号需进行线性化处理，线性信号需进行A/D转换后再送计算机处理。C、数字型传感器（有计数型和代码型），计数型传感器可用来检测通过输送带上的产品个数；代码型传感器通常用来检测执行元件的位置或速度。 2-11、伺服电机的种类、特点及应用：①DC伺服电动机，高响应特性；高功率密度；可实现高精度数字控制；接触换向部件需要维护。（数控机械、机器人、计算机外围设备、办公、机械、音响和音像设备、计测机械等）②晶体管式无刷直流伺服电动机，无接触换向部件；需要磁极位置检测器；具有DC伺服电机的全部优点。（计算机外围设备、音响和音像设备）③AC伺服电机，对应于电流的的激励分量和转矩分量分别控制；具有DC伺服电动机的全部优点（数控机械、机器人等）④步进电动机，A、转角与控制脉冲数成正比，可构成直接数字控制；b、有定位转矩；c、可构成廉价的开环控制系统。（计算机外围设备、办公机械、数控装置） 2-12、机电一体化系统中执行元件的分类及特点：

（1）电气式，具有操纵方便、适宜编程、响应快、伺服性能好、易与微机相接等优点；（2）液压式，优点是输出功率大、转矩大，工作平稳，可以直接驱动运动机构，承载能力强，适合于重载的高加减速驱动；（3）气压式，可得到较大的驱动力、行程和速度，但由于空气粘性差，具有可压缩性，故不能用在定位精度高的场合；（4）其他执行元件。

2-13、简述直流伺服电动机的PWM调速换向的工作原理？

PWM调速是通过改变输出脉冲信号的占空比来改变电枢电压的平均值，从而达到控制电动机转速的目的；同时通过改变加到H型桥式电路中VT1和VT3、VT2和VT4这两组晶体管基极上的控制脉冲的正负和导通率μ来改变电动机的转向和转速。

3-1 简述计算机控制系统的组成和特点。

答：计算机控制系统是由硬件和软件两大部分组成，其中硬件由计算机主机、接口电路、输入/输出通道及外部设备等组成；软件分为实时软件和开发软件。特点：1、具有完善的输入/输出通道。2、具有实时控制功能。3、可靠性高。4、具有丰富、完善、能正确反映被控对象运动规律并对其进行有效控制的软件系统。 3-2 简述计算机控制系统的常用类型及其特点。

答：常用类型：1、操作指导控制系统（结构简单、控制灵活安全）；2、直接数字控制系统（具有一个或多个物理量巡回检测通道，能实现多种复杂的控制规律的控制）；3、监督计算机控制系统（可进行复杂控制规律的控制，工作可靠性高，当出现故障时，其下级系统仍可继续运行）；4、分级计算机控制系统（功能分散，可用多台计算机分别进行控制和管理）。 3-3 试述计算机控制系统的基本要求和一般设计方法。

答：基本要求：实时性、高可靠性、硬件配置的可装配可扩充性、可维护性；

设计方法：作为计算机的控制系统的设计者，应根据机电一体化系统（或产品）中的信息处理量、应用环境、市场状况及操作者的特点，优选出经济的合理的工业控制的计算机。

3-4 简述常用的工业控制计算机类型及其特点。

答：1、普通PC机 其特点：运行速度快、带负载能力差、抗干扰能力差。

b、单片机 其特点：高集成度、高运行速度、低功耗、小体积、使用方便灵活等。

c、可编程序控制器（PLC）其特点：可靠性高、环境适应性强、灵活通用，使用方便和维护简单。

d、工业PC机。其特点：运行速度很快、带负载能力强，抗干扰能力强。

3-5 PLC的硬件系统主要由哪几部分组成？各部分的作用是什么？（CPU、存储器、I/O单元、电源、编辑器） 3-6 PLC控制系统设计步骤一般分为哪几步？

答：（1）分析被控对象并提出控制要求；（2）确定输入／输出设备; （3）选择PLC; （4）分配I/O点并设计PLC外围硬件线路; （5）程序设计; （6）硬件实施; （7）联机调试; (8）整理和编写技术文件.

3-9 数字PID控制器的参数整定方法有哪些？ 答：凑试法和实验经验法。 3-10 嵌入式系统的组成。

答：处理器、存储器、电源模块、外围电路及外设、I/O端口、图形控制器、操作系统、应用软件。 3-11 简述嵌入式系统的硬件协同设计方法。

答：1、需求分析和描述。2、设计建模。3、软硬件划分。4、软硬件协同设计。5、软硬件实现和综合。6、软硬件协同测试和验证。

3-12 简述计算机控制系统的设计思路。

答：设计思路：1、确定系统的总体控制方案。2、建立数学模型并确定控制算法。3、选择微型计算机。4、控制系统总体设计。5、软件设计。6、系统调试。 5-1 接口的定义及作用是什么？

答：构成机电一体化的各要素或各子系统相接处必须具备一定的联系条件，这些联系条件称为接口。接口的作用：进行物质、能量和信息的传递与交换。 5-2 按接口所联系的子系统不同，以信息处理系统（微电子系统）为出发点，可将接口分为哪几类？各自特点是什么？

答：可以分为人机接口和机电接口两大类。人机接口的特点是：专业性、低速性、高性能价格比。机电接口的特点是：机械系统与微电子系统之间的联系必须通过机电接口进行调整、匹配、缓冲，同时微电子系统的应用使机械系统具有智能，达到较高的自动化程度。 5-3 输入接口可以有哪些方法？各自适用什么场合？

答：1）简单开关输入接口。适用于一些二值化的控制命令和参数。2）键盘输入接口。主要适用于需要操作者输入的指令或参数比较多的场合。

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5-4 ADC0809的结构及工作原理是什么？

答：ADC0809结构包括：8路模拟量开关、8位A/D转换器、三态输出锁存器、地址锁存与译码。工作原理是：IN0－IN7：8 条模拟量输入通道ADC0809 对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。地址输入和控制线：4条ALE 为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A， B，C 三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B 和C 为地址输入线，用于选通IN0－IN7 上的一路模拟量输51。 5-5 控制量输出接口的作用是什么？有哪种具体形式？各自适用什么情况？

答作用：对控制信号进行匹配、转换和功率放大，驱动执行元件去调节系统的运行状态，使其按设计要求运行。 形式和使用：（1）模拟量输出接口，用在被控对象要求模拟量作为控制信号的场合；（2）功率驱动接口，用在执行元件是功率较大的机电设备。 5-6 什么是电磁兼容性？

答：电磁兼用性是指设备在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态，即该设备不会由于受到处于同一电磁环境中其他设备的电磁发射导致或遭受不允许的降级；它也不会使同一电磁环境中其他设备因受到其他电磁发射导致或遭受不允许的降级。 5-7 何谓电磁干扰？电磁干扰必须具备的条件是什么？

答：电磁干扰是指系统在工作过程中出现的一些与有用信号无关的、并且对系统性能或信号传输有害的电气变化现象。电磁干扰必备的条件是1、存在干扰源2、有相应的传输介质3、有敏感的接受元件。

5-8 电磁兼容性设计的目的是什么？如何进行？

答：目的是对电磁干扰加以控制(使产品能够在电磁环境中长期稳定运行，既不被周围设备产生的电磁能量所干扰，也不妨碍周围设备的正常运行)。这样进行：（1）了解和掌握有关产品的国际和国家标准。（2）按标准规定对设备总体布局和系统控制信号、状态和数据的传输线、接地、印制电路板等进行综合设计（3）在了解本产品干扰源、被干扰对象、干扰耦合途径的基础上，通过理论分析将这些指标逐渐的分配到各分系统、子系统、电路和元器件上（4）根据实际情况采取相应措施抑制干扰源、隔断干扰途径，提高电路的抗干扰能力（5）利用各种模拟测试器，对产品进行严格测试。 5-9 电磁干扰有哪三种形式？并举例说明？ 答：（1）电容性耦合。（2）电感性耦合（3）电磁场耦合 5-10 在电磁辐射耦合中，如何判断干扰场源的性质？

答：常把干扰源通过电场的耦合看成是电容性耦合，通过磁场的耦合看成电感性耦合，电场与磁场同时存在则为电磁场耦合。

5-11 为了抑制电容性、电感性和电磁场三种耦合形式，应采取何种有效措施？ 答：抑制电容性可采取合理布置电路及电场屏蔽等措施；抑制电磁场耦合可采用屏蔽干扰源；抑制电感性耦合可采用切断干扰传播路径。

5-12常见抑制电磁干扰措施有哪些？ 答：常用的措施有：滤波、降低或消除公共阻抗、屏蔽、隔离等。

5-13如何进行电场屏蔽、磁场屏蔽？ 答：电场屏蔽利用金属屏蔽体可对电场起到屏蔽作用，但屏蔽体的屏蔽必须完善并良好地接地。最好使用低电阻金属做成屏蔽罩，并使之与机壳（地）可靠相连。低频磁场屏蔽：对于恒定磁场和低频段（100kHz以下）干扰场，采用高磁导率的铁磁材料制成管状或杯状罩进行磁场屏蔽。高磁频率屏蔽：采用低电导率的金属良导体材料来屏蔽，如铜、铝。 5-14接地系统分为几大类？举例说明。

答：接地系统分（1）保护接地。常用的电源插座或配电板都有保护地线（2）工作地线。如常见的三眼插座 （3）地环路。如隔离变压器（4）屏蔽接地。常见有屏蔽线、屏蔽电缆、电源滤波器、变压器等

5-15如何实施软件抗干扰？ 答：实施软件干扰主要有：1）、数据采样的抗干扰设计。（1）抑制工频干扰（2）数字滤波。2）程序运行失常的软件抗干扰设计。（1）软件陷阱（2）WTD技术。

6-1.简述机电一体化系统设计流程？ 五个阶段：产品规划、概念设计、详细设计、设计实施和设计定型阶段。 6-2.开发性设计、适应性设计、变型设计有何异同？

①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。②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。③变型设计：在已有产品的基础上，针对原有缺点或新的工作要求，从工作原理、功能结构、执行机构类型和尺寸等方面进行一些变异，设计出新产品以适应市场需求，增强市场竞争力。这种设计也包括在基本型产品的基础上，工作原理保持不变，开发出不同参数、不同尺寸和不同功能和性能的变型系列产品。 6-3.何谓概念设计？简述其具体设计步骤。

①概念设计：在确定任务之后，通过抽象化，拟定功能结构，寻求适当的作用原理及组合等，确定出基本求解途径，得出求解方案，这一部分设计工作叫做概念设计。②步骤：首先将设计任务抽象化，确定出系统的总功能，捉住本质，扩展思路，寻找解决问题的多种方法；其次将总功能分解为子功能，直到分解到不能再分解的功能元，形成功能树；然后寻找子功能（功能元）的解，并将原理解进行组合，形成多种原理解设计方案，对众多方案还要进行评价决策，最终选定最佳方案形成概念产品。

6-4.如何进行设计任务抽象化？其作用是什么？答：①将待求系统看做黑箱，分析和比较系统的输入/输出的物料流、能量流、信息流的差别和关系，从而反映出系统的总功能，然后探求系统的机理和结构，逐步使黑箱透亮，直到方案的拟定。②作用：确定产品总功能，捉住本质，突出重点；通过问题抽象化获得功能的功能定义能扩大解的范围，放开视野，寻求更为理想的设计方案

6-5.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，总功能的分解既可以显示各功能元、子功能与总功能的关系，又可以通过各功能元之间的有机组合求系统方案。

分解方法：（1）减少机械传动部件，使机械结构简单化，体积减小，提高系统动态响应性能和运动精度（2）注意选用标准、通用的功能模块，避免功能模块在低水平上的重复设计，提高系统在模块级上的可靠性，加快设计开发速度（3）充分运用硬件功能软件化原则，使硬件的组成最简化，使系统智能化（4）以计算机系统为核心的设计策略

6-6.为什么要进行系统的评价和决策？分别简述其步骤。

答：评价的目的是为了决策，决策需要评价；决策是为了从众多的可供选择的方案中选出作为实现特定目标的最佳方案。 系统评价的步骤：（1）明确系统评价的目的(2）分析系统、熟悉系统(3）建立评价指标体系（4）确定评价尺度（5）确定评价方法(6）计算评价价值(7）综合评价 系统决策步骤：（1）发现问题（2）确定目标（3）制定方案（4）评价与决策（5）反馈

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