机电一体化系统设计

第一章

1-1试说明较为人们所接受的机电一体化的含义。P1

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系统的总称。

1-2 机4电一体化的目的是什么？ P2

机电一体化的目的是提高系统（产品）的附加价值，即多功能、高效率、高可靠性、省材料省能源，并使产品结构向短、小、轻、薄化方向发展，从而不断满足人们生活的多样化和生产的省力化、自动化需求。

1-3 机电一体化时代的特征是什么？ P2

机电有机结合

1-4 何谓机电一体化技术革命？ P2

将微型计算机等微电子技术用于机械并给机械以“智能”的技术革新潮流可成“机电一体化技术革命”。

1-7 机电一体化系统由哪些基本要素组成？分别实现哪些功能？P9

机电一体化系统（产品）要素功能

控制器（计算机等）控制（信息储存、处理、传送）

检测传感器计测（信息收集与变换）

执行元件驱动（操作）

动力源提供动力（能量）

机构构造

1-8 工业三大要素指的什么？P12

物质、能量和信息

1-9 机电一体化的三大效果是什么？ P12

省能、省资源、智能化

1-11 机电一体化系统（产品）的主要评价内容是什么？P11

机电一体化系统（产品）高附加价值比

主功能

计测、控制功能动力功能

构造功能

高性能化低价格化高可靠性化智能化省能化轻薄短小化

1-12 机电一体化系统的接口功能有哪两种？P10

从系统外部看，机电一体化系统的输入/输出时与人、自然及其他系统之间的接口；从系统内部看，机电一体化系统是由许多接口将系统的构成要素输入/输出联系为一体的系统。

1-13 根据不同的接口功能说明接口的种类。P10

根据接口的交换、调整功能分为：①零接口②无源接口③有源接口④智能接口

根据接口的输入/输出功能分为：①机械接口②物理接口③信息接口④环境接口

1-14 机电一体化工程与系统工程有何异同？P16

系统工程机电一体化工程产生年代20世纪50年代(美国) 20世纪70年代（日本）对象大系统小系统——机器基本思想系统概念机电一体化概念（系统及接口概念）

技术方法利用软件进行优化、仿真、

鉴定、检查等硬件的超精密定位、超精密加工、优化设计、

微机控制及仿真等

信息处理系统大型计算机微型计算机

实例

阿波罗计划

银行在线系统

日本新干线

航天飞机、人造卫星等

CNC机床

ROBOT（机器人）

VTR（录像机）、DVD

照相机、摄像机等

共同点应用计算机，具有实用性、综合性、复合性

1-15 说明机电一体化系统设计的设计思想方法。P19

①计算机辅助设计②虚拟产品设计

③快速响应设计④绿色设计

⑤反求设计⑥网络合作设计

1-16 什么是机电互补法、融合法、组合法？P12

机电互补法：又称取代法，该方法的特点是利用通用或专用电子部件取代传统机械产品（系统）中的复杂机械功能部件或功能子系统。

融合法：它是将各组成要素有机结合为一体构成专用或通用的功能部件（子系统），其要素之间机电参数的有机匹配比较充分。

组合法：它是将结合法制成的专用或通用功能部件（子系统）、功能模块，像积木那样组合成各个机电一体化系统（产品），故称组合法。

1-17 开发性设计、变异性设计、适应性设计有何异同？P13

开发性设计：它是没有参照产品的设计，仅仅是根据抽象的设计原理和要求，设计出在质量和性能方面满足目的要求的产品（系统）。

变异性设计：它是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需求。

适应性设计：它是在总的设计方案、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，以使产品在性能和质量上增加某些附加价值。

1-19 现代设计方法与传统设计方法相比较有何突出特点？P19

现代设计方法与用经验公式、图表和手册为设计依据的传统设计方法不同，它是以计算机为辅助手段进行机电一体化系统设计的有效方法。其设计步骤通常是：技术预测-市场需求-信息分析-科学类比-系统设计-创新性设计-因时制宜的选择各种具体的现代设计方法-机电一体化系统设计质量综合评价等。

1-20 简述计算机辅助设计与并行工程、虚拟设计、快速响应设计、绿色设计、反求设计等的含义。 P19

计算机辅助设计：是设计机电一体化船票（系统）的有力工具。用来设计一般机械产品的CAD的研究成果，包括计算机硬件和软件，以及图像仪和绘图仪等外围设备，都可以用于机电一体化产品的设计，需要补充的不过是有关机电一体化系统设计和制造的数据、计算方法和特殊表达的形式而已。

并行工程：是把产品（系统）的设计、制造及其相关过程作为一个有机整体进行综合（并行）协调的一种工作模式。

虚拟产品设计：是虚拟环境中的产品模型，是现实世界中的产品在虚拟环境中的映像。

快速响应设计：是实现快速响应工程的重要一环。是企业面对瞬息万变的市场环境，不断迅速开发适应市场需求的新系统（产品），以保证企业在激烈竞争环境中立于不败之地的重要工程。

绿色设计：是从并行工程思想发展而出现的一个新概念。就是在新系统（产品）的开发阶段，就考虑其整个生命周期内对环境的影响，从而减少对环境的污染、资源的浪费、使用安全和人类健康等所产生的副作用。

反求设计：反求设计思想属于反向推理、逆向思维体系。

网络合作设计：是现代设计最前沿的一种方法。其核心是利用网络工具来汇集设计知识、资源以及知识获取的方法进行设计。

第二章

2-1 设计机械传动部件时，为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，常提出哪些要求？

P23

低摩擦、无间隙、低惯量、高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比等要求。

2-2 机电一体化系统传动机构的作用是什么？P24

传递转矩和转速

2-3 机电一体化系统（产品）对传动机构的基本要求是什么？P24

对工作机中的传动机构，既要求能实现运动的变换，又要求能实现动力的变换；对信息机中的传动机构，则主要要求具有运动的变换功能，只需要克服惯性力（力矩）和各种摩擦阻力（力矩）及较小的负载即可。

2-4 简述丝杠螺母机构的分类及其特点。P25

丝杠螺母机构主要用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。这些传动机构既有以传递能量为主的（如螺旋压力机、千斤顶等），也有以传递运动为主的（如工作台的进给丝杠），还有调整零件之间相对位置的（如螺旋传动机构）。

2-6 丝杠螺母副的组成要素有哪些？P26

滚珠丝杠副构成原理：1-反向器；2-螺母；3-丝杠；4-滚珠。

2-7 滚珠丝杠副的传动特点？P26

轴向刚度高、运动平稳、传动精度高、不易磨损、使用寿命长等特点。

2-9 滚珠丝杠副消除轴向间隙的调整预紧方法有哪些？P32

1、双螺母螺纹预紧调整式

2、双螺母齿差预紧调整式

3、双螺母垫片调整预紧式

4、弹簧式自动调整预紧式

5、单螺母变位导程预紧式和单螺母滚珠过盈预紧式

2-13 简述滚珠丝杠副的支承方式及特点？P34

1单推—单推式：轴向刚度较高，预拉伸安装时，预紧力较大，但轴承寿命比双推—双推式低。

2双推—双推式：该方式适合于高刚度，高转速，高精度的精密丝杠传动系统。

3双推—简支式：双推端可预拉伸安装，预紧力小，轴承寿命较高，适用于中速、传动精度较高的长丝杠传动系统。

4双推—自由式：轴向刚度和承载能力低，多用于轻载、低速的垂直安装的丝杠传动系统。

2-15 齿轮传动部件的作用有哪些？P38

传递转矩、改变转速、改变转向

2-16 各级传动比的分配原则是什么？输出轴转角误差最小原则是什么？P39

1重量最轻原则

2输出轴转角误差最小原则：为了提高机电一体化系统齿轮传动系统传递运动的精度，各级传动比应按先小后大的原则分配，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。

3等效转动惯量最小原则

2-18 谐波齿轮传动有何特点？传动比的计算方法是什么？P41

具有结构简单、传动比大（几十~几百）、传动精度高、回程误差小、噪声低、传动平稳、承载能力强、效率高等一系列优点。

传动比计算方法：①.当柔轮固定时，0=r ω，则

r

g g g H Hg g r g g r H g r g H g H H rg z z z i z z z z z z z i -==-=-==--=ωωωωωωω,1, 设200=r z 、202=g z 时，则101=Hg i 。结果为正值说明刚轮与波形发生器转向相同。 ②.当刚轮固定时，0=g ω，则

g

r r r H Hr r g H r r g H H r z z z i z z z z -===-=--ωωωωωωω,1,0 设200=r z 、202=g z 时，则100-=Hr i 。结果为正值说明柔轮与波形发生器转向相反。

2-20 轮传动的齿侧间隙的调整方法有哪些？P43

圆柱齿轮传动1、偏心套调整法2、轴向垫片调整法3、双片薄齿轮错齿调整法

斜齿轮传动

2-21 简述导轨的主要作用，导轨副的组成、种类及应满足的基本要求。P50

导向支承部件的作用是支承和限制运动部件按给定的运动要求和规定的运动方向运动。 导轨副主要由承导件和运动件两部分组成。

种类：滑动导轨、滚动导轨、流体介质摩擦导轨、开式导轨、闭式导轨。

基本要求：导向精度高、刚性好，运动轻便平稳，耐磨性好，温度变化影响小以及结构工艺性好。

2-23 简述旋转支承的种类及其基本要求。

按其相互摩擦的性质可分为滑动、滚动、弹性、气体（或液体）摩擦支承。

对支承的要求应包括：1方向精度和置中精度；2摩擦阻力矩的大小；3许用载荷；4对温度变化的敏感性；5耐磨性以及磨损的可补偿性；6抗振性；7成本的高低；

第三章

3-3 简述控制用电动机的功率密度及功率的定义。 P93

电动机的功率密度：G P P G /= 电动机的功率比：m N T T N J T dt d T dt T d dt dp N ///)(/2====ωω。

3-6 简述PWM 直流驱动调速、换向的工作原理。 P99

3-9 简述步进电机的种类及特点。 P103

种类：①可变磁阻型 ②永磁型 ③混合型

特点：①步进电机的工作状态不易受各种干扰因素的影响，只要在它们的大小未引起步进电机产生“丢步”现象之前，就不影响其正常工作；②步进电机的步距角有误差，转子转过一定步数以后也会出现累积误差，但转子转过以转以后，其累积误差变为“零”，因此不会长期累积；③控制性能好，在起动、停止、反转时不易“丢步”。

3-11 简述步进电机步距角大小的计算方法。 P107

α=360°/（zm ）

z ——转子齿数

m ——运行拍数，通常等于相数或相数整数倍，即m=KN

第四章

4-1是说明CPU 、MC 与MCS 之关系。 P131

P131（图4.1）

4-3在设计微机控制系统中首先会遇到的问题是什么？ P126

通常先从系统构成上考虑是采用开环控制还是闭环控制，当采用闭环控制时，应考虑采用何种检测传感元件，检测精度要求如何。

4-4从控制的角度出发所选择的微机应能满足哪些要求。 P126

1、较完善的中断系统

2、足够的存储容量

3、完备的输入/输出通道和实时时钟

4-10单片机具有哪些独特优点。 P132

单片机具有集成高度、功能强、通用性好，特别是体积小、重量轻、能耗低、价格低，而且可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点。

4-13试说明七段LED的组成原理。 P163

通常的七段LED显示块中有八个发光二极管，故也叫八段显示块。其中七个发光二极管构成七笔字形“8”，一个发光二极管构成小数点。只要将一个8位并行输出口与显示块的发光二极管引脚相连即可。8位并行输出口输出不同的字节数据即可获得不同的数字或字符。

4-14静态显示与动态显示的主要区别有哪些。 P163

静态显示时，较小的电流能得到较高的亮度，所以由8255的输出口直接驱动。

动态显示就是一位一位地轮流点亮显示器（扫描）。对于每一位显示器来说，每隔一段时间点亮一次。

4-17试说明发光耦合器的光电隔离原理。 P168

发光隔离电路主要由光电耦合器的光电转换原件组成。控制输出时，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极管发出的光而导通，于是输出端的电平几乎等于零。同样道理，可将光电耦合器用于信息的输入。当然。光电耦合器还有其他链接方式，以实现不同要求的电平或极性转换。

4-18试说明常用传感器种类、原理及其特性参数。 P179

开关型、模拟型、数字型。

根据被测物理量的不同，常用的传感器可以按用途分为位移和位置传感器、速度和加速度传感器、力和力矩传感器、温度传感器、湿度传感器等。

传感器的基本工作原理有电阻式、电感式、磁电视、电容式、光电式等，因此各种相应的传感器也可以按其工作原理分为电阻式、电感式、磁电式、电容式、光电式传感器。

参数特性：P180表（4.20）