精密机械与仪器设计题库.docx

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精密机械与仪器设计题库

精密机械与仪器设计题库（总7页）

1、仪器误差的主要来源

原理误差：

光－机－电系统的理论误差、方案误差、机构简化误差、零件原理误差等。

制造误差：

零件设计时都有公差（没有公差的零件是不能加工的），从而造成制作中的误差。

运行误差：

运行过程中产生——仪器内部（内应力、老化）、磨损、外界环境变化（温度、压力、振动）、间隙与空程等。

2、步进电机分为哪三类

按励磁相数分：

有三相、四相、五相等步进电机

按运转方式分：

有旋转式步进电机和直线式步进电机

按转子结构分为三种：

反应式（VR，VariableReluctance）、永磁式（PM，PermanentMagnet）、混合式（HB,Hybrid）

反应式步进电机利用磁阻转矩转动，结构简单，步矩角小，性价比高，

应用广泛，但动态性差

永磁式步进电机用永久磁钢作为电机的定子或转子，电磁阻尼大，步矩

角大，启动频率低，功率小

混合式步进电机在永磁和变磁阻原理共同作用下，输出转矩大，步矩角

小结构复杂，成本高

3、按检测对象所属分类的不同，可将传感器分为物理量传感器、化学量传感器以及生物量传感器，其检测原理分别基于各种物理现象、化学反应和生物效应。

4、滑动摩擦导轨组合总结

v形和平面组合导轨主要应用于：

导向精度高、承载能力大的仪器导轨。

双v形导轨——导向精度要求高，磨损小的仪器，精密仪器导轨。

双矩形导轨——应用于导向精度要求不高，承载力大的仪器导轨。

燕尾导轨——通常用在结构尺比较小及导向精度与运动灵便性要求不高的场合。

双圆柱导轨——主要应用于小型仪器的立柱。

滚动导轨

气浮导轨

5、低速运动时，导轨运动的驱动指令是均匀的，而与导轨相连的工作台却出现一慢一快，一跳一停的现象，称为“爬行”。

产生原因：

（1）导轨间动、静摩擦系数差值较大

（2）动摩擦系数随速度变化

（3）系统刚度差

6、分辨率（Resolution）——仪器设计中最重要的指标

仪器能够感受、识别或探测的输入量的最小值。

7、压电材料

压电效应

压电材料的主要属性是，其弹性效应和电极化效应在机械应力或电场（电压）作用下将发生相互耦合，也就是应力－应变－电压之间存在内在联系。

正压电效应

在机械应力作用下，将机械能转换为电能。

逆压电效应

在电压作用下，将电能转换为机械能。

磁致伸缩效应

工作原理：

磁场作用下，长度、应力、弹性模量与声传播速度均会发生变化

电介质在电场的作用下，有两种效应压电效应和电致伸缩效应，统称机电耦合效应。

电介质在电场的作用下，由于感应极化作用而引起应变，应变与电场方向无关，应变的大小与电场的平方成正比，这个现象称为电致伸缩效应。

而压电效应是指电介质在机械应力作用下产生电极化，电极化的大小与应力成正比，电极化的方向随应力的方向而改变。

在微位移器件中我们应用的是逆压电效应，即电介质在外界电场作用下，产生应变，应变的大小与电场大小成正比，应变的方向与电场的方向有关，即电场反向时应变也改变方向；

8、仪器的支承件主要包括基座、支柱、机柜、机箱等。

作用：

1）联接和支承

2）保证工作精度

9、刚度：

主轴某处在外力作用下，与主轴在该处的位移量之比。

提高主轴刚度的措施：

1）加大主轴直径

2）合理选择支承跨距

3）缩短主轴悬伸长度

4）提高轴承刚度

10、导轨部件的组成：

运动导轨和支承导轨

导轨的功用：

传递精密直线运动

导轨的分类：

1）滑动摩擦导轨

2）滚动摩擦导轨

3）静压导轨

4）弹性摩擦导轨

导轨的几何精度：

直线度、平行度、垂直度

11、主轴系统的热稳定性

主要原因：

传动件在运转中摩擦而产生的。

减小热变形的措施：

将热源与主轴系统分离；

减少轴承摩擦的热源的发热量；

采用冷却散热装置；

采用热补偿；

合理选择推力支承的位置。

12、阿贝（Abbe）原则

1890年，Abbe提出一项量仪设计的指导性原则——“要使量仪给出

准确的测量结果，必须将被测件布置在基准元件沿运动方向的延长线上”。

——共线原则

结论——遵守阿贝原则可以消除一阶误差。

举例线纹尺测量的三种方式

δ1——一阶误差（First-orderError）

δ2——二阶误差（Second-orderError）

结论——遵守阿贝原则可以消除一阶误差。

14、.柔性支承—压电或电致伸缩微位移器驱动

柔性支承微动机构是近年来发展起来的一种新型的微位移机构。

它的特点是结构紧凑、体积很小，可以做到无机械摩擦、无间隙，其有较高的位移分辨率，可达1nm。

使用压电或电致伸缩器件驱动，不仅控制简单（只需控制外加电压），而且可以很容易实现亚微米甚至是毫微米级的精度，同时不产生噪声和发热，可适于各种介质环境工作，是精密机械中理想的微位移机构。

书P143

15、微位移系统的应用：

微位移系统在精密仪器中主要用于提高整机的精度，根据目前的应用范围，大致可分为四个方面:

1.精度补偿

2.微进给

3.微调

4.微执行机构

17、3相步进电动机，为什么双3拍和6拍通电方式

比单3拍通电方式更稳定

步进电动机的运行特点是跟随电脉冲作步进运动，运动方式是断续的不是连续的，因转子惯量关系，每一步都有振荡过程。

转子转动惯量越大，运动速度越高，振荡越厉害。

因此，步进电动机的转轴上，一般都要加机械阻尼器消振，以使电机工作稳定。

另外，除机械阻尼外，改变通电方式也可起电阻尼作用，如3相步进电动机双三拍和六拍通电方式就有电阻尼作用，所以运行更平稳，单3拍通电方式则没有电阻尼作用，所以运行不平稳。

原因是3拍和6拍运行时，电机任何一瞬间换相，都有一相始终通电，这通电相便可起阻尼作用。

单3拍运行，电机换相瞬间，绕组全部断电，所以不存在电阻尼。

微传感器定义：

从广义角度来说，微传感器和常规传感器一样是一种能把物理量、化学量或生物量转变成便于利用的电信号的器件。

微传感器是微机电系统三大关键要素之一。

微传感器主要特点：

微传感器的敏感机理与常规传感器相同。

但其体积小（只是常规传感器的几十分之一乃至1％，其中的敏感元件一般是微米级）；质量轻（从常规的kg级下降至几十g乃至几g）；功耗低（降至mW乃至更低的水平）。

采用微机械加工技术制备，敏感元件材料以硅为主。

微传感器分类：

按检测对象所属分类的不同，可将传感器分为物理量传感器、化学量传感器以及生物量传感器，其检测原理分别基于各种物理现象、化学反应和生物效应。

物理量传感器种类最多，它包括力学量传感器（如压力传感器、力传感器、加速度传感器、角速度传感器、流量传感器）等；光学量传感器（如图像传感器、红外线传感器等）；热学量传感器（如温度传感器）、声学量传感器、磁学量传感器等。

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1、什么是步进电机在何种情况下该使用步进电机　　步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。

通俗一点讲：

当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。

　　您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达调速的目的。

因此在需要准确定位或调速控制时均可考虑使用步进电机。

2、步进电机分哪几种有什么区别　　步进电机分三种：

永磁式（ＰＭ），反应式（ＶＲ）和混合式（ＨＢ）　　永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为度或15度；　　反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为度，但噪声和振动都很大。

在欧美等发达国家８０年代已被淘汰。

　　混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。

它又分为两相四相和五相：

两相步进角一般为度而五相步进角一般为度。

这种步进电机的应用最为广泛。

3、什么是保持转矩（HOLDINGTORQUE）　　保持转矩（ＨＯＬＤＩＮＧ　ＴＯＲＱＵＥ）是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。

它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。

保持转矩越大则电机带负载能力越强。

由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机重要的参数之一。

比如，当人们说的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为的步进电机。

4、步进电机的驱动方式有几种　　一般来说，步进电机有恒压，恒流驱动两种，恒压驱动已近淘汰，目前普遍使用恒流驱动。

5、步进电机精度为多少是否累积　　一般步进电机的精度为步进角的3-5%。

步进电机单步的偏差并不会影响到下一步的精度因此步进电机精度不累积。

6、步进电机的外表温度允许达到多少　　步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降甚至于丢失。

因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来说，磁性材料的退磁点都在摄氏１３０度以上，因此步进电机外表温度在摄氏８０－９０度完全正常。

7、为什么步进电机的力矩会随转速升高而下降　　当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。

在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。

8、为什么步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声　　步进电机有一个技术参数：

空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。

在有负载的情况下，启动频率应更低。

如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。

我们建议空载启动频率选定为电机运转一圈所需脉冲数的２倍。

9、如何克服两相混合式步进电机在低速运转时的振动和噪声　　步进电机低速转动时振动和噪声大是其固有的缺点，一般可采用以下方案来克服：

　　A、如步进电机正好工作在共振区，可通过改变减速比提高步进电机运行速度。

　　Ｂ、采用带有细分功能的驱动器，这是最常用的，最简便的方法。

因为细分型驱动器电机的相电流变流较半步型平缓。

　　Ｃ、换成步距角更小的步进电机，如三相或五相步进电机，或两相细分型步进电机。

　　Ｄ、换成直流或交流伺服电机，几乎可以完全克服震动和噪声，但成本较高。

　　Ｅ、在电机轴上加磁性阻尼器，市场上已有这种产品，但机械结构改变较大。

10、细分驱动器的细分数是否能代表精度　　步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术（请参考有关文献），其主要目的是减弱或消除步进电机的低频振动，提高电机的运转精度只是细分技术的一个附带功能。

比如对于步进角为度的两相混合式步进电机，如果细分驱动器的细分数设置为４，那么电机的运转分辨率为每个脉冲度，电机的精度能否达到或接近度，还取决于细分驱动器的细分电流控制精度等其它因素。

不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大；细分数越大精度越难控制。

11、四相驱动合式步进电机与驱动器的串联接法和并联接法有什么区别　　四相混合式步进电机一般由两相驱动器来驱动，因此，连接时可以采用串联接法或并联接法将四相电机接成两相使用。

串联接法一般在电机转速较的场合使用。

此时需要的驱动器输出电流为电机相电流的倍，因而电机发热小；并联接法一般在电机转速较高的场合使用（又称高速接法），所需要的驱动器输出电流为电机相电流的倍，因而电机发热较大。

主轴系统设计主要要求：

主轴在一定载荷下，具有一定的回转精度，同时还有一定的刚度和热稳定性。

一、步进电机工作原理

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移的电气执行元件，电机绕组每接受一个脉冲，转子转过相应的角度（即步距角），低频率运行时，明显可见电机轴是一步一步转动的，故称为步进电动机。