《机电一体化系统设计》复习考试大纲.docx

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《机电一体化系统设计》复习考试大纲

《机电一体化系统设计》

考试复习大纲

机电一体化是多学科的集成方法和技术，其核心是机械工程、电子工程、以及信息（包括信息的获取和处理）技术与控制技术。

这门课程的特点是综合性强，系统论思想和方法是贯穿全课的主线。

同时，本课程是设计课，规定了本课程的另一特点是特别注重设计方法和设计技术的实际应用。

通过本课程的学习应掌握机电一体化系统设计的基本理论、基本方法和相关的基本技术。

第一章总论

1、机电一体化的概念

机电一体化一词的由来；

机电一体化体统（产品）融机械技术、电子技术、信息技术等多种技术为一体；

要从系统的角度分析和解决问题；

机电一体化的目标——多功能、高效率、高可靠性、省材料省能源。

2、机电一体化系统的构成要素及功能构成

构成要素——机械系统（机构）、电子信息处理（计算机）、动力系统（动力源）、传感检测系统（传感器）、执行元件（如电机）等五个子系统；

系统的三大“目的功能”——

1）变换（加工、处理）、

2）传递（移动、输送）、

3）储存（保持、积蓄、记录）；

机电一体化要素与人体要素的对应关系；

三个示例（工作台、CNC机床、数控机床+机器人）说明五大要素。

3、构成要素的相互联系

各要素之间的接口是综合系统性能好坏的决定性因素；

“广义接口”的概念及接口的分类：

机械接口、物理接口、信息接口、环境接口等四类；

强调“在某种意义上讲机电一体化系统设计归根到底就是接口设计”。

4、系统设计流程

系统设计的流程——

（1）目的功能的确定及规格性能指标确定；

（2）系统功能部件、功能要素的划分；

（3）接口设计；

（4）整体评价；

（5）可靠性复查；

（6）试制与调试

5、系统的评价

系统（产品）内部功能及相应的评价参数

（1）主功能——系统误差、抗干扰能力、废弃物输出、变换效率；

（2）动力功能——输入能量、能源（内装还是外挂）；

（3）控制功能——输入/输出口的个数、自动化程度；

（4）构造功能——尺寸、重量、强度、刚度、结构工艺性；

（5）检测功能——精度。

6、机电一体化系统设计考虑方法及设计类型

考虑方法——

（1）机电互补法

（2）结合（融合）法

设计类型——

（1）开发性设计

（2）适应性设计（3）变异性设计

7、机电一体化系统与系统工程

系统工程的概念、机电一体化工程和系统工程的一致性及差异性

8、机电一体化系统（产品）设计程序、准则和规律

总体设计程序；总体设计应注意的问题；设计准则；

设计规律——功能分解、元素间的逻辑关系、物理关系；功能结构的三种基本形式（串联、并联及带反馈的闭式结构）

9、机电一体化系统的开发工程

开发工程的流程图（图1。

14）；应注意的问题：

10、机电一体化设计与现代设计

现代设计方法的几个基本概念：

计算机辅助设计（CAD）与并行工程（CE）；虚拟产品设计：

快速响应设计；绿色设计；反求设计；网上协同设计。

考核要点：

1）机电一体化的基本概念、名词及术语的定义。

2）典型机电一体化系统的类型。

3）通过实例说明机电一体化系统的构成要素及功能构成。

4）机电一体化系统设计的流程。

5）机电一体化系统的评价指标及评价准则。

6）如何处理机与电的关系，硬件与软件的关系。

例

机电一体化产品一般由、、、、等部分组成，其中计算机部分的作用是：

。

例

机电一体化技术是一门正在发展中的边缘科学技术，是根据生产实际需要，在传统技术的基础上与一些相关技术相结合而发展起来的，这些相关技术包括：

、、、、、。

例

简要说明系统设计方法如何在机电一体化产品设计当中体现。

1-1试说明机电一体化的含义。

1-2机电一体化的目的是什么？

1-3机电一体化系由那些基本要素组成？

分别实现那些功能？

1-4工业的三大要素是什么？

1-5机电一体化的三大效果是什么？

1-6机电一体化接口功能有那两种？

1-7根据不同的接口功能试说明接口的种类。

1-8机电一体化系统（产品）的主要评价内容是什么?

1-10机电一体化工程与系统工程有何异同？

1-11现代设计方法与传统设计方法相比较有何突出特点？

1-12简述计算机辅助设计与并行工程、虚拟设计、快速相应设计、绿色设计、反求设计等的涵义？

1-13什么是机电互补法、结合法、组合法？

第二章机电一体化系统的

机械系统部件的选择与设计

1、机械传动部件及其功能要求

机械传动部件的基本功能——丝杠螺母、齿轮、齿轮齿条、链轮链条、带轮、绳、杠杆、凸轮、连杆、摩擦轮、万向节、软轴、蜗轮蜗杆、间歇机构所能实现的运动

对机械传动部件的功能要求——精密化、高速化、小型轻量化

丝杠螺母机构的基本传动形式:

①螺母固定、丝杠转动并移动；

②丝杠转动、螺母并移动；

③螺母转动、丝杠移动；

④丝杠固定、螺母转动并移动

2、滚珠丝杠传动部件

滚珠丝杠副的组成及特点：

滚珠丝杠副的典型结构类型（滚道形状、滚珠的循环方式）主要尺寸参数；精度等级；轴向间隙的调整与预紧；支承方式的选择；密封和润滑；滚珠丝杠副的选择步骤（承载能力、压杆稳定核算、刚度验算）

3、齿轮传动部件

齿轮传动形式（一级、二级、三级）及传动比的最佳匹配；

最佳匹配原则：

重量最轻原则、输出轴转角误差最小原则、等效转动

惯量最小原则。

谐波齿轮传动：

工作原理（三大件——刚轮、柔轮、谐波发生器）；

传动比计算。

齿轮传动间隙的调整方法。

4、挠性传动部件简介*

同步齿形带传动；钢带传动；绳轮传动

5、间歇传动简介*

棘轮传动机构；槽轮传动；蜗型凸轮传动

6、导向支承部件的选择与设计

导轨副的种类（滑动、滚动、气液、弹性等导轨）；

对滑动导轨的基本要求：

●导向精度；

●刚度；

●精度保持性；

●运动灵活性；

●低速运动平稳性；

●对温度的敏感性和结构的工艺性

滑动导轨的结构形式：

三角形、矩形、燕尾形、圆形

滑动导轨的组合形式：

双三角、矩形--矩形、三角--矩形、三角--平面

等组合形式

导轨副间隙的调整：

压板、镶条；

导轨副的材料选择及搭配：

铸铁、钢、有色金属、塑料

提高导轨耐磨性的措施：

滚动导轨类型及基本要求：

导向精度、耐磨性、刚度、工艺性；

静压导轨副的工作原理简介；

7、旋转支承部件的选择与设计

旋转支承的种类及基本要求；

圆柱支承；圆锥支承；填入式滚动支承；

其他支承形式

8、轴系部件的选择与设计

轴系设计的基本要求—旋转精度、刚度、抗振性、热变形、轴上零件布置；

轴系（主轴）轴承的类型及配置；非标准轴承；静压轴承。

9、机座与机架

机座或机架的作用；

对机座或机架的基本要求：

刚度与抗振性、热变形、稳定性、工艺性、人机工程

结构设计要点：

合理截面和尺寸、合理布置肋板、合理开孔、提高接触刚度、合理选材

焊接机架的设计

考核要点：

1）机械传动装置|、轴系、导轨及支承件在机电一体化系统中

的作用。

2）常见机械传动部件、轴系、导轨及支承件。

3）滚珠丝杠的结构、预紧方式、刚度计算。

4）机电一体化系统对机械结构的性能要求。

5）机械传动装置的动力学模型的物理意义。

6）齿轮最佳传动比匹配原则。

例（2001）：

通过预紧可以提高滚珠丝杠的刚度，预紧方式有

等几种。

例（2000）：

如图所示为直流电机驱动的半闭环系统：

已知参数：

1）电机：

nm=3000rpmN=1.5kwJm=1.58*10-3kg.m2

2）齿轮:

折算到电机轴上的转动惯量Jm_g=1.2*10-3kg.m2

3）滚珠丝杠:

中径d=0.056m螺距P=0.012m

最高转数nsc=300rpm

求:

折算到电机轴上的总转动惯量

⏹滚珠丝杠螺母副消除轴向间隙的调整预紧方法有哪些？

⏹现有一双螺母齿差调整预紧滚珠丝杠，其基本导程为l0=6mm、内齿轮齿数为100、外齿轮齿数为98是，当其一端的齿轮相对另一端的外齿轮转过2个齿是，试问：

两个螺母之间相对移动了多大距离？

⏹试述滚珠丝杠副的支承方式及其特点。

⏹齿轮传动部件的作用有那些？

⏹各级传动比的分配原则是什么？

“输出转角误差最小原则”的含义是什么？

⏹已知某4级齿轮传动系统，各齿轮的传动误差为△θ1=△θ2=…=△θ8=0.005弧度，各级减速比相同，即i1=i2=…=i4=1.5，求：

该传动系统的最大转角误差△θmax；

欲缩小△θmax，应采取何种措施？

；

⏹在伺服传动系统中，为保证传动精度应如何分配传动比？

⏹某数据传递装置，总传动比it=85.按“惯量最小原则”确定级数和各级传动比。

第三章机电一体化系统

执行元件的选择与设计

1、执行元件

执行元件的种类：

电磁式、液压式、气压式、其他（压电式等）

各类执行元件的特点及优缺点（表）；

对执行元件的基本要求：

惯性小动力大、体积小重量轻、便于安装维修、

易于微机控制

2、常用的控制电机

机电一体化系统对控制用电机的基本要求；控制用电机种类、特点及选用（表）；

3、步进电机及其控制

步进电机的特点：

控制性能好；步距角有误差（一转后误差为零）、抗

干扰能力强；

步进电机的工作原理；步距角的概念；环行脉冲分配方式；

步进电机的运行特性及性能指标；

步进电机的驱动——环形脉冲分配器、功率放大器（单电压功放电、高

低电压功放电路）

细分驱动原理及优缺点；

步进电机的微机控制——串行控制与并行控制；

软件控制、

硬件控制和软硬件结合控制。

4、直流伺服电机及其驱动

直流伺服电机的特性及选用；直流伺服电机的驱动

5、交流伺服电机及其驱动

交流伺服电机的特性及选用；交流伺服电机的驱动

考核要点：

1）机电一体化系统对控制电机的基本要求。

电动机的选型

2）直流（DC）伺服电机、永磁同步（直流无刷）电机的结构、工作原理、控制方法

3）交流（AC）伺服电机的结构、工作原理、控制方法

4）三种步进电机（反应式、永磁式、及混合式）的结构、工作原理、控制方法及驱动电路。

步进电机硬件环分；软件环分的编程原理

例（2002）

因为磁通具有“力图沿磁阻最小路径通过”的特点，所以一般的步进电机是靠磁拉力工作的。

四相反应式步进电机的相控制绕组为A、B、C、D,则四相单四拍控制方式的通电顺序为：

；四相双四拍控制方式的通电顺序为：

。

⏹步进电动机具有那些特点？

⏹简述步进电动机的种类及其特点。

⏹简述步进电动机的工作原理。

⏹步进电动机步距角的大小的计算方法是什么？

⏹步进电动机的环行分配方式是什么？

⏹步进电机的运行特性是什么？

⏹步进电动机驱动电源的功率放大电路原理是什么？

第四章机电一体化系统的

微机控制系统的选择与设计

1、微机控制系统

微机控制系统设计的内容：

选用微机、

设计接口、

选用控制形式和动作控制方式；

专用与通用、硬件与软件的抉择和权衡；

微机控制系统的设计思路：

确定整体控制方案、

确定控制算法、

选择微机、

系统总体设计、

软件设计、

系统调试；

接口设计、输入/输出通道设计、操作控制台设计；

微机的应用领域及选用要点。

2、单片机结构的特点及最小应用系统

MCS—51系列单片机的结构特点；

8031引角功能：

I/O口线、控制口线、电源及时钟；

最小应用系统及其扩展：

8031最小应用系统、

8031的数据存储器扩展、

8031输入/输出口的扩展。

3、数字显示器及键盘接口电路

数字显示器（七段LED）的结构及其工作原理；

键盘、显示器接口电路；行列式键盘接口电路。

4、可编程控制器（PLC）的构成及应用举例

PLC的构成及工作原理；

某PLC的基本指令；

应用举例（带冷却液的钻孔工序）——继电器逻辑控制电路和控制梯形图、PLC程序清单。

梯形图语言

梯形图在形式上类似于继电器控制电路图，是原继电器线路固提炼出来的表达形式。

简化了符号，而且还加进了许多功能强而又使用灵活的指令，将微机的特点结合进去，使得编程容易，而实现的功能却大大超过传统继电器控制图。

很受用户欢迎，是目前用得最多的PLC语言。

·

采用内部逻辑运算和算术运算代替了继电器、定时器、计数器等分离元件的控制作用。

尽管PLC内部没有任何实际的分离元件，但为了描述各种逻辑控制功能，继电器控制中描述操作的符号和概念仍可采用。

这就是梯形图编程法的由来。

继电器控制术语和PLC控制术语略有不同，但概念仍然一样。

下面是常用的继电器控制术语和PLC控制术语的对应关系。

这里的“输入”、“输出”指的是编程用到的对应数据单元，而不仅仅是PLC的I／O点。

这与继电器线圈输出以及继电器触点输入到其他元件意义相同。

这里的“点”指附属在PLC一个存储单元上的实际点。

5、微机应用系统的I/O控制

光电隔离电路的设计；

信息转换电路的设计：

弱转强、数字脉冲转换;

D/A转换、A/D转换。

6、常用传感器的性能、选用

检测传感器的分类：

二值型、模拟型、数字型；

机电一体化系统对检测传感器的基本要求；

传感器的特性参数及选用原则；

传感器的选用原则及注意事项；

各类传感器的主要性能及优缺点：

1位移、位置传感器（表）；

②角度、角位移传感器（表）

③速度、加速度传感器（表）；

④力、压力、力矩传感器（表）；

⑤温度、湿度、气敏传感器（表）；

⑥物位传感器（表）；

⑦流量传感器（表）。

传感器的测量电路：

1）模拟型测量电路；

2）数字型测量电路；

3）开关型测量电路；

4）转换电路（电桥、放大、调制与解调、A/D、D/A）

传感器的微机接口：

1）输入放大器；

2）频混滤波器；

3）采样保持器；

4）模拟多路开关

考核要点：

1）单片机应用系统的构成、前向通道和后向通道的概念及接口

2）单片机最小应用系统及其扩展（存储扩展、显示扩展、键盘扩展等）

3）可编程控制器系统构成、工作原理

4）继电器逻辑控制电路和控制梯形图、PLC程序清单

5）基于可编程控制器的顺序逻辑控制编程基础

6）常用传感器的性能、选用原则及注意事项

⏹可编程控制器与工业微机有何区别？

⏹可编程控制器的硬件系统主要由哪几部分组成？

各部分分别起何作用？

⏹试说明在“0”工作状态下，PPI8255的输入/数出口的选择方法。

⏹试说明8031单片及的输入输出及存储器的扩展方法。

⏹试说明七段LED的组成原理。

⏹键盘键值是如何确定的？

⏹试说明光电耦合器的光电隔离原理。

⏹静态显示与动态显示的主要区别有哪些？

⏹试说明机电一体化系统常用传感器的种类及其特性参数。

⏹试说明传感器的选用原则及注意事项。

⏹试问A/D转换器常用方式有哪两种？

试说明它们的转换原理。

例（2002）

试用8031的P1口构成中断方式4ⅹ4行列式键盘。

（2002）

如图为电机正反转控制用的梯形图，试写出PLC的程序编码。

第五章机电一体化系统的

元、部件的特性分析

1、机械系统特性

机械系统特性：

Ø传递函数研究线性变换、

Ø微分方程研究非线性变换

Ø变换机构及其运动变换分析；

机构静力学特性：

Ø负载力（或转矩）向输出端的变换、

Ø机构内部摩擦力的影响、

机构动力学特性：

1平面运动机构要素的动态力及动态转矩、

2空间运动机构要素的动态力及动态转矩、

3Lagrange公式与动态力（或转矩）向输入端的换算。

④机构输出端的弹性与动态特性

2、传感器的特性分析

Ø动电式变换器的特性及其传递函数；

Ø压电式变换器的特性及其传递函数；

Ø其他具有平滑特性的变换器及其传递函数；

Ø传感检测系统的特性

3、执行元件的特性分析

Ø电磁变换执行元件（电动机是其典型）的特性；

Ø具有反馈环节的驱动电路电磁变换执行元件的动态特性；

Ø步进电机的动态特性；

Ø压电式执行元件及其动态特性。

4、执行元件与机械结构结合中的若干问题

⏹机械惯性阻转矩的匹配方法；

⏹凸轮曲线理论；

⏹残留振动分析；

⏹两自由度机器人运动轨迹创成所需转矩分析。

考核要点：

1）传递函数的基本概念、

2）机械系统（包括负载）的动态特性

3）步进电机的动态特性分析

4）传感监测系统的特性分析

⏹试以传递函数的形式表示包括负载在内的机械系统的动态特性。

⏹试举出几种机电一体化系统中常用的线性变换机构。

⏹研究机电一体化系统的机电有机结合最重要的机构静力学问题有哪些？

⏹试用“控制工程基础”所讲的“元件特性分析方法”，对常用传感器及电器执行元件的动态特性进行分析。

第六章机电一体化系统的

机电有机结合分析与设计

1、机电有机结合之一：

——系统稳态设计考虑方法

1）

惯性负载、

外力负载、

弹性负载、

摩擦（滑动、滚动、粘性）负载；

外力负载、

弹性负载、

摩擦（滑动、滚动、粘性）负载；

负载、

外力负载、

弹性负载、

摩擦（滑动、滚动、粘性）负载；

负载分析

典型负载：

负载的等效转换：

等效转动惯量换算、

等效负载转矩换算。

2）执行元件的匹配选择

●系统执行元件的转矩匹配；

●系统执行元件的功率匹配；

●减速比的匹配选择与各级减速比的分配。

3）传感装置、信号转换电路、放大电路及电源等的匹配选择

4）系统数学模型的建立及主振频率的计算

工作台伺服进给系统半闭环控制、全闭环控制；

工作台伺服进给系统的主谐振频率计算示例。

2、机电有机结合之二：

——动态设计考虑方法

1）系统的调节方法

◆PID调节器及其传递函数；

◆调节作用的分析；

◆典型信号的响应；

◆速度反馈校正。

2）机械结构弹性变形对系统的影响

结构谐振的影响；

减少结构谐振的措施：

提高传动刚度、

提高机械阻尼、

采用校正网络、

综合速度反馈。

3）传动间隙对系统性能的影响分析

4）机械系统实验振动模态参数识别分析

3、可靠性、安全性设计

可靠性的基本概念；

保证系统（产品）可靠性的方法：

⏹提高产品设计和制造质量；

⏹冗余技术；

⏹诊断技术；

干扰和抗干扰措施；软件的可靠性技术；

考核要点：

PID调节器及其传递函数；

调节作用的分析；

典型信号的响应；

速度反馈校正。

减少结构谐振的措施：

1）典型负载及负载的等效转换：

等效转动惯量的换算；

等效负载转矩的换算；

2）系统执行元件的转矩匹配；

3）系统执行元件的功率匹配

4）减速比的匹配选择与各级减速比的分配

5）工作台伺服进给系统半闭环控制、全闭环控制、主谐振频率计算

6）PID调节器及其调节作用、典型信号的响应；速度反馈校正

7）机械结构弹性变形对系统的影响、结构谐振的影响

8）减少结构谐振的措施

9）传动间隙对系统性能的影响

安全性设计：

工业机器人事故发生的原因、工业机器人的安全措施。

⏹机电一体化系统的伺服系统的稳态设计要从那两头入手？

⏹工作台x轴驱动系统，如题6-3图（6-3图见教材）所示，已知：

参数见下表所列，另外mA=400kg，l0=5mm，FL水平=800N，FL垂直=600N，工作台与导轨间为滑动摩擦，其摩擦系数为0.2。

试求转换到电动机轴上的等效转动惯量和等效转矩。

齿轮

轴

丝杠

电动机

G1

G2

G3

G4

Ⅰ

Ⅱ

n/（r/min）

720

360

360

180

720

360

180

720

J/（kg.m2）

0.01

0.016

0.02

0.032

0.024

0.004

0.012

⏹机电一体化系统的数学模型建立过程及主谐振频率的计算方法。

⏹比例调节（P）、积分调节（PI）和比例-积分-微分调节（PID）的优缺点？

⏹在闭环之外的动力传动链齿轮传动间隙对系统的稳定性有无影响？

为什么？

第七章常用机械设备的机电一体化改造分析与设计

1、机床的机电一体化改造分析

传动系统改造设计方案分析；传动系统的简化

性能及精度选择；进给系统的主要设计计算

2、微机控制系统设计分析

1）车床控制系统设计

2）X—Y工作台控制系统设计

3）XA6132铣床的多CPU直流伺服系统设计

第八章典型机电一体化产品

1、工业机器人

2、CNC车床

3、三坐标测量机

4、照相机的机电一体化

5、电子灶烹调自动化

6、自动售票机

7、自动售货机

8、电子秤