机电一体化系统设计基础复习资料汇总doc.docx
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机电一体化系统设计基础复习资料汇总
历年汇总(04-1至13-9)
一、填空(每空2分,共20分)1.机电一体化产品按用途可以划分为办公机电一体化产品、产业机电一体化产品和民用机电一体化产品。
2.机电一体化产品设计类型可以分为开发性设计、适应性设计和变参数设计三类。
3.控制及信息处理单元一般由控制计算机、控制软件和硬件接口组成。
4.在小功率传动链中,为使总的折算惯量最小,各级传动比分配应遵守前小后大原则。
5.在小功率传动链中,为使总的重量最小,各级传动比分配应遵守传动比相等原则。
6.典型的可编程控制器由编程器、微处理器、贮存器、电源和输入/输出接口等部分构成。
7.传感器的静态特性参数主要有灵敏度、线性度、迟滞和重复精度。
8.传感器输入特性的主要参数是输入阻抗或静态刚度。
9.通常,传感器由敏感元件.转换元件和基本转换电路所组成。
10.机电一体化系统常用的能源有电源、液压源和气压源。
11.市场预测的方法主要有定期预测和定量预测。
12.机电一体化系统中,机械传动要满足伺服控制在精度、稳定性和快速响应性等方面的要求。
13.当负载折算到电机轴上的惯量等于转子惯量时,系统能达到惯性负载和驱动力矩的最佳匹配。
14.典型开关量I/O模板的I/O电气接口的主要功能有滤波、电平变换、光电隔离和功率驱动。
15.由矩频特性曲线可知,步进电机的最大动态转矩小于最大静转矩,并随着脉冲频率的升高而降低。
16.在多级的减速传动中,为了减小传动误差,传动比的分配应遵守前小后大原则。
17.机电一体化系统设计的质量管理主要体现在质量目标管理、实行可行性设计和进行设计质量评审等三个方面。
18.为提高闭环系统的稳定性,应增大执行装置的固有频率和系统的阻尼。
19.对于线控制系统,若要求在达到高精度的同时减小定位时间,则必须提高系统的固有频率。
20.在工业过程控制系统中,计算机的指令进行D/A转换后,须经过信号调理环节才能驱动执行机构。
21.HRGP-1A喷漆机器人的主要特点是操作机采用挠性手腕结构,具有3个自由度;驱动器采用分离活塞直线运动油缸,减轻了示教力;位置测量采用旋转变压器作传感器,具有较高的伺服精度。
22.机械传动系统中,影响系统传动精度的误差可分为传动误差和回程误差两种。
23.对于执行装置,选择较大的传动比可使系统的相对阻尼系数增大,有利于系统的稳定性。
24.液压系统的伺服控制元件主要有电液伺服阀和电液比例阀。
二、判断题(判断下列所述是否正确,正确的填入“”号,错误的填入“”号。
每题2分,共24分)1.机电一体化产品的开发性设计是在保持原理方案不变条件下,对产品功能及结构的重新设计。
()2.机电一体化产品的变参数设计是指改变部分结构尺寸而形成系列产品的设计。
()3.在机电一体化产品开发过程中,小批量生产前必须对产品进行技术评价与审定。
()4.机电一体化产品的适应性设计是指对产品功能及结构重新进行的设计。
()5.在全自动洗衣机产品的设计中,控制系统软件的设计是理论分析阶段的任务之一。
()6.回程误差并非只有传动机构反向时才会产生,即使是单向回转、回程误差对传动精度也可能有影响。
()7.对应与某一频率,只有负载小于步进电机在频率的最大动态转矩时,电机才能正常工作。
()8.在工业控制计算中,地址总线用于确切指定与之通信的外部硬件,控制总线则用于传送数据。
()9.工业PC机与个人计算机IBMPC的最大差别是把IBMPC中的母板分成了多块PC插件。
()10.通常,工业控制机与独立设备连接时,均采用光电型模板。
()11.STD总线的工控机常作为工业PC机的前端控制机,完成时的在线控制。
()12.STD总线可采用总线复用技术,但不支持多处理机系统。
()13.在工控机系统的总线中,数据总线的功能是确定总线上信息流的时序。
()14.微机系统的数据总线中,在任何给定时刻,数据流只允许王一个方向传输。
()15.自动控制技术是机电一体化六个相关技术之一,而接口技术是自动控制技术中的一个方面。
()16.接口技术是系统技术中的一个方面,它的功能是实现系统各部分的可靠连接。
()17.接口技术是自动控制技术的一个方面,它和计算机信息处理技术密切相关()18.为适应工业仪表的要求,D/A的输出要配接V/1转换器。
()19.迟滞是传感器静态特性指标之一,反映传感器输入量按同一方向做全量程连续多次变动时,输出输入特性曲线的不一致性。
()20.重复性是传感器静态特性指标之一,反映传感器输入量按同一方向做全量程连续多次变动时,输出输入特性曲线的不一致性。
()21.临界频率是接触式传感器的动态特性指标之一。
()22.绝对式光电编码器的输出量为脉冲信号,可以同时用于位置和速度测量。
()23.增量式光电编码器的输出量为脉冲信号,可以同时用于位置和速度测量。
()24.增量式光电编码器仅能用于角位置测量,而不能用于角速度测量。
()25.微机系统中,在任何给定时刻,数据流都允许沿总线双向传输。
()26.TTL电平接口不能用于驱动带电气隔离的继电器。
()27.TTL电平接口能用于输出指示灯的控制,也能用于驱动带电气隔离的继电器。
()28.驱动元件的选择及动力计算是机电一体化产品开发过程理论分析的工作之一。
()29.伺服驱动系统是实现电信号到机械动作的转换的装置和部件。
()30.驱动装置中同一环节的误差,其高频分量和低频分量,对系统输出精度的影响应是一致的。
()31.与交流同步伺服电机一样,笼型交流异步伺服电机也可由PWM变频技术实现速度的调节。
()32.直流伺服电机的驱动电路中,脉宽调制放大器由于管耗大,因而多用于小功率系统。
()33.直流伺服电机的驱动电路中,由于脉宽调制放大器的管耗小,因此可用于较大功率的系统。
()34.数控机床的计算机属于机电一体化系统的控制及信息处理单元,而电机和主轴箱则属于系统的驱动部分。
()35.数控机床中的计算机属于机电一体化系统的控制及信息处理单元,而电机则属于系统的驱动部分。
()36.传动机构的转动惯量取决于机构中传动件的质量和转速。
()37.传动机构的传动惯量取决于机构中传动件的质量、转速和尺寸参数。
()38.在滚珠丝杠螺母间隙的调整结构中,齿差式调隙机构的精度较高,但结构复杂,制作成本高。
()39.转动轴在单向回转时,回程误差对转动精度没有影响。
()40.按输出轴的转角误差最小原则,减速链传动中,从输入到输出端的各级传动比应按“前大后小”分配。
()三.选择题(每小题2分,共20分)1.HRGP-1A喷漆机器人中的旋转变压器属于系统中的(B)A.能源部分B.测试传感部分C.驱动部分D.执行部分2.在机电一体化产品的开发过程中,总体方案设计完成后应立即进行BA.样机设计详细设计B.此方案的评审,评价C.理论分析数学模型D.可行性与技术经济分析3.在机电一体化系统中,机械传动要满足伺服控制的基本要求是AA.精度,稳定性,快速响应性B.精度,稳定性,低噪声C.精度,高可靠性,小型轻量化D.精度,高可靠性,低冲击振动4.在机械传动系统中,用于加速惯性负载的驱动力矩为DA.电机力矩B.负载力矩C.折算负载力矩D.电机力矩与折算负载力矩5.多级齿轮传动中,各级传动比”前后大小”的分配原则使用于按D设计的传动链A.最小等效转动惯量原则B.输出轴的转角误差最小原则C.重量最轻原则小功率装置D.重量最轻原则大功率装置6.在下列电机中,C既可以通过闭环实现速度或位置控制,又可作步进方式运行,且电机转速不受负载影响,稳定性高.A.步进电机B.直流伺服电机C.交流同步伺服电机D.笼型交流异步电机7.通常,TLT电平接口不用于AA.工控机与独立设备的连接B.操作面板上开关状态的输入C.驱动带电气隔离的继电器D.输出指示灯控制8.在工业控制计算机中,控制总线的功能是BA.确切指定与之通信的外部硬件B.确定总线上信息流的时序C.在计算机内部传输数据D.连接控制电源9.静态刚度属于传感器的CA.静态特性指标B.动态特性指标C.输入特性参数D.输出特性参数10.为保证系统安全可靠工作,下列机电一体化产品中,D需要进行抗干扰设计A.自动洗衣机B.自动照相机C.滚筒型绘图机D.数控机床11.在工业机器人的设计中,(A)是理论分析阶段要进行的工作之一。
A.机构的力学计算B.技术经济性分析C.控制系统硬件电路设计D.控制系统软件配置与调试12.多级齿轮传动中,各级传动比相等的分配原则适用于按(C)设计的传动链。
A.最小等效转动惯量原则B.输出轴的转角误差最小原则C.重量最轻原则(小功率装置)D.重量最轻原则(大功率装置)13.多路的D/A转换接口模板应设置有(C)。
A.多路开关B.采样保持器C.通道选择器D.总线接口逻辑14.在工业控制应用中,为了(D),D/A转换的输出常常要配接V/I转换器。
A.抑制共模电压的干扰B.非电压信号的转换C.信号的放大、滤波D.适应工业仪表的要求15.通常,数控精密镗铣床等高精度数控设备,其伺服系统的控制方式均采用(B)。
A.开环控制B.闭环控制C.半闭环控制D.混合控制
四、简答题(每题4分,共20分)1.为什么采用机电一体化技术可以提高系统的精度答机电一体化技术使机械传动部分减少,因而使机械磨损,配合间隙及受力变形等所引起的误差大大减少,同时由于采用电子技术实现自动检测,控制,补偿和校正因各种干扰因素造成的误差,从而提高精度。
2.机电一体化相关技术有哪些答机电一体化相关技术有机械技术,计算机与信息处理技术,系统技术,自动控制技术,传感器测试技术和伺服驱动技术。
3.转动惯量对传动系统有哪些影响答转动惯量增大使机械负载增加,功率消耗大;使系统相应速度变慢,降低灵敏度;使系统固有频率下降,容易产生谐振。
4.简述机电一体化产品设计中,详细设计的主要内容。
答详细设计主要包括系统总体设计;业务的分组;机械本体及工具设计;控制系统设计;程序设计;后备系统设计;完成详细设计书及制造图样;产品出厂及使用文件的设计。
5.简述A/D、D/A接口的功能。
答A/D接口的功能是将温度、压力等物理量经传感器变成的电压、电流等信号转换为数字量。
D/A接口是将二进制数字量转换成电压信号。
6.测试传感部分的作用是什么答测试传感部分的作用对系统运行中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测,传输到信息处理单元,经分析处理后产生控制信息。
7.对控制及信息处理单元的基本要求是什么答对控制及信息处理单元的基本要求提高信息处理速度和可靠性,增强抗干扰能力,完善系统自诊断功能,实现信息处理智能化和小型化,轻量,标准化等。
8.机电一体化产品对机械传动系统有哪些要求答机电一体化系统对机械传动系统的要求有精度;稳定性;快速响应性;还应满足小型、轻量、高速、低冲击振动、低噪声和高可靠性。
9.简述STD总线的工作模式。
答STD总线有3种工作模式独立工作模式,前端控制器工作模式和分布式组合工作模式。
10.采用STD总线的工业控制机有那几种工作模式答STD工业控制机可以灵活的组成各种系统其工作模式有三种
(1)独立工作模式即采用微机的基本系统与工业用IO模板单独构成控制系统
(2)作为前端控制机STD工业控制机可作为其他微机(工业PC机)的前端控制机,完成实时在线控制,并把采集的数据和执行结果传送给上位机(3)构成分布式组合利用STD控制机的组合方法,可方便的进行各种分布式系统的组合。
11.简述STD总线微机控制系统的主要特点。
答STD总线微机控制系统的主要特点
(1)采用小板结构,高度的模块化,其功能模板结构灵活,可靠性高,硬件冗余小,成本低。
(2)模板设计具有严格的标准和广泛的兼容性。
(3)面向I/O的设计,具有强大的I/O扩展能力,使控制系统非常适合工业控制的应用。
(4)高可靠性。
12.简述机电一体化产品设计的工程路线(主要步骤)。
答机电一体化产品设计的工程路线(主要步骤)拟定产品开发目标和技术规范;收集资料,市场分析,可行性分析和技术经济性分析;总体方案设计;总体方案的评审和评价;详细设计;详细设计方案的评审和评价;试制样机;样机实验,测试;技术评价与审定;小批量生产;正常生产;销售。
13.为减小机械系统的传动误差,可采用哪些结构措施答减小机械系统的传动误差可采用的结构措施有适当提高零部件本身的精度;合理设计传动链,减小零部件制造、装配误差对传动精度的影响;采用消隙机构,以减小或消除回程误差。
14.交流伺服电机有哪些类型交流伺服驱动的主要特点是什麽答交流伺服电机有永磁式交流同步电机和笼型异步电机两类。
交流伺服驱动的主要特点有
(1)调速范围大;
(2)适合大、中功率伺服系统;(3)运行平稳,转速不受负载变化的影响;(4)输出转矩较大,而转矩脉动小;(5)通过闭环实现速度控制或位置控制,其中永磁式同步电机也可作步进方式进行。
15.试述可编程序控制器的功能及组成。
答可编程序控制器可取代继电器控制,完成顺序和程序控制;可组成闭环系统,实现精确的位置和速度控制;可构成高速数据采集与分析系统,实现生产过程的完全自动化。
典型的可编程序控制器由电源、微处理器、存贮器、输入输出接口和编程器所组成。
16.简述数控设备中计算机数控装置的组成和功能。
答在数控设备中,计算机数控装置是设备的核心部分,一般由专用计算机(或通用计算机)、输入输出接口以及机床控制器等部分构成。
计算机数控装置根据输入的数据和程序,完成数据运算、逻辑判断、输入输出控制等功能;机床控制器主要用于机床的辅助功能,主轴转速的选择和换刀功能的控制。
17.步进电机是如何实现速度控制的答步进电机的运动是由输入的电脉冲信号控制的,每当电机绕组接收一个脉冲,转子就转过一个相应的角度,其角位移量与输入脉冲的个数严格成正比,在时间上与输入脉冲同步。
因而,只要控制输入脉冲的数量、频率和电机绕组的相序,即可得到所需转动的速度和方向。
18.试述直流电机伺服系统中脉宽调制放大器的基本工作原理。
答脉宽调制放大器是直流伺服电机常用的晶体管驱动电路。
利用大功率晶体管的开关作用,将直流电源电压转换成一定频率的方波电压,施加于直流电机的电枢,通过对方波脉冲宽度的控制,改变电枢的平均电压,使电机的转速得到调节。
19.开放式体系结构的主要特点是什么答开放式体系结构是近年来在电子工业和计算机工业中流行的一种设计思想,其主要特点是向未来的VLSI开放;向不同用户层次开放;向用户的特殊要求开放;采用模块化结构。
20.机电一体化系统的基本结构要素有哪些喷漆机器人的旋转变压器和手臂手腕分别属于其中的哪个结构要素答机电一体化系统的基本结构要素有机械本体,能源,测试传感部分,执行机构,驱动部分,控制及信息处理单元等6项。
喷漆机器人的旋转变压器属于测试传感部分,而手臂手腕则属于机器人执行机构的一部分。
21.机电一体化系统的基本结构要素有哪些数控机床的数控系统和主传动系统分别属于其中的哪个结构要素答机电一体化系统的基本结构要素有机械本体,能源,测试传感部分,执行机构,驱动部分,控制及信息处理单元等6项。
数控机床的数控系统属于其中的控制及信息处理单元,主传动系统则属于执行机构。
22.机电一体化系统的基本要素有那些喷漆机器人的电液伺服务器系统和手臂和手腕分别属于其中的哪个结构要素1答喷漆机器人的电液伺服系统属于驱动部分,而手臂手腕则属于机器人执行机构的一部分。
23.简要说明永磁式直流伺服电机(直流力矩电机)的主要特点。
答直流力矩电机有两个特点
(1)可以不经过减速机构而直接驱动负载,由输入的电压信号直接调节负载的转速;
(2)在以位置控制方式的伺服系统中,电机可工作于堵转状态。
24.简述开关量输出模板的基本组成。
答开关量输出模板的基本组成为STD总线信号、输出端口译码控制、输出数据锁存、输出信号调理电路、负载。
25.简述HRGP-1A喷漆机器人的再现过程。
答喷漆机器人的再现过程由计算机控制机器人的动作,中央处理器将示教时记录的空间轨迹信息从存储器中取出,经过插补运算与采样得到的位置数据进行比较,将其插值调节后输出,控制执行机构按照示教时的轨迹运动。
26.简述HRGP-1A喷漆机器人的示教与再现过程。
答示教过程由工作人员用手操纵操作机构的关节和手腕,根据喷漆工作表面的形状进行示教操作,此时中央处理器通过反馈原件(旋转变压器)将示教过程中测试的参数存入存储器,即把示教过程执行机构的空间轨迹记录下来。
再现过程由计算机控制机器人的动作,中央处理器将示教时记录的空间轨迹信息从存储器中取出,经过插补运算与采样得到的位置数据进行比较,将其插值调节后输出,控制执行机构按照示教时的轨迹运动。
27.影响机电一体化系统传动机构动力学特征的主要因素有那些答影响机电一体化系统传动机构动力学特性的主要因素有
(1)负载变化;
(2)传动系统的惯性;(3)传动系统的固有频率;(4)传动系统中的摩擦与润滑。
28.什么是步进电机的步距角它是由那些参数确定的答步进电机在每输入一个电脉冲信号,转子所转过的角度称为步距角。
它由步进电机的相数、电机转子的齿数和电机的通电方式所决定。
29.简述开关量输入摸版的基本组成.答开关量输入模板的基本组成外部开关设备、输入信号调理电路、输入缓冲器、输入端口译码、(STD总线0.30.工业PC机与个人计算机饿主要差别是什么答工业PC机与个人计算机的主要差别是
(1)大母板改为功能插板,具有丰富的过程输入输出功能。
(2)具有良好的时实性,能够对生产过程工况变化实时监控。
(3)抗干扰电源,密封机箱,具有良好的环境适应性。
(4)具有丰富的应用软件。
三、分析题(20分)1.已知数控机床控制系统如图所示,试说明图中的各个部分属于机电一体化系统中的哪一个基本要素(10分)解答图中各部可分为
(1)控制及信息处理单元键盘、计算机、显示
(2)测试传感部分光电编码器、信号处理(3)能源电源(4)驱动部分功放、电机(5)执行机构联轴器、齿轮减速器、丝杠螺母机构、工作台2.试分析图示传动系统中,齿轮减速器的传动误差对工作台输出精度的影响(10分)解答齿轮传动链位于电机之后,前向通道的闭环之外,其传动误差的低频分量和高频分量都不能通过闭环控制来消除,都会影响输出精度。
2.如图所示的系统,试分析传感器的误差对输出精度的影响。
(8分)解答传感器位于闭环之内的反馈通道上,其误差的高频分量(噪声信号)因系统的低通作用得到校正,不影响输出精度;传感器误差的低频分量,如静态精度(分辨率等)直接影响输出精度,它决定了系统精度的上限。
2.试分析图示传动系统中,信号变换电路及丝杠螺母机构的传动误差对工作台输出精度的影响。
(10分)解答信号变换电路位于输入通道,误差的低频分量会影响输出精度,因此对静态精度有较高要求;而误差的高频分量对输出精度几乎没有影响,允许存在一定程度的高频噪声。
丝杠螺母机构位于闭环之后,其误差的低频分量和高频分量都会影响输出精度,因此要尽量消除传动间隙和传动误差。
5.如图所示的系统,试分析齿轮减速器及传感器的误差对输出精度的影响。
解答齿轮减速器位于前向通道,误差的低频分量不影响输出精度,因此允许有一定的间隙误差;而误差的高频分量影响输出精度,因此应尽量减小传动误差。
传感器位于反馈通道,其误差的低频分量影响系统的输出精度和稳定性,因此传感器应有较高的精度;而误差的高频分量不影响输出精度,因此允许传感器及放大电路有一定的高频噪声。
2.如图所示的系统,试分析齿轮减速器、信号变换电路及传感器的误差对输出精度的影响。
解答齿轮减速器位于前向通道,误差的低频分量不影响输出精度,因此允许有一定的间隙误差,而误差的高频分量影响输出精度,因此应尽量减小传动误差。
信号变换电路位于输入通道,其误差的低频分量影响系统的输出精度,因此信号变换电路应有较高的静态精度;而误差的高频分量不影响输出精度,因此允许该电路有一定的高频噪声。
传感器是位于反馈通道上的环节,其对输出精度的影响与位于输入通道的信号变换电路相同。
2.系统如图所示,试分析齿轮机构,传感器及丝杠螺母机构的误差对输出精度的影响.解答齿轮减速器位于前向通道,误差的低频分量不影响输出精度,因此允许由一定的间隙误差;而误差的高频分量影响输出精度,因此应尽量减小传动误差。
传感器位于反馈通道,误差的低频分量会影响输出精度,因此对静态精度由较高要求,而误差的高频分量对输出精度几乎没有影响,允许存在一定程度的高频噪声。
丝杠螺母机构位于闭环之后,其误差的低频分量和高频分量都会影响输出精度,因此要尽量消除传动间隙和传动误差。
2.试分析图示传动系统中,值号变换电器、传感器及丝杠螺母机构的传动误差对工作台输出精度的影响。
解答信号变换电路位于输入通道,误差的低频分量会影响输出精度,因此对静态精度有较高要求,而误差的高频分量对输出精度几乎没有影响,允许存在一定程度的高频噪声。
传感器是位于反馈通道上的环节,其对输出精度的影响与位于输入通道的信号变换电路相同。
丝杠螺母机构位于闭环之后,其误差的低频分量和高频分量都会影响输出精度,因此要尽量消除传动间隙和传动误差。
3.如图所示的位置控制系统,试分析齿轮的传动误差对工作台输出精度的影响。
(6分)如图所示的伺服系统,试分析齿轮减速器的传动误差对工作台输出精度的影响。
(8分)解答对于开环步进电机位置控制系统,由于无检测装置,不对位置进行检测和反馈,齿轮减速器的传动误差(误差的高频分量)和回程误差(误差的低频分量)将直接影响工作台的输出精度。
4.画出工业PC机基本组成框图,并说明工业PC机与普通信息处理计算机的主要区别。
(12分)解答与普通信息处理机相比较,工业PC机有以下特点
(1)将普通信息处理机的大母板改为功能插板,具有丰富的过程输入输出功能,以完成对各种设备和工艺装置的控制。
(2)良好的时实性,能够对生产过程工况变化实时监视和控制。
(3)抗干扰电源,密封机箱,具有良好的环境适应性。
(4)丰富的应用软件。
5.对比说明步进电机和直流伺服电机驱动的特点。
(10分)解答步进电机与直流电机驱动的主要有如下不同特点
(1)在工作原理方面,步进电机通过改变输入脉冲的数量、频率和顺序来控制电机;而直流电机主要是靠改变电枢两端的电压来调速,调速特性好,调速范围宽。
(2)步进电机可以实现开环位置控制;而直流电机一般用于闭环位置控制。
(3)步进电机具有自锁能力;而直流电机没有断电自锁能力。
(4)步进电机的输出
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