机电一体化复习题
机电一体化复习题
1.简述机电一体化技术的基本概念和涵义。
答：机电一体化技术是从系统的观点出发，将机械技术、微电子技术、信息技术、控制技术等在系统工程的基础上有机地加以综合，实现整个机械系统最佳化而建立起来的一门新的科学技术。
2.机电一体化技术的发展趋势可概括为哪三个方面? 答：机电一体化技术的发展趋势可概括为以下三个方面： (1)性能上，向高精度、高效率、高性能、智能化的方向发展； (2)功能上，向小型化、轻型化、多功能方向发展； (3)层次上，向系统化、复合集成化的方向发展。 3.机电一体化的优势是什么?
答：机电一体化的优势，在于它吸收了各相关学科之长，且综合利用各学科并加以整体优化。因此，在机电一体化技术的研究与生产应用过程中，特别强调技术融合、学科交叉的作用。机电一体化技术依赖于相关技术的发展，机电一体化技术的发展也促进了相关技术的发展。
4.机电一体化技术主要的相关技术可以归纳为哪六个方面?
答：机电一体化技术主要的相关技术可以归纳为以下六个方面：(1)机械技术，(2)检测传感技术，(3)信息处理技术，(4)自动控制技术，(5)伺服传动技术，(6)系统总体技术。
5.机电一体化系统应具有哪六个基本功能要素?
答：机电一体化系统应具有以下六个基本功能要素(即六个子系统)：(1)机械本体，(2)动力部分，(3)检测部分，(4)执行机构，(5)控制器，(6)接口。
6.何谓机电一体化系统中的接口?接口的作用和基本功能是什么? 答：机电一体化系统中的接口，是机电一体化系统中各子系统之间进行物质、能量和信息传递与交换的联系部件。接口的作用使各要素或子系统联接成为一个整体，使各个功能环节有目的地协调一致运动，从而形成机电一体化的系统工程。接口的基本功能有三个：一是交换，通过接口完成使各要素或子系统之间信号模式或能量的统一；二是放大，
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在两个信号强度相差悬殊的环节间，经接口放大，达到能量的匹配；三是传递，接口遵循协调一致的时序、信号格式和逻辑规范将变换和放大后的信号可靠、快速、精确地交换传递。
7.简述执行机构的功能和分类。
答：执行机构的功能是根据控制信息和指令完成所要求的动作。执行机构是运动部件，它将输入的各种形式的能量转换为机械能。常用的执行机构可分为两类：一是电气式执行部件，按运动方式的不同又可分为旋转运动零件(如电动机)和直线运动零件(如电磁铁等)；二是液压式执行部件，主要包括液压缸和液压马达等执行元件。
8.从控制的角度简述典型机电一体化控制系统以及它们各自的特点。
答：从控制的角度，机电一体化系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。开环控制系统是没有输出反馈的控制系统，开环控制系统的主要优点是简单、经济、容易维修，它的主要缺点是精度低、对环境变化和干扰十分敏感，常用于低档电器，如家用电器等。闭环控制系统输出信号的全部或部分以负反馈的形式被反馈到输入端，输入信号与反馈信号比较后的偏差信号送给控制器，控制器对信号进行处理后产生控制信号，再控制形被控对象的输出，从而形成闭环回路。闭环控制系统与开环控制系统相比较，具有精度高、动态性能好、抗干扰能力强等优点；它的缺点是结构比较复杂、价格比较昂贵、不容易维修等。
9.何谓连续控制系统?
答：信号在时间上是连续变化的系统。 10.何谓计算机控制系统?
答：采用计算机作为控制器的控制系统即为计算机控制系统，又被称为离散控制系统。计算机控制系统(离散控制系统)，即系统中某处或多处的信号为脉冲序列或数码形式，信号在时间上是离散的系统。 11.在机械工程领域中，大量的机电一体化系统以机械装置或机器为控制对象，以电子装置或计算机为控制器，这些系统从控制的角度出发可大致分为哪四类?
答：从控制的角度出发，这些系统可大致分为以下四类：(1)伺服传动系统，(2)数字控制系统，(3)顺序控制系统，(4)过程控制系统
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12.简述机电一体化系统中机械结构的作用以及设计时的注意事项。
答：在机电一体化系统中，机械结构主要用于执行机构、传动机构和支承部件，用以完成规定的动作；传递功率、运动和信息；起支承连接作用等。通常，它们是微机控制伺服传动系统的有机组成部分。因此，在机械系统设计时，除考虑一般的机械设计要求外，还必须考虑机械结构因素与整个伺服传动系统的性能、电气参数的匹配，以获得良好的伺服性能。
13.简述机电一体化系统中的机械传动系统建模的方法。
答：建模一般分两步进行，首先把机械系统中各基本物理量折算到传动链中的某个元件上，然后，再根据输入量和输出量的关系建立它的数学模型。
14.简述两运动物体间的三种摩擦力的特点以及摩擦对伺服系统的影响。
答：摩擦力可分为粘性摩擦力Fv、库仑摩擦力(即动摩擦力)Fc和静摩擦力Fs三种，方向均与运动方向相反。当负载处于静止状态时，摩擦力为静摩擦力Fs，其最大值发生在运动开始前的一瞬间；当运动一开始，静摩擦力即消失，此时摩擦力立即下降为动摩擦力(库仑摩擦
力)Fc，库仑摩擦力是接触面对运动物体的阻力，大小为一常数；随着运动速度的增加，摩擦力呈线性增加，此时摩擦力为粘性摩擦力Fv，由此可见，只有物体运动后的粘性摩擦力才是线性的，而当物体静止时或刚开始运动时，其摩擦是非线性的。
摩擦对伺服系统的影响主要有：引起动态滞后，降低系统的响应速度，导致系统误差和低速爬行。
15.摩擦如何影响物体的运动状态?
答：摩擦对物体运动状态的影响主要体现在以下两个方面： (1)摩擦引起动态滞后和系统误差静摩擦引起传动死区，在传动死区内，系统将在一段时间内对输入信号无响应，从而造成动态滞后，和形成运动误差。
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(2)摩擦引起低速爬行由于非线性摩擦的存在，机械系统在低速运行时，常常出现爬行现象，导致系统运行不稳定。爬行一般出现在某个临界转速以下，高速运行时并不出现。
16.右图为一旋转工作台伺服系统框图。其中齿轮在系统中的位置不同，其间隙的影响不同。根据右图试述齿轮间隙对系统的影响。 答：右图所示的工作台伺服系统中，因齿轮在系统中所处的位置不同，将对系统的伺服精度和系统稳定性产生不同的影响，主要体现在以下三个环节：
(1)闭环之外的数据传递的齿轮(G1、G4)齿隙对系统稳定性无影响，但影响伺服精度。由于齿隙的存在，在传动装置逆运行时造成回程误差，使输出轴与输入轴之间呈非线性关系，输出滞后于输入，影响系统的精度。
(2)闭环之内传递动力的齿轮(G2)齿隙对系统静态精度无影响，这是因为控制系统有自动校正作用。又由于齿轮副的啮合间隙会造成传动死区，若闭环系统的稳定裕度较小，则会使系统产生自激振荡，因此闭环之内动力传递齿轮的齿隙对系统稳定性有影响。
(3)反馈回路上数据传递齿轮(G3)的齿隙既影响稳定性，又影响精度。
17.计算与分析系统出现爬行时的临界转速Ωc，由此得出的在设计机械系统时减少摩擦影响的措施是什么?
某数控机床位置控制系统的参数如下：K=35Nm/rad；fm=8sNm；f=12sNm；J=21kgm2；Ts-Tc=1.5Nm。求其临界转速Ωc。(提示：K-系统的刚度系数；fm-电动机电磁粘滞摩擦系数；f-机械系统粘滞摩擦系数；J-系统的转动惯量；Ts-静摩擦力矩；Tc-动摩擦力矩；已知，出现爬行时系统的临界初始相位φc≈79)
解根据求得 已知φc≈79 则
由以上分析可以看出，设计机械系统时，应尽量减少静摩擦和降低动、静摩擦之差值，以提高系统的精度、稳定性和快速响应性。因此，机电一体化系统中，常常采用摩擦性能良好的塑料-金属滑动导轨、滚动
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导轨、滚珠丝杠、静动压导轨；静动压轴承、磁轴承等新型传动件和支承件，并进行良好的润滑。
此外，适当的增加系统惯量J和粘性摩擦系数f也有利于改善低速爬行现象，但惯量J增加将引起伺服系统响应性能的降低；增加f也会增加系统的稳态误差，故设计时必须权衡利弊，妥善处理。
18.谐振将会对机械系统工作产生什么影响?如何避免谐振的发生? 答：当机械系统的固有频率接近或落入伺服系统的带宽之中时，系统将产生谐振而无法工作。为了避免机械系统由于弹性变形而使整个伺服系统发生结构谐振，该机械系统的锁定转子固有频率ωt应大于伺服系统带宽ωb的5倍，即ωt 5ωb。
19.防止和抑制因结构弹性变形造成的谐振发生的措施是什么? 答：通常采用提高系统刚度、增加阻尼、调整机械构件质量和自振频率等方法来提高系统的抗振性，防止谐振发生。
采用弹性模量高的材料，合理选择零件的截面尺寸，对支承件施加预加载荷等方法均可以提高零件的刚度。在多级齿轮传动中，增大末级减速比可以有效地提高末级输出轴的折算刚度。
在不改变机械结构固有频率ωt的情况下，通过增大阻尼也可以有效地抑制谐振。
20.适当增大惯量在什么情况下对伺服系统有利?机械设计时应如何把握惯量的大小?
答：惯量的适当增大只有在改善低速爬行时有利。因此，机械设计时，在不影响系统刚度的条件下，应尽量减小惯量。
21.机电一体化系统对机械传动的要求是什么?
答：在机电一体化系统中，普遍采用计算机控制和具有动力传递、变速与执行等多重功能的伺服电动机。伺服电动机的伺服变速功能在很大程度上代替了机械传动中的变速机构，大大简化了传动链。因此机电一体化系统中的机械传动装置也不再仅仅是转矩和转速的变换器，已成为伺服系统的组成部分，必需根据伺服控制的要求进行选择和设计。 22.在伺服系统中，如何选择系统的总传动比?传动链的级数和各级传动比的分配原则是什么?
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