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《机电一体化系统设计》总复习一、名词解释：1.机电一体化产品：是指机械系统和微电子系统有机结合，从而产生新功能和新性能的新产品。2.香农采样定理：对于一个有限频率的连续信号，当采样频率fs大于等于2f信号max时，采样函数才能不失真地恢复原来的连续信号。3.采样/保持器：因为A/D转换需要一定的时间，为了保证转换精度，在A/D转换转换的过程中，要求信号的电压保持不变，在A/D转换完成后，又要能跟踪信号电压的变化。能完成这个功能的电路叫采样/保持器。4.传感器：把被测得物理量（如温度、压力）作为输入参数，将其转换为电量（电流、电压、电阻等）后输出。5.热电阻效应：物质的电阻率随温度变化而变化的特性成为热电阻效应。6.热电效应：是当受热物体中的电子（空穴），因随着温度梯度由高温区往低温区移动时，所产生电流或电荷堆积的一种现象。7.可编程控制器：简称PLC，是一种为应用于工业环境而设计的数字运算操作的垫子控制系统。8.步进电机：步进电机是用电脉冲信号进行控制，将电脉冲信号转变为角位移或线位移的微电动机。9.柔性制造系统：柔性制造系统是由统一的信息控制系统、物料储运系统和一组数字控制加工设备组成，能适应加工对象变换的自动化机械制造系统(FlexibleManufacturingSystem)，英文缩写为FMS。10.计算机集成制造系统：它是在信息技术自动化技术与制造的基础上，通过计算机技术把分散在产品设计制造过程中各种孤立的自动化子系统有机地集成起来，形成适用于多品种、小批量生产，实现整体效益的集成化和智能化制造系统。二、简答题1.机电一体化系统与传统机电系统的区别是什么？简述机电一体化系统的共性关键技术。答：（1）与传统机电系统相比，其主要特点是实现了机电系统在微电子技术基础上的信息驱动，在工作过程中可以对本身和外界环境的各种信息进行采集、处理和分析，系统的行为则完全取决于在信息分析的基础上所做的控制决策。（2）机电一体化系统的共性关键技术包括：精密机械技术、信息处理技术、自动控制技术、检测传感技术、伺服驱动技术、系统总体技术。2.机电一体化系统包含哪些基本要素？答：基本要素：机械本体（机构）、动力（动力源）、检测传感（传感器）、信息处理（计算机）、执行与驱动（如各类电机）等五大部分。3.简述滚珠丝杠的工作原理及特点。答：工作时，螺母与需作直线往复运动的零部件相连，丝杆旋转带动螺母作直线往复运动，从而带动零部件作直线往复运动。4.简述滚珠丝杠的安装方式的类型及其特点。答：○1单推—单推式：其特点是轴向刚度较高，预拉伸安装时预紧力较大，轴承寿命比双推—双推式低。○2双推—双推式：两端装有止推轴承及向心轴承的组合，并施加预紧力，使其刚度最高。适合于高刚度、高速度、高精度的精密丝杆传动系统。工作时随着温度升高会造成丝杆的预紧力增大，因而易造成两端支承的预紧力不对称。○3双推—简支式：轴向刚度不太高，双推端可预拉伸安装，预紧力小，轴承寿命较长，适用于中速、精度较高的长丝杆传动系统。○4双推—自由式：因其一端是自由状态，故轴向刚度和承载能力低，多用于轻载、低速的垂直安装丝杆传动系统。5.为什么要消除齿轮副间隙？常用什么方法消除间隙？答：间隙会产生齿间冲击，影响传动的平稳性(出现传动死区)。若死区在闭环系统中，则可能导致系统不稳定，使系统产生低频振荡。方法：（1）直齿圆柱齿轮侧隙的调整：中心距调整法、双片薄齿轮错齿调隙法、轴向垫片调整法（2）斜齿轮侧隙的调整：轴向垫片法、轴向压簧法（3）圆锥齿轮侧隙的调整：轴向压簧调整法、轴向弹簧调整法6.导向机构都有哪几种类型？各有什么特点？答：（1）滑动导轨：其优点是结构简单、接触刚度大；缺点是摩擦阻力大、磨损快、低速运动时易产生爬行现象。（2）滚动导轨：降低了运动摩擦阻力、驱动功率大幅度下降、定位精度和重复精度高、机械系统的运动刚度高、接触应力小良好的可校性，但是结构复杂、加工困难、成本高、误差度比较敏感。（3）静压导轨：运动件与承导件之间具有一定压力的油或气体介质，使运动件浮在压力油或气体薄膜上，可使摩擦阻力大大降低；运动件受外载荷作用后，介质压力会反馈升高，以支承外载荷。7.简述机电一体化系统的分类。答：柔性制造系统（FMS）、计算机辅助设计/制造系统（CAD/CAM）、计算机辅助工艺规划系统(CAPP)、计算机集成制造系统（CIMS）以及各种工业过程控制系统。8.工控机的接口卡有哪些类型，各有什么功能？答：（1）模拟量输入/输出卡：处理模拟信号的输入输出。（2）数字量输入/输出卡：实现各类开关信号的输入/输出控制。（3）运动控制卡：用来控制机器的位置和速度。（4）RS-232/RS-485模块：用于串行连接。（5）CAN总线接口卡：使多个计算机通过一个通信网相互连接。9.简述工业控制计算机的硬件组成结构及其作用。答：（1）主板:将采集到的实时信息按照预定程序进行必要的数值计算、逻辑判断、数据处理，及时选择控制策略并将结果输出到工业过程。（2）系统总线：内部总线是工控机内部各组成部分之间进行信号传送的公共通道；外部总线是工控机与其他计算机和智能设备进行信号传送的公共通道。（3）输入/输出接口：是工控机和外部设备或生产过程之间进行信号传送和变换的连接通道。（4）入机接口：用于显示工业生产过程的状况，也可用于修改运算参数。（5）通信接口：是工控机与其他计算机和智能设备进行信号传送的通道。（6）系统支持：监控定时器、电源掉电监测、后备存储器、实时日历闹钟。（7）磁盘系统：可以用半导体虚拟磁盘，也可配用通用磁盘。10.简述工业控制计算机的软件组成及其作用。答：(1)系统软件：管理工控机的资源，并以简便的形式向客户提供服务。（2）工具软件：提高软件生产效率和改善软件产品质量。（3）应用软件：针对某个生产过程进行控制和管理。11.模拟数据采集系统通常由那几部分组成，各有什么作用？答：（1）传感器：把被测的物理量作为输入参数，将其转换为电量后输出。（2）多路模拟开关：将多路模拟信号分别于A/D转换器接通，逐一进行A/D转换，以分时享用A/D转换器的目的。（3）放大器：将信号放大以便收集。（4）采样/保持器：A/D转换需要一定的时间，为了保证转换精度，在A/D转换的过程中，要求信号的电压保持不变，在A/D转换完成后，又要能跟踪信号电压的变化。（5）A/D转换器及其与单片机接口：将模拟信号转变为数字量。12.功率输出的常用接口方式有哪些？答：功率晶体接管、光电耦合器隔离、双向晶闸管接口13.机电一体化系统中的计算机接口电路通常使用光电耦合器，请问光电耦合器的作用有哪些？答：具有很高的绝缘电阻，可以承受2000V以上的高压；并能避免输出端对输入端的电磁干扰；可以用于开关量或脉冲信号的输入隔离和输出隔离。14.简述PLC系统与继电器接触器控制系统的区别。答：P134表5-215.机电一体化系统中的常用传感器有哪些，并举例说明？答：（1）位置传感器：例如，当开关频率很高时，可选择霍尔型，检测粉尘、烟雾等非导电体时，宜选用电容式或光电式接近开关。（2）位移传感器：编码盘能将长度或角度模拟信号转换为数字信号输出。（3）速度传感器与加速度传感器：测速电机（4）力、压力、力矩传感器:例如压电式力、压力传感器（5）温度传感器：辐射温度计、红外温度计16.简述热电偶的四大基本定律？答：（1）均质导体定理：由同一导体构成的热电偶不能产生热电势。（2）中间导体定律：A、B构成热电偶，将冷端断开，并接入第三种导体C，若保持C两端的温度相等，则回路中的总电势不变。（3）中间温度定律：热电偶AB产生的热电势等于热电偶AB和热电偶AB产生的热电势的代数和。（4）标准电极定律：热电偶AB产生的热电势等于热电偶AC和热电偶CB产生的热电势的代数和。17.简述电阻应变式加速度计的工作原理。答：当传感器随被测物体运动的加速度为a时，在质量块m上产生惯性力F=m.a，受惯性力F作用，悬臂梁产生变形，通过应变片可以测量出悬臂梁的变形量，进而可以间接得到加速度a的数值。18.简述顺序控制系统的分类。答：（1）时间顺序控制系统：以执行时间为依据，每个设备的运行于停止都与时间有关。（2）逻辑顺序控制系统：按照逻辑先后关系顺序执行操作指令，与执行时间无严格关系。（3）条件顺序控制系统：根据条件是否满足执行相应的操作指令。19.什么是步进电机？简述步进电机的分类。答：步进电机是用电脉冲信号进行控制，将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的微电动机。按电磁转矩的产生原理分类：反应式（磁阻式）步进电动机、永磁式步进电动机、混合式步进电动机20.简述自动化制造系统的常见类型。答：1、刚性半自动化单机2、刚性自动化单机3、刚性自动线4、刚性综合自动化系统5、一般数控机床6、加工中心7、混合成组制造单元8、分布式数控系统9、柔性制造单元(FMC)10、柔性制造系统（FMS）11、柔性制造线12、计算机集成制造系统21.简述机电一体化系统的设计原则、设计类型及设计方法。答：（1）设计原则：机电互补原则、功能优化原则、自动化省力化原则、效益最佳原则、开放性原则（2）设计类型：开发性设计、适应性设计、变异性设计（3）设计方法：机电互补法、机电结合法、组合法22、机电一体化系统的性能评价内容有哪些？答：1、技术性评价2、经济性评价3、安全性评价三、应用题1.采用PLC设计二台电动机A、B工作的系统。（1）按钮X1为A电动机起动，按钮X2为A电动机停止（输出Y1）；（2）按钮X3为B电动机起动，按钮X4为B电动机停止（输出Y2）；（3）只有A电动机在工作中，B电动机才能工作。要求：画出梯形图，写出指令表。2、设计一台电动机按要求动作的PLC控制系统。具体要求：系统只有一个按钮。按一下，电动机正转5s再反转5s,如此重复3次后自动停止。试完成设计任务：（1）列出PLC系统I/O分配表；（2）画出梯形图。(3)写出指令表。3、现有一电气控制的电动机Y-Δ减压起动控制电路，原理图如下。若将其改为PLC控制，试画出相应的控制电路输入输出接线图、梯形图及对应的指令程序。4、工厂自动往复运动搬运小车的主电路如图(a)所示，原电气控制电路如下图(b)所示。现要求采用PLC控制，画出I/O接线图，并试设计相应的PLC控制电路及其程序。5、下图为小车送料过程示意图。现采用可编程控制器控制，写出小车PLC控制的梯形图。小车的送料过程为：当小车处于左限位开关ST1处时，按下启动按钮，小车向右运行；碰到右限位开关ST2后，小车开始装料，装料时间为15秒；然后小车向左运行，碰到左限位开关ST1后，小车开始卸料，卸料时间为10秒；至此完成一次动作。任何时候压下停止按钮，小车将停止动作。根据上述描述写出用PLC控制的梯形图。