机电一体化系统的稳态与动态设计
机电一体化系统设计
机电一体化系统设计一、概论1、机电一体化：是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。
2、对检测传感器的要求：要求检测传感器具有高精度、高灵敏度和高可靠性。
3、检测传感技术的主要难点：提高可靠性、精度和灵敏度。
需要研究的问题有：①提高各种敏感材料和元件灵敏度及可靠性②改进传感器结构，开发温度与湿度、视觉与触觉同时存在的符合传感器③研究在线检测技术，提高抗干扰能力④研究具有自动诊断与自动补偿功能的传感器。
4、自动控制：自动控制是指在没有人参与的情况下，通过控制装置使被控制的对象或控制过程自动的按照预定的规律运行。
5、系统总体技术：系统总体技术是一种从整体目标出发，用系统的观点和方法将总体分解成若干功能单元，找出能完成各个功能的技术方案，再把功能与技术方案组合成方案组进行分析、评价和优选的综合应用技术。
6、系统总体技术包括：插件、接口转换、软件开发、微机应用技术、控制系统的成套性和成套设备自动化技术。
7、系统总体技术需要研究的问题：①软件开发与应用技术，包括过程参数应用软件、实时精度补偿软件②研究接插件技术，体改可靠性③通过接口和数据总线标准化④控制系统成套性和成套设备自动化⑤软件的标准化。
8、机电一体化系统由机械系统、信息处理系统、动力系统、传感检测系统、执行元件系统五个系统组成。
9、系统的五种内部功能：即主功能、动力功能、计策功能、控制功能、构造功能。
主功能是实现系统“目的功能”直接必须的功能，主要是对物质、能量、信息及其相互结合进行变换、传递和存储。
动力功能的作用是根据系统内部信息和外部信息对整个系统进行控制，使系统正常运转，实时“目的功能”。
而构造功能则是使构成系统的子系统及元、部件维持所定的时间和空间上的相互关系所必须的功能。
10、机电一体化系统设计的考虑方法同城有：几点互补法、融合法和组合法。
11、系统工程是组织管理系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法，是一种对所有系统都具有普遍意义的科学方法。
机电一体化试题及答案(打印)
填空题4. 机电一体化研究的核心技术是接口问题。
5. 机电一体化系统（产品）构成的五大部分（或子系统）是：机械系统、电子信息处理系统、动力系统、传感检测系统、执行元件系统。
6. 机电一体化接口按输入/输出功能分类机械接口、物理接口、信息接口、环境接口。
7. 机电一体化系统（产品）按设计类型分为：开放性设计、适应性设计、变异性设计。
8. 机电一体化系统（产品）按机电融合程度分为：机电互补法、机电结合（融合）法、机电组合法。
9. 机电一体化技术是在机械的主功能、动力功能、信息与控制功能基础上引入微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机地结合所构成系统的总称。
10.机电一体化系统实现三大功能应具有的两大重要特征（转换作用方式）：以能源转换为主和以信息转换为主。
11. 丝杠螺母机构的基本传动形式有：螺母固定丝杆转动并移动、丝杆转动螺母移动、螺母转动丝杆移动、丝杆固定螺母转动并移动四种形式。
12. 滚珠丝杠副按螺纹滚道截面形状分为单圆弧和双圆弧两类；按滚珠的循环方式分为内循环和外循环两类。
13. 滚珠丝杠副轴向间隙调整与预紧的基本方法有：双螺母螺纹预紧调整、双螺母齿差预紧调整、双螺母垫片调整预紧、弹簧自动调整预紧四种方式。
14. 滚珠丝杠副常选择的支承方式有：单推—单推式、双推—双推式、双推—简支式、双推—自由式。
15. 机电一体化系统（产品）常用齿轮传动形式有定轴轮系、行星轮系和谐波轮系三种形式。
16. 在机电一体化系统机械传动中，常用的传动比分配原则有：重量最轻原则、转动惯量最小原则、传动精度最优原则等。
17. 常用导轨副的截面形式有：三角形导轨、矩形导轨、燕尾形导轨、圆形导轨四种形式。
18. 导轨刚度主要指：结构刚度、接触刚度和局部刚度。
19. 机电一体化系统（产品）中，常可选择的执行元件：电磁式、液压式、气压式和其他形式的执行元件。
20. 电动机的工作特性分为恒转矩工作和恒功率两个阶段，其转折点的转速和功率分别称为：额定转速和额定功率；伺服电动机用于调速控制时，应该工作在恒转矩阶段。
机电一体化系统的设计方法
机电一体化系统的设计方法
机电一体化系统的设计方法包括以下几个方面：
1. 概念设计：在机电一体化系统的设计初期，需要进行概念
设计，明确系统的功能、性能和结构等需求。
这个阶段需要进行需求分析、方案比较和选优等工作，确定系统的整体框架和设计指标。
2. 结构设计：在概念设计确定后，需要进行具体的结构设计，包括机械结构和电气结构的设计。
机械结构设计要考虑系统的运动学和动力学要求，选择合适的传动方式、机构和零部件等。
电气结构设计要考虑系统的电力和信号传输等需求，选择合适的电源、驱动器和控制器等。
3. 控制设计：机电一体化系统的控制设计是整个系统的关键，需要针对系统的工作原理和特点进行控制算法的设计。
根据系统的动态响应和稳态性能要求，选择合适的控制方法和参数调节方式，设计控制系统的结构和参数。
4. 效能设计：机电一体化系统的效能设计包括能量利用和噪
声控制等。
要在设计过程中考虑到能量的损失和转化效率，提高系统的能效。
同时，要对系统的噪声产生和传播进行分析和控制，减少系统产生的噪声。
5. 可靠性设计：机电一体化系统的可靠性设计是确保系统正
常工作和长期稳定运行的关键。
要进行可靠性分析和评估，识别可能的故障模式和失效原因，并采取相应的设计措施，提高
系统的可靠性和可维护性。
综上所述，机电一体化系统的设计方法涉及概念设计、结构设计、控制设计、效能设计和可靠性设计等方面，需要综合考虑系统的功能需求、结构特点、控制要求和效能指标，以实现系统的整体一体化和优化设计。
浅谈机电一体化系统设计的目标和方法
ＯＣＣＵＰＡＴＩＯＮ121 2010 7机电一体化，是在微型计算机为代表的微电子技术、信息技术迅速发展并向机械工业领域迅猛渗透，以及与机械电子技术深度结合的现代工业的基础上，综合应用机械技术、微电子技术、信息技术、自动控制技术、传感测试技术、电力电子技术、接口技术和软件编程技术等群体技术，即实现多种技术功能复合的最佳功能价值系统工程技术。
一、现代机械的机电一体化目标1.提高精度机电一体化技术使机械传动部件减少，因而使由机械磨损、配合间隙及变形而引起的误差大为减小。
同时，由于机电一体化技术采用电子技术实现自动检测和自动控制，校正和补偿由各种干扰因素造成的动态误差，从而达到单纯机械装备所不能实现的工作精度。
2.增强功能现代高新技术的引入，使机械产品具有多种复合功能，成为机电一体化产品和系统的一个显著特点。
3.提高生产效率机电一体化系统可以有效地减少生产准备时间和辅助时间，缩短新产品的开发周期，提高产品的合格率，减少操作人员，从而提高生产效率，降低生产成本。
4.节约能源，降低能耗通过采用低能耗的驱动机构、最佳调节控制和提高能源利用率等措施，机电一体化产品和系统可以取得良好的节能效果。
5.提高安全性、可靠性机电一体化系统通常具有自动检测、监控子系统，因而可以对各种故障和危险自动采取保护措施并及时修正参数，提高系统的安全可靠性。
6.改善操作性和实用性机电一体化系统的各相关子系统的动作顺序和功能协调关系由控制系统决定。
随着计算机技术和自动控制技术的发展，可以通过简便的人机界面操作，实现复杂的功能控制和良好的使用效果。
7.减轻劳动强度，改善劳动条件减轻劳动强度包括繁重的体力劳动和复杂的脑力劳动。
机电一体化系统能够由计算机完成设计制造和生产过程中极为复杂的人的智力活动和资料记忆查找工作，同时又能通过过程控制自动运行，从而替代人的紧张和单调重复操作以及在危险环境下的工作。
8.简化结构，减轻重量机电一体化系统采用先进的电力电子器件和传动技术，替代老式笨重的电气控制和机械变速结构，由微处理器和集成电路等微电子元件和程序逻辑软件，完成过去靠机械传动链来实现的关联运动，从而使机电一体化产品和系统的体积小，结构简化，重量减轻。
《机电一体化系统设计》复习资料大纲
《机电一体化系统设计》一、名词解释1、采样：将连续时间信号转变为脉冲数字信号的过程。
2、导轨导向精度：动导轨按给定方向作直线运动的准确程度。
3、执行元件：将控制信号转换成机械运动和机械能量的转换元件。
4、可靠性：系统(产品)在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。
5、机电融合法：将各组成要素有机融合为一体而构成专用或通用的功能部件(子系统)，其要素之间机电参数的有机匹配比较充分。
6、机电一体化：在机械的主功能、动力功能、信息功能、控制功能基础上引入微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机地结合所构成系统的总称。
7、反馈：通过适当的检测传感装置将输出量的全部或一部分返回到输入端，使之与输入量进行比较，用其偏差对系统进行控制，反馈控制的目标是使该偏差为零。
8、伺服系统：又称随动系统，是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统，使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标(或给定值)的任意变化的自动控制系统。
9、微机控制系统：是将微型计算机作为机电一体化产品的控制器，结合微型计算机的工作原理、接口电路(数字和模拟)的设计、相应的控制硬件和软件，以及它们之间的匹配，实现对控制对象的有效控制。
10、适应性设计：是在总的设计方案、原理基本保持不变的情况下，对现有产品进行局部更改，或用微电子技术代替原有的机械结构或为了进行微电子控制对机械结构进行局部适应性设计，以使产品在性能和质量上增加某些附加价值。
11、PLC：采用微型计算机的基本结构和工作原理，融合继电接触器控制的概念构成的一种控制器，使用可编程存储器存储用户设计的应用程序指令，由指令实现逻辑运算、顺序操作、定时、计数、算术运算和I/O接口通讯来控制机电一体化系统(产品)。
二、填空题1、机电一体化系统由机械系统、信息处理系统、动力系统、(传感检测系统、和执行元件系统)五个子系统工组成。
2、常用的机电一体化系统必须具备的三大目的功能是变换(加工、处理)功能；传递(移动、输送)功能、储存(保持、积蓄、记录)功能。
机电一体化系统设计伺服系统设计
二、伺服电机及其控制
2 直流电机的功率驱动 直流电机的调速电路目前以脉冲宽度调制电路应
用最为广泛.
桥式(H形)PWM变换器主电路
二、伺服电机及其控制
作用在电机两端的 平均电压为：
UAB(2Tton1)Us
二、伺服电机及其控制 3 直流伺服系统模型
二、伺服电机及其控制
1校正环节：一般速度环调节器为比例环节 G1S =Kp
1 系统等效转动惯量 的计算
系统运动部件动能的总和J d为x
E1 2im 1Mi Vi21 2jn1Jj
2 j
二、伺服系统稳态设计
设等效到执行元件输出轴上的总动能为
Edx
1 2
Jdx
d2
根据动能不变的原则,有 Edx ,E系统等效转动惯量
为
Jdxim 1Mi Vid2jn1Jj dj 2
一、方案设计
4．控制系统方案的选择 控制系统方案的选择包括微型机、步进电动机
控制方式、驱动电路等的选择.常用的微型机有单 片机、单板机、工业控制微型机等,其中单片机由 于在体积、成本、可靠性和控制指令功能等许多 方面的优越性,在伺服系统的控制中得到了广泛的 应用.
二、伺服系统稳态设计
系统方案确定后,应进行方案实施的具体化设 计,即各环节设计,通常称为稳态设计.其内容主要 包括执行元件规格的确定、系统结构的设计、系 统惯量参数的计算以及信号检测、转换、放大等 环节的设计与计算.稳态设计要满足系统输出能力 指标的要求.
可按下面公式计算
360
0பைடு நூலகம்
Zm
式中 为步距角； Z为转子上的齿数；m为
步进电动机运行的拍数.
同一台步进电动机,因通电方式不同,运行时步 距角也是不同的
机电一体化系统的稳态设计考虑方法
机电有机结合的稳态设计考虑方法 在机电伺服系统主要元件选择或设计、各部分之间连 接方式、系统控制方式、所需能源供给形式、校正补偿 方法、信号转换方式等初步确定的基础上，进行机电系 统总体方案的稳定性设计——静态设计，为机电系统的 动态设计创造条件。 重点研究：系统自身的稳态特性（假设无外界干扰）
活塞车床整体结构图
活塞车床的X轴进给机构结构
目的：获取负载特征参量。 方法：综合负载特性，进行有效组合，获取必要负载特 征参量。为系统执行元件，机械变换机构等的选用或设 计，系统进行稳定性设计和动态设计创造条件。
6
Y
3
2
4 X
5
1
（2）惯量和负载的等效换算
惯量和负载转换的作用： 为使所选择执行元件（功率、力/力矩、运动参量）与
• 三维扫描是集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术， 主要用于对物体空间外形和结构进行扫描，以获得物体表 面的空间坐标。它的重要意义在于能够将实物的立体信息 转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供 了相当方便快捷的手段。
• 高速三维扫描及数字化系统在反求工程中发挥着巨大作用， 高速三维扫描仪已在我国多家模具厂点得到应用,取得良 好效果。该系统提供了从模型或实物扫描到加工出期望的 模型所需的诸多功能,大大缩短了模具的研制制造周期。 由于三维扫描系统已在汽车、摩托车、家电等行业得到成 功应用,相信以后将发挥更大的作用。
典型机电一体化系统 —工业机器人的组成与运动特征
转动关节
移动关节
连杆
• 工作空间 • 自由度 • 位姿 • 关节变量
机械手（manipulator）: 手臂型机器人 的简称，它是多个连杆通过关节结合起来的 机构，机械手由手臂、关节、末端执行器构 成。
国家开放大学《机电一体化系统综合实训》作业1-4参考答案
国家开放大学《机电一体化系统综合实训》作业1-4参考答案作业1一、名词解释(每小题2分，共10分)1. 测量——是人们借助于专门的设备，通过一定的方法对被测对象收集信息，取得数据概念的过程。
2.灵敏度——指在稳态下，输出的变化量ΔY与输入的变化量ΔX的比值。
即为传感器灵敏度。
S=dy/dx=ΔY/ΔX3. 压电效应——某些电介质，当沿着一定的方向对它施加力而使它产生变形时，内部就会产生极化现象，同时在它的两个表面上将产生符号相反的电荷。
当外力去掉后，它又重新恢复到不带电的状态，这种现象被称为压电效应。
4. 动态误差——在被测量随时间变化过程中进行测量时所产生的附加误差称为动态误差。
5. 传感器——是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的，便于应用的某种物理量的测量装置。
二、填空题（每小题2分，共20分)1. 滚珠丝杆中滚珠的循环方式：（内循环）和（外循环）。
2. 机电一体化系统，设计指标和评价标准应包括（性能指标），（系统功能），（使用条件）。
3. 顺序控制系统是按照预先规定的次序完成一系列操作的系统，顺序控制器通常用（PLC）。
4. 某光栅的条纹密度是50条/mm，光栅条纹间的夹角θ=0.001孤度，则莫尔条纹的宽度是（20mm）。
5. 连续路径控制类中为了控制工具沿任意直线或曲线运动，必须同时控制每一个轴的（位置和速度），使它们同步协调到达目标点。
6. 某4极交流感应电机，电源频率为50Hz，转速为1470r/min，则转差率为（0.02）。
7. 齿轮传动的总等效惯量与传动级数（增加而减小）。
8. 累计式定时器工作时有（2）。
9. 复合控制器必定具有（前馈控制器）。
10. 钻孔、点焊通常选用（简单的直线运动控制）类型。
三、选择题（每小题2分，共10分）1. 一般说来，如果增大幅值穿越频率ωc的数值，则动态性能指标中的调整时间ts（）A. 产大B. 减小C. 不变D. 不定2. 加速度传感器的基本力学模型是（）A. 阻尼—质量系统B. 弹簧—质量系统C. 弹簧—阻尼系统D. 弹簧系统3. 齿轮传动的总等效惯量与传动级数（）A. 有关B. 无关C. 在一定级数内有关D. 在一定级数内无关4. 顺序控制系统是按照预先规定的次序完成一系列操作的系统，顺序控制器通常用（）A. 单片机B. 2051C. PLCD. DSP5、伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、比较环节和检测环节等个五部分。
机电一体化复习题
第一章绪论1.机电一体化的2个狭义概念、1个广义概念狭义：（1）机电一体化是利用计算机的信息处理功能对机械进行各种控制的技术。
（2）机电一体化是利用电子、信息（包括传感器、控制、计算机等）技术使机械柔性化和智能化的技术。
广义上可以简要概括为“机械工程与电子工程相结合的技术，以及应用这些技术的机械电子装路”。
2.机电一体化系统的基本组成与控制方式（1）机电一体化系统的基本组成①机械部分（机构要素）：像机器人的机械手那样实现目标动作。
②执行装路（能量转换要素）：将信息转换为力和能量，驱动机械部分运动。
③传感器（检测要素）：对机械运动结果进行测量、监控和反馈。
④控制装路（控制要素）：对控制信息和反馈信息进行处理，向执行装路发出动作指令。
（下面的图要求会画）控制器IT ----------- L |11，显示務I1—II卫幫机：—o 一!巾‘一执行養置I—「持动机构］一0—》------------------------- 传感毒＜--------------------------图2.2机电一怵化系统的组成（2）控制方式:开环：系统中无位路反馈，也没有位路检测元件。
②闭环：电动机带有速度反馈装路，被控对象装有位移测量元件。
③半闭环：这类系统的位路检测元件不是直接安装在进给系统的最终运动部件上，而是经过中间机械传动部件的位路转换，称为间接测量。
3.对比分析机械调速器与电子调速器(1)机械式调速器利用了著名的离心力原理，完全由机械零件构成，必须在准确得知各零件的重量和摩擦系数的基础上，通过选择和调整重锤及弹簧来进行精确控制。
优点：简单易制，调整及维护比较方便；但是灵敏度和调节特性较差。
且柔性差；(2)电子调速器：与机械调速器相比，电子调速器调速精度高，灵敏度也高，易实现自动化等优点，只要改变设定值和电路或者改变软件就可以选择采用P、I、D PI、PID，甚至更高级的控制，对于实现最佳控制具有很好的柔性。
机电一体化系统设计方法及其发展
机电一体化系统设计方法及其发展鄂尔多斯市滨海金地运营管理有限公司摘要：由于机电一体化系统的主功能仍然是完成特定的工艺动作要求,执行机构是完成主功能的主体,而信息检测和信息处理则是完成主功能的保证。
因此,在该过程模型中执行机构的运动方案设计仍然是核心,但要充分考虑信息检测和信息处理。
以上原因决定了机电一体化系统概念设计过程模型和传统的机械运动系统概念设计过程模型有相似之处,同时,由于电子技术、计算机技术的融入也必然导致两者概念设计过程模型上的差异。
关键词：机电一体化；系统概念设计；基本原理引言机电一体化系统广泛地综合了机械、微电子、自动控制、信息、传感测试、电力电子、接口、信号变换和软件编程等技术，并将这些技术有机的结合成一体，它是当今世界机械工业技术和产品发展的潮流。
机电一体化技术并非现代尖端技术，它是微电子技术和精密机械技术相互融合，是实现系统整体最优化的产物，属于技术综合应用范畴。
是充分挖掘多学科合作共生的体现。
1机电一体化认识日本在1971年提出一个新的英文集成名词“Mechatronics”词首Mecha取自Mechanics（机械学），词尾tronics取自Electronics（电子学）。
我国经常译为机电一体化或机械电子学。
在1981年德国工程师协会，德国电气工程技术人员协会共同组成的精密工程技术专家组提出的“关于大学精密工程技术专业的建议书”中，把精密工程技术定义为光-机-电一体化的综合技术。
它包括机械（含液压，气动及微机械），电工与电子，光学等技术及其组合，其核心为精密工程技术。
在当前“信息爆炸”的形式下，相对于专门型人才来说，市场对复合型人才的需求更加迫切。
在中国，我们认为机械发展新阶段是机电一体化阶段。
机电一体化是指在机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术，将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称。
机电一体化发展至今也已成为一门有着自身体系的新型学科，随着科学技术的不但发展，还将被赋予新的内容，基本特征可概括为：机电一体化是从系统的观点出发，综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术，根据系统功能目标和优化组织目标，合理配置与布局各功能单元，在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值，并使整个系统最优化的系统工程技术。
机电一体化的机械系统设计环节
机电一体化的机械系统设计环节
机电一体化的机械系统设计主要包括两个环节：静态设计和动态设计。
1、静态设计
静态设计是指依据系统的功能要求，通过讨论制定出机械系统的初步设计方案。
该方案只是一个初步的轮廓，包括系统主要零、部件的种类，各部件之间的联接方式，系统的掌握方式，所需能源方式等。
有了初步设计方案后，开头着手按技术要求设计系统的各组成部件的结构、运动关系及参数；零件的材料、结构、制造精度确定；执行元件（如电机）的参数、功率及过载力量的验算；相关元、部件的选择；系统的阻尼配置等。
以上称为稳态设计。
稳态设计保证了系统的静态特性要求。
2、动态设计
动态设计是讨论系统在频率域的特性，是借助静态设计的系统结构，通过建立系统组成各环节的数学模型和推导出系统整体的传递函数，利用自动掌握理论的方法求得该系统的频率特性（幅频特性和相频特性）。
系统的频率特性体现了系统对不同频率信号的反应，打算了系统的稳定性、最大工作频率和抗干扰力量。
静态设计是忽视了系统自身运动因素和干扰因素的影响状态下进行的产品设计，对于伺服精度和响应速度要求不高的机电一体化系统，静态设计就能够满意设计要求。
对于精密和高速智能化机电一体化系
统，环境干扰和系统自身的结构及运动因素对系统产生的影响会很大，因此必需通过调整各个环节的相关参数，转变系统的动态特性以保证系统的功能要求。
动态分析与设计过程往往会转变前期的部分设计方案，有时甚至会推翻整个方案，要求重新进行静态设计。
第六章 机电有机结合的分析与设计
m
n
T k FiVi k Tj j k
i1
j 1
T
k
60
2
m i1
Fi Vi
n
nk Tj n j
j 1
nk
一、稳态设计——负载分析
（3)计算举例
已知：Mg＝400kg； FL＝800N(含的摩擦阻力)； Jm＝4×10-5kgm 2， JI＝5×10-4kgm2； JII＝7×10-4kgm2， TL＝4Nm； Z1=20, Z2=40，m=1
伺服系统的稳态设计就是要从两头入手
首先从系统应具有的输出能力及要求，选定执行元件和传动装置； 再从系统的精度要求出发，选择和设计检测装置及信号的前向和后 向通道。 最后通过动态设计计算，设计适当的校正补偿装置、完善电源电路 及其它辅助电路，从而达到机电一体化系统的设计要求。
四、稳态设计——检测传感装置、信号转换接口电 路、放大装置及电源等的匹配选择与设计
后验算是否满足
i Lmax m
式中
LmaxLmax
为负载的最大角速度；
m m
为电机输出轴的角速度。
三、稳态设计——减速比的匹配选择与 各级减速比的分配
总减速比确定后，需合理确定减速级数及分配各级速 比，其分配原则参看第二章。
29
四、稳态设计——检测传感装置、信号转换接口电 路、放大装置及电源等的匹配选择与设计
干扰措施等， ✻ 为后面动态设计中的校正补偿装置的引入留有余地。
动态设计
动态设计主要目的
✻ 机电伺服系统的稳态设计只是初步确定了系统的主回路，但并 不完善。
✻ 在稳态设计基础上所建立的系统数学模型一般不能满足动态品 质的要求，甚至是不稳定的。
动态设计的主要内容
机电一体化
机电一体化1.单片机、单板机、PLC、嵌入式系统的区别和联系？答：单片机是在一块芯片上集成了中央处理单元，数据存贮器、程序存贮器、定时器/计数器、时钟电路以及输入输出接口等部件，包含了一个数字处理系统所需的全部功能。
其硬件最简单，字长一般为8位，也有16位的，存储空间最小。
集成的片内外设比较丰富。
由于硬件的局限性，导致软件上就不能太大，一般没有操作系统。
单板机是把微处理器、一定容量的ROM、RAM和输入、输出接口等大规模集成电路芯片组装在一块印刷电路板上，配备小型键盘和显示装置。
在ROM中固化监控程序，并且具有较强的扩充能力和完备的外部设备接口能力。
（微型计算机是将单板机、控制面板、电源等组装在一个机箱内而构成的完整微型计算机系统。
除具有较大容量的存贮器外，一般还配有软、硬磁盘、显示屏、打印机等多种外设和足够的软件系统。
）PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC是建立在单片机之上的产品，它自身就是一个复杂的嵌入式系统，PLC和单片机最大的区别是PLC可靠，抗干扰能力强，适用于工业现场。
嵌入式系统是以应用为中心，计算机技术为基础，软硬件可剪裁，适应应用系统对功能，成本，体积，可靠性，功耗严格要求的计算机系统。
硬件集成度高，集成的片内外设很多，通常集成串口，USB，CAN等各种控制器，通讯方便。
字长一般32位。
性能高，速度快，主频一般100M左右，ARM9可达600M。
存储空间大，可以支持操作系统。
2.什么是稳态设计和动态设计？答：稳态设计：①使系统的输出运动参数达到所要求技术状态②执行元件的参数选择③功率（力/力矩）匹配以及过载能力的验算。
④各主要元件的选择与控制电路的设计⑤信号的有效传递⑥各级增益的分配⑦各级之间阻抗的匹配和抗干扰措施等，并为后面动态设计中的校正补偿装置的引入留有余地。
简 述 题
简述题1.机电一体化技术或产品的定义。
在机械的主功能动力功能信息功能控制功能基础上引入微电子技术电子装置用相关软件有机的结合所构成的系统的总称。
2.机电一体化系统或产品设计的目的是什么主要目的增加机械系统或产品的附加值和自动化程度。
3.机电一体化系统产品的主要构成单元或组成部分有哪些机械系统电子信息处理系统动力系统传感系统执行控制系统4、简述机电一体化系统或产品的机电结合融合设计方法。
机电结合设计方法是将个组成要素有机的结合为一体而构成专用或通用的之间机电参数的有机匹配比较充分5、简述机电一体化系统产品的机电组合设计方法特点是什么。
机电一体化系统的机电组合设计方法是将用结合法制成的功能部件功能模块像积木那样组合成各种机电一体化系统特点是可以缩短设计与研制周期节约工装设备费用且有利于生产管理使用和维修。
6.机械传动系统在机电一体化系统产品中的基本功能和作用是什么机械传动系统在机电一体化系统中的基本功能是传递力/转矩和速度/转速。
实质上是一种转矩转速变换器。
作用是使执行原件与负载之间在转矩和转速方面达到合理的匹配7.简答机电一体化机械传动的主要功能目的基本要求。
功能传递力/转矩和速度/转速目的使执行元件与负载之间在转矩和转速方面达到合理的匹配。
基本要求转动间隙小精度高体积小重量轻运动平稳传动转矩大。
8.机电一体化系统产品的机械部分与一般机械系统相比应具备哪些特殊要求1.较高的定位精度。
2.良好的动态响应特性响应快稳定性好收敛时间合理。
3。
无间隙低摩擦低惯量大刚度。
4。
高的消振频率合理的阻尼比9.简述滚珠丝杠传动装置的组成结构和应用特点。
滚珠丝杠传动装置的组成由带螺旋槽的丝杆螺母滚动元件回珠装置组成。
结构丝杆轻动时带动滚珠螺纹滚道滚动为阻止滚珠从滚道端面掉出在螺母的螺旋槽两端没有滚珠回程引导装置构成滚珠的循环返回通道从而形成滚珠滚动的闭合通路。
应用特点阻尼小传动效率高合理的结构设计适应大刚度传递可实现无间隙工作不能自锁10.试分析齿轮传动中定轴传动、行星传动、谐波传动的组成与传动特点。
机电一体化系统设计试题答案汇总(完整版)
机电一体化系统设计考试资料1.机电一体化：在机械的主功能、动力功能、信息与控制功能上引进了电子技术、并将机械装置与电子设备以以及软件等有机结合而成的系统的总称。
2.工业三大要素：物质、能量和信息3.机电一体化系统由机械系统、电子信息处理系统、动力系统、传感检测系统、执行元件系统等五个子系统构成。
4.机电一体化系统设计流程：（1）根据目的功能确定产品规格、性能指标（2）系统功能部件、功能要素的划分（3）接口的设计（4）综合评价（5）可靠性复查（6）试制与调试5.机电一体化系统设计的考虑方法：（1）机电互补法：利用通用或专用电子部件取代传统机械产品中的复杂机械功能部件或功能子系统。
（2）结合法：将各组成要素有机结合为一体构成专用或通用的功能部件。
（3）组合法：将用结合法制成的功能部件、功能模块，像积木那样组合成各种机电一体化产品。
6.机电一体化设计类型：（1）开发性设计：是没有产品的设计，仅仅是根据抽象的设计原理和要求，设计出在质量和性能方面满足目的要求的系统。
（2）适应性设计：是在总的方案原理基本保持不变的情况下，对现有产品进行局部更改，或用微电子技术代替原有的机械机构或为了进行微电子控制对机械结构进行局部适应性设计，以使产品的性能和质量增加某些附加价值。
（3）变异性设计：是在设计方案和功能结构不变的情况下，仅改变现有产品的规格尺寸使之适应于量的方面有所变更的要求。
7.机电一体化设计程序：（1）明确设计思想（2）分析综合要求（3）划分功能模块（4）决定性能参数（5）调研类似产品（6）拟定总体方案（7）方案对比定型（8）编写总体设计论证书8.设计准则：在保证目的功能要求与适当寿命的前提下不断降低成本。
9.设计规律：根据设计要求首先确定离散元素间的逻辑关系，然后研究其相互间的物理关系这样就可根据设计要求和手册确定其结构关系，最终完成全部设计工作。
10.绿色设计：在新产品的开发阶段，就考虑其整个生命周期内对环境的影响，从而减少对环境的污染、资源的浪费、使用安全和人类健康等所产生的副作用。
机电一体化分析论述题
三、分析论述题1. 简述如图2所示死杠螺母传动机构的特点。
P24A ：结构简单，传动精度高。
螺母支撑丝杆可消除轴向蹿动，刚性较差。
B ：结构紧凑，丝杆刚性较高，要限制螺母移动，需导向装置。
C ：结构复杂，占用空间较大，传动时间需限制螺母移动和丝杆转动。
D ：结构简单，紧凑，丝杆刚性较高，但使用不方便，使用较少。
2. 试分析单圆弧轨道和双圆弧轨道的结构特点（设计、制造、使用与维护） P25单圆弧滚道：结构简单，传递精度由加工质量保证，轴向间隙小，无轴向间隙调整和预紧能力，加工困难，加工精度要求高，成本高，一般在轻载条件下工作。
双圆弧滚道：结构简单，存在轴向间隙，加工质量易于保证，在使用双螺母结构的条件下，具有轴向间隙调整和预紧能力，传递精度高。
3. 试分析图示消除滚珠丝杠轴向间隙调整与预紧的工作原理与结构特点。
P31 双螺母垫片调整预紧的工作原理：在丝杆固定不动的条件下，增加垫片的厚度，可使两螺母产生相对位移，以达到消除间隙、产生预紧拉力之目的。
结构特点：结构简单，刚性好，预紧可靠，使用中调整不方便。
4. 试分析图示消除滚珠丝杠副轴向间隙调整与预紧的工作原理与结构特点 P30双螺母螺纹预紧调整的工作原理：右边螺母的外端有凸缘，而左边螺母螺母的外端虽无凸缘，但制有螺纹，并通过两个圆螺母固定。
调整时旋转右侧调整圆螺母消除轴向间隙并产生一定的预紧力，然后用左侧锁紧螺母锁紧。
预紧后两个螺母中的滚珠相向受力，从而消除轴向间隙。
结构特点：结构简单、刚性好、预紧可靠，使用中调整方便，但不能精确定位地进行调整。
5. 简述燕尾形导轨组合的特点和间隙调整 P53 特点：制造、调试方便。
间隙调整：镶条（垫片）方法同时调整垂直和水平两个方向的间隙。
a) 螺母固定、丝杆转动并移动c) 螺母转动、丝杆移动d) 丝杆固定，螺母转动并移动b) 丝杆转动，螺母移动图1 丝杠螺母传动机构的基本传动形式6、简述双三角形组合导轨组合的特点和间隙调整 P52 特点：同时起支撑和导向作用。
机电一体化简答分析
1-5.机电一体化系统由哪些基本要素组成？分别实现哪些功能？机械系统：构造功能；信息处理系统：控制功能；动力系统：动力功能；传感检测系统：计测功能；执行元件系统：操作功能。
1-7.根据不同的接口功能说明接口的种类。
1.根据接口的变换，调整功能：零接口、无源接口、有源接口、智能接口2.根据输入/输出功能：机械接口、物理接口、信息接口、环境接口1-11.说明机电一体化系统的主要评价内容高性能化、低价格化、高可靠性比、智能化、省能化、轻薄短小化、高附加价值化。
2.机械传动部件通常有螺旋传动、齿轮传动、同步带传动、高速带传动、各种非线性传动部件等，其主要功能是传递转矩和转速。
2-5.丝杆螺母机构的传动形式及选择方法有哪些？(1) 螺母固定、丝杆转动并移动 该传动形式因螺母本身起着支承作用，消除了丝杆轴承可能产生的附加轴向窜动，结构较简单，可获得较高的传动精度。
但其轴向尺寸不易太长，刚性较差。
因此只适用于行程较小的场合。
(2) 丝杆转动，螺母移动 该传动形式需要限制螺母的转动，故需导向装置。
其特点是结构紧凑、丝杆刚性较好。
适用于工作行程较大的场合。
(3) 螺母转动，丝杆移动 该传动形式需要限制螺母移动和丝杆的转动，由于结构较复杂且占用轴向空间较大，故应用较少。
(4) 丝杆固定，螺母转动并移动 该传动方式结构简单、紧凑，但在多数情况下，使用极不方便．故很少应用。
（5）差动传动方式 多用于各种微动机构中2-16.各级传动比的分配原则是什么？输出轴转角误差最小原则是什么？ （1）重量最轻原则? 小功率传动装置各级传动比（等传动比分配，等模数原则）? 大功率传动装置 各级传动比确定，应遵循“先大后小”原则，再由经验、类比方法和结构设计紧凑等方法确定。
（不等传动比分配，不等模数原则）（2）输出转角误差最小原则 为了提高机电一体化系统中齿轮传动系统传递运动的精度，各级传动比应按“先小后大”原则分配，以便降低齿轮的加工误差、安装误差以及回转误差对输出转角精度的影响。
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稳态设计与动态设计
初步确定系统的主回路各部分特性、参数已初步确定， 便可着手建立系统的数学模型，为系统的动态设计 做好准备。
主要是设计校正补偿装置，使系统满足动态技术指标 要求，通常要进行计算机仿真，或借助计算机进行辅 助设计。
在进行机电伺服系统设计时，首先 要了解被控对象的特点和对系统的 具体要求，通过调查研究制订出系 统的设计方案。该方案通常只是一 个初步的轮廓，包括系统主要元部 件的种类、各部分之间的连接方式、 系统的控制方式、所需能源形式、 校正补偿方法以及信号转换的方式 等。有了初步设计方案就要进行定 量的分析计算，分析计算包括稳态 设计计算和动态设计计算。稳态设 计包括使系统的输出运动参数达到 技术要求、执行元件(如电动机)的 参数选择、功率（或转矩）的匹配 及过载能力的验算、各主要元部件 的选择与控制电路设计、信号的有 效传递、各级增益的分配、各级之 间阻抗的匹配和抗干扰措施等，并 为后面动态设计中的校正补偿装置 的引入留有余地。
通过上述理论设计计算，完成的还仅是一个较详细的 设计方案，这种工程设计计算一般是近似的，只能作 为工程实践的基础。系统的实际电路及实际参数往往 要通过样机的试验与调试，才能最后确定下来。这并 不等于以上设计计算是多余的，因经过设计计算后确 定的方案，考虑了机电参数的有机结合与匹配，这对试与电路参数的确定。随着机电一体化技术的发 展，机电一体化系统的自动化程度越来越高。为满足 人们生活和生产安全、可靠地使用要求，在机电一体 化有机结合分析与设计过程中，必须充分注意其可靠
谢谢！
LOREM IPSUM DOLOR
机电一体化系统（产品）的设计过程是机电参数相
互匹配，即机电有机结合的过程。机电伺服系统是 典型的机电一体化系统。本章将以机电伺服系统为 例，说明机电一体化系统设计的一般考虑方法。伺 服系统中的位置伺服控制系统和速度伺服控制系统 的共同点是通过系统执行元件直接或经过传动系统 驱动被控对象，从而完成所需要的机械运动。因此， 工程上是围绕机械运动的规律和运动参数对它们提 出技术要求的。