机械电子工程概论3

机械电子工程设计方法有哪些特点？

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参考答案：答：以往在机械系统中引入控制的方法与机械电子工程设计方法之间有着根本的差别。前者是在已完成设计、甚至已完成制造的机械系统中附加上测量和控制装置，而后者为了充分利用微处理器功能，要求对机械系统进行重新设计。

从根本没有控制到开环控制，又从开环控制发展到由传感器将信号送给操作者的反馈控制

再发展到闭环控制、自适应控制以至智能控制。随着机械电子系统日益复杂，系统故障诊断也越来越需要测量、传感技术和计算机技术。现在复杂的机电系统从设计到运行、诊断都用到了最新颖的信息技术和控制技术。

分利用微处理器功能，要求对机械系统进行重新设计。传统设计方法与机械电子工程设计方

法之间的主要差别可以总结为如表所示：

传统设计方法与机械电子工程设计方法的对比

机械电子工程设计方法并不排除采用设计良好的机械装置，相反，从机床、量具等机械设计领域的标准设计方法中获得了许多有益的借鉴。

机械电子工程设计方法的适用

范围依赖干所要控制的加速度和力的大小，以及驱动设备的转换速率。在加速度数值极高的场合下，如卷烟制造机械、罐头制造机械和报纸印刷机这类大批量自动化Th产机械中，传统的机械式凸轮虽然仍在使用，但是在这样的系统中，机械电子工程设计方法在故障诊断和状态监视中也起着重要的作用。

机械电子工程方法能够为传统机械产品的改进和新型机电产品开发的设计提供新的思路，

这里用以下几方面的例子进行说明。1）机构的简化

许多机构可以用机械电子工程设计方法予以简化，如洗削加工时，工作台运动速度的控制和位置的控制就可以由微处理器和执行器完成，以下是两个这样的例子。

(1)打字机

传统的打字机一般由一些击键和字头运动的机构、回车换行机构及进纸机构组成。加上了电子控制后，打字机的发展经历了菊花轮式打字机、带有微处理器的点阵打印机、一直到带有微处理器的激光打印机，这种打印机既可以打印文字又可以打印高分辨率的彩色图形。 (2)大型天文望远镜

在大型天文望远镜上，采用了由常速马达驱动的体积庞大的机构。但如果采用机械电子工程

的设计方法，就可以造出一种由计算机控制的有两个自由度的平衡支撑结构，它十分紧凑可以跟踪宇宙空间的任何目标。

2）机构功能的增强

将优良的机械设计与闭环控制相结合，可以提高运动的速度和精度，增强运动的灵活性。

以一个在两个固定端之间作往复运动的机构为例，在采用比例控制的闭环控制系统中，执行器零件上所受的力较小，构件可以造得较轻，从而其惯性也就较小；而工作在两个固定端之间的执行器零件上所受的力较大，因此构件也较笨重。

一些早期的机械手就是在两个固定制动端之间往复运动的，这种机械手有着十分复杂的机

构来使它们的抓取装置沿直线运动。后来的设计是对机器的每一根轴使用直流伺服驱动电机及谐波减速器，从而对每一根轴进行可编程的比例转速控制，但是由于这些电机

空间运动的惯性效应十分显著，最近又采用直流力矩电

机，它安装在机器人的底座上，通过同轴的钢管和钢带驱

动各轴。

3）机构的替代

在某些特定的情况中，机构完全可以省略，而以微处理器

和执行器来代替完成其功能。

(1) 电子钟表

在这个例子中，精密的机械装置可以用一块集成电路来代

替，并带有发光二极管、液晶显示或模拟显示和控制按钮

组成的用户界面集成电路提供了与机械手表相当甚至计

时显示可到0.01s 级，又有日历、定时发声、世界各地

时间及秒表等功能，而且价格便宜的多。实际上机械系统

已被完全取代了，这里我们看到的由机械电子工程方法代

替传统方法是完全彻底的。

(2) 电控飞行

在电控飞行(fly-by-wire)这个例子中，飞行员操纵杆与

水平翼、方向舵之间的连接部分被一台微处理器，一根信

号线和一个执行器代替，大的杠杆式操纵杆被装在飞行员

坐椅扶手上的一个小电子装置代替，对力的放大作用则由

机翼上的执行机构完成。

4）机构的综合

由于采用了嵌入式微处理器，有可能进行机构和功能的综

合设计。例如，一台自动洗衣机由一台单向电机驱动，洗

涤和甩干两种工作需要两种不同的转速，洗涤还需要电机

双向运行这样就需要一个机构来产Th双速双向的运动。

如果采用变速电机和一个控制器，就可以综合变速和换向

两种功能，直接产Th双速双向运动而无需换向机构。

220分

程序控制、自适应控制和分布式控制各有什么特点？

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参考答案：答：几种典型控制方法在机械电子系统中的应

用。1）程序控制

机械电子工程设计方法的一个特点就是系统

功能可以用软件方便地重新设定。在某些情况

中，这一点可以通过让用户从一系列预先编

好的、已存储在存储器中的程序中选择所需程

序来实现，也可以从外部给系统装人新的程

序。〕以下是两个例子。

(1) 自动制造单元

本例中，产品的说明信息存储在中央计算机

里，中央计算机将信息向下传送到各制造单元

如数控机床、机器人和其他有关设备，信息的

通信是通过局域网或全厂范围的计算机网络

完成的。

(2) 自动缝纫机

自动缝纫机能够从一系列存储在程序中的针

脚款式中选择某一种，也可以选择像锁扣眼一

类的特殊针脚。自动针织机和自动绣花机可也

应用程序控制。

2）自适应控制

(1) 车辆系统

由于有了嵌入式微处理器的局部处理能力，可

以用预先编制好的程序来改变车辆路径与速

度的不同组合，以适应各种不同的路况和交通

条件，从而达到优化系统性能的目的。为提高

车辆行驶时的稳定性，主动式悬架装置的弹性

系数与阻尼系数可以自动改变，以适应所要求

的驾驶方式、车辆的载重情况以及路面状况」

它能在某个车轮弹离地面的短暂滞空时间内

控制系统的响应，这就要求系统能在几毫秒至

几十毫秒的时间内实施控制。

(2) 数控机床

先进的数控机床采用了切削速度的自适应控

制，以适应材料特性的变化。它的切削力受到

更准确的控制，切削量也是经过优化的，而这

种数控机床的体积和自重比常规数控机床有

所减小。

(3) 自动剪羊毛机器人

剪羊毛机器人是在澳大利亚研制成功的，它运

动的轨迹是根据一只由 CAD 设计的标准三维