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
“羊”模型产Th的，剪刀的轨迹通过安放的
羊身上的传感器来实时地修正，使得剪刀与羊
身体之间总保持一定距离，但是羊必须被固定
在一个设计精巧的固定装置上，以使羊在剪毛
过程中尽可能保持平静。

3）分布式系统
机械电子系统的设备并不一定要全集中在一
起，执行器和机构可以分布在一个广大的区域
内，并且并行地工作。

(1) 车辆悬挂系统
这种系统采用四个或更多的执行器并行工作，
为了对车辆进行姿态、行驶速度和起动制动控
制，可以使每一个执行器的实时响应都参照其
它所有执行器的状态。

(2) 物流输送设备
在这个例子中，对驱动电机、传感器、升降台
和输送站都要进行协调控制，一般还要求能够
对系统中输送的单个载荷进行跟踪。

320分
机械电子系统中的机构有哪些作用？
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参考答案：答：在机械电子系统中，机构有许多功能和作
用： 1）改变速度
过去，因为使用常速电机（比如机床），或者
因为源动力设备输出力矩范围有限（如汽车发
动机），改变速度的功能对于传动系统是必不
可少的。

旋转运动的转速改变多用齿轮箱，而在气缸这一类作直线运动的执行器中，可以用杠杆机构增加速度。

在机械电子系统中，由于采用了电子控制的调速电机和执行器，对变速机构的需要已经减少了。

2）远距离传动
当动力源设备体积过大或过重，不能直接安置在需要运动的部位，就要将运动越过一定距离进行传送，这种运动的传送通常是用弹性缆索、连杆、链条或液压管道来实现的。

随着结构紧凑的电力电子、机械和液压执行器的发展，可以将执行器放置得离需要运动的部位很近，因而对于传统的传动装置的需要减少了。

例如，远距离传动，以前，主手与从手之间的传动机构是纯粹机械式的，其灵活性和施加力的能力很有限。

机械电子工程发展之后，用电
子式的连接代替了主手与从手之间的机械式连接，还采用了由操纵杆控制的自动装置。

3）力的放大和反馈
在作用力输入端和输出力的作用点之间，经常要用到力的放大。

如飞机的驾驶杆、船舶的舵轮、大型卡车的方向盘、汽车刹车伺服系统和主从式机械手。

在这些场合中，操作者不可能直接施加足够大的力。

由于采用由集成电路实现的控制，对力的放大的机械结构一般不再需要了，而由伺服系统代替，例如电控飞行的飞机驾驶杆与方向舵的伺服系统。

用电信号控制执行器后，以往操作者熟悉的力感不复存在了，但是在很多此类情况中操作者需要这种力感，因此需要为操作者提供力的反馈，以便使他能够始终保持对系统工作状况的了解。

4）参数的控制
参数控制装置常常是各种调节速度或力的机械控制装置，这些装置现已由闭环电子控制系统所代替。

一个典型的例子是汽车柴油发动机的电子控制装置，油门控制踏板与燃料注射泵上的流量控制齿条之间的机械式连接件完全被电子控制齿条定位装置所取代，脚踏板上采用了一个电位器作为传感器，而司机脚上的力度感则是由反馈弹簧模拟的。

5）物料传送
传送物料常用的机构有间歇式传送机构和带传动横梁的传送机构。

这些机构的性能适用于许多种物料，尤其是在可能遇到很大惯性力的场合。

6）运动间的同步
机械加工过程中需要实现运动间的同步，以往这种同步是依靠一些专门设计的特殊机构来实现的，譬如仿形车床上用的一类机构，这类机构用来描绘一条给定的空间轨迹，或者跟随一个模板边缘形状行走。

这种功能现在完全可以用程序控制来实现，也可以用带有 2
～3 个执行器的光学跟踪设备来实现。

7）节省仿形切削的时间
在机床上，常用惠氏快速返回机构来节省无效运动的时间。

在外形加工机械上，正向运动需要较低的速度和较大的切削力，惠氏机构可以产Th快速的返回运动。

对于需要采用这类机构的机床，执行器的电子控制是最佳选择，这主要是因为它能很方便
地改变速度和冲击力等参数。

8）改变参照系
在某些应用中，特别是在那些工件随机地从各个方向送来的场合，往往需要用另外一套附加机构来将主要工作机构移动到新的位置，这就需要变换参照系。

现在这种参照系的变换可以通过软件完成。

如搬运机器人系统就能够自动调节其方向与参照系指定方向一致，这
个参考方向是由视觉定位系统确定的。

有了自动改变参考方向的视觉定位系统，就不再需要以往的附加机构了。

9）传送操作
在多数制造系统中，要把工件从一个位置传送到另外一个位置，以便完成不同的加工工序。

大量传送工件多使用传送带或悬挂传送线，灵活性很差。

近些年，由于引进了无人搬运系统，大大增强了工件传送的灵活性。

有些机床需要进行工位间传送工件，柔性制造单元中使用的机器人便是这方面的一个例子，这种机器人的
用途是把工件在单元中不同工位之间搬运。

420分
与传统机械产品相比，机电一体化产品有哪些显著特征？
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参考答案：答：机电一体化技术用于传统的机械产品上就
变成了机电一体化产品。

机电一体化产品既不
同于传统的机械产品，也不同于普通的电子产
品。

随着科学技术的发展，机电一体化的“机”
目前已扩大到电动机、电器、仪表、乐器等,
“电”也扩大到光，如红外线、激光。

而且机
电一体化的概念并非局限于某一产品的狭窄
范围，如数控机床、机器人等。

到目前为止，
机电一体化的应用领域还在不断地扩展，与
之相适应的应用面很广，种类繁多。

按照机电
一体化产品的功能可大致地进行如下分类；
1) 在原有的机械本体上采用电子控制设备
实现高性能和多功能。

例如，数控车床、机器
人、发
动机控制系统、洗衣机、汽车防滑制动器等。

2) 用电子设备局部置换机械控制机构。

例
如，电子缝纫机、电子打印机、自动售货机等。

3) 在信息机器中与电子设备有机结合的机
构。

例如，传真机、打印机、复印机、录音机、
录像机、存储器等。

4) 用电子设备全面置换机械结构的信息处
理机构。

例如，石英电子钟表、电子计算机、
电子秤、
按钮式电话机和电子计费器等。

5) 在检测系统中与电子设备有机结合的机
构。

例如，电火花加工机床、线切割放电加工
机、激光测量机等。

520分
机械电子系统的结构有哪些作用？
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参考答案：答：结构的作用可以归结为以下几条： 1）提
供载荷的传递路径以及承受有效负载
结构件要承载系统零部件的所有重力，同时承
受系统运行时或移动中产Th的振动。

载荷要
经过结构直接或间接地被传递到某个参考物
(如地面) 上，这被称作载荷的接地。

2）保证精度和重复牲
人手可以完成多种不同的任务，譬如各种装配
操作，但是人的精度不高。

而机器能够在很小
的公差范围内进行操作，但灵活性有限。

在采
用开环控制的系统中，对机构和结构的精度有
很高的要求，因为只有足够高的精度才能保证
运动的重复佳和一致性。

3）将系统与环境隔离
外界环境的应力、振动、温度和湿度等变化不
应影响系统的性能。

对于环境的要求应当在
详细设计开始之前的总体设计阶段就予以规
定。

4）支撑传感器、控制器和执行器
传感器、控制器和执行器要安装在结构上，故
结构要对传感器、控制器和执行器提供物理支
撑。

结构还要保证当系统在所规定的环境中工
作时，系统各部分之间留有适当的空间分隔或间隙。

5）支撑和引导机构
各个机构对执行器或负载来说，要求必须是载荷接地的，而载荷接地必须通过结构。

而且，各机构要依靠结构来保证精确的定位和运动轨迹的稳定牲。

6）支撑布线、控制器和显示器
设备中运动部分和发热部位的导线、电缆需要适当的结构给以保护。

人机界面的设计可能要求把控制器和显示器安装在结构件上的某个部位。

7）支撑动力源
有些系统自身带有内部的动力源，如可充电的手持式动力工具和无人驾驶搬运车的蓄电池，这种动力源与设备中其他部分相比往往要重一些，因此结构中在安放动力源的部位应适当加固。

8）外壳和封装
在某些产品，如手持式电动工具中，结构与外壳是个整体，这种设计的结构很紧凑，
便于装配。

这类系统中结构和外壳的设计是无法分开的。

9）存放替换部件和工具
数控机床上用做自动换刀装置的刀具盘就是一种复杂而精密的存储结构，刀具盘上装有许多不同的刀具，能实现天人的连续操作。

但是这种机构在加工过程中可能把振动传给主机结构，这样就会带来一些问题，导致精密工件的表面租是反对以令人满意。