最新机电一体化技术第二版 课后习题答案

第1章1-1、机电一体化是在机械主功能、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。

1-2、机电一体化系统的主要组成、作用及其特点是什么？a、机械本体：用于支撑和连接其他要素，并把这些要素合理地结合起来，形成有机的整体。

b、动力系统：为机电一体化产品提供能量和动力功能，驱动执行机构工作以完成预定的主功能。

c、传感与监测系统：将机电一体化产品在运行过程中所需要的自身和外界环境的各种参数及状态转换成可以测定的物理量，同时利用监测系统的功能对这些物理量进行测定，为机电一体化产品提供运行控制所需的各种信息。

d、信息处理及控制系统：接收传感器与检测系统反馈的信息，并对其进行相应的处理、运算和决策，以对产品的运行施以按照要求的控制，实现控制的功能。

e、执行装置：在控制信息的作用下完成要求的动作，实现产品的主功能。

1-3、工业三大要素：物质、能量、信息。

1-4、机电一体化产品与传统的机械电气化产品相比，具有较高的功能水平和和附加值，它为开发者、生产者和用户带来越来越多的社会经济效益。

1-7、机电一体化的主要支撑技术：传感检测技术、信息处理技术、自动控制技术、伺服驱动技术、接口技术、精密机械技术、系统总成技术。

1-8、机电一体化的发展趋势：智能化、模块化、网络化、微型化、绿色化、人格化、自适应化。

第2章2-1、机电一体化系统对传动机构的基本要求：传动间隙小、精度高、低摩擦、体积小、重量轻、运动平稳、响应速度快、传动转矩大、高谐振频率以及与伺服电动机等其他环节的动态性能相匹配等要求。

2-2、丝杆螺母机构的传动形式及其特点：a、螺母固定、丝杆转动并移动；b、丝杆转动、螺母移动；c、螺母转动、丝杆移动；d、丝杆固定、螺母转动并移动；e、差动传动。

2-3、滚珠丝杆副的组成及特点：由丝杆、螺母、滚珠和反相器四部分组成；具有轴向刚度高、运动平稳、传动精度高、不易磨损、使用寿命长等优点。

2-4、滚珠丝杆副的选择：结构形式的选择、结构尺寸的选择2-5、齿轮传动各级传动比分配原则：①等效转动惯量最小原则②重量最轻原则③输出轴转角误差最小原则（最末两级的传动比应取大一些，并尽量提高最末一级齿轮副的加工精度）；2-8、齿轮传动侧隙的调整有偏心套调整、双片薄齿轮错齿调整和轴向垫片调整等多种方法。

2-9、机械执行机构的基本要求：①惯量小、动力大；②体积小、重量轻；③便于维修、安装；④易于计算机控制。

2-10、简述各种传感器的特性及选用原则？一、静态特性是指当测量处于稳定状态下，传感器的输入值与输出值之间的关系。

主要技术指标包括：1、线性度。

2、灵敏度。

3、迟滞。

4、重复性。

5、分辨率。

6、零飘。

二、动态特征是指传感器测量动态信号时输出对输入的响应特性。

2-11、伺服电机的种类、特点及应用：2-12、机电一体化系统中执行元件的分类及特点：（1）电气式，具有操纵方便、适宜编程、响应快、伺服性能好、易与微机相接等优点；（2）液压式，优点是输出功率大、转矩大，工作平稳，可以直接驱动运动机构，承载能力强，适合于重载的高加减速驱动；（3）气压式，可得到较大的驱动力、行程和速度，但由于空气粘性差，具有可压缩性，故不能用在定位精度高的场合；（4）其他执行元件。

2-13、简述直流伺服电动机的PWM调速换向的工作原理？PWM调速是通过改变输出脉冲信号的占空比来改变电枢电压的平均值，从而达到控制电动机转速的目的；同时通过改变加到H型桥式电路中VT1和VT3、VT2和VT4这两组晶体管基极上的控制脉冲的正负和导通率µ来改变电动机的转向和转速。

第3章3-1 简述计算机控制系统的组成和特点。

答：计算机控制系统是由硬件和软件两大部分组成，其中硬件由计算机主机、接口电路、输入/输出通道及外部设备等组成；软件分为实时软件和开发软件。

特点：1、具有完善的输入/输出通道。

2、具有实时控制功能。

3、可靠性高。

4、具有丰富、完善、能正确反映被控对象运动规律并对其进行有效控制的软件系统。

3-2 简述计算机控制系统的常用类型及其特点。

答：常用类型：操作指导控制系统、直接数字控制系统、监督计算机控制系统和分级计算机控制系统；特点：1、具有完善的输入/输出通道；2、具有实时控制功能；3、可靠性高；4、具有丰富的、完善、能正确反映被控制对象运动规律并对其进行有效控制的软件系统。

3-3 试述计算机控制系统的基本要求和一般设计方法。

答：基本要求：实时性、高可靠性、硬件配置的可装配课扩充性、可维护性；设计方法：作为计算机的控制系统的设计者，应根据机电一体化系统（或产品）中的信息处理量、应用环境、市场状况及操作者的特点，优选出经济的合理的工业控制的计算机。

3-4 简述常用的工业控制计算机类型及其特点。

答：1、普通PC机其特点：运行速度快、带负载能力差、抗干扰能力差。

f、单片机其特点：高集成度、高运行速度、低功耗、小体积、使用方便灵活等。

g、可编程序控制器（PLC）其特点：可靠性高、环境适应性强、灵活通用，使用方便和维护简单。

h、工业PC机。

其特点：运行速度很快、带负载能力强，抗干扰能力强。

3-5 PLC的硬件系统主要由哪几部分组成？各部分的作用是什么？答：一、CPU，运算和控制核心。

二、存储器，存储数据和程序。

三、输入/输出（I/O）单元，CPU与现场I／O设备或其他外部设备的连接部件。

四、电源，对系统供电。

五、编程器，人－机对话的工具。

3-6 PLC控制系统设计步骤一般分为哪几步？答：1、PLC控制系统的设计2、PLC控制系统设计内容3、PLC控制系统设计的基本思路3-9 数字PID控制器的参数整定方法有哪些？答：凑试法和实验经验法。

3-10 简述嵌入式系统的组成。

答：由嵌入式处理器、嵌入式外围设备、嵌入式操作系统和嵌入式应用软件组成。

3-11 简述嵌入式系统的硬件协同设计方法。

答：1、需求分析和描述。

2、设计建模。

3、软硬件划分。

4、软硬件协同设计。

5、软硬件实现和综合。

6、软硬件协同测试和验证。

3-12 简述计算机控制系统的设计思路。

答：设计思路：1、确定系统的总体控制方案。

2、建立数学模型并确定控制算法。

3、选择微型计算机。

4、控制系统总体设计。

5、软件设计。

6、系统调试。

第5章5-1 接口的定义及作用是什么？答：机电一体化系统中各要素或各子系统相接处必须具备一定的联系条件，这些联系条件称为接口。

作用：解决功能模块间的信号匹配问题。

使各要素或子系统之间能够顺利地进行物质、能量和信息的传递和交换。

5-2 按接口所联系的子系统不同，以信息处理系统（微电子系统）为出发点，可将接口分为哪几类？各自特点是什么？答：可以分为人机接口和机电接口两大类。

人机接口的特点是：专业性、低速性、高性能价格比。

机电接口的特点是：机械系统与微电子系统之间的联系必须通过机电接口进行调整、匹配、缓冲，同时微电子系统的应用使机械系统具有智能，达到较高的自动化程度。

5-3 输入接口可以有哪些方法？各自适用什么场合？答：1）简单开关输入接口设计。

用于一些二值化的控制命令和参数2）键盘输入接口设计。

主要适用于需要操作者输入的指令或参数比较多的场合。

5-4 ADC0809的结构及工作原理是什么？答：ADC0809结构包括：8路模拟量开关、8位A/D转换器、三态输出锁存器、地址锁存与译码。

工作原理是：IN0－IN7：8 条模拟量输入通道ADC0809 对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。

地址输入和控制线：4条ALE 为地址锁存允许输入线，高电平有效。

当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C 三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。

A，B 和C 为地址输入线，用于选通IN0－IN7 上的一路模拟量输51。

5-5 控制量输出接口的作用是什么？有哪种具体形式？各自适用什么情况？答：其作用是：对有关控制信号进行匹配、转换和功率放大。

具体形式有：模拟量输出接口、功率驱动接口。

模拟输出接口适用于要求控制输出接口能完成D/A转换。

功率驱动接口适用于当控制信号需要通过与执行元件相关的功率放大器才能驱动执行元件的情况。

5-6 什么是电磁兼容性？答：电磁兼用性是指设备在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态，即该设备不会由于受到处于同一电磁环境中其他设备的电磁发射导致或遭受不允许的降级；它也不会使同一电磁环境中其他设备因受到其他电磁发射导致或遭受不允许的降级。

5-7 何谓电磁干扰？电磁干扰必须具备的条件是什么？答：电磁干扰是指系统在工作过程中出现的一些与有用信号无关的、并且对系统性能或信号传输有害的电气变化现象。

电磁干扰必备的条件是1、存在干扰源2、有相应的传输介质3、有敏感的接受元件。

5-8电磁兼容性设计的目的是什么？如何进行？答：目的是对电磁干扰加以控制。

这样进行：（1）了解和掌握有关产品的国际和国家标准。

（2）按标准规定对设备总体布局和系统控制信号、状态和数据的传输线、接地、印制电路板等进行综合设计（3）在了解本产品干扰源、被干扰对象、干扰耦合途径的基础上，通过理论分析将这些指标逐渐的分配到各分系统、子系统、电路和元器件上（4）根据实际情况采取相应措施抑制干扰源、隔断干扰途径，提高电路的抗干扰能力（5）利用各种模拟测试器，对产品进行严格测试。

5-9 电磁干扰有哪三种形式？并举例说明？答：（1）电容性耦合。

（2）电感性耦合（3）电磁场耦合5-10 在电磁辐射耦合中，如何判断干扰场源的性质？答：常把干扰源通过电场的耦合看成是电容性耦合，通过磁场的耦合看成电感性耦合，电场与磁场同时存在则为电磁场耦合。

5-11为了抑制电容性、电感性和电磁场三种耦合形式，应采取何种有效措施？答：抑制电容性可采取合理布置电路及电场屏蔽等措施；抑制电磁场耦合可采用屏蔽干扰源；抑制电感性耦合可采用切断干扰传播路径。

5-12常见抑制电磁干扰措施有哪些？答：常用的措施有：滤波、降低或消除公共阻抗、屏蔽、隔离等。

抑制电磁干扰的常用方法有屏蔽、隔离、滤波、接地、合理布局和软件抗干扰技术。

5-13如何进行电场屏蔽、磁场屏蔽？答：电场屏蔽利用金属屏蔽体可对电场起到屏蔽作用，但屏蔽体的屏蔽必须完善并良好地接地。

最好使用低电阻金属做成屏蔽罩，并使之与机壳（地）可靠相连。

低频磁场屏蔽：对于恒定磁场和低频段（100kHz以下）干扰场，采用高磁导率的铁磁材料制成管状或杯状罩进行磁场屏蔽。

高频磁场屏蔽：采用低电导率的金属良导体材料来屏蔽，如铜、铝。

5-14接地系统分为几大类？举例说明。

答：接地系统分（1）保护接地。