机电一体化习题答案

第一章

1.什么是机电一体化？各国的主要观点有哪些？(P1~3)

答：机电一体化技术综合应用了机械技术、微电子技术、信息处理技术、自动控制技术、检测技术、电力电子技术、接口技术及系统总体技术等群体技术，在高质量、高精度、高可靠性、低能耗意义上实现多种技术功能复合的最佳功能价值的系统工程技术。

2.试述机电一体化技术与传统机电技术的区别。(P2)

答：传统机电技术的操作控制主要以电磁学原理的各种电器来实现，如继电器、接触器等，在设计中不考虑或很少考虑彼此间的内在联系。机械本体和电气驱动界限分明，整个装置是刚性的，不涉及软件和计算机控制。机电一体化技术以计算机为控制中心，在设计过程中强调机械部件和电器部件间的相互作用和影响，整个装置在计算机控制下具有一定的智能性。

3.试分析机电一体化系统的组成及相关技术。(P1~3)

答：机电一体化系统是多学科技术的综合应用，是技术密集型的系统工程。其技术组成包括：机械技术、检测技术、伺服传动技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术和系统总体技术等。现代的机电一体化产品甚至还包含了光、声、化学、生物等技术等应用。

4.一个典型的机电一体化系统，应包含哪些几个基本要素？

答：机电一体化系统，应包含以下几个基本要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。我们将这些部分归纳为：结构组成要素、动力组成要素、运动组成要素、感知组成要素、智能组成要素；这些组成要素内部及其之间，形成通过接口耦合来实现运动传递、信息控制、能量转换等有机融合的一个完整系统。

5.试述机电一体化系统的设计方法。

答：机电一体化系统的设计过程中，一直要坚持贯彻机电一体化技术的系统思维方法，要从系统整体的角度出发分析研究各个组成要素间的有机联系，从而确定系统各环节的设计方法，并用自动控制理论的相关手段，进行系统的静态特性和动态特性分析，实现机电一体化系统的优化设计。

6.试述现代设计的概念。（P4）

设计这个词有两种概念。广义的概念是指发展过程的安排，包括发展的方向、程序、细节和

达到的目标。狭义的概念指的是将客观需求转化为满足该需求的技术系统的活动，各种产品包括机械产品的设计即属此类。

现代设计是过去长期的传统设计活动的延伸和发展，是随着设计实践经验的积累，由个别到一般、具体到抽象、感性到理性，逐步归纳、演绎、综合而发展起来的。由于科技进步的速度日益增快，特别是计算机技术的高速发展，人们在掌握事物的客观规律和人的思维规律的同时，运用相关的科学技术原理，进行过去难以想象的综合集成设计计算，使设计工作包括机械产品的设计过程产生了质的飞跃。

8.现代设计方法有哪些？（P3～13）

现代设计方法门类众多且不断出新。可按所研究解决的问题性质分为总体问题和个别性能问题两大类：

1.研究总体设计的现代设计方法

(1)设计方法学(2)价值工程设计(3)优势设计（4)绿色设计(5)计算机辅助设计(6)并行工程设计(7)虚拟设计(8)反求工程设计(9)优化设计及其发展(10)创新设计技术

2．研究产品性能的现代设计方法

(1)工业产品艺术造型设计(2)模块化设计(3)相似性设计(4)摩擦学设计(5)三次设计(6)人机工程设计(7)智能设计(8)动态设计(9)可靠性设计(10)有限元法(11)机械疲劳设计

9.何为机电一体化系统的四视图设计？（P13）

功能视图、结构视图、控制视图和信息视图

第二章

1.什么技术系统？什么是技术过程？什么是作业对象？(P27)

例如，为了得到某种复杂形状的金属零件，可通过编程在加工中心上对坯料进行加工。坏料是作业对象，加工中心是技术系统，所完成的加工过程是技术过程。

作业对象一般可分为三大类：物料、能量和信息

2.确定技术过程的一般步骤是什么？(P27)

1)根据信息集约和调研预测的资料，分析确定作业对象以及主要转换要求。

2)分析比较传统的和现代的理论和实践，确定实现主要转换的工作原理。

3)明确实现技术过程的环境和约束条件。环境是与技术系统发生联系的总和，包括经济条件、生产条件、技术条件、社会条件等。

4)确定主要技术过程和其他辅助过程。

5)根据高效、经济、可靠、美观、使用方便等原则，初步规定技术系统的边界及工作范围。

3.试述功能设计方法和主要步骤。(P28~30)

功能是对技术系统中输入和输出的转换所作的抽象化描述。只有用抽象的概念来表述系统的功能，才能深入识别需求的本质，辨明主题，发散思维，启发创新，总功能逐步分解为比较简单的分功能，一直分解到不能再分解的功能元，形成功能树

(一)功能分析

(二)功能元求解

1．选择工作原理

2．构思功能载体

(三)方案综合

4.功能设计的工具有哪些？（P30）

1．设计目录

(1)对象目录(2)作业日录(3)解法目录

2．知识库

(1)数据库(2)设计词典(3)手册

5.试分析设计与技术系统的关系。

设计若是为了对作业对象完成某种技术过程，设计对象就是人造技术系统。

第三章

1.结构设计有哪些内容？（P78）

宏观地看，结构设计大致有以下三方面内容:

(1)功能设计以各种具体的结构实现机电一体化系统的功能要求。

(2)质量设计兼顾各种要求和限制，提高机电一体化系统质量和性能,

(3)优化设计和创新设计充分应用现代设计方法系统地构造设计优化模型，用创造性设计思维方法进行机电一体化系统设计的优化和创新。

2.机电一体化系统中运动联系结构的基本单元有哪些？(P87)

需要联轴器、减速、变速装置及运动换向与转换装置等基本传动结构

3.滚动导轨副的品质用那几方面来衡量？(P108)

(1)导向精度导向精度是导轨副最基本的性能指标。移功件在沿导轨运动时，不论有无载荷，部应保证移动轨迹的直线性及其位置的精确性。各种设备对导轨副的平面度，垂直度

及等高、等距的要求都有相应的规定或标准可以参照。

(2)耐磨性导轨副应在预定的使用期内，保持其导向精度。精密滚动导轨副的主要失效形式是磨损。因此，耐磨性是衡量滚动导轨副性能的主要指标之一。

(3)刚度为了保证足够的刚度，应选用最合适的导轨类型、尺寸及其组合。选用可调整间隙和能够预紧的导轨副可以提高刚度。

(4)工艺性导轨副要便于装配、调整、测量、防尘、润滑和维修保养。

4.结构设计品质是指在那些方面应注意的问题？（P116）

结构设计品质是指结构强度和静刚度、结构动刚度、结构热稳定性和结构工艺性等四大方面应注意的问题

第四章

1.机电一体化系统中控制器的作用是什么？它的基本功能应包括那些？(P149~150)

机电一体化机械的控制器是一个以计算机为核心的测量和控制系统它将来自各传感器的检测信号与外部输人命令进行集中，存储、分析、转换，根据信息处理结果，按照一定的程序和节奏发出相应的指令，控制整个系统有目的的运行。

它的基本功能应包括以下几点:

1)实时的信息转换和控制功能。

2) 人机交互功能。

3) 和机电部件接口的功能。

4) 对控制软件运行的支持功能。

2.单板机模式的控制系统有哪些特点？(P150)

1)结构形态的随意性。

2)空间位置的随意性。

3)形态规模的随意性。

4)最佳的经济性。

3.组合模式的控制系统有哪几种模式？(P150~151)

采用商品化硬件模块通过总线母板组合成控制系统．具有多种灵活的组成模式，它可以自成系统，即采用独立模式；也可以方便地作为其他小型、微型计算机的前端控制机，或者组成分布式系统的典型的分散系统。

4.在工控机中对存储器有哪些要求？(P153)

像个人计算机存储代码和数据供CPU或其他设备读写

(1)可靠性高即抗干扰能力强，能在恶劣的工业现场环境下准确进行读写操作。

(2)实时性好能满足工业控制系统对存储器访问的要求。

(3)功耗低降低自然发热造成的温升，并可用电池供电。

(4)数据存储器非易失性这并不是对全局存储器的要求，但系统中至少有局部非易失数据段或程序代码段，以便能长期保存数据，并在系统突然停电后再重新启动时能迅速恢复现场运行

5.I/O子系统的作用是什么？按其物理量的形式分成哪两大类？(P153~154)

控制器除了基本系统以外，还应包括各种检测、控制量的输入输出接口，这部分功能称为I/O子系统。按其物理量的形式来分，一般可分成开关量(数字量)I/O即DI／DO、模拟量I/O即AI/AO两大类。

6.什么是总线？控制系统中包括哪些总线？各总线作用是什么？(P154~155)

所谓总线是指一组信号线的集合，是一种按规定协议传送信息的公共通道，由数据总线、地址总线、控制总线和电源总线组成。

7.简述控制系统的基本组成。（P152～155）

(一)中央处理单元(CPU)

(二)存储器

(三)机电一体化控制系统的I/O子系统

(四)人--机接口

(五)系统支持功能

(六)总线

8.什么是计算机数控系统(CNC)？(P155)

计算机数控系统简称CNC系统，它是用计算机通过执行其存储器内的程序来完成数控要求的部分或全部功能，并配有接口电路、伺服驱动的一种专用计算机系统。

9.计算机数控系统(CNC)由哪几部分组成？(P155)

CNC系统由程序、输入输出设备、计算机数字控制装置(CNC装置)、可编程序控制器(PLC)、主轴驱动和进给驱动装置等组成，

第五章

1.根据自动化机械的基本模型，简述信息流主要集中在那些子系统中？(P195)

信息流主要集中在人机界面、检测机构和控制器。

2.现代机械和传统机械最本质的区别是什么？(P195)

现代机械和传统机械最本质的区别是现代机械中具有信息流。信息系统保证了机电一体化系统基本单元 (MEE)的正确运行，也使许多基本MEE耦合组成复杂的机电一体化系统。

3.在机电一体化系统设计中信息流的作用是什么？(P196)

信息系统保证了机电一体化系统基本单元 (MEE)的正确运行，也使许多基本MEE耦合组成复杂的机电一体化系统。

信息流是软件总体设计的基础。

4.信息流是如何分类的？(P196)

从信息流的形态来分，信息流可以是借助于机、光、声、电等介质传输的信号，也可以是语言、文字、图表、图像等抽象的信号，在计算机内部则是数据表示的数据流。从信息流的功能来分，有控制信息流、检测信息流、数据信息流、显示信息流等。以信息流的流向来分，可分为输入信息流、变换信息流、输出信息流等。

5.分析信息流和数据流有什么意义？(P196)

1)对机电一体化系统的工作原理和工作过程有深刻理解。

2)可对系统进行深入的总体分析与规划，以达到解耦与集成的目的。

3)信息流是软件总体设计的基础。按软件工程方法，从数据流可确定软件的结构，并定义此结构中包含的程序模块。同时也可以定义数据库项、格式、规模和存取方法。特别是“全量程”的定义，即用于两个以上的程序模块内的那些量的定义.

6.分析信息流的基本工具有哪些？(P196～198)

(一)信息流的基本环节

(二)数据流程图

(三)信息流和软件结构

7.人机输入界面的基本硬件有哪些？(P204)

其基本硬件是键盘、开关(包括操作按钮和触摸屏等)，并通过CRT实现人机交互。

8.输出界面的信息流中对执行机构的控制信息输出有哪几种形式？(P215)

1)直接开关量的输出。

2)脉冲序列和运动方向控制标记。

3)直接数字输出。

4)模拟量输出。

5)其他控制器控制执行机构

第六章

1.简述机电一体化可重构系统设计提出的背景。(P229～230)

1)新产品不断涌现，产品更新换代加快。

2)社会对产品的需求趋于多样化、个性化和动态化，顺应客户爱好 (也称客户化或定制)、多品种中小批量生产已成为生产方式的主流。

3)市场对企业的要求从原来的对质量、成本的要求演变为现在的对时间 (Time)、质量(Quality)、成本 (Cost)、创新 (Innovation)、服务 (Service)和环境 (Environment)等诸多方面的要求，时间已成为竞争力的第一要素，能否在最短的时间内开发出最新的产品并推向市场，是赢得市场竞争的关键。

4)可持续发展的理念及对生态环境方面的关注，使人们在生产过程和消费过程中更注意生态和环境方面的相容性和友善性，综合考虑产品的环境影响与资源效率已成潮流。

2.什么是可重构制造系统（RMS）? (P230)

可重构制造系统(Reconfigurable Manufacturing System，RMS)是指能够通过对制造系统结构及其组成单元的快速重组或更新，及时调整制造系统的功能和生产能力，以迅速响应市场变化及其他需求的一种制造系统。

3.可重构制造系统（RMS）的重构分为哪几个层次？(P230)

1)制造系统级的重构。

2)制造设备级的重构。

3)子系统或部件层的重构。

4.对于可重构制造系统（RMS）而言，可重构控制系统的技术基础是什么？(P230)

开放式结构控制器是可重构控制系统的重要基础技术。

5.机电一体化可重构系统设计的目标是什么？(P231)

1)低的生产成本和重构成本的综合值(cost)。

2)短的设计建造时间和斜升时间（Time)。

3)最大限度地利用已有的资源（Resource)。

4)在公共地基上达到物流最优(Stream)。

6.机电一体化可重构系统的特征是什么？(P231～232)

1)模块性(Modularity)

2)可集成性(Integrability)

3)可转换性(Convertibility)

4)可诊断性(Diagnosability)

5)客户化性(Customization)

7.可重构机床设计的主要目的是什么？可重构机床包括那些内涵？(P232)

主要目的是使机床能快速低成本地适应被加工零件的各种变化。

1)可重构机床综合了流水线机床和数控机床的优点，它每次提供给客户确定的、满足其当前需要的功能和生产能力，同时当客户的需求发生变化时，可快速改变机床的硬件和软件结构，以较低的成本在一个零件族内快速调节／升级生产能力和功能性。

2)可重构机床由可重构的硬/软件组成。

3)可重构机床必须设计开始就考虑可重构性，而且必须由基本的硬／软件模块创建，能够通过所设计的接口快速集成。

4)可重构机床是开放的、模块化结构。

8.机械加工中常用的三类机电一体化系统是什么？(P232)

DML、FMS和RMT三类机电一体化系统