机电一体化系统设计重点知识总结
1、机电一体化系统的组成要素及其功能。
机械单元：构造功能、动力单元：驱动功能、传感单元：检测功能、控制单元：控制功能、执行单元：执行功能。
机电一体化的定义：机电一体化是一种技术，是机械工程技术吸收微电子技术、信息处理技术、控制技术、传感技术等融合而成的一门新技术。机电一体化系统的类型：开发型，变异型，适应型。滚珠丝杠中滚珠的循环方式：内循环，外循环。
直齿圆柱齿轮传动机构消除侧隙的方法：偏心套轴调整，双片薄齿轮错齿调整。典型的负载特性有：恒转矩，恒功率，转速函数型。机械传动结构中常用的线性环节有：齿轮，带传动。
2、机电一体化中的接口的种类和作用。答：机械接口，物理接口，信息接口，环境接口作用：用于机电一体化系统的组成要素之间进行物质、能量和信息的传递和交换。3、机电一体化的相关技术：机械技术、信息处理技术、自动控制技术、伺服传动技术、检测传感技术、系统总体技术。列举一种机电一体化产品的应用实例，并分析各产品中相关技术应用情况。例如：数控机床是一种机电一体化产品，它的机械技术主要来源于传统机床，就是执行各种加工零件的动作，它的信息处理技术，主要是对数控加工程序进行处理，然后发出指令，为保证加工精度，也采用伺服传动系统。
4、机电一体化系统原理方案设计的步骤和方法：创造性方法、功能分析设计法、商品化设计思想及方法、评价与决策方法、变型产品设计中的模块化方法和相似产品系列设计方法等。5、机电一体化系统原理方案设计的功能分析法是从系统功能出发，通过技术过程的分析，确定技术系统的效应，然后寻找解决的途径，其步骤与方法如下图所示：
6、机电一体化系统结构方案设计遵循的基本原理和原则:运动学设计原理、平均效应原理、阿贝误差原理、基准重合原则、最短传动链原则、“三化”原则6.机电一体化系统结构方案设计的设计基本原理:任务分配原理、自补偿原理、力传递原理、变形协调原理、力平衡原理、等强度原理、稳定性原理、降低噪声原理和提高精度原理。7、在机电一体化系统原理方案设计时，为什么要进行抽象化设计？
进行抽象化设计，可以使设计人员暂时抛弃那些偶然情况和枝节问题，突出基本的、必要的要求，这样就便于抓住问题核心；同时避免了构思方案前形成的框框，可以放开视野，寻求更为合理的设计方案。通过抽象化，设计人员可不涉及具体解决方案，就能清晰的掌握所设计的产品的基本功能和主要约束条件，从而抓住了设计中的主要矛盾，这样就可以把思维注意力集中到关键问题上来，确定产品的总功能。
8、步进电动机有哪些特点？主要特点：转角与控制脉冲数成比例，可构成直接数字控制：有定位转矩：可构成廉价的开环控制系统。步进电机的一些特点1．一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积2．步进电机外表允许的最高温度3．步进电机的力矩会随转速的升高而下降4．步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。9、步距角:每输入一个脉冲信号，转子所转过的角度称为步距角;脉冲当量：是相对于每一脉冲信号的机床运动部件的位移量
9、步进电动机有哪些主要指标：步矩角α（α=360°/Zm）、步矩角误差Δα（一般为+10左右）、最高启动频率fq（有空载和负载两种）、最高连续工作频率fmax（远远大于fq）、静态矩角特性（静态矩角特性曲线大致为一条正弦曲线）、动态矩频特性
10、步进电动机的工作原理：以数控机床上常用的反应式步进电动机为例：反应式步进电动机分为径向分相式步进电动机和轴向式步进电动机。对于径向分相式步进电动机来说，它主要是依靠转子分布均匀的齿与齿的齿距相同，但在同周期上分别以此错位一段齿距，当一极通电，则会使原先错位的齿与齿槽对正。而另一相邻极齿便会与齿槽错过一个角度待下次此极通电时，下一相邻电极会重复同一过程，而此电极对齐。如此循环达到转动，而对于轴向分相式步进电动机，会由于通电方式不同而获得的步进角不相同，通电则会使转子转动起来，而通电电极数若较为连续，转子频率就会提高，从而运转会平稳。11、动力元件种类：电气式、液压式、气压式
12、变速系统的转速图是怎样组成的？拟定转速图应遵循哪些原则？
转速图由“三线一点”构成，即传动轴格线、转速格线、传动线和转速点。应遵循的原则：1应尽量使总的传动副数最少2前多后少原则3前密后疏原则4选取合理的极限传动比及变速范围5合理分配传动比的数值
13、传动系统的功能：减速或加速，变速，改变运动规律和形式，传递和分配动力，必要时中断传动
14、传动系统包括哪几部分及各部分功能。
变速装置：改变动力元件的输出转速和转矩，以适应工作机构的需要；
启停和换向装置：用来控制执行机构的启动、停止及改变运动方向；
制动装置：用于使机械减速和停止运动，有时也用作调节或限制机械的运动速度，保证机械安全正常工作；
安全保护装置：由电器安全保护装置和安全离合器来承担，起过载保护作用。15、执行系统的组成包括哪几个部分？
执行构件：执行系统中直接完成工作任务的零部件执行机构：位于动力元件和传动系统之间的机械装置
16、典型的执行系统：夹持器、搬运装置、输送装置、分度与转位装置、检测装置、施力17、位置和位移检测传感器种类：机械式微动开关、光栅传感器、感应同步器、旋转编码器18、转速检测传感器：测速发电机、光电式转速传感器19、超声波传感器测量距离，热电偶传感器测量温度
20.步进电动机驱动电源包括：脉冲发生器、脉冲分配器（使电动机绕组的通电方式按照一定规律变化）、功率放大器（使脉冲电流得到放大）、细分驱动。21、为什么要采用功率放大器？答：从计算机输出口或从环形分配器输出的脉冲电流一般只有几个毫安，不能直接驱动电动机，必须采用功率放大器将脉冲电流进行放大，使其增加到几安培至十几安培，从而驱动电动机运转。
22、步进电动机的微机控制方式：串行控制和并行控制（P125示意图和控制原理）23、直流伺服电动机的控制方式：可控硅直流驱动方式和晶体管脉宽直流驱动方式24、支承部件种类及要求：旋转支承部件（旋转精度，静刚度，抗振性，热变形，耐磨性），移动支承部件(导向精度高，刚度好，耐磨，运动灵活和平稳)，和固定支承部件（足够的刚度，抗振性，较小的热变形和良好的耐磨性，结构工艺性）
25、导轨有哪些形式？答：按摩擦性质分类：滑动导轨和滚动导轨。按受力情况分类：开式导轨和闭式导轨；特点：导向精度好，刚性好，耐磨，运动灵活和平稳。
26、固定支承部件为什么要设置隔板和加强筋？答：是提高固定支承部件刚度的有效方法。隔板主要用于提高支承件的整体刚度，加强筋主要用于提高局部刚度
27、PID调节器：比例P调节器：比例环节可提高系统响应速度，但存在稳态误差。积分I调节器：能消除系统的稳态误差，但降低系统的响应速度。
比例P积分I调节器：提高系统的响应速度，消除干扰所造成的影响。
28.可以测量大量程直线位移（大于10MM）的传感器有：超声波传感器、直线位移传感器、激光位移传感器、红外位移传感器、磁致伸缩位移传感器。
29、控制电机的基本要求：性能密度大，快速性好，位置控制精度高，调整范围宽，低速运行平稳无爬行现象，分辨率高，振动噪声小，适应启停频繁的工作要求，可靠性高，寿命长。
扩展阅读：机电一体化系统设计知识点整理
1、什么是机电一体化？机电一体化系统的功能构成和定义是什么？
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。
机电一体化系统的功能构成：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。
机械本体：系统所有功能元素的机械支持结构，包括机身、框架、联接等。动力与驱动部分：按照系统控制要求，为系统提供能量和动力使系统正常运行。执行机构：根据控制信息和指令，完成要求的动作。传感测试部分：对系统运行中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测，变成可识别信号，传输到信息处理单元，经过分析、处理后产生相应的控制信息。
控制及信息处理部分：将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、储存、分析、加工，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地运行。
2、简要叙述机电一体化系统的共性关键技术。
机械设计技术、计算机与信息处理技术、系统技术、自动控制技术、传感与检测技术、伺服传动技术
3、试举出十例典型的机电一体化产品。
数控机床、工业机器人、发电机控制系统、全自动洗衣机、线切割机
、电火花加工机床、超声波加工机、激光测量仪、自动探伤机、CT扫描诊断机、自动售货机、传真机、录音机、复印机、磁盘存储器。4、常用的机械传动机构有哪些？各有何特点？
传动机构种类：齿轮传动副、滚珠丝杠副传动系统、同步齿形带、谐波齿轮减速器、软轴传动、联轴器、滚珠花键等机构。滚动丝杠副的特点：
（1）传动效率高、摩擦损失小。（2）定位精度高，刚度好。
（3）运动平稳，无爬行现象，传动精度高。（4）运动具有可逆性。（5）磨损小，使用寿命长。（6）制造工艺复杂。（7）不能自锁。同步带传动的特点
（1）能方便地实现较远中心距的传动；（2）工作平稳，能吸收振动；
（3）不需要润滑，耐油、水、耐高温，耐腐蚀，维护保养方便；（4）强度高，厚度小，重量轻；
（5）中心距要求严格，安装精度要求高；（6）制造工艺复杂，成本高。谐波齿轮传动的特点（1）传动比大。（2）承载能力大。（3）传动精度高。
（4）可以向密封空间传递运动或动力。（5）传动平稳。（6）传动效率高。
（7）结构简单、体积小、重量轻。（8）柔轮和波发生器制造复杂。（9）传动比下限值较高。
（10）不能做成交叉轴和相交轴的结构。5、滑动导轨和滚动导轨各有何特点?
滚动导轨的特点：①摩擦系数小（0.003-0.005），运动灵活。②动、静摩擦系数基本相同，启动阻力小，不易产生爬行现象。③可以预紧，刚度高。④寿命长。⑤精度高。⑥润滑方便，一次装填润滑脂，长期使用。滑动导轨的特点：①摩擦系数大，运动不灵活。
②易产生爬行现象。③刚度低。④承载能力小。⑤耐磨性较差。⑥结构工艺性好。
6、画图分析说明三极管型光电耦合隔离器的工作原理,并分析说明光耦隔离器的主要功用。光电耦合隔离器的输入输出存在着截止区、饱和区与线性区三部分。
利用光耦隔离器的开关特性（即光敏三极管工作在截止+5V+5V区、饱和区），可传送数字信号而隔离电磁干扰，简称对数字信号进行隔离。应用：+数字量输入输出通道中及模拟量输入输出通道中的
输出端A/D转换器与CPU或CPU与D/A转换器之间的数字信号输入端的耦合传送。
7、对比分析说明三极管输出驱动、继电器输出驱动与固态继电器输出驱动电路的特点。
三极管输出驱动：适用低压小电流开关量，输出电流就是输入电流与三极管增益的乘积。继电器输出驱动：控制电流一定要大于继电器的吸合电流
固态继电器驱动电路：体积小、开关速度快、无机械噪声、无抖动和回跳、寿命长等8、光栅莫尔条纹是怎样产生的？它具有哪些特点？将标尺光栅和指示光栅重叠在一起，并使他们的刻线之间形成一个很小的夹角，由于遮光效应，在黑光栅相交处，刻线聚集较密，形成暗带，其他刻线较稀，形成亮带，在光栅垂直方向上出现明暗相间的条纹，就形成了光栅莫尔条纹。
特点：放大作用，使栅距的节距误差平均化；莫尔条纹的移动与栅距成正比；根据莫尔条纹的移动方向可以辨别光栅的移动方向。
9、常见机械位移传感器主要有哪些？并简述各自特点。电阻式线位移传感器：
电感式线位移传感器：动态范围宽，分辨率高，线性度好，回程误差较大等特点。电容式线位移传感器：结构简单，动态特性好，灵敏性高等特点。编码式线位移传感器：分辨率不高，易于造成编码错误。
电阻式角位移传感器：结构简单、动态范围大、输出信号强、在圆弧形电阻器各段电阻率不一致，易于造成误差。
旋转变压器角位移传感器：精度高、可靠性好。电容式角位移传感器：检测精度高磁电式角位移传感器：
１０、设计一步进电机开环控制的系统，已知系统的脉冲当量为0.01MM,采用步进电机直接联丝杠的驱动方式.丝杠的螺距为6MM,试问:（10分）（1）步进电机的步距角选多大为佳?
（2）当采用五相十拍的混合步进电机时,如果要使工作台的移动速度达到2米/分,步进电机的运行频率是多少?
（3）如果选定的步进电机矩-频特性见下表,当系统等效到电机轴的负载转矩为3.5N.M时,该电机能否以(2)所求得的运行频率顺利启动?如果不可以在不改动所选择的电机情况下可以采取哪些措施来满足要求?
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