机电一体化系统设计复习题今天的

第一篇：机电一体化系统设计复习题今天的

1、什么是机电一体化？

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、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。

3、试简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。

4、步进电动机是什么电机？它的驱动电路的功能是什么? 答：步进电动机又称电脉冲马达，是通过脉冲数量决定转角位移的一种伺服电动机，成本较低，易于采用计算机控制，且比直流、交流电动机组成的开环控制系统精度高，因而被广泛应用于开环控制的伺服系统中。步进电动机驱动电路实际上是一个功率开关电路，为使步进电动机能输出足够的转矩以驱动负载工作，提供足够功率的控制信号。

5、描述传感器静态特性的主要技术指标是什么？

答：传感器变换的被测量的数值处在稳定状态时，传感器的输入/输出关系称为传感器的静态特性。描述传感器静态特性的主要技术指标是：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨率和零漂。

6、测试传感部分的作用是什么？ 答：测试传感部分的作用：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，传输到信息处理单元，经分析处理后产生控制信息

15、伺服控制系统一般包括哪几个部分？每部分能实现何种功能？ 答：伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等五个部分。①比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得输出与输入间的偏差信号，通常由专门的电路或计算机来实现； ②控制器通常是计算机或PID控制电路；其主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理，以控制执行元件按要求动作；③执行元件按控制信号的要求，将输入的各种形式的能量转化成机械能，驱动被控对象工作，机电一体化系统中的执行元件一般指各种电机或液压、气动伺服机构等。④被控对象是指被控制的机构或装置，是直接完成系统目的的主体，一般包括传动系统、执行装置和负载；⑤检测环节指能够对输出进行测量，并转换成比较环节所需要的量纲的装置，一般包括传感器和转换电路。

18、转动惯量对传动系统有哪些影响?

答：转动惯量增大使机械负载增加，功率消耗大；使系统相应速度变慢，降低灵敏度；使系统固有频率下降，容易产生谐振。

20、已知某工作台采用直流电机丝杠螺母机构驱动，已知工作台的行程L=250mm，丝杠 导程t＝4mm，齿轮减速比为i=5，要求工作台位移的测量精度为0.005mm(忽略齿轮和丝杠 的传动误差)。

(1)试采用高速端测量方法，确定旋转编码器的每转脉冲数。

(2)若将传感器与丝杠的端部直接相连，n=500脉冲／转的旋转编码器是否合用。

①高速端测量

设传感器的每转脉冲数为n，每个脉冲对应工作台的位移为

满足题目要求。②低速端测量

传感器直接与丝杠连接，与减速比无关

可知n＝500脉冲／转的编码器不合用。

19、已知数控机床控制系统如图所示，试说明图中的各个部分属于机电一体化系统中的哪一个基本要素?

答： ①控制及信息处理单元：键盘、计算机、显示； ②测试传感部分：光电编码器、信号处理； ③能源：电源； ④驱动部分：功放、电机； ⑤执行机构：联轴器、齿轮减速器、丝杠螺母机构、工作台。

21、什么是机电一体化？

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。

22、什么是机电一体化的变参数设计？

答：在设计方案和结构原理不变的情况下，仅改变部分结构尺寸和性能参数，使之适用范围发生变化的设计方式。例如，同一种产品不同规格型号的相同设计。

23、机电一体化技术与传统机电技术的区别。

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。

26、机电一体化系统中的接口的作用。

答：接口主要完成电平转换、信号隔离、放大、滤波、速度匹配等。

27、试分析机电一体化系统设计与传统的机电产品设计的区别。

答：机电一体化系统设计方法与用经验公式、图表和手册为设计依据的传统方法不同，它是以计算机为手段，其设计步骤通常如下：设计预测→信号分析→科学类比→系统分析设计→创造设计→选择各种具体的现代设计方法（如相似设计法、模拟设计法、有限元法、可靠性设计法、动态分析法、优化设计法、模糊设计法等）→机电一体化系统设计质量的综合评价。

28、机电一体化技术与自动控制技术的区别。

答：自动控制技术的侧重点是讨论控制原理、控制规律、分析方法和自动系统的构造等。机电一体化技术是将自动控制原理及方法作为重要支撑技术，将自控部件作为重要控制部件。它应用自控原理和方法，对机电一体化装置进行系统分析和性能测算。

29、试述在机电一体化系统设计中，系统模型建立的意义。

答：机械系统的数学模型分析的是输入（如电机转子运动）和输出（如工作台运动）之间的相对关系。等效折算过程是将复杂结构关系的机械系统的惯量、弹性模量和阻尼（或阻尼比）等机械性能参数归一处理，从而通过数学模型来反映各环节的机械参数对系统整体的影响。30、机电一体化系统中，机械传动的功能是什么？ 答：机电一体化机械系统是由计算机信息网络协调与控制的，用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械及机电部件相互联系的系统。其核心是由计算机控制的，包括机械、电力、电子、液压、光学等技术的伺服系统。它的主要功能是完成一系列机械运动，每一个机械运动可单独由控制电动机、传动机构和执行机构组成的子系统来完成，而这些子系统要由计算机协调和控制，以完成其系统功能要求。机电一体化机械系统的设计要从系统的角度进行合理化和最优化设计。机电一体化系统的机械结构主要包括执行机构、传动机构和支承部件。在机械系统设计时，除考虑一般机械设计要求外，还必须考虑机械结构因素与整个伺服系统的性能参数、电气参数的匹配，以获得良好的伺服性能。

31、从系统的动态特性角度来分析：产品的组成零部件和装配精度高，但系统的精度并不一定就高的原因。

答：产品的组成零部件和装配精度高，是静态的，由于阻尼的影响、摩擦的影响、弹性变形的影响以及惯量的影响在动态响应上存在滞后或超前的影响，使得整个系统的动态精度不高

32、滑动摩擦中采用导轨有什么作用，对导轨有什么具体要求？

答：滑动摩擦导轨的运动件与承导件直接接触。其优点是结构简单、接触刚度大；缺点是摩擦阻力大、磨损快、低速运动时易产生爬行现象。(1)导向精度高。导向精度是指运动件按给定方向作直线运动的准确程度，它主要取决于导轨本身的几何精度及导轨配合间隙。(2)运动轻便、平稳、低速时无爬行现象。导轨运动的不平稳性主要表现在低速运动时导轨速度的不均匀，使运动件出现时快时慢、时动时停的爬行现象。(3)耐磨性好。导轨的初始精度由制造保证，而导轨在使用过程中的精度保持性则与导轨面的耐磨性密切相关。导轨的耐磨性主要取决于导轨的类型、材料、导轨表面的粗糙度及硬度、润滑状况和导轨表面压强的大小。(4)对温度变化的不敏感性。即导轨在温度变化的情况下仍能正常工作。(5)足够的刚度。在载荷的作用下，导轨的变形不应超过允许值。刚度不足不仅会降低导向精度，还会加快导轨面的磨损。刚度主要与导轨的类型、尺寸以及导轨材料等有关。（6）结构工艺性好。导轨的结构应力求简单、便于制造、检验和调整，从而降低成本。

33、驱动力和温度对导轨间隙有什么影响？ 答：设计导轨时，必须合理确定驱动力的方向和作用点，使导轨的倾复力矩尽可能小。否则，将使导轨中的摩擦力增大，磨损加剧，从而降低导轨运动灵便性和导向精度，严重时以至使导轨卡住而不能正常工作。滑动摩擦导轨对温度变化比较敏感，由于温度的变化，可能使自封式导轨卡住或造成不能允许的过大间隙。

35、检测系统由哪几部分组成？说明各部分的作用？

答：敏感元件：是一种能够将被测量转换成易于测量的物理量的预变换装置。

传感元件：是将敏感元件输出的非电物理量转换成电信号（如电阻、电感、电容等）形式。

基本转换电路：将电信号量转换成便于测量的电量，如电压、电流、频率等。

36、何谓I/O接口？计算机控制过程中为什么需要I/O接口？

答：I/O接口与I/O通道是计算机主机与外部连接的桥梁，常用的I/O接口有并行接口和串行接口。I/O通道有模拟量I/O通道和数字量I/O通道。其中模拟量I/O通道的作用是，一方面将经由传感器得到的工业对象的生产过程参数变换成二进制代码传送给计算机；另一方面将计算机输出的数字控制量变换为控制操作执行机构的模拟信号，以实现对生产过程的控制。数字量通道的作用是，除完成编码数字输入输出外，还可将各种继电器、限位开关等的状态通过输入接口传送给计算机，或将计算机发出的开关动作逻辑信号经由输出接口传送给生产机械中的各个电子开关或电磁开关。

37、什么是伺服控制？为什么机电一体化系统的运动控制往往是伺服控制？ 答：伺服控制系统是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作，从而获得精确的位置、速度及动力输出的自动控制系统.机电一体化的伺服控制系统的结构、类型繁多，但从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等五部分。

38、机电一体化系统的伺服驱动有哪几种形式?各有什么特点？ 答：（1）按被控量参数特性分类

按被控量不同，机电一体化系统可分为位移、速度、力矩等各种伺服系统。其它系统还有温度、湿度、磁场、光等各种参数的伺服系统（2）按驱动元件的类型分类

按驱动元件的不同可分为电气伺服系统、液压伺服系统、气动伺服系统。电气伺服系统根据电机类型的不同又可分为直流伺服系统、交流伺服系统和步进电机控制伺服系统。（3）按控制原理分类

按自动控制原理，伺服系统又可分为开环控制伺服系统、闭环控制伺服系统和半闭环控制伺服系统

39、比较直流伺服电动机和交流伺服电动机的适用环境差别。

答：直流伺服电机具有良好的调速特性，较大的启动转矩和相对功率，易于控制及响应快等优点。尽管其结构复杂，成本较高，在机电一体化控制系统中还是具有较广泛的应用。

与直流伺服电动机比较，交流伺服电动机不需要电刷和换向器，因而维护方便和对环境无要求；此外，交流电动机还具有转动惯量、体积和重量较小，结构简单、价格便宜等优点；尤其是交流电动机调速技术的快速发展，使它得到了更广泛的应用。40、简述干扰对机电一体化系统的影响。

答：在机电一体化系统的工作环境中，存在大量的电磁信号，如电网的波动、强电设备的启停、高压设备和开关的电磁辐射等，当它们在系统中产生电磁感应和干扰冲击时，往往就会扰乱系统的正常运行，轻者造成系统的不稳定，降低了系统的精度；重者会引起控制系统死机或误动作，造成设备损坏或人身伤亡。

41、分析在机电一体化系统中常用的抗干扰措施。

答：抑制干扰的措施很多，主要包括屏蔽、隔离、滤波、接地和软件处理等方法。

42、什么是屏蔽技术及其分类？ 答：屏蔽是利用导电或导磁材料制成的盒状或壳状屏蔽体，将干扰源或干扰对象包围起来从而割断或削弱干扰场的空间耦合通道，阻止其电磁能量的传输。按需屏蔽的干扰场的性质不同，可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽。

43、机电一体化中隔离方法有哪些？

答：隔离方法有光电隔离、变压器隔离和继电器隔离等方法。

44、机电一体化系统中的计算机接口电路通常使用光电耦合器，请问光电耦合器的作用有哪些？

答：光电隔离是以光作媒介在隔离的两端间进行信号传输的，所用的器件是光电耦合器。由于光电耦合器在传输信息时，不是将其输入和输出的电信号进行直接耦合，而是借助于光作介物进行耦合，因而具有较强的隔离和抗干扰的能力。一般光电耦合器组成的输入/输出线路，在控制系统中，它既可以用作一般输入/输出的隔离，也可以代替脉冲变压器起线路隔离与脉冲放大作用。由于光电耦合器具有二极管、三极管的电气特性，使它能方便地组合成各种电路。又由于它靠光耦合传输信息，使它具有很强的抗电磁干扰的能力，从而在机电一体化产品中获得了极其广泛的应用.45、常用的滤波器有哪些，并分析他们的适用场合? 答：滤波是抑制干扰传导的一种重要方法。由于干扰源发出的电磁干扰的频谱往往比要接收的信号的频谱宽得多，因此，当接受器接收有用信号时，也会接收到那些不希望有的干扰。这时，可以采用滤波的方法，只让所需要的频率成分通过，而将干扰频率成分加以抑制。常用滤波器根据其频率特性又可分为低通、高通、带通、带阻等滤波器。

低通滤波器只让低频成分通过，而高于截止频率的成分则受抑制、衰减，不让通过。高通滤波器只通过高频成分，而低于截止频率的成分则受抑制、衰减，不让通过。带通滤波器只让某一频带范围内的频率成分通过，而低于下截止和高于上截止频率的成分均受抑制，不让通过。

带阻滤波器只抑制某一频率范围内的频率成分，不让其通过，而低于下截止和高于上截止频率的频率成分则可通过。

什么是柔性制造系统及其基本组成部分？

答：柔性制造系统（Flexible Manufacturing System）是由两台或两台以上加工中心或数控机床组成，并在加工自动化的基础上实现物料流和信息流的自动化，其基本组成部分有：自动化加工设备，工件储运系统，刀具储运系统，多层计算机控制系统等。（1）自动化加工设备（2）工件储运系统（3）刀具储运系统（4）辅助设备

（5）多层计算机控制系统

46、什么是加工中心？ 答：加工中心的系统基本组成与一般数控机床一样，只是在此基础上增加刀库和自动换刀装置而形成的一类更复杂，但用途更广，效率更高的数控机床。加工中心配置有刀库和自动换刀装置，所以能在一台机床上完成车、铣、镗、钻、铰、攻螺纹、轮廓加工等多个工序的加工。加工中心机床具有工序集中、可以有效缩短调整时间和搬运时间，减少在制品库存，加工质量高等优点，因此常用于零件比较复杂，需要多工序加工，且生产批量中等的生产场合。

第二篇：机电一体化系统设计期末复习题

机电一体化系统设计期末复习题

一、选择题（每题2分，共50分）1.那些不是结构型传感器

A.弹簧管 B.双金属片

C.水银温度计 D.电感电容 2.那些不是物理型传感器的特点

A.无中间转换机构 B.固体传感

C.集成 D.体积大 3.哪一项不是传感器指标

A.类型 B.容量 C.体积

B.线性度 4.下列哪项对热电偶的说法不正确

A.不能测量绝对温度 B.利用的是温差效应 C.铂电阻属于热电偶 D.需要冷端补偿 5.传感器的环境参数不包括什么

A.环境温度

B.湿度 C.冲击

D.噪音 6.传感器的基本性能参数不包括什么

A.量程

B.灵敏度

C.动态特性

D.尺寸 7.半闭环伺服结构的特点不包括：

A.系统简单 B.稳定性好 C.调试困难 D.成本较低

8.际转速1350r/min、电源频率50Hz的交流感应电动机，其转差率是多少？

A.0.05 B.0.1 C.0.15 D.0.2 9.某步进电动机三相单三拍运行时步距角为3°，三相六拍运行时步距角是多少？

A.3°

B.6°

C.2°

D.1.5° 10.采用PWM驱动系统的优点不包括

A.频率高、频带窄 B.电流脉动小 C.电源的功率因数高 D.动态硬度好

11.设丝杠导程5mm，2/4相步进电机的步距角为1.8度，半步驱动时的脉冲当量为多少？

A.0.00625mm B.0.0125mm C.0.025mm D.0.05mm 12.下列哪一项不是机电一体化系统的主要构成装置

A.电子装置 B.控制装置

C.驱动装置

D.机械装置 13.下列把一项是出现低速爬行现象不稳定的主要原因

A.电压不稳定 B.非线性摩擦力 C.负载扭矩不稳定 D.润滑不良 14.滚动导轨预加负载的目的是什么

A.防止超速

B.消除间隙

C.降低噪音 D.提高刚度 15.哪项不是滚珠丝杠副的主要尺寸参数

A.公称直径

B.长度

C.导程

D.行程 16.哪项不是机械传动要满足伺服控制的主要要求

A.传动精度

B.寿命长

C.稳定性

D.快速响应性 17.下列哪一项属于变异性设计

A.没有参照样板的设计 B.根据故障查找故障原因

C.部更改，适应性变动

D.适应于量的方面变更要求，方案功能结构不变 18.哪项不是机电一体化产品概念设计的核心内容

A.功能

B.原理

C.结构

D.模式 19.传统的机电产品的设计注重

A.安全系数设计

B.功能设计

C.机械设计

D.电路设计 20.PI称为（）控制算法。A.比例 B.比例微分

C.比例积分 D.比例积分微分 21.受控变量是机械运动的一种反馈控制系统称()A.顺序控制系统 B.伺服系统 C.数控机床 D.工业机器人 22.齿轮传动的总等效惯量随传动级数()A.增加而减小 B.增加而增加 C.减小而减小 D.变化而不变

23、哪项不是串行通讯的特点（）。

A．数据位传送

B．传输按位顺序进行 C．只需要两根传输线

D．成本低但送速度慢

24、哪项不是传动机构的本质（）。

A．速度变换

B．转速变换

C．力矩变换

D．转角控制

25、开关缓冲电路使用的二极管是（）。

A．普通整流二极管

B．检波二极管

C．快速二极管

D．大电流功率二极管 26.下列哪一项不是DCS分布式控制系统的特点

A.具有三层结构

B.系统控制危险性分散 C.集中监视、操作和管理

D.布线简洁，系统开放 27.哪项不是固态继电器SSR的特点

A.高寿命 B.开关速度快 C.电磁兼容性好 D.有噪音

28、测速发电机在机电一体化系统中主要用作测量（）A、交流电压

B、直流电压 C、位移量

D、转速

29、在机电一体化系统中，机械传动要满足伺服控制的三个主要要求是（）。A．传动精度、稳定性、快速响应性

B．传动精度、稳定性、低噪声

C．传动精度、高可靠性、小型轻量化

D．传动精度、高可靠性、低冲击振动 30..使滚珠丝杠具有最大刚度的支承方式是（）A、一端装止推轴承

B、一端装化推轴承，另一端装向心球轮承 C、两端装止推轴承

D、两端装止推轴承及向心球轮承

31.信号采样频率Ws，信号有效频带Wc和抗混叠滤波频率Wf应满足如下关系（）A、Wc

32、直流电动机电枢绕组的阻值小说明电机（）

A、特性硬

B、始动电压低

C、特性软

D、启动电流大

33、步进电动机转速与脉冲电源的关系是（）A、与电源脉冲频率成正比 B、与电源脉冲数成正比

C、与电源脉冲宽度成正比 C、与电源脉冲幅值成正比

34、绝对码盘码道数越多,则（）A、能分辨的角度越大

B、能分辨的角度越小 C、测量精度降低

D、能分辨的角度不变 35.进行行为、结构的映射是（）设计过程, A．功能建模 B.行为建模 C.结构建模 D.评价决策 36.下列哪一项不是机电产品设计的类型，A.开发性设计 B.可靠性设计 C.适应性设计 D.变异性设计 37.下列哪一项属于适应性设计

A.没有参照样板的设计

B.根据故障查找故障原因

C.局部更改，适应性变动 D.适应于量的方面变更要求，方案功能结构不变 38.小功率传动链中，为使总的折算惯量最小，各级传动比分配应遵守

A.前大后小

B.前小后大

C.前后相等

D.平方关系 39.哪项不是谐波传动部件基本组成部件

A.刚轮

B.柔轮

C.波发生器

D.行星轮 40.全闭环系统的优点是

A.精度高 B.系统简单 C.成本较低

D.调试简单

41.如忽略电机电磁时间常数, 电压为输入量，转角为输出量时，直流伺服电机数学模型是

A.比例环节

B.一阶系统

C.二阶系统

D.积分环节 42.滚珠丝杠副的基本导程减小，可以（）

A、提高精度 B、提高承载能力 C、提高传动效率 D、加大螺旋升角 43.下列哪一项不是机电一体化系统的主功能组成（）。

A．物质、能量、信息的变换

B．物质、能量、信息的传递

C．物质、能量、信息的存储 D．物质、能量、信息的融合 44.下列哪一项是机电一体化的特性（）。

A．装置的控制属于强电范畴

B．自动信息处理, C．支撑技术是电工技术 D．以机械联结为主

45.某4极交流感应电动机，电源频率为50Hz，当转差率为0.02时，其转速为()A.1450［r/min］ B.1470［r/min］ C.735［r/min］ D.2940［r/min］ 46.右图称()A.直流伺服电动机调节特性 B.直流伺服电动机机械特性 C.直流伺服电动机动态特性 D.直流伺服电动机调速特性

47.连续路径控制类中为了控制工具沿任意直线或曲线运动，必须同时控制每一个轴的()使得它们同步协调到达目标点。

A.位置和加速度 B.速度和加速度 C.位置和速度 D.位置和方向 48.图示利用继电器触点实现的逻辑函数为()A.(A+A)·(B+B)B.A·B+A·B C.(A+B)·(A+B)D.A·B+A·B

49.在数控系统中，复杂连续轨迹通常采用（）方法实现。

A.插补 B.切割

C.画线 D.自动 50.PD称为（）控制算法。

A.比例 B.比例微分

C.比例积分 D.比例积分微分 51.PWM指的是（）。

A.机器人

B.计算机集成系统

C.脉宽调制

D.可编程控制器 52.步进电机一般用于（）控制系统中。

A.开环

B.闭环

C.半闭环 D.前馈 53.下列哪个不是传感器的动特性()A.临界速度 B.临界频率 C.稳定时间 D.分辨率

54.感应同步器定尺绕组中感应的总电动势是滑尺上正弦绕组和余弦绕组所产生的感应电动势的()A.代数和 B.代数差 C.矢量和 D.矢量差

55.在直流电机速度控制中改变电枢供电电压U(保持励磁磁通Φ不变)属于()调速

A.恒功率 B.变功率 C.恒转矩 D.变转矩

56、输入电压量程为-10V～+10的10位AD转换器的转换公式，-5V对应的AD输出值是（）。

A．100H

B．200H

C． 1FFH

D．7FH

57、设某光栅的条纹密度是250条/mm，要用它测出1um的位移，应采用（）细分电路。

A．1倍频

B．2倍频

C．3倍频

D．4倍频

58、哪一项不是机电一体化系统中的测速元件（）。

A．测速发电机

B．光电编码器

C．应变片

D．涡流传感器

59、绝对编码盘的道数为10道，则位数为10，能分辨的最小角度为（）。A．360/

2B．360/2

C．360/2

D．360/260、对RS-232C通讯方式描述正确的是（）。

A．接口的信号电平值较低，不易损坏接口电路的芯片

B．传输速率较高，在异步传输时，波特率为200Kbps C．其传输距离有限

D．只用两根线即可实现

二、判断题（本大题共10个小题，每题2分，共计20分，请使用“A对B错”答案形式）。1.功能的等效性、各环节的互补性是机电一体化优化设计的条件。2.系统可靠性是各组成环节可靠性的逻辑或。

3.可靠性原理是指规定条件和规定时间内，完成规定功能的能力。4.工业三要素是资金、人才、技术。

5.全闭环数控机床上位置传感元件是装在执行机构上。6.逻辑功能元包括:与、或、非、加、减、乘、除。7.现代设计方法强调产品全寿命周期最优化。

8.机电一体化设计以强度和低压控制为中心，强调功能设计。

9.液压伺服的缺点是效率低,保养麻烦,漏油污染环境，运动形式少，成本高，有附加装置。10.直流伺服电动机的空载转速n0与堵转矩Tb之比的绝对值越小，则电机特性越软。

11.RS-232接口在总线上允许连接多个收发器

12.为了防止采样过程信号发生频率混叠可以在采样前设置一个高通滤波器

13.液压马达为得到合适的运动速度和负载能力，一般要使用较大传动比的减速器，传动机构的尺寸较大

14.串口通讯至少要包含物理层（硬握手电气特性）和协议层（软握手）15.DCS分布式控制系统具有集中管理和分散控制的特点。（）

16.采用惠斯登电桥结构传感检测时，为消除温度干扰应采用的激励电源为恒压源。（）17.在小功率传动链中为使总的折算惯量最小，各级传动比分配应遵守前大后小原则。（）18.电气伺服驱动装置包括直流伺服和交流伺服。（）

19.传动出现低速爬行现象不稳定的主要原因是摩擦系数和转动惯量。（）

20.连续控制系统与点位控制系统之间最主要的区别在于点位控制系统有一个插补器 21.机电产品的功能可以划分原理、结构、行为。

22.能实现顺序控制的基本功能是组合逻辑，计数器，定时器。1

1。

10。

2。23.规划一个PLC控制系统的步骤为,分解被控对象和机器；建立功能规范,安全电路设计, 详细说明操作功能，建立PLC配置图, 建立符号名表。

24.顺序控制包括以状态控制为主和以时间控制为主两类。

25.测速发电机的原理与直流电机相同

26.27.28.29.30.对于传感器的非线性，可以通过标定采用曲线拟合和线性插值的方法来提高数据精度。

常用的测温传感器中Pt热电阻和热电偶测量的是相对温度。电液比例阀是用比例电磁铁来代替手动调节。

开环控制系统中，多数采用步进电机作为伺服电机。

产品的功能、原理、结构设计，是机电一体化产品概念设计的核心内容。

三、分析题计算题

1.机械工业中微电子技术应用有哪些方面，及其对机电一体化设计的意义？

2.某工作台采用直流电机丝杠螺母机构驱动，已知工作台的行程L=250mm,丝杠导程t=4mm,齿轮减速比为i=5,要求工作台位移的测量精度为0.005mm，采用高速端测量方法，采用绝对旋转编码器，则绝对码盘最少要求的道数为多少？（忽略齿轮和丝杠的传动误差）。

3．如图所示电机驱动系统，已知工作台的质量为m=50kg负载力为F1＝1000N，最大加速度为10m／s2，丝杠直径为d＝20mm，导程t＝4mm，齿轮减速比为i=5，总效率为ŋ=30％，忽略丝杠惯量的影响，试计算电机的驱动力矩。

4.数字采样闭环控制中误差En（n=1,2,3,…），输出控制量Un（n=1,2,3,…），比例系数为Kp，微分时间常数为Td，积分时间常数Ti，采样周期为Ts，试写出数字PID调节时的控制算式？

5.画出集电极开路输出（OC方式）驱动继电器的电路图和相应的缓冲电路，试分析采用OC驱动的特点。

6、丝杠导程6mm，3相步进电机的步距角为1.2度，3相6拍驱动时的脉冲当量为多少？(15分)？

7.设直流电机电枢感抗为La，电枢内阻为Ra，转动惯量为Jm，速度电势常数Kb，电流力矩常数Ki，电压u(t)为输入量，速度w(t)为输出量时，求直流电机的传递函数？（15分）

8.分别说明相对旋转光电编码器的A、B相和Z相表示意义，请设计旋转方向鉴别电路？ 参考答案：

一、CDCCD BABBB BACDC BAABC CADBB CADCC

二、ABABA BABBB

BBBAA BBBBB BAAAA ABAAA

三、1.应用方面：

1）对机器或机组系统运行参数进行巡检传感或控制 2)对机器或机组系统工作程序的控制

3)用电子技术代替传统产品中机械部件完成的功能，简化产品的机械结构 4)节约材料 5)节能降耗

对机电一体化设计的意义：

功能模块化；封装模块化；电路（板）器件微型化；可靠性高；抗干扰能力强；结构一体化；机电产品体小、性优、价廉。

2、电机每转的工作台位移量为： 4mm/5=0.8mm 要求的每转脉冲数为： 0.8/0.005=160 27<160<28

答：绝对码盘的道数至少是8道。

3、计算负载力

负载力由外负载力、惯性负载力两部分构成（1）外负载力Fl＝100N（2）惯性载力Fm＝ma＝50×10＝500N 电机的驱动力矩为

DCBDA BDDAC DDDAC BCBDA BCAAB ADCBC

1t1Tm(FlFm)i2

10.0041(1000500)0.63N520.34.根据PID的控制算式

Un(t)Kpe(t)Kdde/dtKie(t)dt

TT可以得到绝对算式：UnKpend(enen1)sTsTi或者是增量算式：

ek1nkUinitial

UnKp(enen1)TdT(enen22en1)sen

TsTi5．OC方式驱动继电器电路图和相应的缓冲电路图：

缓冲电路方式可采用并联二极管、并联RC电路和并联压敏电阻等方法。交流开关的缓冲主要使用并联一个RC串连电路和并联压敏电阻的方法。

缓冲过程，例如并联二极管的缓冲电路：晶体管关断时，负载电流通过二极管续流，减轻了晶体管的负担，抑制了du/dt和过电压。采用集电极OC输出的特点：

相当于开关输出。有较大电流驱动能力；能够实现“线与”功能；能够实现不同电路的接口。

6、3相6拍驱动时步进电机的脉冲当量角＝1.2／2＝0． 6。

反映在丝杠上的脉冲当量＝6／【360／0．6】＝0．01mm

7、设电机输出力矩为Mm(t)，那么 Ea(t)=Kbωm(t)； Ea(s)=Kbωm(s)

Mm(t)Kiia(t)Mm(s)KiIa(s)U(s)RI(s)LsI(s)E(s)aaaaab

整理并消去中间变量得： Jmdm(t)Mm(t)Jms(s)Mm(s)dt

1ˆRLaKbJ(s)ma，其中，电磁时间常数，机电时间常数 TTam2RaU(s)TaTmsTms1KbKi8.A、B两相是两组检测窄缝群，节距同光电脉冲发生器圆盘上节距相等的窄缝，但两组检测缝与圆盘上窄缝的对应位置错开1/4节距，其目的是使a,b两个光电变换器的输出信号相位上相差90。Z相是零点脉冲，可以提示被测轴已经旋转一周。

顺时针旋转时，通道A输出波形超前通道B波形90°；逆时针旋转时，通道A输出波形滞后通道B波形90°；光电编码器每旋转一圈，Z相输出一个基准脉冲，基准脉冲的波形中心对准通道A输出的波形中心。

采用D触发器即可实现方向鉴别，D触发器的D端和时钟端分别接A、B相信号，输出端Q输出0和1分别对应逆时针和顺时针的旋转方向。

第三篇：机电一体化系统设计

机电一体化系统设计

1、动力系统（动力源）、传感检测系统（传感器）、执行元件系统（如电动机）等五个子系统组成。

2、系统必须具有以下三大“目的功能”：①变换（加工、处理）功能；②传递（移动、输送）功能；③储存（保持、积蓄、记录）功能。

3的变换、调整功能，可将接口分成四种：1）零接口；2）无源接口；3）有源接口；4）智能接口。

4、机电一体化系统设计的考虑方法通常有：机电互补法、结合（融合）法和结合法。

5擦、低惯量、高强度、高谐振频率、适当的阻尼比等要求。

6、为达到上述要求，主要从以下几个方面采取措施：

1）采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件，如采用滚珠丝杠副、滚动导向支承、动（静）压导向支承等。

2如用加预紧的方法提高滚珠丝杠副和滚动导轨副的传动和支承刚度；采用大扭矩、宽调速的直流或交流伺服电机直接与丝杠螺母副连接以减少中间传动机构；丝杠的支承设计中采用两端轴向预紧或预拉伸支承结构等。

3的等效动惯量，尽可能提高加速能力。

5如选用复合材料等来提高刚度和强度，减轻重量、缩小体积使结构紧密化，以确保系统的小型化、轻量化、高速化和高可靠性化。

第四篇：机电一体化复习题

一、填空

1、对伺服系统的技术要求是__定位精度，速度稳定度，力矩大小___、响应速度，启动力矩___

2、机电一体化的机械系统设计主要包括两个环节：静态设计，动态设计。

3、计算机控制系统的类型包括操作指导控制系统______、直接数字控制系统______、监督（计算机）控制系统、分级计算机控制系统______。

4、拟定机电一体化系统（产品）设计方案的方法通常有__取代法___、整体设计法______、组合法_ ___。

5、接口的基本功能主要有_变换___、放大、耦合____。

6、对直线导轨副的基本要求是_导向精度高____、耐磨性好_____、足够的刚度______、__

对温度变化的不敏感性____和平稳。

7、机电一体化机械系统应具有良好的侍服性能，要求机械传动部件转动惯量小、阻力合理_阻尼合理__、_刚度大___、抗振性好____、间隙小____、并满足小型、轻量等要求。

8、伺服系统的基本组成包括_控制器___、_功率放大器__、检测装置、执行机构__。

9、工作接地分为__一点接地__、多点接地____。

10、STD总线的技术特点模块化设计_______、系统组成_____、__修改和扩展方便_____、高可靠性。

11、机电一体化系统中常见的轴承包括滚动轴承____、滑动轴承_____、静压轴承_____、磁轴承。

12、从控制角度讲，机电一体化可分为 开环控制系统和 闭环控制系统。

13、按干扰的耦合模式干扰可分为静电干扰、磁场耦合干扰_____、漏电耦合干扰____、____、_____等干扰类型。

14、在机电一体化中传感器输出电信号的参量形式可以分: 电压输出、电流输出、频率输出 三种形式

15、用软件识别有用信号和干扰信号、并滤去干扰信号的方法称为___、识别信号的原则有____、_____。

16、多点接地：优点： 互不干扰缺点：接线多，复杂。

17、机电一体化系统一般由__机械本体___、动力和驱动_____、接口、执行机构_____、传感器检测部分_____、控制及处理部分____等部分组成。

18、实现步进电动机通电环形分配的三种常用方法是：采用计算机软件分配器、小规模

集成电路搭接的硬件分配器、专用模块分配器。

19、一般来说，伺服系统的基本组成为 控制器、功率放大器、执行机构和 检测装置等四大部分组成。

20、产生电磁干扰必备的三个条件是： 干扰源、传播途径、接受干扰对象。

21、在SPWM变频调速系统中，通常载波是 等腰三角波而调制波是（三相）正弦波。

22、从电路上隔离干扰的三种常用方法是 光电隔离，变压器隔离，继电器隔离。

23、机电一体化是从系统的观点出发，将__将机械技术，微电子技术，信息技术___、_____、_____、机械技术等在系统工程的基础上有机的加以综合，实现整个机械系统__最佳化____而建立的一门新的科学技术。

24、开环步进电动机控制系统，主要由 环形分配器、功率驱动器和步进电动机等组成。

25、伺服系统的基本组成部分包括_控制器____、比较环节_____、执行机构、检测装置_____四大部分。

26、干扰传播途径有二种方式：

1）传导耦合方式：干扰信号能量以 电压或 电流的形式，通过金属导体传递。

2）幅射耦合方式：干扰信号能量以 电磁场的形式，通过空间感应传递。

27、机电一体化系统（产品）设计类型大致可分为_开发性设计____、适应性设计、变参数设计_____

28、指出下列干扰哪几种属于传导耦合方式： C、D;哪几种属于幅射耦合方式： A、B、E。

A.静电干扰B.磁场干扰C.漏电干扰D.共阻抗感应干扰E.电磁辐射干扰。

29、机电一体化系统对机械传动总传动比确定的最佳选择方案有_转动惯量原则__、_输出轴转角误差最小原则___、质量最小原则。

30、磁场屏蔽---对高频交变磁场应采用铜和铝等导电性能好的金属材料作屏蔽体；对低频交变磁场应采用 铁等高导磁率的材料作屏蔽体，并保证磁路畅通。

31、机电一体化系统包括_机械技术___、传感检测技术____、信息处理技术、自动控制技术____、伺服驱动技术____、总体等相关技术。

32、一点接地中：1）串联接地：优点：最简单，缺点：前后相互干扰，2）并联接地：优点：干扰小，缺点： 接线多，复杂，仅适用于 低频电路。

二、简答题

1、为什么国家严令禁止个人和集体私自使用大功率无绳电话？

答:为了保障名航飞行的安全，避免名航无线电专用频率受到干扰，信息产业部要求，严查非法生产，销售大功率无绳电话机。保护名航飞行是无线电管理的重要工作之一，因此，信息产业部正在与相关部门密切配合，加强无线电发射设备的市场管理，严禁大功率无绳电话的 生产销售。目前已收激了大量无绳电话机，并清理规范了无线寻呼发射机，广播电视发射机，校园调频广播的设置与使用。

2、什么是接地？常用的接地方法有哪些？各有什么优缺点？

答：1；将电路，设备机壳等与作为零电位的一个公共参考点（大地）实现低阻抗连接。称接地。2；一点接地，多点接地3；优点；比较简单，用的地方还比较多。缺点；各电路电平相差很大时不能使用，因为高电平将产生很大的地电流并干扰到低电平电路中去。优点；适用低频信号。缺点；电路工作频率较高，电感分量大，各地线间的互感耦合会增加干扰。

3、机电一体化对机械系统的基本要求是什么？

答：高精度；快速反应；良好的稳定性

4、如何理解质量最小原则。

5、简述干扰的三个组成要素。

答：干扰源，传播途径和接受载体。

6、机电一体化对伺服系统的技术要求是什么？

答；精度高，响应速度快，稳定性好，负载能力强和工作频率范围大等基本要求，同时还要求体积小，重量轻，可靠性高和成本低等。

7、机电一体化系统中的机械装置包括那些内容？

答：主要包括传动，支承，导轨等

8、机电一体化传动系统有哪几种类型？各有什么作用

答（1）齿轮传动是机电一体化系统中常见的传动装置，它在伺服运动中的主要作用是实现伺服电机与执行机构间的力矩匹配和速度匹配，还可以实现直线运动和旋转运动的转换。（2）螺旋传动是机电一体化系统中常用的的一种传动形式。它是利用螺杆与螺母的相对运动，将旋转运动变为直线运动（3）滑动摩擦导轨直线运动导轨的作用是引导运动部件用来支承和引导运动部件按给定的方向作用往返直线运动滚动摩擦导轨是在运动件和承导件之间放置滚动体（滚珠，滚柱，滚动轴承等）。使导轨运动时处于滚动摩擦状态。

9、简述在机电一体化系统中提高抗干扰的措施有哪些？

答：1逻辑设计力求简单2硬件自检测和软件自恢复的设计3从安装和工艺方面采取措施消除干扰

10、试简述机电一体化系统的设计步骤。

答：设计预测---信号分析---科学类比---系统分析设计---创造设计---选择各种具体的现代设计方法（如相似设计法，模拟设计法等）---机电一体化系统设计质量的综合评价。

三、名词解释

1、共模干扰

2、伺服控制技术

3、灵敏度

4、压电效应

5、系统精度

6、机电一体化

7、自动控制

8、开环控制系统

9、线性度

10、串行通信

《1》机电一体化：从系统的观点出发，将机械技术，微电子技术，信息技术，控制技术等在系统工程基础上有机地加以综合，以实现整个系统最佳化的一门新科学技术。

《2》灵敏度：指在稳态下，输出变化量Y与输入X变化量的比值。

《3》压电效应：是指某些电介质，对它施加力使产生变形时，内部就会产生极化现象，同时在它的两个表面上将产生符号相反的电荷。当外力去掉后，它又重新恢复到不带电的状态。《4》共模干扰：指同时加载在各个输入信号接口端的共有的信号干扰。

《5》线性度：传感器输出量与输入量之间的关系曲线偏离直线的程度。

《6》自动控制：由控制装置自动进行操作的控制。

《7》开环控制系统：无反馈的控制系统。

《8》伺服控制技术：是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作，从而获得精确的位置，速度及动力输出的自动控制技术。

《9》串行通信：是数据按位进行传送的。在传输过程中，每一位数据都占据一个固定的时间长度，一位一位的串行传送和接收。

《10》系统精度：指输出量复现输入信号要求的精确程度。

第五篇：机电一体化系统设计讲稿

项目一 数控车床主传动系统设计与部件选择

1.1无级变速传动链

1.1.1机床主传动系统设计满足的基本要求

机床主传动系统因机床的类型、性能、规格尺寸等因素的不同，应满足的要求一也不一样。在设计机床主传动系统时最基本的原则就是以最经济、合理的方式满足既定的要求。在设计时应结合具体机床进行分析，一般应满足下述基本要求:(1)满足机床使用性能要求。

首先应满足机床的运动特性，如机床的主轴有足够的转速范围和转速级数(对于主传动为直线运动的机床，则有足够的每分钟双行程数范围及变速级数);传动系统设计合理，操作方便灵活、迅速、安全可靠等。(2)满足机床传递动力要求。

主电动机和传动机构能提供和传递足够的功率和转矩，具有较高的传动效率。

1.1.2数控机床主传动系统分类

机床主传动系统可按以下不同的特征来分类:(1)按驱动主传动的电动机类型可分为交流电动机驱动和直流电动机驱动。交流电动机驱动中又可分为单速交流电动机驱动或调速交流电动机驱动两种。调速交流电动机驱动又有多速交流电动机驱动和无级调速交流电动机驱动。无级调速交流电动机通常采用变频调速的原理。(2)按传动装置类型可分为机械传动装置、液压传动装置、电气传动装置及其组合。(3)按变速的连续性可分为分级变速传动和无级变速传动(此部分在下面详细介绍)。数控机床的主传动要求有较大的调速范围，以保证在加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。大多数数控机床采用无级变速系统，数控机床主传动系统主要有以下四种配置方式:(1)主轴电动机直接驱动。

如图2一1(a)所示，电动机轴与主轴用联轴器连接，这种方式大大简化了主轴箱和主轴结构，有效地提高了主轴部件的刚度，但主轴输出扭矩小，电动机发热对主轴影响较大。目前，多采用交流伺服电动机，它的功率很大，但输出功率与实际消耗的功率保持同步，效率很高。(2)电动机经同步齿形带带动主轴。

如图1一1(b)所示，电动机将其运动经同步齿形带以定比传动传递给主轴。由于输出扭矩较小，这种传动方式主要用于小型数控机床低扭矩特性要求的主轴，可以减小传动中的振动和噪声。

(3)电动机经齿轮变速传动主轴。

如图1一1(c)所示，主轴电动机经二级齿轮传动变速，使主轴获得低速和高速两种转速，从而使之实现分段无级变速，这种方式在大、中型数控机床中采用较多。经过齿轮传动降速后，电动机输出转矩可以扩大，以满足主轴低速运转时输出扭矩大的特性要求。一部分小型数控机床一也采用这种传动方式，以获得强力切削时所需要的扭矩。(4)电主轴。

如图1一1(d)所示，将调速电动机与主轴合成一体(电动机转子轴即机床主轴)，其优点是主轴部件结构紧凑、刚度高、质量轻、惯量小，且可提高调速电动机启动、停止的响应特性;其缺点是电动机发热易引起热变形。1.1.3无级变速传动链的设计 无级变速传动链可以在一定的变速范围内连续改变转速，以得到最有利的切削速度;能在运转中变速，便于实现变速自动化;能在负载下变速，便于车削大端面时保持恒定的切削速度，以提高生产效率和加工质量。无级变速传动可由机械摩擦无级变速器、液压无级变速器和电气无级变速器来实现。机械摩擦无级变速器结构简单、使用可靠，常用于中、小型车床、铣床等主传动系统中。液压无级变速器传动平稳、运动换向冲击小，易于实现直线运动，常用于主运动为直线运动的机床，如磨床、拉床、刨床等机床的主传动系统中。电气无级变速器有由直流电动机或交流调速电动机驱动的两种，由于它可以大大简化机械结构，便于实现自动变速、连续变速和负载下变速，故其应用越来越)’一泛，尤其在数控机床上目前几乎全都采用电气无级变速器。

数控机床的主运动广泛采用无级变速传动，这不仅能使其在一定的调速范围内选择到合理的切削速度，而且还能在运转中自动变速。无级变速系统有机械、液压和电气等多种形式，数控机床一般采用由直流或交流调速电动机作为驱动源的电气无级变速。由于数控机床主运动的调速范围较宽，一般情况下单靠调速电动机无法满足;另一方面调速电动机的功率和转矩特性一也难以直接与机床的功率和转矩要求安全匹配。因此，需要在无级调速电动机之后串联机械分级变速传动，以满足调速范围和功率、转矩特性的要求。(1)无级变速装置的分类。

机床主传动中常用的无级变速装置有三类:变速电动机、机械无级变速装置和液压无级变速装置。

1)变速电动机。

机床上常用的变速电动机有直流电动机和交流电动机，它们在额定转速以上为恒功率变速，通常变速范围仅为2 ~3;额定转速以下为恒定转矩变速，调整范围很大，变速范围可达30甚至更大。上述功率和转矩特性一般不能满足机床的使用要求。为了扩大恒功率变速范围，可在变速电动机和主轴之间串连一个分级变速箱。变速电动机I’一泛用于数控机床和大型机床中。

2)机械无级变速装置。

机械无级变速装置有柯普(Koop)型、行星锥轮型、分离锥轮钢环型和宽带型等多种结构，它们都是利用摩擦力来传递转矩的，通过连续地改变摩擦传动副工作半径来实现无级变速。由于它的变速范围小，多数是恒转矩传动，通常较少单独使用，而是与分级变速机构串联使用，以扩大变速范围。机械无级变速器应用于要求功率和变速范围较小的中、小型车型、铣床等机床的主传动中，更多的是用于进给变速传动中。

3)液压无级变速装置。

液压无级变速装置通过改变单位时间内输入液压缸或液动机中液体的油量来实现无级变速。它的特点是变速范围较大，变速方便，传动平稳，在运动换向时冲击小;易于实现直线运动和自动化。液压无级变速装置常用在主运动为直线运动的机床中，如刨床、拉床等。(2)无级变速装置与机械分级变速机构的串联。在无级变速系统装置单独使用时，其调速范围都较小，远远不能满足现代通用机床变速范围的要求。因此，常常将无级变速装置与机械分级变速机构串联，以扩大其变速范围。(3)采用直流或交流电动机无级调速。

机床上常用的无级变速机构为直流或交流调速电动机。直流电动机是采用调压和调磁方式来得到主轴所需转速的。直流电动机从额定转速向上至最高转速是用调节磁场电流(简称调磁)的办法来调速的，属于恒功率调速;从额定转速向下至最低转速是用调节电枢电压(简称调压)的办法来调速的，属恒转矩调速。通常，直流电动机的恒功率变速范围较小，仅为2~4，而恒转矩变速范围很大，可达几十，甚至超过100。交流调速电动机靠调节供电频率的方式来调速，所以其常被称为调频主轴电动机。通常额定转速向上至最高转速气max为恒定功率，变速范围为3~5;额定转速至最低转速气为恒转矩，变速范围为几十，甚至超100。直流和交流电动机的功率转矩特性如图1-2所示。

交流调速电动机由于体积小、转动惯性小、动态响应快、没有电刷且能达到的最高转速比同功率的直流电动机高，故磨损和故障也少。现在在中、小功率领域，交流调速电动机已占优势，应用一也更加广泛。伺服电动机和脉冲步进电动机都是恒转矩的，而且功率不大，所 以只能用于直线进给运动和辅助运动。基于上述分析可知，如果直流或交流调速电动机用于拖动直线运动执行器，例如龙门刨床工作台(主运动)或立式车床刀架(进给运动)，可直接利用调速电动机的恒转矩变速范围，用电动机直接带动或通过定比减速齿轮拖动执行机构。

1.2主传动系统分析

数控车床用于加工回转体零件。它集中了卧式车床、转塔车床、多刀车床、仿形车床、自动和半自动车床的功能，是数控机床中应用较广泛的品种之一。下面以一个典型数控车床C K3263 B为例说明如何分析数控机床主传动系统，图1一4所示为C K3263 B主传动系统。主电动机经带轮副和四速变速机构驱动主轴，其传动路线表达式是

拟定转速图如图2-5所示，从图中可知，主轴共得到四段转速:

1.3 车床数控化改装主传动系统方案设计

将06140卧式车床改造成用MCS-51系列单片机控制的经济型数控车床，采用步进电动机开环控制，纵向和横向均具有直线和圆弧插补功能。将原来的主传动系统改装为主变速系统。一般的卧式车床在改装为经济型数控车床时，主传动系统和变速操纵机构是不动的，可利用暂停指令进行手动变速换挡，然后再继续加工。如果要提高机床的自动化程度或者所加工工件的直径相差较大，在加工过程中需要自动变速时，可考虑设置加工过程中的自动变速装置，本任务即后一种情况。

将机械主传动系统改装为自动变速装置的几种方案说明见下文介绍。1.采用多速电动机改装

目前采用多速电动机对主传动系统进行改装，一般是将主电动机更换为双速或四速电动机，由微机系统信号自动控制切换电动机的转速。这样做的好处是机床性能良好，主传动链改装量较少，但多速电动机的功率是随着转速的变化而变化的，所以电动机功率要选的大一些，同时电动机的尺寸一也大，因此还要增加一套电动机变速系统。2.主变速系统改装

对主轴箱内变速系统进行改装，一般是将滑移齿轮变速改为电磁离合变速。这种变速机构仍为有级变速，一般变速级数不超过四级。3.采用直流主轴电动机或交流主轴电动机改装

改装后，机床主轴由直流主轴电动机(或交流主轴电动机)通过皮带直接带动，并通过电气系统实现无级变速。

采用直流主轴电动机或交流主轴电动机改装，其改装成本高，但效果好，能获得满意的速度，而且由于传动链中没有齿轮，故噪声很小。另外在改装中要注意，主轴电动机的选择要与进给系统电动机配套，以利于使用CNC系统。图1-5所示为本任务改装后的主传动系统示意。拆下原操纵手柄，装上齿轮2;以一个180 W的交流小电动机8通过蜗轮副7和齿轮3, 2将运动传给手柄轴1，带动主轴箱内的拨叉和滑块进行变速。另外将手柄轴接长，在接长轴4上安装带单个压块6的圆盘，并在附加的机壳上固定一个装有6个微动开关的圆盘5, 6个微动开关的位置与6级变速挡位对应。当手柄轴带动圆盘转动时，压块6依次压下6个微动开关，发出6个不同信号，数控系统通过对电路信号的识别来控制变速。

自动变速过程如下:当变速电动机接到S指令后，便开始转动，通过传动装置使手柄轴带动拨叉滑块使变速齿轮移位。与此同时，在速度继电器的控制下，主电动机低速点动，以便滑移齿轮顺利地进人啮合位片。当压块压下的触点信号与数控系统S指令信号相符时，小电动机制动，主运动变速完成。这种方案保留了原主轴箱的结构，改装量小，但只适合于06140型车床。

1.3.2主传动系统设计过程 1.明确已知条件，草拟转速图 拟定转速图的一般步骤如下:(i)确定变速组数及各变速组的传动副数;(2)安排变速组的传动顺序，拟定结构式(网);(3)分配传动副传动比.绘制转凉图 2.齿轮齿数的确定

齿轮的齿数取决于传动比和径向尺寸要求。在同一变速组中，若模数相同且不采用变位齿轮，则传动副的齿数和相同;若模数不同，则齿数和S与模数m,成反比，即:

对于三联滑移齿轮，当采用标准齿轮且模数相同时，最大齿轮与次大齿轮的齿数差应大于4，以避免滑移过程中的齿顶干涉。

当传动比i采用标准公比的整数次方时，齿数和S及小齿轮齿数可以从表1一1中查得。

1.4 实训准备

1.项目任务单

项日任务单见附录二。2.项目要求

学完基础知识及实例后，学生自主分析数控车床主轴箱实物，熟悉内部组成，然后分组制订设计方案，方案合格后，开始具体设计。3.仪器与设备(1)CAK4085数控车床6(2)《机床设计手册》若干。(3)扳手、钳子、直尺。4.实训步骤

(1)学生分组，并在现场分析数控车床主轴箱实物。(2)学生分组，制定任务实施方案。

(3)根据任务实施方案，学生将任务实施过程填入记录表1一2中。1.4.2项目评价

项日的整体评价如表1-3所示。

图1一1数控机床主传动的配置方式

图1-2直流和交流调速电动机的功率转矩特性

图1-4 CK3263B主传动系统

图1-5改装后主传动系统示意图

表1一1常见传动比的适用齿数

表1一2项目实施过程记录表

表1-3项目评价表

项目二数控车床导轨副设计 2.1.1导轨副设计步骤

(1)根据已知的工作条件，选择合适的导轨类型，常见导轨形式见表2-1.(2)选择导轨截面形状与组合方式。常见导轨截面形状见表2一2。1)双三角形导轨。如图2-1所示，双三角形导轨导向性和精度保持性都很高，磨损后能自动下沉补偿磨损量。两条三角形导轨副同时起支撑和导向作用，由于结构对称，两条导轨磨损均匀，故接触刚度好。但由于超定位，加工、检验、维修都较困难，而且当量摩擦系数也高，因此适于精度高的场合。例如丝杠车床、单柱坐标锁床的导轨副等。2)双矩形导轨。

如图2一2所示，双矩形导轨的刚度高，当量摩擦系数比双三角形导轨低，承载能力强，加工、检验、维修都较方便，因此被广泛使用，例如数控机床的导轨副。双矩形导轨承载面和导向面是分开的，存在侧向间隙，必须用镶条调节。

如图2一2(a)所示，用两外侧面做导向面时，间距大、热变形大、间隙大，因而导向精度低、承载能力大;如图2-2(b)所示，以内外侧面做导向面时，间距小、热变形小、间隙小，因而导向精度高、易获得较高的平行度;如图2一2(c)所示，用两内侧面做导向面时，由于导轨面对称分布在导轨中部，当传动件位于对称中心线上时，避免了由于牵引力与导向中心线不合而引起的偏转，不致在改变运动方向时引起位置误差，故导向精度高。3)三角形与矩形组合。

如图2-3(a)和图2-3(b)所示，三角形与矩形组合导轨兼有三角形导轨的良好导向性及矩形导轨的制造方便、刚性好等优点，并避免了由于热变形所引起的配合变化。其缺点是三角形导轨比矩形导轨磨损快，易造成磨损不均匀，磨损后又不能通过调节来补偿，故对位置精度有影响。

三角形与矩形组合导轨兼有导向性好、制造方便和刚度高等诸多优点，因此被广泛使用，例如车床、磨床、龙门刨床、龙门铣床、滚齿机、坐标锁床的导轨副等。4)双燕尾形导轨。

如图2一4(a)所示，它的高度较小，可以承受颠覆力矩，是闭式导轨中接触面最少的一种结构。间隙调整方便，用一根镶条就可以调节各接触面的间隙。这种导轨刚度较差，加工、检验、维修都不大方便，适用于受力小、层次多、要求间隙调整方便的场合，例如牛头刨床和插床的滑枕导轨、升降台铣床的床身导轨、车床刀架导轨副和仪表机床导轨等。5)矩形与燕尾形导轨组合。

如图2一4(b)所示，由于它兼有调整方便、能承受较大力矩的优点，故多用于横梁、立柱和摇臂的导轨副。6)双圆柱导轨组合。圆柱导轨具有制造方便、不宜积存较大切屑的优点，但间隙难以调整，磨损后一也不易补偿，因此适用于移动件只受轴向力的场合，例如攻螺纹机、机械手的导轨副等。(3)通过计算选择结构参数。

1)计算额定动载荷Ca’(单位N)。

式中: KW—负荷系数，按表2一3选取;KH----硬度系数，按表2一4选取;KT—温度系数，按表2一5选取;KC—接触系数，按表2一6选取;K—寿命系数，一般取K=50;2)依据 的原则，选择结构参数。(4)其他参数选择。1)导轨材料选择。

铸铁耐磨性好，热稳定性高，减振性好，成本低，易于加工，在滑动导轨中应用广泛。淬硬的钢导轨耐磨性好。镶装塑料导轨具有耐磨性好，动、静摩擦系数接近，化学稳定性好，抗振性好，抗撕伤能力强，工作范围广，成本低等诸多优点。在选材时，支撑导件与运动件应选不同的材料，其热处理的方式一也有所不同。2)调整装置。

导轨工作时会产生间隙，间隙过小会增加摩擦阻力，间隙过大会降低导向精度，所以应选择合适的调整装置进行调整。例如滑动导轨副采用压板和镶条两种方法调整。①镶条。

镶条用来调整矩形导轨、燕尾形导轨的侧隙，以保证导轨面能正常接触。镶条应放在导轨受力较小的一侧，常用的有平镶条和楔形镶条两种。

平镶条如图2一5所示，它是靠调整螺钉1移动镶条2的位置来调整间隙的，图2一5(c)所示为在间隙调整好后，再用螺钉3将镶条2紧固。平镶条调整方便，制造容易，图2一5(a)和图2一5(b)所示的镶条较薄，而且只在与螺钉接触的几个点上受力，容易变形，刚度较低，日前较少使用。楔形镶条如图2一6所示，镶条的两个面分别与动导轨和支撑导轨均匀接触，所以比平镶条刚度高，但加工较困难。

楔形镶条的斜度为1 : 100一1:40,镶条越长，斜度应越小，以免两端厚度相差太大。如图2一6(a)所示的调整方法是用调节螺钉1带动镶条2做纵向移动以调节间隙。镶条上的沟槽a在刮配好后加工，这种方法构造简单，但螺钉头凸肩和镶条上沟槽之间的间隙会引起镶条在运动中窜动。图2一6(b)所示为从两端用螺钉3和5调节，避免了镶条4的窜动，性能较好。图2一6(c)所示为通过螺钉6和螺母7调节，镶条8上的圆孔在刮配好后加工，这种调节方法方便，且能防止镶条8的窜动，但其纵向尺寸较长。②压板。

压板用来调整辅助导轨面的间隙和承受的颠覆力矩，如图2一7所示。

2.2.1选择导轨副

1.确定最大载荷F-max 已知作用在单滑座上的最大载荷Fmax，滑座数M=4，工作台受到进给方向的载荷(与丝杠轴线平行)Ff= 1 401 N，工作台受到横向的载荷(与丝杠轴线垂直)F-n= 337 N ,工作台受到垂直方向的载荷(与工作台面垂直)Fe=512 N，移动部件总重量G =736 N。单滑块所受的最大垂直

2.确定额定工作时间寿命孔 要求该导轨副每天开机6h，每年工作300个工作日，且工作8年以上，则额定工作时间寿命:

3.确定行程长度系数TS 要求单向行程长度LS = 0.52m，每分钟往返次数为3，则额定行程长度系数: 4.计算额定动载荷Ca’(单位为N)要求工作温度不超过120 0C，工作速度为40 m/min，滚道表面硬度取60 HRC。由前面的计算结果得额定工作时间寿命Th = 14 400 h。则:

表2一7为JSA一KL型直线滚动导轨副(宽型螺孔)尺寸参数，图2一8所示为其外形图;表28 JSA-ZL型直线滚动导轨副尺寸参数

表2-9项目实施过程记录表

表2-10项目评价表

项目三 简易机电产品设计与制作

3.1.1设计原则

一方面，在保证产品完成规定功能的前提下，通过对构成各子系统的方案进行优化组合，降低成本，使系统功能平稳、准确、快速，以满足用户的要求。机电一体化产品的主要特征是自动化操作，功能是产品的生命，只有功能可靠，产品才具有价值。另一方面，要使功能达到最佳，机械子系统、电子信息处理子系统、动力子系统、传感检测子系统和执行机构子系统5部分构成要素的匹配、相互协调和相互补充也极为重要。而通过降低成本，并且使系统功能达到稳、准、快，又增强了产品的市场竞争力。

3.1.2设计工作流程

一个全新的机电一体化产品的正向设计和开发过程大体可以分为产品规划、概念设计和详细设计三个阶段。1.产品规划阶段

产品规划包括需求分析、市场预测和技术可行性分析，最后确定设计参数及设计制约条件，提出设计要求，并将其作为设计、评价和决策的依据。(1)需求分析。

需求分析从需求识别开始，认识需求是一种创造性工作，设计人员应深人实际，细致观察，敏锐捕捉市场的需求，并及时完成产品的开发和试制工作。(2)市场预测。

市场预测是产品的前期调研工作，调研内容主要有以下三方面: 1)面向用户的产品市场调研:主要有产品销售对象的可能销售量，用户对产品的功能、性能、质量、使用维护、包装及价格等方面的要求。此外，还应了解竞争产品的种类、优缺点和市场占有率等情况。

2)面向产品设计的技术调研:主要有行业和专业技术发展动态，相关理论的研究成果和新材料、新器件的发展动态，竞争企业、竞争产品的技术特点分析等。此外，还要了解本单位的生产基础条件。

3)面向产品生命周期的社会环境调研:主要有产品生产和目标市场所在地的经济技术政策(如产业发展政策、投资动向、环境保护及安全法规等)，产品的种类、规模及分布，社会的风俗习惯，社会人员构成状况及消费水平、消费心理和购买能力等。

通过调研应确定开发产品的必要性、种类和生命周期，预测产品的技术水平、经济效益和社会效益等，确定用户对产品的功能、性能、质量、外观和价格等方面的要求，即形成产品的初步概念，然后进行技术可行性分析。(3)技术可行性分析。

技术可行性分析包括以下几个方面: 1)关键技术和技术线路:研究本产品需要的关键技术，指明产品实现的技术路线和技术标准。例如，一个新概念汽车，采用什么样的发动机、什么样的控制总线和什么样的人机接口等。所使用的关键性技术应该是比较成熟的、成本和技术风险容易控制的。如果要采用比较前沿的新技术，则需要在市场和成本方面多做考虑。

2)可选技术方案:同样的产品可能有多种技术方案可选择，设计人员必须根据一定的准则从中选择一个最合适的方案或将这些方案进行综合处理。

3)主要性能指标及技术规格的可行性:产品的性能指标及技术规格对产品的成本和市场竞争力至关重要。性能指标和技术规格越高，产品的成本就越高，价格也就越高。但市场竞争力不完全由技术性能决定，还与其价格、品牌等许多因素有关。用户往往追求性价比高的产品。因此制定产品的规格和性能指标需要综合考虑各方面的因素，突出产品的特色，力争做到高性能、低价格。在制定主要产品的规格和性能指标时还要充分参考竞争对手的产品及发展趋势，制定最合理的参数。

4)主要技术风险:综合分析产品功能、技术规格及性能指标实现的可能性，分析产品开发、生产中可能存在的各种问题和风险，以及这些问题与风险的解决和规避方法。如果不充分考虑这些问题和风险，产品开发时间则可能拖延，从而错过市场最佳时机，使产品的成本过高、质量和成品率低或者大规模地更换生产设备等。因此，必须提前对这些问题进行充分的评估，使产品开发和生产能顺利进行。

5)成本分析:根据所制定的产品技术规格和技术路线，综合分析产品成本，包括技术成本、原材料成本、制造成本和人力成本等，为产品的立项提供决策支持。

6)结论和建议:根据产品的成本分析和技术风险分析，对产品的技术规格、性能指标和市场定位等参数提出修改建议，确定产品是否立项。产品立项应给出生产设计要求表，表中所列要求分为特征指标、优化指标和寻常指标，各项要求应尽可能量化，并按重要程度分出等级。2.概念设计阶段

在概念设计阶段输人生产设计要求表，输出总体方案。该方案主要包括产品外观和结构布置方案、产品部件或子系统划分以及设计目标、各部件或子系统的接口设计等三个方面，并制订详细设计任务书、验收规范及进度计划。

3.3案例导入

(3)确定小带轮齿数Z1和小带轮节圆直径d1.应使小带轮齿数，而带轮最小许用齿数Z min可查表3一3获得。当带速和安装尺比寸允许时，Z1尽可能选用较大值，初步选取Z1=12。(4)确定大带轮齿数Z2和大带轮节圆直径d2(5)初选中心距久ao、带的节线长度Lop、带的齿数Zb。

根据表9-4选取接近标准的节线长度Lp=381mm，相应齿数Zb= 40。(6)计算实际中心距a。

设计同步带传动时，中心距a应该可以调整，以便获得适当的张紧力。(7)校验带与小带轮的啮合齿数Zm 啮合齿数:(8)计算基准额定功率P0

(9)确定实际所需的同步带宽度bs。

式中bs0—选定型号的基准宽度，由表9-5可查得bs0 = 25.4mm;Kz—小带轮啮合齿数系数，由表9-6可查得K, = 0.8。10)带的工作能力验算。

根据下式计算同步带额定功率P的精确值，若结果满足 率)，则带的工作能力合格。

带的设计功

同步带传动示意简图如图3-9所示。(11)结果整理。

同步带:选用L型同步带，订购型号为150 L100

最后，经过厂家订购与协商，确定带轮及带，零件如图3一

10、图3一11所示，同步带传动效果如图3一12所示。3.3.3锥齿轮传动设计

(1)确定齿轮材料及精度等级。

锥齿轮材料选择45 #钢调质，齿面硬度为217~225 HBS。经过计算齿轮传动的最大圆周速度为4.19 m/s，查表3一8可确定锥齿轮精度等级为7级)(2)确定模数及齿数。(3)计算相关参数。

根据以上尺寸画出小锥齿轮零件(见图3一13)和大锥齿轮零件图(见图3一14)。锥齿轮传动啮合部分三维造型如图3一15所示。3.3.4计数系统设计 在啤酒、汽水和罐头等灌装生产线上，常常需要对随传送带传送到包装处的成品瓶进行自动计数，以便统计产量或为计算机管理系统提供数据。光电计数器是通过红外线发射和接收进行计数的，有直射式和反射式两种。直射式的发射、接收分体，发生器和接收器分别置于流水线两边，中间没有阻挡时发射器的红外线反射到接收器上，接收器收到发射来的红外线，经相反处理使之没有信号输出，有工件经过时挡住光路，接收机失去红外线信号便输出一个脉冲信号到运算累加器进行计数。发射式是发射、接收同体，置流水线一边，前面没有工件往下流时，发射器发出的红外线直接射出没有反射，接收器没有接收到反射来的红外线信号则没有输出。有工件经过时，其将挡住光电路使发射器发出的红外线信号反射到接收器上，接收器接收到反射来的红外线信号便输出一个脉冲信号到运算累加器进行计数。本项目的设计日的是每推一个料，计数器显示一个数，逐次递增。整体方案是:通过传感器(光电开关或磁性开关)检测到推杆动作，将信号传到单片机，单片机输出，并令数码管显示推出工件个数)其结构如图3一16所示。

本设计是两种传感器均可，接线图如图3一17所示。

本设计中的计数器、光电开关、磁性开关均需外购，其外形如图3一18所示。

3.4.1实训准备

1.项目目的

(1)使学生具备一般机电产品方案的设计能力。(2)熟练掌握同步带设计方法。(3)学会查《机械设计手册》。2.项目要求

每组学生自行设计同步带系统和计数系统。3.仪器与设备

(1)电脑若干(二维设计软件、三维设计软件必有)。(2)《机械设计手册》若干。4.实训步骤(1)学生分组设计方案。

(2)两位指导教师及各组组长审核方案。

(3)方案通过后，具体设计，学生将项目实施过程填入记录表3-9中。3.4.2项目评价

项目的整体评价见表3一10。

图3一1机电一体化系统设计流程

图3一2常用电子类组装工具

图3一4方案一草图

图3一5风能供料装置结构示意

图3一6风能供料装置主要部件示意

图3一7同步带

表3-1同步带载荷修正系数KA

表3一3带轮最小许用齿数Zmin

表3一4同步带节线长度L P

表3-5同步带在基准带宽下的许用工作拉力和线密度

表3一6小带轮啮合齿数系数

图3-9同步带传动示意简图

图3一10小带轮零件

图3一11大带轮零件

图3一12同步带传动效果

表3-10项目评价表