机电一体化系统设计期末复习题

第一篇：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。

第二篇：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基础》期末复习小结

一、判断题

系统论、信息论、控制论是机电一体化技术的理论基础，是机电一体化技术的方法论。（√）

PLC采用扫描工作方式，扫描周期的长短决定了PLC的工作速度。（√）

PLC完善的自诊断功能，能及时诊断出PLC系统的软件、硬件故障，并能保护故障现场，保证了PLC控制系统的工作安全性。（√）

传动机构的转动惯量取决于机构中各部件的质量和转速。（×）

传感器在使用前、使用中或修理后，必须对其主要技术指标标定或校准，以确保传感器的性能指标达到要求。（√）电液伺服系统的过载能力强，在强力驱动和高精度定位时性能好，适合于重载的高加减速驱动。（√）

对直流伺服电动机来说，其机械特性越硬越好。（√）

感应同步器是一种应用电磁感应原理制造的高精度检测元件，有直线和圆盘式两种，分别用作检测直线位移和转角。（√）

工业机器人驱动部分在控制信息作用下提供动力，包括电动、气动、液压等各种类型的传动方式。（√）滚珠丝杠垂直传动时，必须在系统中附加自锁或制动装置。（√）

机电一体化系统的机械系统与一般的机械系统相比，应具有高精度、良好的稳定性、快速响应性的特性。（√）计算机控制系统的采样周期越小，其控制精度就越高。（√）

计算机控制系统设计完成后，首先需要对整个系统进行系统调试，然后分别进行硬件和软件的调试。（×）

进行机械系统结构设计时，由于阻尼对系统的精度和快速响应性均产生不利的影响，因此机械系统的阻尼比ξ取值越小越好。（×）

绿色设计是对已有的产品或技术进行分析研究，进而对该系统（产品）进行剖析、重构、再创造的设计。（×）脉冲分配器的作用是使电动机绕组的通电顺序按一定规律变化。（√）目前，大部分硬件接口和软件接口都已标准化或正在逐步标准化，设计时可以根据需要选择适当的接口，再配合接口编写相应的程序。（√）

气压式伺服驱动系统常用在定位精度较高的场合使用。（×）

驱动部分在控制信息作用下提供动力，伺服驱动包括电动、气动、液压等各种类型的驱动装置。（√）

数控机床中的计算机属于机电一体化系统的控制系统，而电机和主轴箱则属于系统的驱动部分。（×）数字化物理样机就是一种结构设计软件，强调结构上的设计。（×）

数字式位移传感器有光栅、磁栅、感应同步器等，它们的共同特点是利用自身的物理特征，制成直线型和圆形结构的位移传感器，输出信号都是脉冲信号，每一个脉冲代表输入的位移当量，通过计数脉冲就可以统计位移的尺寸。（√）

双螺母消除轴向间隙的结构形式结构紧凑，工作可靠，调整方便，能够精确调整。（×）

通常，步进电机的最高连续工作频率远大于它的最高启动频率。（√）

通用型计算机系大多工作在为特定用户群设计的系统中，通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点。（×）为减少机械传动部件的扭矩反馈对电机动态性能的影响，机械传动系统的基本固有频率应低于电气驱动部件的固有频率的2~3倍，同时，传动系统的固有频率应接近控制系统的工作频率，以免系统产生振荡而失去稳定性。（×）无论采用何种控制方案，系统的控制精度总是高于检测装置的精度。（×）

现场总线系统采用一对一的设备连线，按控制回路分别进行连接，打破了传统控制系统的结构形式。（×）现代嵌入式系统的设计方法是将系统划分为硬件和软件两个独立的部分，然后按各自的设计流程分别完成。（×）信息处理技术是指在机电一体化产品工作过程中，与工作过程各种参数和状态以及自动控制有关的信息输入、识别、变换、运算、存储、输出和决策分析等技术。（√）虚拟设计是在基于多媒体的、交互的、嵌入式的三维计算机辅助设计环境中进行实体建模和装配建模，生成精确的系统模型，并在同一环境中进行一些相关分析，从而满足工程设计和应用的需要。（√）

需求设计是指新产品开发的整个生命周期内，从分析用户需求到以详细技术说明书的形式来描述满足用户需求产品的过程。（√）

选择传感器时，如果测量的目的是进行定性分析，则选用绝对量值精度高的传感器，而不宜选用重复精度高的传感器。（×）

一般说来，全物理仿真较之计算机仿真在时间、费用和方便性上都具有明显的优点，是一种经济、快捷与实用的仿真方法。（×）

永磁型步进电动机即使其定子绕组断电也能保持一定转矩，故具有记忆能力，可用于定位驱动。（√）在闭环系统中，因齿轮副的啮合间隙而造成的传动死区能使系统以6~10倍的间隙角产生低频振荡，采用消隙装置，以提高传动精度和系统稳定性。（×）

直流伺服电动机的调速特性是电机转速与其输出转矩的关系。（×）

自动控制技术是机电一体化相关技术之一，直接影响系统的控制水平、精度、响应速度和稳定性。（√）自动控制是在人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定的规律运行。（×）

二、单选题

以下可对交流伺服电动机进行调速的方法是（改变电动机的供电频率）。

HRGP-1A喷漆机器人中的活塞式液压缸属于系统中的（驱动部分）。

HRGP-1A喷漆机器人中的手部属于系统中的（执行机构）。

闭环控制的驱动装置中，丝杠螺母机构位于闭环之外，所以它的（回程误差和传动误差都不会影响输出精度）。步进电机转动后，其输出转矩随着工作频率增高而（下降）。

采用脉宽调制（PWM）进行直流电动机调速驱动时，通过改变（脉冲的宽度）来改变电枢回路的平均电压，从而实现直流电动机的平滑调速。

齿轮传动的总等效惯量随传动级数(增加而减小)。传动系统的固有频率对传动精度有影响，（B）固有频率可减小系统地传动误差，（A）系统刚度可提高固有频率。A．提高，提高

导程L0=8mm的丝杠驱动总质量为60kg的工作台与工件，则其折算到丝杠上的等效转动惯量为（97）kg〃mm2。多级齿轮传动中，各级传动比“前小后大”的分配原则不适用于按（重量最轻原则）设计的传动链。

多级齿轮传动中，各级传动比相等的分配原则适用于按（重量最轻原则（小功率装置））设计的传动链。幅频特性和相频特性是模拟式传感器的（动态特性指标）。光栅传感器的光栅是在一块长条形的光学玻璃上密集等间距平行的刻线，刻线数为100线/mm，经四倍细分后，记数脉冲为400，光栅位移是（1）mm。（此光栅传感器测量分辨率是（0.01）mm。）含有微处理器，可进行程序编制或适应条件变化的接口是（智能接口）。

计算机控制系统实际运行时，需要由用户自行编写（应用软件），具有实时性、针对性、灵活性和通用性。检测环节能够对输出进行测量，并转换成比较环节所需要的量纲，一般包括传感器和（转换电路）。

某机电一体化系统需要消除齿轮传动的齿侧间隙，采取下列哪种方法使得调整过程中能自动补偿齿侧间隙？（轴向压簧错齿调整法）

受控变量是机械运动的一种反馈控制系统称(伺服系统)。数控机床进给系统的伺服电机属于设备的（驱动部分）。通常，数控精密镗铣床等高精度数控设备，其伺服系统的控制方式均采用（闭环控制）

为提高机电一体化机械传动系统的固有频率，应设法（增大系统刚度）。

下列哪个是传感器的动特性（幅频特性）。

下列哪种方法是采用单螺母预紧原理来消除滚珠丝杠副的间隙？（偏置导程法）

以下产品不属于机电一体化产品的是（电子计算机）。以下产品属于机电一体化产品的是（全自动洗衣机）。以下除了（继电器控制系统），均是由硬件和软件组成。以下抑制电磁干扰的措施，除了（软件抗干扰），其余都是从切断传播途径入手。

有一脉冲电源，通过环形分配器将脉冲分配给五相十拍通电的步进电机定子励磁绕组，已知转子有24个齿，步进电机的步距角是（1.5°）。a=360/(znk)=360/(24*5*2)在开环控制系统中,常用（步进电动机）做驱动元件。

二、简答题

滚珠丝杠副消除轴向间隙的调整预紧方法有哪些？

滚珠丝杠副消除轴向间隙的调整预紧方法有：螺纹预紧调整式、双螺母差齿预紧调整式、双螺母垫片预紧调整式、弹簧式自动调整预紧式、单螺母变位导程自预紧式。步进电动机的输入信号是什么？如何实现对其转速和旋转方向的控制？

步进电机的输入信号是脉冲序列。步进电机的步矩角α与运行拍数m、通电方式k（m=kN，单拍时k=1，双拍时k=2，N为定子绕组的相数）、转子的齿数z有关。步进电机定子绕组通电状态的改变速度越快，其转子旋转的速度越快，即通电状态的变化频率越高，转子的转速越高。改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之改变。

已知一个绳位移控制系统的两种驱动方案分别如图a和b

所示。

（1）试分析两种方案的特点；（2）画图说明方案（a）减速器滚筒驱动测量位移的方法。

（a）减速器滚筒驱动

（b）丝杠滑台驱动

解：（1）分析两种方案的特点：电机经减速器带动滚筒转动，使驱动绳产生位移；电机带动丝杠转动，丝杠上的螺母便产生直线运动，带动驱动绳产生位移。

（2）画图说明方案（a）减速器滚筒驱动测量位移的方法

分析下图调整齿侧间隙的原理。

1.锁紧螺母 2.圆螺母 3.带凸缘螺母 4.无凸缘螺母

答：图中所示的双螺母螺纹预紧调整齿侧间隙，双螺母中的一个外端有凸缘，一个外端无凸缘，但制有螺纹，它伸出套筒外用两个螺母固定锁紧，并用键来防止两螺母相对转动。旋转圆螺母可调整消除间隙并产生预紧力，之后再用

锁紧螺母锁紧。

分析下图中传动大负载时消除齿侧间隙的原理。1、6－小齿轮 2、5－大齿轮 3－齿轮 4－预载装置

7－齿条

答：小齿轮1、6与齿条7啮合，与小齿轮1、6同轴的大齿轮2、5分别与齿轮3啮合，通过预载装置4向齿轮3上预加负载，使齿轮2、5同时向相反方向移动，从而带动小齿轮1、6转动，其齿面便分别紧贴在齿条7上齿槽的左、右侧，从而消除了齿侧间隙

分析图中整体式PLC的各组成部分中CPU、存储器、电源、输入/出单元的功能。

答:(1)中央处理器CPU是PLC的运算和控制核心，控制其它所有部件的运行，功能相当于人的大脑。

(2)存储器用来存储数据和程序，包括随机存储器(RAM)和只读存储器〈ROM)，用于存储系统程序和周户程序。(3)输入/输出（I/O）单元是CPU与现场I/O设备或其它外部设备之间的连接部件。(4)电源包括系统电源和后备电池，其中后备电池可在停电时继续保持几十小时的供电。

五、计算题

某工作台采用如图所示的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）若采用高速端测量方法，将旋转编码器安装在电机输出轴上，确定旋转编码器的每转脉冲数。

简述对滚珠丝杆副进行间隙调整和预紧方法

刻线为1024的增量式角编码器安装在机床的丝杠转轴上，已知丝杠的螺距为2mm，编码器在10秒内输出307200个脉冲，试求刀架的位移量和丝杠的转速分别是多少？ 解：（1）丝杠旋转一周有1024个脉冲，307200个脉冲对应于丝杠旋转307200/1024=300周，故刀架的位移量为300*2mm=600mm，（2）丝杠的转速为300*2π//10=60π

（弧度/ 秒）如图所示的电机驱动工作台系统，其中驱动x向工作台的三相双三拍步进电机，转子齿数z为100。滚珠丝杠的基本导程为l0=6mm。已知传动系统的横向(x向)脉冲当量δ为0.005mm/脉冲。试求：（1）步进电机的步距角α；（2）减速齿轮的传动比i。

解：（1）K=3相，N=3拍，z=100

步进电机的步距角α=360º/(z*m)= 360º/(z*K*N)= 360º/(100*3*3)=0.4 º

（2）由于一个脉冲，步进电机旋转0.4 º，工作台横向(x向)脉冲当量0.005mm，由于滚珠丝杠的基本导程为l0=6mm，对应于丝杠转动一周360 º，设一个脉冲丝杠转动的角度为x，则

6mm/360º=0.005/xº，得x=0.3º 故减速齿轮的传动比i=0.3/0.4=3/4 某工作台采用直流电机丝杠螺母机构驱动如图所示，已知电机轴的转动惯量Jm=4×10-4kg〃m3，与电机输出轴相连的小齿轮的转动惯量J1=1×10-4kg〃m3，大齿轮的转动惯量J2=1.8×10-4kg〃m3，丝杠的转动惯量Js=3.8×10-4kg〃m3。工作台的质量m=50kg，丝杠导程t=5mm，齿轮减速比为i=5。试求：

（1）工作台折算到丝杠的等效转动惯量JG；（2）传动件折算到电机轴的等效转动惯量Je；（3）电机轴上的总转动惯量J。

图 直流电机丝杠螺母机构驱动工作台 解：（1）JG=m（t/2π）2=50*1000*(0.005/2/3/14)2=0.03166(kg〃m3)(2)Je=(J2+Js+JG)/i2=（1.8×10-4+3.8×10-4+316.6×10-4）/52= 12.88×10-4

(kg〃m3)(3)J= J1+ Je =1×10-4 +12.88×10-4 =13.88(kg〃m3)已知某四级齿轮传动系统，各齿轮的转角误差为Δφ1=Δφ2=…=Δφ8=0.01弧度，各级减速比相同，即i1 = i2 =…= i4 =3，求该系统的最大转角误差Δφmax。解：Δφmax=Δφ1/(i1* i2* i3* i4)+(Δφ2+Δφ3)/(i2* i3* i4)+(Δφ4+Δφ5)/(i3* i4)+

(Δφ6+Δφ7/(i4)+ Δφ8=

=0.01/34+ 0.02/33+0.02/32+0.02/3+0.01

=0.01975（弧度）

（2）若采用低速端测量方法，将传感器与丝杠的端部直接相连，ns=500脉冲/转的旋转编码器是否合用？

图 直流电机丝杠螺母机构驱动工作台

解：（1）设工作台位移（测量精度）0.005mm时，丝杠转动的角度为X，则有

360X

4mm0.005mm 得：X0.45，若对应于电机轴的角度为Y，则

YiX2.25，安装在电机输出轴上的旋转编码器共

有360，故旋转编码器的每转脉冲数为360/2.2516（2）因为360/0.4580> ns=500，故不合用。图示为电枢控制式直流电动机的工作原理图。图中电机线圈的电流为i；L与R为线圈的电感与电阻；电机的输入电压为u；折算到电机转子轴上的等效负载转动惯量为JM；电机输出转矩和转速分别为T和ω；KE和KT分别为电枢的电势常数和转矩常数，试求输出转速与输入电压之间的传递函数。

解：

uiRLi'KE(1)KTiJM'(2)在零初始条件下进行拉氏变换：

U(s)I(s)RLsI(s)KE(s)(3)KTI(s)JMs(s)(4)

由（4）式得I(s)JMs(s)/KT，带入到（3）式，得输

出转速与输入电压之间的传递函数

(s)KU(s)TLJMs2RJMsKEKT

五、综合题

1．如图所示的系统，试分析齿轮减速器、丝杠螺母机构

及传感器的误差对输出精度的影响。

解：齿轮减速器存在两种误差：传动误差和回程误差。传动误差主要由温度或弹性导致的齿轮变形产生；回程误差主要是由齿轮间隙造成。为提高齿轮传动系统中传递运动的精度，各级传动比应按“先小后大”原则分配，设各级转角误差为

k、第k个齿轮到第n级输出轴的传动比为

ikn，设各级转角误差折算到末级输出轴上的总误差为

n/imaxmaxknk丝杠螺母机构传动误差主要由丝杠与螺母之间的间隙决

k1

定，通常可由其间的调整、预紧调整到最小程度，由于这个误差是在末级上，其大小直接影响输出精度。传感器的误差对输出精度的影响是通过控制产生的，由于传感的误差必然导致控制的误差。可以说，传感器的误差直接决定对输出精度的影响。2．用PLC实现对一台电动机的正反转控制。控制要求为：首先电动机正转起动，3秒后自动反转，反转2秒后自动又回到正转，如此循环；可以随时停车。（1）写出I/O分配表；

（2）选择PLC，画出梯形图。

解：（1）电动机正转起动开关I0.0，电动机正转Q0.0，电动机反转Q0.1，电动机停转开关I0.1。

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？

解答：图中各部可分为：（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 试分析图示传动系统中，齿轮减速器的传动误差对工作台输出精度的影响？

解答：齿轮传动链位于电机之后，前向通道的闭环之外，其传动误差的低频分量和高频分量都不能通过闭环控制来消除，都会影响输出精度。

如图所示的系统，试分析传感器的误差对输出精度的影响。解答：

传感器位于闭环之内的反馈通道上，其误差的高频分量（噪声信号）因系统的低通作用得到校正，不影响输出精度；传感器误差的低频分量，如静态精度（分辨率等）直

接影响输出精度，它决定了系统精度的上限。试分析图示传动系统中，信号变换电路及丝杠螺母机构的传动误差对工作台输出精度的影响。

解答：信号变换电路位于输入通道，误差的低频分量会影响输出精度，因此对静态精度有较高要求；而误差的高频分量对输出精度几乎没有影响，允许存在一定程度的高频噪声。丝杠螺母机构位于闭环之后，其误差的低频分量和高频分量都会影响输出精度，因此要尽量消除传动间隙和传动误差。

对比说明步进电机和直流伺服电机驱动的特点。（10分）解答：步进电机与直流电机驱动的主要有如下不同特点：（1）在工作原理方面，步进电机通过改变输入脉冲的数量、频率和顺序来控制电机；而直流电机主要是靠改变电枢两端的电压来调速，调速特性好，调速范围宽。（2）步进电机可以实现开环位置控制；而直流电机一般用于闭环位置控制。（3）步进电机具有自锁能力；而直流电机没有断电自锁能力。（4）步进电机的输出扭矩较小，而直流电机的输出扭矩可以很大。此外，步进电机的转速和转角不受电源电压波动的影响，但对电源的要求比较高。

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

F,最大加速度为10m/s2,丝杠直径为

l1000Nd=16mm,导程t=4mm,齿轮减速比为

i=5,总效率为

30%，忽略丝杠惯量的影响，试计算电机的驱动力矩。

解：（1）计算负载力负载力由外负

载力、惯性负载力两部分构成外负载力 F惯性负

l1000N载力FmFmma5010500N（2）电机上的负载力矩

T1it2(F)1mlFm为

14103

52(1000500)10.3如图所示电机驱动系统，0.63Nm已知工作台的质量为m=200Kg，负载力为Fl1500N，最大加速度为a＝5m/s2,工作台与导轨之间的摩擦系数μ=0.1，丝杠直径为d=36mm,导程t=8mm,齿轮减速比为i=5,总效率为30%，忽略丝杠惯量的影响，试计算电机的驱动力矩。（重力加速度取g＝10m/s2）

解：（1）计算负载力负载力由外负载力、惯性负载力和摩擦力三部分构成外负载力F1500N

l惯性负载力Fmma20051000N

摩擦力

Ffmg0.120010200N

（2）电机上的负载力矩为

T1t1m

i2(FlFmFf)18103152(15001000200)0.32.29Nm