机电一体化(第二版)课后答案

第一篇：机电一体化(第二版)课后答案

1、试说机电一体化的含义

答：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。

2、机电一体化的主要组成、作用及其特点是什么

答：主要由机械本体、动力系统、传感与检测系统、信息处理及控制系统和执行装置等组成。机械本体用于支撑和连接其他要素，并把这些要素合理的结合起来，形成有机的整体。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。传感与检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，同时利用检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。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。

3、工业三大要素是什么？

答：物质、能量和信息。

4、传统机电产品与机电一体化产品主要区别是什么？

答：传统的机电产品机械与电子系统相对独立，可以分别工作。机电一体化产品是机械系统和微电子系统的有机结合，从而赋予其新的功能和性能的一种新产品，产品功能是由所有功能单元共同作用的结果。1-

5、试举几个日常生活中的机电一体化产品？

自动洗衣机、空调、数码相机

6、应用机电一体化技术的突出特点是什么？

答： ①精度提高；②生产能力和工作质量提高；③使用安全性和可靠性提高；④调解和维护方便，使用性能改善；⑤具有复合功能，适用面广；⑥改善劳动条件，有利于自动化生产；⑦节约能源，减少耗材；⑧增强柔性。

7、机电一体化的主要支撑技术有哪些，它们的作用如何？

答：

1、传感测试技术，在机电一体化产品中，工作过程的各种参数、工作状态以及工作过程有关的相关信息都要通过传感器进行接收，并通过相应的信号检测装置进行测量，然后送入信息处理装置以及反馈给控制装置，以实现产品工作过程的自动控制。

2、信息处理技术，在机电一体化产品工作过程中，参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。

3、自动控制技术，主要实现机电一体化系统的目标最佳化。

4、伺服驱动技术，5、接口技术，将各组成要素的输入/输出装置联系成一体的系统。

6、精密机械技术，机电一体化产品的主功能和构造功能大都以机械技术为主来实现。7.系统总体技术，将各有关技术协调配合、综合运用。从而达到整体系统的最佳化。

1-8试论述机电一体化的发展趋势。

答：智能化、模块化、网络化、微型化、绿色化、人格化和自适应化。

2-1机电一体化系统对传动机构的基本要求是什么？

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机等其他环节的动态性能相匹配等要求的传动部件。

2-2丝杠螺母机构的传动形式及其特点是什么？

①螺母固定、丝杠转动并移动。结构简单，精度较高，但刚性差。只适合行程较小的场合。

②丝杠转动、螺母移动。结构紧凑，丝杠刚性较好，适合工作行程较大的场合。

③螺母移动、丝杠移动。机构较复杂且占用轴向空间较大，故应用很少。

④丝杠固定、螺母转动并移动。结构简单，紧凑，但使用不方便，应用较少。

2-3滚珠丝杠副的组成及特点有哪些？

由丝杠、螺母、滚珠、反向器组成。特点：机构复杂、成本高、无自锁能力、轴向刚度高、运动平稳。传动精度高、不易磨损、使用寿命长。

2-4如何选择滚珠丝杠副？

（1）根据防尘防护条件以及对调隙及预紧的要求，选择适当的结构形式。（2）选择滚动丝杠副结构尺寸。主要选择丝杠的公称直径和基本导程。

2-5齿轮传动的各级传动比的分配原则是什么？输出轴转角误差最小原则的含义是什么？

等效转动惯量最小原则、重量最轻原则、输出轴转角误差最小原则。

各级转角误差换算到末级输出轴上的总转角误差最小。

2-6（1）0.022（2）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齿轮传动的尺侧间隙的调整方法有哪些？

偏心套（轴）调整法、轴向垫片调整法、双片薄齿轮错齿调整法

2-9对机械执行机构的基本要求有哪些？

惯性小、动力大；体积小、重量轻；便于维修、安装；易于计算机控制

2-10简述各类传感器的特征及选用原则？

静态特性和动态特性。

2-12简述机电一体化系统中的执行元件的分类和特点？

电气式：操纵简单，适宜编程，响应快，伺服性能好，易于微机相接

液压式：输出功率大，转矩大，工作平稳，承载能力强，但是占地面积大

气压式：可得到较大的驱动力，行程和速度，但由于具有可压缩性，故不能在定位精度较高的场合使用。2-13简述直流伺服电动机的PWM调速换向的工作原理？

脉冲宽度调制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，从而达到控制电机转速的目的。

3-1简述计算机控制系统的组成和特点

计算机由硬件和软件组成。具有完善的输入/输出通道；具有实时控制功能；可靠性高；具有丰富、完善、能正确反映被控对象运动规律的软件系统。

3-2简述计算机控制系统的常用类型及其特点

过程控制系统：根据生产流程对设备巡回检测，然后按照控制规律对生产过程控制

伺服系统：控制信号能够稳定、快速、准确的复现输入信号的变化规律

顺序控制系统：按照逻辑顺序控制

数字控制系统：根据零件编程或路径指令控制

3-3简述计算机控制系统的基本要求和一般设计方法

实时性；高可靠性；硬件配置的可装配可扩充性；可维护性。

3-4简述常用的工业控制计算机类型及其特点

普通PC机：一般不用作工业控制，硬件无需设计，软件开发复杂，抗干扰等差，成本较高

单片机：控制系统自行设计，软硬件设计复杂，抗干扰等差，成本较低

可编程控制器:软硬件设计简单，抗干扰能力强，运行速度慢，适用逻辑控制为主工业控制

工业PC机：硬件设计简单，软件设计复杂，运行速度，抗干扰能力强，成本高，适合较大规模的工业现场控制

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？

由CPU，存储器，输入/输出单元，电源，编程器，其他接口电路。CPU是PLC的运算和控制核心，存储器用来存储数据和程序，I/O单元是CPU与现场I/O设备或其他外部设备之间的连接部件，电源提供电力，编程器用于对程序编辑，其他接口用于扩展PLC的功能。

3-6 PLC控制系统设计步骤一般分为哪几步？

选择用户输入/输出设备；选择PLC；分配I/O点，绘制输入/输出端子的连接图；设计控制程序；如果必要设计操作台等；编制控制系统的技术文件。

3-9数字PID控制器的参数整定方法有哪些？

凑试法确定PID调节参数；实验经验法确定PID调节参数。

3-10简述嵌入式系统的组成？

嵌入式系统组成包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器/微处理器，存储器，电源模块，外围电路及外设器件，I/O端口，图形控制器；软件包括操作系统和应用程序。

3-11简述嵌入式系统的软硬件协同设计方法？

需求分析和描述；设计建模；软硬件划分；软硬件协同设计；软硬件实现和综合；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？

确定系统总体控制方案；建立数学模型并确定控制算法；选择微型计算机；控制系统总体设计；软件设计；系统调试。

5-1．接口的定义及作用

答： 定义：机电一体化系统由许多要素或是子系统构成，各要素或子系统之间必须能够顺利进行物质、能量和信息的传递与交换。各种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：1.通过输入输出接口将其人、自然及其他系统相连；2.通过许多接口将系统构成要素联系为一体。

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）为出发点将接口分为哪几类？各自特点是什么？

答： 按微电子系统分为人机接口和机电接口；

人机接口特点：人机接口包括输出与输入接口两类，通过输出接口。操作者对系

统的运行状态、各种参数进行监测；通过输入接口操作者向系统输入各种命令及控制

参数，对系统运行进行控制。

机电接口特点：机电接口按信息传递方向可分信息采集接口与控制量输出接口。

计算机通过信息采集接口接收传感器输出信号，检测机械系统运动参数，经过运算处

理后，发出有关控制信号，经过控制输出接口的匹配、转换、功率放大、驱动执行元

件来调节机械系统运行状态，使其按要求动作。

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；（2）键盘输入接口

简单开关输入主要用于一些二值化的控制命令和参数；键盘输入主要用于操作者需要输入指 令或参数比较多时。

5-4.ADC0809的结构及工作原理是什么？

答： ADC0809是一种8路模拟量输入8位数字量输出的逐次逼近法A/D器件。

工作原理：其内部除A/D转换部分，还有模拟开关部分。多路开关有8路模拟量输入

端，最多允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换。8路模拟开关切换由地

址锁存和译码控制，3根地址线与A、B、C引脚直接相连，通过ALE锁存。

5-5.控制量输出接口的作用是什么？有那些种具体形式？各自使用什么情况？

答：作用：控制微机通过信息采集接口检测机械系统的状态，经过运算处理，发出有关控制 信号，经过控制输出接口的匹配、转换、和功率放大，驱动执行元件去调节系统的运行状态，使其按设计要求运行。

具体有：（1）模拟量输出接口；（2）功率驱动接口。

使用情况：（1）模拟量输出使用在被控对象要求模拟量作为控制信号，如交流电动机变频调 速、直流电动机调速器，而计算机系统是数字系统，不能输出模拟量的时候。（2）功率驱动 主要把微机系统后向通道的弱电控制信号转换成能驱动执行元件动作的具体一定电压和电

流的强电功率信号或液压气动信号。

5-6.什么是电磁兼容性？

答： 电磁兼容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？电磁必须干扰具备条件是什么？

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 传输有害电气变化现象。

具备条件：（1）存在干扰源；（2）有相应的传输介质；（3）有敏感的接收元件。

5-8.电磁兼容性设计的目的是什么？如何进行？

答：电磁兼容性设计是应用那些已由理论和实践证明，能保证系统相对免除电磁干扰的设计 方法，对干扰加以控制。？？？

5-9.电磁干扰有哪三种形式？并举例说明？

答：电磁干扰形式：（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，如何判别干扰源的性质？

答：常把干扰源通过电场耦合看成电容性耦合（电场耦合），通过磁场的耦合看点成电感耦

合，电场和电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，应分别采取何种有效措施？

答：常用的方法有滤波、降低或消除公共阻抗、屏蔽、隔离等

5-12、常见的抑制电磁干扰措施有哪些？

答：常用的方法有滤波、降低或消除公共阻抗、屏蔽、隔离。

13、如何进行电场屏蔽，磁场屏蔽？

答：电场屏蔽：利用金属屏蔽体可以对电场起到屏蔽作用，屏蔽体必须完善并良好地接地。最好用低电阻金属（铜、铝）做成屏蔽罩，并使之与机壳（地）可靠相连。

磁场屏蔽：低频磁场屏蔽：采用磁屏蔽，用铁磁材料制成管状或杯状罩进行磁场屏蔽，这样可以将磁场干扰限制在屏蔽罩内，也可以使外界低频干扰磁场对置于屏蔽罩内的电路和器件不产生干扰。还可以利用双绞线予以消除。高频磁场屏蔽：采用低电阻率的金属良好导体材料来屏蔽，把金属导体做成金属盒，把线圈包围起来，则线圈电流产生的高频磁场在金属盒内壁产生涡流，从而把原磁场限制在盒内，不至于外泄漏。金属外的高频磁场同样由于涡流的作用只能绕过金属盒，不能进入盒内，从而屏蔽了外界的干扰。

14、接地系统分为几类？举例说明。

答：接地系统分为保护地线、工作地线、地环路和屏蔽接地。电气设备的机壳、底盘接地等 5-

15、如何实施软件抗干扰？

答：（1）数据采样的抗干扰设计： 1.抑制工频干扰； 2.数字滤波

（2）程序运行失常的软件抗干扰设计： 1.软件陷阱法； 2.WTD技术法

6-1 简述机电一体化系统设计流程。P268

答：第一阶段：产品规划。对产品进行需求分析、需求设计与可行性分析；

第二阶段：概念设计。拟定总体方案、划分功能模块以及对方案进行论证、确定模块设计目标；

第三阶段：详细设计。对各功能模块和接口细部设计，并对所做的设计进行总体评价；

第四阶段：设计实施。制造、装配和编制各功能模块并进行调试，以及对系统进行整体安装调试与可靠性、抗干扰性复核

第五阶段：设计定型阶段。对系统进行工艺定型，编写技术文档资料。

6-2 开发性设计、适应性设计、变型设计有何异同? P271

答：开发性设计是在工作原理、结构等完全未知的情况下，设计出质量和性能方面满足目的的要求的新产品，是一种完全创新的设计。

适应性设计是在总的方案原理基本保持不变的情况下，对现有产品进行局部更改，或用微电子技术代替原有的机械结构，或为了进行微电子控制对机械结构进行局部适应性设计，以使产品的性能和质量增加某些附加价值。

变型设计是在已有产品的基础上，针对原有缺点或新的工作要求，从工作原理、功能结构、执行机构类型和尺寸等方面进行一些变异，设计出新产品。

6-3 何谓概念设计？简述其具体设计步骤。P275

答：在确定任务之后，通过抽象化，拟定功能结构，寻求适当的作用原理及其组合等，确定出基本求解途径，得出求解方案，这一部分设计工作叫做概念设计。

步骤：首先将设计任务抽象化，确定出系统的总功能，抓住本质，寻找解决问题的多种方法。

其次将总功能分解成子功能，知道分解到不能再分解，然后寻找子功能的解，并将原理进行组合，对众多方案进行评价决策，最终选定最佳方案。

6-4 如何进行设计任务抽象化？其作用是什么？ P278-279

答：工程设计中常用的抽象方法是黑箱法，将待求系统看作是黑箱，分析和比较系统的输入/输出的物料流、能量流、信息流的差别和关系，从而反映出系统的总功能，然后探求系统的机理和结构，逐步使黑箱透亮，直到方案的拟订。其作用是能扩大解的范围，放开视野，寻求更为理想的设计方案。6-5 总功能为什么要分解？应如何进行分解？P280-281

答：（1）因为新产品的整体功能是由不同组成部分相互协调共同完成的，对总功能进行分解既可显示各功能元、子功能与总功能之间的关系，又可通过各功能元之间的有机组合求系统方案。

（2）首先从上层子功能的结构考虑起，建立该层功能结构的邹形，再逐层向下细化，最终得到完善的功能结构图。

6-7 为什么要进行系统的评价和决策？分别简述其步骤。P288

答：进行系统评价是为了对评价的事物与一定的对象进行比较，决定该事物的价值；进行系统决策是为了从各种可供选择的方案中，选出作为实现特定目标的最佳方案。

系统评价的步骤：（1）明确系统评价的目的；（2）分析系统、熟悉系统；（3）建立评价指标体系；（4）确定评价尺度；（5）确定评价方法；（6）计算评价价值；（7）综合评价。

系统决策步骤：（1）发现问题；（2）确定目标；（3）制定方案；（4）评价与决策；（5）反馈。

第二篇：机电一体化课后答案

第一章 1-1.试说明较为人们所接受的机电一体化的含义。

答：机电一体化乃是在机械的主功能、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。

1-7.机电一体化系统由哪些基本要素组成？分别实现哪些功能？

答：①.机电一体化系统由计算机、动力源、传感件、机构、执行元件系统五大要素组成。

②.对应的五大功能为：控制、动力、计测、构造、操作功能。

1-17.开发性设计、变异性设计、适应性设计有何异同？

答：

1、开发性设计是没有参照产品的设计，仅仅是根据抽象的设计原理要求，设计出在质量和性能方面满足目的要求的产品。

2、变异性设计是在设计方案和功能结构不变的情况下，仅改变现有产品的规格尺寸使之适应于量的方面有所变更的需求。

3、适应性设计是在总的设计方案、原理基本保持不变的情况下，对现有产品进行局部更改，或用微电子技术代替原有的机械结构或为了进行微电子控制对机械结构进行局部适应性设计，以使产品在性能和质量上增加某些附加价值。

所有机电一体化系统的设计都是为了获得用来构成事物的有用信息。

1-20.简述计算机辅助设计与并行工程、虚拟设计、快速响应设计、绿色设计、反求设计等的含义。

答：

1、计算机辅助设计是设计机电一体化产品的有力工具，用来设计一般机械产品的CAD的研究成果。

2、并行工程是把产品的设计、制造及其相关过程作为一个有机整体进行综合协调的一种工作模式。

3、虚拟设计是虚拟环境中的产品模型，是现实世界中的产品在虚拟环境中的映像，是基于虚拟现实技术的新一代计算机辅助设计。

4、快速响应设计是实现快速响应工程的重要环节，快速响应工程是企业面对瞬息万变的市场环境，不断迅速开发适应市场的新系统，快速响应设计的关键是有效开发和利用各种系统信息资源。

5、绿色设计是从并行工程思想发展而出现的一个新概念。绿色设计就是在新系统的开发阶段，就考虑其整个生命周期内对环境的影响，从而减少对环境的污染、资源的浪费、使用安全和人类健康等所产生的副作用。

反求设计是以现代设计理论、方法和技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验、知识和创新思维，对已有的系统进行剖析、重构、再创造的设计。

第二章

2-10.现有一双螺母齿差调整预紧式滚珠丝杠，其基本导程λ0=6mm、一端的齿轮齿数为100、另一端的齿轮齿数为98，当其一端的外齿轮相对另一端的外齿轮转过2个齿时，试问：两个螺母之间相对移动了多大距离？

答：Z1=100，Z2=98，ΔS=（2/Z1）*λ0=0.02*6mm=0.12mm

2-16.各级传动比的分配原则是什么？输出轴转角误差最小原则是什么？

答：（1）各级传动比的分配原则是：①重量最轻原则②输出轴转角误差最小原则③等小传动惯量最小原则

（2）输出轴传动误差最小原则是：为提高机电一体化系统齿轮传动的精度，各级传动比影按先小后大的原则分配，一边降低齿轮的加工误差、安装误差及回转误差对输出转角精度的影响。总转角误差主要取决于最末一级齿轮的转角误差和传动比的大小，在设计中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。

2-19.设有一谐波齿轮减速器，其减速比为100，柔齿轮数为100。当刚轮固定时，试求该谐波减速器的钢轮齿数及输出轴的传动方向（与输入轴的传向相比较）。

答：根据公式：iHr=Zr/(zr-zg)可知：当iHr=100时，Zg=99，当iHr=-100时，Zg=101；故该谐波减速器的钢轮齿数为101，柔轮输出轴方向与波发生器输入轴转向相反。

2-21.简述导轨的主要作用，导轨副的组成、种类及应满足的基本要求。

答：导轨的作用是支承和限制运动部件按给定的运动要求和规定的运动方向运动。

导轨副的组成：导轨副主要由承导件和运动件两大部分组成。

常用的导轨副种类很多，按其接触面积的摩擦性质可分为滑动导轨、滚动导轨、流体介质摩擦导轨等；按其结构特点可分为开式导轨和闭式导轨。

导轨副应满足的基本要求：导向精度高、刚性好、运动轻便平稳、耐磨性好温度变化影响小以及结构工艺性好等。

第三章

3-2 机电一体化系统对执行元件的基本要求是什么？

答：⒈惯量小、动力大

⒉体积小、重量轻

⒊便于维修、安装

⒋易于微机控制

3-6 简述 PWM 直流驱动调速，换向的工作原理。

答：通过电源的通断来获得电压脉冲信号，控制通断的时间比来获得不同的电压脉冲，通的时间越长，获得的平均电压越大，电机转的就快，反之，电机转的就慢。电机的换向是通过桥式电路来实现的，它是由四个大功率的晶体管组成，通过在不同晶体管的基极加正负脉冲从而实现电机的转向控制。为使其实现双向调速，多采用桥式电路，其工作原理与线性放大桥式电路相似。

电桥由四个大功率的晶体管组成。如图，分别记作 1.2.3.4.如果在 1 和 3 的基极上加以正脉冲的同时，在 2 和 4 的基级上加以负脉冲，这时 1 和 3 导通，2 和 4 导通。设此时的电动机转向为正；反之，则为负。电流的方向与前一情况相反，电动机转向，显然，如果改变加到 1 和 3，2 和 4这两组管子基极上控制脉冲的正负和导通率就可以改变电动机的转向和速。

3-11 简述步进电机步距角大小的计算方法？

答：a=360/（K*M）

式中：Z=转子齿数。M=运行拍数。通常等于相数或相数整数倍，即 M=K*N（N 为电动机的相数，单拍是 K=1，双拍时 K=2）。

第四章

4-2 试说明微型计算机的基本特点及选用要点。

答：较完善的中断系统，足够的储存容量，完备的输入/输出通道和实时时钟；字长，速度，指令。

4-15 键盘键值是如何确定？

答：将行、列线按二进制顺序排列，当某一键按下时，键盘扫描程序执行到给该列置0电平，读出各行状态为非1状态，这时的行、列数据组合成键值。

4-17 试说明光电耦合器的光电隔离原理。

答：光电隔离电路主要由光电耦合器的光电转换元件组成，如书本P168图 4.39。控制输出时，如图4.39a所示可知，微机输出的控制信号经74LS04非门反相后，加到光电耦合器G的发光二极管正端。当控制信号为高电平时，经反相后，加到发光二极管正端的电平为低电平，因此，发光二极管不导通，没有光发出。这时光敏晶体管截止，输出信号几乎等于加在光敏晶体管集电极上的电源电压，当控制信号为低电平时，法官二极管导通并发光，光敏晶体管接收发光二极管发出的光而导通，于是输出端的电平几乎等于零。同样的道理，可将光电耦合器用于信息的输入，如图4.39b所示。

4-19 试说明检测传感器的选用原则及注意事项。

答：首先要根据使用要求选择适合自己所需要的，此外还可以采取某些技术措施来改善传感器的性能如：平均技术，差分技术，稳定性处理，屏蔽和隔离。选用传感器时，要特别注意不同系列产品的应用环境、使用条件和维护要求。

第五章

5-1 回顾所学机械控制工程的相关知识，简述机电一体化系统设计与机械控制工程理论的关系。

答：随着机电一体化技术的发展，机械控制工程基础在机电一体化系统中的应用越来越广泛。

5-4 简述传递函数、系统的过渡过程、伺服系统的动态特性的含义。

答：线性定常系统传递函数定义为：在零初始值下，系统输出量拉氏变换与输入量拉氏变换之比。系统的过渡过程：当系统受到外部干扰时，其输出量必将发生变化，但由于系统总含有惯性或储能元件，其输出量不可能立即变化到与外部干扰相应的值，而需要有一个过程，这个过程就是系统的过渡过程。伺服系统的动态特性：1.系统过渡过程品质，即系统响应的快速性和震荡性。2.系统的稳定精度，即稳态误差ess的大小。

5-5 用所学机械控制工程基础对机电一体化系统元、部件的动态特性进行分析。

答：机械系统在传递运动的同时还将进行力的传递。因此，机械系统的各构成零部件必须具有承受其所受力的足够强度和刚度的尺寸。但尺寸一大，质量和转动惯量就大，系统的响应就慢。如书本P207图5.15a所示，输入为力Fx(t)时，其响应为Fy(t)或y(t)f(x(t))，系统负载质量和惯量不同，其响应快慢也不同。含有机械负载的机械系统动态特性如图5.15b所示。如果是齿轮减速器，其机构的运动变换函数yf(x)()x就是线性变换。如果只有机构的转动惯量Jm，则其动态特性为

1t1，如果只有负载转动惯量JL，则其负载反

(Jms2)力为JLs2y。包括负载在内的机械总体的动态特性，以传递函数形式可表示为X(s)/Fx(s)1/[(JmJL/i2)s2]

第六章

6-4 简述数控机床坐标系的定义规则。

答：数控机床坐标系统采用右手直角笛卡儿坐标系，确定机床坐标系时，假定刀具相对工件做相对运动。该标准规定机床传递切削力的主轴轴线为Z坐标。当机床有机个主轴时，则选一个垂直于工件装夹面的主轴为Z轴。规定增大工件和刀具距离的方向为Z的正方向。

X坐标是水平的，它平行于工件的装夹面。对工件旋转的机床，取刀具远离工件的方向为X的正方向。对于刀具旋转的机床则规定：当Z轴为水平时，从刀具主轴后端向工件方向看，X正方向为向右方向；当Z轴为垂直时，对单立柱机床，面对刀具主轴向主轴方向看，右手方向为正方向。y坐标按右手直角笛卡儿坐标系确定其正方向。

6-5 了解数控编程的辅助功能M指令代码和数控G指令代码。

答：M指令代码：M00程序停机M01选择停机，按下“选择停”按钮后才起作用；M02程序结束，到下一程序的起点；M03主轴顺时针方向旋转；M04主轴逆时针方向旋转；M05主轴停转；M06换刀；M07开#号冷却液；M08开*号冷却液；M09关闭冷却液；M10夹紧；M11松开；M30程序终了，返回到程序起点。

G指令代码：1.坐标平面选择指令（G17、G18、G19）；2.绝对值和增量值编程指令（G90、G91）；3.快速点定位指令（G00）4.直线插补指令（G01）；5.圆弧插补指令（G01）；6.刀具半径补偿指令（G40、G41、G42）

6-6 简述数控（CNC）加工程序编制的主要内容。

答：数控（CNC）程序编制分手工编程和自动编程。手工编程是指从分析零件图、制订工艺规程、计算刀具运动轨迹、编写零件加工程序单、制作程序介质直到程序效应，整个过程主要由人工来完成，这种人工制备零件加工程序的方法称手工编程。编制零件加工程序的全部过程主要由计算机来完成的编程方法称自动编程。

第七章

7-7 在闭环之外的动力传动链齿轮传动间隙对系统的稳定性有无影响？为什么

答：有。由于动力传动链存在齿轮传动间隙，当电动机在齿隙范围内运动时，被控对象不转动，没有反馈信号，系统暂时处于开环状态。当电动机转过齿隙后，主动轮于从动轮产生冲击接触，此时误差角大于无齿轮加你时的误差角，因此从动轮以较高的加速度转动。又因为系统具有惯量，当被控对象转角c等于输入转角r时，被控对象不会立即停下来，而靠惯性继续转动，使被控对象比无间隙时更多地冲过平衡点，这又使系统出现较大的方向误差。如果间隙不大，且系统中控制器设计得合理，那么被控对象摆动的振幅就越来越小，来回摆动几次就停止在cr平衡位置上。如间隙较大，且控制器设计得不好，那么被控对象就会反复摆动，即产生自激振荡。因此，闭环之内动力传动链中的间隙会影响伺服系统的稳定性。

7-8 何谓机电一体化系统的“可靠性”？

答：所谓的可靠性是指系统在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。

7-9 机电一体化系统的“失效”与“故障”有何异同？

答：如果产品不能完成规定功能，就称为失效，对于可修复的系统也可称故障。

7-10 保证机电一体化系统可靠性的方法有哪些? 答：1.提高系统的设计和制造质量；2.冗余技术；3.诊断技术。

第三篇：机电一体化课后答案

机电一体化（第二版）

课后答案

第一章

1-1.试说明较为人们所接受的机电一体化的含义。

答：机电一体化乃是在机械的主功能、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。

1-7.机电一体化系统由哪些基本要素组成？分别实现哪些功能？

答：①.机电一体化系统由计算机、动力源、传感件、机构、执行元件系统五大要素组成。

②.对应的五大功能为：控制、动力、计测、构造、操作功能。

1-17.开发性设计、变异性设计、适应性设计有何异同？

答：

1、开发性设计是没有参照产品的设计，仅仅是根据抽象的设计原理要求，设计出在质量和性能方面满足目的要求的产品。

2、变异性设计是在设计方案和功能结构不变的情况下，仅改变现有产品的规格尺寸使之适应于量的方面有所变更的需求。

3、适应性设计是在总的设计方案、原理基本保持不变的情况下，对现有产品进行局部更改，或用微电子技术代替原有的机械结构或为了进行微电子控制对机械结构进行局部适应性设计，以使产品在性能和质量上增加某些附加价值。

所有机电一体化系统的设计都是为了获得用来构成事物的有用信息。

1-20.简述计算机辅助设计与并行工程、虚拟设计、快速响应设计、绿色设计、反求设计等的含义。

答：

1、计算机辅助设计是设计机电一体化产品的有力工具，用来设计一般机械产品的CAD的研究成果。

2、并行工程是把产品的设计、制造及其相关过程作为一个有机整体进行综合协调的一种工作模式。

3、虚拟设计是虚拟环境中的产品模型，是现实世界中的产品在虚拟环境中的映像，是基于虚拟现实技术的新一代计算机辅助设计。

4、快速响应设计是实现快速响应工程的重要环节，快速响应工程是企业面对瞬息万变的市场环境，不断迅速开发适应市场的新系统，快速响应设计的关键是有效开发和利用各种系统信息资源。

5、绿色设计是从并行工程思想发展而出现的一个新概念。绿色设计就是在新系统的开发阶段，就考虑其整个生命周期内对环境的影响，从而减少对环境的污染、资源的浪费、使用安全和人类健康等所产生的副作用。

反求设计是以现代设计理论、方法和技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验、知识和创新思维，对已有的系统进行剖析、重构、再创造的设计。

第二章

2-10.现有一双螺母齿差调整预紧式滚珠丝杠，其基本导程λ0=6mm、一端的齿轮齿数为100、另一端的齿轮齿数为98，当其一端的外齿轮相对另一端的外齿轮转过2个齿时，试问：两个螺母之间相对移动了多大距离？

答：Z1=100，Z2=98，ΔS=（2/Z1）*λ0=0.02*6mm=0.12mm

2-16.各级传动比的分配原则是什么？输出轴转角误差最小原则是什么？

答：（1）各级传动比的分配原则是：①重量最轻原则②输出轴转角误差最小原则③等小传动惯量最小原则

（2）输出轴传动误差最小原则是：为提高机电一体化系统齿轮传动的精度，各级传动比影按先小后大的原则分配，一边降低齿轮的加工误差、安装误差及回转误差对输出转角精度的影响。总转角误差主要取决于最末一级齿轮的转角误差和传动比的大小，在设计中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。

2-19.设有一谐波齿轮减速器，其减速比为100，柔齿轮数为100。当刚轮固定时，试求该谐波减速器的钢轮齿数及输出轴的传动方向（与输入轴的传向相比较）。

答：根据公式：iHr=Zr/(zr-zg)可知：当iHr=100时，Zg=99，当iHr=-100时，Zg=101；故该谐波减速器的钢轮齿数为101，柔轮输出轴方向与波发生器输入轴转向相反。

2-21.简述导轨的主要作用，导轨副的组成、种类及应满足的基本要求。

答：导轨的作用是支承和限制运动部件按给定的运动要求和规定的运动方向运动。

导轨副的组成：导轨副主要由承导件和运动件两大部分组成。

常用的导轨副种类很多，按其接触面积的摩擦性质可分为滑动导轨、滚动导轨、流体介质摩擦导轨等；按其结构特点可分为开式导轨和闭式导轨。

导轨副应满足的基本要求：导向精度高、刚性好、运动轻便平稳、耐磨性好温度变化影响小以及结构工艺性好等。

第三章

3-2 机电一体化系统对执行元件的基本要求是什么？

答：⒈惯量小、动力大

⒉体积小、重量轻

⒊便于维修、安装

⒋易于微机控制

3-6 简述 PWM 直流驱动调速，换向的工作原理。

答：通过电源的通断来获得电压脉冲信号，控制通断的时间比来获得不同的电压脉冲，通的时间越长，获得的平均电压越大，电机转的就快，反之，电机转的就慢。电机的换向是通过桥式电路来实现的，它是由四个大功率的晶体管组成，通过在不同晶体管的基极加正负脉冲从而实现电机的转向控制。为使其实现双向调速，多采用桥式电路，其工作原理与线性放大桥式电路相似。

电桥由四个大功率的晶体管组成。如图，分别记作 1.2.3.4.如果在 1 和 3 的基极上加以正脉冲的同时，在 2 和 4 的基级上加以负脉冲，这时 1 和 3 导通，2 和 4 导通。设此时的电动机转向为正；反之，则为负。电流的方向与前一情况相反，电动机转向，显然，如果改变加到 1 和 3，2 和 4这两组管子基极上控制脉冲的正负和导通率就可以改变电动机的转向和速。

3-11 简述步进电机步距角大小的计算方法？

答：a=360/（K*M）

式中：Z=转子齿数。M=运行拍数。通常等于相数或相数整数倍，即 M=K*N（N 为电动机的相数，单拍是 K=1，双拍时 K=2）。

第四章

4-2 试说明微型计算机的基本特点及选用要点。

答：较完善的中断系统，足够的储存容量，完备的输入/输出通道和实时时钟；字长，速度，指令。

4-15 键盘键值是如何确定？

答：将行、列线按二进制顺序排列，当某一键按下时，键盘扫描程序执行到给该列置0电平，读出各行状态为非1状态，这时的行、列数据组合成键值。

4-17 试说明光电耦合器的光电隔离原理。

答：光电隔离电路主要由光电耦合器的光电转换元件组成，如书本P168图 4.39。控制输出时，如图4.39a所示可知，微机输出的控制信号经74LS04非门反相后，加到光电耦合器G的发光二极管正端。当控制信号为高电平时，经反相后，加到发光二极管正端的电平为低电平，因此，发光二极管不导通，没有光发出。这时光敏晶体管截止，输出信号几乎等于加在光敏晶体管集电极上的电源电压，当控制信号为低电平时，法官二极管导通并发光，光敏晶体管接收发光二极管发出的光而导通，于是输出端的电平几乎等于零。同样的道理，可将光电耦合器用于信息的输入，如图4.39b所示。

4-19 试说明检测传感器的选用原则及注意事项。

答：首先要根据使用要求选择适合自己所需要的，此外还可以采取某些技术措施来改善传感器的性能如：平均技术，差分技术，稳定性处理，屏蔽和隔离。选用传感器时，要特别注意不同系列产品的应用环境、使用条件和维护要求。

第五章

5-1 回顾所学机械控制工程的相关知识，简述机电一体化系统设计与机械控制工程理论的关系。

答：随着机电一体化技术的发展，机械控制工程基础在机电一体化系统中的应用越来越广泛。

5-4 简述传递函数、系统的过渡过程、伺服系统的动态特性的含义。

答：线性定常系统传递函数定义为：在零初始值下，系统输出量拉氏变换与输入量拉氏变换之比。系统的过渡过程：当系统受到外部干扰时，其输出量必将发生变化，但由于系统总含有惯性或储能元件，其输出量不可能立即变化到与外部干扰相应的值，而需要有一个过程，这个过程就是系统的过渡过程。伺服系统的动态特性：1.系统过渡过程品质，即系统响应的快速性和震荡性。2.系统的稳定精度，即稳态误差ess的大小。

5-5 用所学机械控制工程基础对机电一体化系统元、部件的动态特性进行分析。

答：机械系统在传递运动的同时还将进行力的传递。因此，机械系统的各构成零部件必须具有承受其所受力的足够强度和刚度的尺寸。但尺寸一大，质量和转动惯量就大，系统的响应就慢。如书本P207图5.15a所示，输入为力Fx(t)时，其响应为Fy(t)或y(t)f(x(t))，系统负载质量和惯量不同，其响应快慢也不同。含有机械负载的机械系统动态特性如图5.15b所示。如果是齿轮减速器，其机构的运动变换函数yf(x)()x就是线性变换。如果只有机构的转动惯量Jm，则其动态特性为

1t1，如果只有负载转动惯量JL，则其负载反2(Jms)力为JLs2y。包括负载在内的机械总体的动态特性，以传递函数形式可表示为X(s)/Fx(s)1/[(JmJL/i2)s2]

第六章

6-4 简述数控机床坐标系的定义规则。

答：数控机床坐标系统采用右手直角笛卡儿坐标系，确定机床坐标系时，假定刀具相对工件做相对运动。该标准规定机床传递切削力的主轴轴线为Z坐标。当机床有机个主轴时，则选一个垂直于工件装夹面的主轴为Z轴。规定增大工件和刀具距离的方向为Z的正方向。

X坐标是水平的，它平行于工件的装夹面。对工件旋转的机床，取刀具远离工件的方向为X的正方向。对于刀具旋转的机床则规定：当Z轴为水平时，从刀具主轴后端向工件方向看，X正方向为向右方向；当Z轴为垂直时，对单立柱机床，面对刀具主轴向主轴方向看，右手方向为正方向。y坐标按右手直角笛卡儿坐标系确定其正方向。

6-5 了解数控编程的辅助功能M指令代码和数控G指令代码。

答：M指令代码：M00程序停机M01选择停机，按下“选择停”按钮后才起作用；M02程序结束，到下一程序的起点；M03主轴顺时针方向旋转；M04主轴逆时针方向旋转；M05主轴停转；M06换刀；M07开#号冷却液；M08开*号冷却液；M09关闭冷却液；M10夹紧；M11松开；M30程序终了，返回到程序起点。

G指令代码：1.坐标平面选择指令（G17、G18、G19）；2.绝对值和增量值编程指令（G90、G91）；3.快速点定位指令（G00）4.直线插补指令（G01）；5.圆弧插补指令（G01）；6.刀具半径补偿指令（G40、G41、G42）

6-6 简述数控（CNC）加工程序编制的主要内容。

答：数控（CNC）程序编制分手工编程和自动编程。手工编程是指从分析零件图、制订工艺规程、计算刀具运动轨迹、编写零件加工程序单、制作程序介质直到程序效应，整个过程主要由人工来完成，这种人工制备零件加工程序的方法称手工编程。编制零件加工程序的全部过程主要由计算机来完成的编程方法称自动编程。

第七章

7-7 在闭环之外的动力传动链齿轮传动间隙对系统的稳定性有无影响？为什么

答：有。由于动力传动链存在齿轮传动间隙，当电动机在齿隙范围内运动时，被控对象不转动，没有反馈信号，系统暂时处于开环状态。当电动机转过齿隙后，主动轮于从动轮产生冲击接触，此时误差角大于无齿轮加你时的误差角，因此从动轮以较高的加速度转动。又因为系统具有惯量，当被控对象转角c等于输入转角r时，被控对象不会立即停下来，而靠惯性继续转动，使被控对象比无间隙时更多地冲过平衡点，这又使系统出现较大的方向误差。如果间隙不大，且系统中控制器设计得合理，那么被控对象摆动的振幅就越来越小，来回摆动几次就停止在cr平衡位置上。如间隙较大，且控制器设计得不好，那么被控对象就会反复摆动，即产生自激振荡。因此，闭环之内动力传动链中的间隙会影响伺服系统的稳定性。

7-8 何谓机电一体化系统的“可靠性”？

答：所谓的可靠性是指系统在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。

7-9 机电一体化系统的“失效”与“故障”有何异同？

答：如果产品不能完成规定功能，就称为失效，对于可修复的系统也可称故障。

7-10 保证机电一体化系统可靠性的方法有哪些? 答：1.提高系统的设计和制造质量；2.冗余技术；3.诊断技术。

第四篇：机电一体化课后小结

1.机电一体化技术是建立在机械技术、微电子技术、计算机和信息处理技术、自动控制技术、传感与测试技术、电力电子技术、伺服驱动技术、系统总体技术等现代高新技术群体之上的一种高新技术。

2.机电一体化发展概况：1）20世纪60年代前为第一阶段，“萌芽阶段”；2）70年代到80年代为第二阶段，“蓬勃发展阶段”；3）90年代后期开始为第三阶段，“智能化阶段”。

3.机电一体化的目的是使产品具有多功能、高效率、高智能、高可靠性，同时又能省材料、省能源，并使产品向轻、薄、细、小、巧的方向发展，以不断满足人们的多样化要求和生产的省力化、自动化需求。

4.机电一体化产品一般都具有5种内部功能，即主功能、动力功能、检测功能，控制功能和构造功能。

5.机电一体化的基本结构要素：机械本体、动力源、检测与传感装置、控制与信息处理装置、执行机构。

6.机电一体化产品按照机电结合程度和形式分3类：1）功能附加型；2）功能替代型；3）机电融合型。

7.机电一体化设计的共性关键技术包括6方面：1）机械技术；2）计算机与信息处理技术 ；3）检测与传感器技术；4）自动控制技术；5）伺服驱动技术；6）系统总体技术。

8.机电一体化产品设计可分为3种类型：1）开发性设计（创造）； 2）适应性设计（变动或改进）；3）变异性设计（改变参数的系列化设计）。9.机电一体化设计是一项复杂的系统工程，需要综合应用各项共性关键技术，必须考虑各种技术方案的等效性、互补性及可比性。1）当产品的某一功能单靠一种技术无法实现时，必须进行机械与电子及其它多种技术有机结合；2）当产品的某一功能的实现有多种技术方案时，也必须应用机电一体化技术对各种技术方案进行分析和评价，在充分考虑同其他功能单元的连接与匹配的条件下，选择最优的技术方案。

10.机电一体化产品设计时，应尽量以计算机为工具，充分利用计算机辅助设计、仿真分析、模拟设计、优化设计、动态分析设计、可靠性设计等现代设计方法，以提高产品设计的效率和质量。

1.机械系统的功用：机械系统是机电一体化系统的最基本要素，是由计算机协调与控制的，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。

2.机电一体化对机械系统的要求：1）高精度；2）快速响应；3）良好的稳定性。稳定是前提，精度和快速响应性是关键。机械传动系统的特性：转动惯量小；刚度大；阻尼合适；摩擦小；间隙小；抗振性能好。

3.机电一体化机械系统的主要组成：机械系统包括传动部件、导向支撑结构和执行机构等，用于完成传递功率、运动和完成指定的动作。

4.传动机构性能要求：1）转动惯量小，转动惯量大会造成系统机械负载增大，系统响应速度变慢，灵敏度降低，系统固有频率下降，产生谐振。设计传动机构时应尽量减小转动惯量。2）刚度大，刚度是使弹性体产生单位变形量所需的作用力，设计时应选用大刚度的机构；3）阻尼合适，机械系统产生共振时，系统中阻尼越大，最大振幅就越小，且衰减越快；但

阻尼大会使系统增大稳态误差，降低精度。设计时传动机构的阻尼应选择适当；4）摩擦小（提高机构的灵敏度）；5）抗振性好（提高机构的稳定性）；6）间隙小（保证机构的传动精

5.常用传动结构：1）无侧隙齿轮传动机构；2）滚珠丝杠副传动机构 ；3）同步带传动机构；4）谐波齿轮减速器；5）软轴传动机构；6）间歇机构。

6.由于齿轮传动的瞬时传动比为常数，传动精确度高，可做到零侧隙无回差，强度大能承受重载，结构紧凑，摩擦力小和效率高等原因。由于机电一体化产品中的传动机构具有自换向功能，就会使进给运动的反向滞后于指令信号，从而影响其驱动精度。因此必须采取措施消除齿轮传动中的间隙，以保证机构的双向传动精度。

7.无侧隙齿轮传动机构主要有：1）直齿圆柱齿轮传动机构：①偏心轴套调整法、②双片薄齿轮错齿调整法 ；2）斜齿轮传动机构：①垫片调整法、②轴向压簧错齿调整法；3）锥齿轮传动机构 ：①轴向压簧调整法、②周向压簧调整法；4）齿轮齿条传动机构。

8.提高齿轮传动精度的措施：1）齿轮误差的综合；2）合理布置传动链；3）最佳总传动比的确定；4）各级传动比的最佳分配原则：5）三种原则的选择。9.滚珠丝杠副传动机构工作原理：丝杠和螺母的螺纹滚道间有滚珠，当丝杠或螺母转动时，滚珠沿螺纹滚道滚动，则丝杠和螺母之间相对运动时产生滚动摩擦，为防止滚珠从滚道中滚出，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，与螺纹滚动形成循环回路，使滚珠在螺母滚道内循环。

10.滚珠丝杠副的特点： ①传动效率高。达到 90%~95%。耗费能量为滑动丝杠1/3；②运动具有可逆性；③系统刚度好；④传动精度高；⑤使用寿命长；⑥不能自锁。需要设置制动装置；⑦工艺复杂。

11.滚珠丝杠副的结构类型：可从螺纹滚道的截面形状、滚珠的循环方式和消除轴向间隙的调整方法进行区别。1）按螺纹滚道截面形状分类：滚珠丝杠副的螺纹滚道型面的形状有单圆弧型和双圆弧型。2）按滚珠的循环方式分类：内循环 和外循环2种。①内循环：内循环方式的滚珠在循环过程中与丝杠表面保持接触。②外循环：外循环方式中的滚珠在循环返回时，离开丝杠螺纹滚道，在螺母体内或体外做循环运动。外循环有3种形式：端盖式、螺旋槽式、插管式。12.滚珠丝杠副轴向间隙的调整和施加预紧力的方法：滚珠丝杠副既对本身单一方向的传动精度有要求，又对其轴向间隙有严格要求，以保证其反向传动精度。通常采用双螺母预紧或单螺母（大滚珠、大导程）的方法，把弹性变形控制在最小限度内，以减小或消除轴向间隙，并可以提高滚珠丝杠副的刚度。13.滚珠丝杠副安装中的支撑方式选择：双推—自由式（一端固定，一端自由）；双推—简支式（一端固定，一端游动）；双推—双推式。

14.同步带传动是综合带传动、齿轮传动和链传动特点的一种新型传动。利用齿形带的齿形与带轮的轮齿依次相啮合传递运动和动力。

15.同步带传动特点：1）兼有带传动、齿轮传动及链传动的优点，能方便的实现较远距离传动且无相对滑动，平均传动比较准确；2）传动精度高，且带的强度高、厚度小、重量轻，用于低速及高速传动，传动效率高；3）使用中齿形带不需张紧，作用在轴和轴承处的载荷小，传动效率高。同步带传动缺点：安装精度要求高、中心距要求严格，具有一定的蠕变性；制造工艺复杂，成本高。16.谐波齿轮传动具有结构简单、传动比大（几十~几百）、传动精度高、回程误差小、噪声低、传动平稳、承载能力强、效率高等优点，在工业机器人、航空、火箭等机电一体化系统中日益得到广泛应用。

17.谐波传动由3个主要构件所组成，即具有内齿的刚轮、具有外齿的柔轮和波发生器。通常波发生器为主动件，而刚轮和柔轮之一为从动件，另一个为固定件。

18.谐波齿轮传动的优点 ：传动比大；单级谐波齿轮传动50-500，多级和复式80000以上；承载能力大。同时啮合齿数30％~40％；传动精度高。误差均化齿侧间隙小；可以向密封空间传递运动或动力；传动平稳，基本上无冲击振动；传动效率高，单级69％~96％；结构简单、体积小、质量轻。19.谐波齿轮传动的缺点 ：柔轮和波发生器制造复杂（成本高），柔轮周期性变形，易疲劳破坏；转动惯量和启动力矩大，不适于小功率传动，散热差；不能用于传动比较小场合（i <35）；不能做成交叉轴和相交轴的结构。

20.软轴又称钢丝软轴，是由几层紧密缠在一起的弹簧钢丝层构成的，相邻钢丝层的缠绕方向相反。工作时，相邻两层钢丝中的一层趋于拧紧，另一层趋于拧松，以使各层钢丝间趋于压紧，传递转矩。

21.常用的软轴传动的结构形式有功率型软轴和控制型软轴。

22.软轴传动应用范围：1）主要用于两个传动件的轴线不在同一直线上或工作时彼此要求有相对运动的场合；2）可以弯曲地绕过各种障碍物，远距离传递回转运动；3）适合受连续冲击，也适合高速、小扭矩的场合，其转速可达20000r/min，功率不超过5.5kW；4）不适合低速大转矩的传动。23.间歇传动部件有：棘轮传动、槽轮传动（马尔他或马氏机构）、蜗形凸轮传动等部件。

24.导轨的功用：机电一体化产品要求其机械系统的各运动机构必须得到安全的支撑，并能准确地完成其特定方向的运动。机电一体化产品的导向结构是导轨，其作用是导向和支撑。

25.导轨的分类和特点：导轨主要由两部分组成，在工作时一部分固定不动，称为支撑导轨（或导动轨），另一部分相对支撑导轨作直线或回转运动，称为动导轨（或滑座）；1）滑动导轨；2）滚动导轨。

26、导轨的基本要求：1）导向精度； 2）耐磨性；3）疲劳和压溃 ；4）刚度；5）低速运动平稳性；6）结构工艺性

26.滚动直线导轨的特点：承载能力大；刚性强；寿命长；传动平稳可靠；具有结构自调整能力。

27.滚动直线导轨分类：①滚动导轨按滚动体形状，分为滚珠、滚柱导轨等；②按导轨截面形状分，有矩形和梯形2种；③按滚道沟槽形状分，有单圆弧和双圆弧2种。

28.常用的塑料导轨材料有3种：1）塑料导轨软带：①摩擦系数低且稳定；②动静摩擦系数相近；③吸收振动；④耐磨性好；⑤化学稳定性好；⑥维护修理方便；⑦经济性好；2）金属塑料复合导轨板：摩擦特性优良，耐磨损；3）塑料涂层。

29.机电一体化产品由机械分系统和微电子分系统2大部分组成。

30.按照接口所联系的子系统不同，以控制微机（微电子系统）为出发点，将接口分为人机接口与机电接口2大类。

31.人机接口是指操作者与机电系统（主要是控制微机）之间进行信息交换的接口。包括人机输入接口和人机输出接口。

32.人机接口的特点：1）专用性；2）低速性；3）高性能价格比。33.消除抖动方法：软件方法和硬件方法。

34.拨盘接口设计可分为①静态接口方法；②动态接口方法。35.键盘可分为独立式键盘和矩阵式（行列式）键盘2种。36.编码键盘和非编码键盘；键名和键值的确定。

37.键值求法：①行线权值和列线权值直接组合；②公式法；③首号+行号。38.矩阵键盘扫描原理：①首先确定有无键闭合；②去抖动；③判断哪个键闭合。39.人机对话输出设备是操作者对机电系统进行检测的窗口，可以用它来显示系统的运行状态、关键参数、运行结果及故障报警等。

40.LED数码管一般由8只发光二极管组成，7只显示字段、1只显示小数点，有时也称为七段式数码显示器。

41.显示字符：七段LED数码管上有的段亮，有的段不亮，由亮的那些段所组成的图形，称为“显示字符”。

42.段选码：为了得到某个“显示字符”，就必须让七段数码管有的亮，有的不亮，即为其a~dp各引脚提供相应的电平，将a上的电平状态做为最低位，dp上的电平状态做为最高位，就得到一个8位二进制数，称为相应于该“显示字符”的“段选码”。

43.译码：由“显示字符”到“段选码”的过程称为译码。

44.LED显示接口方法：1）静态显示：即每一位LED数码管上的显示都是稳定地持续显示，显示内容无闪动；2）动态显示：即所有位LED数码管共用一个段选码接口，并分别配置自己的位选线，各位LED数码管在位选接口的控制下轮流使用段选码接口并显示自己的字符，在任一时刻都是只有一位LED数码管在亮，但由于人眼的视觉暂留效应，看上去好象所有LED数码管在同时显示。45.机电接口是指机电一体化产品中机械装置与控制微机之间的接口。按信息传递的方向可分为信息采集接口（传感器接口）和控制输出接口。

46.控制微机是一个数字系统，要求能将传感器输出的模拟量转换成相应的数字量，输入给控制机，这一工作通常采用A／D转换器完成。47.常用的A/D转换芯片有双积分式和逐次比较式2种。

48.A/D转换环节的主要术语：①多路选择模拟开关；②信号调节器(调节模拟信号的幅度，使模拟信号大小符合A/D转换要求)；③采样保持和孔径误差；④A/D 转换、分辨率、量化误差；⑤采样定理和抗混叠滤波；⑥A/D 转换时间与转换速率；⑦转换精度。

49.A/D转换器分辨率：即A/D转换器能够提供的数字量的多少。

50.设计A/D转换接口时，一般将分辨率和转换时间作为最重要的参数。51.实现功率放大的接口电路称为功率接口电路。

52.单向晶闸管（SCR）有4层半导体、3个PN结、3个电极组成；主要内容：导通条件、截止条件、控制角、导通角。

53.导通条件：是指晶闸管从阻断到导通所需的条件。在晶闸管的阳极加上正向电压，同时在控制极加上正向电压。

54.截止条件：是指晶闸管从导通到阻断所需的条件，晶闸管一旦导通，控制极就不起控制作用了。使流过晶闸管的电流小于保持晶闸管导通所需的电流即维持电流时，晶闸管关断。

55.控制角：从零电压到被触发导通瞬间的这段时间所对应的电度角。

56.导通角：从被触发导通的瞬间开始到电压为零这段时间所对应的电度角。57.功率晶体管是指在大功率范围应用的晶体管，有时也称为电力晶体管。与晶闸管相比，功率晶体管有如下特点：a）不仅可以工作在开关状态，也可工作在模拟状态；b）开关速度远大于晶闸管；c）控制比晶闸管容易；d）价格高于晶闸管。

58.将续流二极管VD1反向接在VT1的集电极和电源之间，使得功率晶体管VT1在截止瞬间，W上产生的反电动势通过VD1的续流作用而回馈给电源，从而保护了晶体管VT1不受损坏。

59.光电藕合器由发光二极管和光敏晶体管组成，当在发光二极管二端加正向电压时，发光二极管点亮，照射光敏晶体管使之导通，产生输出信号。①电—光—电形式，能够实现强电部分和弱电部分的隔离，避免干扰由输出通道窜入控制微机。②具有很强的抑制干扰能力。③耐用、可靠性高和高速等优点。60.在接口电路设计中，应考虑光电藕合器的2个参数：电流传输比CTR与时间延迟。

61.检测系统功用：对系统运行中所需的自身和外界环境参数及状态进行检测，将其变成系统可识别的电信号，传递给信息处理单元。传感器及相应的信号检测与处理电路构成机电一体化产品的检测系统。

62.检测系统基本要求：1）灵敏度及分辨率；2）精确度；3）系统的频率响应特性；4）稳定性；5）线性特性；6）重复性；7）静、动态特性。

63.检测系统设计的任务：根据使用要求合理选用传感器，并设计或选用相应的信号检测与处理电路以构成检测系统，对检测系统进行分析与调试，使之在机电一体化产品中实现预期的计测功能。

64.检测系统设计的主要方法是实验分析法，即理论分析和计算与实验测试相结合的方法。

65.检测系统设计的步骤：设计任务分析；系统方案选择；系统构成框图设计；环节设计与制造；总装调试及实验分析；系统运行及考核。

66.模拟信号检测系统的组成：传感器、基本检测电路、放大器、解调器、滤波器、运放电路、A/D变换器、计算机。

67.运算电路是对信号运算处理的电路，分为模拟和数字运算电路2种。68.数字信号检测系统的组成：传感器、放大器、整形电路、辩向电路、细分电路、脉冲当量变换电路、计数器、寄存器、计算机。

69.预处理的目的是去除干扰，并对检测系统的非线性、零位误差和增益误差等进行补偿和修正。

70.模拟开关是数据采集系统中的主要部件之一，其作用是切换各路输入信号。71.CD4051组成：CD4051八选一模拟开关主要由8路CMOS开关、译码电路和电平转换电路3部分组成。

72.采样是把时间连续的信号变成一连串不连续的脉冲时间序列的过程。

73.采样／保持电路：由于采样信号f*(t)在函数轴上仍是连续变化的模拟量，需用A/D转换器将其转换成数字量。A/D转换过程需要一定时间，为防止产生误差，要求在此期间内保持采样信号不变。实现这一功能的电路称采样／保持电路。

74.常用滤波方法：1)中值滤波；2)算术平均滤波；3)滑动平均滤波。

75.在检测系统中，由于传感器、测量电路和放大电路等不可避免地存在温度漂移和时间漂移，这样就引起了零位误差和增益误差。这类误差属于系统误差，当误差较大时会对系统的精度产生很大影响，所以必须对它们进行补偿，常用软件方法进行补偿。

76.软件补偿方法很多，概括起来有计算法和查表法2大类。

77.代数插值法以多项式作为插值函数，因而又称为多项式插值法。采用这种方法进行非线性补偿时，首先需根据传感器的标定数据建立插值多项式，这是问题的关键。

78.在检测系统中，由于传感器、测量电路和放大电路等不可避免地存在温度漂移和时间漂移，这样就引起了零位误差和增益误差。这类误差属于系统误差，当误差较大时会对系统的精度产生很大影响，所以必须对它们进行补偿，常用软件方法进行补偿。

79.零位误差是指检定中未加负荷时，仪器示数不为零。

80.数据转换器的增益误差代表实际传输函数的斜率与理想传输函数的斜率的差别。

81.伺服系统（随动系统），是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作，从而获得精确位置，速度或力输出的自动控制系统。

82.伺服系统的基本结构形式：比较元件、调节元件、执行元件、被控对象、测量反馈元件。

83.伺服系统看作是由电气控制装置和机械执行装置两大部分组成的。84.伺服系统的基本要求：稳定性、精度和快速响应性。85.执行元件的类型：1）电气式；2）液压式；3）气动式。

86.执行元件的要求：1）惯性小，动力大；2）体积小、质量轻；3）便于计算机控制；4）成本低、可靠性好、便于安装和维修。

87.步进电动机又称电脉冲马达。可以按照输入的脉冲指令一步步地旋转，即可将输入的指令信号转换成响应的角位移。

88.按照力矩产生原理不同步进电机分为：激磁式、反应式、混合式。

89.一般情况下，m相步进电动机可采用单相通电、双相通电或单双相轮流通电方式。分别称为m相单m拍、m相双m拍或m相2m拍通电方式。

90.转子40个齿，齿距为360o/40=9o，若三相三拍，当转子齿与A相定子齿对齐时，转子齿与B相定子齿相差1/3齿距，即3o，与C相定子齿相差2/3齿距，即6o。

91.相：磁极的对数称为“相”，相对的磁极为一相。92.步矩角：指步进电动机每拍转过的角度。

93.“拍”——步进电动机绕组的每一次通断电操作。94.单相通电方式：每拍中只有一相绕组通电。95.双相通电方式：每拍中只有两相绕组通电。

96.单双相轮流通电方式：步进电动机通电循环的各拍中交替出现单、双相通电状态。

97.方向的改变：通过改变各相绕组的通电顺序。

98.速度的控制：通过改变绕组的通断电频率，即输入脉冲频率，则可改变步进电动机的转速。

99.步进电动机的主要参数及特性：①步距误差；②最大静转矩；③启动矩频特性；④启动惯频特性；⑤运行矩频特性；⑥步进运行和低频振荡；⑦最大相电压和最大相电流。

20.直流伺服电动机主要用于闭环或半闭环控制的伺服系统。

21.工作原理：当电枢绕组中通过直流电时，在定子磁场的作用下就会产生带动负载旋转的电磁转矩，驱动转子旋转。

22.按定子磁场产生方式分为：永磁式、他励式。

23.旋转方向和速度控制：通过控制电枢绕组中电流的方向和大小。24.直流伺服电动机控制方式主要有：①电枢电压控制；② 励磁磁场控制。25.静态特性是指电机在稳态情况下工作时，其转子转速、电磁力矩和电枢电压3者之间的关系。

26.影响静态特性的因素：①功放电路、②直流伺服电动机内部的摩擦对调速特性的影响、③负载变化对调节特性的影响。

27.伺服系统对的伺服电机基本要求：额定功率、额定电压、额定电流、额定转速、额定转矩、最大转矩、机电时间常数τj和电磁时间常数τd、热时间常数、阻尼系数。

28.步进电动机正常工作的前提条件：①必须输入一定频率的脉冲信号；②将输入脉冲信号按照一定的顺序分配到各相绕组；③分配到各相绕组的脉冲信号必须具有一定驱动功率。

29.功率放大器（驱动电路）有：①单压驱动电路；② 高低压驱动电路；③单压斩波限流驱动电路；④ 细分驱动。

30.控制信号由计算机控制系统给定，通过接口和功放电路驱动直流伺服电动机。

31.直流伺服电动机驱动电路主要有晶闸管功率放大器和晶体管功率放大器2种。

32.晶体管功率放大器有线性直流伺服放大器和脉宽调制放大器（PWM）。①电压-脉宽变换器：其作用是根据控制指令对脉冲宽度进行调制，以便用宽度随指令变化的脉冲信号去控制大功率管的导通时间，实现对电枢绕组两端电压的控制。②开关功率放大器：其作用是对电压-脉宽变换器输出的信号US进行放大，输出具有足够功率的信号UP，以驱动直流伺服电动机。

33.设计功放电路时应注意的问题：①切换频率的选择；②大功率晶体管的选择。

34.伺服驱动系统设计方案总原则：当伺服系统负载不大，精度要求不高时，采用开环控制，当负载较大或精度要求较高时，采用闭环或半闭环。

35.设计开环伺服系统的原则：开环伺服系统稳定性很容易满足，设计时应主要考虑满足精度要求，并通过合理的结构参数的设计，使系统具有良好的快速响应性。

36.闭环与半闭环共同点：①都要对系统输出进行实时检测和反馈，即都有反馈环节；②都是根据偏差对系统实施控制。区别：传感器位置不同。

37.设计闭环伺服系统的原则：先考虑稳定性要求，再满足快速响应性及精度要求。

38.机械系统的设计与计算：执行元件参数及规格的确定；系统结构的具体设计；系统惯量、刚度等参数的计算。

问：直流测速发电机和光电编码器做转速测量时各有何特点？ 答：（1）直流测速发电机由永久磁铁与感应线圈组成，用电枢获取速度信号。它具有灵敏度高、结构简单等特点，常用于高精度低速伺服系统，也可与永磁式直流电动机组成低速脉宽调速系统。直流测速发电机的输出信号是与输入轴的转速成正比的直流电压信号，信号幅度大，信号调理电路简单。由于输出电压信号有波纹，一般需要配置滤波电路。（2）光电编码器（增量式）主要由旋转孔盘和光电器件组成，具有体积小、使用方便、测量精度高等特点，常与直流电机配合使用构成脉宽调

速系统。增量式光电编码器输出的是与转角成比例的增量脉冲信号，可通过脉冲计数获得角位置信号，也可定时取样脉冲数的增量实现角 速度测量。因此，可同时测量转角和转速。

TTL与COMS电平比较：1.CMOS电平：“1”逻辑电平电压接近于电源电压，“0”逻辑电平接近于0V。噪声容限很大。

2.TTL电平：输出高电平>2.4V，输出低电平<0.4V。在室温下，一般输出高电平是3.5V，输出低电平是0.2V。最小输入高电平和低电平：输入高电平>=2.0V，输入低电平<=0.8V，噪声容限是0.4V。

3.电平转换电路：TTL和COMS高低电平不同（TTL 5V，CMOS 3.3V），所以互相连接时需要电平的转换：用2个电阻对电平分压。

 功耗：TTL门电路的空载功耗与CMOS门的静态功耗相比，是较大的，约为数十毫瓦（mw）而后者仅约为几十纳（10-9）瓦；在输出电位发生跳变时（由低到高或由高到低），TTL和CMOS门电路都会产生数值较大的尖峰电流，引起较大的动态功耗。

 速度：通常TTL门的速度高于CMOS门电路。

传感器的选择：（1）灵敏度：高灵敏度意味着被测量稍有微小变化时，传感器就有较大输出，外界干扰信号容易混入，并被放大装置放大。另外高灵敏度意味着测量范围缩小。

（2）响应特性：实际传感器的响应总有一定延迟，但延迟时间愈短愈好。（3）线性范围：线性范围越大，工作量程越大。传感器工作在线性区域内，是保证测量精确度的前提。例如：机械式传感器中的测力弹性元件，材料的弹性极限是测力量程的基本因素。考虑被测量的变化范围，例如变间隙型电容、电感传感器。

（4）可靠性：使用过程中注意传感器规定的使用条件，减少使用条件的不良影响。例如：电阻应变式传感器，湿度影响绝缘性；温度会产生零漂。

（5）精确度：要考虑经济性。非精确度越高越好。先了解测试目的是定性分析还是定量分析。例如：研究超精密度切削机床运动部件的定位精度，主轴回转误差，振动及热变形，都要求精确度在0.1-0.01um范围内。（6）测量方式：接触或非接触，在线和非在线测量。

第五篇：机电一体化课后考试题答案

1试说明较为人们所接受的“机电一体化”的含义。

机电一体化是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引用微电子技术，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 2机电一体化的目的是什么？

是使系统(产品)高附加价值化，即多功能化、高效率化、高可靠化、省材料省能源化，并使产品结构向轻、薄、短、小巧化方向发展，不断满足人们生活的多样化需求和生产的省力化、自动化需求。

4工业三大要素指的是什么？

物质、能量和信息

5什么是机电互补法、融合法、组合法？

机电互补法又称取代法。该方法的特点是利用通用或专用电子部件取代传统机械产品（系统)中的复杂机械功能部件或功能子系统，以弥补其不足。结合(融合)法：它是将各组成要素有机结合为一体构成专用或通用的功能部件(子系统)，其要素之间机电参数的有机匹配比较充分。组合法：它是将结合法制成的功能部件(子系统)、功能模块，像积木那样组合成各种机电一体化系统（品），故称组合法。

6开发性设计、变异性设计、适应性设计有何异同？

开发性设计：它是没有参照产品的设计，仅仅是根据抽象的设计原理和要求，设计出在质量和性能方面满足目的要求的产品或系统。变异性设计：它是在总的方案原理基本保持不变的情况下，对现有产品进行局部更改，或用微电子技术代替原有的机械结构或为了进行微电子控制对机械结构进行局部适应性设计，以使产品的性能和质量增加某些附加价值。适应性设计：

它是在设计方案和功能结构不变的情况下，仅改变现有产品的规格尺寸使之适应于量的方面有所变更的要求。

7机电一体化系统(产品)的设计流程

(1)根据目的功能确定产品规格、性能指标(2)系统功能部件、功能要素的划分(3)接口的设计(4)综合评价(或整体评价)(5)可靠性复查(6)试制与调试

8设计机械传动部件时，为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，常提出哪些要求及措施？

为确保机械系统的传动和工作稳定性，在设计中，常提出无间隙、低摩擦、低惯量精度、高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比等要求。为达到上述要求，主要从以下几方面采取措施：1)采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件； 2)缩短传动链，提高传动与支承刚度；

3)选用最佳传动比，以达到提高系统分辨率、减少等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能提高加速能力;4)缩小反向死区误差，如采取消除传动间隙、减少支承变形的措施； 5)改进支承及架体的结构设计以提高刚性、减少振动、降低噪声。9 机电一体化系统传动机构的作用是什么？

使执行元件与负载之间在转矩和转速方面达到合理（最佳）的匹配。10机电一体化系统（产品）对传动机构的基本要求是什么？

传动间隙小、精度高、体积小、重量轻、运动平稳、传动转矩大。13丝杠螺母副的组成要素有哪些？

滚珠丝杠螺母机构由反向器(滚珠循环反向装置)

1、螺母

2、丝杠3和滚珠4等四部分组成。

18简述滚珠丝杠副的支承方式及其特点。

1，一端双轴承固定，另一端悬臂，多用于短行程以及垂直传动2，一端双轴承固定，另一端单轴承支承（轴向可滑动，弥补热胀冷缩和安装误差），结构简单，缺点是单轴承端支承刚性差一些。

3，一端双轴承固定，另一端双轴承支承（轴向可滑动，弥补热胀冷缩和安装误差），结构稍复杂，比单轴承端支承刚性好一些。

4，一端双轴承固定，另一端双轴承支承（轴向由圆螺母及碟簧预紧预拉伸），结构稍复杂，轴向刚性好一些，高速旋转不易甩动，特别用于水平布置，尤其双向负载大且跨距大时候用。19齿轮传动部件的作用有哪些？

1.传递扭矩2.改变转速3.改变传动方向

25已知:有一三级齿轮传动减速器,如图所示,z1~z6的转角误差分别是：

△φ1=0.06弧度/sec、△φ2=△φ3=0.03弧度/sec、△φ4=△φ5=0.015弧度/sec、△φ6=0.01弧度/sec。

减速比分别为：i1=i2=

2、i3=3，则i=12.求其总转角误差△φmax.解：△φmax=△φ1/i+(△φ2+△φ3)/(i2i3)+(△φ4+△φ5)/ 3+△φ6

=0.06/12+0.06/6+0.03/3+0.01

=0.035(弧度/sec)

26对滚动导轨副的基本要求

1)导向精度2)耐磨性 3)刚度4)工艺性 27试论述机电一体化的发展趋势。

答：智能化、模块化、网络化、微型化、绿色化、人格化和自适应化。28机电一体化系统对传动机构的基本要求是什么？

答：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机等其他环节的动态性能相匹配等要求的传动部件。

30开发性设计、适应性设计、变型设计有何异同

答：开发性设计是在工作原理、结构等完全未知的情况下，设计出质量和性能方面满足目的的要求的新产品，是一种完全创新的设计。适应性设计是在总的方案原理基本保持不变的情况下，对现有产品进行部更改，或用微电子技术代替原有的机械结构，或为了进行微电子控制对机械结构进行局部适应性设计，以使产品的性能和质量增加某些附加价值。变型设计是在已有产品的基础上，针对原有缺点或新的工作要求，从工作原理、功能结构、执行机构类型和尺寸等方面进行一些变异，设计出新产品。32丝杠螺母机构的传动形式及其特点是什么？

答：①螺母固定、丝杠转动并移动。结构简单，精度较高，但刚性差。只适合行程较小的场合②丝杠转动、螺母移动。结构紧凑，丝杠刚性较好，适合工作行程较大的场合。③螺母移动、丝杠移动。机构较复杂且占用轴向空间较大，故应用很少。④丝杠固定、螺母转动并移动。结构简单，紧凑，但使用不方便，应用较少。

34滚珠丝杠副的组成及特点有哪些？

答：由丝杠、螺母、滚珠、反向器组成。特点：结构复杂、成本高、无自锁能力、轴向刚度高、运动平

稳。传动精度高、不易磨损、使用寿命长。