機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計小結(jié)

第一章

1-1試說明較為人們所接受的機(jī)電一體化的含義。

機(jī)電一體化乃是在機(jī)械的主功能、動力功能、信息功能和控制功能上引進(jìn)微電子技術(shù)，并將機(jī)械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機(jī)結(jié)合而構(gòu)成系統(tǒng)的總稱。

1-2機(jī)4電一體化的目的是什么？

機(jī)電一體化的目的是提高系統(tǒng)（產(chǎn)品）的高附加價值，即多功能、高效率、高可靠性、省材料省能源，并使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)向輕、薄、短、小巧化方向發(fā)展，從而不斷滿足人們生活的多樣化和生產(chǎn)的省力化、自動化需求。

1-3機(jī)電一體化時代的特征是什么？

機(jī)電有機(jī)結(jié)合

1-4何謂機(jī)電一體化技術(shù)革命？

將微型計算機(jī)等微電子技術(shù)用于機(jī)械并給機(jī)械以“智能”的技術(shù)革新潮流可成“機(jī)電一體化技術(shù)革命”。

1-7機(jī)電一體化系統(tǒng)由哪些基本要素組成？分別實現(xiàn)哪些功能？機(jī)電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）要素功能控制器（計算機(jī)等）控制（信息儲存、處理、傳送）檢測傳感器計測（信息收集與變換）執(zhí)行元件驅(qū)動（操作）動力源提供動力（能量）機(jī)構(gòu)構(gòu)造

1-8工業(yè)三大要素指的什么？物質(zhì)、能量和信息

1-9機(jī)電一體化的三大效果是什么？省能、省資源、智能化

1-11機(jī)電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）的主要評價內(nèi)容是什么？機(jī)電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）高附加價值比主功能高性能化低價格化計測、控制功能高可靠性化動力功能智能化

構(gòu)造功能省能化輕薄短小化1-12機(jī)電一體化系統(tǒng)的接口功能有哪兩種？

從系統(tǒng)外部看，機(jī)電一體化系統(tǒng)的輸入/輸出與人、自然及其他系統(tǒng)之間的接口；從系統(tǒng)內(nèi)部看，機(jī)電一體化系統(tǒng)是由許多接口將系統(tǒng)的構(gòu)成要素輸入/輸出聯(lián)系為一體的系統(tǒng)。

1-13根據(jù)不同的接口功能說明接口的種類。

根據(jù)接口的交換、調(diào)整功能分為：①零接口②無源接口③有源接口④智能接口根據(jù)接口的輸入/輸出功能分為：①機(jī)械接口②物理接口③信息接口④環(huán)境接口1-14機(jī)電一體化工程與系統(tǒng)工程有何異同？系統(tǒng)工程機(jī)電一體化工程產(chǎn)生年代20世紀(jì)50年代(美國)20世紀(jì)70年代（日本）對象大系統(tǒng)小系統(tǒng)機(jī)器基本思想系統(tǒng)概念機(jī)電一體化概念（系統(tǒng)及接口概念）技術(shù)方法利用軟件進(jìn)行優(yōu)化、仿真、硬件的超精密定位、超精密加工、優(yōu)化設(shè)計、鑒定、檢查等微機(jī)控制及仿真等信息處理系統(tǒng)大型計算機(jī)微型計算機(jī)阿波羅計劃CNC機(jī)床銀行在線系統(tǒng)ROBOT（機(jī)器人）實例日本新干線VTR（錄像機(jī)）、DVD航天飛機(jī)、人造衛(wèi)星等照相機(jī)、攝像機(jī)等共同點應(yīng)用計算機(jī)，具有實用性、綜合性、復(fù)合性1-15說明機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計的設(shè)計思想方法。

①計算機(jī)輔助設(shè)計②虛擬產(chǎn)品設(shè)計③快速響應(yīng)設(shè)計④綠色設(shè)計⑤反求設(shè)計⑥網(wǎng)絡(luò)合作設(shè)計

1-16什么是機(jī)電互補(bǔ)法、融合法、組合法？

機(jī)電互補(bǔ)法：又稱取代法，該方法的特點是利用通用或?qū)Ｓ秒娮硬考�取代傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品（系統(tǒng)）中的復(fù)雜機(jī)械功能部件或功能子系統(tǒng)。

融合法：它是將各組成要素有機(jī)結(jié)合為一體構(gòu)成專用或通用的功能部件（子系統(tǒng)），其要素之間機(jī)電參數(shù)的有機(jī)匹配比較充分。

組合法：它是將結(jié)合法制成的專用或通用功能部件（子系統(tǒng)）、功能模塊，像積木那樣組合成各個機(jī)電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品），故稱組合法。

1-17開發(fā)性設(shè)計、變異性設(shè)計、適應(yīng)性設(shè)計有何異同？

開發(fā)性設(shè)計：它是沒有參照產(chǎn)品的設(shè)計，僅僅是根據(jù)抽象的設(shè)計原理和要求，設(shè)計出在質(zhì)量和性能方面滿足目的要求的產(chǎn)品（系統(tǒng)）。

變異性設(shè)計：它是在設(shè)計方案和功能結(jié)構(gòu)不變的情況下，僅改變現(xiàn)有產(chǎn)品的規(guī)格尺寸使之適應(yīng)于量的方面有所變更的需求。

適應(yīng)性設(shè)計：它是在總的設(shè)計方案、原理基本保持不變的情況下，對現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行局部更改，或用微電子技術(shù)代替原有的機(jī)械結(jié)構(gòu)或為了進(jìn)行微電子控制對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部適應(yīng)性設(shè)計，以使產(chǎn)品在性能和質(zhì)量上增加某些附加價值。1-19現(xiàn)代設(shè)計方法與傳統(tǒng)設(shè)計方法相比較有何突出特點？

現(xiàn)代設(shè)計方法與用經(jīng)驗公式、圖表和手冊為設(shè)計依據(jù)的傳統(tǒng)設(shè)計方法不同，它是以計算機(jī)為輔助手段進(jìn)行機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計的有效方法。其設(shè)計步驟通常是：技術(shù)預(yù)測-市場需求-信息分析-科學(xué)類比-系統(tǒng)設(shè)計-創(chuàng)新性設(shè)計-因時制宜的選擇各種具體的現(xiàn)代設(shè)計方法-機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計質(zhì)量綜合評價等。

1-20簡述計算機(jī)輔助設(shè)計與并行工程、虛擬設(shè)計、快速響應(yīng)設(shè)計、綠色設(shè)計、反求設(shè)計等的含義。

計算機(jī)輔助設(shè)計：是設(shè)計機(jī)電一體化船票（系統(tǒng)）的有力工具。用來設(shè)計一般機(jī)械產(chǎn)品的CAD的研究成果，包括計算機(jī)硬件和軟件，以及圖像儀和繪圖儀等外圍設(shè)備，都可以用于機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計，需要補(bǔ)充的不過是有關(guān)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計和制造的數(shù)據(jù)、計算方法和特殊表達(dá)的形式而已。

并行工程：是把產(chǎn)品（系統(tǒng)）的設(shè)計、制造及其相關(guān)過程作為一個有機(jī)整體進(jìn)行綜合（并行）協(xié)調(diào)的一種工作模式。

虛擬產(chǎn)品設(shè)計：是虛擬環(huán)境中的產(chǎn)品模型，是現(xiàn)實世界中的產(chǎn)品在虛擬環(huán)境中的映像�？焖夙憫�(yīng)設(shè)計：是實現(xiàn)快速響應(yīng)工程的重要一環(huán)。是企業(yè)面對瞬息萬變的市場環(huán)境，不斷迅速開發(fā)適應(yīng)市場需求的新系統(tǒng)（產(chǎn)品），以保證企業(yè)在激烈競爭環(huán)境中立于不敗之地的重要工程。

綠色設(shè)計：是從并行工程思想發(fā)展而出現(xiàn)的一個新概念。就是在新系統(tǒng)（產(chǎn)品）的開發(fā)階段，就考慮其整個生命周期內(nèi)對環(huán)境的影響，從而減少對環(huán)境的污染、資源的浪費、使用安全和人類健康等所產(chǎn)生的副作用。

反求設(shè)計：反求設(shè)計思想屬于反向推理、逆向思維體系。

網(wǎng)絡(luò)合作設(shè)計：是現(xiàn)代設(shè)計最前沿的一種方法。其核心是利用網(wǎng)絡(luò)工具來匯集設(shè)計知識、資源以及知識獲取的方法進(jìn)行設(shè)計。

第二章

2-1設(shè)計機(jī)械傳動部件時，為確保機(jī)械系統(tǒng)的傳動精度和工作穩(wěn)定性，常提出哪些要求？低摩擦、無間隙、低慣量、高剛度、高諧振頻率、適當(dāng)?shù)淖枘岜鹊纫�求�?/p>

2-2機(jī)電一體化系統(tǒng)傳動機(jī)構(gòu)的作用是什么？傳遞轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速

2-3機(jī)電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）對傳動機(jī)構(gòu)的基本要求是什么？

對工作機(jī)中的傳動機(jī)構(gòu)，既要求能實現(xiàn)運動的變換，又要求能實現(xiàn)動力的變換；對信息機(jī)中的傳動機(jī)構(gòu)，則主要要求具有運動的變換功能，只需要克服慣性力（力矩）和各種摩擦阻力（力矩）及較小的負(fù)載即可。

2-4簡述絲杠螺母機(jī)構(gòu)的分類及其特點。

絲杠螺母機(jī)構(gòu)主要用來將旋轉(zhuǎn)運動變換為直線運動或?qū)⒅本�運動變換為旋轉(zhuǎn)運動。這些傳動機(jī)構(gòu)既有以傳遞能量為主的（如螺旋壓力機(jī)、千斤頂?shù)龋�，也有以傳遞運動為主的（如工作臺的進(jìn)給絲杠），還有調(diào)整零件之間相對位置的（如螺旋傳動機(jī)構(gòu)）。

2-6絲杠螺母副的組成要素有哪些？

滾珠絲杠副構(gòu)成原理：1-反向器；2-螺母；3-絲杠；4-滾珠。2-7滾珠絲杠副的傳動特點？

軸向剛度高、運動平穩(wěn)、傳動精度高、不易磨損、使用壽命長等特點。

2-9滾珠絲杠副消除軸向間隙的調(diào)整預(yù)緊方法有哪些？

1、雙螺母螺紋預(yù)緊調(diào)整式2、雙螺母齒差預(yù)緊調(diào)整式3、雙螺母墊片調(diào)整預(yù)緊式4、彈簧式自動調(diào)整預(yù)緊式

5、單螺母變位導(dǎo)程預(yù)緊式和單螺母滾珠過盈預(yù)緊式

2-13簡述滾珠絲杠副的支承方式及特點？

1單推單推式：軸向剛度較高，預(yù)拉伸安裝時，預(yù)緊力較大，但軸承壽命比雙推雙推式低。

2雙推雙推式：該方式適合于高剛度，高轉(zhuǎn)速，高精度的精密絲杠傳動系統(tǒng)。

3雙推簡支式：雙推端可預(yù)拉伸安裝，預(yù)緊力小，軸承壽命較高，適用于中速、傳動精度較高的長絲杠傳動系統(tǒng)。

4雙推自由式：軸向剛度和承載能力低，多用于輕載、低速的垂直安裝的絲杠傳動系統(tǒng)。

2-15齒輪傳動部件的作用有哪些？

傳遞轉(zhuǎn)矩、改變轉(zhuǎn)速、改變轉(zhuǎn)向

2-16各級傳動比的分配原則是什么？輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則是什么？

1重量最輕原則

2輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則：為了提高機(jī)電一體化系統(tǒng)齒輪傳動系統(tǒng)傳遞運動的精度，各級傳動比應(yīng)按先小后大的原則分配，以便降低齒輪的加工誤差、安裝誤差以及回轉(zhuǎn)誤差對輸出轉(zhuǎn)角精度的影響。

3等效轉(zhuǎn)動慣量最小原則

2-18諧波齒輪傳動有何特點？傳動比的計算方法是什么？

具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動比大（幾十~幾百）、傳動精度高、回程誤差小、噪聲低、傳動平穩(wěn)、承載能力強(qiáng)、效率高等一系列優(yōu)點。

傳動比計算方法：①.當(dāng)柔輪固定時，r0，則

irgHHgHzgzrH,g1zrzgzgzrzg,iHgHgzgzgzr

設(shè)zr200、zg202時，則iHg101。結(jié)果為正值說明剛輪與波形發(fā)生器轉(zhuǎn)向相同。②.當(dāng)剛輪固定時，g0，則

rH0Hzgzr,1rHzgzr,iHrHrzrzrzg

設(shè)zr200、zg202時，則iHr100。結(jié)果為正值說明柔輪與波形發(fā)生器轉(zhuǎn)向相反。2-20輪傳動的齒側(cè)間隙的調(diào)整方法有哪些？

圓柱齒輪傳動1、偏心套調(diào)整法2、軸向墊片調(diào)整法3、雙片薄齒輪錯齒調(diào)整法斜齒輪傳動

2-21簡述導(dǎo)軌的主要作用，導(dǎo)軌副的組成、種類及應(yīng)滿足的基本要求。

導(dǎo)向支承部件的作用是支承和限制運動部件按給定的運動要求和規(guī)定的運動方向運動。導(dǎo)軌副主要由承導(dǎo)件和運動件兩部分組成。

種類：滑動導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌、流體介質(zhì)摩擦導(dǎo)軌、開式導(dǎo)軌、閉式導(dǎo)軌。

基本要求：導(dǎo)向精度高、剛性好，運動輕便平穩(wěn)，耐磨性好，溫度變化影響小以及結(jié)構(gòu)工藝性好。

2-23簡述旋轉(zhuǎn)支承的種類及其基本要求。

按其相互摩擦的性質(zhì)可分為滑動、滾動、彈性、氣體（或液體）摩擦支承。

對支承的要求應(yīng)包括：1方向精度和置中精度；2摩擦阻力矩的大�。�3許用載荷；4對溫度變化的敏感性；5耐磨性以及磨損的可補(bǔ)償性；6抗振性；7成本的高低；

第三章

3-3簡述控制用電動機(jī)的功率密度及功率的定義。

電動機(jī)的功率密度：PGP/G

電動機(jī)的功率比：dp/dtd(T)/dtTNd/dtTTNTN/Jm。

2

3-6簡述PWM直流驅(qū)動調(diào)速、換向的工作原理。

3-9簡述步進(jìn)電機(jī)的種類及特點。

種類：①可變磁阻型②永磁型③混合型

特點：①步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)不易受各種干擾因素的影響，只要在它們的大小未引起步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生“丟步”現(xiàn)象之前，就不影響其正常工作；②步進(jìn)電機(jī)的步距角有誤差，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定步數(shù)以后也會出現(xiàn)累積誤差，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過以轉(zhuǎn)以后，其累積誤差變?yōu)椤傲恪�，因此不會長期累積；③控制性能好，在起動、停止、反轉(zhuǎn)時不易“丟步”。

3-11簡述步進(jìn)電機(jī)步距角大小的計算方法。

α=360°/（zm）z轉(zhuǎn)子齒數(shù)

m運行拍數(shù)，通常等于相數(shù)或相數(shù)整數(shù)倍，即m=KN

第四章

4-1是說明CPU、MC與MCS之關(guān)系。

4-3在設(shè)計微機(jī)控制系統(tǒng)中首先會遇到的問題是什么？

通常先從系統(tǒng)構(gòu)成上考慮是采用開環(huán)控制還是閉環(huán)控制，當(dāng)采用閉環(huán)控制時，應(yīng)考慮采用何種檢測傳感元件，檢測精度要求如何。

4-4從控制的角度出發(fā)所選擇的微機(jī)應(yīng)能滿足哪些要求。

1、較完善的中斷系統(tǒng)2、足夠的存儲容量

3、完備的輸入/輸出通道和實時時鐘

4-10單片機(jī)具有哪些獨特優(yōu)點。

單片機(jī)具有集成高度、功能強(qiáng)、通用性好，特別是體積小、重量輕、能耗低、價格低，而且可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)和使用方便等獨特優(yōu)點。

4-13試說明七段LED的組成原理。

通常的七段LED顯示塊中有八個發(fā)光二極管，故也叫八段顯示塊。其中七個發(fā)光二極管構(gòu)成七筆字形“8”，一個發(fā)光二極管構(gòu)成小數(shù)點。只要將一個8位并行輸出口與顯示塊的發(fā)光二極管引腳相連即可。8位并行輸出口輸出不同的字節(jié)數(shù)據(jù)即可獲得不同的數(shù)字或字符。

4-14靜態(tài)顯示與動態(tài)顯示的主要區(qū)別有哪些。

靜態(tài)顯示時，較小的電流能得到較高的亮度，所以由8255的輸出口直接驅(qū)動。動態(tài)顯示就是一位一位地輪流點亮顯示器（掃描）。對于每一位顯示器來說，每隔一段時間點亮一次。

4-17試說明發(fā)光耦合器的光電隔離原理。

發(fā)光隔離電路主要由光電耦合器的光電轉(zhuǎn)換原件組成�？刂戚敵鰰r，微機(jī)輸出的控制信號經(jīng)74LS04非門反相后，加到光電耦合器G的發(fā)光二極管正端。當(dāng)控制信號為高電平時，經(jīng)反相后，加到發(fā)光二極管正端的電平為低電平，因此，發(fā)光二極管不導(dǎo)通，沒有光發(fā)出。這時光敏晶體管截止，輸出信號幾乎等于加在光敏晶體管集電極上的電源電壓。當(dāng)控制信號為低電平時，發(fā)光二極管導(dǎo)通并發(fā)光，光敏晶體管接收發(fā)光二極管發(fā)出的光而導(dǎo)通，于是輸出端的電平幾乎等于零。同樣道理，可將光電耦合器用于信息的輸入。當(dāng)然。光電耦合器還有其他鏈接方式，以實現(xiàn)不同要求的電平或極性轉(zhuǎn)換。

4-18試說明常用傳感器種類、原理及其特性參數(shù)。

開關(guān)型、模擬型、數(shù)字型。

根據(jù)被測物理量的不同，常用的傳感器可以按用途分為位移和位置傳感器、速度和加速度傳感器、力和力矩傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器等。

傳感器的基本工作原理有電阻式、電感式、磁電視、電容式、光電式等，因此各種相應(yīng)的傳感器也可以按其工作原理分為電阻式、電感式、磁電式、電容式、光電式傳感器。

參數(shù)特性：

擴(kuò)展閱讀：《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)》期末復(fù)習(xí)小結(jié)

一、判斷題

系統(tǒng)論、信息論、控制論是機(jī)電一體化技術(shù)的理論基礎(chǔ)，是機(jī)電一體化技術(shù)的方法論。（√）

PLC采用掃描工作方式，掃描周期的長短決定了PLC的工作速度。（√）

PLC完善的自診斷功能，能及時診斷出PLC系統(tǒng)的軟件、硬件故障，并能保護(hù)故障現(xiàn)場，保證了PLC控制系統(tǒng)的工作安全性。（√）

傳動機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量取決于機(jī)構(gòu)中各部件的質(zhì)量和轉(zhuǎn)速。（×）

傳感器在使用前、使用中或修理后，必須對其主要技術(shù)指標(biāo)標(biāo)定或校準(zhǔn)，以確保傳感器的性能指標(biāo)達(dá)到要求。（√）電液伺服系統(tǒng)的過載能力強(qiáng)，在強(qiáng)力驅(qū)動和高精度定位時性能好，適合于重載的高加減速驅(qū)動。（√）

對直流伺服電動機(jī)來說，其機(jī)械特性越硬越好。（√）感應(yīng)同步器是一種應(yīng)用電磁感應(yīng)原理制造的高精度檢測元件，有直線和圓盤式兩種，分別用作檢測直線位移和轉(zhuǎn)角。（√）

工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動部分在控制信息作用下提供動力，包括電動、氣動、液壓等各種類型的傳動方式。（√）滾珠絲杠垂直傳動時，必須在系統(tǒng)中附加自鎖或制動裝置。（√）

機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)與一般的機(jī)械系統(tǒng)相比，應(yīng)具有高精度、良好的穩(wěn)定性、快速響應(yīng)性的特性。（√）計算機(jī)控制系統(tǒng)的采樣周期越小，其控制精度就越高。（√）

計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計完成后，首先需要對整個系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，然后分別進(jìn)行硬件和軟件的調(diào)試。（×）進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計時，由于阻尼對系統(tǒng)的精度和快速響應(yīng)性均產(chǎn)生不利的影響，因此機(jī)械系統(tǒng)的阻尼比ξ取值越小越好。（×）

綠色設(shè)計是對已有的產(chǎn)品或技術(shù)進(jìn)行分析研究，進(jìn)而對該系統(tǒng)（產(chǎn)品）進(jìn)行剖析、重構(gòu)、再創(chuàng)造的設(shè)計。（×）脈沖分配器的作用是使電動機(jī)繞組的通電順序按一定規(guī)律變化。（√）目前，大部分硬件接口和軟件接口都已標(biāo)準(zhǔn)化或正在逐步標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)計時可以根據(jù)需要選擇適當(dāng)?shù)慕涌�，再配合接口編寫相�?yīng)的程序。（√）

氣壓式伺服驅(qū)動系統(tǒng)常用在定位精度較高的場合使用。（×）

驅(qū)動部分在控制信息作用下提供動力，伺服驅(qū)動包括電動、氣動、液壓等各種類型的驅(qū)動裝置。（√）

數(shù)控機(jī)床中的計算機(jī)屬于機(jī)電一體化系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，而電機(jī)和主軸箱則屬于系統(tǒng)的驅(qū)動部分。（×）數(shù)字化物理樣機(jī)就是一種結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件，強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)上的設(shè)計。（×）

數(shù)字式位移傳感器有光柵、磁柵、感應(yīng)同步器等，它們的共同特點是利用自身的物理特征，制成直線型和圓形結(jié)構(gòu)的位移傳感器，輸出信號都是脈沖信號，每一個脈沖代表輸入的位移當(dāng)量，通過計數(shù)脈沖就可以統(tǒng)計位移的尺寸。（√）

雙螺母消除軸向間隙的結(jié)構(gòu)形式結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，調(diào)整方便，能夠精確調(diào)整。（×）通常，步進(jìn)電機(jī)的最高連續(xù)工作頻率遠(yuǎn)大于它的最高啟動頻率。（√）

通用型計算機(jī)系大多工作在為特定用戶群設(shè)計的系統(tǒng)中，通常都具有低功耗、體積小、集成度高等特點。（×）為減少機(jī)械傳動部件的扭矩反饋對電機(jī)動態(tài)性能的影響，機(jī)械傳動系統(tǒng)的基本固有頻率應(yīng)低于電氣驅(qū)動部件的固有頻率的2~3倍，同時，傳動系統(tǒng)的固有頻率應(yīng)接近控制系統(tǒng)的工作頻率，以免系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩而失去穩(wěn)定性。（×）無論采用何種控制方案，系統(tǒng)的控制精度總是高于檢測裝置的精度。（×）

現(xiàn)場總線系統(tǒng)采用一對一的設(shè)備連線，按控制回路分別進(jìn)行連接，打破了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。（×）現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計方法是將系統(tǒng)劃分為硬件和軟件兩個獨立的部分，然后按各自的設(shè)計流程分別完成。（×）信息處理技術(shù)是指在機(jī)電一體化產(chǎn)品工作過程中，與工作過程各種參數(shù)和狀態(tài)以及自動控制有關(guān)的信息輸入、識別、變換、運算、存儲、輸出和決策分析等技術(shù)。（√）虛擬設(shè)計是在基于多媒體的、交互的、嵌入式的三維計算機(jī)輔助設(shè)計環(huán)境中進(jìn)行實體建模和裝配建模，生成精確的系統(tǒng)模型，并在同一環(huán)境中進(jìn)行一些相關(guān)分析，從而滿足工程設(shè)計和應(yīng)用的需要。（√）

需求設(shè)計是指新產(chǎn)品開發(fā)的整個生命周期內(nèi)，從分析用戶需求到以詳細(xì)技術(shù)說明書的形式來描述滿足用戶需求產(chǎn)品的過程。（√）

選擇傳感器時，如果測量的目的是進(jìn)行定性分析，則選用絕對量值精度高的傳感器，而不宜選用重復(fù)精度高的傳感器。（×）

一般說來，全物理仿真較之計算機(jī)仿真在時間、費用和方便性上都具有明顯的優(yōu)點，是一種經(jīng)濟(jì)、快捷與實用的仿真方法。（×）

永磁型步進(jìn)電動機(jī)即使其定子繞組斷電也能保持一定轉(zhuǎn)矩，故具有記憶能力，可用于定位驅(qū)動。（√）在閉環(huán)系統(tǒng)中，因齒輪副的嚙合間隙而造成的傳動死區(qū)能使系統(tǒng)以6~10倍的間隙角產(chǎn)生低頻振蕩，采用消隙裝置，以提高傳動精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性。（×）

直流伺服電動機(jī)的調(diào)速特性是電機(jī)轉(zhuǎn)速與其輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。（×）

自動控制技術(shù)是機(jī)電一體化相關(guān)技術(shù)之一，直接影響系統(tǒng)的控制水平、精度、響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。（√）自動控制是在人直接參與的情況下，通過控制器使被控對象或過程自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。（×）二、單選題

以下可對交流伺服電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速的方法是（改變電動機(jī)的供電頻率）。

HRGP-1A噴漆機(jī)器人中的活塞式液壓缸屬于系統(tǒng)中的（驅(qū)動部分）。

HRGP-1A噴漆機(jī)器人中的手部屬于系統(tǒng)中的（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）。

閉環(huán)控制的驅(qū)動裝置中，絲杠螺母機(jī)構(gòu)位于閉環(huán)之外，所以它的（回程誤差和傳動誤差都不會影響輸出精度）。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動后，其輸出轉(zhuǎn)矩隨著工作頻率增高而（下降）。

采用脈寬調(diào)制（PWM）進(jìn)行直流電動機(jī)調(diào)速驅(qū)動時，通過改變（脈沖的寬度）來改變電樞回路的平均電壓，從而實現(xiàn)直流電動機(jī)的平滑調(diào)速。

齒輪傳動的總等效慣量隨傳動級數(shù)(增加而減小)。傳動系統(tǒng)的固有頻率對傳動精度有影響，（B）固有頻率可減小系統(tǒng)地傳動誤差，（A）系統(tǒng)剛度可提高固有頻率。A．提高，提高

導(dǎo)程L0=8mm的絲杠驅(qū)動總質(zhì)量為60kg的工作臺與工件，則其折算到絲杠上的等效轉(zhuǎn)動慣量為（97）kg〃mm2。多級齒輪傳動中，各級傳動比“前小后大”的分配原則不適用于按（重量最輕原則）設(shè)計的傳動鏈。

多級齒輪傳動中，各級傳動比相等的分配原則適用于按（重量最輕原則（小功率裝置））設(shè)計的傳動鏈。幅頻特性和相頻特性是模擬式傳感器的（動態(tài)特性指標(biāo)）。光柵傳感器的光柵是在一塊長條形的光學(xué)玻璃上密集等間距平行的刻線，刻線數(shù)為100線/mm，經(jīng)四倍細(xì)分后，記數(shù)脈沖為400，光柵位移是（1）mm。（此光柵傳感器測量分辨率是（0.01）mm。）含有微處理器，可進(jìn)行程序編制或適應(yīng)條件變化的接口是（智能接口）。

計算機(jī)控制系統(tǒng)實際運行時，需要由用戶自行編寫（應(yīng)用軟件），具有實時性、針對性、靈活性和通用性。檢測環(huán)節(jié)能夠?qū)�輸出進(jìn)行測量，并轉(zhuǎn)換成比較環(huán)節(jié)所需要的量綱，一般包括傳感器和（轉(zhuǎn)換電路）。

某機(jī)電一體化系統(tǒng)需要消除齒輪傳動的齒側(cè)間隙，采取下列哪種方法使得調(diào)整過程中能自動補(bǔ)償齒側(cè)間隙？（軸向壓簧錯齒調(diào)整法）

受控變量是機(jī)械運動的一種反饋控制系統(tǒng)稱(伺服系統(tǒng))。數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的伺服電機(jī)屬于設(shè)備的（驅(qū)動部分）。通常，數(shù)控精密鏜銑床等高精度數(shù)控設(shè)備，其伺服系統(tǒng)的控制方式均采用（閉環(huán)控制）

為提高機(jī)電一體化機(jī)械傳動系統(tǒng)的固有頻率，應(yīng)設(shè)法（增大系統(tǒng)剛度）。

下列哪個是傳感器的動特性（幅頻特性）。

下列哪種方法是采用單螺母預(yù)緊原理來消除滾珠絲杠副的間隙？（偏置導(dǎo)程法）

以下產(chǎn)品不屬于機(jī)電一體化產(chǎn)品的是（電子計算機(jī)）。以下產(chǎn)品屬于機(jī)電一體化產(chǎn)品的是（全自動洗衣機(jī)）。以下除了（繼電器控制系統(tǒng)），均是由硬件和軟件組成。以下抑制電磁干擾的措施，除了（軟件抗干擾），其余都是從切斷傳播途徑入手。有一脈沖電源，通過環(huán)形分配器將脈沖分配給五相十拍通電的步進(jìn)電機(jī)定子勵磁繞組，已知轉(zhuǎn)子有24個齒，步進(jìn)電機(jī)的步距角是（1.5°）。a=360/(znk)=360/(24*5*2)在開環(huán)控制系統(tǒng)中,常用（步進(jìn)電動機(jī)）做驅(qū)動元件。二、簡答題

滾珠絲杠副消除軸向間隙的調(diào)整預(yù)緊方法有哪些？滾珠絲杠副消除軸向間隙的調(diào)整預(yù)緊方法有：螺紋預(yù)緊調(diào)整式、雙螺母差齒預(yù)緊調(diào)整式、雙螺母墊片預(yù)緊調(diào)整式、彈簧式自動調(diào)整預(yù)緊式、單螺母變位導(dǎo)程自預(yù)緊式。步進(jìn)電動機(jī)的輸入信號是什么？如何實現(xiàn)對其轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向的控制？

步進(jìn)電機(jī)的輸入信號是脈沖序列。步進(jìn)電機(jī)的步矩角α與運行拍數(shù)m、通電方式k（m=kN，單拍時k=1，雙拍時k=2，N為定子繞組的相數(shù)）、轉(zhuǎn)子的齒數(shù)z有關(guān)。步進(jìn)電機(jī)定子繞組通電狀態(tài)的改變速度越快，其轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的速度越快，即通電狀態(tài)的變化頻率越高，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速越高。改變步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電順序，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向隨之改變。

-1-

簡述數(shù)控設(shè)備中計算機(jī)數(shù)控裝置的組成和功能。

在數(shù)控設(shè)備中，計算機(jī)數(shù)控裝置是設(shè)備的核心部分，一般由專用計算機(jī)（或通用計算機(jī)）、輸入輸出接口以及機(jī)床控制器等部分構(gòu)成。計算機(jī)數(shù)控裝置根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)和程序，完成數(shù)據(jù)運算、邏輯判斷、輸入輸出控制等功能；機(jī)床控制器主要用于機(jī)床的輔助功能，主軸轉(zhuǎn)速的選擇和換刀功能的控制。

什么是步進(jìn)電機(jī)的步距角？它由哪些參數(shù)確定？定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，它的轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)過一個確定的角度，即步進(jìn)電機(jī)的步距角α步進(jìn)電撓的步距角α=360/(zm)，所以α與運行拍數(shù)m、通電方式k(m=KN，單拍時k=1，雙拍時k=2，N為定子繞組的相數(shù)〉、轉(zhuǎn)子的齒數(shù)z有關(guān)。

齒輪傳動中齒側(cè)向間隙對系統(tǒng)有何影響?如何消除直齒圓柱齒輪的齒側(cè)間隙?

齒輪的嚙合間隙會造成傳動死區(qū)〈失動量)，若該死區(qū)是在閉環(huán)系統(tǒng)中，則可能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，常會使系統(tǒng)產(chǎn)生低頻振蕩。常用調(diào)整直齒圈柱齒輪的齒側(cè)間隙的方法有：偏心套調(diào)整法、軸向墊片調(diào)整法、雙片薄齒輪錯齒調(diào)整法等。

完善的機(jī)電一體化系統(tǒng)主要包括哪幾部分？

機(jī)械本體、動力系統(tǒng)、檢測傳感系統(tǒng)、執(zhí)行部件、信息處理及控制系撓五部分相互協(xié)調(diào)，共同完成所規(guī)定的目的功能。各部分通過接口及相應(yīng)軟件有機(jī)結(jié)合在一起，構(gòu)成內(nèi)部阻配合理飛外部效能最佳的完整產(chǎn)品。簡述機(jī)電一體化系統(tǒng)中的接口的作用。

機(jī)電一體化系統(tǒng)中的接口的作用是實現(xiàn)系統(tǒng)與外部（其他系統(tǒng)、操作者、環(huán)境）的連接，一般分為機(jī)械接口、電氣

接口兩方面。

機(jī)械運動中的摩擦和阻尼會降低效率，但是設(shè)計中要適當(dāng)選擇其參數(shù)，而不是越小越好。為什么？因為適當(dāng)選擇機(jī)械運動中的摩擦和阻尼會，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、保證系統(tǒng)具有良好的動態(tài)特性。

簡述機(jī)械系統(tǒng)的剛度對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響。

①失動量。系統(tǒng)剛度越大，因靜摩擦力的作用所產(chǎn)生的傳動部件的彈性變形越小，系統(tǒng)的失動量也越小。

②固有頻率。機(jī)械系統(tǒng)剛度越大，固有頻率越高，可遠(yuǎn)離控制系統(tǒng)或驅(qū)動系統(tǒng)的頻帶寬度，從而避免產(chǎn)生共振。③穩(wěn)定性。剛度對開環(huán)伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性沒有影啊，而對閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大影響，提高剛度可增加閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

何謂概念設(shè)計？簡述概念設(shè)計的設(shè)計過程。

對概念設(shè)計表述為：“在確定任務(wù)之后，通過抽象化，擬定功能結(jié)構(gòu)，尋求適當(dāng)?shù)淖饔迷�理及其組合等，確定出基本求解途徑，得出求解方案，這一部分設(shè)計工作叫做概念設(shè)計。”

概念設(shè)計過程的步驟及采用的方法如圖1所示

圖1概念設(shè)計步驟

如何進(jìn)行機(jī)電一體化系統(tǒng)的可靠性設(shè)計？

可靠性是指系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。通常用“概率”表示“能力”來實現(xiàn)可靠性指標(biāo)的量化。

（1）機(jī)電一體化系統(tǒng)的可靠性設(shè)計（2）控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計（3）軟件的可靠性技術(shù)

簡述HRGP－1A噴漆機(jī)器人的示教再現(xiàn)過程。

HRGP－1A噴漆機(jī)器人由操作機(jī)、微型計算機(jī)控制裝置、液壓能源三部分組成。所謂示教，即操作人員用手操縱操作機(jī)的關(guān)節(jié)和手腕，展示操作過程，由于計算機(jī)通過傳感器將示教過程檢測到的參數(shù)存入存儲器。所謂再現(xiàn)，即是將存儲器存放的信息取出，經(jīng)插補(bǔ)運算與采樣得到的位置數(shù)據(jù)比較，然后將差值輸出，控制操作機(jī)按示教過程軌跡運動。

簡述數(shù)控設(shè)備中計算機(jī)數(shù)控裝置的組成和功能。

（1）數(shù)控設(shè)備中計算機(jī)數(shù)控裝置的組成：運算器、控制器、存儲器、輸入接口及輸入設(shè)備（鍵盤、鼠標(biāo)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器）、輸出接口及輸出設(shè)備（顯示器、指示燈、數(shù)模轉(zhuǎn)換器等）、系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件等。（2）數(shù)控設(shè)備中計算機(jī)數(shù)控裝置的功能：存儲器：用于存儲數(shù)據(jù)、指令；運算器：用于進(jìn)行算術(shù)和邏輯運算；控制器：用于執(zhí)行指令；輸入接口：是微處理器接收外界信息的通道，有數(shù)字量、模擬量之分；輸入設(shè)備：鍵盤、鼠標(biāo)用于接收用戶指令；模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于接收位置檢測信息。輸出接口：是微處理器向外界傳遞信息的通道，有數(shù)字量、模擬量之分；輸出設(shè)備：顯示器、指示燈用于顯示計算機(jī)處理的結(jié)果或當(dāng)前機(jī)床的狀態(tài)；數(shù)模轉(zhuǎn)換器用于將計算機(jī)計算的結(jié)果輸出去，以便于控制。系統(tǒng)軟件：控制、管理微機(jī)的軟件，提供應(yīng)用軟件的支撐平臺；應(yīng)用軟件：用戶為解決實際問題而編寫的程序。如何進(jìn)行機(jī)電一體化系統(tǒng)的可靠性設(shè)計？

可靠性是指系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。通常用“概率”表示“能力”來實現(xiàn)可靠性指標(biāo)的量化。（1）機(jī)電一體化系統(tǒng)的可靠性設(shè)計（2）控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計（3）軟件的可靠性技術(shù)簡述HRGP－1A噴漆機(jī)器人的示教再現(xiàn)過程。

HRGP－1A噴漆機(jī)器人由操作機(jī)、微型計算機(jī)控制裝置、液壓能源三部分組成。所謂示教，即操作人員用手操縱操作機(jī)的關(guān)節(jié)和手腕，展示操作過程，由于計算機(jī)通過傳感器將示教過程檢測到的參數(shù)存入存儲器。所謂再現(xiàn)，即是將存儲器存放的信息取出，經(jīng)插補(bǔ)運算與采樣得到的位置數(shù)據(jù)比較，然后將差值輸出，控制操作機(jī)按示教過程軌跡運動。

什么是傳感器的靜態(tài)特性和動態(tài)特性？

傳感器的靜態(tài)特性是指傳感器的輸入信號不隨時間變化或變化非常緩慢時，所表現(xiàn)出來的輸出響應(yīng)特性。需要了解的主要參數(shù)有：線性范圍、線性度、靈敏度、精確度、分辨力、遲滯、穩(wěn)定性。

傳感器的動態(tài)特性是指其輸出對隨時間變化的輸入量的響應(yīng)特性。需要了解的主要參數(shù)有：幅頻特性和相頻特性。什么是伺服系統(tǒng)？伺服系統(tǒng)的一般組成有哪幾個部分？伺服系統(tǒng)又稱隨動系統(tǒng)，它是以機(jī)械位置、速度和加速度為控制對象，在控制命令指揮下，控制元件的工作，使機(jī)械運動部件按照命令要求運動。一般來說，伺服系統(tǒng)組成框圖如圖所示。

伺服系統(tǒng)組成框圖

（1）控制器：伺服系統(tǒng)中控制器的主要任務(wù)是根據(jù)輸入信號和反饋信號決定控制策略，控制器通常由電子線路或計算機(jī)組成。（2）功率放大器：伺服系統(tǒng)中功率放大器的作用是將信號進(jìn)行放大，并用來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成某種操作，功率放大裝置主要由各種電力電子器件組成。（3）執(zhí)行機(jī)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由伺服電動機(jī)或液壓伺服機(jī)構(gòu)和機(jī)械傳動裝置等組成。（4）檢測裝置：檢測裝置的任務(wù)是測量被控制量，實現(xiàn)反饋控制。無論采用何種控制方案，系統(tǒng)的控制精度總是低于檢測裝置的精度，因此要求檢測裝置精度高、線性度好、可靠性高、響應(yīng)快。

某車間內(nèi)的兩條自動生產(chǎn)線上需要一款搬運機(jī)器人，用于生產(chǎn)線間的產(chǎn)品搬運，如果該款機(jī)器人采用概念設(shè)計，請制訂出概念設(shè)計的流程。

（1）首先是將設(shè)計任務(wù)抽象化，確定出系統(tǒng)的總功能；（2）根據(jù)系統(tǒng)的總功能要求和構(gòu)成系統(tǒng)的功能要素進(jìn)行總功能分解，劃分出各功能模塊，將總功能分解為子功能，直到分解到不能再分

解的功能元，形成功能樹；確定它們之間的邏輯關(guān)系；（3）對各功能模塊輸入/輸出關(guān)系進(jìn)行分析，確定功能模塊的技術(shù)參數(shù)和控制策略、系統(tǒng)的外觀造型和總體結(jié)構(gòu)；（4）尋找子功能（功能元）的解，并將原理解進(jìn)行組合，形成多種原理解設(shè)計方案。（5）以技術(shù)文件的形式交付設(shè)計組討論、審定。由于體現(xiàn)同一功能的產(chǎn)品可以有多種多樣的工作原理。（6）方案進(jìn)行整體評價：對不同的方案進(jìn)行整體評價，選擇綜合指標(biāo)最優(yōu)的設(shè)計方案。最終選定最佳方案形成概念產(chǎn)品。

簡述直流伺服電動機(jī)脈寬調(diào)制的工作原理。

直流伺服電動機(jī)脈寬調(diào)制（PWM）的工作原理：假設(shè)輸入直流電壓U，可以調(diào)節(jié)導(dǎo)通時間得到一定寬度的與U成比例的脈沖方波，給伺服電動機(jī)電樞回路供電，通過改變脈沖寬度來改變電樞回路的平均電壓，從而輸出不同大小的電壓ua，使直流電動機(jī)平滑調(diào)速。

比較直流伺服電動機(jī)和交流伺服電動機(jī)的適用環(huán)境差別。

機(jī)電一體化系統(tǒng)仿真在系統(tǒng)設(shè)計過程中所起的作用是什么？答：在系統(tǒng)實際運行前，也希望對項目的實施結(jié)果加以預(yù)測，以便選擇正確、高效的運行策略或提前消除設(shè)計中的缺陷，最大限度地提高實際系統(tǒng)的運行水平，采用仿真技術(shù)可以省時省力省錢地達(dá)到上述目的。

機(jī)電一體化系統(tǒng)仿真的模型主要有哪幾種？分別應(yīng)用于系統(tǒng)設(shè)計的哪個階段？

仿真根據(jù)采用的模型可以分為：計算機(jī)仿真、半物理仿真、全物理仿真。計算機(jī)仿真：應(yīng)用于系統(tǒng)設(shè)計階段；半物理仿真：應(yīng)用于部件及子系統(tǒng)研制階段；全物理仿真：應(yīng)用于系統(tǒng)研制階段。

PID控制算法中比例、積分、微分部分各起何作用？比例調(diào)節(jié)起糾正偏差的作用，其反應(yīng)迅速；積分調(diào)節(jié)能消除靜差，改善系統(tǒng)靜態(tài)特性；微分調(diào)節(jié)有利于減少超調(diào)，加快系統(tǒng)的過渡過程。

系統(tǒng)采樣周期的選擇時，主要考慮的影響因素主要有哪些？答：（1）根據(jù)香農(nóng)采樣定理，確定采樣周期：T/max，其中max為被采信號角頻率上限。（2）采樣周期應(yīng)大于執(zhí)行元件動態(tài)調(diào)節(jié)穩(wěn)定時間。（3）從系統(tǒng)隨動性和抗干擾的角度，采樣周期應(yīng)盡可能小，這樣時延小，反映迅速。（4）在多回路控制中，由于采用巡檢控制方式，采樣周期應(yīng)足夠大，以確保在一個采樣周期內(nèi)，能處理完所有回路的算法計算。（5）從計算機(jī)的精度上講，采樣周期不應(yīng)太小。

簡述下圖所示梯形圖的工作過程及邏輯關(guān)系，圖中接線為：開關(guān)1（I0.0），開關(guān)2（I0.1），開關(guān)3（I0.2），紅燈（Q0.0），綠燈（Q0.1）。

解：由圖可知：開關(guān)1、開關(guān)2為常開，開關(guān)3為常閉，當(dāng)開關(guān)1、開關(guān)2接通、開關(guān)3為常閉狀態(tài)時，紅燈能亮，同時啟動定時器T0，沿時3秒，3秒后如果開關(guān)3為常閉狀態(tài)，則綠燈亮。Q0.0I0.0I0.1I0.2

T0Q0.03S

Q0.1T0I0.2四、綜合題

某物料搬動機(jī)械手的結(jié)構(gòu)如圖所示，動作過程如圖所示，

要求機(jī)械手的操作方式分為手動方式和自動方式。機(jī)械手有升降、水平移動、手爪夾持等3個自由度，采用電磁閥控制的氣缸驅(qū)動，PLC控制。要求寫出物料搬動機(jī)械手設(shè)計和產(chǎn)品開發(fā)的詳細(xì)工程路線。物料搬動機(jī)械手結(jié)構(gòu)原理圖解：系統(tǒng)設(shè)計的詳細(xì)工程路線：（1）確定目標(biāo)及技術(shù)規(guī)范：機(jī)械手的用途:物料搬運。工作方

式：手動、自動方式。主要技術(shù)參數(shù)：3自由度。使用環(huán)境要求：生產(chǎn)線。（2）可行性分析：收集資料、市場分析、可行性分析、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析。（3）總體方案設(shè)計：機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計，制定研制計劃；開發(fā)經(jīng)費概算；開發(fā)風(fēng)險分析。（4）總體方案的評審、評價（5）理論分析階段：機(jī)構(gòu)運動學(xué)模型、作業(yè)空間分析；機(jī)構(gòu)的力學(xué)計算；驅(qū)動元件的選擇、動力計算；傳感器選擇、精度分析；建立控制模型、仿真分析。

圖示直射式光電轉(zhuǎn)速傳感器是一種角位移傳感器，由裝在被測軸(或與被測軸相連接的輸入軸)上的帶縫隙圓盤、光源、光電器件和指示縫隙盤組成，光源發(fā)生的光通過縫隙圓盤和指示縫隙照射到光電器件上。試分析傳感器的測量原理。

解：當(dāng)裝在被測軸(或與被測軸相連接的輸入軸)上的帶縫隙圓盤轉(zhuǎn)動時，光敏元件接收到脈沖信號，若轉(zhuǎn)動圓盤上縫隙是均勻刻制，總數(shù)量為N，則光敏元件每輸出N個脈

沖，就意味著圓盤轉(zhuǎn)動一周360；若輸出M個脈沖，就意味著轉(zhuǎn)過360*M/N，因此，該傳感器可以用于測量角度。如果在T秒時間內(nèi)轉(zhuǎn)過輸出M個脈沖，就意味著轉(zhuǎn)速為360*M/N/T(/s)因此，該傳感器也可以用于測量角速度。

-2-

已知一個繩位移控制系統(tǒng)的兩種驅(qū)動方案分別如圖a和b

所示。

（1）試分析兩種方案的特點；（2）畫圖說明方案（a）減速器滾筒驅(qū)動測量位移的方法。

（a）減速器滾筒驅(qū)動（b）絲杠滑臺驅(qū)動

解：（1）分析兩種方案的特點：電機(jī)經(jīng)減速器帶動滾筒轉(zhuǎn)動，使驅(qū)動繩產(chǎn)生位移；電機(jī)帶動絲杠轉(zhuǎn)動，絲杠上的螺母便產(chǎn)生直線運動，帶動驅(qū)動繩產(chǎn)生位移。

（2）畫圖說明方案（a）減速器滾筒驅(qū)動測量位移的方法

分析下圖調(diào)整齒側(cè)間隙的原理。

1.鎖緊螺母2.圓螺母3.帶凸緣螺母4.無凸緣螺母

答：圖中所示的雙螺母螺紋預(yù)緊調(diào)整齒側(cè)間隙，雙螺母中的

一個外端有凸緣，一個外端無凸緣，但制有螺紋，它伸出套筒外用兩個螺母固定鎖緊，并用鍵來防止兩螺母相對轉(zhuǎn)動。旋轉(zhuǎn)圓螺母可調(diào)整消除間隙并產(chǎn)生預(yù)緊力，之后再用

鎖緊螺母鎖緊。

分析下圖中傳動大負(fù)載時消除齒側(cè)間隙的原理。1、6－小齒輪2、5－大齒輪3－齒輪4－預(yù)載裝置

7－齒條

答：小齒輪1、6與齒條7嚙合，與小齒輪1、6同軸的大齒輪2、5分別與齒輪3嚙合，通過預(yù)載裝置4向齒輪3上預(yù)加負(fù)載，使齒輪2、5同時向相反方向移動，從而帶動小齒輪1、6轉(zhuǎn)動，其齒面便分別緊貼在齒條7上齒槽的左、右側(cè)，從而消除了齒側(cè)間隙

分析圖中整體式PLC的各組成部分中CPU、存儲器、電源、輸入/出單元的功能。

答:(1)中央處理器CPU是PLC的運算和控制核心，控制其它所有部件的運行，功能相當(dāng)于人的大腦。

(2)存儲器用來存儲數(shù)據(jù)和程序，包括隨機(jī)存儲器(RAM)和只讀存儲器〈ROM)，用于存儲系統(tǒng)程序和周戶程序。(3)輸入/輸出（I/O）單元是CPU與現(xiàn)場I/O設(shè)備或其它外部設(shè)備之間的連接部件。(4)電源包括系統(tǒng)電源和后備電池，其中后備電池可在停電時繼續(xù)保持幾十小時的供電。

五、計算題

某工作臺采用如圖所示的直流電機(jī)絲杠螺母機(jī)構(gòu)驅(qū)動，已知工作臺的行程L=250mm，絲杠導(dǎo)程t=4mm，齒輪減速比為i=5，要求工作臺位移的測量精度為0.005mm（忽略齒輪和絲杠的傳動誤差）。

（1）若采用高速端測量方法，將旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在電機(jī)輸出軸上，確定旋轉(zhuǎn)編碼器的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)。

簡述對滾珠絲桿副進(jìn)行間隙調(diào)整和預(yù)緊方法

刻線為1024的增量式角編碼器安裝在機(jī)床的絲杠轉(zhuǎn)軸上，已知絲杠的螺距為2mm，編碼器在10秒內(nèi)輸出307200個脈沖，試求刀架的位移量和絲杠的轉(zhuǎn)速分別是多少？解：（1）絲杠旋轉(zhuǎn)一周有1024個脈沖，307200個脈沖對應(yīng)于絲杠旋轉(zhuǎn)307200/1024=300周，故刀架的位移量為300*2mm=600mm，

（2）絲杠的轉(zhuǎn)速為300*2π//10=60π（弧度/秒）如圖所示的電機(jī)驅(qū)動工作臺系統(tǒng)，其中驅(qū)動x向工作臺的三相雙三拍步進(jìn)電機(jī)，轉(zhuǎn)子齒數(shù)z為100。滾珠絲杠的基本導(dǎo)程為l0=6mm。已知傳動系統(tǒng)的橫向(x向)脈沖當(dāng)量δ為0.005mm/脈沖。試求：（1）步進(jìn)電機(jī)的步距角α；（2）減速齒輪的傳動比i。

解：（1）K=3相，N=3拍，z=100

步進(jìn)電機(jī)的步距角α=360/(z*m)=360/(z*K*N)=360/(100*3*3)=0.4

（2）由于一個脈沖，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)0.4，工作臺橫向(x向)脈沖當(dāng)量0.005mm，由于滾珠絲杠的基本導(dǎo)程為

l0=6mm，對應(yīng)于絲杠轉(zhuǎn)動一周360，設(shè)一個脈沖絲杠轉(zhuǎn)動的角度為x，則6mm/360=0.005/x，得x=0.3故減速齒輪的傳動比i=0.3/0.4=3/4

某工作臺采用直流電機(jī)絲杠螺母機(jī)構(gòu)驅(qū)動如圖所示，已知電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動慣量Jm=4×10-4kg〃m3，與電機(jī)輸出軸相連的小齒輪的轉(zhuǎn)動慣量J1=1×10-4kg〃m3，大齒輪的轉(zhuǎn)動慣量J2=1.8×10-4kg〃m3，絲杠的轉(zhuǎn)動慣量Js=3.8×

10-4kg〃m3。工作臺的質(zhì)量m=50kg，絲杠導(dǎo)程t=5mm，齒輪減速比為i=5。試求：

（1）工作臺折算到絲杠的等效轉(zhuǎn)動慣量JG；（2）傳動件折算到電機(jī)軸的等效轉(zhuǎn)動慣量Je；（3）電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量J。

圖直流電機(jī)絲杠螺母機(jī)構(gòu)驅(qū)動工作臺解：（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)已知某四級齒輪傳動系統(tǒng)，各齒輪的轉(zhuǎn)角誤差為Δφ1=Δφ2=…=Δφ8=0.01弧度，各級減速比相同，即i1=i2=…=i4=3，求該系統(tǒng)的最大轉(zhuǎn)角誤差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）若采用低速端測量方法，將傳感器與絲杠的端部直接相連，ns=500脈沖/轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)編碼器是否合用？

圖直流電機(jī)絲杠螺母機(jī)構(gòu)驅(qū)動工作臺

解：（1）設(shè)工作臺位移（測量精度）0.005mm時，絲杠轉(zhuǎn)動的角度為X，則有

360X4mm0.005mm得：X0.45，若對應(yīng)于電機(jī)軸的角度為Y，則

YiX2.25，安裝在電機(jī)輸出軸上的旋轉(zhuǎn)編碼器共

有360，故旋轉(zhuǎn)編碼器的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為360/2.2516（2）因為360/0.4580>ns=500，故不合用。圖示為電樞控制式直流電動機(jī)的工作原理圖。圖中電機(jī)線圈的電流為i；L與R為線圈的電感與電阻；電機(jī)的輸入電壓為u；折算到電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量為JM；電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速分別為T和ω；KE和KT分別為電樞的電勢常數(shù)和轉(zhuǎn)矩常數(shù)，試求輸出轉(zhuǎn)速與輸入電壓之間的傳遞函數(shù)。

解：uiRLi"KE(1)KTiJM"(2)在零初始條件下進(jìn)行拉氏變換：

U(s)I(s)RLsI(s)KE(s)(3)KTI(s)JMs(s)(4)

由（4）式得I(s)JMs(s)/KT，帶入到（3）式，得輸

出轉(zhuǎn)速與輸入電壓之間的傳遞函數(shù)

(s)KU(s)TLJMs2RJMsKEKT五、綜合題

1．如圖所示的系統(tǒng)，試分析齒輪減速器、絲杠螺母機(jī)構(gòu)

及傳感器的誤差對輸出精度的影響。

解：齒輪減速器存在兩種誤差：傳動誤差和回程誤差。傳動誤差主要由溫度或彈性導(dǎo)致的齒輪變形產(chǎn)生；回程誤差主要是由齒輪間隙造成。為提高齒輪傳動系統(tǒng)中傳遞運動的精度，各級傳動比應(yīng)按“先小后大”原則分配，設(shè)各級轉(zhuǎn)角誤差為

k、第k個齒輪到第n級輸出軸的傳動比為

ikn，設(shè)各級轉(zhuǎn)角誤差折算到末級輸出軸上的總誤差為

n/imaxmaxknk絲杠螺母機(jī)構(gòu)傳動誤差主要由絲杠與螺母之間的間隙決k1

定，通�？捎善溟g的調(diào)整、預(yù)緊調(diào)整到最小程度，由于這個誤差是在末級上，其大小直接影響輸出精度。傳感器的誤差對輸出精度的影響是通過控制產(chǎn)生的，由于傳感的誤差必然導(dǎo)致控制的誤差�？梢哉f，傳感器的誤差直接決定對輸出精度的影響。2．用PLC實現(xiàn)對一臺電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。控制要求為：首先電動機(jī)正轉(zhuǎn)起動，3秒后自動反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)2秒后自動又回到正轉(zhuǎn)，如此循環(huán)；可以隨時停車。（1）寫出I/O分配表；

（2）選擇PLC，畫出梯形圖。

解：（1）電動機(jī)正轉(zhuǎn)起動開關(guān)I0.0，電動機(jī)正轉(zhuǎn)Q0.0，電動機(jī)反轉(zhuǎn)Q0.1，電動機(jī)停轉(zhuǎn)開關(guān)I0.1。

-3-

已知數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)如圖所示，試說明圖中的各個部分屬于機(jī)電一體化系統(tǒng)中的哪一個基本要素？

解答：圖中各部可分為：（1）控制及信息處理單元：鍵盤、計算機(jī)、顯示（2）測試傳感部分：光電編碼器、信號處理（3）

能源：電源（4）驅(qū)動部分：功放、電機(jī)（5）執(zhí)行機(jī)構(gòu)：聯(lián)軸器、齒輪減速器、絲杠螺母機(jī)構(gòu)、工作臺試分析圖示傳動系統(tǒng)中，

齒輪減速器的傳動誤差對工作臺輸出精度的影響？

解答：齒輪傳動鏈位于電機(jī)之后，前向通道的閉環(huán)之外，

其傳動誤差的低頻分量和高頻分量都不能通過閉環(huán)控制來消除，都會影響輸出精度。

如圖所示的系統(tǒng)，試分析傳感器的誤差對輸出精度的影響。解答：

傳感器位于閉環(huán)之內(nèi)的反饋通道上，其誤差的高頻分量（噪聲信號）因系統(tǒng)的低通作用得到校正，不影響輸出精度；傳感器誤差的低頻分量，如靜態(tài)精度（分辨率等）直

接影響輸出精度，它決定了系統(tǒng)精度的上限。試分析圖示傳動系統(tǒng)中，

信號變換電路及絲杠螺母機(jī)構(gòu)的傳動誤差對工作臺輸出精度的影響。

解答：信號變換電路位于輸入通道，誤差的低頻分量會影響輸出精度，因此對靜態(tài)精度有較高要求；而誤差的

高頻分量對輸出精度幾乎沒有影響，允許存在一定程度的高頻噪聲。絲杠螺母機(jī)構(gòu)位于閉環(huán)之后，其誤差的低頻分量和高頻分量都會影響輸出精度，因此要盡量消除傳動間隙和傳動誤差。

對比說明步進(jìn)電機(jī)和直流伺服電機(jī)驅(qū)動的特點。（10分）解答：步進(jìn)電機(jī)與直流電機(jī)驅(qū)動的主要有如下不同特點：（1）在工作原理方面，步進(jìn)電機(jī)通過改變輸入脈沖的數(shù)量、頻率和順序來控制電機(jī)；而直流電機(jī)主要是靠改變電樞兩端的電壓來調(diào)速，調(diào)速特性好，調(diào)速范圍寬。（2）步進(jìn)電機(jī)可以實現(xiàn)開環(huán)位置控制；而直流電機(jī)一般用于閉環(huán)位置控制。（3）步進(jìn)電機(jī)具有自鎖能力；而直流電機(jī)沒有斷電自鎖能力。（4）步進(jìn)電機(jī)的輸出扭矩較小，而直流電機(jī)的輸出扭矩可以很大。此外，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角不受電源電壓波動的影響，但對電源的要求比較高。

如圖所示電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，已知工作臺的質(zhì)量為m=50Kg，負(fù)載力為

F,最大加速度為10m/s2,絲杠直徑為

l1000Nd=16mm,導(dǎo)程t=4mm,齒輪減速比為

i=5,總效率為

30%，忽略絲杠慣量

的影響，試計算電機(jī)的驅(qū)動力矩。

解：（1）計算負(fù)載力負(fù)載力由外負(fù)

載力、慣性負(fù)載力兩部分構(gòu)成外負(fù)載力F慣性負(fù)

l1000N載力FmFmma5010500N（2）電機(jī)上的負(fù)載力矩

T1it2(F)1mlFm為

14103

52(1000500)10.3如圖所示電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，

0.63Nm已知工作臺的質(zhì)量為m=200Kg，負(fù)載力為Fl1500N，最大加速度為a＝5m/s2,工作臺與導(dǎo)軌之間的摩擦系數(shù)μ=0.1，絲杠直徑為d=36mm,導(dǎo)程t=8mm,齒輪減速比為i=5,總效率為30%，忽略絲杠慣量的影響，試計算電機(jī)的驅(qū)動力矩。（重力加速度取g＝10m/s2）

解：（1）計算負(fù)載力負(fù)載力由外負(fù)載力、慣性負(fù)載力和摩擦力三部分構(gòu)成外負(fù)載力F1500N

l慣性負(fù)載力Fmma201*1000N

摩擦力

Ffmg0.1201*0200N

（2）電機(jī)上的負(fù)載力矩為

T1t1m

i2(FlFmFf)18103152(15001000200)0.32.29Nm

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