2020年电大《机电一体化系统设计基础》期末考试题库及答案

一． 单选题

1.机电一体化技术是以( C)部分为主体，强调各种技术的协同和集成的综合性技术。

A. 自动化 B.微电子 C 机械 D.软件

2. 导程Lo = 8 mm 的丝杠的总质量为6kg ，标称直径为4 0 mm ， 则其转动惯量为(A )kg. mm2

A.1200 B.480 c. 120 D.48

3. 某机电一体化系统需要消除斜齿轮传动的齿侧间隙， 采取(D)调整法使得调整过程中能自动补偿齿侧间隙。

A.偏心套 B. 轴向垫片 c. 薄片错齿 D. 轴向压簧错齿 4. 下列哪项指标是传感器的动态特性? (D )。

A. 量程 B.线性度 c.灵敏度D. 幅频特性 5. 在开环控制系统中， 常用(B )做驱动元件。

A. 直流伺服电动机 B. 步进电动机 C. 同步交流伺服电动机 D. 异步交流伺服电动机 6. HRGP-1A 喷漆机器人中的旋转变压器属于系统中的(B )。 A. 能游、部分 B.传感部分 C. 控制器 D.执行机构

7.机械系统的刚度对系统的动态特性主要影响表现为(B )等方面。 A. 固有频率、响应速度、惯量 B. 固有频率、失动量、稳定性 C. 摩擦特性、响应速度、稳定性 D.摩擦特性、失动量、惯量

8. 多级齿轮传动中， 各级传动比相等的分配原则适用于按(C )设计的传动链。 A. 最小等效转动惯量原则 B. 输出轴的转角误差最小原则 c.重量最轻原则(小功率装置) D.重量最轻原则(大功率装置) 9. 幅频特性和相频特性是模拟式传感器的(B )。

A.静态特性指标 B.动态特性指标 C.输人特性参数 D.输出特性参数 10. 半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(D)。 A. 回程误差不影响输出精度， 但传动误差影响输出精度 B. 传动误差不影响输出精度， 但回程误差影响输出精度 c.回程误差和传动误差都不会影响输出精度 D. 回程误差和传动误差都会影响输出精度

11. 步进电机转角的精确控制是通过控制输入脉冲的(B )来实现的。 A.频率 B.数量 c.步距角 D.通电顺序

12. HRGP-IA 喷漆机器人中的旋转变压器属于系统中的(B )。 A. 能源部分 B. 测试传感部分 c.驱动部分 D.执行机构 13.以下产晶属于机电-体化产品的是(C )λ。

A.游标卡尺 B. 移动电话 C. 全自动洗衣机 D. 非指针式电子表 14. 为提高机电一体化机械传动系统的固有频率， 应设法(A )。 A.增大系统刚度 B. 增大系统转动惯量 C. 增大系统的驱动力矩 D. 减小系统的摩擦阻力

15. 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/ m m ，后， 记数脉冲为400 ， 光栅位移是(A )mm 。 A. 1 B. 2 C. 3 D. 4 16. PWM 指的是( C)。

A. 机器人 B.计算机集成系统 C. 脉宽调制 D. 可编程控制器 17. 以下除了(D ) ，均是由硬件和软件组成。

A. 计算机控制系统 B.PLC 控制系统 C. 嵌入式系统 D. 继电器控制系统 18. HRGP-1A 喷漆机器人中的活塞式液压缸属于系统中的( C)。 A. 能源部分 B. 传感部分 C. 驱动部分 D. 执行机构

19． 导程Lo=8mm 的丝杠驱动总质量为60峙的工作台与工件， 则其折算到丝杠上的等效 转动惯量为(B )kg'mm2 。

A. 48.5 B. 97 C. 4.85 D. 9.7 20. 下列哪项指标是传感器的动特性? (D ) A.量程 B. 线性度 c.灵敏度 D.幅频特性

经四倍细分 21. 计算机控制系统实际运行时， 需要由用户自行编写(D )，具有实时性、针对性、灵活 性和通用性。

A. 实时软件 B. 开发软件 c. 系统软件 D. 应用软件 22. 以下(D )不属于系统功能结构图的基本结构形式。 A. 串联结构 B.并联结构 c.环形结构 D.星形结构

二． 判断题（正确的打√，错误的打X}

1. 一个完善的机电一体化系统， 应包括以下几个基本要素: 机械本体、动力系统、检测传感系统及执行部件，各要素和环节之间通过接口相联系。(X)

2. 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。(√~)

3. 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E取值越小越好。(X )

4. 滚珠丝杠垂直传动时， 必须在系统中附加自锁或制动装置。(√ ) 5. 传感器的转换元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分。(X) 6. 脉冲分配器的作用是使步进电动机绕组的通电顺序按一定规律变化。(√ ) 7. 气压式伺服驱动系统常用在定位精度较高的场合使用。(X)

8. 全物理仿真与计算机仿比较， 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15. 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。(X)

9. 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。(X) 10. 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。(X)

11.机电一体化产品不仅是人的手与肢体的延伸，还是人的感官与头脑的延伸，具有\"智能化的特征是机电一体化与机械电气化在功能上的本质差别。(√ )

12. 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。(√)

13. 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。(X) 14. 系统的静摩擦阻尼越大， 使系统的回程误差增大， 定位精度降低。(√ )

15. 采用双螺母螺纹调隙以消除滚珠丝杠副轴向间隙， 结构形式结构紧凑， 工作可靠， 调整方便，能够进行很精确的调整。(X )

16. 在闭环系统中， 因齿轮副的啃合间隙而造成的传动死区能使系统以1~5 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。(√)

17. 齿轮传动.系统各级传动比的最佳分配原则中等效转动惯量最小原则是使所设计的齿轮传动系统换算到该齿轮传动系统输出轴上的等效转动惯量为最小。(X )

18. 步进电动机的转动惯量越大， 同频率下的起动转矩就越大。(X ) 19. 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。(X )

20. 嵌人式系统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。(√ ) 7. 产品的组成零部件和装配精度高， 系统的精度一定就高。(X )

8. 从影响滚珠螺旋传动的因素看， 温度误差是影响传动精度的因素之一。(√ )

9. 双螺母消除滚珠丝杠副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。(X )

10. 迟带是传感器静态特性指标之一， 反映传感器输人量在正反行程中， 输出输人特性曲线的不重合度。(√ ) 1 1. 选择传感器时， 应选用精度尽可能高的传感器。(X)

12. 永磁型步进电动机即使其定子绕组断电也能保持一定转短， 故具有记忆能力， 可用于定位驱动。(√) 13. 通常， 步进电机的最高连续工作频率远小于它的最高启动频率。(√ )

14. 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。(X )

15. PLC 采用扫描工作方式，扫描周期的长短仅决定于PLC 的程序长短。(X)

16. 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。(X) 17. 齿轮传动的啃合间隙会造成一定的传动死区， 若在闭环系统中， 传动死区会使系统产生低频震荡。(√) 13. 直流伺服电动机的机械特性是电机转速与其控制电压的关系。(X )

14. 开环系统没有反馈回路， 只能依据时间和逻辑顺序决定被控对象的运行方式， 开环系统简单、稳定、可靠，但精度较低，无自动纠偏能力。(√ )

15. 仿真根据采用的模型可以分为计算机仿真、半物理仿真和全物理仿真。(√ ) 16. PID 调节器由比例调节器、积分调节器和加法调节器通过线性组合而构成。(X) 17. 计算机控制系统的采样周期越小， 其控制精度就越高。(X )

18. 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。(√ ) 三、简答题

1. 简述对滚珠丝杆副进行间隙调整和预紧方法。

答: 通常采用双螺母预紧和单螺母( 适于大滚珠、大导程) 两种方法， 将弹性变形控制在最小限度内，以减小或消除轴向间隙，并可提高滚珠丝杠副的刚度。常用的双螺母消除轴向间隙的结构形式有三种:螺纹调隙式、垫片调隙式和齿差调隙式三种;单螺母消隙常用增大滚珠直径法和偏置导程法两种预紧方法。 2. 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?

步进电机的步矩角α与运行拍数m 、通电方式k ( m ==走N，单拍时走= 1，双拍时走= 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。3. 3.简述数控设备中计算机数控装置的组成和功能。

计算机数控装置将数控加工程序通过输入装置输入数控装置，在数控装置的控制下，通过输出设备输出各种信息和指令，而驱动装置驱动机床各部分有序的运动，控制个坐标轴的进给速度，进给方向和位移量等。 4.机电一体化系统仿真在系统设计过程中所起的作用是什么?

答:在进行项目的设计和规划时，往往需要对项目的合理性、经济性等品质加以评价;在系统实际运行前，也希望对项目的实施结果加以预测，以便选择正确、高效的运行策略或提前消除设计中的缺陷，最大限度地提高实际系统的运行水平采用仿真技术可以省时、省力、省钱地达到上述目的。

5. 什么是PID 调节器? 三部分在系统调节中各起什么作用? 答: 按偏差的比例、积分和微分进行控制的调节器， 将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量，简称为P (比例) I (积分) D (微分)调节器，是连续系统中技术成熟、应用最为广泛的一种调节器。 a. PID 调节器中比例调节起纠正偏差的作用， 其反应迅速; b. 积分调节能消除静差， 改善系统静态特性;

C. 微分调节有利于减少超调， 加快系统的过渡过程。

6. PLC 控制系统有何优越性?

答:PLC 主要具有可靠性高、环境适应性强、灵活通用、使用方便、维护简单，PLC 提供标准通信接口，可以方便地构成P LC- P LC网络或计算机- P LC网络， P LC应用程序的编制和调试非常方便， P LC具有监控功能。

7. 简述完善的机电一体化系统五大组成要素。

答: 机电一体化系统是由机械本体、动力系统、检测传感系统、执行部件、信息处理及控制系统五部分相互协调，共同完成所规定的目的功能。各部分通过接口及相应软件有机结合在一起，构成内部匹配合理、外部效能最佳的完整产品。

8. 齿轮传动中各级传动比的最佳分配原则分别有哪些? 各使用在那些场合?

答: 齿轮传动中各级传动比的最佳分配原则: a . 重量最小原则( 结构紧凑) ; b. 转动惯量最小原则(快速响应) ; c. 输出轴转角误差最小原则( 精度) 。 结合可行性、经济性对转动惯量、结构尺寸和传动精度提出适当要求:要求体积小、重量轻的齿轮采用重量最轻的原则;要求运动平稳、起停频繁和动态性能好

的轮系采用最小转动惯量原则或输出轴转角误差最小原则;提高传动精度和减小回程误差为主的轮系采用转角误差最小原则。

9. 简述直流伺服电动机脉宽调制的工作原理。

答: 直流伺服电动机一般采用脉宽调制(PWM) 进行调速驱动。假设输入直流电压U ，可以调节导通时间得到一定宽度的与U成比例的脉冲方波，给伺服电动机电枢回路供电，通过改变脉冲宽度来改变电枢回路的平均电压，从而输出不同大小的电压Va ，使直流电动机平滑调速。设开关S周期性的闭合、断开，周期是T。在一个周期内，闭合的时间是τ，断开的时间是T一τ 。若外加电源电压U 为常数， 则电源、加到电动机电枢上的电压波形将是一个方波列， 其高度为U ，宽度为τ，则一个周期内的电压平均值为μU。

所以，当T不变时，只要连续改变τ ( O -- T)就可以连续的使Ua 由O 变化到U ，从而达到连续改变电动机转速的目的。

10. 齿轮传动中齿侧间隙对系统有何影响? 如何消除直齿圆柱齿轮的齿侧间隙?

答：齿轮的啃合间隙会造成传动死区( 失动量) ，若该死区是在闭环系统中，则可能造成系统不稳定，常会使系统产

生低频振荡。常用调整直齿圆柱齿轮的齿侧间隙的方法有偏心套调整法、轴向垫片调整法、双片薄齿轮错齿调整法等。 11. 什么是步进电机的步距角? 它由哪些参数确定?

答: 定子绕阻的通电状态每改变一次， 它的转子便转过一个确定的角度， 即步进电机的步距角们步进电机的步距角α = 3 6 0 / ( zm) ，所以α与运行拍数m 、通电方式k< m = k N ，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。

12. 何谓概念设计? 简述概念设计的设计过程。

答: 概念设计是指在确定任务之后， 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。设计过程z设计任务抽象化，确定系统的总功能→将总功能分解为子功能，直到功能元→寻找子功能(功能元)的解→将原理解进行组合，形成多种原理解设计方案→对众多方案进行评价决策，选定最佳方案→概念产品。

13. 简述典型的机电一体化的机械系统的组成及对其基本要求。

答t 典型的机电一体化的机械系统组成包括传动机构、导向机构、执行机构、轴系和机座或机架。机电一体化设备对机械系统的基本要求是高精度、快速响应性和良好的稳定性。 14. 什么是传感器的校准? 并简述如何进行校准?

答: 传感器在使用前、使用中或搁置一段时间再使用时必须对其性能参数进行复测或做必要的调整和修正，以确保传感器的测量精度，这个复测调整过程称为校准。为了对传感器有一个长期的、稳定的和高精度的基准，在→些测量仪器中特别是内部装有微处理器的测量仪器中，很容易实现自动校准功能。对传感器进行校准时，需要精度比它高的基准器，这种基准器受时间的推移和使用的磨损等因素的影响，参数会随之改变。因此对这种基准器还要用更高精度的基准器来定期校准。

15. 机电一体化系统仿真的模型主要有哪几种? 分别应用于系统设计的哪个阶段?

答: 机电一体化系统的仿真模型主要有z 物理模型、数学模型和描述模型。当仿真模型是物理模型时，为(全)物理仿真;是数学模型时，称之为数学(计算机)仿真。用已研制出来的系统中的实际部件或子系统代替部分数学模型所构成的仿真称为半物理仿真。计算机仿真、半物理仿真、全物理仿真分别应用在分析设计阶段(软件级)、部件及子系统研制阶段(软件一硬件级)实时仿真、系统研制阶段(硬件级)实时仿真阶段。 四、计算题

1、设有一大功率电动机驱动的二级齿轮传动减速传动系统如图所示，假设齿轮箱的传动效率为1 0 0 %，齿轮箱的传动比i = 3 . 2 ，已知齿轮采用相同材料，宽度b相同，各齿轮的模数m=3 ， 主动齿轮的齿数Z j =20 、Z 3 = 25 ， 请根据重量最小原则设计齿轮传动系统， 推导并计算各级齿轮传动比和齿轮2、齿轮4的齿数。(提示齿轮的质量为（mzbp）见图1.

)

图1 图2

解: 设一级齿轮的传动比为1 1 ，第二级齿轮的传动比1 2 0，见图2. 齿轮传动系统的总重量:

2.已知某工作台采用直流电机和丝杠螺母机构驱动〈如图所示) ，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 . 0 0 5 m m(忽略齿轮和丝杠的传动误差〉。 (1)试采用高速端电机测量方法，确定旋转编码器的每转脉冲数。 (2) 若选取ns = 2 0 0 脉冲/转的旋转编码器是否合用?

解:(1 )在高速端进行测量:

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:

符合要求。

3. 如图所示的电机驱动工作台系统， 其中驱动工作台运动的三相六拍步进电机， 转子齿数z为40。滚珠丝杠的基本导程为Lo =6mm. 已知传动系统的横向( x 向〉脉冲当量S 为0.005mm/脉冲。试求步进电机的步距角α 和减速齿轮的传动比i 。

解: (1 ) 步进电机的步距角z

α= 360/z • m =360/40X 6=1.5；(2) 减速齿轮的传动比z i= （Lo /δ）/360°/α=5

4. 现有如下图所示的双螺母齿差调整预紧式滚珠丝杠， 其基本导程为Lo =6mm 、左端齿轮齿数为1 00、右端齿轮齿数为9 8 0 当两端转向相同时， 一端的外齿轮相对于另一端的外齿轮转过2 个齿时， 试求两个螺母之产生的相对轴向位移?

1-套筒 2- 内齿圈 3-圆柱齿轮 4一丝杠

图 双螺母齿差预紧式滚珠丝杠

解: 左端外齿轮旋转一周，螺母轴向移动6mm，则每转一个齿，螺母的轴向移动6/100=0.06mm;右端外齿轮旋转一周，螺母轴向移动6mm，则每转一个齿，螺母的轴向移动6/98=0.0612mm;当两端转向相同时:一端的外齿轮相对于另一端的外齿轮转过1个齿时，相对移动的轴向距离为0.0612 -0.06 =0.0012(mm)，所以当一端的外齿轮相对于另一端的外齿轮转过2个齿时相对移动的轴向距(0.0612 - 0.06 )*2=0.0024(mm)

s== n X ( 1 /Z1-1 / Z2) X ln == 2 X (1/98- 1/100) X6mm==2.4μm 五、综合题

1、请制订一套典型的机电一体化系统概念设计的流程。

解：产品概念设计将决定性地影响产品创新过程中后续的产品详细设计、产品生产开发、产品市场开发以及企业经营战略目标的实现。包含以下流程

(1)首先是将设计任务抽象化，确定出系统的总功能;

(2)根据系统的总功能要求和构成系统的功能要素进行总功能分解， 划分出各功能模块，将总功能分解为子功能，直到分解到不能再分解的功能元，形成功能树;确定它们之间的逻辑 关系;

(3)对各功能模块输入/输出关系进行分析， 确定功能模块的技术参数和控制策略、系统的外观造型和总体结构; (4) 寻找子功能( 功能元) 的解， 并将原理解进行组合， 形成多种原理解设计方案; (5) 以技术文件的形式交付设计组讨论、审定;

(6)进行方案整体评价: 对不同的方案进行整体评价， 选择综合指标最优的设计方案。最终选定最佳方案形成概念产品。

2、某部门欲开发一款用于焊接印刷电路板芯片的机械手，请制订出该款机械手产品的开发设计流程。

解:机电一体化系统的主要设计流程分为五个阶段:产品规划、概念设计、详细设计、设计实施和设计定型阶段。第一阶段:产品规划阶段:进行需求分析和需求设计，以明确设计任务。比如，可以明确:机械手的用途:焊接芯片。工作方式:手动、自动方式。主要技术参数:自由度、定位精度、运行速度等。使用环境要求:生产线。第二阶段:慨念设计阶段:在功能分析的基础上，优化筛选取得较理想的工作原理方案。第三阶段:详细设计阶段。对各功能模块进行细部设计，绘制相应的工程图。该阶段的工作量既包括机械、电气、电子、控制与计算机软件等系统的设计，又包括总装固和零件图的绘制。第四阶段:设计实施阶段。首先根据机械、电气图纸和算法文件，制造、装配和编制各功能模块;然后进行模块的调试;最后进行系统整体的安装调试，复核系统的可靠性及抗干扰性。第五阶段:设计定型阶段。对调试成功的系统进行工艺定型，整理设计资料。小批量生产，试销。

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

答: (1 ) 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用户程序。

(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。

4、根据下图所示气体压力传感器的原理图， 分析该传感检测系统的原理组成及各部分的作用。

答: 气体压力传感器的工作原理是膜盒2 的下半部与壳体1 固接， 上半部通过连杆与磁心4相连，磁心4置于两个电感线圈3中，后者接入转换电路5。该传感检测系统由敏感元件、转换元件和基本转换电路三部分组成:

(1) 敏感元件。膜盒2 就是敏感元件， 其外部与大气压p a相通，内部感受被测压力ρ，当ρ变化时，引起膜盒上半

部移动，即输出相应的位移量o

(2) 转换元件。可变电感3 是转化元件， 它把输入的位移量转换成电感的变化。 (3) 基本转换电路o 5 即为转换电路。 5.分析下图调整齿侧间隙的原理。

解：这是采用双螺母预紧螺纹调隙来调整齿侧间隙的。原理是采用一个外端有凸缘的螺母;一个外端无凸缘但制有螺纹的螺母;螺母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。如果圆螺母带动丝杠向左微移则通过外侧的套筒使螺母向右移动,从而调整消除间隙,并产生了预紧力,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。

解：这是采用双齿轮调整齿侧间隙的。原理是小齿轮分别与齿条啮合。小齿轮分别与大齿轮同轴.大齿轮同时与齿轮啮合。通过预载装置,向齿轮上预加负载,使大齿轮同时向两个相反方向转动从而带动小齿轮转动,其齿面便分别紧贴在齿条上齿槽的左右侧,从而消除了齿侧间隙。

6. 分析比较直流测速发电机和光电编码器做转速测量的特点。

解：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。光电编码器（增量式）主要由旋转孔盘和光电器件组成。它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以通过脉冲计数获得角位置信号，也可以定时取样脉冲数的增量实现角速度测量。因此，可以同时测量转角和转速。图示直射式光电转速传感器是一种角位移传感器由装在被测轴或与被测轴相连接的输入轴上的带缝隙圆盘。光源光电器件和指示缝隙盘组成光源发生的光通过缝隙圆盘和指示缝隙照射到光电器件上。 7.试分析传感器的测量原理。

解：光电传感器是可以检测出其接收到的光强的变化通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。在一般情况下光电传感器由三部分构成：发送器、接收器和检测电路。发送器主要是对准目标不间断地发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源。在接收器的前面装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。通过圆盘的开空部分和不开空部分及缝隙板，使光间隔的通过及不通过，则光敏元件（如光敏三极管）检测到光线强度的变化，产生光电流，光电流的大小随光的强弱而大小变化。然后再进一步将变化的光信号转换成电信号。

(永磁式直流伺服电机)又称为力矩电动机，在位置控制方式的伺服系统中，可在堵转状态下工作。 B(半)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）

步进电机转角的精确控制是通过控制输入脉冲的(数量)来实现的。

闭环控制的驱动装置中，齿轮减速器位于前向通道，所以它的(回程误差不影响输出精度,但传动误差影响精度)。 C传动系统的固有频率对传动精度有影响，（提高）固有 频率可减小系统地传动误差，（提高）系统刚度可提高固 齿轮传动的总等效惯量随传动级数(增加而增加)。

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。 D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 导程L0=8mm的丝杠总质量为6kg，标称直径为40mm，则其转动惯量为（1200）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。 F幅频特性和相频特性是模拟式传感器的(动态特性指标）。 G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。

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，此光栅传感器测量分辨率是（0.01）mm。

H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）。

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)。

HRGP-1A喷漆机器人中的旋转变压器属于系统中的(测试传感部分)

J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）。 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。 机械系统的刚度对系统的主要影响表现为(固有频率,精度,稳定性)等方面。

机械系统的刚度对系统的动态特性主要影响表现为(固有频率,失动量,稳定性)等方面。 机电一体化技术是以(机械)部分为主体，强调各种技术的协同和集成的综合性技术。 机电一体化技术是以(电子)技术为核心，强调各种技术的协同和集成的综合性技术。 M某机电一体化系统需要消除齿轮传动的齿侧间隙，采取

（轴向压簧错齿调整法）使得调整过程中能自动补偿齿侧间隙？ P频率响应函数是传感器的(动态特性指标)。

S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)。

T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)。 W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)。

X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)。 下列哪个是传感器的动态特性（幅频特性）。

Y以下产品属于机电一体化产品的是（全自动洗衣机）。

以下产品不属于机电一体化产品的是（电子计算机、移动电话）。 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。 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）。

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°）。

Z在开环控制系统中,常用（步进电动机）做驱动元件。

在工业控制应用中，为了(适应工业仪表的要求)，D/A转换的输出常常要配接V/I转换器。 B步进电动机转动惯量越大,同频率起动转矩就越大× 闭环伺服系统中…编码器检测得到×

C产品组成零部件和装配精度高,系统的精度一定就高× 齿轮传动的啮合间隙…使系统产生低频振荡√ 齿轮传动系统各级传动比…等效转动惯量为最小× 传感器的转换元件…响应被测量的部分×

传感器在使用前、中或修理后…性能指标达到要求√ 传感器的静态特性…输出与输入之间的关系×

传动机构转动惯量取决机构中各部件的质量和转速× 采用偏心轴套调整法…且可以自动补偿侧隙×

采用虚拟样机代替物理…面向客户与市场需求能力× 采用双螺母螺纹调…能够进行精确调整×

迟滞是传感器静态特性…输出输入特性曲线不重合度√ 迟滞是传感器的一..输出输入特性曲线不重合引起的× D电液伺服系统的过载能力..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×

电气驱动部件的固有频…系统的基本固有频率2-3倍× F反求设计是建立在概率…降低维修费用×

仿真根据采用的模型分为计算机仿真、和全物理仿真√ G滚珠丝杠垂直传动，必须附加自锁或制动装置√

感应同步器是应用电磁感应原理检测直线位移和转角√ 工业机器人驱动部分在控制信各种类型的传动方式√ J机电一体化系统的主要就输出具有所需特性的物质×

机电一体化系统是以微电子技术..集成的综合性技术× 机电一体化系统的机械系统与一..快速响应性的特性√ 机电一体化产品的适应性设计而形成系列产品的设计× 机电一体化产品不仅是人的手..与功能上的本质区别√ 进行机械系统结构设计时，阻尼比ξ取值越小越好× 计算机控制系统采样周期越小，其控制精度就越高× 计算机控制系统设计完成后，进行硬件和软件的调试× 计算机控制系统的软件主要分..主要是系统软件设计× 绝对式光电编码器能用于角位置..能用于角速度测量× L绿色设计是对已有的产品或技术…再创造的设计× M脉冲分配器的作用是使电动机…按一定规律变化√ 目前，大部分硬件接口和软件接口..编写相应的程序√ PPLC采用扫描工作方式，扫描周期的PLC的工作速度√ PLC完善的自诊断功能，能及时诊断出..工作安全性√ Q驱动部分在控制信息作用下提供..类型的驱动装置√ 驱动元件的选择及动力计算是机电..阶段的工作之一√ 驱动装置中同一环节的误差，其高频分可能是不同的√ 驱动电路中采用脉冲调制pwm放大.关状态，管耗小√ 气压伺服驱动系统常用在定位精度较高的场合使用× 气压伺服系统的过载能力强…重载的高加减速驱动× 全物理仿真与计算机仿比较..快捷与实用的方法× 嵌入式系统大多工作在为特定…集成度高特点√

S信息处理技术是指在机电一体化..决策分析等技术√ 双螺母消除轴向间隙的结构形式…能够精确调整× 数字式位移传感器有光栅、磁栅…统计位移的尺寸√ 数字化物理样机就是一种结构设计…结构上的设计× 数控机床中的计算机属于机电一体..系统的驱动部分× 伺服驱动系统在控制信息作用下…类型驱动装置√ T通常，步进电机的最高连续工作…最高启动频率√ 通常，机械传动系统的..驱动部件的固有频率2-3倍√ 通常，提高响应速度和提高系统…系统的控制形式√ 通用型计算机系大多工作在为特定..集成度高等特点× TTL电平接口..不能用于驱动带电气隔离的继电器× TTL电平接口…能用于驱动带电气隔离的继电器√ W为减少机械传动部件的扭矩反馈….而失去稳定性× 无论采用何种控制方案…高于检测装置的精度×

X系统论、信息论、控制论是..一体化技术的方√ 系统的静摩擦阻尼越大…定位精度降低√

信息处理技术是指在机电一体化产..决策分析等技术√ 选择传感器时测量的目的…精度高的传感器×

现代嵌入式系统的设计方法是…设计流程分别完成× 现场总线系统采用一对一的设备连线.系统的结构形式× 需求设计是指新产品开发的整个生..需求产品的过程√ 虚拟设计是在基于多媒体的、交互..设计和应用的需要√ Y永磁型步进电动机即使其定子..可用于定位驱动√ 一般说来，全物理仿真较之计算机.与实用的仿真方法× 一个完善的机电一体化系统，应包括..通过接口相联系× Z自动控制是在人直接参与的..按照预定的规律运行× 自动控制技术是机电一体化相关技.响应速度和稳定性√ 直流伺服电动机的调速特性是电机.输出转矩的关系×

直流伺服电动机的机械特性是电机..控制电压的关系× 直流伺服电动机和永磁同步..pwm控制方式进行控制√ 直流伺服电机的驱动电路中,由于.多用于小功率系统× 在闭环系统中，因齿轮副的啮合1-5倍√6~10倍× 在闭环控制系统中，驱动装置中..输出精度影响不同√ 在工控机系统的总线中,控制总线总线上信息流的时序√ 在工控机系统的总线中,数据总线总线上信息流的时序× 在滚珠丝杠螺母间隙的调整结构中，制作成本低× 在全自动洗衣机产品的设计过程中,阶段的任务之一× 阻尼比除了..阻尼系数B有关,系数K和质量m有关√

B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。步进电机的步转角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。

比较直流伺服电动机和交流伺服电动机的适用环境差别。直流伺服电动机具有良好的调速特性,较大的起动转矩,相对功率大及快速响应等优点。尽管其结构复杂,成本较高,在机电控制系统中作为执行元件还是获得了广泛的应用。与普通直流伺服电动机相比较,普通交流伺服电动机的特点是:它不需要电刷和换向器,因而避免了由于存在电刷和换向器而引起的一系列弊病。此外,它的转动惯量,体积和重量一般来说也较小。缺点是:输出功率和转矩较小;转矩特性和调节特性的线性度不及直流伺服电动机好;其效率也较直流伺服电动机为低。

C齿轮传动中各级传动比的最佳分配原则分别有哪些,各使用在哪些场合齿轮传动中各级传动比的最佳分配原则:a.重量最小原则(结构紧凑)b.转动惯量最小原则(快速相应)c.输出轴转角误差最小原则(精度)。结合可行性,经济性对转动惯量,结构尺寸和传动精度提出适当要求:要求体积小,重量轻的齿轮采用重量最轻的原则;要求运动平稳,起停频繁和动态性能好的轮系采用最小转动惯量原则或输出轴转角误差最小原则;提高传动精度和减小回程误差为主的轮系采用转角误差最小原则。齿轮传动中齿侧间隙对系统有何影响,如何消除圆柱直齿轮的齿侧间隙齿轮的啮合间隙会造成传动死区,若该死区是在闭环系统中,则可能造成系统不稳定,常会使系统以1-5倍间隙角产生的低频振荡。为了降低制造成本,则多采用各种调整齿侧间隙的方法来消除或减小啮合间隙,常用的方法有:偏心套调整法,轴向垫片调整法,双片薄齿轮错齿调整法等。

G滚珠丝杠副消除轴向间隙的调整预紧方法有哪些,圆柱直齿轮的齿侧间隙的调整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,双螺母齿差预紧调整式,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。圆柱直齿轮的齿侧间隙调整方法有:偏心套调整法,轴向垫片调整法,双片薄齿轮错齿调整法。 H何谓概念设计？简述概念设计的设计过程。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。设计过程:1首先是将设计任务抽象化,确定系统的总功能。2然后将总功能分解为子功能,直到分解到不能再分解的功能元为止。3寻找子功能的解,并将原理解进行组合,形成多种原理解设计方案。4最后对众多方案进行评价与决策,最终选定最佳方案形成概念产品。

J简述对滚珠丝杠副进行间隙调整和预紧方法。通常采用双螺母预紧和单螺母(适于大滚珠,大导程)两种方法,将弹性变形控制在最小限度内,以减小或消除轴向间隙,并可提高滚珠丝杠副的刚度。常用的双螺母消除轴向间隙的结构形式有三种:螺纹调隙式,垫片调隙式和齿差调隙式三种;单螺母消隙常用增大滚珠直径法和偏置导程法两种预紧方法。

简述数控设备中计算机数控装置的组成和功能。在数控设备中,计算机数控装置是设备的核心部分,一般由专用计算机（或通用计算机）,输入输出接口以及机床控制器等部分构成。计算机数控装置根据输入的数据和程序,完成数据运算,逻辑判断,输入输出控制等功能;机床控制器主要用于机床的辅助功能,主轴转速的选择和换刀功能的控制。

简述完善的机电一体化系统五大组成要素机电一体化系统是由机械本体,动力系统,检测传感系统,执行部件,信息处理及控制系统五部分相互协调,共同完成所规定的目的的功能,各部分通过接口及相应软件有机结合在一起,构成内部匹配合理,外部效能最佳的完整产品。

简述直流伺服电动机脉宽调制的工作原理。脉宽调制放大器是直流伺服电机常用的晶体管驱动电路。利用大功率晶体管的开关作用,将直流电源电压转换成一定频率的方波电压,施加于直流电机的电枢,通过对方波脉冲宽度的控制,改变电枢的平均电压,使电机的转速得到调节。 简述机电一体化系统中的接口的作用。机电一体化系统是机械,电子和信息等性能各异的技术融为一体的综合系统,其各要素及各子系统之间的连接与信息传输都要通过接口。从系统外部看,输入/输出是系统与人,环境或其他系统之间的接口;从系统内部看,机电一体化系统是通过许多接口将各组成要素的输入/输出联系成一体的系统。各要素及各子系统之间的接口性能好坏决定了整个机电一体化系统的综合性能。

简述机械系统的刚度对系统动态特性的影响。1失动量,系统刚度越大,因静摩擦力作用所产生的传动部件的弹性变形越小,系统的失动量也越小。2固有频率,机械系统刚度越大,固有频率越高,可远离控制系统或驱动系统的频带宽度,从而避免产生共振。3稳定性,刚度对闭环系统的稳定性有很大影响,提高刚度可增加闭环系统的稳定性。

简述HRGP-1A喷漆机器人的示教过程由工作人员用手操纵操作机构的关节和手腕,根据喷漆工作表面的形状进行示教操作,此时处理器通过反馈原件（旋转变压器）将示教过程中测试的参数存入存储器,即把示教过程执行机构的空间轨迹记录下来。

简述HRGP-1A喷漆机器人的示教再现过程。喷漆机器人的再现过程:由计算机控制机器人的动作,处理器将示教时记录的空间轨迹信息从存储器中取出,经过插补运算与采样得到的位置数据进行比较,将其插值调节后输出,控制执行机构按照示教时的轨迹运动。

简述STD总线微机控制系统的主要特点。1采用小板结构,高度的模块化,其功能模板结构灵活,可靠性高,硬件冗余小,成本低。2模板设计具有严格的标准和广泛的兼容性。3面向I/O的设计,具有强大的I/O扩展能力,使控制系统非常适合工业控制的应用。4高可靠性。

简述开关量输出模板的基本组成为:STD总线信号,输出端口译码控制,输出数据锁存,输出信号调理电路,负载。

机电一体化系统仿真在系统设计过程中所起的作用是什么系统仿真就是通过对系统模型的实验分析去研究一个存在的或设计中的系统,这里的系统是指由相互联系和制约的各个部分组成的具有一定功能的整体。1系统仿真可以在项目设计和规划时,对项目的合理性,经济性等品质加以评价;2系统仿真可以在系统实际运行前,对项目的实施结果加以预测,以便选择正确,高效的运行策略或提前消除设计中的缺陷,最大限度地提高实际系统的运行水平。可见系统仿真在机电一体化系统设计的预见性,经济性方面的作用十分明显。

机械运动中的摩擦和阻尼会降低效率,但是设计中要适当选择其参数,而不是越小越好。为什么一般情况下,摩擦阻尼都发生在运动副的构件之间。系统的静摩擦阻尼大,会使系统的回程误差增大,定位精度降低。系统的黏性阻尼摩擦越大,系统的稳态误差就越大,精度降低。系统的黏性阻尼摩擦会对系统的快速响应性产生不利影响。所以摩擦阻尼不易过大,但是阻尼比除了与机械系统的黏性阻尼系数B有关外,还与系统的刚度和质量有关。如果机械系统刚度低而质量大,则系统的固有频率较低,此时应增大系统的黏性摩擦阻尼,以减小振幅和衰减振动。因此,在进行机械结构设计时,应当通过对刚度,质量和摩擦系数等参数的合理匹配,得到机械系统阻尼比的适当取值,以保证系统的良好动态特性。

机电一体化系统中,对控制机信息处理单元的基本要求提高信息处理速度和可靠性,增强抗干扰能力,完善系统自诊断功能,实现信息处理智能化和小型化,轻量,标准化等。

机电一体化系统仿真的模型主要有哪几种？分别应用于系统设计的哪个阶段仿真的模型主要有计算机仿真,半物理仿真和全物理仿真。1计算机仿真用于系统的分析设计阶段;2半物理仿真用于系统的部件及子系统研制阶段;3全物理仿真用于整个系统的研制阶段。

PPID控制算法中比例,积分,微分部分各起何作用？什么是PID调节器。1比例调节起纠正偏差的作用,且其反应迅速;2积分调节能消除静差,改善系统的静态特性;3微分调节有利于减少超调,加快系统的过渡过程。按偏差的比例,积分和微分进行控制的调节器,将偏差的比例,积分,微分通过线性组合构成控制量,简称为P(比例)I(积分)D(微分)调节器,是连续系统中技术成熟,应用最为广泛的一种调节器。

PLC控制系统有何优越性PLC主要具有可靠性高,环境适应性强,灵活通用,使用方便,维护简单,PLC提供标准通信接口,可以方便地构成PLC-PLC网络或计算机—PLC网络,PLC应用程序的编制和调试非常方便,PLC具有监控功能。

R如何进行机电一体化系统的可靠性设计产品的可靠性主要取决于产品的研制和设计阶段。要提高系统的可靠性,要从研制,设计,制造实验,管理,使用和维护以及评审等每个阶段都考虑。1机械系统的可靠性设计措施:缩短传动链,减少元件数;必要时增设备用元件或系统;简化结构;增加过载保护装置或自动停机装置;设置监控系统;合理地规定维修期;2控制系统的可靠性设计措施:采用自动控制;通过元器件的合理选择提高可靠性;对功率接口采用降额设计提高可靠性;采用监视定时器提高可靠性;采取抗干扰措施提高可靠性。

S什么是传感器的校准？并简述如何进行校准传感器在使用前,使用中或搁置一段时间再使用时必须对其性能参数进行复测或做必要的调整和修正,以确保传感器的测量精度,这个复测调整过程称为校准。为了对传感器有一个长期的,稳定的和高精度的基准,在一些测量仪器中特别是内部装有微处理器的测量仪器中,很容易实现自动校准功能。对传感器进行校准时,需要精度比它高的基准器,这种基准器受时间的推移和使用的磨损等因素的影响,参数会随之改变。因此对这种基准器还要用更高精度的基准器来定期校准。

什么是传感器的静态特性和动态特性传感器的静态特性是指传感器的输入信号不随时间变化或变化非常缓慢时所表现出来的输出响应特性,称为静态响应特性。传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性。

什么是伺服系统？伺服系统的一般组成有哪几个部分？伺服驱动系统:是指以机械位置,速度和加速度为控制对象,在控制命令的指挥下,控制执行元件工作,使机械运动部件按照控制命令的要求进行运动,并具有良好的动态性能。——相当于人四肢。伺服系统主要包含:控制器,功率放大器,执行机构和检测装置4大部分。

什么是步进电机的步距角,它由哪些参数确定步进电机在每输入一个电脉冲信号,转子所转过的角度称为步距角。它由步进电机的相数,电机转子的齿数和电机的通电方式所决定。

W完善的机电一体化系统主要包括哪几部分机电一体化系统的基本结构要素有机械本体,动力系统（能源,驱动部分）,执行机构,控制及信息处理单元,传感检测部分等5项,各环节和要素之间通过接口相联系。

X系统采样周期的选择时,主要考虑的影响因素主要有哪些1从对调节质量来看,采样周期在香农采样定理给出的上限范围内,采样周期越小,就越接近连续控制,而且采样周期大些也不会失去信号的主要特征。2从执行元件的要求来看,有时需要输出信号保持一定的宽度,这就需要一定的时间,在这段时间内,要求计算机的输出值不应变化,因此,采样周期必须大于这一时间,否则会导致执行元件不能按预期的调节规律动作。3从控制系统随动和抗干扰的性能要求来看,则要求采样周期短些,这样,给定值的改变可以迅速地通过采样得到反映,而不致在随动控制中产生大的时延。A.对于低频扰动,采用短的采样周期可以使之迅速得到校正并产生较小的最大偏差。B.对于中频扰动,采用周期选大了,干扰就有可能得不到控制和抑制。4从计算机工作量和每个调节回路的计算成本来看,一般要求采样周期大些。5从计算机精度来看,过短的采用周期是不合适的。因此,各方面因素对采用周期的要求是不同的,甚至是互相矛盾的,所以,确定采样周期时须根据具体情况和主要要求作出折中选择。

K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刀架的位移量 3072003072002600mm 2丝杠的转速 ns30r/s 1024102410M(2011.1)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。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？3试确定传感器的分辨率δ

解: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

Lt int4160脉冲/转 iL50.005由测量精度,ΔL＝0.005mm, 则 n选取n=200光电编码器,则理论测量精度 L40.0040.005 满足题目要求。

52002是否合用 传感器直接与丝杠连接,与减速比无关

Ltt4 n800脉冲/转 可知ns＝500 脉冲/转的编码器不合用。 nL0.005l0.0050.002% l250-4

3

3分辨率

传感器的分辨率应满足 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=4×10kg·m,与电机输出轴相连的小齿

-43-43-43

轮的转动惯量J1=1×10kg·m,大齿轮的转动惯量J2=1.8×10kg·m,丝杠的转动惯量Js=3.8×10kg·m。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。 解:1工作台折算到丝杠上的等效转动惯量:JGm(2传动件折算到电机轴的等效转动惯量Je:

t20.0052)50()0.3169104kgm2 26.28JeJsJ20.31691043.81041.8104442JeJ11101.23667610kg.m 22i544423电机轴上的总转动惯量J:JJmJe4101.236676105.23667610kg.m

R(2009.1)如图所示电机驱动系统,已知工作台的质量为m=60Kg,负载力为Fl1200N,最大加速度为10m/s,丝杠直径为d=16mm,导程t=4mm,齿轮减速比为i=5,总效率为40%,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

2外负载力 Fl1200N 惯性负载力Fm Fmma6010600N

1t1141031(FlFm)(1200600)0.57Nm 2电机上的负载力矩为 Tmi2520.4(2009.7)如图所示步进电机驱动滚珠丝杠的高速定位系统。已知工作台的重量为W=2000N,工作负载F=0,工作台与导轨

摩擦系数=0.1,选择步进电机每转脉冲数n=240脉冲/转;根据工作台定位精度选用脉冲当量=0.05mm/脉冲;滚珠丝杠导程t=12mm,直径为d=36mm;系统总效率=80%。求1齿轮减速比;2电机轴上负载转矩T。 解：1齿轮的减速比i

in1t121 n2ns0.052402负载力由外负载力和摩擦力两部分构成 外负载力 F=0N

摩擦力Ff•W0.12000200N

1t11121031•FFf•02000.48N•m 电机上的负载力矩为T•i2120.8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步进电机的步距角α

3603601.2 zm10033602减速齿轮的传动比i

l0i =>

6360 => i4 i0.0051.2S(2012.7)设有一小功率电动机驱动的二级齿轮传动减速系统如图所示,假设齿轮箱的传动效率为100%,齿轮箱的总传

动比i=2,已知齿轮采用相同材料,齿轮的宽度相等,各齿轮的模数m=4,主动齿轮的齿数:z1=z3=30,请根据转动惯量最小原则设计齿轮传动系统,计算各级齿轮传动比和齿轮2,齿轮4的齿数。 解:设一级齿轮的传动比为i1,转换到电机轴的齿轮惯量:

JmeJ1J2J32i14iJ22 i12J1J3B32d14

i4J2J1i14、J4J3i2J1()4

i1

根据转动惯量最小原则,令

Jme26220,得i1i12i0或i1412i20 i1i12(i141)4 ,当i11时，则可简化为 i2 i222i1=i2≈1.414,z2=z4=42

(2012.1)设有一大功率电动机驱动的二级齿轮传动减速系统如图所示,假设齿轮箱的传动效率为100%,齿轮箱的传动比i=3.2,已知齿轮采用相同材料,齿轮的宽度相等,各齿轮的模数m=3,主动齿轮的齿数:z1=20,z3=25,请根据重量最小原则设计齿轮传动系统,计算各级齿轮传动比和齿轮2,齿轮4的齿数。（提示:齿轮的质量为解：设一级齿轮的传动比为i1，第二级齿轮的传动比i2

2222zzzz24213齿轮传动系统的总重量：Mbm

2222mz24b）

则Mbm24z11i122i2 z31i12根据重量最小原则，令

M0,得：i1i1z33.2i2,i21.6则：z2i1z140、z4i2z340 z12X(2011.7)现有如图所示双螺母齿差调整预紧式滚珠丝杠,基本导程l0=6mm,左端齿数100,右端齿数98,一端外齿轮相对于

另一端外齿轮转过2个齿时,求两个螺母之间产生的相对轴向位移。

解：左端外齿轮旋转一周，螺母轴向移动6mm，则每转一个齿，螺母的轴向移动

60.06mm 1006右端外齿轮旋转一周，螺母轴向移动6mm，则每转一个齿，螺母的轴向移动0.0612mm

98当两端轴向相同时：一端的外齿轮相对于另一端的外齿轮转过一个齿时，相对移动的轴向距离为0.0612-0.06=0.0012mm，所以当一端的外齿轮相对于另一端的外齿轮转过两个齿时相对移动的轴向距离为 (0.0612-0.06)×2=0.0024mm.

1111snl26mm2.4m zz09810021Y(2010.7)已知某四级齿轮传动系统,各齿轮的转角误差为Δφ1=Δφ2=…=Δφ8=0.004弧度,各级减速比相同,即i1 = i2 =…=

i4 =2,求该系统的最大转角误差Δφmax。 解：max0.0040.0040.0040.0040.0040.0040.0040.0040.01125rad

2222222222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: max345671280.01975rad

i1i2i3i4i2i3i4i3i4i4

G(2010.7 2011.7)根据下图所示气体压力传感器的原理图,分析该传感检测系统的原理组成及各部分作用。 答：气体压力传感器的工作原理是膜盒2的下半部与壳体1固接,上半部通过连杆与磁心4相连,磁心4置于两个电感线圈3中,后者接入转换电路5,该传感检测系统由敏感元件、转换元件和基本转换电路三部分组成：1敏感元件。膜盒2就是敏感元件,其外部与大气压pa相通,内部感受被测压力p,当p变化时,引起膜盒上半部移动,即输出相应的位移量。2转换元件。可变电感3是转换元件,它把输入的位移量转换成电感的变化。3基本转换电路。5即为转换电路。

M(2010.1 2012.1 2012.7)某车间内的两条自动生产线上需要一款搬运机器人,用于生产线间的产品搬运,如果该款机器人采用概念设计,请制订出概念设计的流程。设计一套典型机电一体化系统,比如数控机床的设计流程。 答：产品概念设计决定性地影响产品创新过程中后续的产品详细设计,产品生产开发,产品市场开发以及企业经营战略目标的实现。包含以下流程：

(2009.1)某物料搬动机械手的结构如图所示,动作过程如图所示,要求机械手的操作方式分为手动方式和自动方式。机械手有升降,水平移动,手爪夹持等3个自由度,采用电磁阀控制的气缸驱动,PLC控制。要求写出物料搬动机械手设计和产品开发的详细工程路线。

(2011.1)某部门欲开发一款用于焊接印刷电路板芯片的机械手,请制订出该款机械手产品的开发设计流程

解：机电一体化系统的主要设计流程分为五个阶段：产品规划,概念设计,详细设计,设计实施和设计定型阶段。 第一阶段：产品规划阶段：进行需求分析和需求设计,以明确设计任务。 机械手的用途:物料搬运。(焊接芯片) 工作方式：手动,自动方式。 主要技术参数：3自由度。（自由度,定位精度,运行速度） 使用环境要求：生产线。

第二阶段：概念设计阶段：在功能分析的基础上,优化筛选取得较理想的工作原理方案。

第三阶段：详细设计阶段。对各功能模块进行细部设计,绘制相应的工程图。该阶段的工作量既包括机械,电气,电子,控制与计算机软件等系统的设计,又包括总装图和零件图的绘制。

第四阶段：设计实施阶段。首先根据机械,电气图纸和算法文件,制造,装配和编制各功能模块；然后进行模块的调试；最后进行系统整体的安装调试,复核系统的可靠性及抗干扰性。

第五阶段：设计定型阶段。对调试成功的系统进行工艺定型,整理设计资料。小批量生产,试销。 F分析下图调整齿侧间隙的原理。

解：这是采用双螺母预紧螺纹调隙来调整齿侧间隙的。原理是1）采用一个外端有凸缘的螺母3,和一个外端无凸缘但制有螺纹的螺母4,螺母4伸出套筒外用两个螺母（1和2）固定锁紧,并用键来防止两螺母相对转动。2）旋转圆螺母2,如果圆螺母2带动丝杠向左微移,则通过外侧的套筒使螺母3向右移动,从而调整,消除间隙,并产生了预紧力,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。

解：这是采用双齿轮调整齿侧间隙的。原理是1）小齿轮1,6分别与齿条7啮合。2）小齿轮1,6分别与大齿轮2,5同轴,大齿轮2,5同时与齿轮3啮合。3）通过预载装置4向齿轮3上预加负载,使大齿轮2,5同时向两个相反方向转动,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。 R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：1齿轮减速器位于前向通道,误差的低频分量会得到反馈控制系统的补偿,不影响输出精度,因此允许有一定的间隙误差；而误差的高频分量影响输出精度,因此应尽量减小传动误差。2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。3传感器位于反馈通道,其误差的低频分量相当于系统输入信号的一部分,影响系统的输出精度和稳定性,因此传感器应有较高的精度；而误差的高频分量由于系统的低通特性而得到抑制,不影响输出精度,因此允许传感器及放大电路有一定的高频噪声。 S试分析比较直流测速发电机和光电编码器做转速测量的特点。 解：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。光电编码器（增量式）主要由旋转孔盘和光电器件组成。它具有体积小,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,可以通过脉冲计数获得角位置信号,也可以定时取样脉冲数的增量实现角速度测量。因此,可以同时测量转角和转速。

T图示直射式光电转速传感器是一种角位移传感器,由装在被测轴(或与被测轴相连接的输入轴)上的带缝隙圆盘,光源,光电器件和指示缝隙盘组成,光源发生的光通过缝隙圆盘和指示缝隙照射到光电器件上。试分析传感器的测量原理。 解：光电传感器是可以检测出其接收到的光强的变化,通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化,然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。在一般情况下,光电传感器由三部分构成：发送器,接收器和检测电路。发送器主要是对准目标不间断地发射光束,发射的光束一般来源于半导体光源。在接收器的前面,装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路,它能滤出有效信号和应用该信号。通过圆盘的开空部分和不开空部分,及缝隙板,使光间隔的通过及不通过,则光敏元件（如光敏三极管）检测到光线强度的变化,产生光电流,光电流的大小随光的强弱而大小变化,然后再进一步将变化的光信号转换成电信号。

Y(2009.7)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。

解：1．驱动特点：方案a 结构简单,易实现。绳的位移可以很大,但绳在滚筒方向会产生横向位移。需要采用制动器或者止逆型减速器才能防止绳对电机的反向驱动。方案b结构较简单,成本与方案a相当。绳的位移要受到丝杠长度的。普通丝杠具有止逆功能,无需增加制动器即可防止绳对电机的反向驱动。无横向位移。 2．方案a的测量方法

(1)电机轴安装编码器间接测量绳的位移

(2) 滚筒轴安装编码器间接测量绳的位移

(3) 通过对过轮转角的测量实现间接测量绳的位移

Z在使用光电编码器测量位移或转速时,什么是高速端测量方案,什么是低速端测量方案？各有什么特点。

解：使用光电编码器测量位移或转速有高速端测量和低速端测量两种方案。1高速端测量：将编码器安装在电机轴上的测量方案。高速端测量的特点：同样的测量精度要求,对编码器的测量精度要求较低。传动件包括在闭环之外,传动误差直接影响输出精度,传动误差无法通过控制进行补偿,因此对传动链的精度要求较高。2低速端测量：将编码器安装在负载轴上的测量方案。低速端测量的特点：对编码器的精度要求较高,但传动链包括在闭环内,从而通过闭环来消除传动误差,对传动链的精度要求较低。