电大本科机电一体化系统设计基础期末考试复习资料.docx
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电大本科机电一体化系统设计基础期末考试复习资料
《机电一体化系统设计基础》期末复习
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=8mm的丝杠的总质量为6kg，标称直径为40mm，则其转动惯量为（A）kg.mm2
A.1200B.480c.120D.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/mm，经四倍细分后，记数脉冲为400，光栅位移是（A）mm。
A.1B.2C.3D.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峙的工作台及工件，则其折算到丝杠上的等效
转动惯量为（B）kg'mm2。
A.48.5B.97C.4.85D.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
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
23.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）。
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
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，及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.全物理仿真及计算机仿真相比较，在时间、费用和方便性上都具有明显的优点，是一种经济、快捷及实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及肢体的延伸，还是人的感官及头脑的延伸，具有"智能化的特征是机电一体化及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法论。
（√）
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及其输出转矩的关系。
（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。
（√）
11.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、快捷及实用的仿真方法。
（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及其控制电压的关系。
（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。
（√）
19.机电一体化系统的主要功能就是对输入的物质按照要求进行处理，输出具有所需特性的物质。
（×）
20.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。
（√）
21.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。
（√）
22.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。
（×）
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及运行拍数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。
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及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=360/（zm），所以α及运行拍数m、通电方式k12.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。
16.齿轮传动的齿侧间隙的调整方法有哪些？
答：
齿轮传动的齿侧间隙的调整方法有：
圆柱齿轮传动：
偏心套轴向垫片双片薄齿轮错齿调整法（轴向拉簧式、可调拉簧式）；斜齿轮传动：
垫片错齿调整。
17.简述机械系统的刚度对系统动态特性的影响。
机械系统的刚度对系统的主要影响表现为以下几方面：
（1）失动量系统刚度越大，因静摩擦力的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）稳定性刚度对开环伺服系统的稳定性没有影响，而对闭环伺服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。
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100%，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Zj=20、Z3=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
（mz
bp）见图1.
）
图1图2
解:
设一级齿轮的传动比为11，第二级齿轮的传动比120，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0.005mm（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=200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=360/40X6=1.5；
（2）减速齿轮的传动比zi=（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100、右端齿轮齿数为980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==nX（1/Z1-1/Z2）Xln==2X（1/98-1/100）X6mm==2.4μm
5.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l0=6mm、左端齿轮齿数为100、右端齿轮齿数为98。
当两端转向相同时，两端的外齿轮相对于内齿轮转过2个齿时，试求两个螺母之间产生的相对轴向位移？
1-套筒2-内齿轮3-圆柱齿轮4-丝杠
图双螺母齿差预紧式滚珠丝杠
解：
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（C）。
A．
B．
C．
D．
两端的外齿轮相对于内齿轮转过2个齿时，试求两个螺母之产生的相对轴向位移为（B）μm。
A．1.2B．2.4C．120D．240
6.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。
试求步进电机的步距角α和减速齿轮的传动比i。
（1）步进电机的步距角α=（C）。
A．
B．
C．
（2）减速齿轮的传动比i=（D）。
A．
B．
C．
D．
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、控制及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）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用户程序。
（3）输入/输出（I/O）单元是CPU及现场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的下半部及壳体1固接，上半部通过连杆及磁心4相
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