机电一体化系统设计复习范围.docx
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机电一体化系统设计复习范围
一、填空题
1.信息技术包括信息的变换、存取、（）、判断、（）。
运算、决策
2.自动控制技术的目的在于实现机电一体化系统的目标（）。
最优化
3.伺服传动系统按执行元件不同可分为（）伺服系统和（）伺服系统。
液压和电气
4.一般一个比较完善的机电一体化系统包括以下几个基本要素：
机械本体、动力部分、检测部分、（）、（）、（）。
执行机构、控制器、接口
5.机械本体包括机械（）装置和机械（）装置。
传动、结构
6.接口的基本功能主要是（）、（）和（）。
交换，放大，传递
7.机电一体化系统从控制的角度分为（）和（）。
开环控制、闭环控制
8.伺服传动系统的输出量是（）和（）。
机械位置，位移变化率
9.摩擦力可分为（）、（）和（）三种。
粘性摩擦力，库伦摩擦力，静摩擦力
10.（）是系统正常工作的首要条件。
稳定性
11.
阻尼，自振频率
12.在多级齿轮传动中，增大（末级减速比
13.转动惯量大，系统的机械常数（不影响系统刚度的条件下，应尽量（大，慢，减小
14.在伺服系统中，通常采用（
通常采取提高系统刚度、增加（）、调整机械构件质量和（）等方法来提高系统的抗振性，防止谐振的发生。
）可以有效的提高末级输出轴的折算刚度。
），响应（）。
机械设计时在）惯量。
）原则选择总传动比，以提高伺
服系统的响应速度。
负载角加速度最大
15.按“质量最小”原则来确定传动比时，其各级传动比是（）的。
相等
二、选择题（每题2分，10分）
B1.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
A2.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
D3.滚珠丝杠螺母副结构类型有两类：
外循环插管式和（）
A.内循环插管式B.外循环反向器式
C.内、外双循环D.内循环反向器式
C4.某光栅的条纹密度是100条/mm,光栅条纹间的夹角0=0.001孤度，则莫尔条纹的宽度是
（）
A.IOOmmB.20mmC.10mmD.O.Imm
C5.直流测速发电机输出的是与转速（）
A.成正比的交流电压B.成反比的交流电压
C.成正比的直流电压D.成反比的直流电压
C6.电压跟随器的输出电压（）输入电压。
A.大于B.大于等于C.等于D.小于
B7.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]
B8.一般说来，如果增大幅值穿越频率3c的数值，则动态性能指标中的调整时间ts（）
，则它的拉氏变换式为（
*0ba
；；C.：
D.
C10.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
A12.同步带800DIH300中300是（）代号。
A.宽度B.型号C.带型D.长度
A13、（）导轨磨损后能自动补偿。
A、三角形B、矩形C、燕尾形D、圆形
C14、（）是机电一体化系统中一种确保移动件占据准确位置的执行装置。
A、微动装置B、动力卡盘C、定位装置
B15、（）具有隔直流和通交流的能力。
A、电阻B、电容C、变压器D、二极管
C16、（）调节的作用主要是消除输出的静态误差，使系统有良好的静态特性。
A、比例B、微分C、积分
）电压，且控制极加触发电压。
A17、晶闸管的导通条件是正负极加（
A、正向B、反向
D18.
由计算机网络将计算机辅助设计、
计算机辅助规划、计算机辅助制造联接成的系统称
（）
A.
顺序控制系统
B
.自动导引车系统
C.
柔性制造系统
D
.计算机集成制造系统
C19.
易产生低速爬行现象的导轨是
（）
A.
滚柱导轨
B
.静压导轨
C.
滑动导轨
D
.气浮导轨
D20.
谐波齿轮演变自（
）
A.
直齿锥齿轮传动
B
.斜齿锥齿轮传动
C.
蜗杆副传动
D
.行星齿轮传动
C21.
机床的调速方法很多，
其中最有利于实现自动化，并可简化机械结构的方法是（
A.
机械方法
B
.液压方法
）
C.
电气方法
D.
气动方法
D22.
码盘式转速传感器采用增量式编码器直接连接到转轴上，产生
•系列脉冲，从而得到
（）
A.
电压信号
B.
数字式电流信号
C.
电流信号
D.
数字式速度信号
B23.
若要使长光栅能测出比栅距还小的位移量，则应利用（
）
A.
莫尔条纹的作用
B.
细分技术
C.
数显表
D.
计算机数字处理
A24.
交流感应电动机，对应s=1的转矩称
（）
A.
堵转转矩
B.
最大转矩
C.
额定转矩
D.
负载转矩
C25.
直流电动机系统中，
J
B称（）
A.
电动机电磁时问常数
B.
电动机机电时间常数
C.
机械系统时间常数
D.
电动机反电势系数
D26.
某步进电动机，三相，
转子40个齿,
欲使其步距0.5°,
应采用的通电方式为
A.
单拍制
B.
双拍制
C.
单双拍制
D.
细分电路
D27.若考虑系统抑制干扰的能力，选择采样周期的一条法则是：
采样速率应选为闭环系统通频带的（）
A.5倍B.8倍
C.10倍D.10倍以上
B28.在数控系统中，软伺服系统的系统增益Ka为（）
A.（2〜5）1/sB.（8〜50）1/s
C.（50〜100）1/sD.（120〜150）1/s
D29.考虑多轴系统的运动，若每一根轴都按最快速度运动，其结果必是各轴有先后地到达各自的终点坐标，所形成的轨迹是一条（）
A.直线B.曲线
C.圆弧D.折线
A30.梯形图中两触点并联，采用的助记符指令为（）
A.ORB.AND
C.ORSTRD.ANDSTR
C31.有伺服放大器、执行机构、传动装置等组成的模块称（）
A.机械结构模块B.测量模块
C.驱动模块D.接口模块
A32.使滚珠丝杠具有最大刚度的支承方式是（）
A.双推—双推B.双推—简支
C.单推一单推D.双推一自由
A33.机械传动装置在机电一体化系统中是必不可少的，因为在电动机和负载之间经常需要
（）
A.匹配转矩和转速B.增加传动功率
C.缩小传动功率D.维持转速恒定
B34.用户可通过哪种方法来调节仪表放大器之增益？
（）
A.内部电阻B.外部电阻
C•输入电压D•输出电压
A35.于旋转变压器输出电压大小有关的因素是（）
A.转子位置B•转子材料
C•转子直径D•转子长度
C36.为提高感应同步器鉴相法工作方式的灵敏度，需要使节距W的尺寸（）
A.增大B.保持不变
C.减小D.取任意值
A40.若考虑对系统响应速度的影响，采样一数据系统中的采样周期应选为系统最小时间常数的（）
A.（AC）（BCBA）
B.AC（BC）（BA）
C.（AC）（BCBA）
D.AC（BCBA）
B44.受控变量是机械运动，如位置、速度及加速度的一种反馈控制系统称为（）
A.数控机床B.伺服系统
C.自动导引车D.顺序控制系统
D45.若两平面之问的油液成楔形，二者相对运动时将产生压力，从而可以承载。
利用这一原理设计出各种形式的滑动摩擦支承轴系为（）
A.液体静压支承B.气体静压支承
C.气体动压支承D.液体动压支承
三、名词解释（每题4分，共12分）
1.“伺服”就是在控制指令的指挥下，控制驱动元件，使机械的运动部件按照指令的要求进行运动，并具有良好的动态性能。
2.系统设计就是用系统思想综合运用各有关学科的知识、技术和经验，在系统分析的基础上，通过总体研究和详细设计等环节，落实到具体的项目上，以创造满足设计目标的人造系统。
3.电液伺服系统是由电信号处理部分和液压的功率输出部分组成的控制熊，系统的输入是电信号。
4.监督控制系统（SCC）就是根据原始的生产工艺信息及现场检测信息按照描述生产过程的数字模型，计算出生产过程的最优设定值。
输入给DDC系统或连续控制系统。
5.可靠度R（t）
是产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定公恩那个的概率，用R（t）表示，R（t）<1.
6.失效率入（t）
产品工作到t时刻后的单位时间内发生是小的概率。
它反映任一时刻失效概率的变化情况。
7.有效度A（t）在可维修系统中，在规定的工作条件和维修条件下，在某一特定的瞬时，系统正常工作的概率。
8.电磁干扰一般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的电气变化现象。
9.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长的空间耦合通道，阻止其电磁能量的传输。
10.轴系的动特性指轴系抵抗冲击、振动、噪声的特性。
11.灵敏度（测量）
输出变化量与对应的输入（被测量）变化量的比值。
有时称为增量增益或标度因子。
12.永磁同步电动机以电子换向取代了传统直流电动机的电刷换向，又称无刷电动机。
13.复合控制器在反馈控制器的基础上附加一个前馈控制器，二者的组合称为复合控制器。
它的作用是使系统能以零稳定误差跟踪已知的输入信号。
14.可靠性：
系统在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。
15.传感器的动态特性：
传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。
四、简答题（每题8分，共32分）
1、简述机械传动装置在在机电一体化产品中的性能要求。
答：
1）转动惯量小。
2）低摩擦。
3）适当的阻尼。
4）刚度大。
5）高谐振频率。
2、滚珠丝杠副的工作间隙是怎么产生的？
如何消除？
答：
1）滚珠丝杠副的轴向间隙是工作时滚珠与滚道面接触点的弹性变形引起的螺母位移量。
2）常用的方法是双螺母加预紧力：
双螺母垫片式调隙、双螺母螺纹式调隙、双螺母齿差式调隙。
3、伺服电动机应具备的基本要求是什么？
答：
1）性能密度的大。
2）快速响应特性好。
3）位置控制精度高，调速范围宽，低速运行平稳、分辨率高。
4）适应启停频繁的工作要求。
5）振动和噪声小。
6）空载始动电压小。
7）可靠性高，寿命长。
4、晶体管替代使用有哪些情况？
答：
1）用高频管代替低频管。
2）用开关管代替普通管。
3）只要参数相同，PNP和NPN管一般可以互相代替。
4）用不同三极管代替场效应晶体管。
5）用复合管代替单个三极管，增加放大倍数。
5、简述工业控制计算机系统的组成及基本要求？
（7分）
答：
1）计算机基本系统、人-机对话系统、系统支持模块和过程I/O子系统等。
2）具有完善的过程I/O功能；具有实时控制功能；具有可靠性；具有较强的环境适应性和抗干扰能力；具有丰富的软件。
6、半导体多路开关的特点是什么？
（7分）
答：
1）电平与TTL或CMO电平相兼容。
2）内部带有通道选择译码器。
通道控制方便。
3）可采用正或负双极性输入。
4）导通电阻低。
5）转换速度快。
6）关断电阻高。
7）无机械磨损，寿命长。
7、工业机器人的发展趋势是什么？
（6分）
答：
1）高级智能化。
2
）
组件、构件标准化、模块化。
3
）
结构一体化。
4
）
高精度、高可靠性。
5
）
产品微型化、小型化。
6
）
应用广泛化。
8.步进电动机常用的驱动电路有哪几种类型?
其中哪种电路适于永磁式步进电动机?
主要有：
单极性驱动电路、双极性驱动电路、高低压驱动电路、斩波驱动电路、细分电路。
其中双极性驱动电路适于永磁式步进电动机。
9.步进电动机数控系统和参考脉冲伺服系统的输入信号是什么?
输出轴的转速、转向、位
置各自与哪些因素有关?
（1）参考脉冲序列:
转速与参考脉冲频率成正比。
（2）输出轴:
转向由转向电平决定。
位置由参考脉冲数决定。
10．机电一体化设计中，增强机械系统的思想是什么将正常设计的机械与闭环控制回路相结合，可以实现增强机械系统的运动速度、精度以及柔性，有关部件可以做得更轻、惯量更小。
六、计算题
1•若根据滚珠丝杠副的结构参数，查表得系数bst=3，试计算当外部轴向力Fasp=15000N,
轴向预载荷力为5000N时，该滚珠丝杠副的传动刚度是多少。
馳沁像
题24图
解:
①査表得轴向位移ASipm=«6t5（jim）xbltAS嘶r&5x3=10531（2分）
F
②传动刚度K土贰（2分）
备注:
系数f・5,T为查图得的值*若将其取在6~7之间均可算正甬o
2•若某一光栅的条纹密度为100条/mm,现利用光栅莫尔条纹的放大作用，把莫尔条纹的宽度调成10mm，求光栅条纹间的夹角。
解：
栅距P==0・0J（mm）
曹三寻（2分）
0=^=4§1=0001（弧度）注:
不写*•弧度'‘扣I分。
3•某三相感应电动机空载转速1485r/min，电源频率50Hz，额定转差率0.04。
1该电机为几极，额定转速为多少？
2额定运行状态下，定子、转子绕组电势频率各为多少？
3电机空载时转子绕组电势频率较额定状态时变化如何？
解①•旋转磁场转速叫P淫二卷±2,该电机为四极额定转速n=r）j（1-s）x（i-0.04）=144{）r/min
2f]=50Hztf；=s-fj=2Hz
3下降
4.三相变磁阻式步进电动机，转子60个齿。
1若单拍制通电的最大转矩为1N2m，计算单双拍制时的启动转矩。
2若要求电机转速为240r/min，计算单拍制通电的输入脉冲频率。
©…TT180°
①•几二T^cos
mxcos
1妙
3^2
=0.866N・m
即:
f=720Hz
电刷位移
5•已知某一线性电位器的测量位移原理如图所示。
若电位器的总电阻R=2kQ,
为X时的相应电阻Rx=1kQ,电位器的工作电压Vi=l2V,负载电阻为Rl。
（1）已测得输出电压Vo=5.8V,求Rl
（2）
试计算此时的测量误差。
-+X—
（1）当Voi=5.8时，5.8=L
兰一解z得Rl=2£=14J（KQ
2+丄04
5.8='-
（2）空载时Rl='
设测量出5.8V输出电压时的测量误差
（1）求闭环传函及误差表达式
5同乐“1瞰7
C（s）=CR（s）+CN（s）=m「「
eN（S）N（S）=严R国-N0）E（s）=R（s）-C（s）=[1-：
'i]R（s）-
⑵求z—
g%=eXxlOO%=e4-0曲xlOO%=4.3%
ts=-、'一.
（3）求ess
二阶系统a>O闭环稳定
11“01
-+丁n（9=—
R（s）=：
「
rs（s+2）A1.r10（叶2）01|.n
litnsj■（一斗—littis■p■——1—1—0
Ess=■_；-■.I_L■_-
7.已知双波谐波齿轮的柔轮齿数Z1=200,刚轮齿数
Z2=202,波发生器的转速nH=600r/min。
如图
试求：
（1）刚轮固定时柔轮的转速n1;
（2）柔轮固定时刚轮的转速n2。
fH=.
列
，（或叫
=-:
1）
（1）刚轮固定时：
工
12-21
600200*“
600
—==-100
坷2
n仁-
100'
=-6（r
fH=
（或也
」）
（2）柔轮固定时：
■-.-「二，:
八
600
L
匹5
□2
2
8.采用2000条刻线的增量编码器测电动机转速的方法如图所示。
已知时钟脉冲为8MHz,在
10个编码器脉冲问隔的时间里计数器共计200000个时钟脉冲，试求电动机转速n。
解:
时间测量值T二竽警=0.025®Sx10
鵝-60n=N■T
_10x60z•、
n~2000x0.025-12对于题，图所示的机械传动装置，已知步进电机的步距角°=^75°'n'轮：
Z]=20,厶=40,丝杠导程PiOnim。
求：
（I）工作台的最小位移量*
=1000r/min；齿
|X|
Z,P
解：
（1）8NX乐X诙
=0.75°x^x^«0.01（mm）
=1000x10
=10000（mm/min）
=10（m/min）
10
对于题图所示的加連度计,具有下列参数:
m=0.016kgTk^JOON/m.X^,s±0,24cnt求：
（1）可以测屋的最大加速度；
（2）谐振頻率。
kx
———
（
—「H—
*
■
（2）工作台的最大移动速度。
（或二±4500cm/s2）
⑵叫
Vm
叫r
五、简单应用题
1.要求将电荷放大器与压电传感器组合。
使电荷放大器的输出电压与压电传感器的电荷成正比，与反馈电容成反比。
试画出压电传感器与电荷放大器的组合电路图。
电荷放大器原理及等效电路图
a）原理團b）畔效电路图
图中:
G为反馈电容,马为表示压电传感器的电荷。
2•某直流电动机电枢电阻10^1，作电动机使用时，电枢加110V电压，空载电枢电流
0.1A，空载转速4000r/min。
（励磁保持额定状态）
1若用该电机做发电机，仍保持4000r/min，空载输出电压为多少？
2该电机空载损耗为多少？
3作发电机时，若转速为2000r/min，外接400门负载电阻，则电枢电流为多少？
解:
①V反电动势E=llOV-O.lAx1000=100V
二此时输出电压为100Y
且反电动势系数Kh=^--^=0.025V/r/min
2空载损耗:
U.xIfl=110Vx04lA=llW
3丁2000r/min化此时E=Kexn=0.025x2000=50V
I____50V_
1,_^+^~100+400^°^
即:
此时电枢电流0」A
已知复合控制系统如题20图所示’图中Ge（s）=KltGp（s）
Ka（T2s+l）
（T,s+I）71
尸-/、as3+bs
乔TT
1试确定闭环系统稳定的条件。
2
鮮:
①闭环系统的穩定性
试选择参数a.b的值，使系统误差6,（s）s=0r（s）-0e（s）sOfl
4.
.希望「-E圆柱型工业机器人的0轴由转到60。
廡转的壘大角速度为亍/务机器人起止点都是静止的。
0>计算能代表这个运动的0（t）的单三次多项式。
②何时产生最大加速度？
其值多大？
解:
①％=30°,6f=60°,=0
（2）堵转时定子、转子绕组电势频率各为多少？
（3）空载时，定子、转子绕组电势频率各为多少？
c60f60fj
P“即该电动机为四级
1500-1450=0.033
空载时转差率为：
S=「II
（2）堵转时：
S=1
.定子绕组电势频率fi=50Hz,转子绕组电势频率f2=Sfi=50Hz
⑶空载时：
定子绕阻电势频率fi=50Hz,转子绕组电势频率:
f2=.訂「厂「田“V士
7•二阶系统结构图如图所示。
设Ki=0.l,K2=10,Ti=0.5s
（1）求系统对r（t）的阶跃响应的最大超调量（T%及调节时间ts（取厶=土5%）;
⑵求系统增益Ks及伺服刚度Kr；
⑶求r（t）=1+t及n（t）=0.1共同作用下系统的稳态误差ess。
lrnsOCsJ^KiKn=13limG③=8,
KiK2
.
（1）G（S）=［「丨.1型Kv='-Kp=■'
申辅--_
1+G③T1s3+s+K1K2/+返cb涉
（2）性能指标
C=0.1U7
-=-=3sts='1\l
⑶系统增益与伺服刚度
Ks=Kv=KiK2=1,Kr=Ki=0.1
J_+J_=0+l
（4）essr=
essn=-1■.-
8.考虑x-y平面上的直线运动路径，源点坐标（5,-2），终点坐标为（1,-1）。
设两轴最大加
速度限制：
axmax=aymax=±2。
试设计三次多项式样条函数点位控制指令。
Ax书-1卜4
血＞Ay
.Ay=|-2^ei）|=l]丁
所以协调运动先设计x轴，再利用下列直线方程变换成y轴控制指令
ttt3
x（t）=5+3（1-5）（3；匕）2-2（1-5）（2；匕）3=5-t2+,
9•某直流电机电枢电阻50,做电动机使用时电枢加110V电压，空载电枢电流0.1A,空载转
速3000r/min。
（励磁保持额定状态）
（1）电机空载损耗功率为多少？
（2）电机的反电动势系数为多少？
（3）若电机做发电机用，转速保持2000r/rain，外接300负载电阻，则其电枢电流为
多少？
解：
H）空载损xIo=11OVx0,IA^IIWi{2）v反电势E-110V-0.1Ax5Qn=105V
反电动势系数K严半吕带4O35V/r/min
⑶—=2000『/站匸n^0.G35x2000=70V
即;此时电枢电流①2A
10.xy平面内由（1,—1）点以v=2的恒速运动到（9,1）点，设采样周期为0.01s,试求出两点直线插补的递推计算式。
解：
一匹三崇gE±4i2“讣叙分）3=晋=焉（1分〉
X”=®，“*412-y»=y-）+412
八、综合应用题
1.
某伺服系统动态结构如题立图所示，图中Gc（8）=KP（l+丄），
TS
Gn（s）二不吉讦=而占帀亦要求系统性能同时満足:
①在单位抛物线（恒加連
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