中央电大机电一体化系统设计基础考试题库

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1、（一）填空题机电一体化系统常用的能源有电源、气压源和液压源。市场预测的方法主要有定期预测和定量预测。机电设计的质量管理主要体现在质量目标管理、实行可行性设计和进行手机质量评审控制及信息处理单元一般由控制计算机、控制软件和硬件接口组成。在多级传动中，为了减小传动误差，传动比的分配应遵守先小后大原则。机电系统中，机械传动要满足伺服控制在精度、稳定性和快速响应性等方面的要求。影响系统传动精度的误差可分为传动误差对于线性控制系统，若要求在达到高精度 的同时 减小定位时间，则必须提高系统的固 有频率。提高 固有频率和阻尼可以提高闭环 系统的稳定性。液压系统的伺服控制元件主要有电液伺服 阀和电液比例阀典型

2、开关量I/O模板的I/O电气接口的主 要功能有滤波、电平变换、光电隔离和功率 驱动。计算机的指令进行D/A转换后，需经过信 号调理环节才能驱动执行机构。传感器由敏感元件、转换元件和基本转换 电路组成。传感器的静态特性参数主要有灵敏度、线 性度、迟滞和重复精度。传感器输入特性的主要参数是输入阻抗或分离活塞式油缸属于系统中的驱动部分执行机构，选择较大传动比可使系统的相对阻尼 系数增大，有利系统稳定。机电产品设计类型可分为开发性设计、适应性设 计、变参数设计三类。当负载折算到电机轴上的惯量等于转子质 量时， 系统能达到惯性负载和驱动力矩的最 佳匹配。步进电机的最大动态转矩小于最大静转矩，并随着脉冲频

3、率的升高而降低。（二）选择题开放式体系结构中的VLSI是指（超大规模集成电 路）以下移动电话不属于机电一体化产品。数控机床需要进行抗干扰设计。幅频特性和相频特性（或频率响应函数）是传感 器动态特性指标丝杠螺母机构在闭环外，所以它回程误差和传动 误差都影响输出精度闭环控制，齿轮减速器在前向通道，它回程误差 不影响输出精度，但传动误差影响步进电机转动后，其输出转矩所工作频率增高而 下降采用脉宽调制进行直流电动机调速驱动 是，通过 改变脉冲宽度来改变电枢贿赂的平 均电压而实现机的平滑调速。数控机床进给系统的伺服电机属于设备的驱动部 分。在工业机器人的设计中传感器的选择及精度分析是理论分析阶段要进行为

4、提高机话接卸传动系统的固有频率，应增大系 统刚度。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。多齿轮传动中，各级传动比相等的分配原 则适用于按输出轴的转角误差最小原则设计 的传动链前大后小的分配原则适用于重量最轻原则（大功 率装置）频矩特性表示步进电机最大动态转矩与脉冲频率的关系永磁式直流伺服电机又称为力矩电机STD总线的A/D转换接口模板中，出A/D 转换器 及STD总线接口逻辑外，还应有多路（三）简答题机电相关技术有哪些机械技术、计算机与 信息处理技术、系统技术、自动控制技术、 传感器测试技术和伺服驱动技术。试述机电一体化产品的定义和分类方法。 答：机电一体化产品是新型机

5、械与微电子器 件，特别是与微处理器、微型计算机相接合 而开发的新一代电子化机械产品。 按用途 可分为信息机电一体化产品、产业机电一体 化产品和家庭用机电一体化产品。开关与采样保持器1机电一体化系统的基础结构要素有哪些喷 漆机 器人的电液伺服系统和手臂手腕分别属 于其中的那 个结构要素数控系统、主传动系 统答：要素有机械本体，能源，测试传感部分， 执行 机构，驱动部分，控制及信息处理单元 等 6项。电 液伺服系统属驱动部分，手臂 腕、主传动系统属执 行机构的一部分，数控系 统属控制及信息处理单元。简述数控机床中计算机数控装置的组成和 功能。 答：由专用计算机、输入输出接口以 及机床控制器 等部分

6、组成。功能：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电系统中，对控制及信息处理单元的基 本要求是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。机电产品对机械传动系统有哪些要求精 度、稳定性、快速响应性、还应满足小型、轻 量、 高速、低冲击振动、低噪声、高可靠 性。机电系统中，测试传感部分的作用是什么 答：对系统运行中所需要的本身和外部环境的各种 参数及状态进行检测，传输到信息 处理单元，经分 析处理后产生控制信息。影响机电一体化系统传动机构动力学特征 的主要 因素有那些答：主要因素有负载变 化；传动系

7、统的惯性；传动系统固有频率；传动系统中的摩擦与润滑。why采用机电可提高系统精度答机电技术 使机械传动部分减少，因而使机械磨损，配 合间隙及受力变形等引起的误差大大减少， 同时 采用电子技术实现自动检测，控制，补 偿和校正因 各种干烧因素造成的误差，从而 提高精度。为减少机械系统的传动误差，可采用那些 结构措 施 答：适当提高零部件本身的精度； 合理设计传动链， 减少零部件制造、装配 误差对传动精度的影响；采 用消隙机构， 以减少或消除回程误差。什么是步进电机的步距角他是由那些参数 确定 的 答：步进电机在每输入一个电脉冲 信号，转子所转 过的角度为步距角。由步 进电机的相数、电机转子 的齿数

8、和电机的 通电方式决定。步进电机是如何实现速度控制的。答：步进电机的运动由输入的电脉冲信号控制，电 机绕组每接收一个脉冲，转子就转过 一个响应的角 度，其角位移量与输入脉冲的 个数严格成正比。在时间上与输入脉冲同步。因而只需要控制输入脉冲 的数量、频率和电机绕组的相序，即 可控制转动的 速度和方向。简述开关量输入模板的基本组成。 答：由 外部开关设备、输入信号调理电路、输入缓冲器、输入端口译码、（STD总线）。简述开关量输出模板的基本组成。答：STD总线信号、输出端口译码控制、输出数据 所存、输出信号调整电路、负载。工业 PC 机和个人计算机的主要差别是什么 答：大母版改为功能插板，具有丰富的

9、过程 输入输 出功能；具有良好的实时性，能够对 生产过程工况 变化实时监控；抗干扰电源， 密封机箱，具有良好 的环境适应性；具有丰 富的应用软件。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 答：齿轮的 啮合间隙会造成传动死区，若死区在闭 环系统中，则可能造成系统不稳定，使系统内高以15 倍间隙角产生的低频振荡。为降低制造成 本， 多采用各种调整齿侧间隙的方法来消除 或减少啮合 间隙，常法有偏心套调整法、轴 向垫片法、双片薄 齿轮错齿法等。机电系统仿真的模型主要有哪几种分别应用 于 系统设计的那个阶段。 答：仿真模型有物 理模型、数学模型和描述模型。 当仿真模型 为物理模

10、型时，为全物理仿真，系统研 制阶 段；是数学模型时，称为数学仿真，分析设计 阶段。用已研制出来的系统中的实际部件或子 系统 替代部分数学模型所构成的为半物理仿 真，部件及 子系统研制阶段。仿真再设计中起到的作用是什么 在项目的 设计和规划时需要对项目的合理性、经济 型 等品质加以评价；在系统实际运行前，要对项 目 的实施结果加以预测，一边选择正确、高 效的运行 策略或提前消除设计中的缺陷，最 大限度的提高实 际系统的运行水平。采用仿 真技术可以省时省力省 钱的达到上述目的。交流伺服电机有哪些类型交流伺服驱动的什么是PID调节器三部分在系统中起什么作用。答：按偏差的比例、积分和微分进行控制 的调

11、节器，将偏差的比例、积分、微分通过现 行组合构成控制量，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。aPID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。直流电机伺服系统中脉宽调制放大器的基 本工作原理。 答：脉冲调制放大器是直流 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，是电机的转速得到调节。永磁式直流伺服电机的主要特点：

12、可以不 经过减速机构直接驱动负载，由输入的电压 信号直接调节负载的转速；在以位置控制方主要 特点答：分为永磁式交流同步电机和笼 型异步电机两类。特点：1调速范围大；2 适合大、中功率伺服系统；3运行平稳，转速不受负载变化的影响；4输 出转矩 交大而转矩脉动小；5通过闭环实现 速度控制或位置控制，其中永磁式同步电机 也可作步进方式运行。开放式体系结构的主要特点是什么答： 开放式体系结构是今年在电子工业和计算机 工 业中流行的一种设计思想，其主要特点 是向未来的VLSI开放；向不同用户层次开 放；向用户的特殊要求开放；采用模块化 结构。简述STD总线微机控制系统的主要特点。 答：采用小版结构，高度

13、模块化，功能模板 结构灵活，可靠性高，硬件冗余小，成本 低；模块设计具有严格的标准和广泛的兼 容性；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；高可靠性。式的伺服系统中，电机可工作于堵转状态。简述STD有哪些工作模式1独立工作模式即采用微机的基本系统与工业I/O模板单独构成控制系统；2作为前端 控制机STD可作为其他微机的前端控制机， 完成实时在线控制， 并把采集的数据和执行 结果传送到上位机； 3构成分部式组合 利用STD控制机的组合方法，可方便进行各种分布式系统的组合。转动惯量对传动系统有哪些影响答：转动 惯量增大使机械负载增加，功率消耗大；使 系统响

14、应速度变慢，降低灵敏度；是系统固 有频率下降，容易产生谐振。光电隔离型DI/DO模板有哪些主要特点输入信 号与输出信号在电器上完全隔离，抗干 扰能力强； 无触点，耐冲击，寿命长，可靠 性高；响应速度快， 易于逻辑电路配合。D/A,A/D接口功能A/D接口功能是将温度、压力等物理量经传感器变 成电压、电流等信 号转换为数字 量。D/A接口是将 二进制数字量转换成电压 信号。简述电位器式位移传感器的测量原理。电 位器的可动电刷与被测物体相连，物体的位 移引起电位器移动端电阻的变化，电阻值的 变化量即反应出唯一的大小和方向。通常由 电源电压吧电阻的变化转换成电压输出。PLC的功能和组成。优越性功能：

15、可取代 继电器控制，完成顺序和程序控制；可组成闭环系统实现精确的位置和速度控制；可构 增量实现角速度测量。因此，可 以同时测量转角和转速。3成告诉数据采集和分析系统，实现生产过程的 自动化。组成：CPU,存储器，电源，I/O 口和编程器。 优越性：可靠性高，环境适应性强，灵活 通用个， 维护简单，方便组成网络，应用程序 的编制和调试 非常方便，还具有监控功能。（四）分析题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。 解答：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

16、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 定时取样脉冲数的试分析齿轮机构、传感器及丝杠螺母机构 的误差 对输出精度的影响。 答：齿轮减速 器位于前向通道，误差的低频分量不 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

17、响输出精度，因此 应尽量减少传动 误差。 传感器位于反馈通 道，误差的低频分量会影响输出 精度，因此 对静态精度有较高要求；而误差的高频 分量 对输出精度几乎没有影响，允许存在一定程 度 的高频噪声。 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。工业控制PC计算机与可编程控制器的主要 区别： 答：工业控制 PC 的基本系统与普通 PC 大体相同， 但备有各种控制模板，一般不 需要再做硬件开发， 在结构上进行了模块 化；系统具备完整的控制功能， 软件丰富， 执行速度块，适用于需要做大量数据处 理的 测控系统。在程序语言方面，工

18、控 PC 以使用 高 级语言为主，也可使用汇编语言。PLC 结构小巧，适应性强，可按照使用要求 选个相 应产品构成控制系统，PLC的控制功 能以逻辑控制 为主，小型PLC适用于实现各 种逻辑控制和开关量 控制，大中型 PLC 为模 块化结构，按用户需求的功 能选配模块，可 组成规模较大，精度较高的闭环控 制系统。PLC的控制功能由软件实现，但信 号的输 入输出采用周期性的扫描方式，这一 点是与工控 PC 的重要区别。此外，在程序 语言方面PLC主要采用 提醒度，大型PLC 可使用高级语言。对比说明步进电机和直流伺服电机驱动的 特点。 答：1 在工作方面，步进电机通过输 入脉冲的数量、 频率和相

19、序来控制电机； 而直流电机主要靠改变电 枢两端的电压来 调速，调速特性好，调速范围宽。2 步进电 机可实现开环位置控制；直流电机一般用于 闭环位置控制。3 步进电机具有自锁功能； 二直流 电机没有断电自锁能力。4 步进电机 输出力矩较小， 而直流电机输出力矩可以 很大。此外步进电机的转速和转角不受电源电压波动的影响，但对电 源的要 求较高。已知数控机床控制系统，说明图中的各部 分属于 机电系统的哪一个基本要素1 控制及信息处理单元：键盘、计算机、显 示2 测试传感部分：光电编码器、信号处理3 能源：电源Fm=m2 a=503 10=500N4驱动部分：功放、电机 5执行机构：联轴器、齿轮减速器

20、、丝杠螺母 （3）电机的驱动力矩为机构、工作台_ n4齿轮减速器的传动误差对工作台的影响齿轮 减速器在电机之后，前向通道的闭环之外，其传动误差的高频分量和低频分量都不能通过闭环控 制来消除，都会影响输出精度。（五）计算题如图所示电机驱动系统，已知工作台的质量 为m=50Kg,负载力为Fi=1000N,最大加速度为 10m/s2,丝杠直径为d=16mm,导程t=4mm,齿轮 减数比为i=5，总效率为n =30%,忽略丝杠 惯量的影响,试计算电机的驱动力矩。解：总负载力包括以下几部分先分析负载力有哪些组成（1）外负载力Fi=1000N（摩擦负载 F=mgf=(2) 惯性载力Fm, m=50kg,

21、a=10m/s2是负载或最大加速度。图示为电枢控制式直流电动机的工作原理图，电流i; LR为线圈的电感电阻，输入电压u；Jm； T；3 ； Ke； Kt,求输出转速 与输入电压之间的传递函数。解:e=Ke ；T=Kti；Ktl(s)二Jms(s)s；3 =Gm (s) T； Gm=1/ (Jm s)；解:当二Jm时,负载获最大加速度。所以i=2.828。开环步进电机位置控制系统，负载力F=1000N,工作台长L=500mm，往复精度为土 0.025mm，丝杠导 程 ts=6mm,直径 d=20mm,步 进电机步距角为a =3,确定齿轮减速比 i。)(计算电机轴上的总等效惯量。解：(1)电机轴上

22、的元件Jel二Jl+Jm；(2) 中间轴上的元件Je2二(J2+J3)(3) 负载轴上的元件Je3=(J4+JL)总的折算惯量为Je=Je1+Je2+Je3。已知电枢转子惯量Jm=0.005kgm2，负载惯 量JL=0.04kgm2,确定传动比i为何值时可解：步进电机的每转脉冲数ns=360 /a =360/3=120 脉冲/转 选取n=200光电编码器，则理论测量精 度5 根据工作台定位精度的要求，选用脉冲当量5 =0.025mm/脉冲设传动比为i,每个脉冲对应工作台的位移 为5 =ts/ (i2 ns)则 i=ts/(5 2 ns)=6/ (0.0253 120)=2已知工作台直流电机丝杠

23、螺母机构驱动，工作台 的行程L=250mm,丝杠导程t=6mm,齿 轮减速比i=4,要求工作台位移的测量精度 为0.01mm。试采用高速段测量方法，确定 旋转译码器的每转脉冲数。若将传感器与丝 杠的端部直接连接，ns=500脉冲/转的旋转 译码器是否合用。解： 1高速端测量,设传感器每转脉冲数为n,每个脉冲对应工作台的位移为 L=t/(in)由测量进度， L=0.01mm,则 n=t/ (iA L) =6/ (43 0.01) =150 脉冲/ L =6/(43 200)=0.0075V0.01 可 满足题目要求。2低速端测量，传感器直接与丝杠连接，与减 速比无关 L二t/nn二t/A L=6

24、/0.01=600 脉冲/转，可知ns=500脉冲/转的编码器不合 用。（六）综合题已知电机驱动的三自由度位置控制系统， 单个自 由度的驱动系统如图所示。试说明单 自由度驱动系统的两种测量方案；注：需要回答至少两种测量方案，每种方案 选出一 种传感器即可。采用直流电机驱动的机器人关节有两种转 角和转 速测量方案解：方案a为高速端测量方案，结构简单，易 实现。 同样的测量精度要求，对译码器的测 量精度要求较 低。减速器包括在闭环之外， 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 减速器的精度要 求较高。传感器在电机尾部，不知 容易，外 观较好。方案 b 为低速端测量方法，

25、同测精要求，对 编码器 的精度要求较高，成本比方 a 高； 但减速器包括在 闭环内，从而通过闭环来消 除传动误差，对减速器 的精度要求较低。传 感器安装在关节部位，布置较 困难，外观 差。实际中多采用方A。某车间内有两条自动生产线上需要一款搬运机器 人，用于生产线请指定出概念设计流程。解：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：明确设计任务解：依题意有两种测量方案价（1）高速端测量方案：传感器安装在电机的尾部（电机轴），通过测量电 机的转角实现工作台位移的间接测量。可选用光电 编码器式传感器或者磁电式编码

26、器。（2）低速端测量方案： 传感器安装在工作 台上（负载轴），直接测量工作 台的位移。 可选用光栅式位移传感器、感应同步器 或者电位计式位移传感器。黑箱法心台匕丄为加/VA2?刀J H匕心椒丿J用卡 创造性方法、目录法、调查分析形态学矩阵法1法各种评价方法体结构方案设计，指定研 制计划；开发经 费概算；开发风险分析。 d 总体方 案的评 审、评价。e理论分析阶段：结构运动血模 型、作业空间分析；结构的力学计算；驱动 元件的选择、动力计算；传感器选择、精度分析；建立控 制模型、仿真分析f详细设计：包括 系统总体设计， 业务的划分；控制系统设 计；程序设计；后备系统 设计；设计说明 书、使用说明书

27、。g详细设计方案评价。h 试制样机：机械本体、动力驱动系统、供 电系统、控制系统、传感器、检测系统。 i 机械手样 机的实验测试：调试控制系统、 控制性能测试、功7已知五自由度机器人，采用直流电机控 制，关 节是确定其控制计算机及控制方 案。手动示教盒是一个单片机系统，他由单片机、RAM、串行通信口、键盘、LED显示器等组 成。它承担命 令输入、状态显示、数据存 储、通过与关节控制单 片机通信给关节单片 机发送控制命令等任务。 每个关节控制单片 机分别负责每个关节直流电机的 位置伺服控 制，有单片机、PWM驱动接口、编码器 接口和 串行通信口组成。PC 具有与手动示教盒同样的功能，不同是， 状态显示及命令输入由显示器和 PC 键盘实 现。已知某物料搬动机械手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。能测试、精度、工作空间测试、动态指标测试、作 业试验。j技术评价与审定：对样机及其性能进行综 合评价，提供改进意见，对 不满意的部分进行修改，答： a 确定目标及技术规范：机械手的用途：物料 搬运。工作方式：手动、自动方式。主要技术参数：3 自由度。使用环境：生产线。 b 可行性分 析：收集 资料、市场分析、可行性分析、技 术经济性分析。 c 总体方案设计：机械手总 直至样机合格后方可进入下一步。 k 小批量 生产。l试销。 m 正式生产。 n 销售。