机电一体化系统设计基础复习资料汇总

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1、历年汇总（04-1至13-9）一、填空（每空2分，共20分）1机电一体化产品按用途可以划分为 办公机电一体化产品 、 产业机电一体化产品 和民用机电一体化产品 。2机电一体化产品设计类型可以分为 开发性设计 、 适应性设计 和变参数设计三类。3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。4在小功率传动链中，为使总的折算惯量最小，各级传动比分配应遵守 前小后大 原则。5在小功率传动链中，为使总的重量最小，各级传动比分配应遵守 传动比相等 原则。6典型的可编程控制器由编程器、微处理器、贮存器、电源 和 输入/输出接口 等部分构成。7传感器的静态特性参数主要有 灵敏度 、 线性

2、度 、迟滞 和重复精度。8传感器输入特性的主要参数是输入 阻抗 或 静态刚度 。9通常，传感器由敏感元件. 转换元件 和 基本转换电路 所组成。 10机电一体化系统常用的能源有电源 、液压源 和 气压源 。11市场预测的方法主要有 定期预测 和 定量预测 。12机电一体化系统中，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。13当负载折算到电机轴上的惯量等于 转子惯量 时，系统能达到惯性负载和驱动力矩的最佳匹配。14典型开关量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 。15由矩频特性曲线可知，步进电机的 最大动态转矩 小于最大静转矩，

3、并随着脉冲频率的升高而降低。16在多级的减速传动中，为了减小传动误差，传动比的分配应遵守 前小后大 原则。17机电一体化系统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 进行设计质量评审 等三个方面。18为提高闭环系统的稳定性，应增大执行装置的 固有频率 和系统的阻尼。19对于线控制系统，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 。20在工业过程控制系统中，计算机的指令进行D/A转换后，须经过 信号调理 环节才能驱动执行机构。21HRGP1A喷漆机器人的主要特点是操作机采用 挠性手腕 结构，具有3个自由度；驱动器采用 分离活塞直线运动油缸 ，减轻了示教

4、力；位置测量采用 旋转变压器 作传感器，具有较高的伺服精度。22机械传动系统中，影响系统传动精度的误差可分为 传动误差 和 回程误差 两种。23对于执行装置，选择较大的传动比可使系统的 相对阻尼系数 增大，有利于系统的稳定性。24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 。二、判断题（判断下列所述是否正确，正确的填入“+”号，错误的填入“”号。每题2分，共24分）1.机电一体化产品的开发性设计是在保持原理方案不变条件下，对产品功能及结构的重新设计。（ ）2.机电一体化产品的变参数设计是指改变部分结构尺寸而形成系列产品的设计。（ + ）3在机电一体化产品开发过程中，小批量生产前必

5、须对产品进行技术评价与审定。（+ ）4.机电一体化产品的适应性设计是指对产品功能及结构重新进行的设计。（+ ）5.在全自动洗衣机产品的设计中，控制系统软件的设计是理论分析阶段的任务之一。（ ）6.回程误差并非只有传动机构反向时才会产生，即使是单向回转、回程误差对传动精度也可能有影响。（ + ）7.对应与某一频率，只有负载小于步进电机在频率的最大动态转矩时，电机才能正常工作。（ + ）8.在工业控制计算中，地址总线用于确切指定与之通信的外部硬件，控制总线则用于传送数据。（ ）9.工业PC机与个人计算机IBM PC的最大差别是把IBM PC中的母板分成了多块PC插件。（+ ）10.通常，工业控制机

6、与独立设备连接时，均采用光电型模板。（ + ）11.STD总线的工控机常作为工业PC机的前端控制机，完成时的在线控制。（ + ）12.STD总线可采用总线复用技术，但不支持多处理机系统。（ ）13.在工控机系统的总线中，数据总线的功能是确定总线上信息流的时序。（ ）14.微机系统的数据总线中，在任何给定时刻，数据流只允许王一个方向传输。（+ ）15.自动控制技术是机电一体化六个相关技术之一，而接口技术是自动控制技术中的一个方面。（ ）16.接口技术是系统技术中的一个方面，它的功能是实现系统各部分的可靠连接。（ + ）17.接口技术是自动控制技术的一个方面，它和计算机信息处理技术密切相关（ ）1

7、8.为适应工业仪表的要求，D/A的输出要配接V/1转换器。（ + ）19.迟滞是传感器静态特性指标之一，反映传感器输入量按同一方向做全量程连续多次变动时，输出输入特性曲线的不一致性。（ ）20.重复性是传感器静态特性指标之一，反映传感器输入量按同一方向做全量程连续多次变动时，输出输入特性曲线的不一致性。（ + ）21.临界频率是接触式传感器的动态特性指标之一。（ + ）22.绝对式光电编码器的输出量为脉冲信号，可以同时用于位置和速度测量。（ ）23.增量式光电编码器的输出量为脉冲信号，可以同时用于位置和速度测量。（ + ）24.增量式光电编码器仅能用于角位置测量，而不能用于角速度测量。（ ）2

8、5.微机系统中，在任何给定时刻，数据流都允许沿总线双向传输。（ ）26.TTL电平接口不能用于驱动带电气隔离的继电器。（ ）27.TTL电平接口能用于输出指示灯的控制，也能用于驱动带电气隔离的继电器。（+ ）28.驱动元件的选择及动力计算是机电一体化产品开发过程理论分析的工作之一。（ + ）29.伺服驱动系统是实现电信号到机械动作的转换的装置和部件。（+ ）30驱动装置中同一环节的误差，其高频分量和低频分量，对系统输出精度的影响应是一致的。（ ）31.与交流同步伺服电机一样，笼型交流异步伺服电机也可由PWM变频技术实现速度的调节。（ + ）32.直流伺服电机的驱动电路中，脉宽调制放大器由于管耗

9、大，因而多用于小功率系统。（ ）33直流伺服电机的驱动电路中，由于脉宽调制放大器的管耗小，因此可用于较大功率的系统。（+ ）34.数控机床的计算机属于机电一体化系统的控制及信息处理单元，而电机和主轴箱则属于系统的驱动部分。（ ）35.数控机床中的计算机属于机电一体化系统的控制及信息处理单元，而电机则属于系统的驱动部分。（+ ）36.传动机构的转动惯量取决于机构中传动件的质量和转速。（ ）37.传动机构的传动惯量取决于机构中传动件的质量、转速和尺寸参数。（ ）38在滚珠丝杠螺母间隙的调整结构中，齿差式调隙机构的精度较高，但结构复杂，制作成本高。（+ ）39.转动轴在单向回转时，回程误差对转动精度

10、没有影响。（ ）40.按输出轴的转角误差最小原则，减速链传动中，从输入到输出端的各级传动比应按“前大后小”分配。（ ）三选择题（每小题2分，共20分）1 HRGP-1A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.执行部分2 在机电一体化产品的开发过程中,总体方案设计完成后应立即进行( B )A.样机设计(详细设计) B.此方案的评审,评价 C.理论分析(数学模型) D.可行性与技术经济分析3.在机电一体化系统中,机械传动要满足伺服控制的基本要求是( A )A.精度,稳定性,快速响应性 B.精度,稳定性,低噪声 C.精度,高可靠性,小型轻量化 D.

11、精度,高可靠性,低冲击振动4.在机械传动系统中,用于加速惯性负载的驱动力矩为( D )A.电机力矩 B.负载力矩 C.折算负载力矩 D.电机力矩与折算负载力矩5.多级齿轮传动中,各级传动比”前后大小”的分配原则使用于按( D )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)6.在下列电机中,( C )既可以通过闭环实现速度或位置控制，又可作步进方式运行,且电机转速不受负载影响,稳定性高.A.步进电机 B.直流伺服电机 C.交流同步伺服电机 D.笼型交流异步电机7.通常,TLT电平接口不用于( A )A.工控机与

12、独立设备的连接 B.操作面板上开关状态的输入 C.驱动带电气隔离的继电器 D.输出指示灯控制8.在工业控制计算机中，控制总线的功能是( B )A.确切指定与之通信的外部硬件 B.确定总线上信息流的时序 C.在计算机内部传输数据 D.连接控制电源9.静态刚度属于传感器的( C )A.静态特性指标 B.动态特性指标 C.输入特性参数 D.输出特性参数10.为保证系统安全可靠工作,下列机电一体化产品中,( D )需要进行抗干扰设计A.自动洗衣机 B.自动照相机 C.滚筒型绘图机 D.数控机床11在工业机器人的设计中，（ A ）是理论分析阶段要进行的工作之一。A机构的力学计算 B技术经济性分析 C控制

13、系统硬件电路设计 D控制系统软件配置与调试12. 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）13多路的D/A转换接口模板应设置有（ C ）。A多路开关 B采样保持器C通道选择器 D总线接口逻辑14在工业控制应用中，为了（ D ），D/A转换的输出常常要配接V/I转换器。A抑制共模电压的干扰 B非电压信号的转换C信号的放大、滤波 D适应工业仪表的要求 15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（ B ）。A开环控制 B闭环控制C半闭环

14、控制 D混合控制四、简答题（每题4分，共20分）1为什么采用机电一体化技术可以提高系统的精度？答：机电一体化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所引起的误差大大减少，同时由于采用电子技术实现自动检测，控制，补偿和校正因各种干扰因素造成的误差，从而提高精度。2机电一体化相关技术有哪些？答：机电一体化相关技术有：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。3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；使系统相应速度变慢，降低灵敏度；使系统固有频率下降，容易产生谐振。4简述机电一体化产品设计中，详细设计的

15、主要内容。答：详细设计主要包括：系统总体设计；业务的分组；机械本体及工具设计；控制系统设计；程序设计；后备系统设计；完成详细设计书及制造图样；产品出厂及使用文件的设计。5简述A/D、D/A接口的功能。答：A/D接口的功能是将温度、压力等物理量经传感器变成的电压、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。6测试传感部分的作用是什么？答：测试传感部分的作用：对系统运行中所需要的本身和外界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。7. 对控制及信息处理单元的基本要求是什么？答：对控制及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

16、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。8机电一体化产品对机械传动系统有哪些要求？答：机电一体化系统对机械传动系统的要求有：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、低噪声和高可靠性。9简述STD总线的工作模式。答：STD总线有3种工作模式：独立工作模式，前端控制器工作模式和分布式组合工作模式。10采用STD总线的工业控制机有那几种工作模式?答：STD工业控制机可以灵活的组成各种系统：其工作模式有三种：（1） 独立工作模式 即采用微机的基本系统与工业用IO模板单独构成控制系统：（2） 作为前端控制机STD工业控制机可作为其他微机（工业PC机

17、）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给上位机：（3） 构成分布式组合 利用STD控制机的组合方法，可方便的进行各种分布式系统的组合。11简述STD总线微机控制系统的主要特点。答：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。12简述机电一体化产品设计的工程路线（主要步骤）。答：机电一体化产品设计的工程路线（主要步骤）：拟定产品开发目标和技术规范；收集资料，

18、市场分析，可行性分析和技术经济性分析；总体方案设计；总体方案的评审和评价；详细设计；详细设计方案的评审和评价；试制样机；样机实验，测试；技术评价与审定；小批量生产；正常生产；销售。13为减小机械系统的传动误差，可采用哪些结构措施？答：减小机械系统的传动误差可采用的结构措施有：适当提高零部件本身的精度；合理设计传动链，减小零部件制造、装配误差对传动精度的影响；采用消隙机构，以减小或消除回程误差。14. 交流伺服电机有哪些类型？交流伺服驱动的主要特点是什麽？答：交流伺服电机有永磁式交流同步电机和笼型异步电机两类。交流伺服驱动的主要特点有：（1）调速范围大；（2）适合大、中功率伺服系统；（3）运行平

19、稳，转速不受负载变化的影响；（4）输出转矩较大，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进行。15试述可编程序控制器的功能及组成。答：可编程序控制器可取代继电器控制，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；可构成高速数据采集与分析系统，实现生产过程的完全自动化。典型的可编程序控制器由电源、微处理器、存贮器、输入输出接口和编程器所组成。16简述数控设备中计算机数控装置的组成和功能。答：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

20、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。17步进电机是如何实现速度控制的？答：步进电机的运动是由输入的电脉冲信号控制的，每当电机绕组接收一个脉冲，转子就转过一个相应的角度，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，只要控制输入脉冲的数量、频率和电机绕组的相序，即可得到所需转动的速度和方向。18试述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

21、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。19开放式体系结构的主要特点是什么？答：开放式体系结构是近年来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。20机电一体化系统的基本结构要素有哪些？喷漆机器人的旋转变压器和手臂手腕分别属于其中的哪个结构要素？答：机电一体化系统的基本结构要素有机械本体，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。喷漆机器人的旋转变压器属于测试传感部分，而手臂手腕则属于机器人执行机构的一部分。21机电一体化系统的基本结构要素有哪些？数控机床的

22、数控系统和主传动系统分别属于其中的哪个结构要素？答：机电一体化系统的基本结构要素有机械本体，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。数控机床的数控系统属于其中的控制及信息处理单元，主传动系统则属于执行机构。22机电一体化系统的基本要素有那些?喷漆机器人的电液伺服务器系统和手臂和手腕分别属于其中的哪个结构要素?1答：喷漆机器人的电液伺服系统属于驱动部分，而手臂手腕则属于机器人执行机构的一部分。23简要说明永磁式直流伺服电机（直流力矩电机）的主要特点。答：直流力矩电机有两个特点：（1）可以不经过减速机构而直接驱动负载，由输入的电压信号直接调节负载的转速；（2）在以位置控制

23、方式的伺服系统中，电机可工作于堵转状态。24简述开关量输出模板的基本组成。 答：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。25简述HRGP1A喷漆机器人的再现过程。 答：喷漆机器人的再现过程：由计算机控制机器人的动作，中央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。26简述HRGP-1A喷漆机器人的示教与再现过程。答：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，此时中央处理器通过反馈原件（旋转变压器

24、）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。再现过程：由计算机控制机器人的动作，中央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。27.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：影响机电一体化系统传动机构动力学特性的主要因素有：（1） 负载变化；（2）传动系统的惯性；（3）传动系统的固有频率；（4）传动系统中的摩擦与润滑。28.什么是步进电机的步距角?它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，转子所转过的角度称为步距角。它由步进电机的

25、相数、电机转子的齿数和电机的通电方式所决定。29.简述开关量输入摸版的基本组成.答：开关量输入模板的基本组成：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0.30.工业PC机与个人计算机饿主要差别是什么?答：工业PC机与个人计算机的主要差别是：（1）大母板改为功能插板，具有丰富的过程输入输出功能。（2）具有良好的时实性，能够对生产过程工况变化实时监控。（3）抗干扰电源，密封机箱，具有良好的环境适应性。（4）具有丰富的应用软件。三、分析题（20分）1 已知数控机床控制系统如图所示，试说明图中的各个部分属于机电一体化系统中的哪一个基本要素？（10分）解答：图中各部可分为：

26、（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（4）驱动部分： 功放、电机（5）执行机构：联轴器、齿轮减速器、丝杠螺母机构、工作台2试分析图示传动系统中，齿轮减速器的传动误差对工作台输出精度的影响？（10分）解答：齿轮传动链位于电机之后，前向通道的闭环之外，其传动误差的低频分量和高频分量都不能通过闭环控制来消除，都会影响输出精度。2如图所示的系统，试分析传感器的误差对输出精度的影响。（8分）解答：传感器位于闭环之内的反馈通道上，其误差的高频分量（噪声信号）因系统的低通作用得到校正，不影响输出精度；传感器误差的低频分量，如静态精度（分辨

27、率等）直接影响输出精度，它决定了系统精度的上限。2试分析图示传动系统中，信号变换电路及丝杠螺母机构的传动误差对工作台输出精度的影响。（10分）解答：信号变换电路位于输入通道，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。5如图所示的系统，试分析齿轮减速器及传感器的误差对输出精度的影响。解答： 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响输出精度，因此应尽量减小

28、传动误差。传感器位于反馈通道，其误差的低频分量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。2如图所示的系统，试分析齿轮减速器、信号变换电路及传感器的误差对输出精度的影响。解答： 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响输出精度，因此应尽量减小传动误差。 信号变换电路位于输入通道，其误差的低频分量影响系统的输出精度，因此信号变换电路应有较高的静态精度；而误差的高频分量不影响输出精度，因此允许该电路有一定的高频噪声。 传感器是位于反馈通道上的环节，其对输出

29、精度的影响与位于输入通道的信号变换电路相同。2系统如图所示,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.解答：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，因此允许由一定的间隙误差；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。传感器位于反馈通道，误差的低频分量会影响输出精度，因此对静态精度由较高要求，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。2试分析图示传动系统中，值号变换电器、传感器及丝杠螺母机构的传动误差对工作台输出精度的影响。

30、解答：信号变换电路位于输入通道，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。传感器是位于反馈通道上的环节，其对输出精度的影响与位于输入通道的信号变换电路相同。 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如图所示的位置控制系统，试分析齿轮的传动误差对工作台输出精度的影响。（6分）如图所示的伺服系统，试分析齿轮减速器的传动误差对工作台输出精度的影响。（8分）解答：对于开环步进电机位置控制系统，由于无检测装置，不对位置进行检测和反馈，齿轮减速器的传动误差（误

31、差的高频分量）和回程误差（误差的低频分量）将直接影响工作台的输出精度。4画出工业PC机基本组成框图，并说明工业PC机与普通信息处理计算机的主要区别。（12分）解答：与普通信息处理机相比较,工业PC机有以下特点：（1）将普通信息处理机的大母板改为功能插板，具有丰富的过程输入输出功能，以完成对各种设备和工艺装置的控制。（2）良好的时实性，能够对生产过程工况变化实时监视和控制。（3）抗干扰电源，密封机箱，具有良好的环境适应性。（4）丰富的应用软件。5对比说明步进电机和直流伺服电机驱动的特点。（10分）解答：步进电机与直流电机驱动的主要有如下不同特点：（1）在工作原理方面，步进电机通过改变输入脉冲的数

32、量、频率和顺序来控制电机；而直流电机主要是靠改变电枢两端的电压来调速，调速特性好，调速范围宽。（2）步进电机可以实现开环位置控制；而直流电机一般用于闭环位置控制。（3）步进电机具有自锁能力；而直流电机没有断电自锁能力。（4）步进电机的输出扭矩较小，而直流电机的输出扭矩可以很大。此外，步进电机的转速和转角不受电源电压波动的影响，但对电源的要求比较高。6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。（10分）解答：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

33、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。7试分析比较液压马达和直流电机实现转动输出驱动的不同特点。（6分）解答：（1）使用液压马达一般不需要中间传动机构，马达轴与负载轴直接连接，传动机构简单，结构紧凑；而直流电机驱动为得到合适的运动速度和负载能力，一般要使用较大传动比的减速器，传动机构的尺寸较大。（2）在相同的负载条件下，

34、液压马达比直流电机驱动的负载刚度大、快速性好；（3）液压马达对环境条件要求不高，可在需要防水、防爆的条件下工作，需要使用电液伺服阀和专门的液压动力源，对环境有污染；而直流电机驱动要求有较好的工作环境，也不会污染环境。8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。（12分）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（

35、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。9试分析比较工业控制PC计算机与可编程序控制器的主要区别。解答：工业控制PC计算机的基本系统与普通PC机大体相同，但备有各种控制模板，一般不需要再作硬件开发，在结构上进行了模板化；系统具备完整的控制功能，软件丰富，执行速度快，适用于需要作大量数据处理的测控系统。在程序语言方面，工业控制计算机以使用高级语言为主，也可使用汇编语

36、言。可编程需控制器（PLC）结构小巧，适应性强，可按照使用要求选购响应产品组成控制系统，可编程序控制器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，大中型的PLC为模块化结构，按用户所需的功能选配模块，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，这一点与工业控制PC机存在重要的区别。此外，在程序语言方面PLC的编程语言多采用梯形图，大型PLC控制系统可使用高级语言。10简要说明永磁式直流饲服电机（直流力矩电机）的主要特点。答：直流力矩电机有两个特点：（1）可以不经过减速机构而直接驱动负载，由输入的电压信号直

37、接调节负载的转速；（2）在以位置控制方式的伺服系统中，电机可工作于堵转状态。11光电隔离型DI/DO摸板有哪些主要特点？答：光电隔离型DI/DO模板的特点：（1） 输入信号与输出信号在电气上完全隔离，抗干扰能力强：（2） 无触点，耐冲击，寿命长，可靠性高：（3） 响应速度快，易与逻辑电路配合。12简述电位器位移传感器的测量原理。答：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传动端电阻的变化，电阻值的变化量即反映出位移的大小和方向。通常，由电源电压把电阻的变化转换为电压输出。四、计算题 (24分)1 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,最大加速度为10m/s

38、,丝杠直径为d=16mm,导程t=4mm,齿轮减速比为i=5,总效率为，忽略丝杠惯量的影响，试计算电机的驱动力矩。（12分）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外负载力 惯性负载力（2）电机上的负载力矩为1如图所示电机驱动系统，已知工作台的质量为m=200Kg，负载力为，最大加速度为a5m/s,工作台与导轨之间的摩擦系数=0.1，丝杠直径为d=36mm,导程t=8mm,齿轮减速比为i=5,总效率为，忽略丝杠惯量的影响，试计算电机的驱动力矩。（12分）（重力加速度取g10m/s2）解： （1）计算负载力负载力由外负载力、惯性负载力和摩擦力三部分构成外负载力 惯性负载力 摩

39、擦力 （2）电机上的负载力矩为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,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，忽略丝杠惯量的影响，试计算电机的驱动力矩。（10分）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外负载力 惯性负载力（2）电机上的负载力矩为1如图所表示电机驱动系统，已知工作台的质量为 m=50kg，负载力F1=1000N，最大加速度为a=10m/s2,丝杠直径为d=16mm,导程t=4mm,齿轮减速比i=5，总效率为n=-30%，忽略丝杠惯量的影响。试求：（1） 电机的驱动力矩；（2） 折

40、算到电机上的转动惯量（g.cm2）。解： 2已知某工作台采用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）。（12分）（1）试采用高速端测量方法，确定旋转编码器的每转脉冲数。（2）若将传感器与丝杠的端部直接相连，ns500脉冲/转的旋转编码器是否合用。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由测量精度，L0.005mm，则 脉冲/转选取n=200光电编码器，则理论测量精度满足题目要求。（2）低速端测量传感器直接与丝杠连接，与减速比无关 脉冲/

41、转可知ns500 脉冲/转的编码器不合用。2已知某工作台采用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=6mm，齿轮减速比为I=4，要求工作台位移的测量精度为0.01mm（忽略齿轮和丝杠的传动误差）。（1） 试采用高速端测试方法，确定旋转编码器的每转脉冲数。（2） 若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。解：2已知某工作台采用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）试采用高速端测量方法，确定旋转编码器的

42、每转脉冲数。（12分）（2）若采用直线位移传感器直接测量工作台的位移，试确定传感器的分辨率。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由测量精度，L0.005mm，则 脉冲/转选取n=200光电编码器，则理论测量精度满足题目要求。（2）采用直线位移传感器直接测量传感器的分辨率应满足2已知工作台采用直流电机丝杠螺母机构驱动，已知工作台的行程L=250MM，丝杠螺导程r=4mm，齿轮减速比I=5，要求工作台位移的测量精度为0.005MM（忽略齿轮和丝扛的传动误差）。 试采用高速端测量方法，确定旋转编码器的每转脉冲数。解：3已知图示丝杠螺母驱动系统，工作台的质量m=1

43、00Kg，丝杠螺距t=8mm，丝杠长度L=0.5m,中径为d=48mm,材料密度为，齿轮传动比i2，两齿轮的传动惯量分别为，。试求折算到电机轴上的总等效惯量J？（14分）解： 等效惯量可以分为以下几个部分来计算（1）电机轴上的元件（齿轮1）（2）中间轴上的元件（齿轮2）（3）负载轴上的元件（丝杠、工作台）丝杠惯量：工作台折算到丝杠上的惯量：总的折算惯量为3已知图示丝杠螺母驱动系统，工作台的质量m=80Kg，丝杠螺距t=6mm，丝杠的转动惯量，齿轮传动比i2，两齿轮的转动惯量分别为，。试求折算到电机轴上的总等效惯量J？（14分）解： 等效惯量可以分为以下几个部分来计算（1）电机轴上的元件（齿轮1

44、）（2）中间轴上的元件（齿轮2）（3）负载轴上的元件（丝杠、工作台）丝杠惯量：工作台折算到丝杠上的惯量：总的折算惯量为3已知传动机构如图所示，试计算电机轴上的总等效惯量。（6分）解： 等效惯量可以分为以下几个部分来计算（1）电机轴上的元件（2）中间轴上的元件（3）负载轴上的元件总的折算惯量为4如图所示的开环步进电机位置控制系统，已知负载力F=1000N，工作台长L=500mm，往复精度为mm，丝杠导程mm，直径d20mm，步进电机的步距角为，试确定齿轮减速比i。（10分）解：步进电机的每转脉冲数 脉冲/转根据工作台定位精度的要求，选用脉冲当量=0.01mm/脉冲设传动比为i ，每个脉冲对应工作

45、台的位移为则 4如图所示的开环步进电机位置控制系统，已知负载力F=1000N，工作台长L=500mm，往复精度为mm，丝杠导程6mm，直径d20mm，步进电机的步距角为，试确定齿轮减速比i。解： 步进电机的每转脉冲数 脉冲/转根据工作台定位精度的要求，选用脉冲当量=0.025mm/脉冲设传动比为i ，每个脉冲对应工作台的位移为则 5如图所示的开环步进电机位置控制系统，已知负载力F=1000N，工作台长L=500mm，往复精度为mm，丝杠导程mm，直径d20mm，齿轮减速比i5，若所选步进电机的步距角为，试确定是否满足系统的精度要求。（10分）解：步进电机的每转脉冲数 脉冲/转由传动比为i5 ，

46、丝杠导程ts8mm，每个脉冲对应工作台的位移为 mm/脉冲工作台定位精度的要求为0.01mm，可知所选步进电机满足系统的精度要求。6已知某传动机构，电机转子惯量Jm=0.005Kg m2， 负载惯量J=0.04 Kg m2,试确定传动比i为何值时可使负载获得最大加速度？（6分）解：由电机驱动齿轮系统和负载的计算模型可知,当负载换算到电机轴上的惯量JL等于转子惯量JM时，负载可获得最大加速度，即由此得传动比 7伺服电机驱动系统如图所示,已知齿轮减速比I=;丝杠螺距t5=5MM;丝杠直d=20mm;工作台的质量为m=200kg;工作台最大线速度v=0.025m/s;最大加速度a=10m/s,工作台

47、与导轨之间的摩擦系数为f=0.1,传统效率=0.7.试求;(1) 电机的负载力矩;(2) 折算到电机轴上的传动惯量(g.cm2);(3) 电机的最小额定转速.解：五、综合题（16分）1、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，确定整个系统的控制方案，画出控制系统原理图。（16分）解：可以使用工业PC机或者单片机完成系统的控制。具体可以有下三种方案：（1） 工业PC机集中控制方案：用一台工业PC机对三个自由度实现集中控制，包括任务管理和三个自由度的伺服控制系统原理图如下。（2）工业PC机、单片机分级控制方案：用一台工业PC机与三个单片机通信，对三个单片机实现管理，每个单片机

48、负责一个自由度的伺服控制，控制系统原理图如下。（3）单片机、单片机分级控制方案：用一个单片机作为主单片机与三个从单片机通信，对三个从单片机实现管理，每个从单片机负责一个自由度的伺服控制，控制系统原理图如下。评分标准：正确回答出三种方案之中的任意两个即可得满分。2、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，试确定单自由度驱动系统的测量方案。 （16分）解：依题意有两种测量方案（1）高速端测量方案： （8分）传感器安装在电机的尾部，通过测量电机的转角实现对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器。（2）低速端测量方案： （8分）传感器安装在工作台上，直

49、接测量工作台的位移。可选用光栅式位移器、感应同步器或者电位计式位移传感器。3、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，试分析两种方案的特点；并画图说明方案（a）减速器滚筒驱动测量位移的方法。（16分）（a）减速器滚筒驱动 （b）丝杠滑台驱动解：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限制。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

50、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3、已知一个绳位移控制系统的两种驱动反方案分别如图a 和b所示，试分析两种方案的特点：并画图说明方案（b）丝杠滑台驱动测量位移的方法。（a）减速器滚筒驱动 （b）丝杠滑台驱动解：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限制。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b的测量方法（如图所示）(1)电机轴安

51、装编码器间接测量绳的位移；见卷子上图(2) 滑台安装直线传感器直接测量绳的位移；见卷子上图4、已知五自由度机器人，采用直流电机控制，关节转角的测量采用增量式编码器，具有手动示教和再现功能，试确定其控制计算机及控制方案。提示：画出控制方案原理图，并作简要说明。解： 控制系统原理图如下： 手动示教盒是一个单片机系统，它由单片机、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单个关节直流电机的位置伺服控制，由单片机、PWM驱动接口、编码器接口和串行通信口等组成。PC具有与手动示教盒同

52、样的功能。不同的是，状态显示及命令输入由显示器和PC键盘来实现。4、已知五自由度教学机器人，采用直流电机控制，关节转角反馈采用电位计，具有手动示教、再现功能，可以使用PC机集中控制或者分级式单片机控制，试分析比较两种控制方案的优缺点。解；（1） PC机控制方案已知教学机器人有五个关节，五个关节都需要时实控制，每个采样周期内完成对五路传感器信号的A/D采样、五路PWH输出和完成5个关节的控制算法。PC机的运算速度较快，存储量很大，可以胜任机器人的控制工作。（2） 双单片机主从控制方案在主从控制方案中，主单片机的主要任务是向五个从单片机发送控制命令协调各个从单片机工作，存储示教再现的数据。要求单片

53、机有一定的存储量和单行通讯接口，一般单片机都能胜任这项工作。关节控制单片机（从单片机）的任务是完成某一个关节的闭环伺服控制，需要单片机带有AD接口和PWM接口，同时要求单片机有行通讯接口，接受主单片机的命令，很多单片机都有这一功能。单片机主从控制方案也是可行的。 PC机的价格比较贵，AD和PWM接口卡的价格也比较高，整体价格会很高；而单片机的价格比PC机的低很多。但从这点上来讲单片机方案更好。 另外一方面，由于PC机的功能较强，存储量大，除了实现机器人的基本控制要求外还可以制作很好的人机界面等功能。因此在经费充分的条件下PC机方案更好。但从经济型考虑单片机方案比较好。5、已知某物料搬动机械手的

54、结构与动作过程如图所示，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。物料搬动机械手结构原理图解：系统设计的详细工程路线：1）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。使用环境要求：生产线。2）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。 3）总体方案设计： 机械手总体结构方案设计，制定研制计划；开发经费概算；开发风险分析。4）总体方案的评审、评价：5）理论分析阶段：机构运动学模型、作业

55、空间分析；机构的力学计算；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。6）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。7）详细设计方案评价 8）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。9）机械手样机的实验测试：调试控制系统、控制性能测试、功能测试、精度、工作空间测试、动态指标测试、作业试验。10）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，直至样机合格后方可进入下一步骤。11）小批量生产。12）试销。13）正常生产。14）销售。6、一机

56、床进给机构的位移有两种测量方案分别如图a和图b所示，试比较两种测量方案的优缺点。解：方案A为高速端间接测量方案，传感器安装在电机的尾部，通过测量电机的转角实现对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器，同样的测量精度要求，对编码器的测量精度要求较低。传感器在电机尾部，布置容易；丝杠螺母机构包括在闭环之外，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，由于滚珠丝杠的精度可以很高，因此这个方案是即经济又使用的。方案B为低速端直接测量方案：传感器安装在工作台上，直接测量工作台的位移；可选用光栅式位移器、感应同步器或者电位计式位移传感器；同样的测量精度要求，对传感器的精

57、度要求较高，成本比方案A高；但丝杠螺母机构包括在闭环内，从而通过闭环来消除传动误差，对丝杠螺母机构的精度要求较低；传感器布置较困难；不适合工作台的位移较大的场合。7、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，方案a和方案b如图所示，传感器采用光电编码器。试比较两种测量方案的优缺点。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，对编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，布置容易，外观较好。方案B为低速端测量方案，同样的测量精度要求，对编码器的精度要求较高，成本比方案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，外观较差。在实际应用在中，多采用方案A。23 / 23文档可自由编辑打印