机电一体化系统设计小结
第一章
1-1试说明较为人们所接受的机电一体化的含义。
机电一体化乃是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。
1-2机4电一体化的目的是什么？
机电一体化的目的是提高系统（产品）的高附加价值，即多功能、高效率、高可靠性、省材料省能源，并使产品结构向轻、薄、短、小巧化方向发展，从而不断满足人们生活的多样化和生产的省力化、自动化需求。
1-3机电一体化时代的特征是什么？
机电有机结合
1-4何谓机电一体化技术革命？
将微型计算机等微电子技术用于机械并给机械以“智能”的技术革新潮流可成“机电一体化技术革命”。
1-7机电一体化系统由哪些基本要素组成？分别实现哪些功能？机电一体化系统（产品）要素功能控制器（计算机等）控制（信息储存、处理、传送）检测传感器计测（信息收集与变换）执行元件驱动（操作）动力源提供动力（能量）机构构造
1-8工业三大要素指的什么？物质、能量和信息
1-9机电一体化的三大效果是什么？省能、省资源、智能化
1-11机电一体化系统（产品）的主要评价内容是什么？机电一体化系统（产品）高附加价值比主功能高性能化低价格化计测、控制功能高可靠性化动力功能智能化
构造功能省能化轻薄短小化1-12机电一体化系统的接口功能有哪两种？
从系统外部看，机电一体化系统的输入/输出与人、自然及其他系统之间的接口；从系统内部看，机电一体化系统是由许多接口将系统的构成要素输入/输出联系为一体的系统。
1-13根据不同的接口功能说明接口的种类。
根据接口的交换、调整功能分为：①零接口②无源接口③有源接口④智能接口根据接口的输入/输出功能分为：①机械接口②物理接口③信息接口④环境接口1-14机电一体化工程与系统工程有何异同？系统工程机电一体化工程产生年代20世纪50年代(美国)20世纪70年代（日本）对象大系统小系统机器基本思想系统概念机电一体化概念（系统及接口概念）技术方法利用软件进行优化、仿真、硬件的超精密定位、超精密加工、优化设计、鉴定、检查等微机控制及仿真等信息处理系统大型计算机微型计算机阿波罗计划CNC机床银行在线系统ROBOT（机器人）实例日本新干线VTR（录像机）、DVD航天飞机、人造卫星等照相机、摄像机等共同点应用计算机，具有实用性、综合性、复合性1-15说明机电一体化系统设计的设计思想方法。
①计算机辅助设计②虚拟产品设计③快速响应设计④绿色设计⑤反求设计⑥网络合作设计
1-16什么是机电互补法、融合法、组合法？
机电互补法：又称取代法，该方法的特点是利用通用或专用电子部件取代传统机械产品（系统）中的复杂机械功能部件或功能子系统。
融合法：它是将各组成要素有机结合为一体构成专用或通用的功能部件（子系统），其要素之间机电参数的有机匹配比较充分。
组合法：它是将结合法制成的专用或通用功能部件（子系统）、功能模块，像积木那样组合成各个机电一体化系统（产品），故称组合法。
1-17开发性设计、变异性设计、适应性设计有何异同？
开发性设计：它是没有参照产品的设计，仅仅是根据抽象的设计原理和要求，设计出在质量和性能方面满足目的要求的产品（系统）。
变异性设计：它是在设计方案和功能结构不变的情况下，仅改变现有产品的规格尺寸使之适应于量的方面有所变更的需求。
适应性设计：它是在总的设计方案、原理基本保持不变的情况下，对现有产品进行局部更改，或用微电子技术代替原有的机械结构或为了进行微电子控制对机械结构进行局部适应性设计，以使产品在性能和质量上增加某些附加价值。1-19现代设计方法与传统设计方法相比较有何突出特点？
现代设计方法与用经验公式、图表和手册为设计依据的传统设计方法不同，它是以计算机为辅助手段进行机电一体化系统设计的有效方法。其设计步骤通常是：技术预测-市场需求-信息分析-科学类比-系统设计-创新性设计-因时制宜的选择各种具体的现代设计方法-机电一体化系统设计质量综合评价等。
1-20简述计算机辅助设计与并行工程、虚拟设计、快速响应设计、绿色设计、反求设计等的含义。
计算机辅助设计：是设计机电一体化船票（系统）的有力工具。用来设计一般机械产品的CAD的研究成果，包括计算机硬件和软件，以及图像仪和绘图仪等外围设备，都可以用于机电一体化产品的设计，需要补充的不过是有关机电一体化系统设计和制造的数据、计算方法和特殊表达的形式而已。
并行工程：是把产品（系统）的设计、制造及其相关过程作为一个有机整体进行综合（并行）协调的一种工作模式。
虚拟产品设计：是虚拟环境中的产品模型，是现实世界中的产品在虚拟环境中的映像。快速响应设计：是实现快速响应工程的重要一环。是企业面对瞬息万变的市场环境，不断迅速开发适应市场需求的新系统（产品），以保证企业在激烈竞争环境中立于不败之地的重要工程。
绿色设计：是从并行工程思想发展而出现的一个新概念。就是在新系统（产品）的开发阶段，就考虑其整个生命周期内对环境的影响，从而减少对环境的污染、资源的浪费、使用安全和人类健康等所产生的副作用。
反求设计：反求设计思想属于反向推理、逆向思维体系。
网络合作设计：是现代设计最前沿的一种方法。其核心是利用网络工具来汇集设计知识、资源以及知识获取的方法进行设计。
第二章
2-1设计机械传动部件时，为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，常提出哪些要求？低摩擦、无间隙、低惯量、高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比等要求。
2-2机电一体化系统传动机构的作用是什么？传递转矩和转速
2-3机电一体化系统（产品）对传动机构的基本要求是什么？
对工作机中的传动机构，既要求能实现运动的变换，又要求能实现动力的变换；对信息机中的传动机构，则主要要求具有运动的变换功能，只需要克服惯性力（力矩）和各种摩擦阻力（力矩）及较小的负载即可。
2-4简述丝杠螺母机构的分类及其特点。
丝杠螺母机构主要用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。这些传动机构既有以传递能量为主的（如螺旋压力机、千斤顶等），也有以传递运动为主的（如工作台的进给丝杠），还有调整零件之间相对位置的（如螺旋传动机构）。
2-6丝杠螺母副的组成要素有哪些？
滚珠丝杠副构成原理：1-反向器；2-螺母；3-丝杠；4-滚珠。2-7滚珠丝杠副的传动特点？
轴向刚度高、运动平稳、传动精度高、不易磨损、使用寿命长等特点。
2-9滚珠丝杠副消除轴向间隙的调整预紧方法有哪些？
1、双螺母螺纹预紧调整式2、双螺母齿差预紧调整式3、双螺母垫片调整预紧式4、弹簧式自动调整预紧式
5、单螺母变位导程预紧式和单螺母滚珠过盈预紧式
2-13简述滚珠丝杠副的支承方式及特点？
1单推单推式：轴向刚度较高，预拉伸安装时，预紧力较大，但轴承寿命比双推双推式低。
2双推双推式：该方式适合于高刚度，高转速，高精度的精密丝杠传动系统。
3双推简支式：双推端可预拉伸安装，预紧力小，轴承寿命较高，适用于中速、传动精度较高的长丝杠传动系统。
4双推自由式：轴向刚度和承载能力低，多用于轻载、低速的垂直安装的丝杠传动系统。
2-15齿轮传动部件的作用有哪些？
传递转矩、改变转速、改变转向
2-16各级传动比的分配原则是什么？输出轴转角误差最小原则是什么？
1重量最轻原则
2输出轴转角误差最小原则：为了提高机电一体化系统齿轮传动系统传递运动的精度，各级传动比应按先小后大的原则分配，以便降低齿轮的加工误差、安装误差以及回转误差对输出转角精度的影响。
3等效转动惯量最小原则
2-18谐波齿轮传动有何特点？传动比的计算方法是什么？
具有结构简单、传动比大（几十~几百）、传动精度高、回程误差小、噪声低、传动平稳、承载能力强、效率高等一系列优点。
传动比计算方法：①.当柔轮固定时，r0，则
irgHHgHzgzrH,g1zrzgzgzrzg,iHgHgzgzgzr
设zr200、zg202时，则iHg101。结果为正值说明刚轮与波形发生器转向相同。②.当刚轮固定时，g0，则
rH0Hzgzr,1rHzgzr,iHrHrzrzrzg
设zr200、zg202时，则iHr100。结果为正值说明柔轮与波形发生器转向相反。2-20轮传动的齿侧间隙的调整方法有哪些？
圆柱齿轮传动1、偏心套调整法2、轴向垫片调整法3、双片薄齿轮错齿调整法斜齿轮传动
2-21简述导轨的主要作用，导轨副的组成、种类及应满足的基本要求。
导向支承部件的作用是支承和限制运动部件按给定的运动要求和规定的运动方向运动。导轨副主要由承导件和运动件两部分组成。
种类：滑动导轨、滚动导轨、流体介质摩擦导轨、开式导轨、闭式导轨。
基本要求：导向精度高、刚性好，运动轻便平稳，耐磨性好，温度变化影响小以及结构工艺性好。
2-23简述旋转支承的种类及其基本要求。
按其相互摩擦的性质可分为滑动、滚动、弹性、气体（或液体）摩擦支承。
对支承的要求应包括：1方向精度和置中精度；2摩擦阻力矩的大小；3许用载荷；4对温度变化的敏感性；5耐磨性以及磨损的可补偿性；6抗振性；7成本的高低；
第三章
3-3简述控制用电动机的功率密度及功率的定义。
电动机的功率密度：PGP/G
电动机的功率比：dp/dtd(T)/dtTNd/dtTTNTN/Jm。
23-6简述PWM直流驱动调速、换向的工作原理。
3-9简述步进电机的种类及特点。
种类：①可变磁阻型②永磁型③混合型
特点：①步进电机的工作状态不易受各种干扰因素的影响，只要在它们的大小未引起步进电机产生“丢步”现象之前，就不影响其正常工作；②步进电机的步距角有误差，转子转过一定步数以后也会出现累积误差，但转子转过以转以后，其累积误差变为“零”，因此不会长期累积；③控制性能好，在起动、停止、反转时不易“丢步”。
3-11简述步进电机步距角大小的计算方法。
α=360°/（zm）z转子齿数
m运行拍数，通常等于相数或相数整数倍，即m=KN
第四章
4-1是说明CPU、MC与MCS之关系。
4-3在设计微机控制系统中首先会遇到的问题是什么？
通常先从系统构成上考虑是采用开环控制还是闭环控制，当采用闭环控制时，应考虑采用何种检测传感元件，检测精度要求如何。
4-4从控制的角度出发所选择的微机应能满足哪些要求。
1、较完善的中断系统2、足够的存储容量
3、完备的输入/输出通道和实时时钟
4-10单片机具有哪些独特优点。
单片机具有集成高度、功能强、通用性好，特别是体积小、重量轻、能耗低、价格低，而且可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点。
4-13试说明七段LED的组成原理。
通常的七段LED显示块中有八个发光二极管，故也叫八段显示块。其中七个发光二极管构成七笔字形“8”，一个发光二极管构成小数点。只要将一个8位并行输出口与显示块的发光二极管引脚相连即可。8位并行输出口输出不同的字节数据即可获得不同的数字或字符。
4-14静态显示与动态显示的主要区别有哪些。
静态显示时，较小的电流能得到较高的亮度，所以由8255的输出口直接驱动。动态显示就是一位一位地轮流点亮显示器（扫描）。对于每一位显示器来说，每隔一段时间点亮一次。
4-17试说明发光耦合器的光电隔离原理。
发光隔离电路主要由光电耦合器的光电转换原件组成。控制输出时，微机输出的控制信号经74LS04非门反相后，加到光电耦合器G的发光二极管正端。当控制信号为高电平时，经反相后，加到发光二极管正端的电平为低电平，因此，发光二极管不导通，没有光发出。这时光敏晶体管截止，输出信号几乎等于加在光敏晶体管集电极上的电源电压。当控制信号为低电平时，发光二极管导通并发光，光敏晶体管接收发光二极管发出的光而导通，于是输出端的电平几乎等于零。同样道理，可将光电耦合器用于信息的输入。当然。光电耦合器还有其他链接方式，以实现不同要求的电平或极性转换。
4-18试说明常用传感器种类、原理及其特性参数。
开关型、模拟型、数字型。
根据被测物理量的不同，常用的传感器可以按用途分为位移和位置传感器、速度和加速度传感器、力和力矩传感器、温度传感器、湿度传感器等。
传感器的基本工作原理有电阻式、电感式、磁电视、电容式、光电式等，因此各种相应的传感器也可以按其工作原理分为电阻式、电感式、磁电式、电容式、光电式传感器。
参数特性：
扩展阅读：《机电一体化系统设计基础》期末复习小结
一、判断题
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。（√）
PLC采用扫描工作方式，扫描周期的长短决定了PLC的工作速度。（√）
PLC完善的自诊断功能，能及时诊断出PLC系统的软件、硬件故障，并能保护故障现场，保证了PLC控制系统的工作安全性。（√）
传动机构的转动惯量取决于机构中各部件的质量和转速。（×）
传感器在使用前、使用中或修理后，必须对其主要技术指标标定或校准，以确保传感器的性能指标达到要求。（√）电液伺服系统的过载能力强，在强力驱动和高精度定位时性能好，适合于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。（√）感应同步器是一种应用电磁感应原理制造的高精度检测元件，有直线和圆盘式两种，分别用作检测直线位移和转角。（√）
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。（√）滚珠丝杠垂直传动时，必须在系统中附加自锁或制动装置。（√）
机电一体化系统的机械系统与一般的机械系统相比，应具有高精度、良好的稳定性、快速响应性的特性。（√）计算机控制系统的采样周期越小，其控制精度就越高。（√）
计算机控制系统设计完成后，首先需要对整个系统进行系统调试，然后分别进行硬件和软件的调试。（×）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ξ取值越小越好。（×）
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。（×）脉冲分配器的作用是使电动机绕组的通电顺序按一定规律变化。（√）目前，大部分硬件接口和软件接口都已标准化或正在逐步标准化，设计时可以根据需要选择适当的接口，再配合接口编写相应的程序。（√）
气压式伺服驱动系统常用在定位精度较高的场合使用。（×）
驱动部分在控制信息作用下提供动力，伺服驱动包括电动、气动、液压等各种类型的驱动装置。（√）
数控机床中的计算机属于机电一体化系统的控制系统，而电机和主轴箱则属于系统的驱动部分。（×）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。（×）
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。（√）
双螺母消除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。（×）通常，步进电机的最高连续工作频率远大于它的最高启动频率。（√）
通用型计算机系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。（×）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。（×）无论采用何种控制方案，系统的控制精度总是高于检测装置的精度。（×）
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。（×）现代嵌入式系统的设计方法是将系统划分为硬件和软件两个独立的部分，然后按各自的设计流程分别完成。（×）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。（√）虚拟设计是在基于多媒体的、交互的、嵌入式的三维计算机辅助设计环境中进行实体建模和装配建模，生成精确的系统模型，并在同一环境中进行一些相关分析，从而满足工程设计和应用的需要。（√）
需求设计是指新产品开发的整个生命周期内，从分析用户需求到以详细技术说明书的形式来描述满足用户需求产品的过程。（√）
选择传感器时，如果测量的目的是进行定性分析，则选用绝对量值精度高的传感器，而不宜选用重复精度高的传感器。（×）
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。（×）
永磁型步进电动机即使其定子绕组断电也能保持一定转矩，故具有记忆能力，可用于定位驱动。（√）在闭环系统中，因齿轮副的啮合间隙而造成的传动死区能使系统以6~10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。（×）
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。（×）
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。（√）自动控制是在人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定的规律运行。（×）二、单选题
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）。
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）。
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不会影响输出精度）。步进电机转动后，其输出转矩随着工作频率增高而（下降）。
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，从而实现直流电动机的平滑调速。
齿轮传动的总等效惯量随传动级数(增加而减小)。传动系统的固有频率对传动精度有影响，（B）固有频率可减小系统地传动误差，（A）系统刚度可提高固有频率。A．提高，提高
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。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。幅频特性和相频特性是模拟式传感器的（动态特性指标）。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。（此光栅传感器测量分辨率是（0.01）mm。）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）。
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。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）。
某机电一体化系统需要消除齿轮传动的齿侧间隙，采取下列哪种方法使得调整过程中能自动补偿齿侧间隙？（轴向压簧错齿调整法）
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）。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）
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）。
下列哪个是传感器的动特性（幅频特性）。
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）
以下产品不属于机电一体化产品的是（电子计算机）。以下产品属于机电一体化产品的是（全自动洗衣机）。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。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°）。a=360/(znk)=360/(24*5*2)在开环控制系统中,常用（步进电动机）做驱动元件。二、简答题
滚珠丝杠副消除轴向间隙的调整预紧方法有哪些？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、双螺母差齿预紧调整式、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。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。步进电机的步矩角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。
-1-
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。
什么是步进电机的步距角？它由哪些参数确定？定子绕组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α步进电挠的步距角α=360/(zm)，所以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。
齿轮传动中齿侧向间隙对系统有何影响?如何消除直齿圆柱齿轮的齿侧间隙?
齿轮的啮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。常用调整直齿圈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。
完善的机电一体化系统主要包括哪几部分？
机械本体、动力系统、检测传感系统、执行部件、信息处理及控制系挠五部分相互协调，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，构成内部阻配合理飞外部效能最佳的完整产品。简述机电一体化系统中的接口的作用。
机电一体化系统中的接口的作用是实现系统与外部（其他系统、操作者、环境）的连接，一般分为机械接口、电气
接口两方面。
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？因为适当选择机械运动中的摩擦和阻尼会，可提高系统的稳定性、保证系统具有良好的动态特性。
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啊，而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。
何谓概念设计？简述概念设计的设计过程。
对概念设计表述为：“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。”
概念设计过程的步骤及采用的方法如图1所示
图1概念设计步骤
如何进行机电一体化系统的可靠性设计？
可靠性是指系统在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。通常用“概率”表示“能力”来实现可靠性指标的量化。
（1）机电一体化系统的可靠性设计（2）控制系统可靠性设计（3）软件的可靠性技术
简述HRGP－1A喷漆机器人的示教再现过程。
HRGP－1A喷漆机器人由操作机、微型计算机控制装置、液压能源三部分组成。所谓示教，即操作人员用手操纵操作机的关节和手腕，展示操作过程，由于计算机通过传感器将示教过程检测到的参数存入存储器。所谓再现，即是将存储器存放的信息取出，经插补运算与采样得到的位置数据比较，然后将差值输出，控制操作机按示教过程轨迹运动。
简述数控设备中计算机数控装置的组成和功能。
（1）数控设备中计算机数控装置的组成：运算器、控制器、存储器、输入接口及输入设备（键盘、鼠标、模数转换器）、输出接口及输出设备（显示器、指示灯、数模转换器等）、系统软件和应用软件等。（2）数控设备中计算机数控装置的功能：存储器：用于存储数据、指令；运算器：用于进行算术和逻辑运算；控制器：用于执行指令；输入接口：是微处理器接收外界信息的通道，有数字量、模拟量之分；输入设备：键盘、鼠标用于接收用户指令；模数转换器用于接收位置检测信息。输出接口：是微处理器向外界传递信息的通道，有数字量、模拟量之分；输出设备：显示器、指示灯用于显示计算机处理的结果或当前机床的状态；数模转换器用于将计算机计算的结果输出去，以便于控制。系统软件：控制、管理微机的软件，提供应用软件的支撑平台；应用软件：用户为解决实际问题而编写的程序。如何进行机电一体化系统的可靠性设计？
可靠性是指系统在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。通常用“概率”表示“能力”来实现可靠性指标的量化。（1）机电一体化系统的可靠性设计（2）控制系统可靠性设计（3）软件的可靠性技术简述HRGP－1A喷漆机器人的示教再现过程。
HRGP－1A喷漆机器人由操作机、微型计算机控制装置、液压能源三部分组成。所谓示教，即操作人员用手操纵操作机的关节和手腕，展示操作过程，由于计算机通过传感器将示教过程检测到的参数存入存储器。所谓再现，即是将存储器存放的信息取出，经插补运算与采样得到的位置数据比较，然后将差值输出，控制操作机按示教过程轨迹运动。
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。需要了解的主要参数有：线性范围、线性度、灵敏度、精确度、分辨力、迟滞、稳定性。
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。需要了解的主要参数有：幅频特性和相频特性。什么是伺服系统？伺服系统的一般组成有哪几个部分？伺服系统又称随动系统，它是以机械位置、速度和加速度为控制对象，在控制命令指挥下，控制元件的工作，使机械运动部件按照命令要求运动。一般来说，伺服系统组成框图如图所示。
伺服系统组成框图
（1）控制器：伺服系统中控制器的主要任务是根据输入信号和反馈信号决定控制策略，控制器通常由电子线路或计算机组成。（2）功率放大器：伺服系统中功率放大器的作用是将信号进行放大，并用来驱动执行机构完成某种操作，功率放大装置主要由各种电力电子器件组成。（3）执行机构：执行机构主要由伺服电动机或液压伺服机构和机械传动装置等组成。（4）检测装置：检测装置的任务是测量被控制量，实现反馈控制。无论采用何种控制方案，系统的控制精度总是低于检测装置的精度，因此要求检测装置精度高、线性度好、可靠性高、响应快。
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。
（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。由于体现同一功能的产品可以有多种多样的工作原理。（6）方案进行整体评价：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。
简述直流伺服电动机脉宽调制的工作原理。
直流伺服电动机脉宽调制（PWM）的工作原理：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ua，使直流电动机平滑调速。
比较直流伺服电动机和交流伺服电动机的适用环境差别。
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。
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？
仿真根据采用的模型可以分为：计算机仿真、半物理仿真、全物理仿真。计算机仿真：应用于系统设计阶段；半物理仿真：应用于部件及子系统研制阶段；全物理仿真：应用于系统研制阶段。
PID控制算法中比例、积分、微分部分各起何作用？比例调节起纠正偏差的作用，其反应迅速；积分调节能消除静差，改善系统静态特性；微分调节有利于减少超调，加快系统的过渡过程。
系统采样周期的选择时，主要考虑的影响因素主要有哪些？答：（1）根据香农采样定理，确定采样周期：T/max，其中max为被采信号角频率上限。（2）采样周期应大于执行元件动态调节稳定时间。（3）从系统随动性和抗干扰的角度，采样周期应尽可能小，这样时延小，反映迅速。（4）在多回路控制中，由于采用巡检控制方式，采样周期应足够大，以确保在一个采样周期内，能处理完所有回路的算法计算。（5）从计算机的精度上讲，采样周期不应太小。
简述下图所示梯形图的工作过程及逻辑关系，图中接线为：开关1（I0.0），开关2（I0.1），开关3（I0.2），红灯（Q0.0），绿灯（Q0.1）。
解：由图可知：开关1、开关2为常开，开关3为常闭，当开关1、开关2接通、开关3为常闭状态时，红灯能亮，同时启动定时器T0，沿时3秒，3秒后如果开关3为常闭状态，则绿灯亮。Q0.0I0.0I0.1I0.2
T0Q0.03S
Q0.1T0I0.2四、综合题
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。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。
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：当装在被测轴(或与被测轴相连接的输入轴)上的带缝隙圆盘转动时，光敏元件接收到脉冲信号，若转动圆盘上缝隙是均匀刻制，总数量为N，则光敏元件每输出N个脉
冲，就意味着圆盘转动一周360；若输出M个脉冲，就意味着转过360*M/N，因此，该传感器可以用于测量角度。如果在T秒时间内转过输出M个脉冲，就意味着转速为360*M/N/T(/s)因此，该传感器也可以用于测量角速度。
-2-
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。
（a）减速器滚筒驱动（b）丝杠滑台驱动
解：（1）分析两种方案的特点：电机经减速器带动滚筒转动，使驱动绳产生位移；电机带动丝杠转动，丝杠上的螺母便产生直线运动，带动驱动绳产生位移。
（2）画图说明方案（a）减速器滚筒驱动测量位移的方法
分析下图调整齿侧间隙的原理。
1.锁紧螺母2.圆螺母3.带凸缘螺母4.无凸缘螺母
答：图中所示的双螺母螺纹预紧调整齿侧间隙，双螺母中的
一个外端有凸缘，一个外端无凸缘，但制有螺纹，它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。旋转圆螺母可调整消除间隙并产生预紧力，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。1、6－小齿轮2、5－大齿轮3－齿轮4－预载装置
7－齿条
答：小齿轮1、6与齿条7啮合，与小齿轮1、6同轴的大齿轮2、5分别与齿轮3啮合，通过预载装置4向齿轮3上预加负载，使齿轮2、5同时向相反方向移动，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
分析图中整体式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周户程序。(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。
五、计算题
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。
简述对滚珠丝杆副进行间隙调整和预紧方法
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）丝杠旋转一周有1024个脉冲，307200个脉冲对应于丝杠旋转307200/1024=300周，故刀架的位移量为300*2mm=600mm，
（2）丝杠的转速为300*2π//10=60π（弧度/秒）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）K=3相，N=3拍，z=100
步进电机的步距角α=360/(z*m)=360/(z*K*N)=360/(100*3*3)=0.4
（2）由于一个脉冲，步进电机旋转0.4，工作台横向(x向)脉冲当量0.005mm，由于滚珠丝杠的基本导程为
l0=6mm，对应于丝杠转动一周360，设一个脉冲丝杠转动的角度为x，则6mm/360=0.005/x，得x=0.3故减速齿轮的传动比i=0.3/0.4=3/4
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=4×10-4kg〃m3，与电机输出轴相连的小齿轮的转动惯量J1=1×10-4kg〃m3，大齿轮的转动惯量J2=1.8×10-4kg〃m3，丝杠的转动惯量Js=3.8×
10-4kg〃m3。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。
图直流电机丝杠螺母机构驱动工作台解：（1）JG=m（t/2π）2=50*1000*(0.005/2/3/14)2=0.03166(kg〃m3)
(2)Je=(J2+Js+JG)/i2=（1.8×10-4+3.8×10-4+316.6×10-4）/52=12.88×10-4(kg〃m3)
(3)J=J1+Je=1×10-4+12.88×10-4=13.88(kg〃m3)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：Δφmax=Δφ1/(i1*i2*i3*i4)+(Δφ2+Δφ3)/(i2*i3*i4)+(Δφ4+Δφ5)/(i3*i4)+
(Δφ6+Δφ7/(i4)+Δφ8=
=0.01/34+0.02/33+0.02/32+0.02/3+0.01=0.01975（弧度）
（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？
图直流电机丝杠螺母机构驱动工作台
解：（1）设工作台位移（测量精度）0.005mm时，丝杠转动的角度为X，则有
360X4mm0.005mm得：X0.45，若对应于电机轴的角度为Y，则
YiX2.25，安装在电机输出轴上的旋转编码器共
有360，故旋转编码器的每转脉冲数为360/2.2516（2）因为360/0.4580>ns=500，故不合用。图示为电枢控制式直流电动机的工作原理图。图中电机线圈的电流为i；L与R为线圈的电感与电阻；电机的输入电压为u；折算到电机转子轴上的等效负载转动惯量为JM；电机输出转矩和转速分别为T和ω；KE和KT分别为电枢的电势常数和转矩常数，试求输出转速与输入电压之间的传递函数。
解：uiRLi"KE(1)KTiJM"(2)在零初始条件下进行拉氏变换：
U(s)I(s)RLsI(s)KE(s)(3)KTI(s)JMs(s)(4)
由（4）式得I(s)JMs(s)/KT，带入到（3）式，得输
出转速与输入电压之间的传递函数
(s)KU(s)TLJMs2RJMsKEKT五、综合题
1．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：齿轮减速器存在两种误差：传动误差和回程误差。传动误差主要由温度或弹性导致的齿轮变形产生；回程误差主要是由齿轮间隙造成。为提高齿轮传动系统中传递运动的精度，各级传动比应按“先小后大”原则分配，设各级转角误差为
k、第k个齿轮到第n级输出轴的传动比为
ikn，设各级转角误差折算到末级输出轴上的总误差为
n/imaxmaxknk丝杠螺母机构传动误差主要由丝杠与螺母之间的间隙决k1
定，通常可由其间的调整、预紧调整到最小程度，由于这个误差是在末级上，其大小直接影响输出精度。传感器的误差对输出精度的影响是通过控制产生的，由于传感的误差必然导致控制的误差。可以说，传感器的误差直接决定对输出精度的影响。2．用PLC实现对一台电动机的正反转控制。控制要求为：首先电动机正转起动，3秒后自动反转，反转2秒后自动又回到正转，如此循环；可以随时停车。（1）写出I/O分配表；
（2）选择PLC，画出梯形图。
解：（1）电动机正转起动开关I0.0，电动机正转Q0.0，电动机反转Q0.1，电动机停转开关I0.1。
-3-
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？
解答：图中各部可分为：（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？
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。
如图所示的系统，试分析传感器的误差对输出精度的影响。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（分辨率等）直
接影响输出精度，它决定了系统精度的上限。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。
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。
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。
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
F,最大加速度为10m/s2,丝杠直径为
l1000Nd=16mm,导程t=4mm,齿轮减速比为
i=5,总效率为
30%，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外负载力F惯性负
l1000N载力FmFmma5010500N（2）电机上的负载力矩
T1it2(F)1mlFm为
14103
52(1000500)10.3如图所示电机驱动系统，
0.63Nm已知工作台的质量为m=200Kg，负载力为Fl1500N，最大加速度为a＝5m/s2,工作台与导轨之间的摩擦系数μ=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30%，忽略丝杠惯量的影响，试计算电机的驱动力矩。（重力加速度取g＝10m/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F1500N
l惯性负载力Fmma201*1000N
摩擦力
Ffmg0.1201*0200N
（2）电机上的负载力矩为
T1t1m
i2(FlFmFf)18103152(15001000200)0.32.29Nm
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