中央電大機電一體化系統(tǒng)設計基礎考試題庫

1、（一）填空題機電一體化系統(tǒng)常用的能源有電源、氣壓源和液 壓源。市場預測的方法主要有定期預測和定量預測。機電設計的質量管理主要體現(xiàn)在質量目標管理、 實行可行性設計和進行手機質量評審控制及信息處理單元一般由控制計算機、控制軟 件和硬件接口組成。在多級傳動中，為了減小傳動誤差，傳動比的分 配應遵守先小后大原則。機電系統(tǒng)中，機械傳動要滿足伺服控制在精度、 穩(wěn)定性和快速響應性等方面的要求。影響系統(tǒng)傳動精度的誤差可分為傳動誤差和回程 誤差兩種對于線性控制系統(tǒng)，若要求在達到高精度的同時 減小定位時間，則必須提高系統(tǒng)的固有頻率。提高 固有頻率和阻尼可以提高閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。液壓系統(tǒng)的伺服控制元件主要有電液伺服

2、閥和電 液比例閥典型開關量 I/O 模板的 I/O 電氣接口的主要功能 有濾波、電平變換、光電隔離和功率驅動。計算機的指令進行 D/A 轉換后，需經(jīng)過信號調理 環(huán)節(jié)才能驅動執(zhí)行機構。傳感器由敏感元件、轉換元件和基本轉換電路組 成。傳感器的靜態(tài)特性參數(shù)主要有靈敏度、線性度、 遲滯和重復精度。傳感器輸入特性的主要參數(shù)是輸入阻抗或靜態(tài)剛 度。執(zhí)行機構，選擇較大傳動比可使系統(tǒng)的相對阻尼 系數(shù)增大，有利系統(tǒng)穩(wěn)定。機電產(chǎn)品設計類型可分為開發(fā)性設計、適應性設 計、變參數(shù)設計三類。當負載折算到電機軸上的慣量等于轉子質量時， 系統(tǒng)能達到慣性負載和驅動力矩的最佳匹配。步進電機的最大動態(tài)轉矩小于最大靜轉矩，并隨 著

3、脈沖頻率的升高而降低。（二）選擇題開放式體系結構中的 VLSI 是指（超大規(guī)模集成電 路）以下移動電話不屬于機電一體化產(chǎn)品。數(shù)控機床需要進行抗干擾設計。幅頻特性和相頻特性（或頻率響應函數(shù)）是傳感 器動態(tài)特性指標絲杠螺母機構在閉環(huán)外，所以它回程誤差和傳動 誤差都影響輸出精度閉環(huán)控制，齒輪減速器在前向通道，它回程誤差 不影響輸出精度，但傳動誤差影響步進電機轉動后，其輸出轉矩所工作頻率增高而 下降采用脈寬調制進行直流電動機調速驅動是，通過 改變脈沖寬度來改變電樞賄賂的平均電壓而實現(xiàn)機 的平滑調速。數(shù)控機床進給系統(tǒng)的伺服電機屬于設備的驅動部 分。分離活塞式油缸屬于系統(tǒng)中的驅動部分在工業(yè)機器人的設計中傳

4、感器的選擇及精度分析 是理論分析階段要進行為提高機話接卸傳動系統(tǒng)的固有頻率，應增大系 統(tǒng)剛度。機械系統(tǒng)的剛度對系統(tǒng)的主要影響表現(xiàn)為固有頻 率、精度、穩(wěn)定性。多齒輪傳動中，各級傳動比相等的分配原則適用 于按輸出軸的轉角誤差最小原則設計的傳動鏈前大后小的分配原則適用于重量最輕原則（大功 率裝置）頻矩特性表示步進電機最大動態(tài)轉矩與脈沖頻率 的關系永磁式直流伺服電機又稱為力矩電機STD 總線的 A/D 轉換接口模板中，出 A/D 轉換器 及 STD 總線接口邏輯外，還應有多路開關與采樣保 持器（三）簡答題機電相關技術有哪些 機械技術、計算機與信息處理技術、系統(tǒng)技術、自 動控制技術、傳感器測試技術和伺服

5、驅動技術。試述機電一體化產(chǎn)品的定義和分類方法。 答：機電一體化產(chǎn)品是新型機械與微電子器件，特 別是與微處理器、微型計算機相接合而開發(fā)的新一 代電子化機械產(chǎn)品。 按用途可分為信息機電一體化產(chǎn)品、產(chǎn)業(yè)機電一體 化產(chǎn)品和家庭用機電一體化產(chǎn)品。1機電一體化系統(tǒng)的基礎結構要素有哪些？噴漆機 器人的電液伺服系統(tǒng)和手臂手腕分別屬于其中的那 個結構要素？數(shù)控系統(tǒng)、主傳動系統(tǒng)答：要素有機械本體，能源，測試傳感部分，執(zhí)行 機構，驅動部分，控制及信息處理單元等 6 項。電 液伺服系統(tǒng)屬驅動部分，手臂腕、主傳動系統(tǒng)屬執(zhí) 行機構的一部分，數(shù)控系統(tǒng)屬控制及信息處理單元。簡述數(shù)控機床中計算機數(shù)控裝置的組成和功能。 答：由專

6、用計算機、輸入輸出接口以及機床控制器 等部分組成。功能：根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)和程序，完成 數(shù)據(jù)運算、邏輯判斷、輸入輸出控制等功能機電系統(tǒng)中，對控制及信息處理單元的基本要求 是？信息處理速度和可靠性，增強抗干擾能力，完善系 統(tǒng)自診斷功能，實現(xiàn)信息處理智能化和小型化，輕 量，標準化等。機電產(chǎn)品對機械傳動系統(tǒng)有哪些要求 精度、穩(wěn)定性、快速響應性、還應滿足小型、輕量、 高速、低沖擊振動、低噪聲、高可靠性。機電系統(tǒng)中，測試傳感部分的作用是什么？ 答：對系統(tǒng)運行中所需要的本身和外部環(huán)境的各種 參數(shù)及狀態(tài)進行檢測，傳輸?shù)叫畔⑻幚韱卧?，?jīng)分 析處理后產(chǎn)生控制信息。影響機電一體化系統(tǒng)傳動機構動力學特征的主要 因素有那

7、些？ 答：主要因素有負載變化；傳動系統(tǒng)的慣性；傳動系統(tǒng)固有頻率；傳動系統(tǒng)中的摩擦與潤滑。why 采用機電可提高系統(tǒng)精度？ 答機電技術使機械傳動部分減少，因而使機械磨損， 配合間隙及受力變形等引起的誤差大大減少，同時 采用電子技術實現(xiàn)自動檢測，控制，補償和校正因 各種干燒因素造成的誤差，從而提高精度。為減少機械系統(tǒng)的傳動誤差，可采用那些結構措 施？ 答：適當提高零部件本身的精度；合理設計傳動鏈， 減少零部件制造、裝配誤差對傳動精度的影響；采 用消隙機構，以減少或消除回程誤差。什么是步進電機的步距角？他是由那些參數(shù)確定 的？ 答：步進電機在每輸入一個電脈沖信號，轉子所轉 過的角度為步距角。由步進電

8、機的相數(shù)、電機轉子 的齒數(shù)和電機的通電方式?jīng)Q定。步進電機是如何實現(xiàn)速度控制的。答：步進電機的運動由輸入的電脈沖信號控制，電 機繞組每接收一個脈沖，轉子就轉過一個響應的角 度，其角位移量與輸入脈沖的個數(shù)嚴格成正比。在時間上與輸入脈沖同步。因而只需要控制輸入脈沖 的數(shù)量、頻率和電機繞組的相序，即可控制轉動的 速度和方向。簡述開關量輸入模板的基本組成。 答：由外部開關設備、輸入信號調理電路、輸入緩 沖器、輸入端口譯碼、（STD 總線）。簡述開關量輸出模板的基本組成。答：STD 總線信號、輸出端口譯碼控制、輸出數(shù)據(jù) 所存、輸出信號調整電路、負載。工業(yè) PC 機和個人計算機的主要差別是什么？ 答：大母版

9、改為功能插板，具有豐富的過程輸入輸 出功能；具有良好的實時性，能夠對生產(chǎn)過程工況 變化實時監(jiān)控；抗干擾電源，密封機箱，具有良好 的環(huán)境適應性；具有豐富的應用軟件。齒輪傳動中齒側間隙對系統(tǒng)有何影響，如何消除 圓柱直齒輪的齒側間隙？ 答：齒輪的嚙合間隙會造成傳動死區(qū)，若死區(qū)在閉 環(huán)系統(tǒng)中，則可能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，使系統(tǒng)內高以15 倍間隙角產(chǎn)生的低頻振蕩。為降低制造成本， 多采用各種調整齒側間隙的方法來消除或減少嚙合 間隙，常法有偏心套調整法、軸向墊片法、雙片薄 齒輪錯齒法等。機電系統(tǒng)仿真的模型主要有哪幾種？分別應用于 系統(tǒng)設計的那個階段。 答：仿真模型有物理模型、數(shù)學模型和描述模型。 當仿真模型為物

10、理模型時，為全物理仿真，系統(tǒng)研 制階段；是數(shù)學模型時，稱為數(shù)學仿真，分析設計 階段。用已研制出來的系統(tǒng)中的實際部件或子系統(tǒng) 替代部分數(shù)學模型所構成的為半物理仿真，部件及 子系統(tǒng)研制階段。仿真再設計中起到的作用是什么？ 在項目的設計和規(guī)劃時需要對項目的合理性、經(jīng)濟 型等品質加以評價；在系統(tǒng)實際運行前，要對項目 的實施結果加以預測，一邊選擇正確、高效的運行 策略或提前消除設計中的缺陷，最大限度的提高實 際系統(tǒng)的運行水平。采用仿真技術可以省時省力省 錢的達到上述目的。2什么是 PID 調節(jié)器？三部分在系統(tǒng)中起什么作用。 答：按偏差的比例、積分和微分進行控制的調節(jié)器， 將偏差的比例、積分、微分通過現(xiàn)行

11、組合構成控制量，簡稱為 P（比例）I（積分）D（微分）調節(jié)器， 是連續(xù)系統(tǒng)中技術成熟，應用最為廣泛的一種調節(jié) 器。aPID 調節(jié)器中比例調節(jié)起糾正偏差的作用，其反應 迅速；b 積分調節(jié)能消除靜差，改善系統(tǒng)靜態(tài)特性；c 微分調節(jié)有利于減少超調，加快系統(tǒng)的過渡過程。直流電機伺服系統(tǒng)中脈寬調制放大器的基本工作 原理。 答：脈沖調制放大器是直流伺服電機常用的晶體管 驅動電路。利用大功率晶體管的開關作用，將直流 電源電壓換成一定頻率的方波電壓，施加于直流電 機的電樞，通過對方波脈沖寬度的控制，改變電樞 的平均電壓，是電機的轉速得到調節(jié)。永磁式直流伺服電機的主要特點： 可以不經(jīng)過減速機構直接驅動負載，由輸

12、入的電壓 信號直接調節(jié)負載的轉速；在以位置控制方式的伺 服系統(tǒng)中，電機可工作于堵轉狀態(tài)。交流伺服電機有哪些類型？交流伺服驅動的主要 特點？ 答：分為永磁式交流同步電機和籠型異步電機兩類。 特點：1 調速范圍大；2 適合大、中功率伺服系統(tǒng)；3 運行平穩(wěn)，轉速不受負載變化的影響；4 輸出轉矩 交大而轉矩脈動?。? 通過閉環(huán)實現(xiàn)速度控制或位 置控制，其中永磁式同步電機也可作步進方式運行。開放式體系結構的主要特點是什么？ 答：開放式體系結構是今年在電子工業(yè)和計算機工 業(yè)中流行的一種設計思想，其主要特點是向未來的 VLSI 開放；向不同用戶層次開放；向用戶的特殊要 求開放；采用模塊化結構。簡述 STD

13、總線微機控制系統(tǒng)的主要特點。 答：采用小版結構，高度模塊化，功能模板結構靈 活，可靠性高，硬件冗余小，成本低；模塊設計具 有嚴格的標準和廣泛的兼容性；面向 I/O 的設計， 具有強大的 I/O 擴展能力，使控制系統(tǒng)非常適合工 業(yè)控制的應用；高可靠性。簡述 STD 有哪些工作模式？1 獨立工作模式即采用微機的基本系統(tǒng)與工業(yè) I/O 模板單獨構成控制系統(tǒng)；2 作為前端控制機 STD 可 作為其他微機的前端控制機，完成實時在線控制， 并把采集的數(shù)據(jù)和執(zhí)行結果傳送到上位機；3 構成分部式組合 利用 STD 控制機的組合方法，可方便進 行各種分布式系統(tǒng)的組合。轉動慣量對傳動系統(tǒng)有哪些影響？ 答：轉動慣量

14、增大使機械負載增加，功率消耗大； 使系統(tǒng)響應速度變慢，降低靈敏度；是系統(tǒng)固有頻 率下降，容易產(chǎn)生諧振。光電隔離型 DI/DO 模板有哪些主要特點？輸入信 號與輸出信號在電器上完全隔離，抗干擾能力強； 無觸點，耐沖擊，壽命長，可靠性高；響應速度快， 易于邏輯電路配合。D/A,A/D 接口功能A/D 接口功能是將溫度、壓力等物理量經(jīng)傳感器變 成電壓、電流等信號轉換為數(shù)字量。D/A 接口是將 二進制數(shù)字量轉換成電壓信號。簡述電位器式位移傳感器的測量原理。 電位器的可動電刷與被測物體相連，物體的位移引 起電位器移動端電阻的變化，電阻值的變化量即反 應出唯一的大小和方向。通常由電源電壓吧電阻的 變化轉換

15、成電壓輸出。PLC 的功能和組成。優(yōu)越性 功能：可取代繼電器控制，完成順序和程序控制； 可組成閉環(huán)系統(tǒng)實現(xiàn)精確的位置和速度控制；可構 成告訴數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化。組成：CPU，存儲器，電源，I/O 口和編程器。 優(yōu)越性：可靠性高，環(huán)境適應性強，靈活通用個， 維護簡單，方便組成網(wǎng)絡，應用程序的編制和調試 非常方便，還具有監(jiān)控功能。（四）分析題試分析比較直流測速發(fā)電機和光電編碼器做轉速 測量的特點。 解答：直流測速發(fā)電機由永久磁鐵與感應線圈組成， 用電樞獲取速度信號。它具有靈敏度高、結構簡單 等特點，常用于高精度低速伺服系統(tǒng)，也可與永磁 式直流電動機組成低速脈寬調速系統(tǒng)。直流測

16、速發(fā) 電機的輸出信號是與輸入軸的轉速成正比的直流電 壓信號，信號幅度大，信號調理電路簡單。由于輸 出電壓信號有波紋，一般需要配置濾波電路。 光電編碼器（增量式）主要由旋轉孔盤和光電器件 組成。它具有體積小、使用方便、測量精度高等特 點，常與直流電機配合使用構成脈寬調速系統(tǒng)。增 量式光電編碼器輸出的是與轉角成比例的增量脈沖 信號，可以通過脈沖計數(shù)獲得角位置信號，也可以 定時取樣脈沖數(shù)的增量實現(xiàn)角速度測量。因此，可 以同時測量轉角和轉速。3試分析齒輪機構、傳感器及絲杠螺母機構的誤差 對輸出精度的影響。 答：齒輪減速器位于前向通道，誤差的低頻分量不影響輸出精度，因此允許有一定的間隙誤差；而誤 差的高

17、頻分量影響輸出精度，因此應盡量減少傳動 誤差。 傳感器位于反饋通道，誤差的低頻分量會影響輸出 精度，因此對靜態(tài)精度有較高要求；而誤差的高頻 分量對輸出精度幾乎沒有影響，允許存在一定程度 的高頻噪聲。 絲杠螺母機構位于閉環(huán)之后，其誤差的低頻分量和 高頻分量都會影響輸出精度，因此要盡量消除傳動 間隙和傳動誤差。工業(yè)控制 PC 計算機與可編程控制器的主要區(qū)別： 答：工業(yè)控制 PC 的基本系統(tǒng)與普通 PC 大體相同， 但備有各種控制模板，一般不需要再做硬件開發(fā)， 在結構上進行了模塊化；系統(tǒng)具備完整的控制功能， 軟件豐富，執(zhí)行速度塊，適用于需要做大量數(shù)據(jù)處 理的測控系統(tǒng)。在程序語言方面，工控 PC 以使

18、用高 級語言為主，也可使用匯編語言。PLC 結構小巧，適應性強，可按照使用要求選個相 應產(chǎn)品構成控制系統(tǒng)，PLC 的控制功能以邏輯控制 為主，小型 PLC 適用于實現(xiàn)各種邏輯控制和開關量 控制，大中型 PLC 為模塊化結構，按用戶需求的功 能選配模塊，可組成規(guī)模較大，精度較高的閉環(huán)控制系統(tǒng)。PLC 的控制功能由軟件實現(xiàn)，但信號的輸 入輸出采用周期性的掃描方式，這一點是與工控 PC 的重要區(qū)別。此外，在程序語言方面 PLC 主要采用 提醒度，大型 PLC 可使用高級語言。對比說明步進電機和直流伺服電機驅動的特點。 答：1 在工作方面，步進電機通過輸入脈沖的數(shù)量、 頻率和相序來控制電機；而直流電機

19、主要靠改變電 樞兩端的電壓來調速，調速特性好，調速范圍寬。2 步進電機可實現(xiàn)開環(huán)位置控制；直流電機一般用于 閉環(huán)位置控制。3 步進電機具有自鎖功能；二直流 電機沒有斷電自鎖能力。4 步進電機輸出力矩較小， 而直流電機輸出力矩可以很大。此外步進電機的轉速和轉角不受電源電壓波動的影響，但對電源的要 求較高。已知數(shù)控機床控制系統(tǒng)，說明圖中的各部分屬于 機電系統(tǒng)的哪一個基本要素？1 控制及信息處理單元：鍵盤、計算機、顯示2 測試傳感部分：光電編碼器、信號處理3 能源：電源4 驅動部分：功放、電機5 執(zhí)行機構：聯(lián)軸器、齒輪減速器、絲杠螺母機構、 工作臺齒輪減速器的傳動誤差對工作臺的影響？ 齒輪減速器在電

20、機之后，前向通道的閉環(huán)之外，其傳動誤差的高頻分量和低頻分量都不能通過閉環(huán)控 制來消除，都會影響輸出精度。（五）計算題如圖所示電機驅動系統(tǒng)，已知工作臺的質量為 m=50Kg，負載力為 Fi=1000N,最大加速度為 10m/s2, 絲杠直徑為 d=16mm,導程 t=4mm,齒輪減數(shù)比為 i=5, 總效率為 =30%，忽略絲杠慣量的影響，試計算電 機的驅動力矩。解：總負載力包括以下幾部分先分 析負載力有哪些組成（1）外負載力 Fi=1000N（摩擦負 載 F=mgf=（2）慣性載力 Fm，m=50kg，a=10m/s²Fm=m²a=50³10=500N（3）電機的驅

21、動力矩為4圖示為電樞控制式直流電動機的工作原理圖，電 流 i；LR 為線圈的電感電阻，輸入電壓 u；Jm； T； ；Ke；Kt，求輸出轉速與輸入電壓之間的傳遞函數(shù)。解：e=Ke ；T=Kti；KtI（s）=Jm（s）s； =Gm（s）T；Gm=1/（Jm s）；（）（）（） 計算電機軸 上的總等效慣量。解：（1）電機軸上的元件 Je1=J1+Jm；（2）中間軸上的元件 Je2= （J2+J3）（3）負載軸上的元件 Je3=（J4+JL） 總的折算慣量為 Je=Je1+Je2+Je3。已知電樞轉子慣量 Jm=0.005kgm²，負載慣量 JL=0.04kgm²，確定傳動比 i

22、 為何值時可是負載或最 大加速度。解：當=Jm 時，負載獲最大加速度。 所以 i=2.828。開環(huán)步進電機位置控制系統(tǒng)，負載力 F=1000N， 工作臺長 L=500mm，往復精度為±0.025mm，絲杠導 程 ts=6mm，直徑 d=20mm，步進電機步距角為 =3°， 確定齒輪減速比 i。解：步進電機的每轉脈沖數(shù) ns=360°/ =360/3=120 脈沖/轉根據(jù)工作臺定位精度的要求，選用脈沖 當量 =0.025mm/脈沖設傳動比為 i，每個脈沖對應工作臺的 位移為 =ts/（i²ns）則i=ts/（ ²ns）=6/（0.025³

23、;120）=2已知工作臺直流電機絲杠螺母機構驅動，工作臺 的行程 L=250mm，絲杠導程 t=6mm，齒輪減速比 i=4， 要求工作臺位移的測量精度為 0.01mm。試采用高速 段測量方法，確定旋轉譯碼器的每轉脈沖數(shù)。若將 傳感器與絲杠的端部直接連接，ns=500 脈沖/轉的 旋轉譯碼器是否合用。解：1 高速端測量，設傳感器每轉脈沖 數(shù)為 n，每個脈沖對應工作臺的位移為 L=t/（in）由測量進度， L=0.01mm， 則n=t/（i L）=6/（4³0.01）=150 脈 沖/轉選取 n=200 光電編碼器，則理論測量精 度5 L=6/（4³200）=0.00750.0

24、1 可 滿足題目要求。2 低速端測量，傳感器直接與絲杠連接， 與減速比無關 L=t/n n=t/ L=6/0.01=600 脈沖/轉，可知 ns=500 脈沖/轉的編碼器不 合用。（六）綜合題已知電機驅動的三自由度位置控制系統(tǒng)，單個自 由度的驅動系統(tǒng)如圖所示。試說明單自由度驅動系 統(tǒng)的兩種測量方案；注：需要回答至少兩種測量方案，每種方案選出一 種傳感器即可。采用直流電機驅動的機器人關節(jié)有兩種轉角和轉 速測量方案解：方案 a 為高速端測量方案，結構簡單，易實現(xiàn)。 同樣的測量精度要求，對譯碼器的測量精度要求較 低。減速器包括在閉環(huán)之外，傳動誤差直接影響輸 出精度，傳動誤差無法通過控制進行補償，因此

25、對 減速器的精度要求較高。傳感器在電機尾部，不知 容易，外觀較好。方案 b 為低速端測量方法，同測精要求，對編碼器 的精度要求較高，成本比方 a 高；但減速器包括在 閉環(huán)內，從而通過閉環(huán)來消除傳動誤差，對減速器 的精度要求較低。傳感器安裝在關節(jié)部位，布置較 困難，外觀差。 實際中多采用方 A。某車間內有兩條自動生產(chǎn)線上需要一款搬運機器 人，用于生產(chǎn)線請指定出概念設計流程。解：產(chǎn)品概念設計決定性地影響產(chǎn)品創(chuàng)新過程中后 續(xù)的產(chǎn)品詳細設計、產(chǎn)品生產(chǎn)開發(fā)、產(chǎn)品市場開發(fā) 以及企業(yè)經(jīng)營戰(zhàn)略目標的實現(xiàn)。包含以下流程：明確設計任務解：依題意有兩種測量方案分析（1）高速端測量方案：傳感器安裝在電機的尾部（電機軸），通過測量電 機的轉角實現(xiàn)工作臺位移的間接測量?？蛇x用光電 編碼器式傳感器或者磁電式編碼器。綜合評價 決策（2）低速端測量方案： 傳感器安裝在工作臺上（負載軸），直接測量工作 臺的位移。