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(zhì)量管理主要體現(xiàn)在質(zhì)量目標管理、實行可行性設計和進行手機質(zhì)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閥和電液比例閥典

2、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(qū)動。計算機的指令進行D/A轉換后，需經(jīng)過信號調(diào)理環(huán)節(jié)才能驅(qū)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(zhì)量時，系統(tǒng)能達到慣性負載和驅(qū)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，并隨著脈沖頻率的升高而降低。（二）選擇題開放式體系結構

3、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(diào)制進行直流電動機調(diào)速驅(qū)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(diào)速。數(shù)控機床進給系統(tǒng)的伺服電機屬于設備的驅(qū)動部分。分離活塞式油缸屬于系統(tǒng)中的驅(qū)動部分在工業(yè)機器人的設計中傳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

4、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驅(qū)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

5、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。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(qū)動部分，控制及信息處理單元等6項。電液伺服系統(tǒng)屬驅(qū)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

6、，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

7、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

8、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(diào)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(diào)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?qū)ιa(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

9、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(nèi)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(diào)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(diào)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

10、需要對項目的合理性、經(jīng)濟型等品質(zhì)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。什么是PID調(diào)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(diào)節(jié)器，將偏差的比例、積分、微分通過現(xiàn)行組合構成控制量，簡稱為P（比例）I（積分）D（微分）調(diào)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(diào)節(jié)器。aPID調(diào)節(jié)器中比例調(diào)節(jié)起糾正偏差的作用，其反應迅速；b積分調(diào)節(jié)能消除靜差，改善系統(tǒng)靜態(tài)特性；c微分調(diào)節(jié)有利于減少超調(diào)，加快系統(tǒng)的過渡過程。直流電機伺

11、服系統(tǒng)中脈寬調(diào)制放大器的基本工作原理。答：脈沖調(diào)制放大器是直流伺服電機常用的晶體管驅(qū)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(diào)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(qū)動負載，由輸入的電壓信號直接調(diào)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(qū)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(diào)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小

12、；5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

13、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

14、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(diào)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

15、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(diào)速系統(tǒng)。直流測速發(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(diào)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(diào)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。試分析齒輪

16、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

17、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(qū)動的特點。答：1在工作方面，步

18、進電機通過輸入脈沖的數(shù)量、頻率和相序來控制電機；而直流電機主要靠改變電樞兩端的電壓來調(diào)速，調(diào)速特性好，調(diào)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(qū)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

19、工作臺的影響？齒輪減速器在電機之后，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(qū)動系統(tǒng)，已知工作臺的質(zhì)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(qū)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

20、驅(qū)動力矩為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/（Jms）；（）（）（）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為何值時可是負載或最大加速度。解：當=

21、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/（0.025³120）=2已知工作臺直流電機絲杠螺母機構驅(qū)動，工作臺的行程L=250mm，絲杠導

22、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/（iL）=6/（4³0.01）=150脈沖/轉選取n=200光電編碼器，則理論測量精度L=6/（4³200）=0.00750.01 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=

23、500脈沖/轉的編碼器不合用。（六）綜合題已知電機驅(qū)動的三自由度位置控制系統(tǒng)，單個自由度的驅(qū)動系統(tǒng)如圖所示。試說明單自由度驅(qū)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(qū)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(nèi)，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(nèi)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。可