機電一體化期末試卷

一、填 空 題

1. 機電一體化技術的內涵是微電子技術和 機械技術 滲透過程中形成的一個新概念。

2. 機電一體化系統(產品)是機械技術和微電子技術的有機結合。

3. 工業三大要素是物質、能量、信息;機電一體化工程研究所追求的三大目標是：省能源 、 省資源 、 智能化。

4. 機電一體化研究的核心技術是接口問題。

5. 機電一體化系統(產品)構成的五大部分(或子系統)是：機械系統 、 電子信息處理系統 、 能源系統 、 傳感信息系統 、 執行控制系統 。

6. 機電一體化接口按輸入/輸出功能分類機械接口 、 物理接口 、 信息接口 、 環境接口 。

7. 機電一體化系統(產品)按設計類型分爲：開放性設計、適應性設計、變異性設計。

8. 機電一體化系統(產品)按機電融合程度分爲機電一體化系統(產品)按機電融合程度分爲：機電互補法、機電結合(融合)法、機電組合法。

9. 機電一體化技術是在機械的主功能 、 動力功能 、 信息功能 、 控制功能 基礎上引入微電子技術，並將機械裝置與電子裝置用相關軟件有機地結合所構成系統的總稱。

10.機電一體化系統實現三大功能應具有的兩大重要特徵(轉換作用方式)： 以能源轉換爲主 和 以信息轉換爲主。

11. 絲槓螺母機構的基本傳動形式有：螺母固定絲桿轉動並移動、 絲桿轉動螺母移動、 螺母轉動絲桿移動 、 絲桿固定螺母轉動並移動 四種形式種形式。

12. 滾珠絲槓副按螺紋滾道截面形狀分爲單圓弧 和 雙圓弧兩類;按滾珠的循環方式分爲外循環 和 內循環兩類。

13. 滾珠絲槓副軸向間隙調整與預緊的基本方法有：雙螺母螺紋預緊調整、 雙螺母齒差預緊調整、 雙螺母墊片調整預緊、 彈簧自動調整預緊四種方式。

14. 滾珠絲槓副常選擇的支承方式有：單推單推式 、 雙推雙推式 、 雙推簡支式 、 雙推自由式。

15. 機電一體化系統(產品)常用齒輪傳動形式有定軸輪系 、行星輪系和 諧波輪系 三種形式三種形式。

16. 在機電一體化系統機械傳動中，常用的傳動比分配原則有：重量最輕原則 、轉動慣量最小原則、傳動精度最優原則等。

17. 常用導軌副的截面形式有：三角形導軌、矩形導軌、燕尾形導軌、圓形導軌 四種形式。

18. 導軌剛度主要指：結構剛度、接觸剛度和局部剛度。

19. 機電一體化系統(產品)中，常可選擇的執行元件：電磁式、液壓式、 氣壓式 和其他形式的執行元件。

20. 電動機的工作特性分爲恆轉矩工作和恆功率工作兩個階段，其轉折點的轉速和功率分別稱爲：額定轉速和額定功率;伺服電動機用於調速控制時，應該工作在恆轉矩工作階段。

21. 步進電機按轉子結構形式可分爲：反應式(變磁阻式)步進電機、永磁式步進電機、混合式步進電機三種。

22. 步進電機的工作方式有：單拍工作方式和倍拍工作方式。

23. 步進電機的開環控制精度主要由步進電機的結構形式 和工作方式決定的;爲了進一步提高步進電機的控制精度，可以採用細分電路來提高控制精度。

24. 依據步進電機的工作原理，步進電機的驅動控制電路主要由：方向控制電路、環路分配電路、驅動放大電路等組成。

25. 機電一體化系統中，常用的微型計算機類型有：單片機控制系統、單板機控制系統、工業微型計算機控制機系統三種。

26. 提高機電一體化控制系統工作可靠性的措施主要有：隔離技術、屏蔽技術和濾波技術。

27. 常用傳感器主要分爲模擬信號檢測傳感器、數字信號檢測傳感器、開關信號檢測傳感器三種形式。

28. 機電有機結合分析設計方法主要有穩態設計方法和動態設計方法兩種。

29. 在機電一體化系統穩態設計的負載分析中，常見的典型負載形式有：慣性負載、外力負載、內力負載、彈性負載、摩擦負載等。

30. 在進行機械系統負載和轉動慣量的等效中，遵循的基本原則是能量守恆定律

二、簡 述 題

1. 機電一體化技術(或產品)的定義。

定義：在機械的主功能，動力功能，信息功能，控制功能基礎上引入微電子技術，並將機械裝置與電子裝置用相關軟件有機的結合所構成的系統的總稱。

2. 機電一體化系統或產品設計的目的是什麼?

主要目的：增加機械系統或產品的附加值和自動化程度

3. 機電一體化系統(產品)的主要構成單元或組成部分有哪些?

機械系統 ，電子信息處理系統，動力系統，傳感檢測系統，執行控制系統。

4、簡述機電一體化系統或產品的機電結合(融合)設計方法。 機電結合設計方法是將個組成要素有機的.結合爲一體而構成專用或通用的功能部件，其要素之間機電參數的有機匹配比較充分。

5、簡述機電一體化系統(產品)的機電組合設計方法，特點是什麼?。 機電一體化系統的機電組合設計方法是將用結合法制成的功能部件，功能模塊，像積木那樣組合成各種機電一體化系統，特點是可以縮短設計與研製週期，節約工裝設備費用，且有利於生產管理，使用和維修。

6. 機械傳動系統在機電一體化系統(產品)中的基本功能和作用是什麼? 機械傳動系統在機電一體化系統中的基本功能是傳遞力/轉矩和速度/轉速。實質上是一種轉矩，轉速變換器。作用是使執行原件與負載之間在轉矩和轉速方面達到合理的匹配。 7. 簡答機電一體化機械傳動的主要功能，目的，基本要求。

功能：傳遞力/轉矩和速度/轉速

目的：使執行元件與負載之間在轉矩和轉速方面達到合理的匹配。

基本要求：轉動間隙小，精度高，體積小，重量輕，運動平穩，傳動轉矩大。

8. 機電一體化系統(產品)的機械部分與一般機械系統相比，應具備哪些特殊要求? 1.較高的定位精度。2.良好的動態響應特性-響應快，穩定性好，收斂時間合理。3。無間隙，低摩擦，低慣量，大剛度。4。高的消振頻率，合理的阻尼比。

9. 簡述滾珠絲槓傳動裝置的組成，結構和應用特點。 滾珠絲槓傳動裝置的組成由帶螺旋槽的絲桿，螺母，滾動元件，回珠裝置組成。 結構：絲桿輕動時，帶動滾珠螺紋滾道滾動，爲阻止滾珠從滾道端面掉出，在螺母的螺旋槽兩端沒有滾珠回程引導裝置構成滾珠的循環返回通道，從而形成滾珠滾動的閉合通路。

應用特點：阻尼小，傳動效率高，合理的結構設計，適應大剛度傳遞，可實現無間隙工作，不能自鎖。

10. 試分析齒輪傳動中，定軸傳動、行星傳動、諧波傳動的組成與傳動特點。 定軸傳動由圓柱齒輪傳動，圓錐齒輪傳動，蝸桿蝸桿傳動。特點：結構簡單。傳遞可靠，用幾何特性來實現傳動。行星傳動主要是由傳動齒輪，定位齒輪，行星輪和行星架組成。特點：結構緊湊，可實現傳動比更大，幾何特性+機構傳動原理來實現。諧波傳動主要又鋼輪，柔輪，波發生器組成。特點：結構緊湊，體積小，重量輕，充分發揮材料的特性，傳動比可大，也相當可靠，幾何特性+材料彈性變化特性實現傳動。

11. 滾動導軌副應達到的基本要求。

高的導向精度，高耐磨性，足夠的剛度，良好的工藝性運動輕便平穩;對溫度的敏感性低

12. 導軌的剛度所包含的主要內容有哪些?以及各部分對導軌副的導向精度影響如何?

靜剛度-抵抗恆定載荷的能力。動剛度-抵抗變變載荷的能力。每一類剛度都包括：結構剛度，接觸剛度，局部剛度。

13. 機電一體化系統(產品)對執行元件的基本要求是什麼?

1慣量小，動力大。2體積小，重量輕。3安裝方便，便於維護。4易於實現自動化控制

14. 機電一體化系統對伺服控制電動機的基本要求

1性能密度大。2快速響應性好。3位置控制與速度控制精度高，調速範圍大，低速平穩性好，分辨率高以及振動噪音小。4能適應頻繁啓動，可靠性高，壽命長。5易於與計算機對接，實現計算機控制。

15. 常用伺服電動機有哪些工作特點?

伺服電動機將輸入的電壓控制信號轉換爲電機軸上輸出的角位移和角速度，驅動控制對

象。伺服電動機可控性好，反應迅速快。是自動控制系統和計算機外圍設備中常用的執行元件。 2個工作區。1恆轉矩工作區，2恆功率工作區

16. 對於伺服電動機半閉環控制系統而言，控制系統的主要構成有哪些? 主要是指令控制器，反饋調節器，功率放大與整形電路，執行元件

17. 步進電機驅動控制電路設計的基本要求是什麼?

提高驅動信號，控制有效，可靠性，整形抗干擾電路

18. 簡述機電一體化系統(產品)對檢測傳感器的基本要求。 1體積小，重量輕，適應性好。2精度和靈敏性高，響應快，穩定性好，信噪比高。3安全可靠，壽命長。4便於與計算機對接。5不易受被檢測對象和外部環境的影響。6環境適應能力強。7現場安裝處理簡單，操作方便。8價格便宜

19. 簡答通用微機控制系統核心部件，通用微機控制系統的構成與特點。 通用微型計算機的核心部件爲可編程控制器和工業計算機。

構成;控制系統以通用微型計算機爲核心，設計專用或選用通用的集成IC芯片，接口電路，執行元件，傳感器，以及相互合理匹配元件，組成具有較好通用能力的控制器。軟件採用通用平臺軟件系統。

特點：具有可靠性高，適應性強，但成本高，應採取一定的抗干擾措施等特點。適用於多品種，中小批量生產的機電一體化產品。

20. 簡答專用微機控制系統核心部件，專用微機控制系統的構成與特點。 核心部件爲單片機和單板機

構成由專用IC芯片，接口電路，執行元件，傳感器相互合理匹配成專用控制器。

特點：軟件採用專用機器代碼或語言，可靠性強，成本低，但適應能力差，用於大批量生產的機電一體化產品。

21. 光電隔離電路的組成有哪些?主要作用是什麼? 主要由光耦合器的光電轉換元件輸入電路，光源，光敏元件，輸出放大電路組成

作用：1可將輸入輸出兩部分的供電電源和電路的地線分離。2可進行電平轉換，實現要求的電平輸出，從而具有初級功率放大作用。3提高對負載的驅動能力。(3)可將高低壓電源或不同要求電源系統分離，防止不同電源之間信號干擾。

22. 機電一體化系統設計中，驅動電路設計的目的和基本要求是什麼?

目的：實現指令信號和執行驅動信號之間的有效匹配。要求：信號類型轉換，能量放大，質量的保證。

23. 研究機電一體化系統穩態設計方法的主要目的是什麼?

主要目的是使控制被控制對象能完成所需要的機械運動即進行機械系統的運動學，動力學分析以及計算，保障整個機電一體化系統的整體性能

24. 在機電一體化系統的穩態設計中，分析研究機械系統的負載和慣性特徵，進行機械系統負載和轉動慣量的等效中所遵循的原則和目的是什麼?

原則：能量守恆。目的：爲使選擇的執行軟件與被控對象的固有參數相匹配，將輸出軸個部分的慣量和負載轉換到執行元件的輸出端，以便確定執行元件。

25. 機電一體化系統的動態設計的目的是什麼?

機電一體化動態設計的目的;在穩態設計的基礎上，保證系統的動態穩定性，過度過程的品質，動態穩定精度，動態響應特性指標參數。

26. 機電一體化系統的動態設計研究的主要性能指標參數有哪些? 主要有：響應時間，超調量，穩態誤差，收斂時間。振盪次數，過度時間的位置誤差。(動態誤差和穩態誤差等)

三、分析論述題

1. 簡述如圖2所示死槓螺母傳動機構的

特點。

螺母固定：結構簡單，傳動精度高。螺母支撐絲桿可消除

軸向躥動，剛性較差。絲轉螺移：結構緊湊，絲剛剛性較高，

要限制螺母移動，需導向裝置。螺轉絲移：結構複雜，佔用

空間較大，傳動時間需限制螺母移動和絲桿轉動。絲桿固定

結構簡單，緊湊，絲桿剛性較高，但使用不方便，使用較少。 2. 試分析單圓弧軌道和雙圓弧軌道的結

構特點(設計、製造、使用與維護)

單圓弧滾道：結構簡單，傳遞精度由加工質量保證，軸向間隙小，無軸向間隙調整和預緊能力，加工困難，加工精度要求高，成本高，一般在輕載條件下工作。單圓弧形的螺紋滾道的接觸角隨軸向載荷大小的變化而變化，主要由軸向載荷所引起的接觸變形的大小而定。接觸角增大，傳動效率、軸向剛度以及承載能力也隨之增大。由於單圓弧形滾道加工用砂輪成型較簡單，故容易得到較高的加工精度。單圓弧形面的滾道圓弧半徑R稍大於滾珠半徑。雙圓弧滾道：結構簡單，存在軸向間隙，加工質量易於保證，在使用雙螺母結構的條件下，具有軸向間隙調整和預緊能力，傳遞精度高。雙圓弧形的螺紋滾道的接觸角在工作過程中基本保持不變。兩圓弧相交處有一小空隙，可使滾道底部與滾珠不接觸，並能存儲一定的潤滑油以減少摩擦磨損。由於加工其型面的砂輪修整和加工、檢驗均較困難，故加工成本較高。

3. 試分析圖示消除滾珠絲槓軸向間隙調整與預緊的工作原理與結構特點。 工作原理：採用雙螺母墊片預緊調整在絲桿固定不動的條件

下，增加墊片的厚度，左右絲桿螺母分別向左移動和向右移動

以達到消除間隙、產生預緊拉力之目的。

結構特點：結構簡單，剛性好，預緊可靠，使用中調整;4.試分析圖示消除滾珠絲槓副軸向間隙調整與預緊的;結構特點：結構簡單、剛度好、預緊可靠，使用中調整;5.簡述燕尾形導軌組合的特點和間隙調整;特點：採用整體式燕尾形導軌，磨損後不能自動補償間;間隙調整：兩燕尾面起壓板面作用，用一根斜鑲條就可;節水平與垂直方向的間隙;6、簡述雙三角形組合導軌組合的特點和間隙調整;

結構特點：結構簡單，剛性好，預緊可靠，使用中調整不方便。

4. 試分析圖示消除滾珠絲槓副軸向間隙調整與預緊的工作原理與結構特點 工作原理：採用雙螺母螺紋預緊調整，右螺母的外端有凸緣，而左螺母的外端雖無凸緣，但制有螺紋，並通過兩個圓螺母固定。調整時旋轉右邊圓螺母消除軸向間隙併產生一定預緊力，然後用鎖緊螺母(左邊圓螺母)鎖緊。預緊後兩個螺母中的滾珠相向受力，從而消除軸向間隙。

結構特點：結構簡單、剛度好、預緊可靠，使用中調整方便，但不能精確定量的進行調整。

5. 簡述燕尾形導軌組合的特點和間隙調整

特點：採用整體式燕尾形導軌，磨損後不能自動補償間隙，需設調整間隙裝置;高度小，結構緊湊，可以承受傾覆力矩，但剛度較差，摩擦力較大，製造、檢驗和維修都不方便。用於運動速度不高，受力不大，高度尺寸受到限制的場合。

間隙調整：兩燕尾面起壓板面作用，用一根斜鑲條就可以調

節水平與垂直方向的間隙。斜鑲條兩側面與導軌面全部接觸，故剛性好，斜鑲條必須加工成斜形，因此製造困難，但使用可靠，調整方便。

6、簡述雙三角形組合導軌組合的特點和間隙調整

特點：兩條三角形導軌同時起支承和導向作用，結構對稱，驅動元件可以對稱地放在兩導軌中間。但由於過定位，對加工要求較高，故工藝性差，對導軌的四個表面刮削或磨削也難以完全接觸，如果牀身和運動部件熱變形不同，也很難保證四個面同時接觸。因此，多用於精度要求較高的機牀設備。間隙調整：由於結構對稱，兩條導軌磨損均勻，磨損

後相對位置不變，能自動補償垂直和水平方向的磨損，故導向性和精度保持性都高，接觸剛度好，無需間隙調整裝置。

7. 簡述步進電機的工作原理，並推導出步進當量

的計算公式。

工作原理：圖示三相反應式步進電動機，定子有六個均勻分佈的磁極，每兩個相對磁極組成一相，即有A-A′、B-B′、C-C′三相，磁極上繞有勵磁繞組。轉子具有均勻分佈的四個齒，當A、B、C三對磁極的繞組

依次通電時，則A、B、C三對磁極依次產生磁場吸引轉子轉動。由環形分配器送來的信號脈衝

電流，經功率放大器放大後，對定子繞組輪流通以單極性勵磁電流。通電磁極產生磁通，磁通具有力圖沿磁阻最小路徑通過的特點，使轉子齒在磁力作用下轉動。電脈衝加到A相勵磁繞組，定子A相磁極就產生磁通，並對轉子產生磁拉力，使轉子1、3兩個齒與定子的A相磁極對齊。而後將電脈衝通入B相勵磁繞組，B相磁極便產生磁通，轉子2、4兩個齒與B相磁極靠得最近，於是轉子便沿着逆時針方向轉過30°角，使轉子2、4兩個齒與定子B相磁極對齊。如果按A→B→C→A的順序通電，轉子則沿逆時針方向一步步的轉動，每步轉過30°，這個角就叫做步距角。

CB

3

AAC

B

B

C

A

A

2

A

BCB

CB

3

A

4

C

8. 試分析如圖所示步進電機驅動功率放大器的基本工作原理。

單電壓功率放大電路

圖中A、B、C分別爲步進電動機的三相，每相由一組放大器驅動。放大器輸入端與環形脈衝分配器相連。在沒有脈衝輸入時，3DK4和3DD15功率放大器均截止，繞組中無電流通過，電動機不轉。當A相得電，電動機轉動一步，當脈衝依次加到A、B、C三個輸入端時，三組放大器分別驅動不同的繞組，使電動機一步步地轉動。電路中與繞組並聯的二極管VD分別起續流作用，即在功放截止時，使儲存在繞組中的能量通過二極管形成續流回路泄放，從而保護功放管。與繞組W串聯的電阻R爲限流電阻，限制通過繞組的電流不致超過其額定值，以免電動機發熱厲害被燒壞。

9. 試述如圖所示步進電機用功率開關細分驅動電路的基本工作原理

多路功率開關細分驅動電路圖爲五階梯細分電路，它利用五隻功

率晶體管VTd1~VTd5作爲開關器件，其基極開關電壓U1~U5的波形等幅寬度較小。在繞組電流上升過程中，VTd1~VTd5

導通，每導通一個，高壓管都要跟着導通一次，使繞組電流能快速上升。在繞組電流下降過程中，VTd1~VTd5按順序關斷，了使每關斷一個晶體管，電流都能快速下降一個臺階，在關斷任一低壓管前，可將剩下的全部關斷一段時間，使繞組通過泄放回路放電，然後再重新開通。功率晶體管工作在開關狀態，功耗很低，但器件多，體積大。

10. 試分析如圖所示光電的基本工作原理和特點，在本電路中各元氣件的作用是什麼?

基本工作原理：微機輸出的控制信號經74LS04非門反相後，加到光電耦合器G的發光二極管正端。當控制信號爲高電平時，經反相後，

Vc

去微機

加到發光二極管正端的電平爲低電平，因此，發光二極管不導通，沒有光發出。這時光敏三極管截止，輸出信號幾乎等於加在光敏三極管集電極上的電源電壓。當控制信號爲低電平時，發光二極管導通併發光，光敏三極管接收發光二極管發出的光而導通，於是輸出端的電平幾乎等於

a)

零。同樣的道理，可以將光電耦合器用於信息的輸入。特點：完成信號轉換的同時，能隔離干擾。各元器件的作用： 74LS04：將微機輸出的控制信號經非門反相，加到光電耦合器G的發光二極管正端;發光二極管：將電信號轉換成光信號; 光敏三極管：將光信號轉換成電信號。

29.如圖所示的機電傳動系統，減速機構爲兩級減速箱，已知齒輪齒數之比z2/z1=3，z4/z3=5，減速機構的效率ηc=0.92，各齒數的慣量分爲 =29.4Nm2， =78.4Nm2， =49Nm2， =196Nm2，電動機的慣量 =294Nm2，負載慣量 =450.8Nm2，負載轉矩T2=470.4Nm，試求： 1)折算到電動機軸上的負載轉矩Tz 2)折算到電動機軸上的系統慣量。

27.有一脈衝電源，通過環形分配器將脈衝分配給五相十拍通電的步進電機定子勵磁繞組，測得步進電機的轉速爲100r/min，已知轉子有24個齒，求：

1)步進電機的步距角; 2)脈衝電源的頻率。