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机电一体化期末试卷
一、填 空 题
1. 机电一体化技术的内涵是微电子技术和 机械技术 渗透过程中形成的一个新概念。
2. 机电一体化系统(产品)是机械技术和微电子技术的有机结合。
3. 工业三大要素是物质、能量、信息;机电一体化工程研究所追求的三大目标是：省能源 、 省资源 、 智能化。
4. 机电一体化研究的核心技术是接口问题。
5. 机电一体化系统(产品)构成的五大部分(或子系统)是：机械系统 、 电子信息处理系统 、 能源系统 、 传感信息系统 、 执行控制系统 。
6. 机电一体化接口按输入/输出功能分类机械接口 、 物理接口 、 信息接口 、 环境接口 。
7. 机电一体化系统(产品)按设计类型分为：开放性设计、适应性设计、变异性设计。
8. 机电一体化系统(产品)按机电融合程度分为机电一体化系统(产品)按机电融合程度分为：机电互补法、机电结合(融合)法、机电组合法。
9. 机电一体化技术是在机械的主功能 、 动力功能 、 信息功能 、 控制功能 基础上引入微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机地结合所构成系统的总称。
10.机电一体化系统实现三大功能应具有的两大重要特征(转换作用方式)： 以能源转换为主 和 以信息转换为主。
11. 丝杠螺母机构的基本传动形式有：螺母固定丝杆转动并移动、 丝杆转动螺母移动、 螺母转动丝杆移动 、 丝杆固定螺母转动并移动 四种形式种形式。
12. 滚珠丝杠副按螺纹滚道截面形状分为单圆弧 和 双圆弧两类;按滚珠的循环方式分为外循环 和 内循环两类。
13. 滚珠丝杠副轴向间隙调整与预紧的基本方法有：双螺母螺纹预紧调整、 双螺母齿差预紧调整、 双螺母垫片调整预紧、 弹簧自动调整预紧四种方式。
14. 滚珠丝杠副常选择的支承方式有：单推单推式 、 双推双推式 、 双推简支式 、 双推自由式。
15. 机电一体化系统(产品)常用齿轮传动形式有定轴轮系 、行星轮系和 谐波轮系 三种形式三种形式。
16. 在机电一体化系统机械传动中，常用的传动比分配原则有：重量最轻原则 、转动惯量最小原则、传动精度最优原则等。
17. 常用导轨副的截面形式有：三角形导轨、矩形导轨、燕尾形导轨、圆形导轨 四种形式。
18. 导轨刚度主要指：结构刚度、接触刚度和局部刚度。
19. 机电一体化系统(产品)中，常可选择的执行元件：电磁式、液压式、 气压式 和其他形式的执行元件。
20. 电动机的工作特性分为恒转矩工作和恒功率工作两个阶段，其转折点的转速和功率分别称为：额定转速和额定功率;伺服电动机用于调速控制时，应该工作在恒转矩工作阶段。
21. 步进电机按转子结构形式可分为：反应式(变磁阻式)步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机三种。
22. 步进电机的工作方式有：单拍工作方式和倍拍工作方式。
23. 步进电机的开环控制精度主要由步进电机的结构形式 和工作方式决定的;为了进一步提高步进电机的控制精度，可以采用细分电路来提高控制精度。
24. 依据步进电机的工作原理，步进电机的驱动控制电路主要由：方向控制电路、环路分配电路、驱动放大电路等组成。
25. 机电一体化系统中，常用的微型计算机类型有：单片机控制系统、单板机控制系统、工业微型计算机控制机系统三种。
26. 提高机电一体化控制系统工作可靠性的措施主要有：隔离技术、屏蔽技术和滤波技术。
27. 常用传感器主要分为模拟信号检测传感器、数字信号检测传感器、开关信号检测传感器三种形式。
28. 机电有机结合分析设计方法主要有稳态设计方法和动态设计方法两种。
29. 在机电一体化系统稳态设计的负载分析中，常见的典型负载形式有：惯性负载、外力负载、内力负载、弹性负载、摩擦负载等。
30. 在进行机械系统负载和转动惯量的等效中，遵循的基本原则是能量守恒定律
二、简 述 题
1. 机电一体化技术(或产品)的定义。
定义：在机械的主功能，动力功能，信息功能，控制功能基础上引入微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机的结合所构成的系统的总称。
2. 机电一体化系统或产品设计的目的是什么?
主要目的：增加机械系统或产品的附加值和自动化程度
3. 机电一体化系统(产品)的主要构成单元或组成部分有哪些?
机械系统 ，电子信息处理系统，动力系统，传感检测系统，执行控制系统。
4、简述机电一体化系统或产品的机电结合(融合)设计方法。 机电结合设计方法是将个组成要素有机的结合为一体而构成专用或通用的功能部件，其要素之间机电参数的有机匹配比较充分。
5、简述机电一体化系统(产品)的机电组合设计方法，特点是什么?。 机电一体化系统的机电组合设计方法是将用结合法制成的功能部件，功能模块，像积木那样组合成各种机电一体化系统，特点是可以缩短设计与研制周期，节约工装设备费用，且有利于生产管理，使用和维修。
6. 机械传动系统在机电一体化系统(产品)中的基本功能和作用是什么? 机械传动系统在机电一体化系统中的基本功能是传递力/转矩和速度/转速。实质上是一种转矩，转速变换器。作用是使执行原件与负载之间在转矩和转速方面达到合理的匹配。 7. 简答机电一体化机械传动的主要功能，目的，基本要求。
功能：传递力/转矩和速度/转速
目的：使执行元件与负载之间在转矩和转速方面达到合理的匹配。
基本要求：转动间隙小，精度高，体积小，重量轻，运动平稳，传动转矩大。
8. 机电一体化系统(产品)的机械部分与一般机械系统相比，应具备哪些特殊要求? 1.较高的定位精度。2.良好的动态响应特性-响应快，稳定性好，收敛时间合理。3。无间隙，低摩擦，低惯量，大刚度。4。高的消振频率，合理的阻尼比。
9. 简述滚珠丝杠传动装置的组成，结构和应用特点。 滚珠丝杠传动装置的组成由带螺旋槽的丝杆，螺母，滚动元件，回珠装置组成。 结构：丝杆轻动时，带动滚珠螺纹滚道滚动，为阻止滚珠从滚道端面掉出，在螺母的螺旋槽两端没有滚珠回程引导装置构成滚珠的循环返回通道，从而形成滚珠滚动的闭合通路。
应用特点：阻尼小，传动效率高，合理的结构设计，适应大刚度传递，可实现无间隙工作，不能自锁。
10. 试分析齿轮传动中，定轴传动、行星传动、谐波传动的组成与传动特点。 定轴传动由圆柱齿轮传动，圆锥齿轮传动，蜗杆蜗杆传动。特点：结构简单。传递可靠，用几何特性来实现传动。行星传动主要是由传动齿轮，定位齿轮，行星轮和行星架组成。特点：结构紧凑，可实现传动比更大，几何特性+机构传动原理来实现。谐波传动主要又钢轮，柔轮，波发生器组成。特点：结构紧凑，体积小，重量轻，充分发挥材料的特性，传动比可大，也相当可靠，几何特性+材料弹性变化特性实现传动。
11. 滚动导轨副应达到的基本要求。
高的导向精度，高耐磨性，足够的刚度，良好的工艺性运动轻便平稳;对温度的敏感性低
12. 导轨的刚度所包含的主要内容有哪些?以及各部分对导轨副的导向精度影响如何?
静刚度-抵抗恒定载荷的能力。动刚度-抵抗变变载荷的能力。每一类刚度都包括：结构刚度，接触刚度，局部刚度。
13. 机电一体化系统(产品)对执行元件的基本要求是什么?
1惯量小，动力大。2体积小，重量轻。3安装方便，便于维护。4易于实现自动化控制
14. 机电一体化系统对伺服控制电动机的基本要求
1性能密度大。2快速响应性好。3位置控制与速度控制精度高，调速范围大，低速平稳性好，分辨率高以及振动噪音小。4能适应频繁启动，可靠性高，寿命长。5易于与计算机对接，实现计算机控制。
15. 常用伺服电动机有哪些工作特点?
伺服电动机将输入的电压控制信号转换为电机轴上输出的角位移和角速度，驱动控制对
象。伺服电动机可控性好，反应迅速快。是自动控制系统和计算机外围设备中常用的执行元件。 2个工作区。1恒转矩工作区，2恒功率工作区
16. 对于伺服电动机半闭环控制系统而言，控制系统的主要构成有哪些? 主要是指令控制器，反馈调节器，功率放大与整形电路，执行元件
17. 步进电机驱动控制电路设计的基本要求是什么?
提高驱动信号，控制有效，可靠性，整形抗干扰电路
18. 简述机电一体化系统(产品)对检测传感器的基本要求。 1体积小，重量轻，适应性好。2精度和灵敏性高，响应快，稳定性好，信噪比高。3安全可靠，寿命长。4便于与计算机对接。5不易受被检测对象和外部环境的影响。6环境适应能力强。7现场安装处理简单，操作方便。8价格便宜
19. 简答通用微机控制系统核心部件，通用微机控制系统的构成与特点。 通用微型计算机的核心部件为可编程控制器和工业计算机。
构成;控制系统以通用微型计算机为核心，设计专用或选用通用的集成IC芯片，接口电路，执行元件，传感器，以及相互合理匹配元件，组成具有较好通用能力的控制器。软件采用通用平台软件系统。
特点：具有可靠性高，适应性强，但成本高，应采取一定的抗干扰措施等特点。适用于多品种，中小批量生产的机电一体化产品。
20. 简答专用微机控制系统核心部件，专用微机控制系统的构成与特点。 核心部件为单片机和单板机
构成由专用IC芯片，接口电路，执行元件，传感器相互合理匹配成专用控制器。
特点：软件采用专用机器代码或语言，可靠性强，成本低，但适应能力差，用于大批量生产的机电一体化产品。
21. 光电隔离电路的组成有哪些?主要作用是什么? 主要由光耦合器的光电转换元件输入电路，光源，光敏元件，输出放大电路组成
作用：1可将输入输出两部分的供电电源和电路的地线分离。2可进行电平转换，实现要求的电平输出，从而具有初级功率放大作用。3提高对负载的驱动能力。(3)可将高低压电源或不同要求电源系统分离，防止不同电源之间信号干扰。
22. 机电一体化系统设计中，驱动电路设计的目的和基本要求是什么?
目的：实现指令信号和执行驱动信号之间的有效匹配。要求：信号类型转换，能量放大，质量的保证。
23. 研究机电一体化系统稳态设计方法的主要目的是什么?
主要目的是使控制被控制对象能完成所需要的机械运动即进行机械系统的运动学，动力学分析以及计算，保障整个机电一体化系统的整体性能
24. 在机电一体化系统的稳态设计中，分析研究机械系统的负载和惯性特征，进行机械系统负载和转动惯量的等效中所遵循的原则和目的是什么?
原则：能量守恒。目的：为使选择的执行软件与被控对象的固有参数相匹配，将输出轴个部分的惯量和负载转换到执行元件的输出端，以便确定执行元件。
25. 机电一体化系统的动态设计的目的是什么?
机电一体化动态设计的目的;在稳态设计的基础上，保证系统的动态稳定性，过度过程的品质，动态稳定精度，动态响应特性指标参数。
26. 机电一体化系统的动态设计研究的主要性能指标参数有哪些? 主要有：响应时间，超调量，稳态误差，收敛时间。振荡次数，过度时间的位置误差。(动态误差和稳态误差等)
三、分析论述题
1. 简述如图2所示死杠螺母传动机构的
特点。
螺母固定：结构简单，传动精度高。螺母支撑丝杆可消除
轴向蹿动，刚性较差。丝转螺移：结构紧凑，丝刚刚性较高，
要限制螺母移动，需导向装置。螺转丝移：结构复杂，占用
空间较大，传动时间需限制螺母移动和丝杆转动。丝杆固定
结构简单，紧凑，丝杆刚性较高，但使用不方便，使用较少。 2. 试分析单圆弧轨道和双圆弧轨道的结
构特点(设计、制造、使用与维护)
单圆弧滚道：结构简单，传递精度由加工质量保证，轴向间隙小，无轴向间隙调整和预紧能力，加工困难，加工精度要求高，成本高，一般在轻载条件下工作。单圆弧形的螺纹滚道的接触角随轴向载荷大小的变化而变化，主要由轴向载荷所引起的接触变形的大小而定。接触角增大，传动效率、轴向刚度以及承载能力也随之增大。由于单圆弧形滚道加工用砂轮成型较简单，故容易得到较高的加工精度。单圆弧形面的滚道圆弧半径R稍大于滚珠半径。双圆弧滚道：结构简单，存在轴向间隙，加工质量易于保证，在使用双螺母结构的条件下，具有轴向间隙调整和预紧能力，传递精度高。双圆弧形的螺纹滚道的接触角在工作过程中基本保持不变。两圆弧相交处有一小空隙，可使滚道底部与滚珠不接触，并能存储一定的润滑油以减少摩擦磨损。由于加工其型面的砂轮修整和加工、检验均较困难，故加工成本较高。
3. 试分析图示消除滚珠丝杠轴向间隙调整与预紧的工作原理与结构特点。 工作原理：采用双螺母垫片预紧调整在丝杆固定不动的条件
下，增加垫片的厚度，左右丝杆螺母分别向左移动和向右移动
以达到消除间隙、产生预紧拉力之目的。
结构特点：结构简单，刚性好，预紧可靠，使用中调整;4.试分析图示消除滚珠丝杠副轴向间隙调整与预紧的;结构特点：结构简单、刚度好、预紧可靠，使用中调整;5.简述燕尾形导轨组合的特点和间隙调整;特点：采用整体式燕尾形导轨，磨损后不能自动补偿间;间隙调整：两燕尾面起压板面作用，用一根斜镶条就可;节水平与垂直方向的间隙;6、简述双三角形组合导轨组合的特点和间隙调整;
结构特点：结构简单，刚性好，预紧可靠，使用中调整不方便。
4. 试分析图示消除滚珠丝杠副轴向间隙调整与预紧的工作原理与结构特点 工作原理：采用双螺母螺纹预紧调整，右螺母的外端有凸缘，而左螺母的外端虽无凸缘，但制有螺纹，并通过两个圆螺母固定。调整时旋转右边圆螺母消除轴向间隙并产生一定预紧力，然后用锁紧螺母(左边圆螺母)锁紧。预紧后两个螺母中的滚珠相向受力，从而消除轴向间隙。
结构特点：结构简单、刚度好、预紧可靠，使用中调整方便，但不能精确定量的进行调整。
5. 简述燕尾形导轨组合的特点和间隙调整
特点：采用整体式燕尾形导轨，磨损后不能自动补偿间隙，需设调整间隙装置;高度小，结构紧凑，可以承受倾覆力矩，但刚度较差，摩擦力较大，制造、检验和维修都不方便。用于运动速度不高，受力不大，高度尺寸受到限制的场合。
间隙调整：两燕尾面起压板面作用，用一根斜镶条就可以调
节水平与垂直方向的间隙。斜镶条两侧面与导轨面全部接触，故刚性好，斜镶条必须加工成斜形，因此制造困难，但使用可靠，调整方便。
6、简述双三角形组合导轨组合的特点和间隙调整
特点：两条三角形导轨同时起支承和导向作用，结构对称，驱动元件可以对称地放在两导轨中间。但由于过定位，对加工要求较高，故工艺性差，对导轨的四个表面刮削或磨削也难以完全接触，如果床身和运动部件热变形不同，也很难保证四个面同时接触。因此，多用于精度要求较高的机床设备。间隙调整：由于结构对称，两条导轨磨损均匀，磨损
后相对位置不变，能自动补偿垂直和水平方向的磨损，故导向性和精度保持性都高，接触刚度好，无需间隙调整装置。
7. 简述步进电机的工作原理，并推导出步进当量
的计算公式。
工作原理：图示三相反应式步进电动机，定子有六个均匀分布的磁极，每两个相对磁极组成一相，即有A-A′、B-B′、C-C′三相，磁极上绕有励磁绕组。转子具有均匀分布的四个齿，当A、B、C三对磁极的绕组
依次通电时，则A、B、C三对磁极依次产生磁场吸引转子转动。由环形分配器送来的信号脉冲
电流，经功率放大器放大后，对定子绕组轮流通以单极性励磁电流。通电磁极产生磁通，磁通具有力图沿磁阻最小路径通过的特点，使转子齿在磁力作用下转动。电脉冲加到A相励磁绕组，定子A相磁极就产生磁通，并对转子产生磁拉力，使转子1、3两个齿与定子的A相磁极对齐。而后将电脉冲通入B相励磁绕组，B相磁极便产生磁通，转子2、4两个齿与B相磁极靠得最近，于是转子便沿着逆时针方向转过30°角，使转子2、4两个齿与定子B相磁极对齐。如果按A→B→C→A的顺序通电，转子则沿逆时针方向一步步的转动，每步转过30°，这个角就叫做步距角。
CB
3
AAC
B
B
C
A
A
2
A
BCB
CB
3
A
4
C
8. 试分析如图所示步进电机驱动功率放大器的基本工作原理。
单电压功率放大电路
图中A、B、C分别为步进电动机的三相，每相由一组放大器驱动。放大器输入端与环形脉冲分配器相连。在没有脉冲输入时，3DK4和3DD15功率放大器均截止，绕组中无电流通过，电动机不转。当A相得电，电动机转动一步，当脉冲依次加到A、B、C三个输入端时，三组放大器分别驱动不同的绕组，使电动机一步步地转动。电路中与绕组并联的二极管VD分别起续流作用，即在功放截止时，使储存在绕组中的能量通过二极管形成续流回路泄放，从而保护功放管。与绕组W串联的电阻R为限流电阻，限制通过绕组的电流不致超过其额定值，以免电动机发热厉害被烧坏。
9. 试述如图所示步进电机用功率开关细分驱动电路的基本工作原理
多路功率开关细分驱动电路图为五阶梯细分电路，它利用五只功
率晶体管VTd1~VTd5作为开关器件，其基极开关电压U1~U5的波形等幅宽度较小。在绕组电流上升过程中，VTd1~VTd5
导通，每导通一个，高压管都要跟着导通一次，使绕组电流能快速上升。在绕组电流下降过程中，VTd1~VTd5按顺序关断，了使每关断一个晶体管，电流都能快速下降一个台阶，在关断任一低压管前，可将剩下的全部关断一段时间，使绕组通过泄放回路放电，然后再重新开通。功率晶体管工作在开关状态，功耗很低，但器件多，体积大。
10. 试分析如图所示光电的基本工作原理和特点，在本电路中各元气件的作用是什么?
基本工作原理：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，
Vc
去微机
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。这时光敏三极管截止，输出信号几乎等于加在光敏三极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，光敏三极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
a)
零。同样的道理，可以将光电耦合器用于信息的输入。特点：完成信号转换的同时，能隔离干扰。各元器件的作用： 74LS04：将微机输出的控制信号经非门反相，加到光电耦合器G的发光二极管正端;发光二极管：将电信号转换成光信号; 光敏三极管：将光信号转换成电信号。
29.如图所示的机电传动系统，减速机构为两级减速箱，已知齿轮齿数之比z2/z1=3，z4/z3=5，减速机构的效率ηc=0.92，各齿数的惯量分为 =29.4Nm2， =78.4Nm2， =49Nm2， =196Nm2，电动机的惯量 =294Nm2，负载惯量 =450.8Nm2，负载转矩T2=470.4Nm，试求： 1)折算到电动机轴上的负载转矩Tz 2)折算到电动机轴上的系统惯量。
27.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，测得步进电机的转速为100r/min，已知转子有24个齿，求：
1)步进电机的步距角; 2)脉冲电源的频率。
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