机电一体化考试答案

《机电系统设计》复习题
一、填空

1、机电一体化系统由 机械系统（机构） 、信息处理系统（计算机）、 传感检测系统（传
感器） 、动力系统、执行元件系统等五个子系统组成。
2、机电一体化系统（产品）的设计类型大致有 开发型设计、 适应性设计和变异性设计
等三种。
3、常用的机械传动部件有 螺旋传动 、 齿轮传动 、同步带传动、高速带传动、各种非
线性传动部件等。
4、导向支承部件的作用是 支撑 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。
5、执行元件根据使用能量的不同，可以分为 电动势 、 液压式 和气压式等类
型。
6、步进电动机是将电脉冲信号转换成机械 角位移 的执行元件。从 励磁相数 来分有三
相、四相、五相、六相等步进电动机。
7、单片机应用系统中，常使用 LED(发光二级管) 、 CRT 和LCD(液晶显示器)作为显示
器件。
8、工业机器人一般应由 机械系统 、 驱动系统 、 控制系统 、检测传感系统
和人工智能系统等组成。
9、CNC机床按工艺用途分类可分为普通数控机床 、 机械加工中心 、多坐标数控机床。
10、机电一体化系统设计的一般方法包括机电互补法、 融合（结合）法 、 组合法 。
11、机座或机架既起 支承 作用，承受其它零部件的重量及在其上保持相对的运动，又起
基准 作用，确保部件间的相对位置。
12、对伺服系统的基本要求有 精度要求更高 、 可靠性更好 、 响应速度更快 。
13、交流伺服电机消除“自转”现象的解决办法是 。
14、两相交流伺服电动机的控制方法有三种：①幅值控制；②相位控制；⑧幅值—相位控制。
机电一体化系统中应用较多的控制方法是 。
15、步进电机步距角是指在一个脉冲作用下（即一拍）电动机转子转过的角位移，失调角是
指 转子轴上袈加一负载转矩时转子齿中心线与定子齿中心线所错过的电度角 ，最大静转
矩是指 失调角=正负90度 。
16、按照校正装置在系统中的联接方法，可把校正分为 有源校正 和 无源校正 。
17、常用的执行元件是电气执行元件，其输入是 电能 ，输出为 机械能 。
18、按刀具相对工件移动的轨迹分类，数控机床可分为 点位控制数控机床、 点位直线控
制 数控机床、 轮廓控制 数控机床。
19、反馈回路上的传动链齿轮传动间隙既影响系统的 稳定性 又影响 系统精度 。
二、名词解释
1、典型负载：是指惯性负载、弹性负载、摩擦负载（滑动摩擦负载、粘性摩擦负载、滚动 摩
擦负载）。
2、可靠性：是指系统（产品）在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。
3、机电一体化；是机械技术、电子技术和信息技术等各相关技术有机结合的一种新形式，
是电子技术、信息技术向机械技术领域渗透过程中逐渐形成的一种新概念。
4、半闭环系统：半闭环控制系统是在开环控制系统的伺服机构中装有角位移检测装置，通
过检测伺服机构的滚珠丝杠转角间接检测移动部件的位移，然后反馈到数控装置的比较器
中，与输入原指令位移值进行比较，用比较后的差值进行控制，使移动部件补充位移，直到
差值消除为止的控制系统。
5、反求设计：是以现代设计理论。方法和技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验、
知识和创新思维，对已有的系统（产品）进行剖析、重构、再创造的设计。
6、三相单三拍：步进电机，三项励磁绕组依次单独通电运行，换接三次完成一个通电循环。
7、最小应用系统：是除了外围接口以外系统可以上电工作的系统，一般包括：CPU核、工
作电源、复位电路、调试接口、以及必要的RAM和ROM等。
8、光电隔离：是半导体管敏感器件和发光二极管组成的一种新器件,它主要功能是实现电信
号的传送.输入与输出绝缘隔离,信号单向传输,无反馈影响.抗干扰性强,响应速度快.工作时,
把输入信号加到输入端,使发光管发光,光敏器件在磁光辐射下输出光电流,从而实现电光点
的两次转换.
9、机械谐振：由传动装置（传动系统）的弹性变形而产生的振动称为结构谐振或机械谐振。
10、后备冗余：又称非工作储备或待机储备，平时只需要一个单元工作，另一个单元是冗余
的，用于待机备用。
11、置中精度：是指运动件转动时，运动件的中心与承导件的中心之间产生偏移的程度。

三、
简答题
1、利用“微机”实现传统机床的机电一体化改造的方法有哪两种？
答：一种是以微机为中心设计控制系统；另为一种是采用标准的步进电机数字控制系
统作为主要控制装置。
2、简述机电一体化系统（产品）的内部功能与系统价值之间的关系。

3、简述机电一体化系统的设计流程。
答：（1）根据目的功能确定产品规格、性能指标；
（2）系统功能部件、功能要素的划分；
（3）接口的设计；
（4）综合评价（或整体评价）；
（5）可靠性复查；
（6）调制与调试。
4、现代设计方法与传统设计方法相比较有何突出特点？
5、为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，通常对机电一体化系统提出哪些要求？
答：（1）低摩擦（2）短传动链（3）最佳传动比（4）反向死区误差小（5）高刚性；
6、简述同步带传动的优缺点。
7、何为同步带传动中的“爬齿”现象？如何解决“爬齿”现象？
8、如何实现机座或机架结构的优化设计？
9、试说明闭环伺服系统与半闭环伺服系统的区别和优缺点。
10、以三相步进电机为例，说明步进电机工作原理。
答：105P
11、简述步进电动机步距角的定义及其计算方法。
答：一个脉冲作用下（即一拍）电动机转子转过的角位移称为步距角。 步距角大小
与通电方式和转子齿数有关，其大小可用下式计算107P
12、试编写D/A转换程序实现12位数据转换，其中低8位存在片内RAM的50H单元中，
高4位数据存放在51H中。
13、简述机电一体化系统稳态设计和动态设计的主要内容。
答：稳态设计包括系统的输出运动参数达到技术要求、执行元件的参数选择、功率
或转矩的匹配及过载能力的验算、各主要元部件的选择与控制电路设计、信号的有效传递、
各级增益的分配、各级之间的阻抗匹配和抗干扰措施等，并未后面的动态设计中的校正补偿
装置的引入留有余地。
动态设计主要是设计校正补偿装置，使系统满足动态技术指标要求，通常要进
行计算机仿真，或借助计算机进行辅助设计。
14、工程上一般采取哪些措施消除和减小机械谐振？
答；（1）提高传动刚度；（2）提高机械阻尼；（3）采用校正网络；（4）应用综合
速度反馈减小谐振；
四、计算题
1、已知双波谐波齿轮齿数2001Z，刚轮齿数2022Z，波发生器的转
速min/800rnH。如图1所示。试求：①刚轮固定时柔轮的转速1n ②柔
轮固定时刚轮的转速2n。
解：

（1）刚轮固定时：nnzzzzzzHH11211121()或

60020021001n n1=-6001006(/min)r
（2）柔轮固定时nnzzzzzzHH22212221()或
60020221012n
nr26001015941.(/min)（数值不一样，方法一样）

z
1

z
2

T
L

II

I
n
m

1

2
3
v
A

FLm
A、
图4-1 图5-1
2、图4-2为
压电式变换器（传感器）原理图，设电气变换部分的输入阻抗为R，压电元件

的杨氏模量为E，在外力F作用下产生的位移为x，所形成的电荷为Q，C为电容量，试推
导该压电式变换器（传感器）的输入-输出传递函数。（219~220p）

图4-2 压电式变换器原理图 图4-3
3、动电式传感器输入-输出传递函数推导。
4、
五、设计题
1、设有一进给系统如图2所示。已知：移动部件（工作台、夹具、工件等）的总质量m
A

＝500kg；沿运动方向的负载力FL＝1000N（包含导轨副的摩擦阻力）；电动机转子的转动惯

量Jm=4×10-4kg·m2,转速为nm；齿轮轴部件I（包含齿轮）的转动惯量JI=5×10-3kg·m2；齿轮
轴部件II（包括齿轮）的转动惯量JII=8×10-3kg·m2；轴II的负载转矩TL＝5N·m；齿轮z1与
齿轮z2的齿数分别为20与40，模数m为1mm。求：等效到电动机轴上的等效转动惯量
m
eq
J

和等效转矩meqT。（图中1为电动机，2为齿轮齿条副，3为工作台）（251P）
2、用芯片8031、74LS373、2764EPROM设计8031最小应用系统。（160P）