机电一体化系统设计主观题复习提纲

一、填空题

1.系统论、信息论、控制论是机电一体化技术的理论基础，是机电一体化技术

的方法论。

2.机电一体化的概念已不再局限于某一具体产品的范围，而是扩大到控制系统和

被控制系统相结合的产品制造和过程控制的大系统，如柔性制造系统、计算机集成制造系统及各种工业过程控制系统。

3.根据不同的使用目的，要求机电一体化系统能对输入的物质、能量和信息(即工业

三大要素)进行某种处理。

4.机电一体化产品不仅是人的手与肢体的延伸，还是人的感官与头脑的延伸，具

有“智能化”的特征是机电一体化与机械电气化在功能上的本质差别。

5.要从能量流、信息流及物质流的视角去分析机电一体化共性关键技术。

6. 要从伺服控制系统稳、准、快的要求认识机电一体化共性关键技术。

7.构成机电一体化系统的要素或子系统之间必须能顺利地进行物质、能量和信息的传递

与交换。为此，各要素或各子系统连接处必须具备一定的“联系条件”，这些联系条件称为接口。

8.丝杠螺母机构四种基本传动形式包括：螺母固定、丝杆转动并移动，丝杆固定、螺母转

动并移动，丝杆转动、螺母移动和螺母转动、丝杆移动。

9.滑动导轨副常见的截面形状有三角形、矩形、燕尾形和圆形。

10.机电一体化系统对机械系统要求是较高的定位精度和良好的动态响应特性

11.传感器按其能量传递方式可分为（能量转换型（或发电型传感器））和（能量控制型（或

参量型传感器））两种。

12.传感器按其输出信号的性质可分为（模拟式传感器）和（数学式传感器）。

13.传感器所测量的物理量基本上有两种形式，即（静态量）和（动态量），前者所表现的

信号不随时间变化而变化或变化很缓慢，而后者所表现的信号随时间的变化而变化。

14.传感器频域动态性能指标主要包括带宽频率、（工作频带）和（谐振频率）。

15.光电式角编码器按编码方式可分为（绝对式编码器）和（增量式编码器）两种。

16.根据对滑尺绕组供电方式的不同以及对输出信号的检测方式不同，感应同步器分为（鉴

相型测量）和（鉴幅型测量）。

17.描述二阶传感器系统动态特性的微分方程中包括的系统参数为静态灵敏度、（固有频率）

和（阻尼比）。

1.

四、简答题

1、机电一体化产品与传统机电产品的主要区别有哪些？

参考答案：

（1）机电一体化产品功能的实现是所有功能单元共同作用的结果，而传统机电设备中机械与电子系统相对独立，可以分别工作。

（2）机电一体化产品可以用最简单的机械结构来实现高精度的复杂运动，而传统的机电产品必须用十分复杂的机械才能实现，有的甚至根本无法实现。

（3）机电一体化产品具有“柔性”，而传统的机电产品往往是“刚性”的。也就是说，机电一体化产品可以通过软件的方法来改变工作方式，而传统的机电产品不具备这种功能。（4）具有“智能化”的特征是机电一体化产品与传统的机电产品在功能上的又一本质区别。（5）机电一体化产品更便于实现生产过程自动化，机电一体化产品借助于其通信功能可以与上位计算机传递信息，也可以互相之间通信构成网络。可以方便的组态以改变生产过程，又能各自独立工作。

2、画出机电一体化系统构成要素之间的相互联系框图。

参考答案：

3、论述机电一体化的设计思想及设计类型。

1、设计思想

（1）机电互补法

机电互补法又称取代法。利用通用或专用电子部件取代传统机械产品（系统）中的复杂机械功能部件或功能子系统，以弥补其不足。

（2）结合（融合）法

将各组成要素有机结合为一体构成专用或通用功能部件，其要素之间机电参数的有机匹配比较充分。

（3）组合法

将结合法制成的专用或通用功能部件（子系统）、功能模块，像积木那样组合成各种机电一体化系统（产品），故称组合法。

4、设计类型

（1）开发性设计

不参照已有产品，仅仅根据抽象的设计原理和要求，设计出在质量和性能方面满足目的要求的产品（系统）。

（2）适应性设计

在总的设计方案、原理基本保持不变的情况下，对现有产品进行局部更改，或用微电子技术代替原有的机械结构或为了进行微电子控制对机械结构进行局部适应性设计，以使产品在性能和质量上增加某些附加价值。

（3）变异性设计

在设计方案和功能结构不变的情况下，仅改变现有产品的规格尺寸使之适应于量的方面有所变更的需求。

5、画出概念设计的步骤及方法框图。

6、机电一体化产品的现代设计方法有哪些?

参考答案

（1）计算机辅助设计与并行设计

（2）虚拟设计

（3）快速响应设计

（4）可靠性设计

（5）绿色设计

（6）反求设计

（7）优化设计

（8）网络合作设计

7、滚珠丝杠副的轴向间隙对系统有何影响？常采用什么措施消除滚珠丝杆副轴向间隙？

参考答案：承载时滚珠和滚道型面接触点的弹性变形所引起的螺母轴向位移量和丝杠螺母副自身轴向间隙的总和称为滚珠丝杆副的轴向间隙。换向时，轴向间隙会引起空回现象，这种空回是非连续的，既影响反向传动精度，又影响系统稳定性，应予以消除。为了消除空回误差，在螺杆上装配两个螺母1和2，调整两个螺母的轴向位置，使两个螺母中的滚珠在承受载荷之前就以一定的压力分别压向螺杆螺纹滚道相反的侧面，使其产生一定的变形，从而消除了轴向间隙，也提高了轴向刚度。常用消除滚珠丝杆副轴向间隙的方法有下列几种：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、弹簧式自动调整预紧、单螺母变位导程预紧和单螺母滚珠过盈预紧。

8、为什么要消除齿轮副间隙？常用什么措施消除圆柱直齿轮副的间隙？

参考答案：齿轮副的间隙使得在传动过程中，主动轮突然改变旋转方向时，从动轮不能立即随之反转，而是有一个滞后量，造成齿轮传动的回差，对运动精度影响很大，同时会影响闭环伺服系统的稳定性。

消除齿轮副间隙通常分为刚性调整法和柔性调整法。其中圆柱齿轮传动中常用的调整齿侧间隙的方法有偏心套（轴）调整法、轴向垫片调整法和双片薄齿轮错齿调整法。

9、滚动导轨有什么优缺点？

参考答案：滚动导轨的优点是：①摩擦系数小，运动灵活；②静、动摩擦系数基本相同，不易产生爬行；③可以预紧,刚度高；④寿命长；⑤精度高；⑥润

滑方便；⑦专业厂生产，可以外购选用；滚动导轨的缺点是：①导轨面与滚动体是点接触或线接触，抗振性差，接触应力大；②对导轨的表面硬度、表面形状精度和滚动体的尺寸精度要求高；③结构复杂，制造困难，成本较高；④对脏物比较敏感，必须有良好的防护装置。

10、7.请说明图示齿轮齿条传动中消除齿侧间隙的原理？

1、6－小齿轮

2、5－大齿轮3－齿轮4－预载装置7－齿条

参考答案：当传动负载大时，可采用双齿轮调整法。如图所示，小齿轮1、6分别与齿条7啮合，与小齿轮1、6同轴的大齿轮2、5分别与齿轮3啮合，通过预载装置4向齿轮3上预加负载，使大齿轮2、5同时向两个相反方向转动，从而带动小齿轮l、6转动，其齿便分别紧贴在齿条7上齿槽的左、右侧，消除了齿侧间隙。

11、简述传感检测系统的含义及其在机电一体化系统中应用的地位和作用

答：

(1)传感检测系统是机电一体化系统的感受环节，是控制系统的信息入口。

其主要任务是对系统运动中所需的本身和外界的各种参数及状态（非电

量）进行检测并转换成与被测量有确定对应关系的电信号，通过信号调

节电路传输到计算机的信息处理单元，经过分析处理后，产生相应的控

制信息。

(2)传感器与检测技术是信息社会的重要基础技术，传感器是信息获取系统

的首要部件，是实现自动控制、自动调节的关键环节，也是机电一体化

系统不可缺少的关键技术之一，其水平高低在很大程度上影响和决定着

系统的功能。

12、简述传感器的基本组成及各组成部分的功能

答：

(1)传感器通常由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成。

(2)传感（敏感）元件：直接感受被测非电量，并按一定规律将其转换成与

被测非电量有确定对应关系的其它物理量。如弹性敏感元件将力转换为

位移或应变输出；转换元件：将敏感元件输出的非电物理量（如位移、

应变、光强等）转换成电路参量（如电阻、电感、电容等）；基本转换电

路：将电路参数量转换成便于测量的电学量，如电压、电流、频率等。

13、什么是传感器的静态特性？衡量传感器静态特性的重要指标有哪些？

答：

(1)传感器的静态特性就是指被测量x不随时间变化，或随时间的变化程度远

缓慢于传感器固有的最低阶运动模式的变化程度时，传感器的输出量y

与输入量x之间的函数关系。

(2)衡量传感器静态特性的重要指标是：线性度、灵敏度、分辨率、迟滞、重

复性、稳定性和漂移。

14、什么是传感器的动态特性？其分析方法有哪几种？

答：

(1)传感器的动态特性是指传感器对动态激励(输入)的响应(输出)特性，即其

输出对随时间变化的输入量的响应特性。反映输出值真实再现变化着的

输入量的能力。

(2)传感器的动态特性可以用基于时域的瞬态响应法和基于频域的频率响应

法来分析。其中，时域分析通常用阶跃函数、脉冲函数和斜坡函数作为

激励信号来分析传感器的动态特性；频域分析一般用正弦函数作为激励

信号来分析传感器的动态特性。

15、简述绝对式编码器和增量式编码器的区别

答：

(1)绝对式编码器：编码器输出的位置数据是唯一的；编码器的抗干扰特性、

数据的可靠性大大提高了；使用寿命长，可靠性高，其精度和分辨率取决

于光码盘的精度和分辨率。

(2)增量式编码器：编码器每转动一个预先设定的角度将输出一个脉冲信号，

通过统计脉冲信号的数量来计算旋转的角度，因此编码器输出的位置数据

是相对的；由于采用固定脉冲信号，因此旋转角度的起始位可以任意设定；

由于采用相对编码，因此掉电后旋转角度数据会丢失，需要重新复位。16、1）常用的步进电机的功率放大电路有哪几种类型？

答：单电压功率放大电路；高低压功率放大电路；恒流源功率放大电路；斩波恒

流功率放大电路等

17、

简述直流伺服电机的PWM 工作原理

答：直流伺服电机的速度与所加电压之间成线性关系，这是电机的调速特性，PWM 的工作原理为：通过晶闸管或其他自关断器件的控制，将直流电压断续地加到直流伺服电机上，利用调节通、断的时间变化来改变加在直流伺服电机上的平均电压值，从而调节直流伺服电机的运行速度

五.综合、计算题（10分）

1.已知图示齿轮传动系统中齿轮Z 1相对于自身回转轴线的总转角误差为'12，齿轮Z 2相对于其自身回转轴线的总转角误差为'6，齿轮副Z 3、Z 4轮折算到其主动轴上的总转角误差为'12，齿轮副Z 5，Z 6折算到从动轴上的总转角误差为'10。计算该齿轮传动系统折算到输出端的总转角误差。其中：齿轮的模数均为mm m 1=，Z 1=18，Z 2=36，Z 3=20，Z 4=40，Z 5=20，Z 6=60。

2114236351123362184022060320

22312

z i z z i z z i z i i i i =======

====??=

2.)计算总传动比：

max 135124max 6

232333

n

k k k n i i i i i i i i φφφφ

φφφφφ=??

??= ?

???

?????∴?=+++++?∑

齿轮副Z 3、Z 4的主动轴为齿轮Z 3所在轴；

齿轮副Z 5，Z 6的从动轴为齿轮Z 6所在轴；

由题意已知：

'

'''12345612,6,12,10φφφφ?=?=?=?=

则：

34

12max 562323

'''

''

1261210126614i i i i i φφφφφ????=

+++?=+++=

2.已知四级齿轮传动系统中，各齿轮的转角误差为'

123418φφφφ?=?=?=?=，

'567812φφφφ?=?=?=?=。计算该齿轮传动系统折算到输出端的总转角误差。

其中：齿轮的模数均为mm m 1=，Z 1=20，Z 2=30，Z 3=18，Z 4=36，Z 5=20，Z 6=40，Z 7=20，Z 8=60。

解：1.)计算各级传动比：

2114236358471123430 1.520362184022060320

1.522318

z i z z i z z i z z i z i i i i i ==========

====???=

2.)计算总传动比：

max 12345671max

8

234344

n

k k k n i i i i i i i i φφφφφφφφφφφ=????= ? ???

?+??+?+??∴?=++++?∑

由题意已知：

'123418φφφφ?=?=?=?=，'567812φφφφ?=?=?=?=

则：

234567

1max 8234344

'''''''''

181818181212121218126329i i i i i i i φφφφφφφφφ?+??+?+???=

++++?+++=++++=

3. 设有i =20,传动级数n= 2的小功率传动,试按等效转动惯量最小原则分配传动比。

解：按最小等效转动惯量分配传动比的计算公式：

(

)()

()

21122121

12121

/22

1,2,

,2n n n n n k k n i i

i i k n ------=?==??

根据题意，有：

()()222

21

1

221

2

1

1221

1

221

21116

3

2

2

202203.0463

n n n

n i i --------==?=?=，

(

)()222121

22/223

202106.563

i --?

=?

?==

验算：22 3.0463 6.56320i i ?=?≈

4、某数控系统结构如图所示。图中，1J 和2J 分别为中间轴和末端轴转动惯量，

1K 和2K 分别为中间轴和末端轴的刚度，L T 为负载转矩。假设伺服电机反电动势常数为b K ，转矩系数为T K ，电枢电阻为a R ，转动惯量为m J ，电机机电放大系数为m K ，机电时间常数为m T ，测速电机比电势为F K ，编码器增益为P K ，忽略电枢电感及齿轮的转动惯量，试回答下列问题：

L

（1）求负载折算到伺服电机轴上的等效转动惯量e J 、等效刚度e K 和等效负载转矩e T

（2）将计算机等效为一个PID 环节，试画出该系统的传递函数方框图 （1）惯量折算：2

1

212

3

1422???

? ??+

???

? ????=

z z J z z z z J J e ；

刚度折算：

2

2

1224

2311111???

? ???+

???

? ?????=z

z K z

z z z

K K e

；

转矩折算：3

142z z z z T T L

e ??=

(2)

5、有一个工作台由一台三相反应式步进电机直接驱动滚珠丝杆螺母副带动工作台移动，假定步进电机的转子有40个齿，步进电机的通电方式为