机电一体化系统设计试卷(整合版)

（一）一、填空(每空2分, 共20分)

1.机电一体化产品按用途可以划分为办公机电一体化产品、产业机电一体化产品、民用机电一体化产品

2. 控制及信息处理单元一般由控制计算机、控制软件和硬件接口组成。

3．在小功率传动链中, 为使总的折算惯量最小, 各级传动比分配应遵守前小后大原则。

4. 典型的可编程控制器由编程器、微处理器、贮存器、电源和输入／输出接口等部分构成。

5. 传感器的静态特性能数主要有灵敏度、线性度迟滞和重复精度。

二、简答题(每题4分, 共20分)

1. 为什么采用机电一体化技术可以提高系统的精度?答: 机电一体化技术使机械传动部分减少, 因而使机械磨损, 配合间隙及受力变形等所引起的误差大大减少, 同时由于采用电子技术实现自动检测, 控制, 补偿和校正因各种干扰因素造成的误差, 从而提高精度。

2. 机电一体化相关技术有哪些? 答: 机电一体化相关技术有: 机械技术, 计算机与信息处理技术, 系统技术, 白动控制技术, 传感器测试技术和伺服驱动技术。

3．转动惯量对传动系统有哪些影响?答: 转动惯量增大使机械负载增加, 功率消耗大；使系统相应速度变慢, 降低灵敏度；使系统固有频率下降, 容易产生谐振。

4．简述机电一体化产品设计中, 详细设计的主要内容。答：详细设计主要包括：系统总体设计；业务的分组；机械本体及工具设计；控制系统设计：程序设计；后备系统设计；完成详细设计书及制造图样；产品出厂及使用文件的设计。

5. 简述A／D、D／A接口的功能。答：A／D接口的功能是将温度、压力等物理量经传感器变成的电压、电流等信号转换为数字量。D／A接口是将二进制数字量转换成电压信号。

三、分析题(20分)

1. 已知数控机床控制系统如图所示, 试说明图中的各个部分属于机电一体化系统巾的哪一个基本要素?

2．)解答: 图中各部可分为: （1）控制及信息处理单元: 键盘、计算机、显示；(2)测试传感部分: 光电编码器、信号处理；(3)能源: 电源；(4)驱动部分: 功放、电机；(5)执行机构: 联轴器、齿轮减速器、丝杠螺母机构、工作台

试分析图示传动系统中, 齿轮减速器的传动误差对工作台输出精度的影响?

解答：齿轮传动链位于电机之后, 前向通道的闭环之外, 其传动误差的低频分量和高频分量都不能通过闭环控制来消除, 都会影响输出精度。

四、计算题(24分)

1. 如图所示电机驱动系统, 已知工作台的质量为m=50kg负载力为F1＝1000N, 最大加速度为10m／s2’, 丝杠直径为d＝20mm, 导程t＝4mm, 齿轮减速比为i=5, 总效率为ŋ=30％, 忽略丝杠惯量的影响, 试计算电机的驱动力矩。

解: (1)计算负载力负载力由外负载力、惯性负载力两部分构成

2. 已知某工作台采用直流电机丝杠螺母机构驱动, 已知工作台的行程L=250mm, 丝杠

导程t＝4mm, 齿轮减速比为i=5, 要求工作台位移的测量精度为o．005mm(忽略齿轮和丝杠的传动误差)。

(1)试采用高速端测量方法, 确定旋转编码器的每转脉冲数

解答：设传感器的每转脉冲数为, n, 每个脉冲对应工作台的位移为

满足题目要求。

(2)若将传感器与丝杠的端部直接相连, n。=500脉冲／转的旋转编码器是否合用。

解答: 传感器直接与丝杠连接, 与减速比无关

可知”。＝500脉冲／转的编码器不合用。

五、综合题(16分)

已知电机驱动的三自由度位置控制系统, 单个自由度的驱动系统如图所示, 确定整系统

的控制方案、画出控制系统原理图。(至少提出两个方案)

(1)工业PC机集中控制方案: 用一台工业PC机对三个自由度实现集中控制, 包括任务管理和三个自由度的伺服控制, 系统原理图如下。

(2)工业PC机、单片机分级控制方案: 用一台工业PC机与三个单片机通信, 对三个单片

机实现管理, 每个单片机负责一个自由度的伺服控制, 控制系统原理图如下。

(3)单片机、单片机分级控制方案: 用一个单片机作为主单片机与三个从单片机通信, 对三

个从单片机实现管理, 每个从单片机负责一个自由度的伺服控制, 控制系统原理图如下。

评分标准: 正确回答出三种方案之中的任意两个即可得满分。

（二）一: 名词解释

1机电一体化机电一体化技术综合应用了机械技术、微电子技术、信息处理技术、自动控制技术、检测技术、电力电子技术、接口技术及系统总体技术等群体技术, 以系统为出发点的最佳功能价值的系统工程技术。

2伺服控制伺服控制系统是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作, 从而获得精确的位置、速度及动力输出的自动控制系统。

3闭环控制系统闭环控制系统是指具有反馈的控制系统。

4逆变器逆变器是将直流电变成交流电的电路。

5 SPWM SPWM是指脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形。

6单片机它是把组成微机的CPU、存储器I/O接口电路、定时器/计数器等制作在一块集成芯片上构成一个完整的计算机。

7 I/O接口I/O接口电路也简称接口电路。它是主机和外围设备之间交换信息的连接部件（电路）。它在主机和外围设备之间的信息交换中起着桥梁和纽带作用。

8 I/O通道也称为过程通道。它是计算机和控制对象之间信息传送和变换的连接通道。

9 串行通信串行通信是数据按位进行传送的。在传输过程中, 每一位数据都占据一个固定的时间长

度, 一位一位的串行传送和接收。串行通信又分为全双工方式和半双工方式、同步方式和异步方式。

10直接存储器存取（DMA ）硬件在外设与内存间直接进行数据交换（DMA ）而不通过CPU

五、简答题

1.试简述光电式转速传感器的测量原理。光电式转速传感器是一种角位移传感器, 由装在被测轴(或与

被测轴相连接的输入轴)上的带缝隙圆盘、光源、光电器件和指示缝隙盘组成。光源发生的光通过缝隙圆盘和指示缝隙照射到光电器件上。当缝隙圆盘随被测轴转动时, 由于圆盘上的缝隙间距与指示缝隙的间距相同, 因此圆盘每转一周, 光电器件输出与圆盘缝隙数相等的电脉冲, 根据测量单位时间内的脉冲数N, 则可测出转速为

Zt N

n 60 式中 Z ——圆盘上的缝隙数； n ——转速(r ／min)；t ——测量时间(s)。

2.试述可编程控制器的工作原理。可编程控制器有两种基本的工作状态, 即运行（RUN ）和停止（STOP ）状态。不管是在哪种状态, PLC 都是反复不断地重复进行, 直至PLC 停机。在每次循环中, 若处于运行（RUN ）状态, 可编程控制器完成5个阶断。若处于停止（STOP ）状态, PLC 也要循环进行内部处理和通信服务。

3.在模拟输入通道中, 采样/保持器有什么作用？ 是否模拟输入通道中必须采用采样/保持器？ 为什么？ 由于任何一种A/D 转换器都需要有一定时间来完成量化及编码操作, 因此, 在转换过程中, 模拟量不能发生变化, 否则, 将直接影响转换精度。采样/保持器（SamPLE/Hold ）就是使在A/D 转换时, 保证输入A/D 转换器的模拟量不发生变化。模拟输入通道中不一定非得采用采样保持器。当输入的模拟量信号变化缓慢时, 也可省去采样/保持器。

4. 柔性制造系统的主要特点有哪些？（1）柔性高, 适应多品种中小批量生产；（2）系统内的机床工艺能力上是相互补充和相互替代的；（3）可混流加工不同的零件；（4）系统局部调整或维修不中断整个系统的运作；（5）多层计算机控制, 可以和上层计算机联网；（6）可进行三班无人干预生产。 5 步进电动机是什么电机？ 它的驱动电路的功能是什么?步进电动机又称电脉冲马达, 是通过脉冲数量决定转角位移的一种伺服电动机, 成本较低, 易于采用计算机控制, 且比直流\交流电动机组成的开环控制系统精度高, 因而被广泛应用于开环控制的伺服系统中。步进电动机驱动电路实际上是一个功率开关电路, 为使步进电动机能输出足够的转矩以驱动负载工作, 提供的足够功率的控制信号。

6.伺服控制系统一般包括哪几个部分？每部分能实现何种功能？ 伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等个五部分。比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得输出与输入间的偏差信号，通常由专门的电路或计算机来实现；控制器通常是计算机或PID 控制电路；其主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理，以控制执行元件按要求动作；执行元件按控制信号的要求，将输入的各种形式的能量转化成机械能，驱动被控对象工作，机电一体化系统中的执行元件一般指各种电机或液压、气动伺服机构等。被控对象是指被控制的机构或装置，是直