(完整版)机电一体化设计基础

——《机电一体化设计基础》——
课后习题及知识点整理
考试大纲
1．考试的目的与作用；
机电一体化系统设计是机械设计制造及其自动化专业的一门专业课。

学生的考试成绩是对其学习水平评价的重要因素之一，通过复习考试，可以巩固学生所学机电一体化系统设计的基本理论，加深对机电一体化系统各组成部分的结构以及设计方法的认识；教师通过考试可以考核学生对所学知识点的掌握程度，找出共性问题；另外，通过考试还可以检查教学效果，为今后进一步提高机电一体化系统设计课程的教学质量，促进课程建设提供重要的参考依据。

2．考核内容与考核目标；
理解机电一体化系统中各结构要素在系统中的作用和相互关系。

了解机电一体化系统的设计方法。

了解机电一体化系统中常用传感器、传动机构、动力驱动装置和计算机控制系统种类和特点。

掌握机电一体化系统中机械、传感检测、伺服驱动、控制等基本结构要素的技术特点，掌握典型装置的技术原理和使用方法。

了解典型机电一体化产品的构成、特点和设计方法，学会设计简单的机电一体化产品。

3．主要参考书；
刘武发等编，机电一体化设计基础，化学工业出版社，2007
张建民等编著. 机电一体化系统设计（第三版）.高等教育出版社，2007.7
4．课程考试内容与教材的关系；
根据教学大纲选用教材，根据大纲要求确定考核内容。

5．分章节的考核知识点；
第1章绪论
机电一体化的定义，机电一体化的基本结构要素，机电一体化的相关的关键技术。

第2章机电一体化系统设计基础
机电一体化设计流程，产品的设计过程，调试过程，接口设计和可靠性设计。

第3章典型机电一体化产品规划和概念设计。

数控机床的概念设计。

第4章机电一体化系统中的机械系统设计
机械设计特点，齿轮传动比的确定方法与分配方法，调整齿轮侧隙的措施；谐波齿轮传动、同步带传动的结构、特点及传动比的计算，联轴器选择；滚珠丝杠副的选则预紧计算；滚动导轨、塑料导轨的特点及选用；支承机构的特点。

第5章机电一体化中的检测系统设计
传感器的组成、分类和性能指标，各种传感器的基本原理及应用特点。

传感器与计算机的接口设计，新型传感器。

第6章机电一体化中的伺服系统设计
机电一体化系统中的伺服传动系统的组成与设计方法，交、直流伺服系统，步进伺服系统的组成以及工作原理，电液伺服系统的工作原理及特点。

第7章机电一体化控制系统设计
控制系统的组成，控制系统建模和机床的控制系统。

6．题目类型、考核方法；
题目类型：填空(30分)、单项选择（10分）、判断正误（10分）、名词解释（20分）、简答（20分）、计算（10分）等。

考核方法：采用闭卷考核。

7．考试时间： 120分钟。

8．成绩评定办法
采用试卷考核时，考试总成绩包含两部分：平时成绩占30％，试卷成绩占70％。

第一章
思考题
1、试说明机电一体化的涵义。

答：机电一体化乃是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成的系统总称。

2、什么是工业三大要素？
答：工业三大要素是指：物质、能量和信息。

3、机电一体化系统的主要组成、作用是什么？
答：
机电一体化系统的五大功能：
主功能：系统的主要加工目的；
动力功能：给系统提供动力、能量；
检测功能：测量监测系统运行情况；
控制功能：控制调整系统的动作流程等；
构造功能：提供系统支撑、传动等。

4、机电一体化系统的构成要素是什么？它们各有什么作用？其主体和核心技术是什么？
答：一个完善的机电一体化系统，应包括机械本体、动力系统、传感检测系统、执行部件、信息处理及控制系统五个基本要素，各要素和环节之间通过接口联系。

1）机械本体
用于支撑和连接其他要素，并把这些要素合理地结合起来，形成有机的整体。

2）动力系统
按照系统控制要求，为机电一体化产品提供能量和动力功能，去驱动执行机构工作以完成预定的主功能。

3）传感与检测系统
将机电一体化产品在运行过程中所需要的自身和外界环境的各种参数及状态转换成可以测定的物理量，同时利用检测系统的功能对这些物理量进行测定，为机电一体化产品提供运行控制所需的各种信息。

4）信息处理及控制系统
信息处理及控制系统接收传感与检测系统反馈的信息，并对其进行相应的处理、运算和决策，以对产品的运行施以按照要求的控制，实现控制功能。

5）执行部件
在控制信息的作用下完成要求的动作，实现产品的主功能。

机电一体化构成要素间关系：
（1）机电一体化是一种以产品和过程为基础的技术。

（2）机电一体化以机械为主体。

（3）机电一体化以微电子技术，特别是计算机控制技术为核心。

（4）机电一体化将工业产品和过程都作为一个完整的系统看待，因此强调各种技术的协同和集成，不是将各个单元或部件简单拼凑到一起。

（5）机电一体化贯穿于设计和制造的全过程中。

5、传统机电产品与机电一体化产品的主要区别是什么？
答：机电一体化产品的特点是产品功能的实现是所有功能单元共同作用的结果，这与传统机电设备中机械与电子系统相对独立，可以分别工作具有本质的区别。

6、机电一体化各要素及其与外界是通过什么连接的？有什么重要性？
答：机电一体化各要素及其与外界是通过接口连接的。

一方面，机电一体化系统通过输入/输出接口将其与人、自然及其他系统相连；另一方面，机电一体化系统通过许多接口将系统构成要素联系为一体。

因此，系统的性能在很大程度上取决于接口的性能。

7、为什么说精密机械技术是机电一体化的基础？
答：精密机械技术是机电一体化的基础，因为机电一体化产品的主功能和构造功能大都以机械技术为主来得以实现。

8、发展机电一体化的共性关键技术有那些？它们的作用如何？
答：发展机电一体化技术所面临的共性关键技术包括传感检测技术、信息处理技术、伺服驱动技术、自动控制技术、接口技术、精密机械技术及系统总体技术等。

1）传感检测技术
对工作过程的各种参数、工作状态以及与工作过程有关的相应信息都要通过传感器进行接收，并通过相应的信号检测装置进行测量，然后送入信息处理装置以及反馈给控制装置，以实现产品工作过程的自动控制。

2）信息处理技术
在机电一体化产品工作过程中，与工作过程各种参数和状态以及自动控制有关的信息输入、识别、变换、运算、存储、输出和决策分析等技术。

3）自动控制技术
在没有人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定的规律运行。

4）伺服驱动技术
主要是指机电一体化产品中的执行元件和驱动装置设计中的技术问题，它涉及设备执行操作的技术，对所加工产品的质量具有直接的影响。

（执行元件一方面通过接口电路与计算机相连，接受控制系统的指令；另一方面通过机械系统接口与机械传动和执行机构相连，以实现规定的动作。

因此，伺服驱动技术直接影响着机电一体化产品的功能执行和操作，对产品的动态性能、稳定性能、操作精度和控制质量等产生决定性的影响。

）
5）接口技术
各要素及各子系统之间的接口性能就成为综合系统性能好坏的决定性因素。

6）精密机械技术
精密机械技术是机电一体化的基础，因为机电一体化产品的主功能和构造功能大都以机械技术为主，来得以实现。

7）系统总体技术
是最能体现机电一体化设计特点的技术，也是保证其产品工作性能和技术指标得以实现的关键技术。

9、试举出几个机电一体化的家电产品。

答：全自动洗衣机、扫地机器人、空调等
10、试论述机电一体化的发展趋势。

答：机电一体化的发展方向如下：智能化、模块化、网络化、微型化、绿色化和人格化等。

第二章
思考题
1、简述机电一体化系统设计流程。

答：
1）产品规划：
通过需求分析、需求设计、可行性分析，确定设计参数及制约条件，最后制订出详细的设计任务书；
2）概念设计：
将总功能分解为各功能模块，确定它们之间的逻辑关系；然后对各功能模块输入/输出关系进行分析，确定功能模块的技术参数、控制策略、系统的外观造型和总体结构；得到各种方案，并通过构想设计理念、创新构思、搜索探求、优化筛选取得较理想的工作原理方案。

3）详细设计：
各个功能单元的细部设计、接口的设计、各个分系统的设计、系统的总体评价及选优;设计应尽量模块化和结构化，以利于改进，或进行产品换代时参考。

4）设计实施：
制造、调试、复核。

5）设计定型阶段：
工艺定型、编写设计说明书等技术档案。

2、简述开发性设计、适应性设计、变型设计的异同？
答：
开发性设计：
在工作原理、结构等完全未知的情况下，没有参照产品，应用成熟的科学技术或经过试验证明是可行的新技术，设计出质量和性能方面满足目的要求的新产品。

这是一种完全创新的设计。

适应性设计：
对现有产品总的方案原理基本保持不变，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，以使产品的性能和质量增加某些附加价值。

变异性设计：
设计方案和功能结构不变，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要求。

3、何谓概念设计？简述概念设计的具体设计步骤。

答：
概念设计可以理解为是由分析用户需求到生成概念产品的一系列有序的、可组织的、有目标的一系列活动，它表现为一个由粗到精、由模糊到清楚、由抽象到具体、不断进化与展开的推理与决策的过程。

概念设计过程的步骤：设计任务抽象化，确定系统的总功能→将总功能分解为子功能，直到功能元→寻找子功能（功能元）的解→将原理解进行组合，形成多种原理解设计方案→对众多方案进行评价决策，选定最佳方案→概念产品。

4、简述功能—行为—结构三者的关系。

答：1）结构是功能和行为的载体：产品结构状态的变化是行为，行为的作用是功能。

2）行为与结构、功能与行为的关系是多对多的。

5、如何进行设计任务的抽象化，其作用是什么？
答：工程设计中常用的抽象方法是“黑箱法”。

设计任务抽象化的作用是使设计人员暂时抛弃那些偶然情况和枝节问题，突出基本的、必要的要求，这样就便于抓住问题核心，同时避免了构思方案前的框框，可以放开视野，寻求更为理想的设计方案。

通过抽象化，设计人员无需涉及具体的解决方案，就能清晰地掌握所设计产品的基本功能和主要约束条件，从而抓着了设计中的主要矛盾。

这样就可以把思维注意力集中到关键问题上来，容易有计突破和创新。

6、总功能为什么要分解，应如何进行分解？
答：总功能表达输入量转变成输出量的能力，它是系统的属性，它表明系统的效能及可能实现的能量、物料、信息的传递和转换。

对于所设计的产品对象来说，产品的整体功能是由不同组成部分相互协调共同完成的。

因此，产品总功能可以分解为子功能和多级子功能，它们按确定的功能结合起来，建立功能结构图，这样既可显示各功能元、子功能与总功能之间的关系，又可通过各功能元之间的有机组合求系统方案。

总功能分解步骤和方法：
①建立功能结构示意图（前级功能元是后级的目的功能；后级功能元是前级的手段功能。

）
②寻找功能元（功能元——是能直接从物理效应和逻辑关系找到可满足功能要求的最小单位，可分为：物理功能元——反映系统中能量、物料、信息变化的基本物理动作，包括：“变换”、“缩放”、“合并、分离”、“储存”；逻辑功能元——主要用于信号及操作系统控制，包括：“与”、“或”、“非”、“与或”、“与非”、“或非”；数学功能元——加、减、乘、除、乘方、开方、微积分等。

）
7、什么是功能结构，三种基本结构形式是什么？
答：在功能分解中要求同级子功能相互协调组合起来应能满足上一级子功能的要求，最后组合起来应能满足总功能，这种功能的分解与组合关系称为功能结构。

3种基本结构形式是：串联（链状）结构、并联（平行）结构和环形结构（反馈连接）。

8、举例说明什么是物理效应和功能载体？
答：所谓物理效应即由某种物理原理所引发产生的某种现象，而功能载体即是实现功能的物理结构，例如“高速旋转的叶片带动水旋转时产生的离心力，可把水上扬”，其中“水旋转时产生的离心力，可把水上扬”为物理效应，而“高速旋转的叶片”为产生这一物理效应的功能载体。

9、什么是艺术造型三要素？
答：艺术造型三要素是：功能、物质技术条件及艺术内容。

10、人机接口和机电接口各有哪些分类？并举例说明。

答：人机接口是操作者与机电一体化系统（主要是控制微机）之间进行信息交换的接口。

按照信息的传递方向，可以分为两大类：输入接口与输出接口。

系统通过输出接口向操作者显示系统的各种状态、运行参数及结果等信息，例：静态显示接口、动态显示接口等；另一方面，操作者通过输入接口向系统输入各种控制命令及控制参数，对系统运行进行控制，实现所要求完成的任务，例：简单开关输入接口、键盘输入接口等。

机电接口是指机电一体化产品中的机械装置与控制微机间的接口。

按照信息的传递方向可以将机电接口分为信息采集接口（又称传感器接口，如：A/D转化器）与控制量输出接口(如：D/A转换器)。

11、为什么要进行系统的评价？简述其步骤。

答：系统评价的目的是决策，是为了获取成功得经验和失败的教训，以便将来作出更合理的决策。

系统评价的步骤:
①明确系统评价的目的;②分析系统、熟悉系统;③建立评价指标体系;④确定评价尺度;⑤确定评价方法;⑥计算评价值;⑦综合评价
12、为什么要进行系统的决策？简述其步骤。

答：是在占有一定信息和经验的基础上，根据客观条件与环境的可能，借助于一定的科学方法，从各种可供选择的方案中，选出作为实现特定目标的最佳方案的活动。

决策步骤：发现问题→确定目标→找出各种可供选择的方案→对每个方案进行评估→选择其中最佳方案→执行
13、如何确定系统的评价指标体系？
答：确定指标体系要根据系统的不同特点，遵循系统性、可行性和重要性的原则来进行选择各项评价指标。

系统评价时，首先要根据系统目标规定一组评价指标，确定系统的评价项目，制定评价的准则，通过对各因素赋予反映价值地位的加权系数，从而形成一种评价的价值体系。

14、常用的系统评价方法是什么？
答：常用的系统评价方法：德尔菲法（专家评价法）、评分法、层次分析法、模糊综合评价方法等。

15、系统调试的一般规律是什么？
答：系统调试的一般规律：
先模块，后系统；先子功能，再总功能；先模拟，后在线；先静态，后动态。

16、简述各种现代设计方法的内涵。

答：常用现代设计方法：可靠性设计、优化设计、反求设计、绿色设计、虚拟设计等。

1）可靠性设计：分析系统在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力；是建立在概率统计基础之上，以零件、产品或系统的失效规律为基本研究内容的一门学科。

2）优化设计：将优化技术应用于设计过程，最终获得比较合理的设计参数的方法。

3）反求设计：以现代设计理论、方法和技术为基础，运用各种专业人员的设计经验、知识和创新思维，对已有的产品或技术进行分析研究，掌握其功能原理、零部件的设计参数、材料、结构、尺寸和关键技术等指标，进而对该系统（产品）进行剖析、重构、再创造的设计。

4）绿色设计：从并行工程思想发展而出现的一种新概念，是在新产品（系统）的开发阶段，就考虑其整个生命周期内对环境的影响，从而减少对环境的污染、资源的浪费，消除在使用安全和人类健康等方面所产生的负作用。

5）虚拟设计：是基于虚拟现实技术的新一代计算机辅助设计。

在基于三维计算机辅助设计环境中，设计者进行三维实体建模和装配建模，最终生成精确的系统模型，进行一些相关分析从而满足工程设计和应用的需要。

17、如何进行机电一体化系统的可靠性设计？
答：机电一体化系统的可靠性设计分为现代机械系统可靠性设计和控制系统可靠性设计。

现代机械系统可靠性设计：
①缩短传动链，减少元件数
②必要时增加设备用元件或系统
③简化结构
④增加过载保护装置、自动停机装置
⑤设置监控系统
⑥合理规定维修期
控制系统可靠性设计：
①自动控制
②通过元器件的合理选择提高可靠性
③对功率接口采用降额设计提高可靠性
④采用监视定时器提高可靠性
⑤采取抗干扰措施提高可靠性
18、传统产品设计与绿色产品设计有何区别与联系？
答：绿色产品设计是将产品寿命周期内各个阶段（设计、制造、使用、回收处理等）看成一个有机整体，在保证产品良好性能、质量及成本等要求的情况下，还充分考虑到产品的维护资源及能源的回收利用以及对环境的影响等问题。

传统产品设计是以市场需求的预测为基础的，其技术方案的确定，重点考虑设计和制造两个领域的问题，而在产品维护和产品废弃方面对环境的影响考虑很少，甚至根本就不考虑。

第四章
思考题
1、机电一体化的机械系统主要内容有哪些？
答：在构成机电一体化系统的要素中，几个部分并不是并列的，机械部分是主体，而且系统的主功能必须由机械装置来完成。

机械系统构成：传动机构（传递动力和运动）、支承与导向机构（为机械系统中各运动装置安全、准确地完成其特定方向的运动提供支承和导向）、执行机构（执行机构根据操作指令的要求在动力源的驱动下，完成预定的操作。

一般要求它具有较高的灵敏度、精确度、重复性和可靠性等）、轴系（传递转矩及精确的回转运动，它直接承受外力或力矩）、机座机架（承重、支撑、保证各零部件相对位置的基准作用）。

2、对机械传动机构的性能要求是什么？
答：a.无（小）传动间隙（对间隙要进行处理）；b.惯量小（惯量要合理）；c.摩擦小；d.刚度大；e.阻尼适中；f.缩短传动链
3、常用无侧隙齿轮传动机构有哪几种？
答：1）偏心套调整法（中心距调整法）特点：结构简单，但其侧隙不能自动补偿，需反复调试。

2）轴向垫片调整法（齿宽增厚调整法）特点：结构简单，但其侧隙不能自动补偿。

需反复调试。

3）双片薄齿轮错齿调整法特点：齿侧间隙可自动补偿，但结构复杂。

4、滚珠丝杠副有哪些特点？
答：①传动效率高：92％～96％，耗费的能量仅为滑动丝打的l/4～1/3；
②运动具有可逆性：需设置制动装置；
③轴向刚度好；
④传动精度高，使用寿命长：低速时无爬行现象，能始终保持运动的平稳性和灵敏性；摩擦小，丝杠副工作时温升和热变形小，可获得较高的传动精度；寿命长；
⑤制造工艺复杂；
5、滚珠丝杠副常用的支承方式有哪几种？各有什么特点？
答：滚珠丝杠副常用的有三种支承方式。

1）一端固定一端自由（F-O）：结构简单，轴向刚度较两端固定低，压杆稳定性和临界转速较低，用于较短和竖直的丝杠。

2）一端固定一端支承（F-S）：两端与螺母要同轴，结构较复杂，工艺较困难，刚度同（F-O）相同，压杆稳定性和临界转速较（F-O）高，用于较长的卧式安装
丝杠。

3）两端固定（F-F）：两端与螺母要同轴，结构较复杂，工艺较困难，轴承无间隙时刚度为（F-S）的四倍，无压杆稳定性问题，固有频率高，适用于刚度和精度要求较高的场合。

6、滚珠丝杠副为何要预紧？预紧力常为多少？
答：滚珠丝杠副预紧是为了消除其间隙，使其内部受力更均匀，传动更精确。

预紧力不能太小，太小间隙不能完全消除；预紧力也不宜过大，否则会使空载力矩增大，降低传动效率，缩短使用寿命。

7、常用的直线运动导轨有哪些？
答：一般滑动导轨、塑料导轨、滚动导轨、静压导轨（液体静压、气体静压）
8、对机座机架的基本要求是什么？
答：（1）保证刚度：动刚度、静刚度。

方法：筋板
（2）减少热变形：①减少发热；②散热良好；③恒温控制；④选择热变形对称的结构形式；
（3）提高抗震性：①提高静刚度；②增加阻尼；③减轻重量；④隔振
（4）良好的结构工艺性：机械加工工艺性和装配工艺性
9、简述花岗岩的特点及应用？
10、当工作台重量为400kg，夹具和工件重量为400kg，最大工作行程为
1000mm，其它条件和4.5.2节相同时，试选择设计滚珠丝杠副。

11、工作台重量为400kg，夹具和工件重量为400kg，最大工作行程为1000mm，其它条件和4.5.3节相同时，试选择设计线性运动滚珠导轨。

第五章
思考题
1、简述传感检测系统的构成及各环节的作用？
答：传感监测系统可分为：开关量监测系统、模拟量监测系统和数字量监测系统。

2、在传感检测系统中为什么要进行标度变换？
答：各种不同的传感器都有不同的量纲和数值，被测信号转换成数字量后仅仅与其输入的参数值对应，但其量纲与大小并不与输入的被测参数相同，因此必须把它转换成和输入参数具有相同的量纲，这些转换就是标度变换。

3、在什么情况下采用数字滤波？ 数字滤波和模拟滤波相比有何优点？
答：在由微处理器对传感器采样时，为了减少干扰对采样值的影响，提高系统的可靠性，常采用数字滤波方法。

数字滤波和模拟滤波相比有以下优点：
1）不需要增加任何硬件设备；
2）传感精度可以提高，不存在阻抗匹配问题；
3）可以多个通道共用；
4）可以多频率很低的信号进行滤波；
5）使用灵活方便。

4、试举一例说明传感器非线性特性的线性化过程。

答：非线性化类型：指数型曲线、有理代数型曲线
（1） 指数曲线型非线性特性（热敏电阻）
i bV o V ae C =+
00(11)
b T T T T R R e -= （2） 有理代数函数型非线性特性（热电偶） 2012n
o i i n i V a a V a V a V =++++ 20[1]
T R R aT bT =++ 5、为何对传感器的温度误差要采用软件补偿？ 简述其关键和步骤。

答：由于温度传感器和微处理器性价比的提高，且只要精确地建立温度误差的数学模型，软件温度误差也能得到较为满意的补偿，故对传感器的温度误差多采用软件补偿。

6、增量式脉冲编码器是如何检测数控机床进给轴的进给速度和进给行程的？ 答：增量式脉冲编码器安装在控机床进给电机或丝杠上，当光电码盘与工作轴一起旋转时，光线通过光栏板和光电码盘产生明暗相间的变化，由光电元件接收。

通过信号处理电路将光信号转换成电脉冲信号，通过计算脉冲的数目，即可测出转轴的转角，通过计量脉冲的频率，可测出转轴的转速，再通过传动比和导程等可进一步求出数控机床进给轴的进给速度和进给行程。