《机电一体化系统设计》——期末复习题及答案

中国石油大学（北京）远程教育学院
《机电一体化系统设计》期末复习题
第一章绪论
判断（A对，B错）
1.工业三要素是资金、人才、技术。

2.机电一体化系统的执行机构功能是主操作功能。

答案：B A
单选
1、机电一体化系统机械本体的功能是（）
A执行机构B动力源C固定其它部件D主操作功能
2、下列哪一项是机电一体化的特性。

A装置的控制属于强电范畴B自动信息处理
C支撑技术是电工技术D以机械联结为主
3、机电一体化系统的主要构成装置不包含以下哪一项（）
A电子装置B控制装置C驱动装置D机械装置
答案：C B A
问答题
1、在机械工业中微电子技术应用有哪些方面，及其对机电一体化产品设计的意义？
1)对机器或机组系统运行参数进行巡检传感或控制
2)对机器或机组系统工作程序的控制
3)用电子技术代替传统产品中机械部件完成的功能，简化产品的机械结构
4)节约材料
5)节能降耗
对机电一体化产品设计的意义表现在：功能模块化；封装模块化；电路（板）器件微型化；可靠性高；抗干扰能力强；结构一体化；机电产品体小、性优、价廉。

2、机电一体化系统的主功能组成是那些？
物质、能量、信息（工业三要素）的变换（加工处理）、传递（移动、输送）、储存（保持、积蓄、记录）
3、机械电气化与机电一体化的区别
机械电气化
–很少考虑电器与机械的内在联系；根据机械要求选用电气传动
–机械电气界限分明，以机械联结为主，装置是刚性的
–装置的控制属于强电范畴，支撑技术是电工技术（电磁学，输配电）机电一体化
产品的新功能、智能化进步：自动检测，自动显示，自动记录，自动信息处理，自动调节控制，自动诊断，自动保护
4、简要说明机电一体化系统组成要素及其功能？
五个方面，各组成及功能分别是：机械本体(构造功能:固定其它部件)；执行机构(主操作功能)；驱动部件(动力功能)；传感部件(信息检测)；控制部分(信息处理及控制)
5
6、机电一体化的关键支撑技术有哪些？它们的作用如何？
系统论、信息论、控制论是理论基础和方法论，具体来说有六个方面的关键技术：
检测传感技术：是自动化、智能化、闭环控制基础
信息处理技术：控制的基础,处理速度,可靠抗干扰
自动控制技术：核心是计算机控制,关系着系统的静动特性和稳定性
伺服传动技术：动力和运动控制实现包括电,液,气的伺服传动技术
精密机械技术：基础技术涉及产品部件的模块化标准化规格化表现为减轻重量，缩小体积，提高精度，改善性能，提高可靠性
系统总体技术：包括总体设计和接口设计；涉及到产品的功能分解与技术实现、系统总体综合与接口技术
第二章系统总体设计
判断（A对，B错）
1、产品的功能、原理、结构设计，是机电一体化产品概念设计的核心内容。

2、机电产品的功能可以划分原理、结构、行为。

3.逻辑功能元包括:与、或、非、加、减、乘、除。

4.现代设计方法强调产品全寿命周期最优化。

5.机电一体化设计以强度和低压控制为中心，强调功能设计。

6.如果在所设计的产品中具备等效性环节或互补性环节，那么该产品的设计只需采用常规设计方法。

7.系统可靠性是各组成环节可靠性的逻辑或。

8.可靠性原理是指规定条件和规定时间内，完成规定功能的能力。

9、机电结合(融合法)是指制成的功能模块象积木一样组成机电一体化系统。

10、优化设计是工程优化的重要组成部分，以数学规划为核心，以计算机为工具。

11、优化设计包括建立数学模型，选择合适的优化算法及程序及方案评价决策。

12、优化设计算法把多目标问题转化为单目标问题求解的方法。

13、机电一体化系统设计中产品规划要求进行需求分析、需求设计、可行性分析。

14、液压源、气压源同液动、气动系统一样，存在着提高可靠性、标准化和增加质量的问题。

15、机电一体化系统设计过程可分为5个阶段：产品规划、概念设计、结构设计、设计实施和设计定型阶段。

16、机电一体化系统设计中功能模块是实现某一特定功能的具有标准化、通用化或系列化的技术物理效应。

17、机电一体化系统设计的概念设计的结果是产生实际产品方案。

18、系统的任何输入、输出都可用物料、能量、信号来概括。

19、机电一体系统的设计过程中，将总功能分解后，前级功能是后级功能的手段功能，后级功能是前级功能的目的功能。

20、可靠性分配中常用的数学方法有代数方法和最优化分配法。

21、通过“黑箱”可以明确所设计的系统与输入输出量及外界环境的关系。

22、一个产品的功能就是产品的效能和作用，即产品行为产生的作用和对环境的配置影响。

23、微机接口通常由接口电路和与之配套的驱动程序组成。

24、为提高机械系统可靠性，应尽可能地加长传动链，增加元件数。

25、进行反求设计的目的是为了开发新的产品。

26、绿色设计是从并行工程思想发展而出现的一种新概念。

27、逻辑功能元包括:与、或、非、加、减、乘、除。

答案：ABBAB BBABA AAABB ABABA AAABA AB
单选
1、寻找实现功能的物理效应，化学效应或生物效应，构思实现功能的行为，是什么设计过程？
A行为建模B结构建模C功能建模D评价决策
2、进行行为、结构的映射是（）设计过程。

A功能建模B行为建模C结构建模D评价决策
3、下列哪一项属于适应性设计？
A没有参照样板的设计B原理不变，改变结构
C局部更改，适应性变动D适应于量的方面变更要求，方案功能结构不变
4、下列哪一项属于变异性设计？
A没有参照样板的设计B原理不变，改变结构
C局部更改，适应性变动D适应于量的方面变更要求，方案功能结构不变
5、传统的机电产品的设计注重（）。

A.安全系数设计
B.功能设计
C.机械设计
D.电路设计
6、机电一体化产品的设计注重（）。

A.安全系数设计
B.功能设计
C.机械设计
D.电路设计
7、传统设计方法的特点是（）。

A绿色设计B设计和制造的一体化C设计过程的并行化D用经验公式
8、现代设计方法的特点是（）。

A用经验公式B以图表手册为设计依据C设计手段的计算机化D预测性设计
9、机电一体化系统设计中概念设计阶段最终目标是建立在（）的基础上。

A结构分析B功能分析C系统分析D总体分析
10、机电一体化系统设计强调的是( )实现上的概念设计。

A电子B结构C机械D功能
11、工程设计中常用的抽象方法是（）。

A黑箱法B白箱法C虚拟设计法D反求设计法
12、对于技术系统来说，其功能可以描述为（）之间的关系。

A机械结构与电子结构B输入量与输出量
C物料、能量和信号D系统与用户
13、在机电一体化产品中，对于一些简单的二值性的控制参数，可以考虑采用（）。

A控制开关 B BCD拨码盘C行列式键盘D鼠标
14、在机电一体化产品中，对一些少量的数值型参数的输入可以考虑使用（）。

A控制开关 B BCD拨码盘C行列式键盘D鼠标
15、在机电一体化产品中，要求输入的控制命令和参数比较多时，则应考虑使用（）。

A控制开关 B BCD拨码盘 C 行列式键盘D鼠标
16、( )是指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（）。

A可靠性B安全性C保障性D测试性
17、在( )中，只要有一个单元功能失效，整个系统的功能也随之失效。

A串联系统B并联系统C复杂系统D混联系统
18、( )是产生元部件失效或数据传输、处理失误、进而影响其可靠性的最常见和最主要的因素。

A机械干扰B电磁噪声干扰C光电干扰D环境干扰
19、当失效真正是( )时，冗余技术就能大大提高可靠度。

A早期失效B损耗失效C晚期失效D随机失效
20、机电一体化优化设计通常采用( )的方法。

A单目标规划B整体规划C多目标规划D详细规划
21、机电一体化系统中解决功能模块间的信号匹配问题的是（）。

A通信模块B接口模块C测量模块D软件模块
答案：ACCDA BDCBD ABABC AABDC B
问答题
1、试论述机电一体化产品的概念设计步骤及过程？
概念设计过程的步骤如下：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。

设计过程可以表述为根据需求确定产品功能，构思产品行为，指定产生期望行为从而实现功能的结构，然后评价的有限循环过程。

设计过程包括以下活动：功能建模、行为建模、结构建模及评价和决策。

1) 功能建模。

确定某个抽象层次的功能，分解功能，建立功能结构图和功能结构。

2) 行为建模。

寻找实现功能的物理效应、化学效应或生物效应，构思实现功能的行为，即进行功能+行为的映射。

3) 结构建模。

指能产生所要求行为、完成预定功能的系统结构，即进行行为→结构的映射。

4) 评价和决策。

测试和评价设计方案，检验功能域、行为域和结构域上变量的一致性、完备性，决定是接收、改进或是放弃该设计方案，并决定是继续进行概念设计循环还是返回到需求分析或进入详细设计。

2、产品的性能要求分类有哪些？简要分类说明。

可按使用要求划分为功能性指标、经济性指标和安全性指标三类外，还可以从设计的角度划分为特征指标、优化指标和寻常指标三类。

不同的性能指标，对产品总体设计的限定作用也不同。

产品的功能性要求是要求产品在预定的寿命期间内有效地实现其预期的全部功能和性能。

包括功能范围，精度指标，可靠性指标，维修性指标
产品的经济性要求是指用户对获得具有所需功能和性能的产品所需付出的费用方面的要求。

该费用包括购置费用和使用费用。

安全性要求包括对人身安全的要求和对产品安全的要求。

特征指标是决定产品功能和基本性能的指标，是设计中必须设法达到的指标。

优化指标是在产品优化设计中用来进行方案对比的评价指标。

优化指标一般不像特征指标那样要求必须严格达到，而是有一定范围和可以优化选择的余地。

常被选作的优化指标有生产成本、可靠度等。

寻常指标是产品设计中作为常规要求的一类指标，寻常指标有较为固定的范畴，一般不定量描述，如工艺性、人机接口、美学指标、安全性、标准化指标等。

寻常指标一般不参与优化设计，只需采用常规设计方法来保证。

3、什么是机电一体化产品概念设计的核心内容？
产品的功能设计、原理设计和结构设计是机电一体化产品概念设计的核心内容。

4、机电产品设计有哪些类型？试简要说明？
开发性设计：没有参照样板的设计
适应性设计：局部更改，适应性变动；以使产品的性能和质量提高。

变异性设计：适应于量的方面变更要求，方案功能结构不变
5、简述产品功能、行为和结构及其建模之间的关系？
1）功能行为结构的关系
产品结构的变化状态是行为，行为的作用是功能，结构是功能和行为的载体；功能通过行为实现，行为受物理定律制约，行为变量有明确的物理关系。

2）建模设计过程是根据需求确定产品功能，构思产品行为，指定产生期望行为从而实现功
能的结构，然后评价的有限循环过程。

具体如下：
功能建模：某个抽象层次的功能，进行功能设计分解，建立功能结构图和功能结构。

行为建模：寻找实现功能的物理效应，化学效应或生物效应，构思实现功能的行为，即进行功能 行为的映射
结构建模：进行行为 结构的映射。

评价决策：检验功能域，行为域、结构域上变量一致性，完备性；判断有害故障行为，多余功能；决定接受改进，放弃；进行循环或下一步详细设计。

6、传统机电产品设计与机电一体化产品设计的主要区别
传统的机电产品设计是以强度和低压控制为中心，其特点可以描述为安全系数设计,经验设计,类比设计,和机电分离设计.
机电一体化产品：强调的是功能设计；由若干具有特定功能的机械和电子要素组成的有机整体，在功能上实现机电技术的有机结合。

机电一体化产品的设计方法主要是把复杂的设计要求，通过功能关系的分析抽象为简单的模式，以便寻找能满足设计对象主要功能关系的原理方案。

例如：在机械本体上应用电子控制设备(机床,洗衣机)
电子设备置换机械控制系统（凸轮>运动伺服）
信息机器采用电子设备（打印机针打>静电吸附）
信息处理机全面置换机械装置(电子称,钟表)
检测系统采用电子设备
电子设备取代机械本体(电火花加工床)
7、试论述机电一体化功能设计的思想方法和特点？
功能设计方法有：
机电互补(替代法)：功能取代：电取代机；凸轮，变速机构
机电结合(融合法)：集成互融为一体，直线电机
组合法：将用结合法（或互补法）制成的功能模块象积木一样组成机电一体化系统，如
工业机器人不同的关节轴。

总之，从机械技术、电子技术、硬件技术和软件技术四个方面权衡经济和技术上的利弊得失，选择最佳方案。

特点：
等效性：
机械、电子硬件、软件具有相同的功能替代：如计时器，传感器
互补性：
控制系统的各个环节是相互关联的，共同影响系统性能。

包括控制对象在内的大部分组
成环节都作为可改变的设计内容。

优化设计：
在机械电子软件等技术之间进行比较权衡，根据可比性，用具有相同量纲的优化指标对
各个方案进行比较。

8、简要说明机电一体化系统基本功能元的组成内容？
物理功能元：变换缩放、合并分离、传导隔阻、储存
逻辑功能元：与、或、非
数学功能元：加、减、乘、除、乘方、开方、微分、积分
9、机电一体化的现代设计方法的有何特点？
传统设计以经验公式，图表和手册为设计依据。

现代设计方法以计算机为主要辅助手段较为成熟的设计方法；强调产品全寿命周期最优化；设计过程的并行化，智能化；设计手段的计算机化，精确化，拟实化；设计和制造的一体化；绿色设计，宜人性设计
10、优化设计的原理方法？
优化设计，是工程优化的重要组成部分（优化设计，优化实验，优化控制），以数学规划为核心，以计算机为工具。

优化设计是将优化技术用于设计过程，通过数学优选法最终获得比较合理的设计参数和选择。

步骤
建立数学模型，机电一体化系统的数学模型可以直接借用控制工程的理论和模型。

选择合适的优化算法及程序：解线性和非线性数学规划的程序得出最优化设计方案。

方案评价决策。

机电一体化优化设计的条件和方法
条件：功能的等效性；各环节的互补性
方法：设法把多目标问题转化为单目标问题求解。

11、简要说明可靠性的原理及其设计方法？
定义：规定条件和规定时间内，完成规定功能的能力。

5个：对象、使用条件、规定时间、规定功能、概率。

系统可靠性是各组成环节可靠性的逻辑与。

可靠性采用的设计方法：冗余技术、诊断技术、提高软件可靠性
第三章机械系统设计
判断
A．对 B.错
1、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大后小原则。

2、滚动导轨预加负载的目的是消除静差；常用方法有滚珠过盈和双螺母预紧。

3、机电一体化系统的主要由控制装置、检测传感装置，驱动装置，机械装置构成。

4、传动间隙和非线性摩擦力都会造成空程误差而振荡。

5、传动出现低速爬行现象不稳定的主要原因是摩擦系数和转动惯量。

6、滚珠丝杠副的导程是指丝杠或螺母旋转360°所移动的距离。

7、导轨是利用金属或其它材料制成的槽或脊，可承受、固定、引导移动装置或设备并减少其摩擦的一种装置。

8、在多级传动中，为了减小传动误差，传动比的分配应遵守的原则是：前大后小。

9、滚珠丝杠的基本导程的增大，运动脉冲当量变小，可提高控制精度。

10、使滚珠丝杠具有较大刚度的支承方式是两端向心轴承。

11、传统的机械系统和机电一体化系统实现机械运动的方式相同。

12、机械传动系统中传动间隙是造成死区误差的原因。

13、半运动学设计原理是以点接触来约束运动方向。

14、设计基面、工艺基面、测量基面、装配基面应尽可能统一于同一基面。

15、对于减速齿轮传动系统，其输出轴转角的总误差主要取决于末级的传动误差，其余各级传动误差的影响可以忽略不计。

16、机械传动系统中末级齿轮精度要求最低。

17、在精度的定义中，准确度用系统误差大小来表示。

18、在精度的定义中，精密度用系统误差大小来表示。

19、对工作机中的传动机构，既要求能实现运动的变换，又要求能实现动力的变换。

20、滚珠丝杠既可将回转运动变为直线运动，又可将直线运动变为回转运动，且传动效率几乎相同。

21、滚珠丝杠副的公称直径是指滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态时包络滚珠球心的圆柱直径。

22、基本导程是滚珠丝杠副的特征尺寸。

23、转轴主要传递动力，只承受扭矩作用。

24、心轴只起支承旋转机件作用而不传递动力, 即只承受弯矩作用。

25、滚珠丝杆不能自锁，必要时须在系统中附加自锁或制动装置。

26、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大后小原则。

27、按重量最轻原则大功率传动系统各级传动比一般以“先大后小”原则处理。

28、凸形导轨与凹形导轨相比，用于低速运动，且不易积存切屑。

答案：BBABB AABBB BABAA BABAA ABBAA BAA
部分正确注释：
13、运动学设计原理是以点接触来约束运动方向。

18、在精度的定义中，精密度用随机误差大小来表示。

22、公称直径是滚珠丝杠副的特征尺寸。

单选
1、出现低速爬行现象不稳定的主要原因是（）。

A转动惯量大B非线性摩擦力C负载扭矩不稳定D润滑不良
2、滚动导轨预加负载的目的是（）。

A防止超速B消除间隙C降低噪音 D提高润滑
3、以下导轨中，（）最容易出现爬行现象。

A滚动导轨B滑动导轨C静压导轨D卸荷导轨
4、哪一项是滚珠丝杠副的特点。

A同步性好B运动不具有可逆性C无法消除间隙D低速时爬行
5、滚珠丝杠螺母副结构类型有两类：外循环插管式和（）。

A内循环插管式B外循环反向器式C内、外双循环D内循环反向器式
6、滚珠丝杠副的基本导程减小，可以（）。

A提高精度B提高承载能力C提高传动效率D加大螺旋升角
7、根据操作指令的要求在动力源的带动下，完成预定的操作，是机械系统的（）。

A传动机构B导向机构C执行机构D轴系
8、要使一个空间物体定位，需要适当配置几个约束加以限制？（）。

A 3
B 4
C 6
D 8
9、零件设计时，（）是零件工作图上标注尺寸的基准面。

A设计基面B工艺基面C测量基面D装配基面
10零件设计加工时，（）是加工时的定位基面，以此加工其它面。

A设计基面B工艺基面C测量基面D装配基面
11零件设计加工时，以（）为基准，确定零件间的相互位置。

A设计基面B工艺基面C测量基面D装配基面
12随着测量次数的增加，随机误差符合一定的统计规律，绝大多数随机误差符合（）。

A正态分布B均匀分布C三角形分布D几何分布
13以下那项属于机械系统的制造误差？
A机构原理误差B零件原理误差C技术原理误差D装配与调整误差
14以下哪个是以传递运动为主的传动机构？
A螺旋压力机B机床工作台的进给丝杠C千斤顶D螺旋传动机构
15为保证滚珠丝杠副传动有最大的稳定系数，应采用哪种方式？
A双推－自由B双推－简支C单推－单推D双推－双推
16使滚珠丝杠具有最大刚度的支承方式是（）。

A一端装止推轴承B一端装化推轴承，另一端装向心球轮承
C两端装止推轴承D两端装向心球轮承
17齿轮副的间隙会造成齿轮传动的回差，属于柔性消隙法的结构是（）。

A调整中心距法B选择装配法C带锥度齿轮法 D压簧消隙结构
18齿轮传动的总等效惯量随传动级数（）。

A增加而减小B增加而增加C减小而减小D变化而不变
19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（）。

A前大后小B前小后大C前后相等D平方关系
20采用齿轮系传动时，根据最小等效转动惯量原则，两级齿轮传动最佳速比分配的条件是（）。

A i2=0.5i1
B i2=0.5i12
C i2=0.7i12
D i2=0.7i1
21谐波齿轮具有速比大、传动精度高等有点，它是由哪种传动演变而来的？
A直齿锥齿轮传动B齿轮齿条传动C行星齿轮传动D涡轮蜗杆传动
22齿轮系在机电一体化系统的传动机构中的作用是（）。

A减速，增加力矩B增速，增大力矩C增速，减小力矩D减速，减小力矩
23已知双波谐波齿轮的柔轮齿数Z1=200, 刚轮齿数 Z2=202，波发生器的转速nH=600r/min。

若柔轮固定，则刚轮转速为（）。

A 6r/min
B -6r/min
C 5.94r/min
D -5.94r/min
24已知双波谐波齿轮的柔轮齿数Z1=200, 刚轮齿数 Z2=202，波发生器的转速nH=600r/min。

若刚轮固定，则柔轮转速为（）。

A 6r/min
B -6r/min
C 5.94r/min
D -5.94r/min
答案：BBBAD ACCAB DADBD CDABC CACB
问答题
1.机电一体化系统中的机械系统主要包括哪几部分？
五个部分，分别是：
1）传动机构。

机电一体化机械系统中的传动机构的主要功能是传递能量和运动，因此，它实际上是一种力、速度变换器。

机械传动部件对伺服系统的伺服特性有很大影响，特别是其传动类型、传动方式、传动刚性以及传动的可靠性对系统的精度、稳定性和快速性有重大影响。

2）导向机构。

其作用是支承和限制运动部件按给定的运动要求和给定的运动方向运动，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保障。

3）执行机构。

执行机构根据操作指令的要求在动力源的带动下，完成预定的操作。

一般要求它具有较高的灵敏度、精确度、良好的重复性和可靠性等。

4）轴系。

轴系由轴、轴承及安装在轴上的齿轮、带轮等传动部件组成。

轴系的主要作用是传递转矩及精确的回转运动，它直接承受外力(力矩)。

5）机座或机架。

机座或机架是支承其他零部件的基础部件。

它既承受其他零部件的重量和工作载荷，又起保证各零部件相对位置的基准作用。

2、滚动导轨预加负载的目的是什么？常用方法有哪些？
滚动导轨预加负载的目的是消除间隙；常用方法有：滚珠过盈和双螺母预紧。

3、试述导轨的主要作用，导轨副的组成种类及应满足的要求？
主要作用：金属或其它材料制成的槽或脊，可承受、固定、引导移动装置或设备并减少其摩擦的一种装置。

导轨表面上的纵向槽或脊，用于导引、固定机器部件、专用设备、仪器等。

分类：滑动，滚动，流体介质；结构：开式，闭式；
要求：导向精度高，耐磨性好，刚度高；低速平稳；热稳性好；工艺性好；
4、滚珠丝杠副的组成及特点有哪些？
组成：在丝杠和螺母间以钢球为滚动体的螺旋传动元件。

特点：丝杠与螺母变成滚动摩擦；广泛应用
传动效率高85-98%（滑动的3-4倍）；
运动平稳（启动与工作一样），无冲击，低速无爬行；
可预紧，消除间隙，提高刚度和传动精度；
定位及重复定位精度高；同步性好；
工作寿命长；可靠性高；
运动具有可逆性；回转←→直线
缺点：不自锁；成本高（以mm计算）。