机电一体化总复习资料

一、单项选择题
1. 机电一体化这一名词产生于20世纪，其产生的年代为（A ）
A 70年代
B 50年代
C 40年代
D 80年代
2. 对于交流感应异步电动机，其转差率S 的范围为（B ）
A 1＜S＜2
B 0＜S＜1
C -1＜S＜1
D -1＜S＜0
3. 机电一体化在国外被称为（ C ）
A Machine
B Electronics
C Mechatronics
D A和B
4. 用数学的方法阐述系统中输入、输出及各变量之间相互关系的模型称为系统的（ A ）
A 传递函数
B 数学模型
C 关系模数
D 几何模型
5. 时域函数f(t)=e-at 的拉普拉斯变换为 ( C )
A 1/S
B a/s+a
C 1/s+a
D 1/a
6. 在周转轮系中，转臂（系杆）的回转轴线与中心轮的回转轴线是（ C ）
A 垂直
B 相交
C 重合
D 交错
7. 滚珠丝杠副在理论接触角状态时，包络滚珠球心的圆柱直径称为（ B ）
A 中径
B 公称直径
C 内径
D 大径
8. 在同步齿型带传动中，同步带节线的长度在工作过程中（ B ）
A 伸长
B 不变
C 缩短
D A 和C
9. 步进电机的转速（r/min）与输入脉冲频率(Hz)之间的关系为（ A ）
A n=β.f/6
B n=β.f/60
C n=β.f/360
D n=β.f
10. 在MCS-51单片机中，用于对外部数据存储器读的信号是（ A ）
A RD
B PSEN
C ALE
D RST
11. Mechatronics是两个不同学科领域名称的组合，这两个不同的学科是（ B ）
A 机械学与信息技术
B 机械学与电子学
C 机械学与自动化技术
D 机械学与计算机
12. 遵循质量最轻原则的小功率两级齿轮传动。

其传动比的分配方案是（ A ）
A i
1 = i
2
B i
1
＜ i
2
C i
1
＞ i
2
D i
2
=2i
1
13. 时域函数 f(t) = sinωt的拉普拉斯变换为（ C ）
A 1/ S2+ω
B ω/ S+a
C ω/ S2+ω2
D S/ S2+ω2
14. 在机电一体化系统数学模型建立的过程中经常会采用力—电压等效法，此时机械系统的阻尼
等效于电系统的（ C ）
A 电容
B 电荷
C 电阻
D 电感
15. 与渐开线齿轮传动相比，圆弧齿轮传动的承载能力（ A ）
A 高
B 低
C 相同
D 几乎相同
16. 周转轮系中的行星轮系和差动轮系的自由度分别为（ A ）
A 1 ，2
B 2,1
C 1,1
D 2,2
17. 滚珠丝杠副的公称直径指（ D ）
A 丝杠的中径
B 丝杠的外径
C 螺母的内径
D 包络滚珠球心的圆柱直径
18. 谐波齿轮传动中的柔轮相当于行星轮系中的（ D ）
A 中心轮
B 行星轮
C 基架
D 系杆
19. 每输入一个脉冲步进电机的转子转过的角度称为步进电机的（ C ）
A 角位移
B 转速
C 歩距角
D 脉冲当量
20. 直流伺服电动机的电磁转矩与输出转速之间的函数关系式称为其 ( A )
A 机械特性
B 调节特性
C 动力特性
D 转速特性
21. 机电一体化这一名词产生于20世纪，其产生的年代为（ A ）
A 70年代
B 50年代
C 40年代
D 80年代
22. 控制电压一定时，直流伺服电机的输出转矩与转速的关系曲线是 ( A )
A 双曲线
B 抛物线
C 直线
D 三次曲线
23. 滚珠丝杠副中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称为（ B ）
A 成反比
B 与a2成反比 C与a2成正比 D 成正比
25. 卸荷皮带轮的设计运用了结构设计原理中（ A ）
A 任务分配原理
B 力传递原理
C 力平衡原理
D 等强度原理
26. 时域函数f(t) = t n的拉普拉斯变换为（ B ）
A 1/S2+1
B n! / S n+1
C 1
D n!/ S n
27. 在力—电压等效法中，此时电系统的电荷等效于机械系统的（ A ）
A 位移
B 速度
C 质量
D 弹簧刚度
28.在MCS-51单片机中，ALE 信号的功能是（ A ）
A 锁存P2口的地址信号 B锁存P0口的地址信号 C锁存P0口的数据信号 D锁存P1口的数据信号
29. 若△max是传感器的最大非线性误差，yFS为输出量的满刻度值，则其线性度γL为（ A ）
A γL= ±（△max/yFS）x100% BγL= ±（△max/yFS） C BγL= △max/yFS D BγL=±( yFS/△max)
30. 行程开关可用于检测（ D ）
A 加速度
B 位移
C 速度 D位置
31. 机电一体化这一名词产生于20世纪，其产生的年代为（ A ）
A 70年代
B 50年代
C 40年代
D 80年代
32. 控制电压一定时，直流伺服电机的输出转矩与转速的关系曲线是 ( C )
A直线 B 抛物线 C双曲线 D 三次曲线
33. 滚珠丝杠副中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称为（ B ）
A 中径
B 公称直径
C 节圆直径 D内径
34. 压电式加速度传感器中压电元件变形后所产生的电荷q与加速度a 的关系式（ D ）
A 成反比
B 成正比
C 与a2成正比 D与a2成反比 \
35. 卸荷皮带轮的设计运用了结构设计原理中（ A ）
A 任务分配原理
B 力传递原理
C 力平衡原理
D 等强度原理
36. 时域函数f(t) = t n的拉普拉斯变换为（ B ）
A 1/S2+1
B n! / S n+1
C 1
D n!/ S n
37. 在机电一体化系统数学模型建立的过程中经常会采用力—电压等效法，此时电系统的电荷等
效于机械系统的（ A ）
A 位移
B 速度
C 质量
D 弹簧刚度
38. 在MCS-51单片机中，ALE 信号的功能是（ C ）
A 锁存P0口的地址信号 B锁存P0口的数据信号 C锁存P2口的地址信号 D锁存P1口的
数据信号
39. 若△max是传感器的最大非线性误差，yFS为输出量的满刻度值，则传感器的线性度γL可表示为（ A ）
A γL= ±（△max/yFS）x100% BγL= ±（△max/yFS） C BγL= △max/yFS D BγL=±( yFS/△max)
40. 行程开关可用于检测（ A ）
A 位置
B 位移
C 速度
D 加速度
二、填空题
1. 直流伺服电动机的电磁转矩与输出转速之间的函数关系式称为电动机的机械特性。

2. 在光栅式位移传感器中，莫尔条纹对光栅的栅距起到了放大作用。

3. 在周转轮系中，差动轮系的自由度为2 。

4. 自增强原则是指在正常工作条件下，总效应为辅助效应与初始效应之和】
5. 串联环节的传递函数等于各环节传递函数的乘积。

6. 同步带的节距指同步带上相邻两齿对应点沿节线上度量的距离。

7. 每接受一个电脉冲步进电动机转过的角位移称为步进电机的歩距角。

8. 谐波齿轮传动的三个主要部件是钢轮、谐波发生器和柔轮。

9. 在反应式步进电机中，施加在定子绕组上的信号是脉冲信号。

10. 在MCS-51单片机中，访问外部程序存储器的高8位地址由P2口提供。

11. 在周转轮系中，转臂（系杆）的回转轴线与中心距的轴线是重合的。

12. 若某光栅的条纹密度是50/mm，光栅条纹间的夹角θ=0.001弧度，则莫尔条纹的宽度是20mm。

13. 在钢丝软轴中，相邻钢丝层的缠绕方向相反，以使各层钢丝间趋于压紧，传递转矩。

14. “Mechatronics”在国内被称为机电一体化。

15. 结构设计中的自保护原则是指系统在超载工作时，其结构元件产生保护效应，使系统免于受损。

16. 若系统总传递函数为其各环节传递函数之和，则这些环节一定是并联。

三、简答题
1、传感器的静态特性指标主要有哪些？
答：线性度，灵敏度，精确度，分辨力，零漂，迟滞，重复性
2、简述在机电一体化产品功能原理方案设计的步骤？
答：1设计任务书，2求总功能，3总功能分解，4寻求分功能解，5原理解组合，6评价与决策，7最佳原理方案。

3、比较滚珠丝杠副中单圆弧型与双圆弧型滚道的优缺点？
答：单圆弧型滚道接触角增大时，传动效率、轴向刚度以及承载能力也随之增大，由于加工用砂轮成型较简单，故容易得到较高的加工精度。

双圆弧型滚道接触角在工作过程中基本保持不变，具有承载能力强，传动精度高等特点，但检验加工困难，制造成本高。

4、简述为什么直流伺服电机具有良好的机械特性？
答：因为直流伺服电机的转速与电枢电磁转矩的关系式n=
从公式中可以看出，在控制电压一定的条件下，转速与转矩成线性关系（斜向下的直线），当载荷突然增加时，随着转速的下降，电磁转矩的增加，与外载荷相平衡，使电机在另一个工作点稳定运转。

5、为什么在绝对式编码器中，人们常选用循环码盘而非二进制码盘？
答：循环码的特点是从任何数转变到相邻数时只有一位发生变化，其编码方法与二进制不同。

利用循环码的这一特点编制的码盘即使码盘制作、安装不准，产生的误差也不会超过一个最低单位数，与二进制码盘相比制造和安装就要简单得多了。

6、简述机械传动装置的作用。

答：机械传动装置的作用时传递运动的动力，变换运动形式，如传递运动和负载，匹配转矩和转速等。

7、简述在MCS-51单片机存储器扩展中，与线选法相比，片选信号采用译码法的优点。

答：译码法的优点是可以利用有限的P2口引脚线扩充尽可能多的芯片，并且能使得扩展的存储空间连续。

8、何谓结构设计变元和结构设计变元法，并举出一种采用结构设计变元法设计的实例？
答：结构设计变元：指机械结构可以改变的基本元素，例如材料数量形状
结构设计变元法：运用变形原理和组合原理对机械结构变元进行组合，从而产生一种新结构的创新设计方法。

9、为什么机电一体化产品具有高可靠性？
答：由于电子技术的发展，传感器和驱动控制器等装置采用非接触式代替接触式减少了装置的可动部件和磨损部件。

机电一体化产品同时具有自诊断，自检测功能，当系统出现某些故障时，能进行自我保护防止出现事故，因此产品的可靠性得到提高。

10、机电一体化系统设计时应如何处理机与电的关系？
答：替代机械系统，简化机械系统，增强机械系统和综合机械系统
11、简述光电式旋转编码器的类型和工作原理？
答：按照工作原理光电式旋转编码器可分为增量式和绝对式两类。

增量式编码器的工作原理是将位移转换成周期性变化的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用计数脉冲的个数表示位移的大小。

绝对式编码器的工作原理是其每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。

12、为什么在可编程控制器构成的控制方案中，输出继电器的线圈不能重复使用？
答：因为当同一个线圈放在两个以上的支路上时，若其中一条支路使该线圈得电而另外的支路又使该线圈失电，那么该线圈的触点的状态将不确定，从而使控制程序的运行状态不确定，无法满足要求的控制功能。

13、为什么要消除齿轮副的齿侧间隙？常用什么方法消除间隙？
答：因为齿侧间隙会使得在传动过程中，主动轮突然改变旋转方向时,从动轮不能立即随之旋转，而是有一个滞后量，造成齿轮传动的回差。

这种非线性误差将会影响全闭环系统的稳定性，消除齿轮副间隙通常采用刚性调整法和柔性调整法。

14、步进电动机是如何实现速度控制的？
答：步进电动机的运动是由输入的电脉冲信号控制的。

每当电机绕组接收一个脉冲，转子就转过一个相应的角度。

其角位移量与输入脉冲的频率成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此通过控制输入脉冲的频率就可以控制其转速，通过改变绕组的相序就可以改变其转向。

15、简述滚珠丝杠螺母副的优缺点是什么？
答：滚珠丝杠螺母副的优点为轴向刚度高，运动平稳，传动精度高，不易磨损和使用寿命长，缺点：由于不能自锁，具有传动的可逆性，故在用做升降传动机构时，需要采取制动措施。

四、分析计算题
1、对于如图所示的两级齿轮减速器，已知齿轮1连同电机转子的转动
惯量J 1=4kgm 2,转速为n 1；齿轮2的转动惯量J 2=5kgm 2；齿轮3的转动
惯量J 3=3kgm 2；齿轮4的转动惯量J 4=7kgm 2；各轴的转动惯量忽略不
计，i 1=1.25，i 2=2，求等效到电机轴上的等效转动惯量J eq 。

解：
2121241:⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅+⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅=∑∑==n n J n V M J j n j j i m i i π根据2144213321221:⎪⎪⎭⎫ ⎝
⎛⋅+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅+=n n J n n J n n J J J e 得2
24.10kgm J eq
=
2、求如图所示电路网络的传递函数（设u i 为输入，u 0为输出）
解：根据复阻抗概念及基尔霍夫电压定律得：
RS C R R IR U R LS I U i 1
1'')'(+==+⋅=；； R LS LRS C R U U i ++=2
1
个方程得：联立解上述3 3、对于如图所示的三相反应式步进电机示意图，说明其工作原理。

答：工作原理：假定首先A 相带电，则A 相
绕组产生的磁拉力使得转子的1、3齿与A 相
绕组对齐；其次让B 相绕组通电，则B 相绕
组产生的磁拉力使得转子的2、4齿与B 相绕
组对齐；最后让C 相绕组通电，则C 相绕组
产生的磁拉力使得转子的1、3齿与C 相绕组
对齐；如果按照A-B-C-A 顺序通电，转子将按
逆时针方向一步一步转动，通电顺序改变，转子的转向也发生改变。

4、求已知某工作台采用直流电机丝杆螺母机驱动，已知工作台的行程L=250mm ，丝杆导程t=4mm ，齿轮减速比为i=5，要求工作台位移的测量精度为0.005mm ，采用高速测量方法，试确定旋转编码器的每转脉冲数。

（忽略齿轮和丝杆的转动误差）。

解：设传感器的每脉冲数为n s ，每个脉冲对应工作台位移为s
in t l =∆，则编码器每转脉冲数为：
160005
.054=⨯=∆=L i t n ，选取n=200光电编码器，则测量精度为： 4
5、画出图示机械系统的力————电压相似模拟电路
6、对于如图所示的二级减速传动，已知电动机的转动惯量为J=294kgm 2,各齿轮的转动惯量分别为：J 1=8kgm 2、J 2=8kgm 2、J 3=6kgm 2、J 4=20kgm 2，Z 2/Z 1=1、Z 4/Z 3=2，若不计轴和轴承的转动惯量，求等效到电机轴上的等效转动惯量J e 解：
2144213321221⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅+⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛⋅+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅++=n n J n n J n n J J J J e 211121
11212112=⋅⋅=====4343Z Z Z Z n n n n n n Z Z n n ，，而： 2321420688294kgm J e =++++=故：
7、有一台交流电动机，技术数据表明空载转速为1400r/min ，电源频率为50Hz 。

问这是几级电动机？空载转差率是多少？
解：21400
50606060=⨯==∴=n f p p f Qn 即：该电机为四极电机 空载时转差率为：067.050
60214001601=⨯⨯-=-=f np S 8、对于如图所示的两级齿轮减速器，已知负载转矩
T L =10Nm,i 1=1.25,i 2=2,若不计摩擦，求等效到电机轴上的等效负载转
矩T 。

解：Nm i i T T n n T n V F T L
f n j j i m i i 4225.110//212
111=⨯=⋅=⋅+⋅=∑∑==得：根据π
9、已知双谐波齿轮的柔轮齿数Z1=200，刚轮齿数Z2=202，谐波发生器的转速Nh=600/min ，试求： （a ）柔轮固定时刚轮的转速； （b ）刚轮固定时柔轮的转速；
解：（a ）柔轮固定时：
min /941.5101600,101200202202600,2
2122
2r n n z z z n n H ===-=-= （b ）刚轮固定时：
min /6100600,100200202200600,1
1121
1r n n z z z n n H ===-=-= 五、综合应用题
1、对于如图所示的存储器扩展连接图，要求补充其未连接部分，并分析该扩展存储器芯片的地址范围。

（设8051未连接的地址线接地）
答：连接线如上图所示，左片存储器的地址范围为：００００Ｈ～１ＦＦＦＨ；右边存储器的地址范围为：８０００Ｈ～９ＦＦＦＨ
2、设计一个电机的延时启动和延时停止控制电路，条件如下：
（1）电机启动由按钮X1控制，停止由按钮X2控制；
（2）按下按钮X1 后，点击延时3秒运行；按下X2后电机延时5秒停止，画出梯形图。

解：梯形图如下：
3、试用PLC完成如下控制：两台电动机A和B，只能启动其中一台工作，当按下A启动开关时，A工作，B停止；当按下B启动开关时，B工作，A停止。

并且每台电动机都可以单独停止。

绘出其梯形图。

设输入/输出点的分配情况是：
电机A：启动X1，停止X2，输出继电器Y1
电机B：启动X3，停止X4，输出继电器Y2 答：梯形图如下：4、图为欲用可编程控制器控制的天塔闪光灯示意图。

控制要求是：按下启动按钮后，L2、L4、L6、L8亮，1秒后灭；接着L3、L5、L7、L9亮，1秒后灭；再接着L2、L4、L6、L8亮，1秒后灭，如此循环下去。

根据上述描述写出用PLC控制的梯形图。

解：PLC控制的梯形图如下图所示：。