机电一体化复习题含答案.pdf

1 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，实现多种 技术功能复合的最佳功能价值的系统工程技术。 2、柔性制造系统：柔性制造系统（Flexible Manufacturing System）是由两台或两台 以上加工中心或数控机床组成，并在加工自动化的基础上实现物料流和信息流的自动化。 3、传感器：传感器适机电一体化系统中不可缺少的组成部分，能把各种不同的非电量 转换成电量， 对系统运行中所需的自身和外界环境参数及状态进行检测， 将其变成系统可识 别的电信号，传递给控制单元。 4、伺服电动机：伺服电动机又称控制电机，其起动停止、转速或转角随输入电压信号 的大小及相位的改变而改变。 输入的电压信号又称控制信号或控制电压， 改变控制信号可以 改变电动机的转速及转向，驱动工作机构完成所要求的各种动作。 5、感应同步器: 感应同步器是一种应用电磁感应原理制造的高精度检测元件，有直线和圆 盘式两种，分别用作检测直线位移和转角。 6、人机接口：人机接口（HMI）是操作者与机电系统（主要是控制微机）之间进行信息 交换的接口，主要完成输入和输出两方面的工作。 7、PLC：可编程控制器（Programmable Logical Controller）简称 PLC.是一种在继电 器控制和计算机控制的基础上开发出来， 并逐渐发展成为以微处理器为核心， 把自动化技术、 计算机技术、 通信技术融为一体的新型工业自动控制装置， 广泛应用在各种生产机械和生产 过程的自动控制中。 8、变频器：变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率 的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变 功率因素以及过流/过压/过载保护等功能。 9、通信协议：通信协议是指通信双方就如何交换信息所建立的一些规定和过程，包括 逻辑电平的定义、应用何种物理传输介质、数据帧的格式、通信站地址的确定、数据传输方 式等。 10、MPS 系统：模块化生产加工系统（Modular Production System）简称 MPS 系统， 它是德国 FESTO 公司结合现代工业的特点研制开发的模拟自动化生产过程，集机械、电子、 传感器、气动、通信为一体的高度集成的机电一体化装置。 二、填空题 1、电感式传感器是一种把微小位移变化量转变成电感变化量的位移传感器。 2、光电编码器根据结构可分为增量式和绝对式。 3、热电阻温度传感器的工作原理是基于金属的热电阻效应。 4、热电偶温度传感器的工作原理是基于物体的热电效应。 5、对伺服系统的技术要求是系统精度、稳定性、响应特性、工作频率。 6、液压系统一般包括动力元件、执行元件、控制元件和辅助元件四个部分。 7、典型的气动驱动系统由气源装置、执行元件、控制元件和辅助元件组成。 8、机电控制系统的机械装置主要包括传动机构、导向机构和执行器三个部分。 9、机电一体化的机械系统设计主要包括两个环节：静态设计、动态设计。 10、欠电流继电器利用其常开触点串接在被控线路中起欠流保护。 11、过电流继电器利用其常闭触点串接在被控线路中起过流保护。 12、接口的基本功能主要有数据格式转换、放大、通信联络。 13、伺服系统的基本组成包括控制器、执行环节、检测装置、比较环节。 14、工作接地分为一点接地、多点接地。 15、 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和民 2 用机电一体化产品。 16、典型的可编程控制器由编程器、微处理器、存储器、电源和输入输出接口等部分 构成。 17、S7-200 PLC 的控制程序通常由用户程序、数据块和参数组成。 18、PLC 根据数据传输方式分为并行和串行通信通信方式。 19、PLC 的串行通信接口有 RS232C、RS485、RS422。 20、S7-200 的通信协议为 PPI 协议。 21、交-直-交变频器的内部电路主要由整流电路、直流中间电路、逆变电路和控制电路 组成。 22、机电一体化系统常用的能源有电力源、液压源和气压源。 三、简答题 1. 机电一体化系统的基本构成要素有哪些？ 答：一个较完整的机电一体化控制系统，包括以下几个基本要素：机械本体、动力源、 传感装置、驱动执行机构、控制器等，各要素和环节之间通过接口相联系。 2. 测试传感部分的作用 答： 测试传感部分的作用： 对系统运行中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进 行检测，传输到信息处理单元，经分析处理后产生控制信息。 3. 传感器是如何分类的？ 答：传感器的分类方法有如下几种：按用途、工作原理、变换原理、输出信号性质分类。 4. 简述步进电动机驱动电路的组成。 答： 步进电动机的驱动电路由脉冲信号发生器、 分频器、 脉冲分配器和脉冲放大器组成。 5. 简述直流伺服电机两种控制方式的特点。 答：直流伺服电动机的控制方式主要有两种：一种是电枢电压控制，即在定子磁场不变 的情况下， 通过控制施加在电枢绕组两端的电压信号来控制电动机的转速和输出转矩； 另一 种是励磁磁场控制， 即通过改变励磁电流的大小来改变定子磁场强度， 从而控制电动机的转 速和输出转矩。 采用电枢电压控制方式时，由于定子磁场保持不变，其电枢电流可以达到额定值，相应 的输出转矩也可以达到额定值， 因而这种方式又被称为恒转矩调速方式。 而采用励磁磁场控 制方式时， 由于电动机在额定运行条件下磁场已接近饱和， 因而只能通过减弱磁场的方法来 改变电动机的转速。由于电枢电流不允许超过额定值，因而随着磁场的减弱，电动机转速增 加，但输出转矩下降，输出功率保持不变，所以这种方式又被称为恒功率调速方式。 6. 为什么说接触器自锁线路具有欠压和失压的保护作用？ 当失压和欠压时，接触器线圈的电磁吸引力消失或不足，接触器触点释放，断开控制线 路，从而使电动机主电路断开。 7. 简述 PLC 系统与继电器接触器控制系统的区别。 答：1）控制方式：继电器控制系统的控制是采用硬件接线实现的，是利用继电器机械 触点的串联或并联极延时继电器的滞后动作等组合形成控制逻辑，只能完成既定的逻辑控 制。 PLC 控制系统采用存储逻辑， 其控制逻辑是以程序方式存储在内存中， 要改变控制逻辑， 只需改变程序即可，称软接线。 2）工作方式：继电器控制系统采用并行的工作方式，PLC 控制系统采用串行工作方式。 3）控制速度：继电器控制系统控制逻辑是依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低， 毫秒级，机械触点有抖动现象。PLC 控制系统是由程序指令控制半导体电路来实现控制，速 度快，微秒级，严格同步，无抖动。 4）定时与计数控制：继电器控制系统是靠时间继电器的滞后动作实现延时控制，而时 间继电器定时精度不高，受环境影响大，调整时间困难。继电器控制系统不具备计数功能。 3 PLC 控制系统用半导体集成电路作定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，调整时间 方便，不受环境影响。另外 PLC 系统具备计数功能。 5）可靠性和维护性：继电器控制系统可靠性较差，线路复杂，维护工作量大，PLC 控 制系统可靠性较高，外部线路简单，维护工作量小。 8. PLC 交流开关量输入模块和直流开关量输入模块分别适用什么场合？ 答：由于交流输入模块电路中增加了限流、滤波和整流三个环节，因此，输入信号的延 迟时间要比直流输入电路的要长， 但由于其输入端是高电压， 因此输入信号的可靠性要比直 流输入电路要高。一般来说，交流输入方式用于有油雾、粉尘等恶劣环境，对系统响应要求 不高的场合，而直流输入模块用于环境较好，电磁干扰轻，对系统响应要求较高的场合。 9. PLC 开关量输出模块有哪几种类型？各能驱动何种负载？ 答：PLC 的输出模块有三种：继电器输出、晶体管输出、晶闸管输出。继电器输出型既 可用于交流输出，也用于直流输出。晶体管输出型用于直流输出。双向晶闸管输出型用于控 制外部交流负载 10. PWM 脉宽调速原理。 答：PWM 是英文 Pulse Width Modulation(脉冲宽度调制)缩写，按一定规律改变脉 冲列的脉冲宽度，以调节输出量和波形的一种调值方式。 11. 控制系统接地的目的。 答：将电路、设备机壳等与作为零电位的一个公共参考点（大地）实现低阻抗的连接， 称之谓接地。接地的目的有两个：一是为了安全，例如把电子设备的机壳、机座等与大地相 接，当设备中存在漏电时，不致影响人身安全，称为安全接地；二是为了给系统提供一个基 准电位， 例如脉冲数字电路的零电位点等， 或为了抑制干扰， 如屏蔽接地等。 称为工作接地。 工作接地包括一点接地和多点接地两种方式。 12. 机电一体化系统设计的指标主要包括哪些方面？ 答：主要包括系统功能、性能指标、使用条件、经济效益。 13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。 14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。 15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。 16简述 AD、DA 接口的功能。 答：AD 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。DA 接口是将二进制数字量转换成电压信号。 17. 机电一体化产品对机械传动系统有哪些要求？ 答：机电一体化系统对机械传动系统的要求有：精度；稳定性；快速响应性；还应满足 小型、轻量、高速、低冲击振动、低噪声和高可靠性。 18. S7-200 PLC 有哪些硬件资源，如何对他们寻址？ 答：S7-200 PLC 的硬件资源包括输入输出映像寄存器区（I/Q） 、标志位存储器区（M） 、 特殊标志位存储器区（SM） 、定时器存储器区（T） 、计数器存储器区（C） 、顺序控制标志位 区（S） 、变量存储器区（V） 、局部存储器区（L） 、累加器（AC）/高速计数器（HC） 、模拟量 输入输出寄存器（AI/AQ）等，S7-200 PLC 的寻址方式有立即数寻址、直接寻址和间接寻址 三大类。 4 四、选择题。 1.受控变量是机械运动的一种反馈控制系统称() A.顺序控制系统B.伺服系统C.数控机床D.工业 机器人 2.直流测速发电机输出的是与转速() A.成正比的交流电压B.成反比的交流电压 C.成正比的直流电压D.成反比的直流电压 3.某 4 极交流感应电动机，电源频率为 50Hz，当转差率为 0.02 时，其转速为 () A.1450r/minB.1470r/min C.735r/minD.2940r/min 4.计算步进电动机转速的公式为() A.B.TsmcosC.D. 180- 5.图示利用继电器触点实现的逻辑函数为() A.(A+)(+B) B.A+B C.(A+B)(+) D.AB+ 6. Mechatronics 是两个不同学科领域名称的组合，这两个不同的学科是（） 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 7. 计算机集成制造系统包括（） ACAD、CAPP、CAMBFMS C计算机辅助生产管理DA、B 和 C 8. 直流伺服电动机的控制电压与输出转速之间的函数关系式称为其（） A转速特性B调节特性C工作特性D机械特性 9. 步进电机在转子齿数不变的条件下， 若拍数变成原来的 2 倍， 则步距角为原来的 （） A0.5 倍B2 倍C0.25 倍D不变 10. 感应同步器可用于检测（） A位置B加速度C速度D位移 11. “机电一体化”在国外被称为（） AMachineBElectronicsCMechatronicsDA 和 B 12. 机电一体化产品的动力与驱动部分的主要功能是（） A提供动力B传递运动C传递动力DA、B 和 C 13. 在交流伺服电机中，控制绕组与励磁绕组在空间相差的电角度是（） A60B45C0D 90 14. 光栅式位移传感器的栅距 W、莫尔条纹的间距 B 和倾斜角之间的关系为（） A W B B W B C W B D W B5 . 1 15. 差分变压器传感器属于（） A涡流式B自感型C互感型D可变磁阻式 16. 在自动控制系统中，伺服电机通常用于控制系统的（） A开环控制BC 和 DC全闭环控制D半闭环控制 五、应用题 1.采用 PLC 设计二台电动机 A、B 工作的系统。 （1） 按钮 X1 为 A 电动机起动，按钮 X2 为 A 电动机停止（输出 Y1）； 5 （2） 按钮 X3 为 B 电动机起动，按钮 X4 为 B 电动机停止（输出 Y2）； （3） 只有 A 电动机在工作中，B 电动机才能工作。 要求：画出梯形图，写出助记符指令程序。 答：(1)梯形图： （2）助记符指令程序： STRX1 ORY1 ANDNOTX2 OUTY1 STRX3 ORY2 AND NOTX4 ANDY1 OUTY2 2、下图为小车送料过程示意图。现采用可编程控制器控制，写出小车 PLC 控制的梯形 图。小车的送料过程为：当小车处于左限位开关 ST1 处时，按下启动按钮，小车向右运行； 碰到右限位开关 ST2 后，小车开始装料，装料时间为 15 秒；然后小车向左运行，碰到左限 位开关 ST1 后，小车开始卸料，卸料时间为 10 秒；至此完成一次动作。任何时候压下停止 按钮，小车将停止动作。根据上述描述写出用 PLC 控制的梯形图。 输入/输出点的分配 输入输出其它 启动按钮X400右行电磁阀Y430时间继电器 1（15 秒）T450 ST2X401装料电磁阀Y431时间继电器 2（10 秒）T451 ST1X402左行电磁阀Y432 停止按钮X403卸料电磁阀Y433 4、 下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。 一、单项选择题(本大题共 14 小题，每小题 1 分，共 14 分)在每小题列出的四个选项中只有一个选 项是符合题目要求的，请将正确选项前的字母填在题后的括号内。 1.受控变量是机械运动的一种反馈控制系统称( B) A.顺序控制系统B.伺服系统C.数控机床D.工业机器人 2.齿轮传动的总等效惯量随传动级数(A ) A.增加而减小B.增加而增加C.减小而减小D.变化而不变 3.滚珠丝杠螺母副结构类型有两类：外循环插管式和( D) 输入/输出点的分配 输入输出其它 启动按钮X400L2Y430时间继电器 1 （1 秒） T450 停止按钮X401L4Y431时间继电器 2 （1 秒） T451 L6Y432 L8Y433 L3Y434 L5Y435 L7Y436 L9Y437 6 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 4.某光栅的条纹密度是 100 条/mm，光栅条纹间的夹角=0.001 孤度，则莫尔条纹的宽度是( C) A.100mmB.20mmC.10mmD.0.1mm 5.直流测速发电机输出的是与转速(C ) A.成正比的交流电压B.成反比的交流电压 C.成正比的直流电压D.成反比的直流电压 6.电压跟随器的输出电压( C)输入电压。 A.大于B.大于等于C.等于D.小于 7.某 4 极交流感应电动机，电源频率为 50Hz，当转差率为 0.02 时，其转速为( B) A.1450r/minB.1470r/min C.735r/minD.2940r/min 8.右图称( B) A.直流伺服电动机调节特性 B.直流伺服电动机机械特性 C.直流伺服电动机动态特性 D.直流伺服电动机调速特性 9.计算步进电动机转速的公式为( C) A.B.TsmcosC.D. 180- 10.一般说来，如果增大幅值穿越频率c的数值，则动态性能指标中的调整 时间 ts( B) A.增大B.减小C.不变D.不定 11.已知 f(t)=a+bt，则它的拉氏变换式为( B) A.+bB.C.D. 12.连续路径控制类中为了控制工具沿任意直线或曲线运动， 必须同时控制每一个轴的(C )使得它们 同步协调到达目标点。 A.位置和加速度B.速度和加速度 C.位置和速度D.位置和方向 13.图示利用继电器触点实现的逻辑函数为( A) A.(A+)(+B) B.A+B C.(A+B)(+) D.AB+ 14.累计式定时器工作时有( B) A.1 个条件B.2 个条件 C.3 个条件D.4 个条件 二、名词解释题(本大题共 5 小题，每小题 2 分，共 10 分) 15.机电一体化机电一体化 16.轴系的动特性轴系的动特性 17.灵敏度灵敏度(测量测量) 18.永磁同步电动机永磁同步电动机 19.复合控制器复合控制器 15.机械与电子的集成技术。 16.指轴系抵抗冲击、振动、噪声的特性。 17.输出变化量与对应的输入(被测量)变化量的比值。有时称为增量增益或标度因子。 18.以电子换向取代了传统直流电动机的电刷换向，又称无刷电动机。 19.在反馈控制器的基础上附加一个前馈控制器，二者的组合称为复合控制器。它的作用是使系统能以 零稳定误差跟踪已知的输入信号。 7 三、简答题三、简答题(本大题共本大题共 4 小题，每小题小题，每小题 4 分，共分，共 16 分分) 20.机电一体化系统设计指标大体上应包括哪些方面机电一体化系统设计指标大体上应包括哪些方面? 21.步进电动机常用的驱动电路有哪几种类型步进电动机常用的驱动电路有哪几种类型?其中哪种电路适于永磁式步进电动机其中哪种电路适于永磁式步进电动机? 22.步进电动机数控系统和参考脉冲伺服系统的输入信号是什么步进电动机数控系统和参考脉冲伺服系统的输入信号是什么?输出轴的转速、转向、位置各自与哪输出轴的转速、转向、位置各自与哪 些因素有关些因素有关? 23.什么是什么是 PLC 的扫描工作制的扫描工作制? 20.应包括系统功能、性能指标、使用条件、经济效益。 21.主要有：单极性驱动电路、双极性驱动电路、高低压驱动电路、斩波驱动电路、细分电路。其中双 极性驱动电路适于永磁式步进电动机。 22.(1)参考脉冲序列。 转速与参考脉冲频率成正比。 (2)输出轴转向由转向电平决定。 位置由参考脉冲数决定。 23.PLC 的扫描工作制，即检测输入变量、求解当前控制逻辑以及修正输出指令。重复进行。 四、计算题四、计算题(本大题共本大题共 4 小题，每小题小题，每小题 5 分，共分，共 20 分分) 24.已知双波谐波齿轮的柔轮齿数已知双波谐波齿轮的柔轮齿数 Z1=200, 刚轮齿数刚轮齿数 Z2=202，波发生器的转速，波发生器的转速 nH=600r/min。如图。如图 试求：试求：(1)刚轮固定时柔轮的转速刚轮固定时柔轮的转速 n1; (2)柔轮固定时刚轮的转速柔轮固定时刚轮的转速 n2。 （1）刚轮固定时： n1=- （2）柔轮固定时 25.已知某一线性电位器的测量位移原理如图所示。若电位器的总电已知某一线性电位器的测量位移原理如图所示。若电位器的总电阻阻 R=2k，电刷位移为，电刷位移为 X 时的相应电阻时的相应电阻 Rx=1k，电位器的工作电压，电位器的工作电压 Vi=12V, 负载电阻为负载电阻为 RL。 (1)已测得输出电压已测得输出电压 Vo=5.8V,求求 RL。 (2)试计算此时的测量误差。试计算此时的测量误差。V0= (1) 当 V01=5.8 时，5.8= 5.8= ()空载时 设测量出 5.8输出电压时的测量误差 则 26.某二阶系统如图所示某二阶系统如图所示 8 (1)求系统对求系统对 r(t)阶跃响应的最大超调量阶跃响应的最大超调量%和调节时间和调节时间 ts。 (2)求求 r(t)=1+t,n(t)=0.1 共同作用下的稳态误差共同作用下的稳态误差 ess。 。 .(1)求闭环传函及误差表达式 C(s)=CR(s)+CN(s)= E(s)=R(s)-C(s)=1-R(s)- (2)求 ts= (3)求 ess 二阶系统 ai0 闭环稳定 R(s)= Ess=27.三相变磁阻式步进电动机，三相变磁阻式步进电动机， 转子转子 80 个齿。个齿。 (1)要求电动机转速为要求电动机转速为 60r/min,单双拍制通电，输入脉冲频率为多少单双拍制通电，输入脉冲频率为多少? (2)要求电动机转速为要求电动机转速为 100r/min，单拍制通电，输入脉冲频率为多，单拍制通电，输入脉冲频率为多 少少? 五、简单应用题五、简单应用题(本大题共本大题共 4 小题，每小题小题，每小题 6 分，共分，共 24 分分) 28.已知一阶低通有源滤波器电路如图所示。要求：已知一阶低通有源滤波器电路如图所示。要求： (1)一阶低通滤波器现存在什么弱点一阶低通滤波器现存在什么弱点? (2)将其改进为二阶低通滤波器，画出电路图；将其改进为二阶低通滤波器，画出电路图； (3)画出二阶低通的幅频特性示意图。画出二阶低通的幅频特性示意图。 29.三相交流感应电动机，电源频率三相交流感应电动机，电源频率 50Hz，空载转速，空载转速为为 1450r/min。 (1)该电动机为几极，空载转差率是多少该电动机为几极，空载转差率是多少? (2)堵转时定子、转子绕组电势频率各为多少堵转时定子、转子绕组电势频率各为多少? (3)空载时，定子、转子绕组电势频率各为多少空载时，定子、转子绕组电势频率各为多少? 30.二阶系统结构图如图所示。二阶系统结构图如图所示。 设设 K1=0.1, K2=10,T1=0.5s (1)求系统对求系统对 r(t)的阶跃响应的最大超调量的阶跃响应的最大超调量%及调节时间及调节时间 ts(取取=5%); (2)求系统增益求系统增益 Ks 及伺服刚度及伺服刚度 KR; (3)求求 r(t)=1+t 及及 n(t)=0.1 共同作用下系统的稳态误差共同作用下系统的稳态误差 ess。 31.考虑考虑 x-y 平面上的直线运动路径，源点坐标平面上的直线运动路径，源点坐标(5，-2)，终点坐标为，终点坐标为(1，-1)。设两轴最大加速度限制。设两轴最大加速度限制： xmax=ymax=2。试设计三次多项式样条函数点位控制指令。试设计三次多项式样条函数点位控制指令。 六、综合应用题六、综合应用题(本大题本大题 2 小题，每小题小题，每小题 8 分，共分，共 16 分分)