机电一体化系统设计试卷

（一）一、填空（每空2分，共20分）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。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。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。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）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。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。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。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。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）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？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）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=30%,忽略丝杠惯量的影响，试计算电机的驱动力矩。输Ll!伺旅电机解：（1）计算负载力负载力由外负载力、惯性负载力两部分构成输Ll!伺旅电机解：（1）计算负载力负载力由外负载力、惯性负载外负载力Fi^lOOON=5OX1D=50ON静）电机上的负载力短为14X1。'.(10004-500)•*0.3=OF'63NmLG2分)解;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由测说:精度4L7+005mm项！］niAL5XC05捋…危选取^=200光电编码器，则理论测量精度f4山L■；,——=0.0C4<G.005■''满足题目要求。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。■寐轴器族转端码器攻"滨珠摞母解答：传感器直接与丝杠连接，与减速比无关■寐轴器族转端码器攻"滨珠摞母Z1L-—i4、/71AL代。05一湖豚冲/转可知，，。=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)关节电机微速暮(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。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。5SPWMSPWM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。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。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n60nZ式中Z圆盘上的缝隙数；n转速（r/min）；t测量时间（s）。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。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。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，是直接完成系统目的的主体，一般包括传动系统、执行装置和负载；检测环节指能够对输出进行测量，并转换成比较环节所需要的量纲的装置，一般包括传感器和转换电路。六、解答题（每小题5分，共40分）简述一个典型的机电一体化系统的基本组成要素。机械本体；动力与驱动；传感测试部分；执行机构；控制及信息处理单元。直齿圆柱齿轮传动机构中消除齿侧隙的常用方法？偏心轴套调整法；双片薄齿轮错齿调整法简述机电一体化对机械系统的基本要求及机械系统的组成。对机械系统的基本要求：高精度；快速响应；良好的稳定性。机械系统的组成：传动机构；导向机构；执行机构。简述在微机控制系统中I/O控制方式及I/O接口的编址方式。程序控制方式、中断控制方式、直接存储器存取方式。独立编址；与储存器统一编址。简述伺服系统的结构组成。比较环节；控制器；执行环节；被控对象；检测环节。DAC0832有哪三种输入工作方式？有哪二种输出工作方式？输入工作方式：直通方式；单缓冲方式；双缓冲方式。输出工作方式：单极性输出；双极性输出。有一脉冲电源，通过环形分配器将脉冲分配给五相十拍通电的步进电机定子励磁绕组，测得步进电机的转速为100r/min，已知转子有24个齿，求：1）步进电机的步距角；2）脉冲电源的频率。1）K=2;M=5,Z=24;a=360/2*5*24=1.5。2）f=400Hz2）七、计算题某光栅传感器，刻线数为100线/mm，设细分时测得莫尔条纹数为400,试计算光栅位移是多少毫米？若经四倍细分后，记数脉冲仍为400，则光栅此时的位移是多少？测量分辨率是多少？若12位A/D转换器的参考电压是土2.5V，试求出其采样量化单位q。若输入信号为1V，问转换后的输出数据值是多少。八、综合应用题（每小题15分，共30分）分析下图差动螺旋传动原理设螺杆3左、右两段螺纹的旋向相同，且导程分别为Ph1和七。2为可动螺母当螺杆转动中角时，可动螺母2的移动距离为l=M-pp⑴如果Ph1与Ph2相差很小，则L很小。因此差动螺旋常用于各种微动装置中。若螺杆'3左、、右两段螺纹的旋向相反，则当螺杆转动中角时，可动螺母2的移动距离为1=舞（P+P2⑵可见，此时差动螺旋变成快速移动螺旋，即螺母2相对螺母1快速趋近或离开。这种螺旋装置用于要求快速夹紧的夹具或锁紧装置中。（三）二、简答题（本大题共8小题，每小题4分，共32分）机电一体化的所谓“4人革命”是指什么？（4分）工厂自动化、办公自动化、家庭自动化、社会服务自动化。机电一体化设计中，“增强机械系统”的设计思想是什么？（4分）将正常设计的机械与闭环控制回路相组合，可以实现增强机械系统的运动速度、精度以及柔性，有关的部件可以做得更轻、惯量更小。试说明滚珠丝杠螺母副传动装置的优缺点。（4分）滚珠丝杠螺母副是一种高精度的传动装置。它采用滚动摩擦螺旋取代了滑动摩擦螺旋，具有磨损小、传动效率高、传动平稳、寿命长、精度高、温升低等优点。由于滚珠丝杠螺母副具有运动摩擦小，便于消除传动间隙等突出优点，它给机电一体化系统的性能改善带来了巨大的益处。缺点：不能自锁，用于升降传动时需另加锁紧装置。他励式直流电动机电枢接额定电压情况下空载运行，如果励磁线圈突然断线，电机是否会停转？为什么？（4分）不会。若励磁绕组断开，励磁电流为零，主磁通会迅速下降，因感应电动势很小，电枢电流迅速增大，超过额定值，转速会迅速上升至非常大，造成“飞车”。怎样控制步进电动机输出轴的角位移、转速及转向？（4分）步进电动机是脉冲电动机，它将数字的电脉冲输入转换为模拟的输出轴运动。每输入一个脉冲，输出轴转动一步。因此，输出的角位移正比于输入脉冲的个数，转速正比于输入脉冲的频率，转向取决于各相绕组通电的顺序（相序）。什么叫做步距角？它与哪些因素有关？若系统的步进电动机选定以后，还想进一步减小步距角，可采用何种方法？（4分）步进电动机每输入一个脉冲？转子转动一步「每步转过的角度称为步距角、只1分）用•公式表示为晨=式中乙为转子齿数顷I为绕组相数，.L•为通电方式系数;早拍制，=侦双拍制七一知.由公式可知「4.与•成反比。即越大应越水，电机运行越平稳*2分）当电机选定以后疗5即固定不变.要想减小M可选用双拍制、=2）运行，或进一步采用减速传动或细分驱动分）在实际系统中，数字PID控制器的两种实现方式是什么？（4分）（1）在双传感器系统中，PI由微处理机位置控制器实现，D的作用由测速机负反馈实现（2）在单个位置传感器的系统中，PID由微型机单独实现。（2分）机器人按照控制水平可以分为哪三种类型？哪一类机器人运动控制水平最高？（4分）第一类为点位控制机器人；第二类为连续路径控制机器人；第三类为控制路径机器人。控制路径机器人代表最高运动控制水平。三、计算题（本大题共4小题，每小题5分，共20分）题图所示为双波传动谐波齿轮减速器的原理图。已知：柔轮的齿数为200，刚轮的齿数为

202,波发生器的转速为1280r/min。求：（1）刚轮固定、波发生器输入时，柔轮输出的传动比。（2）刚轮固定、波发生器输入时，柔轮输出的转速。（3）柔轮固定、波发生器输入时，刚轮输出的转速。（5分）（1?刚轮固定、波发生器输入时，柔轮输出的传动比;『hr-———-一=一—,——=—10（7HRZR-Zg200-202佥）刚轮固定、波发生器输入时，柔轮输出的转速；m128016a/■Z■s十蛔=—=—杯=一iHR—100③柔轮固定、波发生器输火时，刚轮输出的转速、明=202~200%1280^'12.67fr/min>2.题图所示，已知：Ui=12V,R=9kQ，电位器共长60mm，现测出Uo（t）=4V试问电位器活动端现移动到什么位置？（5分）,V心-*TOC\o"1-5"\h\zL：4.%=捋苛=2'欢"77=6（0L,1Z186,*6。.乂6冲、60=X…*==电■位器活动端移动到自左向右40mm处说四相步进电动机，转子50个齿。若单拍制的最大静转矩为0.1N-m,试计算双拍制运行时的启动转矩Tst和裕量角。r。（5分）已知nr=4Zf=50fT朝=0.IN'mi=2故起动转矩T.r-=T^cos—=0.Ros牛笠二=0.D：92N，mTOC\o"1-5"\h\znt；.-4X裕量角仇=180"-买？-=18*-•爻弓=18甘一4必=135"门诂4XJ<1分）廖分》②分）<2分.）（2分）（1分（&分）（2：分）（5分）

某直流电机词服系统结构如题23图所示，巳知=混*-=0-055,i\v田=4口，区」盆=0.IN•m/A,K<1分）廖分》②分）<2分.）（2分）（1分（&分）（2：分）求：（DTd=0.Q02N，m时，系统的稳态误差■（2）伺服刚度X"1/Kcs(Tms+1)+Ko/Kf^e±iT=lirn[.、,【，(■j1/Kcs(Tms+1)+Ko/Kf^e±iT=lirn[.、,【，(■j]=11rn1010(3分)(2•分*.W+D+K/K〔7~=-7^—，0.002=*f=O.O08(rad5i\vl\t,i\p0.1■:X1002）伺服瑚度心=上弓目&=业【予-芟=Q.25-（N・m/rad）：四、简单应用题（本大题共3小题，每小题6分，共18分）1.采样保持器的作用是在A/D进行转换期间保持采样输入信号大小不变。试绘制出表示采样保持器的基本电路原理图并进行说明。（6分）51）采样器电路原理图<4分）模式控制答至图0）.采样期间模式控制升关・S闭台，是高增益放大器，它的输出通过开关S给保持电容快速充电，便采样保持器的输出随输入变化。〈2分）2.一台他励直流电动机，额定电压为440V，额定电流为76.2A，额定转速为1050r/min,电枢绕组电阻为0.393Q,试计算电动机的堵转转矩Tb为多少（N・m）?（6分）=斗琢「=风一R上#_瓦_KeKE汕——K一所以田=44。一".2%D.393f,演X零=3.726（V5/rad）-ZjE财分）故=3.73$（N・m/A）普/=Hl?X440=4171.6（N・m）3.（6分）采用数字微分分析法产生某常速度分布情况的控制指令信号方案.位置寄存器I和速度寄存器V的字长为16位带符号小数,V中的二进制小数为OOOOOOOlOlOOlllz,时神频率为1DDDDHe,.『寄存器的初始内容为。，试求：Plr寄存器产生第一个溢出脉冲时所需的加法次数（2）完成58.3647次加法所输出的脉冲数.V=0000000101001llz=167浚2一四=D.DD5。分枫3S6脉冲/加F中产生第一个溢出脉冲所需加法次数为XL：（2分）V=0.0050964356=1招・源（1分〕Xi=197完成588647次加法所输出的脉冲数为Xz：诛=588647•V=588647-X0.0050964356=3000.002*=；3。。0脉冲〈1分）〈1分）（.1分）五、综合应用题（本大题共2小题，每小题10分，共20分）1.（10分）某位置反馈系统如题％图所示，已知：电功机时间常数1=0.25＞临=0.1VXO,PQ=400（r/min）/VJy；=0.bV.（r•min-L•药寸求：QW=D时,系统的最大超调量.新和调整时间以（按A=土锅计算）.；⑵欲便系统具有最佳阻尼比，增设转速负反馈校正r确定&的值；校正后，系统的开环增益K及单位速度输人时的稳态误差。H分）◎分）（1分）（1分）◎分）0分）H分）H分）◎分）（1分）（1分）◎分）0分）H分）n疔+./T+KlKzK3/T^+5s+100叫=10(；.■i-LP,2亏血=BX寸父10=5,二•：=0.Z5〉％=IOOm=1。。焚fJ=45%j=-^==16j)'&10X0.25，■增设转速负反馈校正后，系统传递函数-V.*KJT100'炉+Q十盘。渺丁十KlKJy3/T7+5(1+400^.<+100皿=1。(5一"，最佳阻尼比■；=0.7072写皿=2X0.707X10=14.14=5(1+400d)：^=0.0047SV/(r•min-LJ校正后，系统开环传递函数_心5/(1+血)3-方f."(1十由〈”]开环增益K=-=岌:_1兰*22-21上二!_=&氾广)'曰'''1+任&1+0.00475X400、''单位速度输入时的稳态误差lU=T7=-厂M=0.14（5）h&.yo设计某机构按要求动作的PLC控制系统动作要求：按一次起动按钮，机构上升至限定位置，停3s,自动下降至原位后自动停。（提示；原位置，上升限定位置采用行程开关检测。）设计任务：（1）列出PLC系统资源分配表；（2）画出梯形图。⑴资源分配表0.00起动按钮（动合）0.01上限位行程开关（动合）0.02原位行程开关（动合）10.00电机上升（正转）继电器10.01电机下降（反转）继电器（2）梯形图TOC\o"1-5"\h\z0.000.5110.00TIOI癫-li^.01TITIM~DOL（2）梯形图在口顾TIM00L也笆lff-01TI―O皿⑴TI（四）三、选择题（每小题2分，共10分）一般说来，如果增大幅值穿越频率3C的数值，则动态性能指标中的调整时间ts（B减小）加速度传感器的基本力学模型是（A阻尼一质量系统）口齿轮传动的总等效惯量与传动级数（C.在一定级数内有关）顺序控制系统是按照预先规定的次序完成一系列操作的系统，顺序控制器通常用（C）A,单片机B.2051C.PLCD.DSP口伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、比较环节和检测环节等个五部分。（D检测环节）6：一个典型的机电一体化系统，应包含以下几个基本要素：（ABCD）A机械本体B动力与驱动部分C执行机构D.控制及信息处理部分7、机电一体化系统（产品）开发的类型（ABC）A开发性设计B适应性设计C变参数设计D其它D其它。8、机电一体化系统（产品）设计方案的常用方法（ABCD）A取代法B整体设计法C组合法9、机电一体化的高性能化一般包含（ABCD）D高可靠性。A高速化B高精度C高效率10、抑制干扰的措施很多，主要包括（ABCD）D接地和软件处理等方法B・伺服系统）A屏蔽B隔离C滤波受控变量是机械运动的一种反馈控制系统称（齿轮传动的总等效惯量随传动级数（A.增加而减小）滚珠丝杠螺母副结构类型有两类：外循环插管式和（B・外循环反向器式）某光栅条纹密度是100条/mm，光栅条纹间夹角6=0.001孤度，则莫尔条纹的宽度是（C）D其它。D高可靠性。D接地和软件处理等方法B・伺服系统）A.100mmB.20mmC.10mmD.0.1mm直流测速发电机输出的是与转速（C.成正比的直流电压）16、伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、比较环节和D等个五部分。A换向结构B转换电路C存储电路D检测环节17、检测环节能够对输出进行测量，并转换成比较环节所需要的量纲，一般包括传感器和B转换电路18、以下可对异步电动机进行调速的方法是—B改变电动机的供电频率19、执行元件：能量变换元件，控制机械执行机构运动，可分为__A电气式、液压式和气动式等。20、步进电动机，又称电脉冲马达，是通过B脉冲的数量—决定转角位移的一种伺服电动机。21步进电动机，又称电脉冲马达，是通过（B脉冲的数量决定转角位移的一种伺服电动机。22对于交流感应电动机，其转差率s的范围为（B.0<s1）。PWM指的是（C,脉宽调制）。PD称为（C・比例积分）控制算法。在数控系统中，复杂连续轨迹通常采用（A.插补）方法实现。（五）判断题1、伺服控制系统的比较环节是将输入的指令信号与