机电一体化系统设计试卷(整合版)

〔一〕一、填空(每空2分，共20分)1.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2．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。3．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那么。4．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／输出接口等局部构成。5．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)1．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局部减少，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。2．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。3．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。4．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。5．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)1．数控机床控制系统如下图，试说明图中的各个局部属于机电一体化系统巾的哪一个根本要素?)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)测试传感局部：光电编码器、信号处理；(3)能源：电源；(4)驱动局部：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)1．如下图电机驱动系统，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ŋ=30％，忽略丝杠惯量的影响，试计算电机的驱动力矩。解：(1)计算负载力负载力由外负载力、惯性负载力两局部构成2．某工作台采用直流电机丝杠螺母机构驱动，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满足题目要求。(2)假设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。解答：传感器直接与丝杠连接，与减速比无关可知”。＝500脉冲／转的编码器不合用。五、综合题(16分)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下图，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)(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。(3)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：正确答复出三种方案之中的任意两个即可得总分值。〔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正确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应的控制系统。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。7I/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。8I/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1.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，那么可测出转速为式中Z——圆盘上的缝隙数；n——转速(r／min)；t——测量时间(s)。2.试述可编程控制器的工作原理。可编程控制器有两种根本的工作状态，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，假设处于运行〔RUN〕状态，可编程控制器完成5个阶断。假设处于停止〔STOP〕状态，PLC也要循环进行内部处理和通信效劳。3.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，否那么，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，本钱较低，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。6.伺服控制系统一般包括哪几个局部？每局部能实现何种功能？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、比拟环节等个五局部。比拟环节是将输入的指令信号与系统的反应信号进行比拟，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；其主要任务是比照拟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，并转换成比拟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(每题5分，共40分)1．简述一个典型的机电一体化系统的根本组成要素。机械本体；动力与驱动；传感测试局部；执行机构；控制及信息处理单元。2．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3．简述机电一体化对机械系统的根本要求及机械系统的组成。对机械系统的根本要求：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。4.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。5．简述伺服系统的结构组成。比拟环节；控制器；执行环节；被控对象；检测环节。6．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。7.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，转子有24个齿，求：1〕步进电机的步距角；2〕脉冲电源的频率。K=2;M=5,Z=24;α=360/2*5*24=1.5º2)f=400Hz七、计算题1.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？假设经四倍细分后，记数脉冲仍为400，那么光栅此时的位移是多少？测量分辨率是多少？2.假设12位A/D转换器的参考电压是±2.5V，试求出其采样量化单位q。假设输入信号为1V，问转换后的输出数据值是多少。八、综合应用题(每题15分，共30分)分析下列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Ph2。2为可动螺母当螺杆转动角时，可动螺母2的移动距离为〔1〕如果Ph1与Ph2相差很小，那么L很小。因此差动螺旋常用于各种微动装置中。假设螺杆3左、右两段螺纹的旋向相反，那么当螺杆转动角时，可动螺母2的移动距离为〔2〕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，每题4分，共32分)1.机电一体化的所谓“4A革命”是指什么？(4分)工厂自动化、办公自动化、家庭自动化、社会效劳自动化。2.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。3.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。4.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。假设励磁绕组断开，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”。5.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〕。6.什么叫做步距角？它与哪些因素有关？假设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)7.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应实现

〔2〕在单个位置传感器的系统中，PID由微型机单独实现。〔2分〕8.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，每题5分，共20分)1.题图所示为双波传动谐波齿轮减速器的原理图。：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)2.题图所示，：Ui=12V,R=9kΩ，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)3.四相步进电动机，转子50个齿。假设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θr。(5分)4.(5分)四、简单应用题(本大题共3小题，每题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根本电路原理图并进行说明。(6分)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0.393Ω,试计算电动机的堵转转矩Tb为多少〔N·m〕?(6分)3.(6分)五、综合应用题(本大题共2小题，每题10分，共20分)1.(10分)2.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。(1)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

〔四〕三、选择题〔每题2分，共10分〕1.一般说来，如果增大幅值穿越频率ωc的数值，那么动态性能指标中的调整时间ts(B减小)2.加速度传感器的根本力学模型是(A阻尼—质量系统)3.齿轮传动的总等效惯量与传动级数(C.在一定级数内有关)4.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.DSP5、伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、比拟环节和检测环节等个五局部。〔D检测环节〕6：一个典型的机电一体化系统，应包含以下几个根本要素：〔ABCD〕A机械本体B动力与驱动局部C执行机构D.控制及信息处理局部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D其它。9、机电一体化的高性能化一般包含〔ABCD〕A高速化B高精度C高效率D高可靠性。10、抑制干扰的措施很多，主要包括〔ABCD〕A屏蔽B隔离C滤波D接地和软件处理等方法11.受控变量是机械运动的一种反应控制系统称(B.伺服系统)12.齿轮传动的总等效惯量随传动级数(

A.增加而减小)13.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)14.某光栅条纹密度是100条/mm，光栅条纹间夹角θ=0.001孤度，那么莫尔条纹的宽度是(

C

)A.100mm

B.20mm

C.10mm

15.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、比拟环节和___D___等个五局部。A换向结构B转换电路C存储电路D检测环节检测环节能够对输出进行测量，并转换成比拟环节所需要的量纲，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〕。23.PWM指的是〔C.脉宽调制

〕。24.PD称为〔C.比例积分〕控制算法。25.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、伺服控制系统的比拟环节是将输入的指令信号与系统的反应信号进行比拟，以获得输出与输入间的偏差信号。〔√〕2、电气式执行元件能将电能转化成机械力，并用机械力驱动执行机构运动。如交流电机、直流电机、力矩电机、步进电机等。〔×〕3、对直流伺服电动机来说，其机械特性越硬越好。〔√〕4、步进电机的步距角决定了系统的最小位移，步距角越小，位移的控制精度越低。〔×〕5、伺服电机的驱动电路就是将控制信号转换为功率信号，为电机提供电能的控制装置，也称其为变流器，它包括电压、电流、频率、波形和相数的变换。