2026秋国家开放大学《机电一体化系统设计基础》（课程ID：04973）形考作业1-4参考答案

国家开放大学《机电一体化系统设计基础》形考作业1—4参考答案使用说明本册按“形考任务一、二、三、四”顺序编排，题号统一使用阿拉伯数字连续编号，与学习网形考页面一一对应。形考一、形考二为客观题，题干、全部选项与答案均按最新题库整理；形考三为计算分析题，形考四为简答与综合题，均给出可直接誊写的参考答案。平台组卷为随机抽题，且选项顺序会打乱。作答时请先按题干关键词定位题目，再按答案的文字内容选择对应字母，不要死记字母。形考三计算题的数字若与平台给定参数略有差异，按文中公式代入本组数据重算即可，评分主要看公式与步骤。建议用Ctrl+F检索题干中的连续几个字（不要复制整句、不要带空格），可快速定位。形考任务一一、判断题（第1—20题）机电一体化系统是以机械装置为主体，微电子技术为核心，强调各种技术的协同和集成的综合性技术。（）A.对B.错答案：A（对）机电一体化产品不仅是人的手与肢体的延伸，还是人的感官与头脑的延伸，具有“智能化”的特征是机电一体化与机械电气化在功能上的本质差别。（）A.对B.错答案：A（对）机电一体化系统的主功能就是对输入的物质按照要求进行处理，输出具有所需特性的物质。（）A.对B.错答案：B（错）自动控制是在人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定的规律运行。（）A.对B.错答案：B（错）机电一体化系统的机械系统与一般的机械系统相比，应具有高精度、良好的稳定性、快速响应性的特性。（）A.对B.错答案：A（对）产品的组成零部件和装配精度高，系统的精度一定就高。（）A.对B.错答案：B（错）为减少机械传动部件的扭矩反馈对电机动态性能的影响，机械传动系统的基本固有频率应低于电气驱动部件的固有频率的2~3倍，同时，传动系统的固有频率应接近控制系统的工作频率，以免系统产生振荡而失去稳定性。（）A.对B.错答案：B（错）进行机械系统结构设计时，由于阻尼对系统的精度和快速响应性均产生不利的影响，因此机械系统的阻尼比ξ取值越小越好。（）A.对B.错答案：B（错）在闭环系统中，因齿轮副的啮合间隙而造成的传动死区能使系统以6~10倍的间隙角产生低频振荡，采用消隙装置，以提高传动精度和系统稳定性。（）A.对B.错答案：B（错）选择滚珠丝杠副的过程中，当系统的加工精度要求较高时，导程就大一点；加工精度较低时，导程就选小一些。（）A.对B.错答案：B（错）滚珠丝杠垂直传动时，必须在系统中附加自锁或制动装置。（）A.对B.错答案：A（对）传感器的作用是将机电一体化产品在运行过程中所需要的自身和外界环境的各种参数转换成可以测定的物理量。（）A.对B.错答案：A（对）数字式位移传感器有光栅、磁栅、感应同步器等，它们的共同特点是利用自身的物理特征，制成直线型和圆形结构的位移传感器，输出信号都是脉冲信号，每一个脉冲代表输入的位移当量，通过计数脉冲就可以统计位移的尺寸。（）A.对B.错答案：A（对）传感器的动态特性是指输入信号不随时间变化而变化或变化非常缓慢时所表现出来的输出响应特性。（）A.对B.错答案：B（错）选择传感器时，如果测量的目的是进行定性分析，则选用绝对量值精度高的传感器，而不宜选用重复精度高的传感器。（）A.对B.错答案：B（错）传感器在使用前、使用中或修理后，必须对其主要技术指标标定或校准，以确保传感器的性能指标达到要求。（）A.对B.错答案：A（对）驱动部分在控制信息作用下提供动力，伺服驱动包括电动、气动、液压等各种类型的驱动装置。（）A.对B.错答案：A（对）电液伺服系统的过载能力强，在强力驱动和高精度定位时性能好，适合于重载的高加减速驱动。（）A.对B.错答案：A（对）步进电动机的转动惯量越大，同频率下的起动转矩就越大。（）A.对B.错答案：B（错）直流伺服电动机的调速特性是电机转速与其输出转矩的关系。（）A.对B.错答案：B（错）二、单项选择题（第21—40题）以下不属于机电一体化系统主要功能的是（）。A.控制功能B.检测功能C.计算功能D.动力功能答案：C（计算功能）以下产品属于机电一体化产品的是（）。A.游标卡尺B.移动电话C.3D打印机D.数字电子表答案：C（3D打印机）以下产品不属于机电一体化产品的是（）。A.工业机器人B.打印机C.全自动仓储D.电子计算机答案：D（电子计算机）传动系统的固有频率对传动精度有影响，（）固有频率可减小系统的传动误差，（）系统刚度可提高固有频率。A.提高，提高B.提高，减小C.减小，提高D.减小，减小答案：A（提高，提高）为提高机电一体化机械传动系统的固有频率，应设法（）。A.增大系统刚度B.增大系统转动惯量C.增大系统的驱动力矩D.减小系统的摩擦阻力答案：A（增大系统刚度）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.变化而不变答案：A（增加而减小）多级齿轮传动中，各级传动比“前小后大”的分配原则不适用于按（）设计的传动链。A.最小等效转动惯量原则（小功率传动装置）B.最小等效转动惯量原则（大功率传动装置）C.输出轴的转角误差最小原则D.重量最轻原则答案：D（重量最轻原则）对于机电一体化系统的齿轮传动，采取下列哪种方法是来消除齿侧间隙，使得调整过程中能自动补偿齿侧间隙？（）A.偏心套调整法B.轴向垫片调整法C.双片薄齿轮错齿调整法D.轴向压簧错齿调整法答案：C（双片薄齿轮错齿调整法）在机电一体化系统中，以下机构哪个不能够将旋转运动转换为直线运动（）。A.丝杠螺母B.直齿轮对C.同步带轮D.齿轮齿条答案：B（直齿轮对）传感器的（）可以直接感受被测量的变化，并输出与被测量成确定关系的其他物理量。A.敏感元件B.转换器件C.信号调节电路D.辅助电源答案：A（敏感元件）光栅传感器的光栅是在一块长条形的光学玻璃上密集等间距平行的刻线，刻线数为100线/mm，经四倍细分后，记数脉冲为400，光栅位移是（）mm。A.1B.2C.3D.4答案：A（1mm）幅频特性和相频特性是模拟式传感器的（）。A.静态特性指标B.动态特性指标C.输入特性参数D.输出特性参数答案：B（动态特性指标）机电一体化系统中的绝对编码器属于系统中的（）。A.驱动机构B.传感部分C.控制器D.执行机构答案：B（传感部分）检测装置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（）。A.控制电路B.转换电路C.放大电路D.逆变电路答案：B（转换电路）闭环控制的驱动装置中，丝杠螺母机构位于闭环之外，所以它的（）。A.回程误差不影响输出精度，但传动误差影响输出精度B.传动误差不影响输出精度，但回程误差影响输出精度C.回程误差和传动误差都不会影响输出精度D.回程误差和传动误差都会影响输出精度答案：D（回程误差和传动误差都会影响输出精度）在开环控制系统中，常用（）做驱动元件。A.直流伺服电动机B.步进电动机C.同步交流伺服电动机D.异步交流伺服电动机答案：B（步进电动机）步进电机转角的精确控制是通过控制输入脉冲的（）来实现的。A.频率B.数量C.步距角D.通电顺序答案：B（数量）步进电机转动后，其输出转矩随着工作频率增高而（）。A.上升B.下降C.不变D.前三种情况都有可能答案：B（下降）某4极交流伺服电动机，电源频率为50Hz，当转差率为0.02时，其转速为（）。A.1450r/minB.1470r/minC.735r/minD.2490r/min答案：B（1470r/min）采用脉宽调制（PWM）进行直流电动机调速驱动时，通过改变（）来改变电枢回路的平均电压，从而实现直流电动机的平滑调速。A.脉冲的宽度B.脉冲的频率C.脉冲的正负D.其他参数答案：A（脉冲的宽度）三、多项选择题（第41—50题）典型的机电一体化系统的基本要素应包括，各要素和环节之间通过接口相联系。A.机械本体B.动力系统C.检测传感系统D.闭环控制系统E.执行部件F.信息处理及控制系统答案：A、B、C、E、F（机械本体、动力系统、检测传感系统、执行部件、信息处理及控制系统）机械系统的刚度对系统动态特性的影响有：系统刚度越大，。A.因静摩擦力的作用所产生的传动部件的弹性变形越大B.系统的失动量也越小C.固有频率越高D.增加开环伺服系统的稳定性E.降低开环伺服系统的稳定性F.增加闭环系统的稳定性答案：B、C、F（失动量越小、固有频率越高、增加闭环系统的稳定性）滚珠丝杠副消除轴向间隙的调整预紧方法有。A.螺纹预紧调隙式B.双螺母差齿预紧调隙式C.双螺母垫片预紧调隙式D.弹簧式自动调整预紧式E.单螺母变位导程自预紧式F.垫片错齿式答案：A、B、C、D、E（螺纹预紧、双螺母差齿、双螺母垫片、弹簧式自动调整、单螺母变位导程自预紧）齿轮传动中圆柱直齿轮的齿侧间隙的调整方法有。A.螺纹预紧调隙式B.偏心套调整法C.轴向垫片调整法D.双片薄齿轮错齿调整法（可调拉簧式）E.双片薄齿轮错齿调整法（周向拉簧式）F.垫片错齿调整法答案：B、C、D、E（偏心套调整法、轴向垫片调整法、双片薄齿轮错齿调整法）是传感器的静态特性指标。A.量程B.线性度C.灵敏度D.稳定性E.幅频特性F.相频特性答案：A、B、C、D（量程、线性度、灵敏度、稳定性）选择传感器时需要考虑的因素有。A.应用环境B.结构C.体积D.重量E.价格F.易于维修和更换答案：A、B、C、D、E、F（全选）机电一体化的伺服控制系统的结构、类型繁多，一般包括。A.输入信号B.控制器C.功率放大器D.检测装置E.执行机构F.输出信号答案：B、C、D、E（控制器、功率放大器、检测装置、执行机构）以下能实现交流异步伺服电动机调速的方法有。A.改变电动机的转差率B.改变供电电压的大小C.改变电动机的供电频率D.改变电动机定子极对数E.改变供电电压的相位F.改变电动机转子绕组匝数答案：A、C、D（改变转差率、改变供电频率、改变定子极对数）与直流伺服电动机相比，交流伺服电机具有的特点。A.不需要电刷和换向器B.维护方便C.转动惯量大D.体积和重量较小E.结构复杂F.成本较低答案：A、B、D（不需电刷和换向器、维护方便、体积重量较小）下列可能是直流伺服电机的调速方案。A.改变电枢电压B.改变定子励磁磁通C.改变转子电阻D.改变负载转矩E.改变电枢电流答案：A、B、C（改变电枢电压、改变励磁磁通、改变转子电阻）形考任务二一、判断题（第1—20题）机电一体化自动控制的任务就是克服扰动量的影响，使系统输出恒定值。（）A.对B.错答案：B（错）无论采用何种控制方案，系统的控制精度总是高于检测装置的精度。（）A.对B.错答案：B（错）一般说来，全物理仿真较之计算机仿真在时间、费用和方便性上都具有明显的优点，是一种经济、快捷与实用的仿真方法。（）A.对B.错答案：B（错）从计算机的精度来看，需要计算机控制系统的采样周期短一些，这是因为工业控制用的微型机字长固定，前后两次采样的数值之差可能因计算机精度不高而反映不出来，从而使控制作用减弱。（）A.对B.错答案：B（错）PID调节器由比例调节器、积分调节器和微分调节器通过线性组合而构成。（）A.对B.错答案：A（对）通用型计算机系统大多工作在为特定用户群设计的系统中，通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点。（）A.对B.错答案：B（错）计算机控制系统设计完成后，首先需要对整个系统进行系统调试，然后分别进行硬件和软件的调试。（）A.对B.错答案：B（错）PLC采用扫描工作方式，扫描周期的长短决定了PLC的工作速度。（）A.对B.错答案：A（对）PLC完善的自诊断功能，能及时诊断出PLC系统的软件、硬件故障，并能保护故障现场，保证了PLC控制系统的工作安全性。（）A.对B.错答案：A（对）现代嵌入式系统的设计方法是将系统划分为硬件和软件两个独立的部分，然后按各自的设计流程分别完成。（）A.对B.错答案：B（错）现场总线系统采用一对一的设备连线，按控制回路分别进行连接，打破了传统控制系统的结构形式。（）A.对B.错答案：B（错）用户可以按照自己的需要，把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统，然后通过现场总线构筑自动化领域的开放互连系统。（）A.对B.错答案：A（对）目前，大部分硬件接口和软件接口都已标准化或正在逐步标准化，设计时可以根据需要选择适当的接口，再配合接口编写相应的程序。（）A.对B.错答案：A（对）机电一体化系统工程设计中常用的抽象方法是“黑箱法”，从分析和比较系统输入/输出的物料流、能量流和信息流的差别和关系入手求解所设计的系统的总功能。（）A.对B.错答案：A（对）需求设计是指新产品开发的整个生命周期内，从分析用户需求到以详细技术说明书的形式来描述满足用户需求产品的过程。（）A.对B.错答案：A（对）反求设计是建立在概率统计基础之上，主要任务是提高产品的可靠性，延长使用寿命，降低维修费用。（）A.对B.错答案：B（错）可靠设计是指将优化技术应用于机电一体化系统的设计过程，最终获得比较合理的设计参数，各种计算机程序能解决不同特点的工程问题。（）A.对B.错答案：B（错）工业机器人驱动部分在控制信息作用下提供动力，包括电动、气动、液压等各种类型的传动方式。（）A.对B.错答案：A（对）数控机床中的计算机属于机电一体化系统的控制及信息处理单元，而电机则属于系统的驱动部分。（）A.对B.错答案：A（对）在数控设备中，通过计算机数控装置控制执行机构的进给以及刀具的运行等。（）A.对B.错答案：A（对）二、单项选择题（第21—40题）以下（）不属于系统模型的类型。A.物理模型B.数学模型C.符号模型D.描述模型答案：C（符号模型）机电一体化系统仿真时，用已研制出来的系统中的实际部件或子系统代替部分数学模型所构成的仿真是（）。A.全物理模型B.半物理仿真C.数学仿真D.计算机仿真答案：B（半物理仿真）PID控制算法中，比例调节器的主要作用是（）。A.消除静差B.减小振荡C.纠正偏差D.提高稳定性答案：C（纠正偏差）PID控制算法中，积分调节器的主要作用是（）。A.消除静差B.加快响应C.减小振荡D.提高稳定性答案：A（消除静差）在机电一体化系统设计开发过程中，需要根据系统功能要求编写（），具有实时性、针对性、灵活性和通用性。A.平台软件B.开发软件C.系统软件D.应用软件答案：D（应用软件）以下除了（），均是由硬件和软件组成。A.计算机控制系统B.PLC控制系统C.嵌入式系统D.继电器控制系统答案：D（继电器控制系统）计算机控制系统实际运行时，需要由用户自行编写（），具有实时性、针对性、灵活性和通用性。A.实时软件B.开发软件C.系统软件D.应用软件答案：D（应用软件）以下抑制电磁干扰的措施，除了（），其余都是从切断传播途径入手。A.屏蔽B.隔离C.滤波D.软件抗干扰答案：D（软件抗干扰）以下（）不属于系统功能结构图的基本结构形式。A.串联结构B.平行结构C.环形结构D.星形结构答案：D（星形结构）不进行参数的变换与调整，即输入与输出的直接连接的接口是（）。A.零接口B.被动接口C.主动接口D.智能接口答案：A（零接口）含有微处理器，可进行程序编制或适应条件变化的接口是（）。A.零接口B.被动接口C.主动接口D.智能接口答案：D（智能接口）（）是指考虑新产品的整个生命周期内对环境的影响，从而减少对环境的污染、资源的浪费。A.需求设计B.绿色设计C.可靠性设计D.反求设计答案：B（绿色设计）（）是基于虚拟现实技术，在计算机辅助设计环境中进行实体建模和装配建模，生成精确的系统模型，并在同一环境中进行一些相关分析，从而满足工程设计和应用的需要。A.虚拟设计B.绿色设计C.可靠性设计D.反求设计答案：A（虚拟设计）HRGP-1A喷漆机器人中的活塞式液压缸属于系统中的（）。A.能源部分B.测试传感部分C.驱动部分D.执行机构答案：C（驱动部分）HRGP-1A喷漆机器人中的旋转变压器属于系统中的（）。A.能源部分B.测试传感部分C.控制器D.执行机构答案：B（测试传感部分）在小型智能机器人的伺服驱动系统设计中应该采用的伺服技术为（）。A.液压伺服B.气动伺服C.电动伺服D.电液伺服答案：C（电动伺服）通常，数控精密镗铣床等高精度数控设备，其伺服系统的控制方式均采用（）。A.开环控制B.闭环控制C.半闭环控制D.混合控制答案：B（闭环控制）数控机床进给系统的伺服电机属于设备的（）。A.能源部分B.测试传感部分C.驱动部分D.执行机构答案：C（驱动部分）数控机床的加工刀具属于系统的（）。A.能源部分B.传感部分C.驱动部分D.执行机构答案：D（执行机构）CNC机床进给系统的运动工作台属于设备的（）。A.能源部分B.测试传感部分C.驱动部分D.执行机构答案：D（执行机构）三、多项选择题（第41—50题）机电一体化自动控制系统必须具备。A.很好的稳定性B.快速响应性C.延迟响应性D.控制精度高E.控制精度低F.成本低廉答案：A、B、D（稳定性好、快速响应、控制精度高）以下对计算机采样周期选择的描述错误的是：。A.根据香农采样定理，采样周期只需满足：T≥π/ωmax。其中，ωmax为采样信号的上限角频率B.从执行元件的要求来看，需要输出信号的宽度较小C.从控制系统随动和抗干扰的性能要求来看，则要求采样周期大些D.从计算机的工作量和每个调节回路的计算成本来看，一般要求采样周期短些E.从计算机的精度看，过短的采样周期是不合适的F.各方面因素对采样周期的要求是不同的，甚至是互相矛盾的。必须根据具体情况和主要的要求做出折衷选择答案：A、B、C、D（四项描述均错误）以下是机电一体化系统仿真的模型。A.物理模型B.半物理模型C.数学模型D.生物模型E.化学模型F.描述模型答案：A、C、F（物理模型、数学模型、描述模型）以下属于计算机控制系统的组成部分的是：。A.计算机主机B.接口电路C.输入/输出通道D.外部设备E.外部电源F.软件答案：A、B、C、D、F（外部电源除外）PLC控制系统的特点是：。A.可靠性低B.环境适应性强C.灵活通用D.难以构成工控网络E.编制和调试方便F.具有监控功能答案：B、C、E、F（环境适应性强、灵活通用、编程调试方便、具有监控功能）PLC主要由（）、电源、接口等部分组成。A.中央处理器B.存储器C.输入单元D.输出单元E.控制器答案：A、B、C、D（CPU、存储器、输入单元、输出单元）机电一体化系统的设计流程一般包括阶段。A.产品规划B.概念设计C.设计实施D.设计定型E.详细设计答案：A、B、C、D、E（产品规划、概念设计、详细设计、设计实施、设计定型）机电一体化产品概念设计包含流程。A.确定出系统的总功能B.进行总功能分解，将总功能分解为子功能C.对各功能模块输入/输出关系进行分析D.寻找子功能（功能元）的解，并将原理解进行组合，形成多种原理解设计方案E.以技术文件的形式交付设计组讨论、审定F.方案进行整体评价：对不同的方案进行整体评价，选择综合指标最优的设计方案答案：A、B、C、D、E、F（全选）机电一体化产品的机械系统的可靠性设计包括：。A.缩短传动链，减少元件数B.必要时增设备用元件或系统C.简化结构D.增加过载保护装置、自动停机装置E.设置监控系统F.减小维修周期答案：A、B、C、D、E（A—E五项）机电一体化产品的控制系统的可靠性设计包括：。A.采用人工控制B.采用自动控制C.通过元器件的合理选择提高可靠性D.对功率接口采用降额设计提高可靠性E.采用监视定时器提高可靠性F.采取抗干扰措施降低可靠性答案：B、C、D、E（自动控制、合理选元器件、降额设计、监视定时器）形考任务三计算分析题（第1—10题）某工作台采用直流电机丝杠螺母机构驱动，已知电机轴的转动惯量Jm=4×10⁻⁴kg·m²，与电机输出轴相连的小齿轮的转动惯量J1=1×10⁻⁴kg·m²，大齿轮的转动惯量J2=1.8×10⁻⁴kg·m²，丝杠的转动惯量Js=3.8×10⁻⁴kg·m²。工作台的质量m=50kg，丝杠导程t=5mm，齿轮减速比为i=5。试求：（1）工作台折算到丝杠的等效转动惯量JG；（2）传动件折算到电机轴的等效转动惯量Je；（3）电机轴上的总转动惯量J。解：（1）工作台作直线运动，折算到丝杠上的等效转动惯量为JG=m（t/2π）²=50×（0.005/6.283）²=50×6.33×10⁻⁷≈3.17×10⁻⁵kg·m²（2）大齿轮、丝杠、工作台均折算到电机轴上，需除以减速比的平方：Je=（J2+Js+JG）/i²=（1.8×10⁻⁴+3.8×10⁻⁴+0.317×10⁻⁴）/5²=5.917×10⁻⁴/25≈2.37×10⁻⁵kg·m²（3）电机轴上的总转动惯量：J=Jm+J1+Je=4×10⁻⁴+1×10⁻⁴+0.237×10⁻⁴≈5.24×10⁻⁴kg·m²答：（1）JG≈3.17×10⁻⁵kg·m²；（2）Je≈2.37×10⁻⁵kg·m²；（3）J≈5.24×10⁻⁴kg·m²。已知某四级齿轮传动系统，各齿轮的转角误差为Δφ1=Δφ2=…=Δφ8=0.004弧度，各级减速比相同，即i1=i2=i3=i4=2，求该系统的最大转角误差Δφmax。解：各轴（各齿轮）的转角误差折算到输出轴后叠加，取绝对值之和：Δφmax=Δφ1+（Δφ2+Δφ3）/i1+（Δφ4+Δφ5）/（i1·i2）+（Δφ6+Δφ7）/（i1·i2·i3）+Δφ8/（i1·i2·i3·i4）=0.004+0.008/2+0.008/4+0.008/8+0.004/16=0.004+0.004+0.002+0.001+0.00025≈0.0113弧度答：该系统的最大转角误差Δφmax≈0.0113弧度（部分资料按每级两对齿轮分别累加，记作0.022弧度，公式与量纲一致即可）。刻线为1024的增量式角编码器安装在机床的丝杠转轴上，已知丝杠的螺距为2mm，编码器在10秒内输出307200个脉冲，试求刀架的位移量和丝杠的转速分别是多少？解：（1）丝杠转一周输出1024个脉冲，则307200个脉冲对应的转数：n=307200/1024=300转刀架位移量s=300×2mm=600mm（2）丝杠转速：n=300/10=30r/s=1800r/min角速度ω=30×2π=60π≈188.5rad/s答：刀架位移量为600mm；丝杠转速为30r/s（1800r/min，约60πrad/s）。一个四相八拍运行的步进电机，转子齿数为50，则其步距角为多少？如要求步进电机2秒钟转10圈，则每一步需要的时间T为多少？解：（1）四相八拍，拍数m=8，步距角α=360°/（m·z）=360°/（8×50）=0.9°（2）每转步数=360°/0.9°=400步；10圈共4000步，用时2s=2000msT=2000/4000=0.5ms答：步距角为0.9°；每一步所需时间为0.5ms。如图所示的电机驱动工作台系统，其中驱动x向工作台的三相单三拍步进电机，转子齿数z为40。滚珠丝杠的基本导程为l0=6mm。已知传动系统的横向（x向）脉冲当量δ为0.005mm/脉冲。试求：（1）步进电机的步距角α；（2）减速齿轮的传动比i。解：（1）三相单三拍，相数K=3，拍数N=3，m=K·N=9α=360°/（m·z）=360°/（9×40）=1°（2）由脉冲当量公式δ=（α/360°）×l0/i，得i=（α·l0）/（360°·δ）=（1°×6）/（360°×0.005）=6/1.8≈3.33答：（1）步距角α=1°；（2）减速齿轮传动比i≈3.33（取整为10/3）。下图所示的机电一体化伺服驱动系统，当以步进电动机为驱动元件，其步距角α为1.8°，系统脉冲当量δ为控制器输出一个脉冲时执行机构的直线位移，大小为0.01mm，传动机构采用滚珠丝杠，其基本导程l0为4mm，减速机构采用了齿轮减速，试求齿轮机构的传动比i。解：设β为控制器输出一个脉冲丝杠转过的角度，则β=360°×δ/l0。又β=α/i，故i=α/β=（α·l0）/（360°·δ）=（1.8×4）/（360×0.01）=7.2/3.6=2答：齿轮机构的传动比i=2。分析下图调整滚珠丝杠副轴向间隙的原理。答：图示为双螺母螺纹预紧调整式结构。双螺母中的一个外端带有凸缘，另一个外端制有螺纹，它伸出套筒外，用两个圆螺母固定锁紧，并用键防止两螺母相对转动。旋转圆螺母即可使一个螺母相对另一个螺母产生轴向位移，从而消除轴向间隙并产生预紧力；调整到位后再用锁紧螺母锁紧，使预紧力保持稳定。该方法结构简单、调整方便，但预紧力不易精确控制，多用于中等精度、中等载荷的传动。已知一个绳位移控制系统的两种驱动方案分别如图（a）减速器滚筒驱动和（b）丝杠滑台驱动所示。（1）试分析两种方案的特点；（2）画图说明方案（a）减速器滚筒驱动测量位移的方法。答：（1）方案（a）：电机经减速器带动滚筒转动，钢丝绳绕在滚筒上，靠滚筒的转动使绳产生直线位移。特点是结构简单、零件少、成本低、行程可做得较长、安装方便；但钢丝绳存在弹性变形和打滑，滚筒直径磨损后位移当量会变化，传动精度和重复定位精度较低，适用于行程较大、精度要求不高的场合。方案（b）：电机带动丝杠转动，丝杠上的螺母（滑台）作直线运动，再由滑台带动绳产生位移。特点是刚性好、传动精度高、运动平稳、可实现自锁和微位移；但结构复杂、成本高、行程受丝杠长度限制，高速时易产生振动和噪声，适用于精度要求较高的中小行程场合。（2）测量方法：在滚筒轴（或电机轴）上同轴安装增量式编码器（或旋转变压器），滚筒转一周对应绳的直线位移为πD（D为滚筒有效直径），编码器每转输出N个脉冲。计数器计得脉冲数n，则绳的位移s=n·πD/N。为保证正、反向均可计数，编码器输出A、B两相正交脉冲，由鉴相电路判别转向；同时在绳端设零点开关，每次开机回零以消除累计误差。某部门欲开发一款用于能在生产线上与人协作的机械手，请制订出该款机械手产品的开发设计流程。答：协作机械手的开发设计流程为：（1）产品规划：调研生产线工况与协作对象，明确负载、工作空间、速度、重复定位精度、安全等级等性能指标，进行技术经济与可行性分析，编制设计任务书。（2）概念设计：用“黑箱法”抽象出总功能，进行功能分解，拟定臂部构型、驱动方式（电动为主）、传动方案与传感方案，形成多个原理方案并评价选优。（3）详细设计：完成机械结构（关节、臂杆、减速器、末端夹爪）设计计算与三维建模，完成控制系统（控制器、伺服驱动、力/位混合控制）与安全系统（力矩限制、碰撞检测、急停、安全围栏接口）设计，进行运动学、动力学与强度仿真校核。（4）样机试制：零件加工、外购件选型采购、装配调试，编制控制程序与人机界面。（5）试验与评价：进行精度、速度、负载、重复定位精度测试，开展可靠性试验与安全认证（如ISO/TS15066协作机器人安全要求），根据结果修改设计。（6）设计定型与生产：整理全套图样与技术文件，制定工艺规程，小批试制后定型投产，并建立用户反馈与改进机制。假定你在设计一套典型的机电一体化系统，比如智能工业机械手，请制订出概念设计的流程。答：概念设计流程为：（1）抽象化：把设计任务抽象为“输入—处理—输出”的黑箱模型，确定系统的总功能。（2）功能分解：按物料流、能量流、信息流将总功能逐级分解为子功能，直至功能元，画出功能树，并确定各功能之间的逻辑关系。（3）功能模块分析：分析各功能模块的输入/输出关系，确定技术参数、控制策略、外观造型与总体结构。（4）原理求解与组合：对每个功能元寻找物理解（机构、驱动、传感方案），组合成多种原理解设计方案。（5）方案文件化：以技术文件形式交付设计组讨论、审定。（6）整体评价与决策：从功能、性能、成本、可靠性、可维护性等方面对方案进行整体评价，选出综合指标最优的方案，形成概念产品。形考任务四一、简答题（第1—10题）完善的机电一体化系统主要包括哪几部分？答：一个完善的机电一体化系统主要由五部分组成：①机械本体，起支撑、连接和传递运动的作用，是系统的结构基础；②动力系统，按控制要求提供能量和动力；③检测传感部分，检测系统自身及外界环境的各种参数和状态，为控制提供信息；④信息处理及控制系统，是系统的“大脑”，完成信息的存储、处理、运算和决策，发出控制指令；⑤执行部件，在控制信息作用下完成规定的动作，实现系统的主功能。各要素和环节之间通过接口相联系，形成有机整体。简述机电一体化系统中接口的作用。答：接口是系统中各要素、各子系统之间进行物质、能量和信息交换的枢纽。其主要作用是：①实现信号形式的转换（如A/D、D/A转换）和量纲、电平的匹配；②实现功率放大与驱动，使弱电控制信号能够驱动强电执行元件；③实现电气隔离与阻抗匹配，提高抗干扰能力和运行安全性；④使系统各组成部分协调工作，便于模块化设计、组合、扩展和维修，提高系统的可靠性与可维护性。滚珠丝杠副消除轴向间隙的调整预紧方法有哪些？答：常用的调整预紧方法有五种：①螺纹预紧调隙式；②双螺母差齿预紧调隙式；③双螺母垫片预紧调隙式；④弹簧式自动调整预紧式；⑤单螺母变位导程自预紧式。其中弹簧式可自动补偿磨损，保持预紧力稳定；双螺母垫片式结构简单、刚性好，应用最广。齿轮传动中齿侧间隙对系统有何影响，如何消除直齿圆柱齿轮的齿侧间隙？答：影响：齿侧间隙会造成传动死区，产生回程误差，使输出滞后于输入；在闭环系统中，死区会引起低频振荡，降低系统的传动精度、定位精度和稳定性；间隙还会产生冲击和噪声，加剧磨损。消除方法（直齿圆柱齿轮）：①偏心套调整法，通过转动偏心轴套改变中心距；②轴向垫片调整法，用改变垫片厚度的方法调整两齿轮的轴向相对位置；③双片薄齿轮错齿调整法，将一对齿轮的一片做成两片薄片，装配时错开齿位，用拉簧（可调拉簧式、周向拉簧式）使其分别贴紧对方齿的两侧，可自动补偿间隙。什么是传感器的校准？并简述如何进行校准。答：校准是在规定的条件下，用标准量具或标准仪器确定传感器输入量与输出量之间的对应关系，并确定其静态、动态技术指标的过程。校准方法：①在传感器全量程范围内均匀选取若干校准点；②按正行程逐点输入标准量，记录相应的输出值，再按反行程逐点减小输入，记录输出值；③由数据作出输入—输出特性曲线，求取灵敏度、线性度、迟滞、重复性、零漂等指标；④必要时调整零点与量程，使其满足使用要求。传感器在使用前、使用中和修理后都必须校准，以保证测量结果准确可靠。步进电动机的输入信号是什么？如何实现对其转速和旋转方向的控制？答：步进电动机的输入信号是脉冲序列（电脉冲）。每输入一个脉冲，转子转过一个步距角，因此：①转速由输入脉冲的频率决定，频率越高，转速越快；②转角或直线位移由输入脉冲的数量决定；③旋转方向由各相绕组的通电顺序（即脉冲分配方式，如单三拍、双三拍、六拍等）决定，改变通电顺序即可改变转向。实际应用中由脉冲分配器和功率放大器（驱动器）完成环形分配与功率放大。机电一体化系统仿真的模型主要有哪几种？分别应用于系统设计的哪个阶段？答：按模型性质分为三种：①物理模型，用与原型物理性质相似的实物模型进行试验，多用于方案验证和样机试验阶段；②数学模型，用数学方程描述系统特性，多用于方案分析、参数优化和详细设计阶段；③描述模型（半物理模型），在难以建立严格数学模型时，用实际部件与数学模型混合构成，多用于系统联调和控制策略验证阶段。按仿真方式相应地分为计算机仿真、半物理仿真和全物理仿真。什么是PID调节器？三部分在系统调节中各起什么作用？答：PID调节器是由比例（P）、积分（I）、微分（D）三种调节规律按线性组合构成的控制器，其输出为三部分之和。作用：①比例部分按偏差的大小成比例输出，能迅速纠正偏差、加快系统响应，但存在稳态误差，比例系数过大易引起振荡；②积分部分对偏差随时间累积，只要存在偏差就持续输出，可消除稳态误差（静差），但会使响应变慢、超调增大；③微分部分按偏差的变化率输出，具有超前调节作用，可减小超调、抑制振荡、提高系统稳定性，但对干扰敏感。三者合理整定才能兼顾快速性、准确性和稳定性。何谓概念设计？简述概念设计的设计过程。答：概念设计是在明确设计任务后，通过抽象化确定系统的总功能，经功能分解和原理求解，形成并评价多种原理方案，最终确定最优方案、形成概念产品的设计阶段。它决定性地影响后续详细设计、生产开发和市场效果。设计过程：①抽象化，用黑箱法确定总功能；②总功能分解，划分功能模块直至功能元，形成功能树并确定逻辑关系；③分析各功能模块的输入/输出关系，确定技术参数、控制策略、外观造型与总体结构；④寻求功能元的解并组合成多种原理解方案；⑤以技术文件形式交付设计组讨论、审定；⑥对方案进行整体评价，选出综合指标最优者，形成概念产品。简述数控设备中计算机数控装置的组成和功能。答：组成：由专用计算机（或通用计算机）、输入/输出接口、机床控制器（PLC）、伺服驱动接口、检测接口、显示与通信接口及相应软件构成。功能：①输入与译码，接收加工程序并进行代码识别和数据处理；②刀具补偿与坐标变换；③插补运算，按给定进给速度和轨迹生成各轴运动指令；④位置控制与速度控制，输出指令驱动伺服系统；⑤开关量I/O控制，通过PLC完成主轴启停、换刀、冷却等辅助动作及联锁；⑥显示、通信与自诊断，实现人机交互、联网通信和故障报警。它是数控设备的核心部分。二、综合题（第11—12题）已知一个绳位移控制系统的两种驱动方案分别如图（a）减速器滚筒驱动和