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机电一体化概论复习
一、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．开环步进电动机控制系统，主要由环形分配器、功率驱动器、步进电机等组成。
7．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。
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．功率驱动接口的作用是将控制信号转变为一定幅值的电压驱动电动机运转。
10．滚珠丝杠副的轴向间隙直接影响其传动刚度和传动精度。
11．控制与信息处理单元一般由计算机、可编程控制器、数控装置以及逻辑电路等组成。
12．接口的基本功能主要有三个：数据格式转换、放大和传递。
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．同步带传动综合了带传动及链传动的特点，属于啮合传动方式。
15．机电一体化系统中主要采用工业控制机包括可编程序控制器（PLC）、单片微控制器、总线式工业控制机等。
16．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。
17．滚珠丝杆中滚珠的循环方式有内循环、外循环。
18．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 PLC 。
19．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位置和速度，使它们同步协调到达目标点。
20．某4极交流感应电机，电源频率为50Hz，转速为1470r/min，则转差率为 0.02 。
21．实现步进电动机通电，环形分配的三种常用方法是：计算机软件分配、硬件分配、专用环形分配器。
22．机电一体化系统常用的能源有电力源、液压源和气压源。
23. 隔离放大器中采用的耦合方式主要有变压器隔离和光电隔离两种。
24. 干扰传播途径有二种方式，其中传导耦合方式：干扰信号能量以电压或电流的形式，通过金属导体传递。
25. 常见的伺服驱动系统主要有液压和电气伺服系统。
26. 与一般机械系统比较，机电一体化机械系统的要求定位精度要高、响应速度要快、稳定性高。
27．通常采用负载角加速度最大原则选择总传动比，以提高伺服系统的响应速度。
28．抑制电磁干扰的常用方法有屏蔽、隔离、滤波、接地合理布局和软件抗干扰技术。
29．回转运动支承主要指滚动轴承、动压和静压轴承、磁轴承等各种轴承。
30．控制系统的设计就是要解决选用微机、设计接口、选用控制形式和动作控制方式等问题。
31．在SPWM变频调速系统中，通常载波是等腰三角波， 而调制波是正弦波。
32．机电一体化控制系统对应用软件的要求：实时性、针对性、灵活性和通用性。
33．直流电动机(包括直流伺服电动机)的控制方式有电枢控制和磁场控制两种。

三、判断题
1．在计算机接口技术中I/O通道就是I/O接口。　（ × ）
2．滚珠丝杆不能自锁。（√）
3．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。（　×　）
4．伺服控制系统的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。（√）
5．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 × ）
6．无条件I/O方式常用于中断控制中。（×）
7．对直流伺服电动机来说，其机械特性越硬越好。（ √ ）
8．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。（ × ）
9．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。（ √ ）
10．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。（ √ ）
11．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。（ √ ）
12．FMC控制系统一般分二级，分别是单元控制级和设备控制级。（ √ ）
13．传感检测装置是机电一体化系统的感觉器官，它是实现自动控制、自动调节的关键环节，其功能越强，系统的自动化程度就越高。（ √ ）
14．静摩擦力尽可能小，动摩擦力应是尽可能大的正利率，否则易产生爬行。（ × ）
15．滚珠导轨的承载能力小，刚度低，适用于运动部件重量不大、切削力和颠覆力矩都很小的机床。（ √ ）
16．塑料导轨软带中最成功、性能最好的一种是聚四氟乙烯导轨软带。（ √ ）
17．机电一体化的显著特征之一是用尽可能小的动力输入获得尽可能大的功能输出。（ √ ）
18．机电一体化技术一方面要求驱动单元具有高频率和快速响应等特性，同时又要求其对水、油、温度、尘埃等外部环境具有适应性和可靠性。（ √ ）
19．齿轮传动的总等效惯量随传动级数的增加而增加。（ × ）
20．摩擦对机电一体化伺服系统的主要影响是：降低系统的响应速度；引起系统的动态滞后和产生系统误差；在接近非线性区，即低速时产生爬行。在使用中应尽可能减小静摩擦力与动摩擦力的差值，并使动摩擦力尽可能小且为正斜率较小的变化 。（ √ ）
21．齿轮副的啮合间隙会造成不明显的传动死区。在闭环系统中，传动死区能使系统以1~5倍的间隙角产生低频振荡，为此要调小齿侧间隙或采用消隙装置。（ √ ）
22．滚珠丝杠副能够实现两种传动方式——将旋转运动转化为直线运动或将直线运动转化为旋转运动并传递动力（ √ ）
23．前向通道是输出通道，后向通道是输入通道，前向通道一般需要进行数模转换，即D/A转换。（ × ）

四、名词解释
1．机电一体化：机电一体化是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引用微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。
2．接口：是将机电一体化系统各要素或子系统连接成为一个有机整体，使各个功能环节有目的地协调一致运动，从而形成机电一体化的系统工程的连接部件就称为接口。
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。
5．三相六拍通电方式：如果步进电动机通电循环的各拍中交替出现单、双相通电状态，这种通电方式称为单双相轮流通电方式。如A→ AB→ B→ BC→C → CA→…
6．单片机：在一块集成电路芯片(LSl)上装有CPU、ROM、RAM以及输入／输出端口电路，该芯片就被称为单片微型计算机。
7．伺服驱动技术：就是在控制指令的指挥下，控制驱动元件，使机械的运动部件按照指令的要求进行运动，并具有良好的动态性能。
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．工业控制计算机：是指那些能够提供各种数据采集和控制功能，能够和工业对象的传感器、执行机构直接接口，能够在苛刻的工业环境下可靠运行的计算机系统。
10．导轨： 支承和限制运动部件按给定的运动要求和规定的运动方向运动的部件称为导轨副，简称导轨。
11．A/D转换器：在微机接口中完成外设信号到微机所需数字信号转换的，即模拟量转换成相应的数字量的模拟∕数字转换器。
12．步距角：步进电机每接受一个脉冲，转子所转过的角度，称为步距角。它是决定开环伺 服系统脉冲当量的重要参数。

五、简答题
1. 机电一体化系统的基本构成要素有哪些？为什么采用机电一体化技术可以提高系统的精度?
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。
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。
2. 机电一体化相关技术有哪些? 试述机电一体化技术的发展前景。
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，自动控制技术，传感器测试技术和伺服驱动技术。
发展前景：
①在性能上向高精度、高效率、高性能和智能化方向发展；
②在功能上向小型化、轻型化多功能化方向发展；
③在层次上向系统化、复合集成化方向发展。
3. 什么叫传感器？它是由哪几部分组成的？试述测试传感部分的作用。
答：传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的，便于应用的某种物理量的测量装置。
由敏感元件、转换元件、基本电路组成。
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。
4. 机电一体化系统中的计算机接口电路通常使用光电耦合器，光电耦合器的作用有哪些？
（1）能保护系统元件不受高共模电压的损害，防止高压对低压信号系统的损坏。
（2）泄漏电流低，对于测量放大器的输入端无须提供偏流返回通路。
（3）共模抑制比高，能对直流和低频信号(电压或电流)进行准确、安全的测量。
5．机电一体化机械系统三大机构的作用分别是什么？对各机构的要求有哪些？
答：（1）传动机构
传动机构的主要功能是传递转矩和转速，实际上它是一种转矩、转速变换器。
要求：主要完成转速、转矩的匹配，并且要求有良好的伺服性能。
（2）导向机构
导向机构的作用是支承和限制运动部件按给定的运动要求和规定的运动方向运动。为机械装置中各运动部件安全、准确地完成特定运动作保障。
要求：该机构应能保证安全，准确。
（3）执行机构
执行机构根据操作指令的要求在动力源的带动下完成预定的操作任务。
要求：完成具体的动作，要求有高的灵敏度、精确度和良好的重复性、可靠性。
6．试述机电一体化机械系统的传动机构特点和发展方向。
答：机电一体化机械系统的传动机构具有传动精度高、工作稳定性好、响应快等特点。随着科技的进步，机电一体化产品得到了飞速发展，要求其传动机构也能不断适应新的技术要求。目前的传动机构已呈现出一些新的特点，并朝着高精度化、高速度化、小型化、轻量化方向发展。
7．试述齿轮副级数的确定和多级传动比的分配原则。
答：齿轮副级数的确定按以下三种不同原则进行：
（1）最小等效转动惯量原则；
（2）质量最小原则；
（3）输出轴的转角误差最小原则。
多级传动比的分配按最小等效转动惯量原则，各级转动比的分配按“前小后大”次序。
小功率传动按“质量最小”原则来确定传动比时，各级齿轮传动比是相同的；大功率传动各级传动比是逐渐递减的，即满足“前大后小”原则。
按输出轴转角误差最小原则，各级传动比满足“前小后大”原则。
8. 什么是PWM（Pulse Width Modulation）脉宽调速？试述PWM变频器基本原理。
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。交流电动机变频调速，就是通过改变电源的频率f来达到改变交流电动机转速的目的。
PWM变频器的基本原理是：先将原来的交流电源（例如电网电源）整流为直流，然后利用具有自关断能力的功率开关元件（例如IGBT），在控制电路的控制下高频率依次导通或关断，从而输出一组脉宽不同的脉冲波。通过改变脉冲的占空比，可以改变输出电压；改变脉冲序列则可改变频率。最后通过一些惯性环节和修正电路，即可把这种脉冲波转换为正弦波输出。
9．试述滚珠丝杠的特点。
答：（1）优点：
传动效率高；定位精度高；
传动可逆性使用寿命长；同步性能好。
（2）缺点：
不能自锁（有负载时），尤其是垂直丝杠（重力）需制动装置；
制造工艺复杂，成本高。
10．对导轨的性能有何要求？
答：对导轨的要求：(1)导向精度高。 (2)精度的保持性好。(3)刚度好。(4)低速运动平稳性好。低速运动时，作为运动部件的动导轨易产生爬行现象。(5)结构工艺好。导轨要做到结构简单，工艺性和经济性好，制造、调整和维修方便。
11．试述塑料软带导轨的特点。
答：①摩擦系数低而稳定。比铸铁导轨副低一个数量级。
②动、静摩擦系数相近。运动平稳性和爬行性能较铸铁导轨副好。
③吸收振动。具有良好阻尼性。优于接触刚度较低的滚动导轨和易漂浮的静压导轨。
④耐磨性好。有自身润滑作用，无润滑油也能工作。灰尘磨粒的嵌入性好。
⑤化学稳定性好。耐磨、耐低温、耐强酸、强碱、强氧化剂及各种有机溶剂。
⑥维护修理方便。软带耐磨，损坏后更换容易。
⑦经济性好。结构简单，成本低。约为滚珠导轨成本的1／20，为三层复合材料DU导轨成本的1／4。
12．步进电动机驱动电路由哪几部分组成？其中功率放大电路有哪几种类型?
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。
功率放大电路有单电压、双电压、斩波恒流、恒流源功率放大电路。

二、选择题
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．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
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(   B   )
A、1450［r/min］                     B、1470［r/min］
C、735［r/min］                      D、2940［r/min］
4．计算步进电动机转速的公式为(   C  )
A、         B、 cos      C、       D、 180°-
5．在自动控制系统中，伺服电机通常用于控制系统的（ B ）
A、开环控制 B、C和D C、全闭环控制 D、半闭环控制
6．步进电动机，又称电脉冲马达，是通过（ B ） 决定转角位移的一种伺服电动机。
A、 脉冲的宽度 B、脉冲的数量
C、 脉冲的相位 D、脉冲的占空比
7. 对于交流感应电动机，其转差率s的范围为（B）。
A、15倍 B、2倍 C、0.25倍 D、不变
10. 感应同步器可用于检测（ D ）
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（ C ）
A．Machine B．Electronics C．Mechatronics D．A和B
12. 机电一体化产品的动力与驱动部分的主要功能是（ D ）
A．提供动力 B．传递运动 C．传递动力 D．A、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（ D ）
A、60° B、45° C、0° D、90°
14. PWM指的是（C）。
A、机器人      B、计算机集成系统 C、脉宽调制      D、可编程控制器
15. 在数控系统中，复杂连续轨迹通常采用（A）方法实现。
A、插补      B、切割 C、画线      D、自动
16. 加速度传感器的基本力学模型是 ( A )。
A、 阻尼—质量系统 B、 弹簧—质量系统 C、 弹簧—阻尼系统 D、 弹簧系统
17．齿轮传动的总等效惯量与传动级数 ( C )
A、有关 B、无关 C、在一定级数内有关 D、在一定级数内无关
18．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、2051 C、PLC D、DSP
19．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
20．（ A ）已成为机电一体化技术发展和变革的最重要因素。
A、计算机应用及信息处理技术 B、伺服驱动技术 C、接口技术 D、检测技术
21．伺服驱动技术包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置，这部分的功能相当于人的（ B ）的功能。
A大脑 B、手足 C、四肢 D、关节
22．传动机构小的转动惯量会带来（ D ）：
A、机械负载增大 B、响应速度慢 C、灵敏度下降 D、灵敏度上升
23．随着运动速度的增加，摩擦力成线性的增加，此时的摩擦力为（ A ）。
A、静摩擦力 B、库仑摩擦力 C、粘性摩擦力
24．根据经验，克服摩擦力所需的电机转矩Tf与电动机额定转矩TK的关系为（B）
A、0.1TK＜Tf＜0.2 TK B、0.2TK＜Tf＜0.3 TK C、0.3TK＜Tf＜0.4 TK
25．对齿轮传动装置的设计，应根据具体的工作条件综合考虑，传动精度要求较高时采用（C）设计。
A、最小等效转动惯量原则 B、重量最轻原则 C、输出轴转角误差最小原则
26．对于有质量要求的其它传动装置常用（ B ）设计。
A、最小等效转动惯量原则 B、重量最轻原则 C、输出轴转角误差最小原则
27．（ A ）是一种非接触轴承，有摩擦，没有磨损，有更高的稳定性，并且可以获得更高的速度。
A、磁力轴承 B、滚针轴承 C、球轴承 D、滚子轴承
28．一般要求机械传动系统最低固有频率ωmin≥（ C ）rad／s。
A、100 B、200 C、300 D、400

六、计算题
1．三相变磁阻式步进电动机，转子齿数Z=100,双拍制通电，要求电动机转速为120r/min，输入脉冲频率为多少?步距角为多少?
解：K=2； M=3； Z=100；
α=360/2*3*100=0.6º ；
n=120r/min；
f=KMZn/60=1200Hz。
2. 某进给系统如下图所示，已知Z1=25，Z2=40，Z3=25，Z4=50，J1=4.78×10-5 ，J2=，

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