机电一体化产品设计作业1OK

机电一体化产品设计作业1OK（通用8篇）

篇1：机电一体化产品设计作业1OK

仅供参考：

1.D, 2.C, 3.B, 4.C, 5.B, 6.D, 7.D, 8.A, 9.C, 10.A, 11.C, 12.B, 13.C, 14.A, 15.C, 16.A, 17.A, 18.D, 19.C, 20.B, 21.B, 22.A, 23.B, 24.D, 25.B, 26.C, 27.B, 28.D, 29.A, 30.D, 31.A, 32.A, 33.A, 34.B, 35.A, 36.B, 37.B, 38.B, 39.B, 40.A

一、选择题

1.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.空调

D.电子计算机

2.RS232C属于什么接口类型？（）

A.机械接口

B.物理接口

C.信息接口

D.环境接口

3.以下哪项不属于机电一体化的发展方向。（）

A.高精度

B.机械化

C.模块化

D.网络化

4.以下属于机电一体化产品的是（）。

A.手机

B.电磁炉

C.高级轿车

D.投影仪 5.机电一体化系统有时采用半闭环控制，可能原因是（）。

A.提高控制精度

B.检测末端行为的传感器不成熟 C.节省能源

D.减轻重量 6.能够使工业机器人传动链短的主要原因是（）。

A.工业机器人体积小，不需长传动链 B.运行速度慢，减速比小

C.各自由度协调运动靠机械传动实现

D.伺服驱动变速、每个自由度单独驱动与多自由度软件控制协调 7.关于机电一体化说法不确切的表达是（）。

A.机电一体化方法

B.机电一体化工程 C.微机电一体化

D.机械电气化 8.关于机电一体化说法不确切的表达是（）。

A.检测控制一体化

B.机电液一体化 C.机电仪一体化

D.光机电一体化

9.机电一体化技术是以（）部分为主体，强调各种技术的协同和集成的综合性技术

A.自动化

B.微电子 C.机械

D.软件 10.以下哪项不属于概念设计的特征。（）

A.可靠性

B.创新性 C.多解性

D.约束性

11.在机电一体化概念设计过程中，形态学矩阵的作用是（）。

A.最优方案确定

B.方案评价 C.方案综合D.任务创新

12.在机电一体化概念设计过程中，黑箱分析方法的作用是（）。

A.方案求解简单

B.利于方案创新 C.方案具体化

D.方案形象化

13.关于机电一体化系统可靠性，以下论述错误的是（）。

A.软件能够提高系统可靠性

B.传动链越短可靠性越高 C.对功率接口采用增额设计提高可靠性

D.采用并联元件系统提高可靠性

14.机电一体化现代设计方法不包括（）。

A.串行设计

B.快速响应设计 C.绿色设计

D.优化设计

15.谐波齿轮具有速比大、传动精度和效率高等优点，它是由以下哪种传动演变而来的。（）

A．直齿锥齿轮传动

B．齿轮齿条传动

C．行星齿轮传动

D．蜗轮蜗杆传动 16.使滚珠丝杠具有最大刚度的支承方式是（）

A．双推－双推

B．双推－简支 C．单推－单推

D．双推－自由

17.在机电一体化系统设计中，齿轮系常用于伺服系统传动机构中，作用是（）A．减速，增矩

B．增速，增矩 C．增速，减矩

D．减速，减矩

18.多级齿轮传动中，各级传动比“前大后小”的分配原则适用于按（）设计的传动链。

A.最小等效转动惯量原则

B．输出轴的转角误差最小原则

C.重量最轻原则(小功率装置)

D．重量虽轻原则(大功率装置)19.下列哪种传动机构具有自锁功能

（）

A.齿轮传动

B.同步带传动

C.蜗轮蜗杆传动

D.丝杠传动 20.滚珠丝杠传动轴向间隙的调整，下列哪一种方法精度高，结构复杂。（）

A.变位螺距调整式

B.齿差调隙式

C.螺纹调隙式

D.垫片调隙式

21.为了提高滚珠丝杠副的旋转精度，滚珠丝杠副在使用之前应该进行（）

A．调整径向间隙 Ｂ．预紧

Ｃ．预加载荷 Ｄ．表面清洗

22.在同步齿型带传动中，节线的长度在工作过程中（）

A．不变 Ｂ．变长

Ｃ．变短

Ｄ．几乎不变

23.滚珠丝杠副基本导程指丝杠相对于螺母旋转2π弧度时，螺母上基准点的（）

A．径向位移 Ｂ．轴向位移 Ｃ．螺旋线长度

Ｄ．坐标值

24.在两级齿轮传动中，若传动比的分配方案是i1i2，则其遵循的原则是（）

A.加速度响应最快

Ｂ．等效转动惯量最小 C.输出轴转角误差最小

Ｄ．重量最轻

25.当刚轮固定，柔轮输出，波形发生器输入时，谐波齿轮可实现（）传动。

A．减速异向

B．增速异向 C．减速同向

D．增速同向 26.圆柱齿轮传动中常用的调整齿侧间隙的方法不包括（）

A.偏心套（轴）调整法

B.轴向垫片调整法 C.轴向压簧错齿调整

D.双片薄齿轮错齿调整法

27.导轨副用于引导运动部件按给定的方向运动。若导轨副机构简单、阻尼系数大、刚度大，但易产生低速爬引现象，则导轨副是（）

A．滚动导轨副

B．滑动导轨副

C．液体静压导轨副

D．气浮导轨副 28.滚珠丝杠副按螺纹滚道截面形状分类，不包括（）

A.单圆弧

B.双圆弧

C.矩形

D.梯形 29.下列传感器类型属于能量转换型的为（）。

A.压电式加速度传感器

B.霍尔式传感器

C.电阻式传感器

D.热敏电阻 30.下列传感器类型属于物性型传感器的为（）。

A.电感式传感器

B.电容式传感器

C.光栅式位移传感器

D.半导体传感器

二、判断题(正确选A 错误选B)31.机电一体化系统的主功能是实现系统“目的功能”直接必需的功能，主要是对物质、能量、信息及其相互结合进行变换、传递和存储。...................（）32.机电一体化系统的动力功能是向系统提供动力、让系统得以运转的功能。.......................................................................................................................（）33.机电一体化系统的构造功能是使构成系统的子系统及元、部件维持所定的时间和空间上的相互关系所必需的功能。...................................................（）34.机电一体化系统构成要素不能与人体构成要素进行类比。...................（）35.机电一体化的三大效果是指省能、省资源及智能化。...........................（）36.绿色化不属于机电一体化的发展方向之一。...........................................（）37.交流电动机是典型的机电一体化产品。...................................................（）38.概念设计的四视图包括主视图、左视图、俯视图及局部视图。...........（）39.计算机辅助设计（CAD）不能用于机电一体化设计。..........................（）40.在双圆弧型螺纹滚道的滚珠丝杠副中，其接触角随轴向载荷大小的变化而基本保持不变。...........................................................................................（）

篇2：机电一体化产品设计作业1OK

1.B, 2.B, 3.D, 4.D, 5.B, 6.C, 7.C, 8.B, 9.B, 10.C, 11.B, 12.D, 13.C, 14.D, 15.D, 16.B, 17.D, 18.C, 19.C, 20.B, 21.A, 22.B, 23.C, 24.C, 25.A, 26.C, 27.D, 28.D, 29.A, 30.D, 31.B, 32.B, 33.B, 34.B, 35.A, 36.B, 37.A,B, 38.A, 39.A, 40.B

一、选择题

1.线性度是表示实际特性曲线（）的程度。

A.接近真值

B.偏离理想特性曲线 D.测量值离散 C.正反行程不重合

2.下列哪项指标反映了传感器的动态特性（）。

A.漂移

B.相频特性

C.分辨率

D.重复性

3.传感器的分辨率越高，表示传感器（）。

A.迟滞越小

B.重复性越小

C.线性度越好

D.能感知的输入变化量越小 4.一阶系统的动态表征参数是（）。

A.线性度

B.稳定时间

C.阻尼比 5.一阶传感器系统的时间常数τ越小，（）。

A.频率响应特性越差

B.频率响应特性越好

C.灵敏度越大

D.灵敏度越小

6.二阶传感器系统的输入为一正弦信号时，其输出信号的（）。

A.频率变化，幅值和相位不变化

B.频率不变化，幅值和相位不变化 C.频率不变化 , 幅值和相位变化

D.频率相位不变化，幅值变化 7.二阶传感器系统的时域动态性能指标中，当传感器输出y(t)达到稳态值的50%时所需的时间为（）。

A.上升时间

B.稳定时间

C.延迟时间

D.峰值时间 8.下面所列传感器中，（）与其它三种传感器的工作原理不同。

A.旋转变压器

B.光栅式传感器 C.磁栅式位移传感器

D.感应同步器

D.时间常数 9.天然石英作为敏感元件常应用于（）。

A.霍尔传感器

B.压电传感器

C.热电偶传感器

D.电涡流式传感器 10.下述关于霍尔传感器不正确的是（）。

A.霍尔传感器是物性型传感器 B.霍尔传感器为能量控制型传感器

C.受其工作原理的影响其结构上不易微型化和集成电路化 D.把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量

11.直线感应同步器分为以下几种类型，其中（）为绝对式，对位置具有记忆功能。

A.标准型

B.三重型

C.窄型

D.带型 12.下列关于光栅传感器叙述错误的是（）。

A.具有较高的测量精度

B.可进行无接触测量

C.为数学式传感器

D.能适应油污、灰尘等恶劣环境 13.实际使用中，选择传感器时应考虑其具体性能指标，其中对灵敏度的选择不正确的论述为（）。

A.灵敏度反映了传感器在静态标准条件下，传感器被测量的单位变化引起的输出变化量。

B.传感器的量程范围与灵敏度密切相关。

C.对于多维矢量的测量，传感器的交叉灵敏度愈大愈好。

D.在传感器的线性范围内，传感器的灵敏度越高可以感知的变化量就越小，但与被测量无关的外界噪声也容易混入被系统放大。

14.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 15.三相永磁同步交流伺服电机中，当定子三相绕组中接入三相对称交流电源后，三相绕组中的电流在定子与转子之间的气隙中产生的磁场是：（）A．脉动磁场；B.静止磁场；C.圆形旋转磁场；D.无磁场 16.与直流伺服电机的机械特性“软、硬”无关的参数是：（）

A.电枢电阻；B.电枢电压；C.反电动势系数；D.转矩系数

17.当直流伺服电机电磁转矩恒定时，电机转速随控制电压变化的关系曲线：（）A.直流伺服电机的机械特性；

B.动态特性；

C.失灵区；

D.直流伺服电机的调节特性 18.下列操作中，可以使直流伺服电机的理想空载转速升高的是：（）

A.增大电枢电阻；B.减小电枢电压；C.增大电枢电压；D.减小电枢电阻 19.步进电机的输出转角与下列哪项有关：（）

A.步距角；B.脉冲频率；C.脉冲数量；D.通电顺序 20.步进电机的输出转矩随着工作频率增高而：（）

A.上升；B.下降；C.不变；D.前三种情况皆有可能

21.采用PWM进行直流伺服电机调速时，通过改变下列哪一项内容来改变电枢回路的平均电压：（）

A.脉冲的宽度；B.脉冲的频率；C.脉冲的电压；D.脉冲的正负 22.在开环控制系统中，常用选择下列哪一项作为驱动元件：（）

A.直流伺服电机；

B.步进电机； C.同步交流伺服电机；

D.异步交流伺服电机 23.步进电机通过控制下列哪一项来改变转子的转向：（）

A.脉冲的数量；

B.脉冲的频率； C.定子绕组的通电顺序；

D.电机的极对数 24.下列哪项不是可逆PWM变换器的优点：()A.电流一定连续； B.电机停止时有微振电流

C.在工作过程中，4个大功率晶体管可能都处于开关状态 D.低速平稳性好，系统的调速范围宽 25.下列执行元件中，比功率最低的是：（）A.步进电机；B.直流伺服电机；C.交流伺服电机；D.交流变频电机 26.关于开环控制、半闭环控制以及全闭环控制，下列哪个描述正确：()A.开环控制的精度优于半闭环控制，但是低于全闭环控制精度； B.半闭环控制的精度和稳定性都比全闭环方式差； C.开环控制所需的成本低于半闭环控制以及全闭环控制； D.半闭环控制必须闭环在执行元件的末端 27.永磁同步交流电机的基本组成部分不包含：（）

A.定子和永磁转子；B.位置传感器；C.电子换向开关；D.电刷 28.下列哪一项不属于力反馈两级电液伺服阀的组成部分：（）

A.力矩马达；B.液压控制阀；C.反馈机构；D.传感检测机构 29.步进电机的失调角在哪个区域称为静态稳定区：（）

A.(-，+)；B.(-1/2，+1/2)；C.(-1/4，+1/4)；D.(-2，+2)； 30.下列可能的直流伺服电机的调速方案中，不包括哪一项：（）

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

二、判断题(正确选A 错误选B)31.滑动导轨副产生低速爬行的主要原因是摩擦系数随运动速度的变化和传动系统刚度过大。...........................................................................................（）32.轴系组件的强迫振动是由于传动系统本身的失稳引起的。...................（）33.要使齿轮传动装置的重量最轻，各级传动比应以“先大后小”的原则处理。.......................................................................................................................（）34.旋转支承的置中精度是指运动件转动时，其轴线与承导件的轴线产生倾斜的程度。...........................................................................................................（）35.直线运动导轨是用来支承和限制运动部件按给定的方向作直线运动。()36.在谐波齿轮传动中，若柔轮固定、则谐波发生器与刚轮转向相反。（）

篇3：机电一体化系统设计

关键词：机电一体化,传感器,发展趋势

0 引言

现代科学技术的不断发展,极大地推动了不同学科的交叉与渗透,导致了工程领域的技术革命与改造。在机械工程领域,由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化,使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化,使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。

1 机电一体化认识

日本在1971年提出一个新的英文集成名词“Mechatronics”词首Mecha取自Mechanics(机械学),词尾tronics取自Electronics(电子学)。我国经常译为机电一体化或机械电子学。在1981年德国工程师协会,德国电气工程技术人员协会共同组成的精密工程技术专家组提出的“关于大学精密工程技术专业的建议书”中,把精密工程技术定义为光-机-电一体化的综合技术。它包括机械(含液压,气动及微机械),电工与电子,光学等技术及其组合,其核心为精密工程技术。在当前“信息爆炸”的形式下,相对于专门型人才来说,市场对复合型人才的需求更加迫切。在中国,我们认为机械发展新阶段是机电一体化阶段。机电一体化是指在机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术,将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称。机电一体化发展至今也已成为一门有着自身体系的新型学科,随着科学技术的不但发展,还将被赋予新的内容,基本特征可概括为:机电一体化是从系统的观点出发,综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术,根据系统功能目标和优化组织目标,合理配置与布局各功能单元,在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值,并使整个系统最优化的系统工程技术。因此,“机电一体化”涵盖“技术”和“产品”两个方面。只是,机电一体化技术是基于上述群体技术有机融合的一种综合技术,而不是机械技术、微电子技术以及其它新技术的简单组合、拼凑。这是机电一体化与机械加电气所形成的机械电气化在概念上的根本区别。机械工程技术有纯技术发展到机械电气化,仍属传统机械,其主要功能依然是代替和放大的体力。但是发展到机电一体化后,其中的微电子装置除可取代某些机械部件的原有功能外,还能赋予许多新的功能,如自动检测、自动处理信息、自动显示记录、自动调节与控制自动诊断与保护等。即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眼神,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区别。

2 机电一体化的设计过程

机电一体化的机械动力部分由一般电动机演变为控制电动机,里程碑式地引入了电子和计算机等先进技术,代替人完成机器的检测与控制等工作。在知识经济中体现了制造业高科技化,促进了高科技产业和知识经济的发展。它是一种用于机电产品最优设计的方法学。它包括4个基本学科:电气、机械、计算机科学和信息技术。如图1所示。

机电一体化系统和多学科系统之间的区别不在于它们的组成要素,而在于这些组成要素设计的次序。一直以来,多学科系统设计使用一种按学科顺序设计的方法。比如,机电系统的设计一般通过以机械设计开始的三个步骤完成。当机械设计完成后,设计电源和微电子系统,接着是控制算法的设计及其实施。按学科顺序设计的方法的最大缺点是对整个过程中各个点的固定设计导致新的限制,这种限制源于对这些点的设计,而且会传递到下一个学科点的设计。使用并行方法进行预先设计可以使产品更具协同性。它补充了信息系统以指导设计,这种指导贯穿于设计的各个阶段,而不只是预先设计阶段,从而使之更加综合。在将机械,电气及计算机系统和信息系统进行集成以设计制造产品和过程时,需要进行协同。最终产品的功能应大于其各部分功能之和。如果没有协同组合的话,机电一体化产品具有的性能特征是很难实现的,机电一体化的关键要素如图2。

机电一体化系统是在物理系统中使用信息系统的结果。物理系统包括机械系统,计算机系统,执行器,传感器和实时接口。机电一体化系统不只是机电系统,而且还是一个控制系统。传感器和执行器用来把能量从动力大的一边(通常是机械的一边),转换到动力小的一边(通常是电气和计算机的一边)。上图中的机械系统不仅包括机械零部件,还可能包括流体,气动,热,声,化学及其它学科。传感技术已经出现了新的发展以适应对特殊监测应用解决方案不断增长的需要。

2.1 机电一体化中的集成设计问题

由于机电一体化方法内在的并行性,或同时性工程,所以样机试制阶段的建模与仿真很重要。因为模型来自于各学科的综合应用。所以应用一种可视化的编程软件是很重要的。这样就涉及到了框图,流程图,状态转换图和波特图。机电一体化是一种设计哲学,其产品或设备有一个重要的特点就是它们内部的智能,这是将执行器,传感器,控制系统和计算机组合设计实现的。系统的集成是通过硬件(部件)和软件(信息处理)的联合实现的。硬件集成是将机电一体化系统看成一个整体系统来设计的,将传感器,执行器和微处理器融入到机械系统中,软件集成主要基于高级控制功能在设计时应首先分析客户要求以及系统集成的技术环境。在制作时应考虑了解客户,市场分析,优化性能,生命周期性能,质量,可靠性和销售。

2.2 机电一体化关键要素

(1)信息系统:信息系统包括信息传输的所有方面,从信号处理到控制系统到分析技术。信息系统结合了以下四种学科:通讯系统,信号处理,控制系统和数值计算方法。在机电一体化应用中,我们最关心的是建模,仿真,自动控制和用于优化的数字方法。(2)自动控制:控制系统工程学是在19世纪晚期产生的学科,认为在低阶系统(三阶或三阶以下)系统的稳定性依赖于特征方程的根和劳思(Routh)判据,这是一个很好的判断系统稳定性的分析工具。(3)最优化:就是先确认最优轨迹,最优轨迹是根据系统的要求即约束条件确定的,然后设计控制系统,在设计控制系统的时候应使系统的各参数最终满足控制要求,使误差最小化,或者说使目标函数的扰动最小化,可用最优化过程反复迭代公式(Pk+1=Pk+τ·S k)这里k是迭代次数,S k是P空间内的探索方向,τ是该方向上的探索步长空间内的探索步长,当P值不能再改进时这个过程结束,此时为最优化。(4)机械系统:机械系统考虑力作用下物体的特性。这样的系统按其性质可分为刚性的,可变形的和可流动的。大多数机电一体化系统应用的刚体系统,都依赖于物理学中的基本定律。(5)电气系统:电气系统由两个分支组成:电源系统和通讯系统。通讯系统以低能量的电信号形式在各点之间传输信息。诸如信息存储,处理和交换是通信系统的常见组成部分。电气工程的这个领域也称电子学。另一方面,电源系统用来在各点之间有效的传递大量的电能,而不是信息,例如:发电机是把机械能转化为电能,而电动机是把电能转化为机械能。

3 传感器和变换器

仪器仪表在现代科技领域中起着关键的作用。传感器是与仪器仪表紧密相关的机电一体化系统中一个非常重要的组件,其作用是为特定工业过程提供收集不同信息的机制。传感器广泛应用于过程检测以及工况评价方面,为用计算机系统对制造作业作较高级的监控提供便利,可应用于过程前,过程中及过程后。有时,传感器可以将一种物理现象转化为决策分析的可用信号。智能系统用传感器来监测由环境变化影响的特定场合,然后通过校正动作对其控制。

实际上在所有的应用中,传感器是将各种现实世界的数据转化为电信号,因此可定义为:传感器是一种把被测物理量转换成输出信号的装置。因此传感器也可以称为变换器,应用范围广泛,甚至可以用于分辨那些人类感官无法觉察到的环境变化。它们作为一次元件,连续的将变化着的信息转变成另一种形式,也就是说,传感装置检测被测量,并将其转换成系统可接受形式的信号,通常为电信号。整个系统的最大准确度由传感器的灵敏度和其内部噪声干扰所决定。在测控系统中,任何参数的变化,不论是在被测量中还是在信号修整中,都会直接影响系统的准确度。传感器和变换器是现代控制系统(电,光,机械或流体系统)的两个重要组成部分,传感器和变换器选用的程度取决于控制系统的自动化水平和复杂程度。要构成一个复杂控制系统,测量装置必须能够满足快速,灵敏和精确的要求。随着使用要求的不断提高,传感器的体积也不断的小型化,并通常将多个传感器和数据处理系统组合固定在一起。传感器的分类:根据传感器的输出信号形式,电源,工作模式以及被测变量可将传感器分为以下两大类。模拟传感器:模拟是指连续的,不中断的一系列事件。典型的模拟传感器的输出与被测变量是成正比例的,输出信号以连续方式变化,根据其幅值取得信息,通常其输出要经过A/D转换后输到计算机。数字传感器:数字是指一系列离散的事件,各个事件前后分开,如果传感器的逻辑电平输出是数字的,则称其为数字传感器。数字传感器有着准确度和精密度高的特点,与计算机监控系统相连时不需要任何转换器。

4 A/D,D/A转换

在计算机控制系统中,主机输入数据或向外部发布命令,都是通过接口及输入输出通道进行的,完成信息传递和交换的装置称为过程输入输出通道。这些通道是联系主机与被控对象的纽带和桥梁。生产对象的各种模拟信号,不能直接输入计算机,而要经过模/数转换,转换成数字信号,才能输入计算机进行加工处理。同样,经过计算机加工处理得到的数字信号,也不可能直接作用与被控对象。而要经过数/模转变成模拟信号,才能输出到被控对象。

数据采集系统的基本任务是将模拟量即连续量转换为数字量以便于计算机进行存储,计算和处理。由于绝大多数物理量都是模拟量。因而数据采集系统不但本身就是一种独立系统,而且是计算机控制系统的极重要的组成部分。

一个典型的计算机控制系统如图3所示。其工作原理是作为系统输入的物理量(压力,温度,湿度,位置等),首先由传感器变成点信号,然后送到放大器和滤波器。传感器的输出信号一般比较微弱,放大器的作用是将传感器输出的电信号放大到适当的大小。以利于进一步处理。滤波器的作用是消除干扰信号。然后,信号送到模拟多路开关,它在计算机的控制作用下对各个模拟通道进行分时处理,将各通道信号接到后面的采样保持电路和A/D转换器。采样保持电路在规定的时刻对送来的模拟信号进行采样并在A/D转换期间保持被采样的电压不发生变化。A/D转换器在保持时间内完成模/数转换后将数字量送到计算机。采样保持电路及A/D转换的定时和控制信号均由计算机产生。计算机对A/D转换器送来的各路数字量进行各种处理计算,然后用分时方法将处理结果送到各路D/A转换器变成模拟信号去完成各种模拟控制。有时为了提高速度和精度,数据采集系统不用模拟多路转换开关,而是每条通道用一个A/D转换器。

4.1 传感器的作用

传感器是工业控制计算机系统的重要环节。如没有传感器对生产过程的原始参数进行精确可靠的测量,那么无论是信号转换,信息处理,或数据的显示与控制,都将成为一句空话。可以说,没有精确可靠的传感器就没有精确可靠的测量系统。

4.2 A/D转换器的原理

经过多路转换开关和采样/保持的模拟量必须被变成数字量才能送入计算机。完成这一转换任务的器件叫做模拟/数字转换器,简称A/D转换器。如图4是逐次逼近型A/D转换器原理图。由图4可以看出,由N位寄存器,N位D/A转换器、比较器以及控制逻辑四部分组成。其工作原理:当启动信号作用后,时钟信号在控制逻辑作用下,首先使寄存器的DN-1=1,N位寄存器的数字量一方面作为输出用,另一方面,经D/A转换器转换成模拟量Vx后,送到比较器,在比较器中与被转换的模拟量Vx进行比较,控制逻辑根据比较器的输出进行判断。若Vx≥Vc,则保留这一位;若Vx<Vc,则DN-1=0。DN-1位比较完毕后,再对下一位DN-2进行比较,使DN-2=1,与上一位DN-1一道进入D/A转换器,转换后再进入比较器,与Vx进行比较,……,如此一位一位地继续下去,直到最后一位D0比较完毕为止。此时,N位寄存器中的数字量即为Vx所对应的数字量。一个N位的A/D转换器只需比较N次,即可得到结果,而计数式A/D转换器,则需要比较2N-1次。因此逐次逼近型A/D转换器速度比较快,因而得到广泛应用。

4.3 D/A转换器的原理

D/A转换器的作用是将数字量转换为模拟量。它实际上是一种由二进制译码控制的电流叠加电路。通常包括四个组成部分:精密的电压基准;模拟二进制数字电压(或电流)开关;产生二进制权电流或权电压的精密电阻网络;提供电压或电流输出相加的运算放大器。其原理如图5为倒T型电阻D/A转换器。其输出电压表达式很容易用基准电流和响应的倍数表示出来。与权电流型的D/A转换器相比,倒T型电阻D/A转换器具有电路简单、转换速度快的优点,但其转换误差较大。在实际的D/A转换器中,开关S是电子式的模拟开关。为了减小转换误差,开关必须具有导通电阻小,截止电阻大的特点。

5 机电一体化综述

机电一体化系统开发过程的第一步就是分析客房需求以及系统集成的技术环境。解决问题的复杂技术系统往往是一个具有数字或模拟形式并由复杂软件支持其硬件的机械、电子、液压和热动力部件的结合体。典型机电一体化系统使用传感器从技术环境中收集数据和信息。接下来的一步就是使用建模和描述方法的完善形式,以一种集成的方式来涵盖这个系统的所有子任务。这包括在初始阶段对子系统间必要接口的有效描述。数据经过处理和解释转化为执行器的动作。机电一体化系统能够缩短开发周期,降低成本,提高质量。在机电一体化产品的设计中,有必要在不同的专家组之间协调知识和需要的信息。并行工程是产品的设计和制造以特殊方式融合的一种设计方法。传统设计和制造间的障碍得以排除。

6 机电一体化的发展趋势

机电一体化是集机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的交叉综合,它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。因此,机电一体化的主要发展方向如下:

6.1 智能化

智能化是21世纪机电一体化技术发展的一个重要发展方向。人工智能在机电一体化建设者的研究日益得到重视,机器人与数控机床的智能化就是重要应用。诚然,使机电一体化产品具有与人完全相同的智能,是不可能的,也是不必要的。但是,高性能、高速的微处理器使机电一体化产品赋有低级智能或人的部分智能,则是完全可能而又必要的。

6.2 模块化

模块化是一项重要而艰巨的工程。由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多,研制和开发具有标准机械接口、电气接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元是一项十分复杂但又是非常重要的事。从电气产品的标准化、系列化带来的好处可以肯定,无论是对生产标准机电一体化单元的企业还是对生产机电一体化产品的企业,规模化将给机电一体化企业带来美好的前程。

6.3 网络化

20世纪90年代,计算机技术等的突出成就是网络技术。由于网络的普及,基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾,而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品。现场总线和局域网技术是家用电器网络化已成大势,利用家庭网络(home net)将各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家电系统(computer integrated appliance system,CIAS),使人们在家里分享各种高技术带来的便利与快乐。因此,机电一体化产品无疑朝着网络化方向发展。

6.4 微型化

微型化兴起于20世纪80年代末,指的是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。国外称其为微电子机械系统(MEMS),泛指几何尺寸不超过1cm3的机电一体化产品,并向微米、纳米级发展。微机电一体化产品体积小、耗能少、运动灵活,在生物医疗、军事、信息等方面具有不可比拟的优势。

6.5 绿色化

工业的发达给人们生活带来了巨大变化。一方面,物质丰富,生活舒适;另一方面,资源减少,生态环境受到严重污染。于是,人们呼吁保护环境资源,回归自然。绿色产品概念在这种呼声下应运而生,绿色化是时代的趋势。设计绿色的机电一体化产品,具有远大的发展前途。机电一体化产品的绿色化主要是指,使用时不污染生态环境,报废后能回收利用。

6.6 系统化

系统化的表现特征之一就是系统体系结构进一步采用开放式和模式化的总线结构。系统可以灵活组态,进行任意剪裁和组合,同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理。表现之二是通信功能的大大加强,一般除RS232外,还有RS485、DCS人格化。未来的机电一体化更加注重产品与人的关系,机电一体化的人格化有两层含义。一层是,机电一体化产品的最终使用对象是人,如何赋予机电一体化产品人的智能、情感、人性显得越来越重要,特别是对家用机器人,其高层境界就是人机一体化。另一层是模仿生物机理,研制各种机电一体花产品。事实上,许多机电一体化产品都是受动物的启发研制出来的。

7 结束语

篇4：论机电一体化设计

【关键词】机电一体化设计；PLC提升机；电控技术

1.机电一体化技术在矿山机械应用中的作用分析

1.1电子控制系统实现机械自检

对于机电一体化来说，它可以有效的进行对于机械设备的自我检测，这也成为了它一个十分突出的优势。因为它在一定程度上为相关的工程机械的运行提供了一个动态化的监控模式，并且基于此能够更为合理的对工程机械进行操作。除此之外，对于工程之中可能会出现的问题以及事故能够提前预知并采取合理有效的措施予以解决。电子控制系统有一个十分突出的功能，那就是当设备运行时，可以对其各个部分进行有效的动态监控，这些部分主要包括发动机、传动系统、液压系统以及相应的电子系统。这一监控系统主要存在两个组成部分，分别是监控和信息处理系统以及相应的报警系统。

1.2机电一体化的应用提高了作业的精度

随着我国经济的迅速发展以及科学技术水平的进步，矿采产业的等级也随之上升，这就给矿采的质量提出了更高的要求。所以对于施工工艺的实施如果还只是停留在人为操作之上是不能适应其发展的，不仅如此，如果只是利用相关的仪器对其进行检测的话，需要多次反复检测，这就带来了相当大的工作量，对于人力以及物力也有着较大的消耗。因此，实现对于作业精度以及检测及时性的提高势在必行。而机电一体化可以进行对于这些问题的有效解决，适应了发展的需要。首先，机电一体技术能够实现对于作业模式的设定，使之形成一定的作业顺序以及作业标准，并具有一定的固定性。这样一来，就可以对矿采作业的精确程度进行一定程度的保证。不仅如此，因为相关的机械自动作业能够同参数的调整来实现对于施工精度的提高，而对于精度的设定过程是开放的，这样一来，就能够进行高精度持续作业的实现。

1.3机电一体化可以降低作业的能源消耗

传统的施工操作中，进行对于工作输出功率的调整都是人为的。但是这种调整往往过于僵化，且精确程度不高。它仅仅是做出简单的换挡以及变换转速的操作，这为进行对于能源消耗的控制制造了很大的麻烦，受到的制约较多。面对这种情况，一些厂商采取的措施是：引入相应的电子控制技术，并基于此实现对于挖掘机工作效率的有效降低，这样一来，在工作中就在很大程度上提高了燃油使用的效率。因此，机电一体化能够在很大程度上实现对于能源消耗的降低以及工作效率的提高，且效果明显。

2.基于PLC技术的矿井交流提升机电控系统

2.1电路组成结构

对于基于PLC技术的矿井交流提升机电控系统而言，其电路主要是由5部分组成的，分别是高压主电路、主控PLC电路、提升行程检测与显示电路、提升速度检测以及提升信号电路，其中，高压主电路包含了高压换向器、电动机、启动柜、动力制动电源等。

2.2系统的工作过程

首先，是由井口或者井底通过信号通信电路对开车信号进行发出，这样一来，就具备了相应的开车条件。然后由司机将制动手柄向前推离紧闸位置。主电动机松闸。司机将主令控制器的操作手柄推向正向（或反向）极端位置，这样一来，主控PLC通过对高压换向器进行一定程度上的程序控制而首先得电，同时将高压信号送入到主电动机的定子绕组之中，主电动机接入全部转子电阻启动，然后再对8段电阻进行依次切除，这样就能够对自动加速进行有效的实现。交流提升机在运行的过程当中，当主动机转动时，旋转编码器也随之进行一定程度上的转动，并输出2列a/b相脉冲，然后再将之接入到主控PLC的高速计数器HSC0的a/b相脉冲输入端，由主控PLC根据a/b脉冲的相位关系。这样一来，就可以对提升行程进行一定程度的计算，并将之有效显示出来。

3.PLC在提升机运行过程中的重要环节

在PLC提升机运行过程当中，存在着一些重要环节，对于这些重要环节要加强注意，下面对其进行简要阐述。

①安全回路通过连锁功能能够对提升机运行的安全性与可靠性进行一定程度的提升。一旦出现不正常的工作状态，PLC就会输出断电信号，从而使得安全回路运行的指示灯熄灭，这样一来，提升机就会进行相应的安全制动。对于安全回路而言，它是由多个触点与开关共同完成安全保护工作的，主要有主令控制器手柄零位连锁触电、工作闸制动手柄连锁触点、测速回路断线监视继电器KV的动合触点、过速保护继电器动合触点、常速保护继电器动合触点、高压油过压辅助动合触点、制动油过压输出动断触点、过卷开关松绳保护开关、闸瓦磨损保护开关、调绳开关调绳闭锁贿赂触电等触电、元件等。

②开车前的准备条件：在开车之前，需要满足相应的准备条件，才能进行开车。首先，要将制动手柄至全抱闸位置，并使得主令控制器处于中间位置，即接通状态。同时，主回路和辅助回路送电。

③停车：当达到停车点之时，换向开关就会被撞开，使得工作闸继电器处于断电状态，并对工作制动进行有效的自动实现。除此之外，对于提升机的控制而言，只能选择反向运转，这样一来，就能够对自动换向进行有效实现。

【参考文献】

[1]殷际英.光机电一体化实用技术[M].北京：化学工业出版社，2003.

[2]芮延年.机电一体化系统设计[M].北京：机械工业出版社，2004.

篇5：机电一体化产品设计作业1OK

（二）一、填空题

1．低频分量高频分量

2．固有频率阻尼能力

3．相对阻尼系数

4．固有频率

5．变频信号源脉冲分配器功率放大器

6．最大动态转矩降低

7．线性直流伺服放大器脉宽调制放大器

8．电源频率磁极对数转差率

9．电液比例阀电液伺服阀

10．定位精度定位时间

二、简答题

1．如何提高伺服系统的响应速度？

伺服系统的响应速度主要取决于系统的频率特性和系统的加速度。

（1）提高系统的固有频率，减小阻尼。增加传动系统的刚度，减小折算的转动惯量，减小摩擦力均有利于提高系统的响应速度。

（2）提高驱动元件的驱动力可以提高系统的加速度，由此也可提高系统的响应速度。

2．步进电机是如何实现速度控制的？

步进电机的运动是由输入的电脉冲信号控制的，每当电机绕组接收一个脉冲，转子就转过一个相应的角度。其角位移量与输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步。因而，只要控制输入脉冲的数量、频率和电机绕组的相序，即可得到所需转动的速度和方向。

3．试述直流电机伺服系统中脉宽调制放大器的基本工作原理。

脉宽调制放大器是直流伺服电机常用的晶体管驱动电路。利用大功率晶体管的开关作用，将直流电源电压转换成一定频率的方波电压，施加于直流电机的电枢，通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压，使电机的转速得到调节。

4．交流伺服电机有哪些类型？交流伺服驱动的主要特点是什麽？

交流伺服电机有永磁式交流同步电机和笼型异步电机两类。

交流伺服驱动的主要特点有：（1）调速范围大；（2）适合大、中功率伺服系统；（3）运行平

稳，转速不受负载变化的影响；（4）输出转矩较大，而转矩脉动小。

三、分析题

1．分析传感器的误差对输出精度的影响

传感器位于反馈通道，误差的低频分量影响系统的输出精度和系统的稳定性，因此传感器应有较高的精度；而误差的高频分量不影响输出精度，可以允许传感器及放大电路有一定的高频噪声。

2．分析齿轮减速器的传动误差对工作台输出精度的影响。

对于开环步进电机位置控制系统，由于无检测装置，不对位置进行检测和反馈，齿轮减速器的传动误差（误差的高频分量）和回程误差（误差的低频分量）将直接影响工作台的输出精度。

四、计算题

1．如图所示的电机驱动直线伺服系统，已知工作台的质量为m＝50kg，工作台与导轨间的摩擦系数f＝0.1，负载力为FW＝1000N，丝杠直径为D＝16mm，导程为ts＝4mm，齿轮减速比为i＝5，工作台的最大线速度为v＝0.04m/s，试求：（1）折算到电机轴上的负载力矩；

（2）电机轴的转速；（3）电机所需功率。

解：（1）折算到电机轴上的负载力矩

摩擦负载力Ff＝mgf＝50×10×0.1＝50N

外负载力Fw＝1000N

电机上的负载力矩为

1t1Tms(FWFf)i2

141031 (100050)520.7

0.191Nm

（2）电机轴的转速

niv0.04550r/s3000r/min ts0.004

（3）电机所需功率

Pm1.5~2.5TLPnLP

取系数为2，则

Pm2T2n20.191250120W

2．如图所示的开环步进电机位置控制系统，已知负载力F=2000N，工作台长L=400mm，往复精度为0.02mm，丝杠导程6mm，直径d＝32mm，步进电机的步距角为α＝1.5，试确定齿轮减速比i。

解：步进电机的每转脉冲数

ns360

360240脉冲/转 1.5

根据工作台定位精度的要求，选用脉冲当量

δ=0.02mm/脉冲

设传动比为i，每个脉冲对应工作台的位移为



则ts ins

i

篇6：机电一体化产品设计作业1OK

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

3．导程L0=8mm的丝杠驱动总质量为60kg的工作台与工件，则其折算到丝杠上的等效转动惯量为（B）kg·mm2。

A．48.5B．97

C．4.85D．9.7

4．传动系统的固有频率对传动精度有影响，（B）固有频率可减小系统地传动误差，（A）系统刚度可提高固有频率。A

A．提高，提高B．提高，减小

C．减小，提高D．减小，减小

5．下列哪种方法是采用单螺母预紧原理来消除滚珠丝杠副的间隙？（D）

A．螺纹调隙式B．双螺母垫片调隙式

C．齿差调隙式D．偏置导程法

6.齿轮传动的总等效惯量随传动级数(?A)。B

A.增加而减小B.增加而增加

C.减小而减小D.变化而不变

7．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（D）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

8．某机电一体化系统需要消除齿轮传动的齿侧间隙，采取下列哪种方法使得调整过程中能自动补偿齿侧间隙？（D）

A．偏心套调整法B．轴向垫片调整法

C．薄片错齿调整法D．轴向压簧错齿调整法

三、简答题

篇7：机电一体化产品设计作业1OK

一、判断题（共 10 道试题，共 40 分。）

1.产品的组成零部件和装配精度高，系统的精度一定就高。A.错误

2.齿轮传动的啮合间隙会造成一定的传动死区，若在闭环系统中，传动死区会使系统产生低频震荡。B.正确 3.在滚珠丝杠螺母间隙的调整结构中，齿差式调隙机构的精度较高，且结构简单，制作成本低。A.错误

4.信息处理技术是指在机电一体化产品工作过程中，与工作过程各种参数和状态以及自动控制有关的信息输入、识别、变换、运算、存储、输出和决策分析等技术。B.正确

5.系统论、信息论、控制论是机电一体化技术的理论基础，是机电一体化技术的方法论。B.正确 6.滚珠丝杠垂直传动时，必须在系统中附加自锁或制动装置。B.正确

7.采用偏心轴套调整法对齿轮传动的侧隙进行调整，结构简单，且可以自动补偿侧隙。A.错误

8.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.错误

9.传动机构的转动惯量取决于机构中各部件的质量和转速。A.错误

10.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1~5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。B.正确

二、单项选择题（共 10 道试题，共 40 分。）

1.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？（D）

A.偏心套调整法 B.轴向垫片调整法 C.薄片错齿调整法 D.轴向压簧错齿调整法 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.以下产品不属于机电一体化产品的是（B）。A.机器人 B.移动电话C.数控机床

D.复印机 4.以下产品不属于机电一体化产品的是（D）。A.工业机器人 B.打印机 C.空调 D.电子计算机

5.滚珠螺旋传动与其他直线运动副相比，以下哪一项不是滚珠螺旋传动的特点？（D）A.传动效率高

B.运动平稳

C.定位精度和重复定位精度高 D.制造工艺简单

6.导程L0=8mm的丝杠驱动总质量为60kg的工作台与工件，则其折算到丝杠上的等效转动惯量为（B）kg·mm。A.48.5 B.97 C.4.85 D.9.7

7.多级齿轮传动中，各级传动比相等的分配原则适用于按（C）设计的传动链。

A.最小等效转动惯量原则 B 输出轴的转角误差最小原则C 重量最轻原则（小功率装置）D重量最轻原则（大功率装置）8.机电一体化技术是以（C）部分为主体，强调各种技术的协同和集成的综合性技术。A.自动化

B.微电子

C.机械

D.软件

9.机械传动部件的阻尼比和以下哪个因素无关？（C）

A.粘性阻尼系数

B.抗压刚度系数

C.转动惯量

D.质量 10.为降低机电一体化机械传动系统的固有频率，应设法（）。

A.减小系统刚度 B.减小系统转动惯量C.减小系统的驱动力矩D.减小系统的摩擦阻力

三、计算题（共 2 道试题，共 20 分。）1.2答案（1）B（2）C（3）C 2.答案 B A

作业二答案

1.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.错误 2.气压式伺服驱动系统常用在定位精度较高的场合使用。（）A.错误

3.传感器的静态特性是特指输入量为常量时，传感器的输出与输入之间的关系。（）A.错误 4.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.错误

5.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。（）B.正确 6.气压伺服系统的过载能力强，在大功率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.错误 7.永磁型步进电动机即使其定子绕组断电也能保持一定转矩，故具有记忆能力，可用于定位驱动。（）B.正确 8.通常，步进电机的最高连续工作频率远大于它的最高启动频率。（）B.正确 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。（）B.正确

10.直流伺服电动机的机械特性是电机转速与其控制电压的关系。（）A.错误

二、单项选择题（共 10 道试题，共 40 分。）1.下列哪项指标是传感器的动特性（D）。A.量程

B.线性度

C.灵敏度

D.幅频特性 2.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

3.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（A）。A.0.5倍

B.2倍

C.0.25倍

D.不变

4.采用脉宽调制进行直流电动机调速驱动时，通过改变（A）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 5.以下可对交流伺服电动机进行调速的方法是（B）。

A.改变电压的大小

B.改变电动机的供电频率 C.改变电压的相位

D.改变电动机转子绕组匝数 6.步进电机转角的精确控制是通过控制输入脉冲的（C）来实现的。A.频率

B.数量

C.步距角

D.通电顺序 7.幅频特性和相频特性是模拟式传感器的（B）。

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

8.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，已知转子有24个齿，步进电机的步距角是（C）。

A.0.6°

B.1.2°

C.1.5°

D.2°

9.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，此光栅传感器测量分辨率是（D）mm。

A.2.5 B.0.25 C.0.025 D.0.0025

10.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，设记数脉冲为400，光栅位移是（D）mm。

A.1 B.2 C.3 D.4

三、计算题（共 3 道试题，共 20 分。）得分：0 1.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，max即i1 = i2 = i3= i4 =3，求该系统的最大转角误差Δφ=（C）弧度。

解： A．

B．

C． 2.某线性位移测量仪，当被测位移由4.5mm变到5.0mm时，位移测量仪的输出电压由3.5v减至2.5v,求该仪器的灵敏度为（C）V/mm。

解：A．S=y/x=2.5/5.0=0.5

B．S=y/x=3.5/4.5=0.778 C．S=dy/dx=(2.5-3.5)/(5.0-4.5)=-2

D．S=dy/dx=(5.0-4.5)/(3.5-2.5)=0.5 3.如图所示的电机驱动工作台系统，其中驱动工作台运动的三相六拍步进电机，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。试求步进电机的步距角α和减速齿轮的传动比i。

答案：C D

作业三答案

一、判断题（共 20 道试题，共 60 分。）

1.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。（）B.正确

2.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.错误 3.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。（）B.正确 4.计算机控制系统、PLC控制系统和嵌入式系统均是由硬件和软件组成。（）B.正确

5.概念设计是指在确定任务之后，通过抽象化，拟定功能结构，寻求适当的作用原理及其组合等，确定出基本求解途径，得出求解方案。（）B.正确

6.半物理仿真和全物理仿真有实物介入，但是仿真系统具有构成复杂、造价高、准备时间长等缺点。（）B.正确 7.在数控设备中，计算机数控装置是设备的核心部分，一般由专用计算机（或通用计算机）、输入输出接口以及机床控制器等部分构成。（）B.正确

8.电磁兼容设计任务是应用电磁兼容技术的科学设计和经验方法，保证产品不被周围设备产生的电磁能量干扰.错误 9.计算机仿真有实物介入，具有较高的可信度、较好的实时性与在线等特点。（）A.错误

10.嵌入式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。（）B.正确 11.PLC具有完善的自诊断功能，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。（）B.正确

12.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。（）B.正确

13.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。（）B.正确 14.为了提高机电一体化系统的随动性，可以适当将采样周期取得小一点。（）B.正确 15.半闭环系统与闭环系统的区别在于半闭环反馈信号取自系统的执行部件。（）A.错误 16.在实际机电一体化系统中，很难建立严格的数学模型，因此建立描述模型。（）B.正确

17.虚拟设计是在基于多媒体的、交互的、嵌入式的三维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。（）B.正确

18.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.错误 19.绿色设计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。（）B.正确 20.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。（）B.正确

二、单项选择题（共 10 道试题，共 40 分。）1.以下除了（B），均是由硬件和软件组成。

A.计算机控制系统

B.继电器控制系统

C.嵌入式系统

D.PLC控制系统

2.根据系统的已有知识确定系统的模型结构，通过实验观测数据估计未知参数，这样方法称为（C）。A.机理模型法

B.统计模型法

C.混合模型法

D.试验模型法 3.含有微处理器，可进行程序编制或适应条件变化的接口是（D）。A.零接口

B.被动接口

C.主动接口

D.智能接口

4.SCARA机器人是指具有选择顺应性的装配机器人手臂，它在（B）方向上具有顺应性，而在（）方向具有很大的刚性，因而最适合装配作业使用。

A.水平

旋转

B.水平

垂直

C.垂直

水平

D.旋转

垂直 5.计算机控制系统实际运行时，需要由用户自行编写（B），具有实时性、针对性、灵活性和通用性。A.嵌入软件

B.应用软件

C.开发软件

D.系统软件

6.不进行参数的变换与调整，仅作为输入/输出的直接接口的是（A）。A.零接口

B.被动接口

C.主动接口

D.智能接口 7.以下（B）不属于PLC系统的组成部分。

A.CPU B.硬盘

C.编程器

D.I/O接口

8.（A）的主要手段是建立系统数学模型，在计算机上确定出最佳的设计参数和系统结构，提高产品的设计水平。A.优化设计

B.可靠性设计

C.反向设计

D.绿色设计 9.旋转变压器是喷漆机器人电液伺服系统中的（D）。A.驱动元件

B.能量元件

C.控制元件

D.检测元件 10.以下（D）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

作业四答案

1.简析下图中传动大负载时消除齿侧间隙的原理。

当传动大负载时，可采用上图双齿轮调整法来消除齿侧间隙，图中小齿轮1和6分别于齿条7啮合，与小齿轮1、6同轴的大齿轮2、5分别与齿轮3啮合，通过预载装置4向齿轮3上预加载，使大齿轮2、5同时向相反方向转动，从而带动小齿轮1、6转动，其齿面分别紧贴在齿条7上齿槽的左、右侧，从而消除了齿侧间隙。

2.简述数控设备中计算机数控装置的组成和功能。

在数控设备中，计算机数控装置时设备的核心部分，一般由专用计算机（或通用计算机）输入输出接口以及击穿控制器等部分组成。

计算机数控装置根据输入的数据和程序，完成数据运算、逻辑判断、输入输出控制等功能，机床控制器主要用于机床的辅助功能，主轴转速的选择和换刀功能的控制。

3.简析下图调整滚珠丝杠副间隙的原理。

图中所示滚珠丝杠副间隙调整是用双螺母螺纹预紧调整齿侧间隙，双螺母中的一个外端有凸缘，另一个无凸缘，但制有螺纹，它伸出套筒外用两个螺母固定锁紧，并用键来防止两螺母相对转动。旋转圆螺母可调整消除间隙并产生预紧力，之后再用锁紧螺母锁紧。

4.简述直流伺服电动机脉宽调制（PWM）的工作原理。

工作原理：假设输入直流电压U，可以调节导通时间得到一定宽度的与U成比例的脉冲方波，给伺服电动机电枢回路供电，通过改变脉冲宽度来改变电枢回路的平均电压，从而输出不同大小的电压Uα,使直流电动机平滑调速。

5.比较直流伺服电动机和交流伺服电动机的适用环境差别。

直流伺服电机有较高的响应速度和精度以及优良的控制特性，但由于使用电刷和换向器，故寿命较低，需定期维护。适用于数控机床、工业机器人等机电一体化产品中。

交流伺服电动机具有调速范围宽、转子惯性小，控制功率小，过载能力强、可靠性好的特点。适用于数控机床进给传动控制、工业机器人关节传动，及运动和位置控制场合。

6.滚珠丝杠副消除轴向间隙的调整预紧方法有哪些？

滚珠丝杠副消除轴向间隙的调整预紧方法有：螺纹预紧调整式、双螺母齿差预紧调整式、双螺母垫片预紧调整式、弹簧式自动调整预紧式、单螺母变位导程自预紧式。

7.简述机电一体化系统中的接口的作用。

机电一体化系统是机械、电子和信息等性能各异的技术融为一体的综合系统，其构成要素和子系统之间的接口极其重要。从系统外部看，输入/输出是系统与人、环境或其他系统之间的接口；从系统内部看，机电一体化系统是通过许多接口将各组成要素的输入/输出联系成一体的系统。

二、综合题（共 2 道试题，共 30 分。）

1.已知一个绳位移控制系统的两种驱动方案分别如图（a）和（b）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。

解：（1）两驱动方案的特点：方案a：结构简单、易实现。绳的位移可以很大，但绳在滚筒方向会产生横向位移。需要采用制动器或者止逆型减速器才能防止绳对电机的反向驱动。

方案b：结构较简单，成本与方案a相当。绳的位移要受到丝杠长度的限制。普通丝杠具有止逆功能，无需增加制动器即可防止绳对电机的反向驱动。无横向位移。

（2）方案a的测量位移的方法如下图

1)电机轴安装编码器直接测量绳的位移

2)滚筒轴安装编码器间接测量绳的位移

2.某部门欲开发一款用于焊接印刷电路板芯片的机械手，请制订出该款机械手产品的开发设计流程。

解：机电一体化系统的主要设计流程分为五个阶段：产品规划、概念设计、详细设计、设计实施和设计定型阶段。第一阶段：产品规划阶段：进行需求分析和需求设计，以明确设计任务。比如，可以明确：机械手的用途：焊接芯片。工作方式：手动、自动方式。主要技术参数：自由度、定位精度、运行速度等。使用环境要求：生产线。第二阶段：概念设计阶段：在功能分析的基础上，优化筛选取得较理想的工作原理方案。第三阶段：详细设计阶段。对各功能模块进行细部设计，绘制相应的工程图。该阶段的工作量既包括机械、电气、电子、控制与计算机软件等系统的设计，又包括总装图和零件图的绘制。第四阶段：设计实施阶段。首先根据机械、电气图纸和算法文件，制造、装配和编制各功能模块，然后进行模块的调试，最后进行系统整体的安装调试，复核系统的可靠性及抗干扰性。第五阶段：设计定型阶段。对调试成功的系统进行工艺定型，整理设计资料。小批量生产，试销。

作业五专题报告答案略 另一 作业四部分答案

简述典型的机电一体化的机械系统的组成及对其的基本要求。

主要包括传动机构、导向机构、执行机构、轴系、机座或机架5大部分。

与一般的机械系统相比，除了要求具有较高的定位精度等静态特性外，还应具有特别良好的动态响应特性，即动作响应要快，稳定性要好，以满足伺服系统的设计要求。

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？

机电一体化系统仿真的模型主要有：物理模型、数学模型和描述模型。当仿真模型是物理模型时，为（全物理仿真）：是数学模型时，称之为数学（计算机）仿真。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称为半物理模型、计算机仿真、半物理仿真、全物理仿真分别应用于分析设计阶段（软件级）、部件及子系统研制阶段（软件—硬件级）实时仿真、系统研制阶段（硬件级）实时仿真阶段。

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？

齿轮的啮合间隙会造成传动死区，若该死区是在闭环系统中，消除可能造成系统不稳定，常会使系统以1-5倍间隙角产生的低频振荡。为了降低制造成本，则多采用各种调整齿侧间隙的方法来消除或减小啮合间隙，常用的方法有:偏心套调整法、轴向垫片调整法、双片薄齿轮错齿调整法等。

根据图示气体压力传感器的原理图，分析传感检测系统的组成及各部分的作用。

答：气体压力传感器的工作原理是膜盒2的下半部与壳体1固接，上半部通过连杆与磁芯4相连，磁芯4置于两个电感线圈3中，后者接入转换电路5.气体压力传感器由敏感元件、转换元件和基本转换电路三部分组成：（1）敏感元件：膜盒2就是敏感元件，其外部与大气压Pa想通，内部感受被测压力P，当P变化时，引起膜盒上半部移动，即输出相应的位移量。（2）转换元件：可变电感3是转化元件，他把出入的位移量转换成电感的变化。（3）基本转换电路：5即为转换电路。

某物料搬动机械手的结构如图所示，动作过程如图所示，要求机械手的操作方式分为手动方式和自动方式。机械手有升降、水平移动、手爪夹持等3个自由度，采用电磁阀控制的气缸驱动，PLC控制。要求写出物料搬动机械手设计和产品开发的详细工程路线。

解：系统设计的详细工程路线：(1)确定目标及技术规范：

机械手的用途：物料搬运。工作方式：手动、自动方式。主要技术参数：3自由度。使用环境要求：生产线。(2)可行性分析：

收集资料、市场分析、可行性分析、技术经济性分析。

(3)总体方案设计：机械手总体结构方案设计，制定研制计划；开发经费概算；开发风险分析。(4)总体方案的评审、评价

(5)理论分析阶段：机构运动学模型、作业空间分析；机构的力学计算；驱动元件的选择、动力计算；传感器选择、精度分析；建立控制模型、仿真分析。

(6)详细设计：包括系统总体设计，业务的划分；控制系统设计；程序设计；后备系统设计；设计说明书、使用说明书。

(7)详细设计方案评价

(8)试制样机：机械本体、动力驱动系统、供电系统、控制系统、传感器、检测系统。

(9)机械手样机的实验测试：调试控制系统、控制性能测试、功能测试、精度、工作空间测试、动态指标测试、作业试验。

(10)技术评价与审定：对样机及其性能进行综合评价，提供改进意见，对不满意的部分进行修改，直至样机合格后方可进入下一步骤。(11)小批量生产。(12)试销。

(13)正常生产。

篇8：浅谈机电一体化系统设计概念

70年代初日本学者率先提出机电一体化(Me chatronics)这一概念，至今已经历了38年的发展历史，其内涵随着科学技术不断丰富和进步，特别是进入科技日新月异的21世纪，人们对机电一体化产品的设计柔性、工作可靠性、工作性能提出了更高的要求，而相关技术和学科，例如计算机技术、传感技术、AI (ArtificialIntelligent)技术、网络技术、控制技术等的发展，为机电一体化系统提供了更为广阔的应用前景，尤其是微电子、信息、材料和集成技术的飞速发展，产品结构也发生了革命性的变化，传统机械产品正向智能化、网络化、模块化、微型化、柔性化概念演变。机电一体化已经成为一门新兴的交叉学科技术，它涉及到机械设计与制造技术、传感技术、信息处理技术、伺服技术、接口技术、控制技术等关键技术。21世纪，机电一体化设计成为系统(产品)设计的主流概念，已经并将继续发挥重要的作用。

作为机电一体化系统(产品)的设计师，不但要掌握先进的机电一体化技术，而且更重要的是如何在设计中充分展现现代机电一体化技术的最新成果，也就是要跟上机电一体化设计技术的发展，不断更新自己的知识结构，机电一体化系统所具有的学科交叉性、集成性、融合性、复杂性给设计师提出了更高的要求，产品设计问题已经不再是以往的单纯的机械设计问题。

2 机电一体化系统的概念设计

概念设计是系统(产品)设计的重要步骤，是实现产品创新的关键。这一步骤是产品设计最重要、最复杂、也是最富有创造性的阶段，是一个从无到有、从模糊到清晰、从抽象到具体的过程，它决定了产品设计质量的60～70%，基于优良的概念设计方案才能够得到性能优异的机电一体化系统(产品)。Pahl和Beitz从设计方法学的角度研究了产品的设计过程，并在《Engineering Design》一书中提出概念设计的思想，得到了各国学者的重视，并相继衍生多种用于概念设计阶段的设计理论，例如公理化设计理论、TRIZ设计理论、QFD理论等，这些理论极大地推动了工程领域的创新设计。但是这些理论多数集中在一般的机械工程领域，或者由多技术简单组合的工程产品设计，已经不适用于现代机电一体化设计，目前新的设计理论正在成形，特别是近几年来，随着计算机图形学、虚拟现实(仿真技术)、敏捷设计、多媒体等技术的发展和CAD/CAM应用的深入，产品概念设计的研究也有了新的进展。

在French及Pahl、Beitz研究的基础上，根据机电一体化系统及其广义执行机构的特点，给出了概念设计比较全面的定义：“概念设计是根据产品生命周期各个阶段的要求，进行产品工程创造、功能分解以及功能和子功能的结构设计;进行满足功能和结构要求的工作原理求解和实现功能结构的工作原理载体方案的构思和系统化设计”。概念设计可分为功能设计、原理设计、方案设计和初步结构设计四个阶段。其中功能设计是概念设计的前期工作，即根据市场需求进行设计理念的构想，规划系统(产品)的总体框架，这一阶段需要借助于设计师的创造性思维、知识和经验的发挥。原理设计是概念设计的难点，也是体现机电一体化交叉学科性最强的阶段。概念设计的后期工作是方案设计，相对于前期工作而言，更多地属于逻辑思维，随着计算机技术、AI技术的发展，使方案设计的计算机辅助设计成为可能。

3 机电一体化系统的原理设计

3.1 机电一体化系统的功能构成

机电一体化系统 (产品) 是有若干相互关联、具有特定功能的机械和电子要素组成的有机整体，以满足产品使用要求的功能。从控制论的观点来看，世界是由物质、能量和信息三大类要素组成的。因此，根据不同的使用目的，要求系统对输入的物质、能量和信息进行预期的变换(加工、处理)、传递(移动、输送)和储存(保持、存储、记录)，从而输出所需的物质、能量和信息。

按照德国Drmstadt大学的Rolf Iserrmann教授提出的五块论，不管哪类系统 (产品) ，系统内部都必须具备五种内部功能，即主功能、动力功能、计测功能、控制功能和构造功能。其中“主功能”是实现系统目的所必需的功能，主要是对输入的物质、能量、信息进行交换、传递和储存。“动力功能”是向系统提供动力，使系统得以正常运行。“计测功能”和“控制功能”是采集系统内部和外部信息，经交换、运算，输出指令，对整个系统进行控制，实施“目的功能”。“构造功能”是将各要素组合起来，进行空间配置，形成一个有机的统一整体。

从系统的输入/输出来看，除有主功能的输入/输出外，还需要有动力输入和计测、控制的信息的输入/输出。此外，还有外部环境干扰输入，这种输入通常是有害的，设计系统时，要采取必要的抗干扰措施。

整个系统除了有目的输出外，还可能有无用的废弃输出，这种废弃输出有时对环境的影响很大，设计系统时应加以注意。

构造功能除了向主功能输入/输出外，还要承担外部干扰输入，废弃输出，能量输入和计测、控制信息输入/输出的连接任务。

上述五种内部功能，既可有各自独立的子系统来完成，也可有一个子系统来完成多项功能任务。

3.2 机电一体化系统的组成要素

尽管机电一体化系统(产品)主功能不同，结构繁简各异，但一般由机械本体部分、传感部分、控制与信息处理部分、驱动部分、执行部分和接口部分组成。具有智能功能的机电一体化系统(产品)的一个显著特征是，它的内部功能构成与组成要素，像一个人的功能构成和组成要素那样完美。图1为机电一体化系统与人体要素的对照示意图。

4 机电一体化的关键技术

机电一体化的关键技术包括以下五种：

传感器技术———任何机电一体化产品，都要求传感器能快速、准确地采集信息。随着测控技术的发展，对传感器的检测速度、灵敏度和精度的要求越来越高，并推动传感器技术的发展。集成化和智能化是传感器的发展方向，传感器技术是现代科技的起点。

信息处理技术———信息处理技术包括信息输入、变换、运算。信息处理技术的硬件包括有输入/输出设备编程控制器和数控装置等。信息处理是否及时，直接影响产品的质量和效率。存储、判断、决策和输出等技、显示器、磁盘、计算机、可处理结果是否正确和精确，将直接影响产品的质量和效率。

自动控制技术———自动控制技术包括高精度定位控制、速度控制、力控制、自适应控制，以及自诊断、仿真、校正、补偿、再现、检索等等。经典控制理论和现代控制理论是自动控制的理论基础，微机的发展为控制理论的应用和实施提供了条件。自动控制技术的发展，得以使机电一体化产品实现多功能和全功能控制、多微机分级控制、复杂控制系统的仿真、自适应控制、自诊断监控和容错等。

伺服驱动技术———伺服驱动技术包括电动、气动、液压等直接执行操作技术，对产品的质量产生直接的影响。在机电一体化产品中，对电动机、液压马达、气马达等执行元件的精度、可靠性要求更高，响应速度要求更快。伺服驱动技术的发展，得以使机电转换件具有高精度、高可靠性和快的响应速度，使直流伺服电机具有较高的分辨率和灵敏性等。

精密机械技术———机械技术是一门历史悠久的应用技术，是各技术领域的基础，它已经形成一套完整的理论和实践规范。近几十年来，随着新技术的发展，传统的机械工业受到了猛烈的冲击。应用力学、机械设计、制造工艺和控制技术是机械技术的四大支柱，得以使机电一体化产品重量轻、体积小、精度高、刚度大、摩擦磨损小及动态性能好。

5 机电一体化系统设计要求、类型和方法

5.1 机电一体化系统的设计要求

机电一体化系统内部功能的设计要求见表1:

5.2 机电一体化产品的设计类型

机电一体化产品设计一般分为开发性设计、适用性设计和变异性设计。

开发性设计是指在没有样品可供参考的条件下，根据对新产品预期的功能要求和性能指标所进行的开创性设计。

适用性设计是指总体方案基本不变的情况下，对某种产品进行局部改进或用微电子技术取代原有机械技术，改善产品性能和提高质量。

变异性设计是指总体方案和功能结构不变的情况下，仅改变现有产品的规格尺寸，以扩大产品的使用规格范围。

5.3 机电一体化产品的设计方法

机电一体化产品的设计方法分为机电互补法、结合法和组合法。

机电互补法也称取代法，这种设计方法是用适当的通用电子部件取代某些陈旧、落后产品中的复杂机械部件或功能子系统。

结合法是设计新产品常用的方法，这类产品的功能部件(或子系统)通常是专用的，各要素间的匹配已得到充分的考虑，接口也简单。

组合法是将结合法(或机电互补法)制成的功能模块组合成各种机电一体化系统。

6 系统设计的评价

机电一体化设计方案的可行性、设计水平的高低和优劣，可从以下方面作分析评价：

工效实用性：一般用系统总体的技术指标的形式提出，如产量、容量、质量、精度等。

系统可靠性：指系统在预定时间内，在给定工作条件下，能够满意工作的概率，通常用平均无故障时间、故障停机率、故障率、剩余故障数等指标衡量;

运行稳定性：是指在设计工况条件下，系统功能输出符合设计输出范围的概率;

结构工艺性：系统的结构设计应当满足便于制造、施工、加工、装配、安装、运输、维修等工艺要求;

技术经济性：具有两个作用，一是评价比较一次投资变为系统或设备时，不同设计方案的经济性，另一是评价比较保持系统或设备正常运行时，资源利用的合理性和运行费用的经济性;

成果规范性：设计成果遵从国家政治经济法规，符合国家规定的技术规范和法令，贯彻实行标准制度等。

操作宜人性、人机安全性、环境无害性：系统设计需要综合考虑人机工程学、人因工程学、人机系统适配设计等要素，所以要从人、机、环境综合角度出发，评价系统是否具备操作方便、诱发职业病、操作安全级与设备安全级、较少环境影响等方面的特征。

造型艺术性：从工业(产品)美学角度评价使用者对系统造型的美学接受度。

7 结语

机电一体化广泛地综合了机械、微电子、自动控制、信息、传感测试、电力电子、接口、信号变换和软件编程等技术，并将这些技术有机的结合成一体，它是当今世界机械工业技术和产品发展的潮流。机电一体化技术并非现代尖端技术，它是微电子技术和精密机械技术相互融合，实现系统(产品)整体最优化的产物，属于技术综合应用范畴，但是真正设计一个优秀的产品，需要综合多方面的理论、知识和经验。

参考文献

[1]孟少农主编.机械加工工艺手册[M].北京:机械工业出版社, 1998.

[2]亢金月.机电一体化系统设计理论与方法的研究[D].上海交通大学, 1996.

[3]何立民主编.MCS一51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社, 1995.