国开《机电一体化系统设计基础》形考1-4答案

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1-7章

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形考任务一

滚珠丝杠垂直传动时，必须在系统中附加自锁或制动装置。（）

产品的组成零部件和装配精度高，系统的精度一定就高。（）

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。（）

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。（）

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。（）

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。（）

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。（）

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。（）

采用虚拟样机代替物理样机对产品进行创新设计测试和评估，延长了产品开发周期，增加了产品开发成本，但是可以改进产品设计质量，提高面向客户与市场需求的能力。（）

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。（）

以下产品不属于机电一体化产品的是（）。

以下产品不属于机电一体化产品的是（）。

机械传动部件的阻尼比和以下哪个因素无关？（）

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？（）

以下产品属于机电一体化产品的是（）。

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？（）

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？（）

机械系统中阻尼越大，最大振幅越小，且衰减越快，因此，适当的提高阻尼可以提高系统的稳定性。根据经验，阻尼比ξ一般取为（）。

以下产品属于机电一体化产品的是（）。

为提高机电一体化机械传动系统的固有频率，应设法（）。

现有如下图所示的双螺母齿差调整预紧式滚珠丝杠，其基本导程为l0=6mm、左端齿轮齿数为100、右端齿轮齿数为98。当两端转向相同时，两端外齿轮相对于内齿轮转过4个齿时，试求两个螺母之间产生的相对轴向位移？

解：当两端转向相同时，两端外齿轮相对于内齿轮转过1个齿时，相对移动的轴向距离为

一端的外齿轮相对于另一端的外齿轮转过4个齿时，试求两个螺母之产生的相对轴向位移为

设有一小功率电动机驱动的二级齿轮传动减速系统如图所示，假设齿轮箱的传动效率为100%，齿轮箱的总传动比i=2，已知齿轮采用相同材料，齿轮的宽度相等，各齿轮的模数m=4，主动齿轮的齿数：z1=z3=30，请根据转动惯量最小原则设计齿轮传动系统，计算各级齿轮传动比和齿轮2、齿轮4的齿数。

解：设一级齿轮的传动比为i1，第二级齿轮的传动比i2，其中i2=i/i1。转换到电机轴的齿轮惯量为

根据转动惯量最小原则，令可求得

形考任务二

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。

直流伺服电动机和永磁同步交流伺服电动机都可以采用PWM控制方式进行调速控制。

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。

步进电动机的转动惯量越大，同频率下的起动转矩就越大。

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。

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。

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。

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。

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。

传感器的转换元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分。

PWM指的是（）。

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。

采用脉宽调制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。

步进电动机是通过控制（）决定转向。

下列哪个不是传感器的动特性（）。

步进电机转动后，其输出转矩随着工作频率增高而（）。

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（）mm。

以下可对交流伺服电动机进行调速的方法是（）。

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（）。

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（）mm。

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100。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。

解：（1）步进电机的步距角α=（）。（2）减速齿轮的传动比i=（）。

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（）V/mm。

形考任务三

HRGP-1A型机器人的工作分为（）和再现两个过程。

HRGP-1A型喷漆机器人中的手部属于系统中的（）。

数控机床进给系统的伺服电机属于设备的（）。

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（）。

旋转变压器是喷漆机器人电液伺服系统中的（）。

（）要求计算机控制系统的采样周期小一点。

以下除了（），均是由硬件和软件组成。

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。

积分调节器的主要作用是（）。

以下（）不属于系统功能结构图的基本结构形式。

比例调节器的作用在于减小超调，减小振荡，使系统更加稳定。（）

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。（）

开环系统没有反馈回路，只能依据时间和逻辑顺序决定被控对象的运行方式，开环系统简单、稳定、可靠，但精度较低，无自动纠偏能力。（）

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。（）

通用型计算机系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。（）

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。（）

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。（）

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。（）

PLC是一种专为工业环境下应用而设计的电子计算机系统。（）

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。（）

仿真根据采用的模型可以分为计算机仿真、半物理仿真和全物理仿真。（）

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。（）

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。（）

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。（）

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。（）

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。（）

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。（）

数控机床中的计算机属于机电一体化系统的控制系统，而电机和主轴箱则属于系统的驱动部分。（）

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。（）

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。（）

计分作业4

一、简答题（每题1.5分，共15分）

1．完善的机电一体化系统主要包括哪几部分？

2．简述机电一体化系统中的接口的作用。

3．滚珠丝杠副消除轴向间隙的调整预紧方法有哪些？

4．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？

5．什么是传感器的校准？并简述如何进行校准？

6．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？

7．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？

8．什么是PID调节器？三部分在系统调节中各起什么作用？

9．何谓概念设计？简述概念设计的设计过程。

10．简述数控设备中计算机数控装置的组成和功能。  

二、综合题（每题,2.5分，共5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。

（a）减速器滚筒驱动                          （b）丝杠滑台驱动

2.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。

专题报告

机电一体化产品（设备）——

分析研究报告

一、主要用途

二、基本结构（应包括产品结构示意图）

三、工作原理

四、主要技术特点

五、与本课程相关内容的联系

第一章

1．以下产品属于机电一体化产品的是（）。

2．以下产品不属于机电一体化产品的是（）。

1．自动控制技术是机电一体化相关技术之一，直接影响系统的控制水平、精度、响应速度和稳定性。（）

2．机电一体化系统的主要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。

3．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。

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。

5．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。

1．完善的机电一体化系统的主要组成部分有哪些？。

2．传统机械、电子产品与机电一体化产品的主要区别是什么？

第二章

1．为提高机电一体化机械传动系统的固有频率，应设法（）。

2.导程L0=8mm的丝杠的总质量为6kg，标称直径为40mm，则其转动惯量为（）kg·mm2。

3．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。

4．机械系统的刚度对系统的主要影响表现为（）等方面。

5．多级齿轮传动中，各级传动比相等的分配原则适用于按（）设计的传动链。

1.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。

2.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。

3．传动机构的转动惯量取决于机构中各部件的质量和转速。

4.阻尼比除了与机械系统的粘性阻尼系数B有关外，还与系统的抗压刚度系数K0和质量m有关。

5.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。

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。

7.双螺母消除轴向间隙的结构形式结构紧凑，工作可靠，调整方便，能够精确调整。

8.齿轮传动系统中各级传动比的最佳分配原则中等效转动惯量最小原则是使所设计的齿轮传动系统换算到该齿轮传动系统输出轴上的等效转动惯量为最小。

9．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。

10.采用虚拟样机代替物理样机对产品进行创新设计测试和评估，延长了产品开发周期，增加了产品开发成本，但是可以改进产品设计质量，提高面向客户与市场需求能力。

1．简述典型的机电一体化的机械系统的组成。

2．简述机电一体化对机械系统的基本要求。

3．滚珠丝杠副消除轴向间隙的调整预紧方法有哪些？

4．齿轮传动的齿侧间隙的调整方法有哪些？

第三章

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（）。

幅频特性和相频特性是模拟式传感器的（）。

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。

传感器的转换元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分。（）

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。（）

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。（）

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。（）

什么是传感器的静态特性和动态特性？

第四章

1.不属于伺服驱动系统的基本要求是（）。

2.伺服控制系统中定位精度最高的是（）。

3.通过以下哪种方式可以提高步进电机的走步精度（）。

4.直流伺服电机的PWM调速法具有调速范围宽的优点，是因为（）。

5.使用测速电机作为检测装置，从而构成位置闭环的控制系统属于何种控制方式。（）

1.步进电机在输入一个脉冲时所转过的角度称为步距角。

2.闭环伺服系统比开环伺服系统具有更高的稳定性。

3.步进电机转动速度与电脉冲频率成正比，通过改变电脉冲频率就可调节步进电机的转速。

4.直流伺服电动机具有较高的响应速度和精度以及良好的控制特性，同时直流伺服电机具有使用寿命长，无需维修等特点

5.永磁同步交流伺服电动机的基本原理是利用电力电子变换器件代替直流伺服电动机中的整流子和电刷，其控制可以通过变频的PWM控制方式实现。

6.直线电动机具有结构简单、可实现直接驱动、高可靠性、易于维护等特点。

7.气压式伺服驱动系统常在定位精度较高的场合使用。

8.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。

9.永磁式步进电动机即使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。

10.开环系统没有反馈回路，只能依据时间和逻辑顺序决定被控制对象的运行方式，开环系统简单、稳定、可靠，但精度较低，无自动纠偏能力。

1.什么是伺服系统？

2.伺服系统的一般组成有哪几个部分？

3.简述直流伺服电动机脉宽调制的工作原理。

4.比较直流伺服电动机和交流伺服电动机的适用环境差别。

5.刻线为1024的增量式角编码器安装在机床的丝杆转轴上，已知丝杆的螺距为2mm，编码器在10秒内输出307200个脉冲，试求刀架的位移量和丝杆的转速分别是多少？

第五章

1.计算机控制系统实际运行时，需要由用户自行编写（）。

2.以下除了（），均是由硬件和软件组成。

3.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。

4.PID控制算法中，微分调节器的主要作用是（）。

5.积分调节器的主要作用是（）。

1.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。（）

2.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。（）

3.一般说来，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。（）

4.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。（）

5.半物理仿真和全物理仿真都有实物介入，且具有构成复杂、造价高、准备时间长等缺点。（）

6.仿真根据采用的模型可以分为计算机仿真、半物理仿真和全物理仿真。（）

7．计算机控制系统的采样周期越小，其控制精度就越高。（）

8．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。（）

9.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。（）

10.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。（）

11.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。（）

12.PLC采用扫描工作方式，故PLC的工作速度仅决定于PLC的程序长度。（）

13.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。（）

14.PID调节器由比例调节器、积分调节器和加法调节器通过线性组合而构成。（）

1．机电一体化系统仿真在系统设计过程中所起的作用是什么？

2．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？

3.PID控制算法中比例、积分、微分部分各起何作用？

4．系统采样周期的选择，主要考虑的影响因素主要有哪些？

5.分析图中整体式PLC的设备组成部分中CPU、存储器、电源、输入/输出单元的功能。

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6.简述下图所示梯形图的工作过程及逻辑关系。图中接线为：开关1（I0.0），开关2（I0.1），开关3（I0.2），红灯（Q0.0），绿灯（Q0.1）。

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image002.png

7.用PLC实现对一台电动机的正反转控制。控制要求为：首先电动机正转起动，3秒后自动反转，反转2秒后自动又回到正转，如此循环；可以随时停车。（1）写出I/O分配表；（2）选择PLC，画出梯形图。

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image003.png

第六章

1.对于机电一体化系统的涵义，至今还有不同的认识，但对机电一体化的本质特性一般认为是一个（）。

2.接口有三个基本功能，它们是（）。

3.机电一体化技术是各种技术相互渗透的结果，下列技术不属于其主要相关技术的是（）。

4.机电一体化系统由许多要素或子系统组成，各子系统之间要能顺利地进行物质、能量和信息的传递和交换，必须在各要素或子系统的相接处具备一定的连接部件，这个连接部件就称为（）。

5.机电一体化技术的发展前景应从如下方面考虑，说法错误的是（）。

6.机电一体化技术是微电子技术向机械工业渗透过程中逐渐形成的一种综合技术。是一门集机械技术、电子技术、信息技术、计算机及软件技术、自动控制技术及其他技术互相融合而成的多学科交叉的综合技术。机电一体化的概念是哪国学者提出的？（）

1.采用虚拟样机代替物理样机对产品进行创新设计测试和评估，延长了产品开发。

2.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。

3.仿真根据采用的模型可以分为计算机仿真、半物理仿真和全物理仿真。

4.接口技术是系统技术中的一个方面，它的功能是实现系统各部分之间的可靠连接。

5.机电一体化系统的主要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。

6.机电一体化系统是以微电子技术为主体，以机械部分为核心，强调各种技术的协同和集成的综合性技术。

7.机电一体化产品的开发性设计是在保持原理方案不变条件下，对产品功能及结构的重新设计。

8.机电一体化产品的变参数设计是指改变部分结构尺寸而形成系列产品的设计。

9.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。

10.机电一体化产品适应性设计是指改变部分结构尺寸而形成系列产品。

11.机电一体化产品的适应性设计是对产品功能及结构重新进行的设计。

12.绿色设计是对已有的产品或技术进行分析研究，进而对该系统（产品）进行剖析、重构、再创造的设计。

13.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。

14.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。

15.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。

1.说明机电一体化系统设计的设计思想方法。

2.开发性设计、变异性设计、适应性设计有何异同？

3.现代设计方法与传统设计方法相比较有何突出特点？

4.简述计算机辅助设计、并行工程、虚拟设计、快速响应设计、绿色设计等的含义。

5.试说明机电一体化的含义。

6.何谓概念设计？简述其具体设计步骤。

7.总功能为什么要分解？应如何进行分解？

8.为什么要进行系统的评价和决策？分别简述其步骤。

第七章

1．数控机床进给系统的伺服电机属于设备的（）。

2．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（）。

1．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。

2．工业机器人一般应由机械系统、驱动系统、控制系统、检测传感系统和人工智能系统等组成。

3．工业机器人自由度越多，其动作越灵活，适应性越强。

4．直线控制数控机床只能控制机床移动部件从一个位置精确地移动到另一个位置，在移动过程中不进行任何加工。

1．简述数控设备中计算机数控装置的组成和功能。

2．简述HRGP－1A喷漆机器人的示教再现过程。