第一篇：機電一體化系統設計復習題今天的

1、什么是機電一體化？

答：機電一體化技術綜合應用了機械技術、微電子技術、信息處理技術、自動控制技術、檢測技術、電力電子技術、接口技術及系統總體技術等群體技術，在高質量、高精度、高可靠性、低能耗意義上實現多種技術功能復合的最佳功能價值的系統工程技術。

2、一個典型的機電一體化系統，應包含哪些幾個基本要素？

答：機電一體化系統，應包含以下幾個基本要素：機械本體、動力與驅動部分、執行機構、傳感測試部分、控制及信息處理部分。我們將這些部分歸納為：結構組成要素、動力組成要素、運動組成要素、感知組成要素、智能組成要素；這些組成要素內部及其之間，形成通過接口耦合來實現運動傳遞、信息控制、能量轉換等有機融合的一個完整系統。

3、試簡述機電一體化系統的設計方法。

答：機電一體化系統的設計過程中，一直要堅持貫徹機電一體化技術的系統思維方法，要從系統整體的角度出發分析研究各個組成要素間的有機聯系，從而確定系統各環節的設計方法，并用自動控制理論的相關手段，進行系統的靜態特性和動態特性分析，實現機電一體化系統的優化設計。

4、步進電動機是什么電機？它的驅動電路的功能是什么? 答：步進電動機又稱電脈沖馬達，是通過脈沖數量決定轉角位移的一種伺服電動機，成本較低，易于采用計算機控制，且比直流、交流電動機組成的開環控制系統精度高，因而被廣泛應用于開環控制的伺服系統中。步進電動機驅動電路實際上是一個功率開關電路，為使步進電動機能輸出足夠的轉矩以驅動負載工作，提供足夠功率的控制信號。

5、描述傳感器靜態特性的主要技術指標是什么？

答：傳感器變換的被測量的數值處在穩定狀態時，傳感器的輸入/輸出關系稱為傳感器的靜態特性。描述傳感器靜態特性的主要技術指標是：線性度、靈敏度、遲滯、重復性、分辨率和零漂。

6、測試傳感部分的作用是什么？ 答：測試傳感部分的作用：對系統運行中所需要的本身和外界環境的各種參數及狀態進行檢測，傳輸到信息處理單元，經分析處理后產生控制信息

15、伺服控制系統一般包括哪幾個部分？每部分能實現何種功能？ 答：伺服控制系統一般包括控制器、被控對象、執行環節、檢測環節、比較環節等五個部分。①比較環節是將輸入的指令信號與系統的反饋信號進行比較，以獲得輸出與輸入間的偏差信號，通常由專門的電路或計算機來實現； ②控制器通常是計算機或PID控制電路；其主要任務是對比較元件輸出的偏差信號進行變換處理，以控制執行元件按要求動作；③執行元件按控制信號的要求，將輸入的各種形式的能量轉化成機械能，驅動被控對象工作，機電一體化系統中的執行元件一般指各種電機或液壓、氣動伺服機構等。④被控對象是指被控制的機構或裝置，是直接完成系統目的的主體，一般包括傳動系統、執行裝置和負載；⑤檢測環節指能夠對輸出進行測量，并轉換成比較環節所需要的量綱的裝置，一般包括傳感器和轉換電路。

18、轉動慣量對傳動系統有哪些影響?

答：轉動慣量增大使機械負載增加，功率消耗大；使系統相應速度變慢，降低靈敏度；使系統固有頻率下降，容易產生諧振。

20、已知某工作臺采用直流電機絲杠螺母機構驅動，已知工作臺的行程L=250mm，絲杠 導程t＝4mm，齒輪減速比為i=5，要求工作臺位移的測量精度為0.005mm(忽略齒輪和絲杠 的傳動誤差)。

(1)試采用高速端測量方法，確定旋轉編碼器的每轉脈沖數。

(2)若將傳感器與絲杠的端部直接相連，n=500脈沖／轉的旋轉編碼器是否合用。

①高速端測量

設傳感器的每轉脈沖數為n，每個脈沖對應工作臺的位移為

滿足題目要求。②低速端測量

傳感器直接與絲杠連接，與減速比無關

可知n＝500脈沖／轉的編碼器不合用。

19、已知數控機床控制系統如圖所示，試說明圖中的各個部分屬于機電一體化系統中的哪一個基本要素?

答： ①控制及信息處理單元：鍵盤、計算機、顯示； ②測試傳感部分：光電編碼器、信號處理； ③能源：電源； ④驅動部分：功放、電機； ⑤執行機構：聯軸器、齒輪減速器、絲杠螺母機構、工作臺。

21、什么是機電一體化？

答：機電一體化技術綜合應用了機械技術、微電子技術、信息處理技術、自動控制技術、檢測技術、電力電子技術、接口技術及系統總體技術等群體技術，在高質量、高精度、高可靠性、低能耗意義上實現多種技術功能復合的最佳功能價值的系統工程技術。

22、什么是機電一體化的變參數設計？

答：在設計方案和結構原理不變的情況下，僅改變部分結構尺寸和性能參數，使之適用范圍發生變化的設計方式。例如，同一種產品不同規格型號的相同設計。

23、機電一體化技術與傳統機電技術的區別。

答：傳統機電技術的操作控制主要以電磁學原理的各種電器來實現，如繼電器、接觸器等，在設計中不考慮或很少考慮彼此間的內在聯系。機械本體和電氣驅動界限分明，整個裝置是剛性的，不涉及軟件和計算機控制。機電一體化技術以計算機為控制中心，在設計過程中強調機械部件和電器部件間的相互作用和影響，整個裝置在計算機控制下具有一定的智能性。

26、機電一體化系統中的接口的作用。

答：接口主要完成電平轉換、信號隔離、放大、濾波、速度匹配等。

27、試分析機電一體化系統設計與傳統的機電產品設計的區別。

答：機電一體化系統設計方法與用經驗公式、圖表和手冊為設計依據的傳統方法不同，它是以計算機為手段，其設計步驟通常如下：設計預測→信號分析→科學類比→系統分析設計→創造設計→選擇各種具體的現代設計方法（如相似設計法、模擬設計法、有限元法、可靠性設計法、動態分析法、優化設計法、模糊設計法等）→機電一體化系統設計質量的綜合評價。

28、機電一體化技術與自動控制技術的區別。

答：自動控制技術的側重點是討論控制原理、控制規律、分析方法和自動系統的構造等。機電一體化技術是將自動控制原理及方法作為重要支撐技術，將自控部件作為重要控制部件。它應用自控原理和方法，對機電一體化裝置進行系統分析和性能測算。

29、試述在機電一體化系統設計中，系統模型建立的意義。

答：機械系統的數學模型分析的是輸入（如電機轉子運動）和輸出（如工作臺運動）之間的相對關系。等效折算過程是將復雜結構關系的機械系統的慣量、彈性模量和阻尼（或阻尼比）等機械性能參數歸一處理，從而通過數學模型來反映各環節的機械參數對系統整體的影響。30、機電一體化系統中，機械傳動的功能是什么？ 答：機電一體化機械系統是由計算機信息網絡協調與控制的，用于完成包括機械力、運動和能量流等動力學任務的機械及機電部件相互聯系的系統。其核心是由計算機控制的，包括機械、電力、電子、液壓、光學等技術的伺服系統。它的主要功能是完成一系列機械運動，每一個機械運動可單獨由控制電動機、傳動機構和執行機構組成的子系統來完成，而這些子系統要由計算機協調和控制，以完成其系統功能要求。機電一體化機械系統的設計要從系統的角度進行合理化和最優化設計。機電一體化系統的機械結構主要包括執行機構、傳動機構和支承部件。在機械系統設計時，除考慮一般機械設計要求外，還必須考慮機械結構因素與整個伺服系統的性能參數、電氣參數的匹配，以獲得良好的伺服性能。

31、從系統的動態特性角度來分析：產品的組成零部件和裝配精度高，但系統的精度并不一定就高的原因。

答：產品的組成零部件和裝配精度高，是靜態的，由于阻尼的影響、摩擦的影響、彈性變形的影響以及慣量的影響在動態響應上存在滯后或超前的影響，使得整個系統的動態精度不高

32、滑動摩擦中采用導軌有什么作用，對導軌有什么具體要求？

答：滑動摩擦導軌的運動件與承導件直接接觸。其優點是結構簡單、接觸剛度大；缺點是摩擦阻力大、磨損快、低速運動時易產生爬行現象。(1)導向精度高。導向精度是指運動件按給定方向作直線運動的準確程度，它主要取決于導軌本身的幾何精度及導軌配合間隙。(2)運動輕便、平穩、低速時無爬行現象。導軌運動的不平穩性主要表現在低速運動時導軌速度的不均勻，使運動件出現時快時慢、時動時停的爬行現象。(3)耐磨性好。導軌的初始精度由制造保證，而導軌在使用過程中的精度保持性則與導軌面的耐磨性密切相關。導軌的耐磨性主要取決于導軌的類型、材料、導軌表面的粗糙度及硬度、潤滑狀況和導軌表面壓強的大小。(4)對溫度變化的不敏感性。即導軌在溫度變化的情況下仍能正常工作。(5)足夠的剛度。在載荷的作用下，導軌的變形不應超過允許值。剛度不足不僅會降低導向精度，還會加快導軌面的磨損。剛度主要與導軌的類型、尺寸以及導軌材料等有關。（6）結構工藝性好。導軌的結構應力求簡單、便于制造、檢驗和調整，從而降低成本。

33、驅動力和溫度對導軌間隙有什么影響？ 答：設計導軌時，必須合理確定驅動力的方向和作用點，使導軌的傾復力矩盡可能小。否則，將使導軌中的摩擦力增大，磨損加劇，從而降低導軌運動靈便性和導向精度，嚴重時以至使導軌卡住而不能正常工作。滑動摩擦導軌對溫度變化比較敏感，由于溫度的變化，可能使自封式導軌卡住或造成不能允許的過大間隙。

35、檢測系統由哪幾部分組成？說明各部分的作用？

答：敏感元件：是一種能夠將被測量轉換成易于測量的物理量的預變換裝置。

傳感元件：是將敏感元件輸出的非電物理量轉換成電信號（如電阻、電感、電容等）形式。

基本轉換電路：將電信號量轉換成便于測量的電量，如電壓、電流、頻率等。

36、何謂I/O接口？計算機控制過程中為什么需要I/O接口？

答：I/O接口與I/O通道是計算機主機與外部連接的橋梁，常用的I/O接口有并行接口和串行接口。I/O通道有模擬量I/O通道和數字量I/O通道。其中模擬量I/O通道的作用是，一方面將經由傳感器得到的工業對象的生產過程參數變換成二進制代碼傳送給計算機；另一方面將計算機輸出的數字控制量變換為控制操作執行機構的模擬信號，以實現對生產過程的控制。數字量通道的作用是，除完成編碼數字輸入輸出外，還可將各種繼電器、限位開關等的狀態通過輸入接口傳送給計算機，或將計算機發出的開關動作邏輯信號經由輸出接口傳送給生產機械中的各個電子開關或電磁開關。

37、什么是伺服控制？為什么機電一體化系統的運動控制往往是伺服控制？ 答：伺服控制系統是一種能夠跟蹤輸入的指令信號進行動作，從而獲得精確的位置、速度及動力輸出的自動控制系統.機電一體化的伺服控制系統的結構、類型繁多，但從自動控制理論的角度來分析，伺服控制系統一般包括控制器、被控對象、執行環節、檢測環節、比較環節等五部分。

38、機電一體化系統的伺服驅動有哪幾種形式?各有什么特點？ 答：（1）按被控量參數特性分類

按被控量不同，機電一體化系統可分為位移、速度、力矩等各種伺服系統。其它系統還有溫度、濕度、磁場、光等各種參數的伺服系統（2）按驅動元件的類型分類

按驅動元件的不同可分為電氣伺服系統、液壓伺服系統、氣動伺服系統。電氣伺服系統根據電機類型的不同又可分為直流伺服系統、交流伺服系統和步進電機控制伺服系統。（3）按控制原理分類

按自動控制原理，伺服系統又可分為開環控制伺服系統、閉環控制伺服系統和半閉環控制伺服系統

39、比較直流伺服電動機和交流伺服電動機的適用環境差別。

答：直流伺服電機具有良好的調速特性，較大的啟動轉矩和相對功率，易于控制及響應快等優點。盡管其結構復雜，成本較高，在機電一體化控制系統中還是具有較廣泛的應用。

與直流伺服電動機比較，交流伺服電動機不需要電刷和換向器，因而維護方便和對環境無要求；此外，交流電動機還具有轉動慣量、體積和重量較小，結構簡單、價格便宜等優點；尤其是交流電動機調速技術的快速發展，使它得到了更廣泛的應用。40、簡述干擾對機電一體化系統的影響。

答：在機電一體化系統的工作環境中，存在大量的電磁信號，如電網的波動、強電設備的啟停、高壓設備和開關的電磁輻射等，當它們在系統中產生電磁感應和干擾沖擊時，往往就會擾亂系統的正常運行，輕者造成系統的不穩定，降低了系統的精度；重者會引起控制系統死機或誤動作，造成設備損壞或人身傷亡。

41、分析在機電一體化系統中常用的抗干擾措施。

答：抑制干擾的措施很多，主要包括屏蔽、隔離、濾波、接地和軟件處理等方法。

42、什么是屏蔽技術及其分類？ 答：屏蔽是利用導電或導磁材料制成的盒狀或殼狀屏蔽體，將干擾源或干擾對象包圍起來從而割斷或削弱干擾場的空間耦合通道，阻止其電磁能量的傳輸。按需屏蔽的干擾場的性質不同，可分為電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁場屏蔽。

43、機電一體化中隔離方法有哪些？

答：隔離方法有光電隔離、變壓器隔離和繼電器隔離等方法。

44、機電一體化系統中的計算機接口電路通常使用光電耦合器，請問光電耦合器的作用有哪些？

答：光電隔離是以光作媒介在隔離的兩端間進行信號傳輸的，所用的器件是光電耦合器。由于光電耦合器在傳輸信息時，不是將其輸入和輸出的電信號進行直接耦合，而是借助于光作介物進行耦合，因而具有較強的隔離和抗干擾的能力。一般光電耦合器組成的輸入/輸出線路，在控制系統中，它既可以用作一般輸入/輸出的隔離，也可以代替脈沖變壓器起線路隔離與脈沖放大作用。由于光電耦合器具有二極管、三極管的電氣特性，使它能方便地組合成各種電路。又由于它靠光耦合傳輸信息，使它具有很強的抗電磁干擾的能力，從而在機電一體化產品中獲得了極其廣泛的應用.45、常用的濾波器有哪些，并分析他們的適用場合? 答：濾波是抑制干擾傳導的一種重要方法。由于干擾源發出的電磁干擾的頻譜往往比要接收的信號的頻譜寬得多，因此，當接受器接收有用信號時，也會接收到那些不希望有的干擾。這時，可以采用濾波的方法，只讓所需要的頻率成分通過，而將干擾頻率成分加以抑制。常用濾波器根據其頻率特性又可分為低通、高通、帶通、帶阻等濾波器。

低通濾波器只讓低頻成分通過，而高于截止頻率的成分則受抑制、衰減，不讓通過。高通濾波器只通過高頻成分，而低于截止頻率的成分則受抑制、衰減，不讓通過。帶通濾波器只讓某一頻帶范圍內的頻率成分通過，而低于下截止和高于上截止頻率的成分均受抑制，不讓通過。

帶阻濾波器只抑制某一頻率范圍內的頻率成分，不讓其通過，而低于下截止和高于上截止頻率的頻率成分則可通過。

什么是柔性制造系統及其基本組成部分？

答：柔性制造系統（Flexible Manufacturing System）是由兩臺或兩臺以上加工中心或數控機床組成，并在加工自動化的基礎上實現物料流和信息流的自動化，其基本組成部分有：自動化加工設備，工件儲運系統，刀具儲運系統，多層計算機控制系統等。（1）自動化加工設備（2）工件儲運系統（3）刀具儲運系統（4）輔助設備

（5）多層計算機控制系統

46、什么是加工中心？ 答：加工中心的系統基本組成與一般數控機床一樣，只是在此基礎上增加刀庫和自動換刀裝置而形成的一類更復雜，但用途更廣，效率更高的數控機床。加工中心配置有刀庫和自動換刀裝置，所以能在一臺機床上完成車、銑、鏜、鉆、鉸、攻螺紋、輪廓加工等多個工序的加工。加工中心機床具有工序集中、可以有效縮短調整時間和搬運時間，減少在制品庫存，加工質量高等優點，因此常用于零件比較復雜，需要多工序加工，且生產批量中等的生產場合。

第二篇：機電一體化系統設計期末復習題

機電一體化系統設計期末復習題

一、選擇題（每題2分，共50分）1.那些不是結構型傳感器

A.彈簧管 B.雙金屬片

C.水銀溫度計 D.電感電容 2.那些不是物理型傳感器的特點

A.無中間轉換機構 B.固體傳感

C.集成 D.體積大 3.哪一項不是傳感器指標

A.類型 B.容量 C.體積

B.線性度 4.下列哪項對熱電偶的說法不正確

A.不能測量絕對溫度 B.利用的是溫差效應 C.鉑電阻屬于熱電偶 D.需要冷端補償 5.傳感器的環境參數不包括什么

A.環境溫度

B.濕度 C.沖擊

D.噪音 6.傳感器的基本性能參數不包括什么

A.量程

B.靈敏度

C.動態特性

D.尺寸 7.半閉環伺服結構的特點不包括：

A.系統簡單 B.穩定性好 C.調試困難 D.成本較低

8.際轉速1350r/min、電源頻率50Hz的交流感應電動機，其轉差率是多少？

A.0.05 B.0.1 C.0.15 D.0.2 9.某步進電動機三相單三拍運行時步距角為3°，三相六拍運行時步距角是多少？

A.3°

B.6°

C.2°

D.1.5° 10.采用PWM驅動系統的優點不包括

A.頻率高、頻帶窄 B.電流脈動小 C.電源的功率因數高 D.動態硬度好

11.設絲杠導程5mm，2/4相步進電機的步距角為1.8度，半步驅動時的脈沖當量為多少？

A.0.00625mm B.0.0125mm C.0.025mm D.0.05mm 12.下列哪一項不是機電一體化系統的主要構成裝置

A.電子裝置 B.控制裝置

C.驅動裝置

D.機械裝置 13.下列把一項是出現低速爬行現象不穩定的主要原因

A.電壓不穩定 B.非線性摩擦力 C.負載扭矩不穩定 D.潤滑不良 14.滾動導軌預加負載的目的是什么

A.防止超速

B.消除間隙

C.降低噪音 D.提高剛度 15.哪項不是滾珠絲杠副的主要尺寸參數

A.公稱直徑

B.長度

C.導程

D.行程 16.哪項不是機械傳動要滿足伺服控制的主要要求

A.傳動精度

B.壽命長

C.穩定性

D.快速響應性 17.下列哪一項屬于變異性設計

A.沒有參照樣板的設計 B.根據故障查找故障原因

C.部更改，適應性變動

D.適應于量的方面變更要求，方案功能結構不變 18.哪項不是機電一體化產品概念設計的核心內容

A.功能

B.原理

C.結構

D.模式 19.傳統的機電產品的設計注重

A.安全系數設計

B.功能設計

C.機械設計

D.電路設計 20.PI稱為（）控制算法。A.比例 B.比例微分

C.比例積分 D.比例積分微分 21.受控變量是機械運動的一種反饋控制系統稱()A.順序控制系統 B.伺服系統 C.數控機床 D.工業機器人 22.齒輪傳動的總等效慣量隨傳動級數()A.增加而減小 B.增加而增加 C.減小而減小 D.變化而不變

23、哪項不是串行通訊的特點（）。

A．數據位傳送

B．傳輸按位順序進行 C．只需要兩根傳輸線

D．成本低但送速度慢

24、哪項不是傳動機構的本質（）。

A．速度變換

B．轉速變換

C．力矩變換

D．轉角控制

25、開關緩沖電路使用的二極管是（）。

A．普通整流二極管

B．檢波二極管

C．快速二極管

D．大電流功率二極管 26.下列哪一項不是DCS分布式控制系統的特點

A.具有三層結構

B.系統控制危險性分散 C.集中監視、操作和管理

D.布線簡潔，系統開放 27.哪項不是固態繼電器SSR的特點

A.高壽命 B.開關速度快 C.電磁兼容性好 D.有噪音

28、測速發電機在機電一體化系統中主要用作測量（）A、交流電壓

B、直流電壓 C、位移量

D、轉速

29、在機電一體化系統中，機械傳動要滿足伺服控制的三個主要要求是（）。A．傳動精度、穩定性、快速響應性

B．傳動精度、穩定性、低噪聲

C．傳動精度、高可靠性、小型輕量化

D．傳動精度、高可靠性、低沖擊振動 30..使滾珠絲杠具有最大剛度的支承方式是（）A、一端裝止推軸承

B、一端裝化推軸承，另一端裝向心球輪承 C、兩端裝止推軸承

D、兩端裝止推軸承及向心球輪承

31.信號采樣頻率Ws，信號有效頻帶Wc和抗混疊濾波頻率Wf應滿足如下關系（）A、Wc

32、直流電動機電樞繞組的阻值小說明電機（）

A、特性硬

B、始動電壓低

C、特性軟

D、啟動電流大

33、步進電動機轉速與脈沖電源的關系是（）A、與電源脈沖頻率成正比 B、與電源脈沖數成正比

C、與電源脈沖寬度成正比 C、與電源脈沖幅值成正比

34、絕對碼盤碼道數越多,則（）A、能分辨的角度越大

B、能分辨的角度越小 C、測量精度降低

D、能分辨的角度不變 35.進行行為、結構的映射是（）設計過程, A．功能建模 B.行為建模 C.結構建模 D.評價決策 36.下列哪一項不是機電產品設計的類型，A.開發性設計 B.可靠性設計 C.適應性設計 D.變異性設計 37.下列哪一項屬于適應性設計

A.沒有參照樣板的設計

B.根據故障查找故障原因

C.局部更改，適應性變動 D.適應于量的方面變更要求，方案功能結構不變 38.小功率傳動鏈中，為使總的折算慣量最小，各級傳動比分配應遵守

A.前大后小

B.前小后大

C.前后相等

D.平方關系 39.哪項不是諧波傳動部件基本組成部件

A.剛輪

B.柔輪

C.波發生器

D.行星輪 40.全閉環系統的優點是

A.精度高 B.系統簡單 C.成本較低

D.調試簡單

41.如忽略電機電磁時間常數, 電壓為輸入量，轉角為輸出量時，直流伺服電機數學模型是

A.比例環節

B.一階系統

C.二階系統

D.積分環節 42.滾珠絲杠副的基本導程減小，可以（）

A、提高精度 B、提高承載能力 C、提高傳動效率 D、加大螺旋升角 43.下列哪一項不是機電一體化系統的主功能組成（）。

A．物質、能量、信息的變換

B．物質、能量、信息的傳遞

C．物質、能量、信息的存儲 D．物質、能量、信息的融合 44.下列哪一項是機電一體化的特性（）。

A．裝置的控制屬于強電范疇

B．自動信息處理, C．支撐技術是電工技術 D．以機械聯結為主

45.某4極交流感應電動機，電源頻率為50Hz，當轉差率為0.02時，其轉速為()A.1450［r/min］ B.1470［r/min］ C.735［r/min］ D.2940［r/min］ 46.右圖稱()A.直流伺服電動機調節特性 B.直流伺服電動機機械特性 C.直流伺服電動機動態特性 D.直流伺服電動機調速特性

47.連續路徑控制類中為了控制工具沿任意直線或曲線運動，必須同時控制每一個軸的()使得它們同步協調到達目標點。

A.位置和加速度 B.速度和加速度 C.位置和速度 D.位置和方向 48.圖示利用繼電器觸點實現的邏輯函數為()A.(A+A)·(B+B)B.A·B+A·B C.(A+B)·(A+B)D.A·B+A·B

49.在數控系統中，復雜連續軌跡通常采用（）方法實現。

A.插補 B.切割

C.畫線 D.自動 50.PD稱為（）控制算法。

A.比例 B.比例微分

C.比例積分 D.比例積分微分 51.PWM指的是（）。

A.機器人

B.計算機集成系統

C.脈寬調制

D.可編程控制器 52.步進電機一般用于（）控制系統中。

A.開環

B.閉環

C.半閉環 D.前饋 53.下列哪個不是傳感器的動特性()A.臨界速度 B.臨界頻率 C.穩定時間 D.分辨率

54.感應同步器定尺繞組中感應的總電動勢是滑尺上正弦繞組和余弦繞組所產生的感應電動勢的()A.代數和 B.代數差 C.矢量和 D.矢量差

55.在直流電機速度控制中改變電樞供電電壓U(保持勵磁磁通Φ不變)屬于()調速

A.恒功率 B.變功率 C.恒轉矩 D.變轉矩

56、輸入電壓量程為-10V～+10的10位AD轉換器的轉換公式，-5V對應的AD輸出值是（）。

A．100H

B．200H

C． 1FFH

D．7FH

57、設某光柵的條紋密度是250條/mm，要用它測出1um的位移，應采用（）細分電路。

A．1倍頻

B．2倍頻

C．3倍頻

D．4倍頻

58、哪一項不是機電一體化系統中的測速元件（）。

A．測速發電機

B．光電編碼器

C．應變片

D．渦流傳感器

59、絕對編碼盤的道數為10道，則位數為10，能分辨的最小角度為（）。A．360/

2B．360/2

C．360/2

D．360/260、對RS-232C通訊方式描述正確的是（）。

A．接口的信號電平值較低，不易損壞接口電路的芯片

B．傳輸速率較高，在異步傳輸時，波特率為200Kbps C．其傳輸距離有限

D．只用兩根線即可實現

二、判斷題（本大題共10個小題，每題2分，共計20分，請使用“A對B錯”答案形式）。1.功能的等效性、各環節的互補性是機電一體化優化設計的條件。2.系統可靠性是各組成環節可靠性的邏輯或。

3.可靠性原理是指規定條件和規定時間內，完成規定功能的能力。4.工業三要素是資金、人才、技術。

5.全閉環數控機床上位置傳感元件是裝在執行機構上。6.邏輯功能元包括:與、或、非、加、減、乘、除。7.現代設計方法強調產品全壽命周期最優化。

8.機電一體化設計以強度和低壓控制為中心，強調功能設計。

9.液壓伺服的缺點是效率低,保養麻煩,漏油污染環境，運動形式少，成本高，有附加裝置。10.直流伺服電動機的空載轉速n0與堵轉矩Tb之比的絕對值越小，則電機特性越軟。

11.RS-232接口在總線上允許連接多個收發器

12.為了防止采樣過程信號發生頻率混疊可以在采樣前設置一個高通濾波器

13.液壓馬達為得到合適的運動速度和負載能力，一般要使用較大傳動比的減速器，傳動機構的尺寸較大

14.串口通訊至少要包含物理層（硬握手電氣特性）和協議層（軟握手）15.DCS分布式控制系統具有集中管理和分散控制的特點。（）

16.采用惠斯登電橋結構傳感檢測時，為消除溫度干擾應采用的激勵電源為恒壓源。（）17.在小功率傳動鏈中為使總的折算慣量最小，各級傳動比分配應遵守前大后小原則。（）18.電氣伺服驅動裝置包括直流伺服和交流伺服。（）

19.傳動出現低速爬行現象不穩定的主要原因是摩擦系數和轉動慣量。（）

20.連續控制系統與點位控制系統之間最主要的區別在于點位控制系統有一個插補器 21.機電產品的功能可以劃分原理、結構、行為。

22.能實現順序控制的基本功能是組合邏輯，計數器，定時器。1

1。

10。

2。23.規劃一個PLC控制系統的步驟為,分解被控對象和機器；建立功能規范,安全電路設計, 詳細說明操作功能，建立PLC配置圖, 建立符號名表。

24.順序控制包括以狀態控制為主和以時間控制為主兩類。

25.測速發電機的原理與直流電機相同

26.27.28.29.30.對于傳感器的非線性，可以通過標定采用曲線擬合和線性插值的方法來提高數據精度。

常用的測溫傳感器中Pt熱電阻和熱電偶測量的是相對溫度。電液比例閥是用比例電磁鐵來代替手動調節。

開環控制系統中，多數采用步進電機作為伺服電機。

產品的功能、原理、結構設計，是機電一體化產品概念設計的核心內容。

三、分析題計算題

1.機械工業中微電子技術應用有哪些方面，及其對機電一體化設計的意義？

2.某工作臺采用直流電機絲杠螺母機構驅動，已知工作臺的行程L=250mm,絲杠導程t=4mm,齒輪減速比為i=5,要求工作臺位移的測量精度為0.005mm，采用高速端測量方法，采用絕對旋轉編碼器，則絕對碼盤最少要求的道數為多少？（忽略齒輪和絲杠的傳動誤差）。

3．如圖所示電機驅動系統，已知工作臺的質量為m=50kg負載力為F1＝1000N，最大加速度為10m／s2，絲杠直徑為d＝20mm，導程t＝4mm，齒輪減速比為i=5，總效率為?=30％，忽略絲杠慣量的影響，試計算電機的驅動力矩。

4.數字采樣閉環控制中誤差En（n=1,2,3,…），輸出控制量Un（n=1,2,3,…），比例系數為Kp，微分時間常數為Td，積分時間常數Ti，采樣周期為Ts，試寫出數字PID調節時的控制算式？

5.畫出集電極開路輸出（OC方式）驅動繼電器的電路圖和相應的緩沖電路，試分析采用OC驅動的特點。

6、絲杠導程6mm，3相步進電機的步距角為1.2度，3相6拍驅動時的脈沖當量為多少？(15分)？

7.設直流電機電樞感抗為La，電樞內阻為Ra，轉動慣量為Jm，速度電勢常數Kb，電流力矩常數Ki，電壓u(t)為輸入量，速度w(t)為輸出量時，求直流電機的傳遞函數？（15分）

8.分別說明相對旋轉光電編碼器的A、B相和Z相表示意義，請設計旋轉方向鑒別電路？ 參考答案：

一、CDCCD BABBB BACDC BAABC CADBB CADCC

二、ABABA BABBB

BBBAA BBBBB BAAAA ABAAA

三、1.應用方面：

1）對機器或機組系統運行參數進行巡檢傳感或控制 2)對機器或機組系統工作程序的控制

3)用電子技術代替傳統產品中機械部件完成的功能，簡化產品的機械結構 4)節約材料 5)節能降耗

對機電一體化設計的意義：

功能模塊化；封裝模塊化；電路（板）器件微型化；可靠性高；抗干擾能力強；結構一體化；機電產品體小、性優、價廉。

2、電機每轉的工作臺位移量為： 4mm/5=0.8mm 要求的每轉脈沖數為： 0.8/0.005=160 27<160<28

答：絕對碼盤的道數至少是8道。

3、計算負載力

負載力由外負載力、慣性負載力兩部分構成（1）外負載力Fl＝100N（2）慣性載力Fm＝ma＝50×10＝500N 電機的驅動力矩為

DCBDA BDDAC DDDAC BCBDA BCAAB ADCBC

1t1Tm???(Fl?Fm)?i2??

10.0041???(1000?500)??0.63N52?0.34.根據PID的控制算式

Un(t)?Kpe(t)?Kdde/dt?Ki?e(t)dt

TT可以得到絕對算式：Un?Kpen?d(en?en?1)?sTsTi或者是增量算式：

?ek?1nk?Uinitial

?Un?Kp(en?en?1)?TdT(en?en?2?2en?1)?sen

TsTi5．OC方式驅動繼電器電路圖和相應的緩沖電路圖：

緩沖電路方式可采用并聯二極管、并聯RC電路和并聯壓敏電阻等方法。交流開關的緩沖主要使用并聯一個RC串連電路和并聯壓敏電阻的方法。

緩沖過程，例如并聯二極管的緩沖電路：晶體管關斷時，負載電流通過二極管續流，減輕了晶體管的負擔，抑制了du/dt和過電壓。采用集電極OC輸出的特點：

相當于開關輸出。有較大電流驅動能力；能夠實現“線與”功能；能夠實現不同電路的接口。

6、3相6拍驅動時步進電機的脈沖當量角＝1.2／2＝0． 6。

反映在絲杠上的脈沖當量＝6／【360／0．6】＝0．01mm

7、設電機輸出力矩為Mm(t)，那么 Ea(t)=Kbωm(t)； Ea(s)=Kbωm(s)

Mm(t)?Kiia(t)?Mm(s)?KiIa(s)U(s)?RI(s)?LsI(s)?E(s)aaaaab

整理并消去中間變量得： Jmd?m(t)?Mm(t)?Jms?(s)?Mm(s)dt

1?RLaKbJ?(s)ma，其中，電磁時間常數，機電時間常數 T??T?am2RaU(s)TaTms?Tms?1KbKi8.A、B兩相是兩組檢測窄縫群，節距同光電脈沖發生器圓盤上節距相等的窄縫，但兩組檢測縫與圓盤上窄縫的對應位置錯開1/4節距，其目的是使a,b兩個光電變換器的輸出信號相位上相差90。Z相是零點脈沖，可以提示被測軸已經旋轉一周。

順時針旋轉時，通道A輸出波形超前通道B波形90°；逆時針旋轉時，通道A輸出波形滯后通道B波形90°；光電編碼器每旋轉一圈，Z相輸出一個基準脈沖，基準脈沖的波形中心對準通道A輸出的波形中心。

采用D觸發器即可實現方向鑒別，D觸發器的D端和時鐘端分別接A、B相信號，輸出端Q輸出0和1分別對應逆時針和順時針的旋轉方向。

第三篇：機電一體化系統設計

機電一體化系統設計

1、動力系統（動力源）、傳感檢測系統（傳感器）、執行元件系統（如電動機）等五個子系統組成。

2、系統必須具有以下三大“目的功能”：①變換（加工、處理）功能；②傳遞（移動、輸送）功能；③儲存（保持、積蓄、記錄）功能。

3的變換、調整功能，可將接口分成四種：1）零接口；2）無源接口；3）有源接口；4）智能接口。

4、機電一體化系統設計的考慮方法通常有：機電互補法、結合（融合）法和結合法。

5擦、低慣量、高強度、高諧振頻率、適當的阻尼比等要求。

6、為達到上述要求，主要從以下幾個方面采取措施：

1）采用低摩擦阻力的傳動部件和導向支承部件，如采用滾珠絲杠副、滾動導向支承、動（靜）壓導向支承等。

2如用加預緊的方法提高滾珠絲杠副和滾動導軌副的傳動和支承剛度；采用大扭矩、寬調速的直流或交流伺服電機直接與絲杠螺母副連接以減少中間傳動機構；絲杠的支承設計中采用兩端軸向預緊或預拉伸支承結構等。

3的等效動慣量，盡可能提高加速能力。

5如選用復合材料等來提高剛度和強度，減輕重量、縮小體積使結構緊密化，以確保系統的小型化、輕量化、高速化和高可靠性化。

第四篇：機電一體化復習題

一、填空

1、對伺服系統的技術要求是__定位精度，速度穩定度，力矩大小___、響應速度，啟動力矩___

2、機電一體化的機械系統設計主要包括兩個環節：靜態設計，動態設計。

3、計算機控制系統的類型包括操作指導控制系統______、直接數字控制系統______、監督（計算機）控制系統、分級計算機控制系統______。

4、擬定機電一體化系統（產品）設計方案的方法通常有__取代法___、整體設計法______、組合法_ ___。

5、接口的基本功能主要有_變換___、放大、耦合____。

6、對直線導軌副的基本要求是_導向精度高____、耐磨性好_____、足夠的剛度______、__

對溫度變化的不敏感性____和平穩。

7、機電一體化機械系統應具有良好的侍服性能，要求機械傳動部件轉動慣量小、阻力合理_阻尼合理__、_剛度大___、抗振性好____、間隙小____、并滿足小型、輕量等要求。

8、伺服系統的基本組成包括_控制器___、_功率放大器__、檢測裝置、執行機構__。

9、工作接地分為__一點接地__、多點接地____。

10、STD總線的技術特點模塊化設計_______、系統組成_____、__修改和擴展方便_____、高可靠性。

11、機電一體化系統中常見的軸承包括滾動軸承____、滑動軸承_____、靜壓軸承_____、磁軸承。

12、從控制角度講，機電一體化可分為 開環控制系統和 閉環控制系統。

13、按干擾的耦合模式干擾可分為靜電干擾、磁場耦合干擾_____、漏電耦合干擾____、____、_____等干擾類型。

14、在機電一體化中傳感器輸出電信號的參量形式可以分: 電壓輸出、電流輸出、頻率輸出 三種形式

15、用軟件識別有用信號和干擾信號、并濾去干擾信號的方法稱為___、識別信號的原則有____、_____。

16、多點接地：優點： 互不干擾缺點：接線多，復雜。

17、機電一體化系統一般由__機械本體___、動力和驅動_____、接口、執行機構_____、傳感器檢測部分_____、控制及處理部分____等部分組成。

18、實現步進電動機通電環形分配的三種常用方法是：采用計算機軟件分配器、小規模

集成電路搭接的硬件分配器、專用模塊分配器。

19、一般來說，伺服系統的基本組成為 控制器、功率放大器、執行機構和 檢測裝置等四大部分組成。

20、產生電磁干擾必備的三個條件是： 干擾源、傳播途徑、接受干擾對象。

21、在SPWM變頻調速系統中，通常載波是 等腰三角波而調制波是（三相）正弦波。

22、從電路上隔離干擾的三種常用方法是 光電隔離，變壓器隔離，繼電器隔離。

23、機電一體化是從系統的觀點出發，將__將機械技術，微電子技術，信息技術___、_____、_____、機械技術等在系統工程的基礎上有機的加以綜合，實現整個機械系統__最佳化____而建立的一門新的科學技術。

24、開環步進電動機控制系統，主要由 環形分配器、功率驅動器和步進電動機等組成。

25、伺服系統的基本組成部分包括_控制器____、比較環節_____、執行機構、檢測裝置_____四大部分。

26、干擾傳播途徑有二種方式：

1）傳導耦合方式：干擾信號能量以 電壓或 電流的形式，通過金屬導體傳遞。

2）幅射耦合方式：干擾信號能量以 電磁場的形式，通過空間感應傳遞。

27、機電一體化系統（產品）設計類型大致可分為_開發性設計____、適應性設計、變參數設計_____

28、指出下列干擾哪幾種屬于傳導耦合方式： C、D;哪幾種屬于幅射耦合方式： A、B、E。

A.靜電干擾B.磁場干擾C.漏電干擾D.共阻抗感應干擾E.電磁輻射干擾。

29、機電一體化系統對機械傳動總傳動比確定的最佳選擇方案有_轉動慣量原則__、_輸出軸轉角誤差最小原則___、質量最小原則。

30、磁場屏蔽---對高頻交變磁場應采用銅和鋁等導電性能好的金屬材料作屏蔽體；對低頻交變磁場應采用 鐵等高導磁率的材料作屏蔽體，并保證磁路暢通。

31、機電一體化系統包括_機械技術___、傳感檢測技術____、信息處理技術、自動控制技術____、伺服驅動技術____、總體等相關技術。

32、一點接地中：1）串聯接地：優點：最簡單，缺點：前后相互干擾，2）并聯接地：優點：干擾小，缺點： 接線多，復雜，僅適用于 低頻電路。

二、簡答題

1、為什么國家嚴令禁止個人和集體私自使用大功率無繩電話？

答:為了保障名航飛行的安全，避免名航無線電專用頻率受到干擾，信息產業部要求，嚴查非法生產，銷售大功率無繩電話機。保護名航飛行是無線電管理的重要工作之一，因此，信息產業部正在與相關部門密切配合，加強無線電發射設備的市場管理，嚴禁大功率無繩電話的 生產銷售。目前已收激了大量無繩電話機，并清理規范了無線尋呼發射機，廣播電視發射機，校園調頻廣播的設置與使用。

2、什么是接地？常用的接地方法有哪些？各有什么優缺點？

答：1；將電路，設備機殼等與作為零電位的一個公共參考點（大地）實現低阻抗連接。稱接地。2；一點接地，多點接地3；優點；比較簡單，用的地方還比較多。缺點；各電路電平相差很大時不能使用，因為高電平將產生很大的地電流并干擾到低電平電路中去。優點；適用低頻信號。缺點；電路工作頻率較高，電感分量大，各地線間的互感耦合會增加干擾。

3、機電一體化對機械系統的基本要求是什么？

答：高精度；快速反應；良好的穩定性

4、如何理解質量最小原則。

5、簡述干擾的三個組成要素。

答：干擾源，傳播途徑和接受載體。

6、機電一體化對伺服系統的技術要求是什么？

答；精度高，響應速度快，穩定性好，負載能力強和工作頻率范圍大等基本要求，同時還要求體積小，重量輕，可靠性高和成本低等。

7、機電一體化系統中的機械裝置包括那些內容？

答：主要包括傳動，支承，導軌等

8、機電一體化傳動系統有哪幾種類型？各有什么作用

答（1）齒輪傳動是機電一體化系統中常見的傳動裝置，它在伺服運動中的主要作用是實現伺服電機與執行機構間的力矩匹配和速度匹配，還可以實現直線運動和旋轉運動的轉換。（2）螺旋傳動是機電一體化系統中常用的的一種傳動形式。它是利用螺桿與螺母的相對運動，將旋轉運動變為直線運動（3）滑動摩擦導軌直線運動導軌的作用是引導運動部件用來支承和引導運動部件按給定的方向作用往返直線運動滾動摩擦導軌是在運動件和承導件之間放置滾動體（滾珠，滾柱，滾動軸承等）。使導軌運動時處于滾動摩擦狀態。

9、簡述在機電一體化系統中提高抗干擾的措施有哪些？

答：1邏輯設計力求簡單2硬件自檢測和軟件自恢復的設計3從安裝和工藝方面采取措施消除干擾

10、試簡述機電一體化系統的設計步驟。

答：設計預測---信號分析---科學類比---系統分析設計---創造設計---選擇各種具體的現代設計方法（如相似設計法，模擬設計法等）---機電一體化系統設計質量的綜合評價。

三、名詞解釋

1、共模干擾

2、伺服控制技術

3、靈敏度

4、壓電效應

5、系統精度

6、機電一體化

7、自動控制

8、開環控制系統

9、線性度

10、串行通信

《1》機電一體化：從系統的觀點出發，將機械技術，微電子技術，信息技術，控制技術等在系統工程基礎上有機地加以綜合，以實現整個系統最佳化的一門新科學技術。

《2》靈敏度：指在穩態下，輸出變化量Y與輸入X變化量的比值。

《3》壓電效應：是指某些電介質，對它施加力使產生變形時，內部就會產生極化現象，同時在它的兩個表面上將產生符號相反的電荷。當外力去掉后，它又重新恢復到不帶電的狀態。《4》共模干擾：指同時加載在各個輸入信號接口端的共有的信號干擾。

《5》線性度：傳感器輸出量與輸入量之間的關系曲線偏離直線的程度。

《6》自動控制：由控制裝置自動進行操作的控制。

《7》開環控制系統：無反饋的控制系統。

《8》伺服控制技術：是一種能夠跟蹤輸入的指令信號進行動作，從而獲得精確的位置，速度及動力輸出的自動控制技術。

《9》串行通信：是數據按位進行傳送的。在傳輸過程中，每一位數據都占據一個固定的時間長度，一位一位的串行傳送和接收。

《10》系統精度：指輸出量復現輸入信號要求的精確程度。

第五篇：機電一體化系統設計講稿

項目一 數控車床主傳動系統設計與部件選擇

1.1無級變速傳動鏈

1.1.1機床主傳動系統設計滿足的基本要求

機床主傳動系統因機床的類型、性能、規格尺寸等因素的不同，應滿足的要求一也不一樣。在設計機床主傳動系統時最基本的原則就是以最經濟、合理的方式滿足既定的要求。在設計時應結合具體機床進行分析，一般應滿足下述基本要求:(1)滿足機床使用性能要求。

首先應滿足機床的運動特性，如機床的主軸有足夠的轉速范圍和轉速級數(對于主傳動為直線運動的機床，則有足夠的每分鐘雙行程數范圍及變速級數);傳動系統設計合理，操作方便靈活、迅速、安全可靠等。(2)滿足機床傳遞動力要求。

主電動機和傳動機構能提供和傳遞足夠的功率和轉矩，具有較高的傳動效率。

1.1.2數控機床主傳動系統分類

機床主傳動系統可按以下不同的特征來分類:(1)按驅動主傳動的電動機類型可分為交流電動機驅動和直流電動機驅動。交流電動機驅動中又可分為單速交流電動機驅動或調速交流電動機驅動兩種。調速交流電動機驅動又有多速交流電動機驅動和無級調速交流電動機驅動。無級調速交流電動機通常采用變頻調速的原理。(2)按傳動裝置類型可分為機械傳動裝置、液壓傳動裝置、電氣傳動裝置及其組合。(3)按變速的連續性可分為分級變速傳動和無級變速傳動(此部分在下面詳細介紹)。數控機床的主傳動要求有較大的調速范圍，以保證在加工時能選用合理的切削用量，從而獲得最佳的生產率、加工精度和表面質量。數控機床的變速是按照控制指令自動進行的，因此變速機構必須適應自動操作的要求。大多數數控機床采用無級變速系統，數控機床主傳動系統主要有以下四種配置方式:(1)主軸電動機直接驅動。

如圖2一1(a)所示，電動機軸與主軸用聯軸器連接，這種方式大大簡化了主軸箱和主軸結構，有效地提高了主軸部件的剛度，但主軸輸出扭矩小，電動機發熱對主軸影響較大。目前，多采用交流伺服電動機，它的功率很大，但輸出功率與實際消耗的功率保持同步，效率很高。(2)電動機經同步齒形帶帶動主軸。

如圖1一1(b)所示，電動機將其運動經同步齒形帶以定比傳動傳遞給主軸。由于輸出扭矩較小，這種傳動方式主要用于小型數控機床低扭矩特性要求的主軸，可以減小傳動中的振動和噪聲。

(3)電動機經齒輪變速傳動主軸。

如圖1一1(c)所示，主軸電動機經二級齒輪傳動變速，使主軸獲得低速和高速兩種轉速，從而使之實現分段無級變速，這種方式在大、中型數控機床中采用較多。經過齒輪傳動降速后，電動機輸出轉矩可以擴大，以滿足主軸低速運轉時輸出扭矩大的特性要求。一部分小型數控機床一也采用這種傳動方式，以獲得強力切削時所需要的扭矩。(4)電主軸。

如圖1一1(d)所示，將調速電動機與主軸合成一體(電動機轉子軸即機床主軸)，其優點是主軸部件結構緊湊、剛度高、質量輕、慣量小，且可提高調速電動機啟動、停止的響應特性;其缺點是電動機發熱易引起熱變形。1.1.3無級變速傳動鏈的設計 無級變速傳動鏈可以在一定的變速范圍內連續改變轉速，以得到最有利的切削速度;能在運轉中變速，便于實現變速自動化;能在負載下變速，便于車削大端面時保持恒定的切削速度，以提高生產效率和加工質量。無級變速傳動可由機械摩擦無級變速器、液壓無級變速器和電氣無級變速器來實現。機械摩擦無級變速器結構簡單、使用可靠，常用于中、小型車床、銑床等主傳動系統中。液壓無級變速器傳動平穩、運動換向沖擊小，易于實現直線運動，常用于主運動為直線運動的機床，如磨床、拉床、刨床等機床的主傳動系統中。電氣無級變速器有由直流電動機或交流調速電動機驅動的兩種，由于它可以大大簡化機械結構，便于實現自動變速、連續變速和負載下變速，故其應用越來越)’一泛，尤其在數控機床上目前幾乎全都采用電氣無級變速器。

數控機床的主運動廣泛采用無級變速傳動，這不僅能使其在一定的調速范圍內選擇到合理的切削速度，而且還能在運轉中自動變速。無級變速系統有機械、液壓和電氣等多種形式，數控機床一般采用由直流或交流調速電動機作為驅動源的電氣無級變速。由于數控機床主運動的調速范圍較寬，一般情況下單靠調速電動機無法滿足;另一方面調速電動機的功率和轉矩特性一也難以直接與機床的功率和轉矩要求安全匹配。因此，需要在無級調速電動機之后串聯機械分級變速傳動，以滿足調速范圍和功率、轉矩特性的要求。(1)無級變速裝置的分類。

機床主傳動中常用的無級變速裝置有三類:變速電動機、機械無級變速裝置和液壓無級變速裝置。

1)變速電動機。

機床上常用的變速電動機有直流電動機和交流電動機，它們在額定轉速以上為恒功率變速，通常變速范圍僅為2 ~3;額定轉速以下為恒定轉矩變速，調整范圍很大，變速范圍可達30甚至更大。上述功率和轉矩特性一般不能滿足機床的使用要求。為了擴大恒功率變速范圍，可在變速電動機和主軸之間串連一個分級變速箱。變速電動機I’一泛用于數控機床和大型機床中。

2)機械無級變速裝置。

機械無級變速裝置有柯普(Koop)型、行星錐輪型、分離錐輪鋼環型和寬帶型等多種結構，它們都是利用摩擦力來傳遞轉矩的，通過連續地改變摩擦傳動副工作半徑來實現無級變速。由于它的變速范圍小，多數是恒轉矩傳動，通常較少單獨使用，而是與分級變速機構串聯使用，以擴大變速范圍。機械無級變速器應用于要求功率和變速范圍較小的中、小型車型、銑床等機床的主傳動中，更多的是用于進給變速傳動中。

3)液壓無級變速裝置。

液壓無級變速裝置通過改變單位時間內輸入液壓缸或液動機中液體的油量來實現無級變速。它的特點是變速范圍較大，變速方便，傳動平穩，在運動換向時沖擊小;易于實現直線運動和自動化。液壓無級變速裝置常用在主運動為直線運動的機床中，如刨床、拉床等。(2)無級變速裝置與機械分級變速機構的串聯。在無級變速系統裝置單獨使用時，其調速范圍都較小，遠遠不能滿足現代通用機床變速范圍的要求。因此，常常將無級變速裝置與機械分級變速機構串聯，以擴大其變速范圍。(3)采用直流或交流電動機無級調速。

機床上常用的無級變速機構為直流或交流調速電動機。直流電動機是采用調壓和調磁方式來得到主軸所需轉速的。直流電動機從額定轉速向上至最高轉速是用調節磁場電流(簡稱調磁)的辦法來調速的，屬于恒功率調速;從額定轉速向下至最低轉速是用調節電樞電壓(簡稱調壓)的辦法來調速的，屬恒轉矩調速。通常，直流電動機的恒功率變速范圍較小，僅為2~4，而恒轉矩變速范圍很大，可達幾十，甚至超過100。交流調速電動機靠調節供電頻率的方式來調速，所以其常被稱為調頻主軸電動機。通常額定轉速向上至最高轉速氣max為恒定功率，變速范圍為3~5;額定轉速至最低轉速氣為恒轉矩，變速范圍為幾十，甚至超100。直流和交流電動機的功率轉矩特性如圖1-2所示。

交流調速電動機由于體積小、轉動慣性小、動態響應快、沒有電刷且能達到的最高轉速比同功率的直流電動機高，故磨損和故障也少。現在在中、小功率領域，交流調速電動機已占優勢，應用一也更加廣泛。伺服電動機和脈沖步進電動機都是恒轉矩的，而且功率不大，所 以只能用于直線進給運動和輔助運動。基于上述分析可知，如果直流或交流調速電動機用于拖動直線運動執行器，例如龍門刨床工作臺(主運動)或立式車床刀架(進給運動)，可直接利用調速電動機的恒轉矩變速范圍，用電動機直接帶動或通過定比減速齒輪拖動執行機構。

1.2主傳動系統分析

數控車床用于加工回轉體零件。它集中了臥式車床、轉塔車床、多刀車床、仿形車床、自動和半自動車床的功能，是數控機床中應用較廣泛的品種之一。下面以一個典型數控車床C K3263 B為例說明如何分析數控機床主傳動系統，圖1一4所示為C K3263 B主傳動系統。主電動機經帶輪副和四速變速機構驅動主軸，其傳動路線表達式是

擬定轉速圖如圖2-5所示，從圖中可知，主軸共得到四段轉速:

1.3 車床數控化改裝主傳動系統方案設計

將06140臥式車床改造成用MCS-51系列單片機控制的經濟型數控車床，采用步進電動機開環控制，縱向和橫向均具有直線和圓弧插補功能。將原來的主傳動系統改裝為主變速系統。一般的臥式車床在改裝為經濟型數控車床時，主傳動系統和變速操縱機構是不動的，可利用暫停指令進行手動變速換擋，然后再繼續加工。如果要提高機床的自動化程度或者所加工工件的直徑相差較大，在加工過程中需要自動變速時，可考慮設置加工過程中的自動變速裝置，本任務即后一種情況。

將機械主傳動系統改裝為自動變速裝置的幾種方案說明見下文介紹。1.采用多速電動機改裝

目前采用多速電動機對主傳動系統進行改裝，一般是將主電動機更換為雙速或四速電動機，由微機系統信號自動控制切換電動機的轉速。這樣做的好處是機床性能良好，主傳動鏈改裝量較少，但多速電動機的功率是隨著轉速的變化而變化的，所以電動機功率要選的大一些，同時電動機的尺寸一也大，因此還要增加一套電動機變速系統。2.主變速系統改裝

對主軸箱內變速系統進行改裝，一般是將滑移齒輪變速改為電磁離合變速。這種變速機構仍為有級變速，一般變速級數不超過四級。3.采用直流主軸電動機或交流主軸電動機改裝

改裝后，機床主軸由直流主軸電動機(或交流主軸電動機)通過皮帶直接帶動，并通過電氣系統實現無級變速。

采用直流主軸電動機或交流主軸電動機改裝，其改裝成本高，但效果好，能獲得滿意的速度，而且由于傳動鏈中沒有齒輪，故噪聲很小。另外在改裝中要注意，主軸電動機的選擇要與進給系統電動機配套，以利于使用CNC系統。圖1-5所示為本任務改裝后的主傳動系統示意。拆下原操縱手柄，裝上齒輪2;以一個180 W的交流小電動機8通過蝸輪副7和齒輪3, 2將運動傳給手柄軸1，帶動主軸箱內的撥叉和滑塊進行變速。另外將手柄軸接長，在接長軸4上安裝帶單個壓塊6的圓盤，并在附加的機殼上固定一個裝有6個微動開關的圓盤5, 6個微動開關的位置與6級變速擋位對應。當手柄軸帶動圓盤轉動時，壓塊6依次壓下6個微動開關，發出6個不同信號，數控系統通過對電路信號的識別來控制變速。

自動變速過程如下:當變速電動機接到S指令后，便開始轉動，通過傳動裝置使手柄軸帶動撥叉滑塊使變速齒輪移位。與此同時，在速度繼電器的控制下，主電動機低速點動，以便滑移齒輪順利地進人嚙合位片。當壓塊壓下的觸點信號與數控系統S指令信號相符時，小電動機制動，主運動變速完成。這種方案保留了原主軸箱的結構，改裝量小，但只適合于06140型車床。

1.3.2主傳動系統設計過程 1.明確已知條件，草擬轉速圖 擬定轉速圖的一般步驟如下:(i)確定變速組數及各變速組的傳動副數;(2)安排變速組的傳動順序，擬定結構式(網);(3)分配傳動副傳動比.繪制轉涼圖 2.齒輪齒數的確定

齒輪的齒數取決于傳動比和徑向尺寸要求。在同一變速組中，若模數相同且不采用變位齒輪，則傳動副的齒數和相同;若模數不同，則齒數和S與模數m,成反比，即:

對于三聯滑移齒輪，當采用標準齒輪且模數相同時，最大齒輪與次大齒輪的齒數差應大于4，以避免滑移過程中的齒頂干涉。

當傳動比i采用標準公比的整數次方時，齒數和S及小齒輪齒數可以從表1一1中查得。

1.4 實訓準備

1.項目任務單

項日任務單見附錄二。2.項目要求

學完基礎知識及實例后，學生自主分析數控車床主軸箱實物，熟悉內部組成，然后分組制訂設計方案，方案合格后，開始具體設計。3.儀器與設備(1)CAK4085數控車床6(2)《機床設計手冊》若干。(3)扳手、鉗子、直尺。4.實訓步驟

(1)學生分組，并在現場分析數控車床主軸箱實物。(2)學生分組，制定任務實施方案。

(3)根據任務實施方案，學生將任務實施過程填入記錄表1一2中。1.4.2項目評價

項日的整體評價如表1-3所示。

圖1一1數控機床主傳動的配置方式

圖1-2直流和交流調速電動機的功率轉矩特性

圖1-4 CK3263B主傳動系統

圖1-5改裝后主傳動系統示意圖

表1一1常見傳動比的適用齒數

表1一2項目實施過程記錄表

表1-3項目評價表

項目二數控車床導軌副設計 2.1.1導軌副設計步驟

(1)根據已知的工作條件，選擇合適的導軌類型，常見導軌形式見表2-1.(2)選擇導軌截面形狀與組合方式。常見導軌截面形狀見表2一2。1)雙三角形導軌。如圖2-1所示，雙三角形導軌導向性和精度保持性都很高，磨損后能自動下沉補償磨損量。兩條三角形導軌副同時起支撐和導向作用，由于結構對稱，兩條導軌磨損均勻，故接觸剛度好。但由于超定位，加工、檢驗、維修都較困難，而且當量摩擦系數也高，因此適于精度高的場合。例如絲杠車床、單柱坐標鎖床的導軌副等。2)雙矩形導軌。

如圖2一2所示，雙矩形導軌的剛度高，當量摩擦系數比雙三角形導軌低，承載能力強，加工、檢驗、維修都較方便，因此被廣泛使用，例如數控機床的導軌副。雙矩形導軌承載面和導向面是分開的，存在側向間隙，必須用鑲條調節。

如圖2一2(a)所示，用兩外側面做導向面時，間距大、熱變形大、間隙大，因而導向精度低、承載能力大;如圖2-2(b)所示，以內外側面做導向面時，間距小、熱變形小、間隙小，因而導向精度高、易獲得較高的平行度;如圖2一2(c)所示，用兩內側面做導向面時，由于導軌面對稱分布在導軌中部，當傳動件位于對稱中心線上時，避免了由于牽引力與導向中心線不合而引起的偏轉，不致在改變運動方向時引起位置誤差，故導向精度高。3)三角形與矩形組合。

如圖2-3(a)和圖2-3(b)所示，三角形與矩形組合導軌兼有三角形導軌的良好導向性及矩形導軌的制造方便、剛性好等優點，并避免了由于熱變形所引起的配合變化。其缺點是三角形導軌比矩形導軌磨損快，易造成磨損不均勻，磨損后又不能通過調節來補償，故對位置精度有影響。

三角形與矩形組合導軌兼有導向性好、制造方便和剛度高等諸多優點，因此被廣泛使用，例如車床、磨床、龍門刨床、龍門銑床、滾齒機、坐標鎖床的導軌副等。4)雙燕尾形導軌。

如圖2一4(a)所示，它的高度較小，可以承受顛覆力矩，是閉式導軌中接觸面最少的一種結構。間隙調整方便，用一根鑲條就可以調節各接觸面的間隙。這種導軌剛度較差，加工、檢驗、維修都不大方便，適用于受力小、層次多、要求間隙調整方便的場合，例如牛頭刨床和插床的滑枕導軌、升降臺銑床的床身導軌、車床刀架導軌副和儀表機床導軌等。5)矩形與燕尾形導軌組合。

如圖2一4(b)所示，由于它兼有調整方便、能承受較大力矩的優點，故多用于橫梁、立柱和搖臂的導軌副。6)雙圓柱導軌組合。圓柱導軌具有制造方便、不宜積存較大切屑的優點，但間隙難以調整，磨損后一也不易補償，因此適用于移動件只受軸向力的場合，例如攻螺紋機、機械手的導軌副等。(3)通過計算選擇結構參數。

1)計算額定動載荷Ca’(單位N)。

式中: KW—負荷系數，按表2一3選取;KH----硬度系數，按表2一4選取;KT—溫度系數，按表2一5選取;KC—接觸系數，按表2一6選取;K—壽命系數，一般取K=50;2)依據 的原則，選擇結構參數。(4)其他參數選擇。1)導軌材料選擇。

鑄鐵耐磨性好，熱穩定性高，減振性好，成本低，易于加工，在滑動導軌中應用廣泛。淬硬的鋼導軌耐磨性好。鑲裝塑料導軌具有耐磨性好，動、靜摩擦系數接近，化學穩定性好，抗振性好，抗撕傷能力強，工作范圍廣，成本低等諸多優點。在選材時，支撐導件與運動件應選不同的材料，其熱處理的方式一也有所不同。2)調整裝置。

導軌工作時會產生間隙，間隙過小會增加摩擦阻力，間隙過大會降低導向精度，所以應選擇合適的調整裝置進行調整。例如滑動導軌副采用壓板和鑲條兩種方法調整。①鑲條。

鑲條用來調整矩形導軌、燕尾形導軌的側隙，以保證導軌面能正常接觸。鑲條應放在導軌受力較小的一側，常用的有平鑲條和楔形鑲條兩種。

平鑲條如圖2一5所示，它是靠調整螺釘1移動鑲條2的位置來調整間隙的，圖2一5(c)所示為在間隙調整好后，再用螺釘3將鑲條2緊固。平鑲條調整方便，制造容易，圖2一5(a)和圖2一5(b)所示的鑲條較薄，而且只在與螺釘接觸的幾個點上受力，容易變形，剛度較低，日前較少使用。楔形鑲條如圖2一6所示，鑲條的兩個面分別與動導軌和支撐導軌均勻接觸，所以比平鑲條剛度高，但加工較困難。

楔形鑲條的斜度為1 : 100一1:40,鑲條越長，斜度應越小，以免兩端厚度相差太大。如圖2一6(a)所示的調整方法是用調節螺釘1帶動鑲條2做縱向移動以調節間隙。鑲條上的溝槽a在刮配好后加工，這種方法構造簡單，但螺釘頭凸肩和鑲條上溝槽之間的間隙會引起鑲條在運動中竄動。圖2一6(b)所示為從兩端用螺釘3和5調節，避免了鑲條4的竄動，性能較好。圖2一6(c)所示為通過螺釘6和螺母7調節，鑲條8上的圓孔在刮配好后加工，這種調節方法方便，且能防止鑲條8的竄動，但其縱向尺寸較長。②壓板。

壓板用來調整輔助導軌面的間隙和承受的顛覆力矩，如圖2一7所示。

2.2.1選擇導軌副

1.確定最大載荷F-max 已知作用在單滑座上的最大載荷Fmax，滑座數M=4，工作臺受到進給方向的載荷(與絲杠軸線平行)Ff= 1 401 N，工作臺受到橫向的載荷(與絲杠軸線垂直)F-n= 337 N ,工作臺受到垂直方向的載荷(與工作臺面垂直)Fe=512 N，移動部件總重量G =736 N。單滑塊所受的最大垂直

2.確定額定工作時間壽命孔 要求該導軌副每天開機6h，每年工作300個工作日，且工作8年以上，則額定工作時間壽命:

3.確定行程長度系數TS 要求單向行程長度LS = 0.52m，每分鐘往返次數為3，則額定行程長度系數: 4.計算額定動載荷Ca’(單位為N)要求工作溫度不超過120 0C，工作速度為40 m/min，滾道表面硬度取60 HRC。由前面的計算結果得額定工作時間壽命Th = 14 400 h。則:

表2一7為JSA一KL型直線滾動導軌副(寬型螺孔)尺寸參數，圖2一8所示為其外形圖;表28 JSA-ZL型直線滾動導軌副尺寸參數

表2-9項目實施過程記錄表

表2-10項目評價表

項目三 簡易機電產品設計與制作

3.1.1設計原則

一方面，在保證產品完成規定功能的前提下，通過對構成各子系統的方案進行優化組合，降低成本，使系統功能平穩、準確、快速，以滿足用戶的要求。機電一體化產品的主要特征是自動化操作，功能是產品的生命，只有功能可靠，產品才具有價值。另一方面，要使功能達到最佳，機械子系統、電子信息處理子系統、動力子系統、傳感檢測子系統和執行機構子系統5部分構成要素的匹配、相互協調和相互補充也極為重要。而通過降低成本，并且使系統功能達到穩、準、快，又增強了產品的市場競爭力。

3.1.2設計工作流程

一個全新的機電一體化產品的正向設計和開發過程大體可以分為產品規劃、概念設計和詳細設計三個階段。1.產品規劃階段

產品規劃包括需求分析、市場預測和技術可行性分析，最后確定設計參數及設計制約條件，提出設計要求，并將其作為設計、評價和決策的依據。(1)需求分析。

需求分析從需求識別開始，認識需求是一種創造性工作，設計人員應深人實際，細致觀察，敏銳捕捉市場的需求，并及時完成產品的開發和試制工作。(2)市場預測。

市場預測是產品的前期調研工作，調研內容主要有以下三方面: 1)面向用戶的產品市場調研:主要有產品銷售對象的可能銷售量，用戶對產品的功能、性能、質量、使用維護、包裝及價格等方面的要求。此外，還應了解競爭產品的種類、優缺點和市場占有率等情況。

2)面向產品設計的技術調研:主要有行業和專業技術發展動態，相關理論的研究成果和新材料、新器件的發展動態，競爭企業、競爭產品的技術特點分析等。此外，還要了解本單位的生產基礎條件。

3)面向產品生命周期的社會環境調研:主要有產品生產和目標市場所在地的經濟技術政策(如產業發展政策、投資動向、環境保護及安全法規等)，產品的種類、規模及分布，社會的風俗習慣，社會人員構成狀況及消費水平、消費心理和購買能力等。

通過調研應確定開發產品的必要性、種類和生命周期，預測產品的技術水平、經濟效益和社會效益等，確定用戶對產品的功能、性能、質量、外觀和價格等方面的要求，即形成產品的初步概念，然后進行技術可行性分析。(3)技術可行性分析。

技術可行性分析包括以下幾個方面: 1)關鍵技術和技術線路:研究本產品需要的關鍵技術，指明產品實現的技術路線和技術標準。例如，一個新概念汽車，采用什么樣的發動機、什么樣的控制總線和什么樣的人機接口等。所使用的關鍵性技術應該是比較成熟的、成本和技術風險容易控制的。如果要采用比較前沿的新技術，則需要在市場和成本方面多做考慮。

2)可選技術方案:同樣的產品可能有多種技術方案可選擇，設計人員必須根據一定的準則從中選擇一個最合適的方案或將這些方案進行綜合處理。

3)主要性能指標及技術規格的可行性:產品的性能指標及技術規格對產品的成本和市場競爭力至關重要。性能指標和技術規格越高，產品的成本就越高，價格也就越高。但市場競爭力不完全由技術性能決定，還與其價格、品牌等許多因素有關。用戶往往追求性價比高的產品。因此制定產品的規格和性能指標需要綜合考慮各方面的因素，突出產品的特色，力爭做到高性能、低價格。在制定主要產品的規格和性能指標時還要充分參考競爭對手的產品及發展趨勢，制定最合理的參數。

4)主要技術風險:綜合分析產品功能、技術規格及性能指標實現的可能性，分析產品開發、生產中可能存在的各種問題和風險，以及這些問題與風險的解決和規避方法。如果不充分考慮這些問題和風險，產品開發時間則可能拖延，從而錯過市場最佳時機，使產品的成本過高、質量和成品率低或者大規模地更換生產設備等。因此，必須提前對這些問題進行充分的評估，使產品開發和生產能順利進行。

5)成本分析:根據所制定的產品技術規格和技術路線，綜合分析產品成本，包括技術成本、原材料成本、制造成本和人力成本等，為產品的立項提供決策支持。

6)結論和建議:根據產品的成本分析和技術風險分析，對產品的技術規格、性能指標和市場定位等參數提出修改建議，確定產品是否立項。產品立項應給出生產設計要求表，表中所列要求分為特征指標、優化指標和尋常指標，各項要求應盡可能量化，并按重要程度分出等級。2.概念設計階段

在概念設計階段輸人生產設計要求表，輸出總體方案。該方案主要包括產品外觀和結構布置方案、產品部件或子系統劃分以及設計目標、各部件或子系統的接口設計等三個方面，并制訂詳細設計任務書、驗收規范及進度計劃。

3.3案例導入

(3)確定小帶輪齒數Z1和小帶輪節圓直徑d1.應使小帶輪齒數，而帶輪最小許用齒數Z min可查表3一3獲得。當帶速和安裝尺比寸允許時，Z1盡可能選用較大值，初步選取Z1=12。(4)確定大帶輪齒數Z2和大帶輪節圓直徑d2(5)初選中心距久ao、帶的節線長度Lop、帶的齒數Zb。

根據表9-4選取接近標準的節線長度Lp=381mm，相應齒數Zb= 40。(6)計算實際中心距a。

設計同步帶傳動時，中心距a應該可以調整，以便獲得適當的張緊力。(7)校驗帶與小帶輪的嚙合齒數Zm 嚙合齒數:(8)計算基準額定功率P0

(9)確定實際所需的同步帶寬度bs。

式中bs0—選定型號的基準寬度，由表9-5可查得bs0 = 25.4mm;Kz—小帶輪嚙合齒數系數，由表9-6可查得K, = 0.8。10)帶的工作能力驗算。

根據下式計算同步帶額定功率P的精確值，若結果滿足 率)，則帶的工作能力合格。

帶的設計功

同步帶傳動示意簡圖如圖3-9所示。(11)結果整理。

同步帶:選用L型同步帶，訂購型號為150 L100

最后，經過廠家訂購與協商，確定帶輪及帶，零件如圖3一

10、圖3一11所示，同步帶傳動效果如圖3一12所示。3.3.3錐齒輪傳動設計

(1)確定齒輪材料及精度等級。

錐齒輪材料選擇45 #鋼調質，齒面硬度為217~225 HBS。經過計算齒輪傳動的最大圓周速度為4.19 m/s，查表3一8可確定錐齒輪精度等級為7級)(2)確定模數及齒數。(3)計算相關參數。

根據以上尺寸畫出小錐齒輪零件(見圖3一13)和大錐齒輪零件圖(見圖3一14)。錐齒輪傳動嚙合部分三維造型如圖3一15所示。3.3.4計數系統設計 在啤酒、汽水和罐頭等灌裝生產線上，常常需要對隨傳送帶傳送到包裝處的成品瓶進行自動計數，以便統計產量或為計算機管理系統提供數據。光電計數器是通過紅外線發射和接收進行計數的，有直射式和反射式兩種。直射式的發射、接收分體，發生器和接收器分別置于流水線兩邊，中間沒有阻擋時發射器的紅外線反射到接收器上，接收器收到發射來的紅外線，經相反處理使之沒有信號輸出，有工件經過時擋住光路，接收機失去紅外線信號便輸出一個脈沖信號到運算累加器進行計數。發射式是發射、接收同體，置流水線一邊，前面沒有工件往下流時，發射器發出的紅外線直接射出沒有反射，接收器沒有接收到反射來的紅外線信號則沒有輸出。有工件經過時，其將擋住光電路使發射器發出的紅外線信號反射到接收器上，接收器接收到反射來的紅外線信號便輸出一個脈沖信號到運算累加器進行計數。本項目的設計日的是每推一個料，計數器顯示一個數，逐次遞增。整體方案是:通過傳感器(光電開關或磁性開關)檢測到推桿動作，將信號傳到單片機，單片機輸出，并令數碼管顯示推出工件個數)其結構如圖3一16所示。

本設計是兩種傳感器均可，接線圖如圖3一17所示。

本設計中的計數器、光電開關、磁性開關均需外購，其外形如圖3一18所示。

3.4.1實訓準備

1.項目目的

(1)使學生具備一般機電產品方案的設計能力。(2)熟練掌握同步帶設計方法。(3)學會查《機械設計手冊》。2.項目要求

每組學生自行設計同步帶系統和計數系統。3.儀器與設備

(1)電腦若干(二維設計軟件、三維設計軟件必有)。(2)《機械設計手冊》若干。4.實訓步驟(1)學生分組設計方案。

(2)兩位指導教師及各組組長審核方案。

(3)方案通過后，具體設計，學生將項目實施過程填入記錄表3-9中。3.4.2項目評價

項目的整體評價見表3一10。

圖3一1機電一體化系統設計流程

圖3一2常用電子類組裝工具

圖3一4方案一草圖

圖3一5風能供料裝置結構示意

圖3一6風能供料裝置主要部件示意

圖3一7同步帶

表3-1同步帶載荷修正系數KA

表3一3帶輪最小許用齒數Zmin

表3一4同步帶節線長度L P

表3-5同步帶在基準帶寬下的許用工作拉力和線密度

表3一6小帶輪嚙合齒數系數

圖3-9同步帶傳動示意簡圖

圖3一10小帶輪零件

圖3一11大帶輪零件

圖3一12同步帶傳動效果

表3-10項目評價表