机电一体化考试试卷A卷一. 名词解释1. 接口——机电一体化系统中各子系统之间进行物质、能量和信息传递与交换的联系部件。

2. 连续控制系统——信号在时间上是连续变化的系统。

3. 计算机控制系统——采用计算机作为控制器的控制系统即为计算机控制系统，又被称为离散控制系统。

5. 直流伺服系统——采用直流伺服电动机作为执行元件的伺服系统。

8. 同步调制——在改变正弦调制波的频率f的同时成正比的改变三角载波的频率f c，使载频比N保持不变，则称为同步调制。

9. 异步调制——在改变正弦调制波的频率f的同时，三角载波的频率f c的值保持不变,使载频波比N值不断变化，则称为异步调制。

11. 抗干扰技术——研究电子设备及系统抵抗外部和内部电磁干扰，保证其正常工作的具体措施。

12. 工业机器人——一种能自动定位控制、可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机。

能搬运材料、零件或操作工具，用以完成各种作业。

二. 填空1. 接口的基本功能有三个，一是交换，通过接口完成信号模式或能量的统一，二是放大，达到能量的匹配，三是传递，遵循协调一致的时序，信号格式和逻辑规范将放大后的信号可靠.快速.精确地交换。

3. 在机电一体化系统中，机械结构主要用于执行机构、传动机构和支承部件，用以完成规定的动作；传递功率、运动和信息；起支承连接作用等。

通常，它们是微机控制伺服传动系统的有机组成部分。

4. 对机电一体化系统中的机械传动系统建模一般分两步进行，首先把机械系统中各基本物理量折算到传动链中的某个元件上，然后，再根据输入量和输出量的关系建立它的数学模型。

6. 由于非线性摩擦的存在，机械系统在低速运行时，常常出现爬行现象，导致系统运行不稳定。

爬行一般出现在某个临界转速以下，而在高速运行时并不出现。

7. 惯量的适当增大只有在改善低速爬行时有利。

因此，机械设计时，在不影响系统刚度的条件下，应尽量减小惯量。

10. 一般来说，伺服系统的基本组成可包括控制器、功率放大器、执行机构和检测装置等四大部分。

11. 常用的伺服电动机有直流伺服电动机、交流伺服电动机、步进电动机三种。

14. 若系统的输出量为速度，将此速度反馈到输入端，并与输入量比较，就可以实现对系统的速度控制，这种控制系统称为速度伺服控制系统。

17. 单片微计算机是将CPU 、RAM 、ROM 、定时/计数、多功能I/O(并行、串行、A/D)、通信控制器，甚至图形控制器、高级语言、操作系统等都集成在一块大规模集成电路芯片上。

19. 对于只进行二维平面作业的工业机器人只需三个自由度，若要使操作具有随意的位姿，则工业机器人至少需要六个自由度。

而对于回避障碍作业的工业机器人则需要有比六个自由度更多的冗余自由度。

三. 判断题1. 机电一体化技术件是一门独立发展起来的新型技术，在机电一体化技术的研究与生产应用过程中，不再需要强调技术融合，学科交叉的作用。

（✍）2. 执行机构的功能是根据控制信息和指令完成所要求的动作。

执行机构是运动部件，它将输入的各种形式的能量转换为机械能。

（✍）3. 机电一体化技术的主要相关技术可以归纳为①机械本体，②动力部分，③检测部分，④执行机构，⑤控制器，⑥接口等六个方面。

（✍）6. 闭环控制输出信号的全部或部分被反馈到输入端，以偏差信号形成负反馈控制被控对象形成闭环回路。

（✍）7. 摩擦对伺服系统的影响主要有：引起动态滞后，降低系统的响应速度，导致系统误差和低速爬行。

（✍）9. 通常采用提高系统刚度、增加阻尼、调整机械构件质量和自振频率等方法来提高系统的抗振性，防止谐振发生。

（✍）12. 在不改变机械结构固有频率ωt的情况下，仅仅通过增大阻尼也不能有效地抑制谐振。

（✍）13. 在伺服系统中，通常采用负载角加速度最小原则选择总传动比，以提高整个系统的响应速度。

（✍）17. 以步进电动机为驱动装置的伺服系统，包括驱动控制系统和步进电动机两大部分。

（✍）19. 分布式控制系统（DCS）是以多台微型机为基础的，这种系统采用分散控制、集中操作、分级管理和分而自治的原则。

（✍）四. 简答题1. 简述机电一体化技术的基本概念和涵义。

机电一体化是从系统的观点出发，将机械技术、微电子技术、信息技术、控制技术等在系统工程的基础上有机地加以综合，实现整个机械系统最佳化而建立起来的一门新的科学技术。

3. 相关技术可以归纳为哪六个方面？（1）机械技术，（2）检测传感技术，（3）信息处理技术，（4）自动控制技术，（5）伺服传动技术，（6）系统总体技术。

4．机电一体化系统有哪六个基本功能要素？（1）机械本体，（2）动力部分，（3）检测部分，（4）执行机构，（5）控制器，（6）接口。

5. 右图为一旋转工作台伺服系统框图。

其中齿轮在系统中的位置不同，其间隙的影响不同。

根据右图试述齿轮间隙对系统的影响。

（1）闭环之外的数据传递的齿轮(G1、G4)齿隙对系统稳定性无影响，但影响伺服精度。

齿隙会在传动装置逆运行时造成回程误差，使输出轴与输入轴之间呈非线性关系，输出滞后于输入，影响系统的精度。

（2）闭环之内传递动力的齿轮(G2) 齿隙对系统静态精度无影响，这是因为控制系统有自动校正作用。

又由于齿轮副的啮合间隙会造成传动死区，若闭环系统的稳定裕度较小，则会使系统产生自激振荡，因此闭环之内动力传递齿轮的齿隙对系统稳定性有影响。

（3）反馈回路上数据传递齿轮(G3)的齿隙既影响稳定性，又影响精度。

6. 机电一体化系统对机械传动的要求是什么？机电一体化系统中多采用计算机控制和多重功能伺服电动机，简化了传动链，其中的机械传动装置也不再只是转矩和转速的变换器，已成为伺服系统的组成部分，必需根据伺服控制的要求进行选择和设计。

7. 根据右图简述谐波齿轮传动的结构特征谐波齿轮传动主要由波形发生器H、柔轮1和刚轮2组成。

柔轮具有外齿，刚轮具有内齿，它们的齿形为三角形或渐开线型。

其齿距相等，但齿数不同。

刚轮的齿数zg比柔轮的齿数zr多。

柔轮的轮缘极薄，刚度很小，在未装配前，柔轮是圆形的。

由于波形发生器的直径比柔轮内圆的直径略大，所以当波形发生器装入柔轮的内圆时，就迫使柔轮变形，呈椭圆形。

在椭圆长轴的两端，刚轮与柔轮的轮齿完全啮合；而在椭圆短轴的两端，两轮的轮齿完全分离；长短轴之间的齿，则处于半啮合状态，即一部分正在啮入，一部分正在脱出。

发生器有两个触头，称双波发生器，其刚轮与柔轮的齿数相差为2，周长相差2个齿距的弧长。

9. 空心圆锥滚子轴承中滚子的结构特点是什么？滚子是中空的，大部分润滑油通过滚子中间小孔冷却滚子，另一部分润滑油润滑滚子与滚道。

中空滚子能产生一定的弹性变形以吸收一部分振动。

10. 简述开环控制伺服系统和闭环控制伺服系统的特征。

（1）开环伺服系统，结构较为简单，技术容易掌握，调试、维护方便，工作可靠，成本低。

缺点是精度低、抗干扰能力差。

一般用于精度、速度要求不高，成本要求低的机电一体化系统。

（2）闭环伺服系统，采用反馈控制原理组成系统，具有精度高、调速范围宽、动态性能好等优点，缺点是系统结构复杂、成本高等。

一般用于要求高精度高速度的机电一体化系统。

11. 简述步进电动机的工作原理。

目前在工业中广泛应用的有哪三种步进电动机？步进电动机是一种将脉冲信号转换成角位移的执行元件。

对这种电动机施加一个电脉冲后，其转轴就转过一个角度，称为一步；脉冲数增加，角位移随之增加；脉冲频率高，则电动机旋转速度就高，反之则慢；分配脉冲的相序改变后，电动机便反转。

与通常均匀旋转电动机不同，以步进形式运动的。

目前在工业中广泛应用的有三种：反应式步进电动机、永磁式步进电动机和永磁感应式步进电动机。

12. 脉宽调制型（PWM）功率放大器的基本原理是什么？PWM的控制电路由哪些器件组成？PWM功率放大器的基本原理是：利用大功率器件的开关作用，将直流电压转换成一定频率的方波电压，通过对方波脉冲宽度的控制，改变输出电压的平均值。

PWM的控制电路主要包括脉冲调制器，逻辑延时环节和晶体管基极驱动器等。

其中最关键的部件是脉冲调制器。

13. 影响伺服系统稳态精度，导致系统产生稳态误差的主要因素有哪3个？影响伺服系统稳态精度，导致系统产生稳态误差的主要因素有3个：由检测元件引起的检测误差；由系统的结构和输入信号引起的原理误差；负载扰动引起的扰动误差。

14. 常用的接口方式有哪几种？对于多台计算机同时工作的计算机控制系统，各个系统间应当有系统间通道接口，接口有通用和专用之分，外部信息的不同，采用的接口方式也不同。

一般可分为如下几种：（1）人机通道及接口，（2）检测通道及接口，（3）控制通道及接口，（4）系统间通道及接口。

16. 提高系统可靠性，应从哪几个方面考虑？（1）提高系统各组成元、器件的设计、制造质量及系统的装配质量；（2）采用容错法设计；（3）采用故障诊断术，提高系统的可维护性。

17. 工业机器人有哪三个重要特性？（1）是一种机械装置，可以搬运材料、零件、工具、或者完成多种操作和动作功能，也即具有通用性；（2）是可以再编程的，具有多种多样程序流程的，这为人一机联系提供了可能，也使之具有独立的柔软性；（3）有一个自动控制系统，可以在无人参与下，自动地完成操作作业和动作功能。

18. 研究工业机器人机构运动学的目的是什么？研究工业机器人机构运动学的目的是建立工业机器人各运动构件与手部在空间的位置之间的关系，建立工业机器人手臂运动的数学模型，为控制工业机器人的运动提供分析的方法和手段，为仿真研究手臂的运动特性和设计控制器实现预定的功能提供依据。

20. 简述工业机器人控制系统的功能及其结构组成。

目前大部分工业机器人都采用二级计算机控制，第一级为主控制级，第二级为伺服控制级，控制系统中主控制级和伺服控制级的结构组成和功能：（1）主控制级，主控制级的主要功能是建立操作和工业机器人之间的信息通道，传递作业指令和参数，反馈工作状态，完成作业所需的各种计算，建立与伺服控制级之间的接口。

它由以下几个主要部分组成：1）主控制计算机，2）主控制软件，3）外围设备。

（2）伺服控制级，伺服控制级由一组伺服控制系统组成，每一个伺服控制系统分别驱动操作机的一个关节。

关节运动参数来自主控制级的输出。

主要组成部分有：1）伺服驱动器，2）伺服控制器。

五. 计算与分析某数控机床位置控制系统的参数如下：K ＝35N?m/rad ；fm=8s?N?m ；f=12s?N?m ；J=21kg?m2； Ts-Tc=?m 。

求其临界转速Ωc 。

（提示：K －系统的刚度系数；fm －电动机电磁粘滞摩擦系数；f －机械系统粘滞摩擦系数；J －系统的转动惯量；Ts －静摩擦力矩；Tc －动摩擦力矩；已知，出现爬行时系统的临界初始相位φc ≈79o ）解 根据JK ff m 2+=ξ 求得 3688.035212128=⨯+=ξ 已知 φc ≈79o则 rad/s 01149.079tan 3688.03688.011)128(5.12tan 11)()(222=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-++⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-++-=Ω c m c s c f f T T φξξ由以上分析可以看出，设计机械系统时，应尽量减少静摩擦和降低动、静摩擦之差值，以提高系统的精度、稳定性和快速响应性。