电大本科机电一体化系统设计基础期末考试复习资料
13. 直流伺服电动机的机械特性是电机转速及其控制电压的关系。(X )
14. 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。(√ )
15. 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。(√ ) 16. 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。(X) 17. 计算机控制系统的采样周期越小，其控制精度就越高。(X )
18. 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。(√ )
19.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。（×）
20.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。（√） 21.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。（√） 22.数字化物理样机就是一种结构设计软件，强调结构上的设计。（×） 三、简答题
1. 简述对滚珠丝杆副进行间隙调整和预紧方法。
答: 通常采用双螺母预紧和单螺母( 适于大滚珠、大导程) 两种方法，将弹性变形控制在最小限度内，以减小或消除轴向间隙，并可提高滚珠丝杠副的刚度。常用的双螺母消除轴向间隙的结构形式有三种:螺纹调隙式、垫片调隙式和齿差调隙式三种;单螺母消隙常用增大滚珠直径法和偏置导程法两种预紧方法。
2. 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?
步进电机的步矩角α及运行拍数m 、通电方式k ( m ==走N，单拍时走= 1，双拍时走= 2 ，
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N为定子绕组的相数)、转子的齿数z有关。步进电机定子绕组通电状态的改变速度越快，其转子旋转的速度越快，即通电状态的变化频率越高，转子的转速越高。改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之改变。3. 3.简述数控设备中计算机数控装置的组成和功能。
计算机数控装置将数控加工程序通过输入装置输入数控装置，在数控装置的控制下，通过输出设备输出各种信息和指令，而驱动装置驱动机床各部分有序的运动，控制个坐标轴的进给速度，进给方向和位移量等。
4.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?
答:在进行项目的设计和规划时，往往需要对项目的合理性、经济性等品质加以评价;在系统实际运行前，也希望对项目的实施结果加以预测，以便选择正确、高效的运行策略或提前消除设计中的缺陷，最大限度地提高实际系统的运行水平采用仿真技术可以省时、省力、省钱地达到上述目的。
5. 什么是PID 调节器? 三部分在系统调节中各起什么作用?
答: 按偏差的比例、积分和微分进行控制的调节器，将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量，简称为P (比例) I (积分) D (微分)调节器，是连续系统中技术成熟、应用最为广泛的一种调节器。
a. PID 调节器中比例调节起纠正偏差的作用，其反应迅速; b. 积分调节能消除静差，改善系统静态特性; C. 微分调节有利于减少超调，加快系统的过渡过程。
6. PLC 控制系统有何优越性?
答:PLC 主要具有可靠性高、环境适应性强、灵活通用、使用方便、维护简单，PLC 提供标准通信接口，可以方便地构成P LC- P LC网络或计算机- P LC网络， P LC应用程序的编制和调试非常方便， P LC具有监控功能。
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7. 简述完善的机电一体化系统五大组成要素。
答: 机电一体化系统是由机械本体、动力系统、检测传感系统、执行部件、信息处理及控制系统五部分相互协调，共同完成所规定的目的功能。各部分通过接口及相应软件有机结合在一起，构成内部匹配合理、外部效能最佳的完整产品。
8. 齿轮传动中各级传动比的最佳分配原则分别有哪些? 各使用在那些场合? 答: 齿轮传动中各级传动比的最佳分配原则: a . 重量最小原则( 结构紧凑) ; b. 转动惯量最小原则(快速响应) ; c. 输出轴转角误差最小原则( 精度) 。
结合可行性、经济性对转动惯量、结构尺寸和传动精度提出适当要求:要求体积小、重量轻的齿轮采用重量最轻的原则;要求运动平稳、起停频繁和动态性能好
的轮系采用最小转动惯量原则或输出轴转角误差最小原则;提高传动精度和减小回程误差为主的轮系采用转角误差最小原则。 9. 简述直流伺服电动机脉宽调制的工作原理。
答: 直流伺服电动机一般采用脉宽调制(PWM) 进行调速驱动。假设输入直流电压U ，可以调节导通时间得到一定宽度的及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Va ，使直流电动机平滑调速。设开关S周期性的闭合、断开，周期是T。在一个周期内，闭合的时间是τ，断开的时间是T一τ。若外加电源电压U 为常数，则电源、加到电动机电枢上的电压波形将是一个方波列，其高度为U ，宽度为τ，则一个周期内的电压平均值为μU。 所以，当T不变时，只要连续改变τ ( O -- T)就可以连续的使Ua 由O 变化到U ，从而达到连续改变电动机转速的目的。
10. 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? 答：齿轮的啃合间隙会造成传动死区( 失动量) ，若该死区是在闭环系统中，则可能造成系统不稳定，常会使系统产生低频振荡。常用调整直齿圆柱齿轮的齿侧间隙的方法有
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偏心套调整法、轴向垫片调整法、双片薄齿轮错齿调整法等。 11. 什么是步进电机的步距角? 它由哪些参数确定?
答: 定子绕阻的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个确定的角度，即步进电机的步距角们步进电机的步距角α = 3 6 0 / ( zm) ，所以α及运行拍数m 、通电方式k< m = k N ，单拍时k =1 ，双拍时k = 2 ， N 为定子绕组的相数) 、转子的齿数z 有关。 12. 何谓概念设计? 简述概念设计的设计过程。
答: 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。设计过程z设计任务抽象化，确定系统的总功能→将总功能分解为子功能，直到功能元→寻找子功能(功能元)的解→将原理解进行组合，形成多种原理解设计方案→对众多方案进行评价决策，选定最佳方案→概念产品。
13. 简述典型的机电一体化的机械系统的组成及对其基本要求。
答t 典型的机电一体化的机械系统组成包括传动机构、导向机构、执行机构、轴系和机座或机架。机电一体化设备对机械系统的基本要求是高精度、快速响应性和良好的稳定性。
14. 什么是传感器的校准? 并简述如何进行校准?
答: 传感器在使用前、使用中或搁置一段时间再使用时必须对其性能参数进行复测或做必要的调整和修正，以确保传感器的测量精度，这个复测调整过程称为校准。为了对传感器有一个长期的、稳定的和高精度的基准，在→些测量仪器中特别是内部装有微处理器的测量仪器中，很容易实现自动校准功能。对传感器进行校准时，需要精度比它高的基准器，这种基准器受时间的推移和使用的磨损等因素的影响，参数会随之改变。因此对这种基准器还要用更高精度的基准器来定期校准。
15. 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?
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答: 机电一体化系统的仿真模型主要有z 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仿真。计算机仿真、半物理仿真、全物理仿真分别应用在分析设计阶段(软件级)、部件及子系统研制阶段(软件一硬件级)实时仿真、系统研制阶段(硬件级)实时仿真阶段。
16. 齿轮传动的齿侧间隙的调整方法有哪些？
答：齿轮传动的齿侧间隙的调整方法有：圆柱齿轮传动：偏心套轴向垫片双片薄齿轮错齿调整法（轴向拉簧式、可调拉簧式）；斜齿轮传动：垫片错齿调整。 17.简述机械系统的刚度对系统动态特性的影响。
机械系统的刚度对系统的主要影响表现为以下几方面：（1）失动量系统刚度越大，因静摩擦力的作用所产生的传动部件的弹性变形越小，系统的失动量也越小；（2）固有频率机械系统刚度越大，固有频率越高，可远离控制系统或驱动系统的频带宽度，从而避免产生共振；（3）稳定性刚度对开环伺服系统的稳定性没有影响，而对闭环伺服系统的稳定性有很大影响，提高刚度可增加闭环系统的稳定性。
四、计算题
1、设有一大功率电动机驱动的二级齿轮传动减速传动系统如图所示，假设齿轮箱的传动效率为1 0 0 %，齿轮箱的传动比i = 3 . 2 ，已知齿轮采用相同材料，宽度b相同，各齿轮的模数m=3 ，主动齿轮的齿数Z j =20 、Z 3 = 25 ，请根据重量最小原则设计齿轮传动系统，推导并计算各级齿轮传动比和齿轮2、齿轮4的齿数。(提示齿轮的质量为（mz)??bp）见图1.
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