电大机电一体化系统设计试题答案汇总

机电一体化系统设计考试资料

1.机电一体化：在机械的主功能、动力功能、信息与控制功能上引进了电子技术、并将机械装置与电子设备以以及软件等有机结合而成的系统的总称。

2.工业三大要素：物质、能量和信息

3.机电一体化系统由机械系统、电子信息处理系统、动力系统、传感检测系统、执行元件系统等五个子系统构成。

4.机电一体化系统设计流程：（1）根据目的功能确定产品规格、性能指标（2）系统功能部件、功能要素的划分（3）接口的设计（4）综合评价（5）可靠性复查（6）试制与调试

5.机电一体化系统设计的考虑方法：（1）机电互补法：利用通用或专用电子部件取代传统机械产品中的复杂机械功能部件或功能子系统。（2）结合法：将各组成要素有机结合为一体构成专用或通用的功能部件。（3）组合法：将用结合法制成的功能部件、功能模块，像积木那样组合成各种机电一体化产品。

6.机电一体化设计类型：（1）开发性设计：是没有产品的设计，仅仅是根据抽象的设计原理和要求，设计出在质量和性能方面满足目的要求的系统。（2）适应性设计：是在总的方案原理基本保持不变的情况下，对现有产品进行局部更改，或用微电子技术代替原有的机械机构或为了进行微电子控制对机械结构进行局部适应性设计，以使产品的性能和质量增加某些附加价值。（3）变异性设计：是在设计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使之适应于量的方面有所变更的要求。

7.机电一体化设计程序：（1）明确设计思想（2）分析综合要求（3）划分功能模块（4）决定性能参数（5）调研类似产品（6）拟定总体方案（7）方案对比定型（8）编写总体设计论证书

8.设计准则：在保证目的功能要求与适当寿命的前提下不断降低成本。

9.设计规律：根据设计要求首先确定离散元素间的逻辑关系，然后研究其相互间的物理关系这样就可根据设计要求和手册确定其结构关系，最终完成全部设计工作。

10.绿色设计：在新产品的开发阶段，就考虑其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、使用安全和人类健康等所产生的副作用。

11.传动机构的作用：传动机构的主要功能是传递转矩与转速。目的是使执行元件与负载之

间在转矩与转速方面得到最佳匹配。

12.机电一体化对传动机构的基本要求：传动间隙小、精度高、体积小、重量轻、运动平稳、传递转矩大。

13.谐波齿轮传动具有结构简单、传动比大、传动精度高、回程误差小、噪声低、传动平稳、承载能力强、效率高等一系列优点。传动比:

14.导轨的主要作用：支承和限制运动部件按给定的运动要求和规定的运动方向运动。导轨

副主要由承导件和运动件两大部分组成。导轨副按其接触面的摩擦性质可分为：滑动导轨、滚动导轨、流体介质摩擦导轨。按其结构特点可分为：开式导轨和闭式导轨。

15.导轨副应满足的基本要求：导向精度高、刚性好、运动轻便平稳、耐磨性好、温度变化

影响小以及结构工艺好。

16.轴系设计的基本要求：（1）旋转精度（2）刚度（3）抗振性（4）热变形（5）轴上零件

的布置

17.执行元件分为：电气式、液压式和气压式（按使用能量不同分）

18.电气式执行元件优点：操作简便；编程容易；能实现定位伺服；响应快、易与CPU 相接；体积小、动力较大；无污染。缺点：瞬时输出功率大；过载差，特别是由于某种原因而卡住时，会引起烧毁事故，易受外部噪声影响。

19.气压式执行元件优点：气源方便、成本低；无泄露污染；速度快、操作比较简单。缺点：功率小，体积大，动作不够平稳；不易小型化；远距离传输困难；工作噪声大、难于伺服。

20.液压式执行元件优点：输出功率大，速度快，动作平稳，可实现定位伺服；易与CPU 相接；响应快。缺点：设备难于小型化；液压源或液压油要求严格；易泄露且有污染。

21.机电一体化对执行元件的基本要求：（1）惯量小、动力大（2）体积小、重量轻（3）便

于维修、安装（4）宜于微机控制

22.步进电机的特点：（1）步进电机的工作状态不易受各种干扰因素的影响，只要在它们的

大小未引起步进电机产生“丢步”现象之前，就不影响其正常工作（2）步进电机的步距角有误差，转子转过一定步数以后也会出现累积误差，但转子转过一转以后，其累积误差变为“零”，因此不会长期积累（3）控制性能好，在起动、停止、反转时不易“丢步”。

23.步进电机的种类：可变磁组型、永磁型、混合型（旋转式步进电机的分类）

24.步进电机的工作原理：步进电机定子有六个均匀分布的磁极，每两个相对磁极组成一相，即有A-A`、B-B`、C-C`三相，磁极上绕有励磁绕组。假定转子具有均匀分布的四个齿，当

A、B、C三个磁极的绕组依次通电时，则 A、B、C三对磁极依次产生磁场吸引转子转动。

25.步进电机步距角：α=360°/（zm） z—转子齿数，m—运行拍数，通常等于相数或相数整数倍，即m=KN（N 为电动机的相数，单拍时 K=1，双拍时K=2）

26.步进电机功放电路：单电压功率放大电路、高低压功率放大电路、恒流源功率放大电路、斩波恒流功率放大电路、调频调压功放电路。

27.脉宽调制直流调速驱动系统（PWM）原理：当输入一个直流控制电压U时就可得到一定

宽度与U 成比例的脉冲方波来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，从而得到不同大小的电压值，使直流电动机平滑调速。

28.交流电机矢量控制：就是要同时控制电动机输入电流 I1的幅值和相位φ，以得到交流电动机的最佳控制。

29.从控制的角度出发，微机应能满足具有较完善的中断系统、足够的存储容量、完善的输

入/输出通道和实时时钟等要求。（从不同的被控制对象角度而言，还应考虑几个特殊要求：字长、速度、指令。）

30.微型计算机的基本特点：小型化、超小型化，具有一般计算机的信息处理、计测、控制

和记忆功能，价格低廉，且可靠性高、耗电少。选用要点：不同领域可选用不同品种、不同档次的微机。4位机常用于较简单、规模较小的系统，16位和32 位机及64位机主要用于较复杂的大系统，8位机则用于中等规模的系统。单片机应用范围广，不但用于简单小系统，

而且不断被复杂大系统所应用。

31.单片机具有：功能全、体积小、功耗低、价格便宜等优点。

32.机电一体化对检测传感器的基本要求：（1）体积小、重量轻、对整机的适应性好；（2）

精度和灵敏度高、响应快、稳定性好、信噪比高；（3）安全可靠、寿命长；（4）便于与计算机连接；（5）不易受被测对象的影响，也不影响外部环境；（6）对环境条件适应能力强；（7）现场处理简单、操作性能好；（8）价格便宜。

33.稳态设计包括：使系统的输出运动参数达到技术要求、执行元件的参数选择、功率的匹

配及过载能力的验算、各主要元部件的选择与控制电路设计、信号的有效传递、各级增益的分配，各级之间阻抗的匹配和抗干扰措施等，并为后面动态设计中的校正补偿装置的引入留有余地。

34.动态设计包括：设计校正补偿装置，使系统满足动态技术指标要求；通常要进行计算机

仿真，或借助计算机进行辅助设计。

35.机电一体化伺服系统的稳态设计就是要从两头入手，即首先从系统应具有的输出能力及

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

37.工业机器人的主要技术参数：握取重量、运动速度、自由度、定位精度、程序编制与存

储容量。

38.自由度：确定工业机器人的末端执行器在运动空间的位置和姿态的、独立的变化参数就

是工业机器人的自由度。一般具有 4~6个自由度即满足使用要求。

39.工业机器人按坐标形式分为：直角坐标型、圆柱坐标型、极坐标型、SCARA 型、多关节

型。

41、绘制由光电编码器等组成的工作台闭环伺服系统框图。

42、有一脉冲电源，通过环形分配器将脉冲分配给三相六拍通电的步进电机励磁绕组，测得步进电机的转速为100r/min，已知转子有24个齿，求：

（1）、步进电机的步距角

（2）、脉冲电源的频率

43、如图所示的机电传动系统，减速机构为两级减速箱，已知齿轮齿数之比为 Z2/Z1=3，

Z4/Z3=5，减速机构的效率为η=0.92，各齿轮的转动惯量为J1 =29.4Nm2

, J2 =78.4Nm2

,

J3 =49Nm2

, J4 =196Nm2

, 电动机转动惯量Jm =294Nm2

，负载惯量JL =450.8Nm2

，

负载转矩T2=470Nm ,试求：

（1）、折算到电机轴上的负载转矩

（2）、折算到电机的转动惯量。

1. 机电一体化技术的内涵是微电子技术和机械技术渗透过程中形成的一个新概念。

2. 机电一体化系统（产品）是机械和微电子技术的有机结合。

3. 工业三大要素是物质、能量、信息；机电一体化工程研究所追求的三大目标是：省能源、省资源、智能化。

4. 机电一体化研究的核心技术是接口问题。

5. 机电一体化系统（产品）构成的五大部分（或子系统）是：机械系统、电子信息处理系

统、动力系统、传感检测系统、执行元件系统。

6. 机电一体化接口按输入/输出功能分类机械接口、物理接口、信息接口、环境接口

7. 机电一体化系统（产品）按设计类型分为：开放性设计、适应性设计、变异性设计。

8. 机电一体化系统（产品）按机电融合程度分为：机电互补法、机电结合（融合）法、机电组合法。

9. 机电一体化技术是在机械的主功能、动力功能、信息功能、控制功能基础上引入微电

子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机地结合所构成系统的总称。

10.机电一体化系统实现三大功能应具有的两大重要特征（转换作用方式）：以能源转换为主和以信息转换为主

11. 丝杠螺母机构的基本传动形式有：螺母固定丝杆转动并移动、丝杆转动螺母移动、螺母转动丝杆移动、丝杆固定螺母转动并移动四种形式。

12. 滚珠丝杠副按螺纹滚道截面形状分为单圆弧和双圆弧两类；按滚珠的循环方式分为内循环和外循环两类。

13. 滚珠丝杠副轴向间隙调整与预紧的基本方法有：双螺母螺纹预紧调整、双螺母齿差预紧调整、双螺母垫片调整预紧、弹簧自动调整预紧四种方式。

14. 滚珠丝杠副常选择的支承方式有：单推—单推式、双推—双推式、双推—简支式、双推—自由式。

15. 机电一体化系统（产品）常用齿轮传动形式有定轴轮系、行星轮系和谐波轮系三种形式。

16. 在机电一体化系统机械传动中，常用的传动比分配原则有：重量最轻原则、转动惯量最小原则、传动精度最优原则等。

17. 常用导轨副的截面形式有：三角形导轨、矩形导轨、燕尾形导轨、圆形导轨四种形式。

18. 导轨刚度主要指：结构刚度、接触刚度和局部刚度。

19. 机电一体化系统（产品）中，常可选择的执行元件：电磁式、液压式、气压式和其他形式的执行元件。

20. 电动机的工作特性分为恒转矩工作和恒功率工作两个阶段，其转折点的转速和功率分别称为：额定转速和额定功率；伺服电动机用于调速控制时，应该工作在恒转矩阶段。

21. 步进电机按转子结构形式可分为：反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机三种。

22. 步进电机的工作方式有：单拍工作方式和倍拍工作方式。

23. 步进电机的开环控制精度主要由步进电机的结构形式和工作方式决定的；为了进一步提高步进电机的控制精度，可以采用细分电路来提高控制精度。

24. 依据步进电机的工作原理，步进电机的驱动控制电路主要由：方向控制电路、环形分配电路、驱动放大电路等组成。

25. 机电一体化系统中，常用的微型计算机类型有：单片机控制系统、单板机控制系统、工业微型计算机控制系统三种。

26. 提高机电一体化控制系统工作可靠性的措施主要有：隔离技术、屏蔽技术和滤波技术

27. 常用传感器主要分为模拟信号检测传感器、数字信号检测传感器、开关信号检测传感器三种形式。

28. 机电有机结合分析设计方法主要有稳态设计方法和动态设计方法两种

29. 在机电一体化系统稳态设计的负载分析中，常见的典型负载形式有：惯

载、内力负载、弹性负载、摩擦负载等。

30. 在进行机械系统负载和转动惯量的等效中，遵循的基本原则是能量守

简述题

1. 机电一体化技术（或产品）的定义。

在机械的主功能，动力功能，信息功能，控制功能基础上引入微电子技术，

电子装置用相关软件有机的结合所构成的系统的总称。

2. 机电一体化系统或产品设计的目的是什么？

主要目的：增加机械系统或产品的附加值和自动化程度。

3. 机电一体化系统（产品）的主要构成单元或组成部分有哪些？

机械系统，电子信息处理系统，动力系统，传感系统，执行控制系统

4、简述机电一体化系统或产品的机电结合（融合）设计方法。

机电结合设计方法是将个组成要素有机的结合为一体而构成专用或通用的

之间机电参数的有机匹配比较充分

5、简述机电一体化系统（产品）的机电组合设计方法，特点是什么？。

5、简述机电一体化系统（产品）的机电组合设计方法，特点是什么？。

机电一体化系统的机电组合设计方法是将用结合法制成的功能部件，功能模块，像积木那样

组合成各种机电一体化系统，特点是可以缩短设计与研制周期，节约工装设备费用，且有利

于生产管理，使用和维修。

6. 机械传动系统在机电一体化系统（产品）中的基本功能和作用是什么？

机械传动系统在机电一体化系统中的基本功能是传递力/转矩和速度/转速。实质上是一种转矩，转速变换器。作用是使执行原件与负载之间在转矩和转速方面达到合理的匹配

7. 简答机电一体化机械传动的主要功能，目的，基本要求。

功能：传递力/转矩和速度/转速

目的：使执行元件与负载之间在转矩和转速方面达到合理的匹配。

基本要求：转动间隙小，精度高，体积小，重量轻，运动平稳，传动转矩大。

8. 机电一体化系统（产品）的机械部分与一般机械系统相比，应具备哪些特殊要求？

1.较高的定位精度。

2.良好的动态响应特性－响应快，稳定性好，收敛时间合理。3。无间隙，低摩擦，低惯量，大刚度。4。高的消振频率，合理的阻尼比

9. 简述滚珠丝杠传动装置的组成，结构和应用特点。

滚珠丝杠传动装置的组成由带螺旋槽的丝杆，螺母，滚动元件，回珠装置组成。

结构：丝杆轻动时，带动滚珠螺纹滚道滚动，为阻止滚珠从滚道端面掉出，在螺母的螺旋槽

两端没有滚珠回程引导装置构成滚珠的循环返回通道，从而形成滚珠滚动的闭合通路。

应用特点：阻尼小，传动效率高，合理的结构设计，适应大刚度传递，可实现无间隙工作，不能自锁

10. 试分析齿轮传动中，定轴传动、行星传动、谐波传动的组成与传动特点。

定轴传动由圆柱齿轮传动，圆锥齿轮传动，蜗杆蜗杆传动。特点：结构简单。传递可靠，用几何特性来实现传动。行星传动主要是由传动齿轮，定位齿轮，行星轮和行星架组成。特点。结构紧凑，可实现传动比更大，几何特性＋机构传动原理来实现。谐波传动主要又钢轮，柔轮，波发生器组成。特点：结构紧凑，体积小，重量轻，充分发挥材料的特性，传动比可大，也相当可靠，几何特性＋材料弹性变化特性实现传动

11. 滚动导轨副应达到的基本要求。

高的导向精度，高的耐磨性，足够的刚度，良好的工艺性

12. 导轨的刚度所包含的主要内容有哪些？以及各部分对导轨副的导向精度影响如何？

静刚度－抵抗恒定载荷的能力。动刚度－抵抗变变载荷的能力。每一类刚度都包括：结构刚度，接触刚度，局部刚度

13. 机电一体化系统（产品）对执行元件的基本要求是什么？

1惯量小，动力大。2 体积小，重量轻。3安装方便，便于维护。4易于实现自动化控制

14. 机电一体化系统对伺服控制电动机的基本要求

1性能密度大。2快速响应性好。3位置控制与速度控制精度高，调速范围大，低速平稳性好，分辨率高以及振动噪音小。4能适应频繁启动，可靠性高，寿命长。5易于与计算机对接，实现计算机控制

15. 常用伺服电动机有哪些工作特点？

2个工作区。1恒转矩工作区，2恒功率工作区

16. 对于伺服电动机半闭环控制系统而言，控制系统的主要构成有哪些？

主要是指令控制器，反馈调节器，功率放大与整形电路，执行元件

17. 步进电机驱动控制电路设计的基本要求是什么？

提高驱动信号，控制有效，可靠性，整形抗干扰电路

18. 简述机电一体化系统（产品）对检测传感器的基本要求。

1体积小，重量轻，适应性好。2精度和灵敏性高，响应快，稳定性好，信噪比高。3安全可靠，寿命长。4便于与计算机对接。5不易受被检测对象和外部环境的影响。6环境适应能力强。7现场安装处理简单，操作方便。8价格便宜

19. 简答通用微机控制系统核心部件，通用微机控制系统的构成与特点。

通用微型计算机的核心部件为可编程控制器和工业计算机。

构成;控制系统以通用微型计算机为核心，设计专用或选用通用的集成IC 芯片，接口电路，执行元件，传感器，以及相互合理匹配元件，组成具有较好通用能力的控制器。软件采用通用平台软件系统。

20. 简答专用微机控制系统核心部件，专用微机控制系统的构成与特点。

核心部件为单片机和单板机

构成由专用IC芯片，接口电路，执行元件，传感器相互合理匹配成专用控制器。

特点：软件采用专用机器代码或语言，可靠性强，成本低，但适应能力差，用于大批量生产的机电一体化产品

21. 光电隔离电路的组成有哪些？主要作用是什么？

主要由光耦合器的光电转换元件输入电路，光源，光敏元件，输出放大电路组成

作用：1可将输入输出两部分的供电电源和电路的地线分离。2 可进行电平转换，实现要求的电平输出，从而具有初级功率放大作用。3提高对负载的驱动能力

22.机电一体化系统设计中，驱动电路设计的目的和基本要求是什么？

目的：实现指令信号和执行驱动信号之间的有效匹配。要求：信号类型转换，能量放大，质量的保证

23. 研究机电一体化系统稳态设计方法的主要目的是什么？

主要目的是使控制被控制对象能完成所需要的机械运动即进行机械系统的运动学，动力学分