機電一體化10篇
機電一體化(1)
機械傳動技術在機電一體化系統中的應用及發展
摘要：在當今社會，機電一體化設備越來越多的進入了我們的生活之中，極大的豐富了我們的生活，給我們的日常生活帶來的極大的便利。現如今，純機械設備已經難覓蹤跡，各種機電一體化設備一家獨大，但是這并不代表著傳統機械傳動從此退出歷史舞臺，各種機械傳動機構仍然在機械設備中有著極大的應用。成為機電一體化設備設計中的中流砥柱。
關鍵詞：機械傳動，機電一體化，應用。
正文：科學技術的發展總是沒有盡頭，各個學科的發展都方興未艾，不僅僅是新興的計算機技術，就連古老的機械技術也越來越多的添加了新鮮的元素。如今電力技術的迅速發展，在一定程度上促進了機械學科的進步，越來越多的機電一體化設備橫空出世，有可上九天攬月的月球車，還有下五洋捉鱉的水下機器人，還有如今正值研究熱門的智能機器人。這些成果的發展固然離不開電子和信息工業的迅速發展，同樣機械傳動技術也在其中扮演了十分重要的角色，而其中最基本的機械傳動仍然發揮著重要作用。
首先機電一體化系統中的機械傳動機構必須要有以下幾點性質。
一，高精度：精度直接影響了產品的質量，尤其是機電一體化產品，其技術性能，工藝水平和功能比普通的機械產品都有很大的提高，因此，機電一體化機械系統的高精度是其首要要求。
二，快速響應：即要求機械系統從指令到開始執行指令指定的任務之間的時間間隔短，這樣控制系統才能及時根據機械系統的運行狀態信息，下達指令，使其準確的完成任務。
三，良好的穩定性：即要求機械系統的工作性能不受外界影響，抗干擾能力強。
其次，機電一體化設備中的機械傳動機構主要有以下幾類。
機電一體化系統中，用于傳遞執行裝置的能量，改變運動方向，速度和轉矩的機構，主要有帶傳動，鏈傳動，齒輪傳動，和滾珠絲杠等。
同步帶傳動：同步帶傳動是綜合了普通帶傳動和鏈條傳動的優點的一種新型傳動。在帶的工作面及帶輪外周上均制有嚙合齒，通過帶齒和輪齒嚙合傳動來傳遞運動和動力。為保證帶和帶輪做無滑差的同步傳動，其齒形帶采用了承載后無彈性變形的高強力材料，以保證節距不變。與一般傳送帶相比較，同步帶傳動具有以下優點：1，傳動比準確，傳動效率高。2，工作平穩，結構緊湊，無噪聲，能吸收振動。3，能高速運動，線速度可以達40-80m/s。4，不需要潤滑，耐油，耐高溫，耐蝕，維護保養方便。5，制造工藝復雜，成本高于一般帶傳動，中心距要求嚴格，安裝精度要求較高。同步帶傳動帶輪齒形主要有梯形齒輪和圓弧齒輪。我國有關同步帶傳動部件的國家標準已經頒布實施，并非專門生產廠家生產，可供選用。一般重工業用同步帶傳動，主要應用在中、小、功率的同步傳動中，如精密儀器、計算機外設、輕工機械等各類產品；而大轉矩同步帶傳動，主要用于重型機械的傳動中，如運輸機械，石油機械，發電機等。綜合來看同步帶傳動具有普通帶傳動所不可比擬的優點，它能實現定比傳動，不會發生彈性滑動的現象。相比于普通帶傳動，其壽命和穩定性都更勝一籌。所以不失為為機電一體化設備量身定做的機械傳動類型。
齒輪傳動：齒輪傳動是機電一體化系統中使用最多的一種傳動，具有工作可靠，傳動比恒定，結構緊湊，強度大，能承受重載，摩擦力小，效率高等特點。
1，齒輪的種類和應用：作為機械行業的象征性標志，按照齒輪軸線的相對位置關系，有平行軸的直齒輪和斜齒輪，相交軸圓錐齒輪，交錯軸的蝸輪蝸桿和螺旋齒輪，同心軸的行星齒輪及人字齒條，齒輪齒條等。選擇傳動形式時，根據傳動軸的不同特點，可選用不同的齒輪系組成傳動機構。用于平行軸之間的傳遞運動的正齒輪易于設計制造，成本低，使用最為廣泛。斜齒輪可用于高速，重載，要求噪聲低的場合，但斜齒輪存在較大的軸向推力。人字齒輪則由于左右齒推力平衡而不產生軸向推力，其中一個齒輪的安裝應有一定軸向間隙，以便安裝。相交軸傳動中直齒圓錐齒輪為線接觸，傳動效率較高。交錯軸斜齒輪有滑動作用，傳動效率低，同時為點接觸只能承受輕載。行星齒輪尺寸小，重量輕，效率高。能傳遞較大的功率，但是結構復雜。蝸桿副也可以看做一種特殊的齒輪，用于傳遞空間垂直交錯軸之間的回轉運動，蝸桿為傳動副的主動構件，蝸桿為從動構件。蝸桿副為線接觸，可以傳遞大功率，傳動比大。蝸桿有1-8個頭，優點是傳動平穩，噪聲少，可自鎖，但是傳動效率低，且功率損失大，齒輪齒條用在將旋轉運動轉化為直線往復運動場合，如多關節機器人的手爪張開和抓緊機構。機械手由汽缸驅動，汽缸直線運動直接驅動機械手的一個爪向前或者向后運動，由齒條與齒帶帶動另一個爪向前或者向后運動。
為了提高機電一體化系統的運動平穩性，設計師們設計開發出了諧波齒輪傳動。諧波齒輪傳動是隨著空間科學，宇航尖端科學的發展而出現的一種新型傳動機構。諧波傳動的原理建立在薄殼彈性變形理論基礎上，依靠柔性齒輪所產生的可控制彈性變形波。引起齒間的相對位移傳遞運動和動力。柔輪的變形是一個基本對稱的和諧波，故稱為諧波傳動。通過對齒輪的研究我們發現出，人們總是會根據時代的發展，改變已有的機械機構以適應新技術的發展。創新不一定要創造新的東西，也可以根據已有的東西，做出突出的改變，這樣何嘗不是一種創新。
滾珠絲杠機構：螺旋傳動最常見的是滑動螺旋傳動，用于將回轉運動轉化為直線運動。但是滑動螺旋傳動的接觸面間存在著較大的摩擦阻力，因此傳動效率低。磨損大，精度不高，使用壽命短，已經不能滿足機電一體化系統高精度，高效率，高速度的要求。滾珠絲杠傳動則是一種為了克服普通螺旋傳動的缺點，而發展起來的新型螺旋傳動。它用滾動摩擦螺旋代替滑動摩擦螺旋，具有摩擦阻力小，傳動效率高，傳動平穩，壽命長，精度高的優點，廣泛應用于機器人，數控機床，精密機械，自動搬運車等機電一體化產品。
工作原理：螺旋槽的絲杠螺母間裝有滾珠作為中間元件的傳動機構稱為滾珠絲杠副，當絲杠或者螺母轉動時，滾珠沿螺旋槽滾動，滾珠在絲杠上滾過數圈后，通過回程引導裝置，逐個地滾回到絲杠和螺母之間，構成了一個閉合的循環回路。這種機構把絲杠和螺母之間的滑動摩擦變成滾動摩擦。
．滾珠絲杠副的特點
滾珠絲杠副與滑動絲杠副相比，具有其明顯的特點。
(1) 傳動效率高、摩擦損失小
絲杠螺母副的傳動效率η為
式中 λ——中徑處的螺旋線升角；
6f9d76259b18aa9d2bd5fca149b789ed.png——當量摩擦角（對于滾珠絲杠約為8ˊ~ 12ˊ）。
滾動摩擦阻力很小，實驗測得的摩擦系數—般為0.0025~0.0035，因而傳動效率很高，可達0.92~0.96（滑動絲杠為0.2~0.4），相當于普通滑動絲杠螺母副的3 ~ 4倍。這樣滾珠絲杠副相對于滑動絲杠副來說，僅用較小的扭矩就能獲得較大的軸向推力，功率損耗只有滑動絲杠副的1/4 ~ 1/3，這對于機械傳動系統小型化、快速響應能力及節省能源等方面，都具有重要意義。
(2) 傳動的可逆性、不可自鎖性
一般的螺旋傳動是指其正傳動，即把回轉運動轉變成直線運動。而滾珠絲杠副不僅能實現正傳動，還能實現逆傳動——將直線運動變為旋轉運動。這種運動上的可逆性是滾珠絲杠螺母副所獨有的。而且逆傳動效率同樣高達90％以上。滾珠絲杠副傳動的特點，可使其開拓新的機械傳動系統，但另一方面其應用范圍也受到限制，在一些不允許產生逆運動的地方，如橫梁的升降系統等，必須增設制動或自鎖機構才可使用。
(3) 傳動精度高
傳動精度主要是指進給精度和軸向定位精度。滾珠絲杠螺母副屬于精密機械傳動機構，絲杠與螺母經過淬硬和精磨后，本身就具有較高的定位精度和進給精度。高精度滾珠絲杠副，任意300mm的導程累積誤差為4urn/300mm。
滾珠絲杠螺母副采用專門的設計，可以調整到完全消除軸向間隙，而且還可以施加適當的預緊力，在不增加驅動力矩和基本不降低傳動效率的前提下，提高軸向剛度，進一步提高正向、反向傳動精度。
滾珠絲杠副的摩擦損失小，因而工作時本身溫度變化很小，絲杠尺寸穩定，有利于提高傳動精度。
由于滾動摩擦的啟動摩擦阻力很小，所以滾珠絲杠螺母副的動作靈敏，且滾動摩擦阻力幾乎與運動速度無關，這樣就可以保證運動的平穩性，即使在低速下，仍可獲得均勻的運動，保證了較高的傳動精度。
正是由于這些特點使得滾珠絲杠螺母副在機電一體化設備與產品中得到了廣泛的應用。
(4) 磨損小、使用壽命長
滾動磨損要比滑動磨損小得多，而且滾珠、絲杠和螺母都經過淬硬，所以滾珠絲杠副長期使用仍能保持其精度，工作壽命比滑動絲杠副高5 ~ 6倍。
伺服傳動機構：伺服系統是指以機械運動量作為控制對象的自動控制系統，又稱為隨動系統。伺服系統中所采用的機械傳動裝置，簡稱為伺服機械傳動系統。它是伺服系統的一個組成環節。它廣泛應用于數控機床、計算機外部設備、工業機器人等機電一體化系統中。
伺服機械傳動系統是整個伺服系統的一個組成環節。其作用是傳遞扭矩、轉速和進行運動變換，使伺服電機和負載之間轉矩與轉速得到匹配。往往是將伺服電動機輸出軸的高轉速、低轉矩轉換成為負載軸所要求的低轉速、高轉矩或將回轉運動變換成直線運動。伺服機械傳動系統大功率傳動裝置，既要考慮強度、剛度，也要考慮精度、慣量、摩擦、阻尼等因素。小功率傳動裝置，則主要是考慮精度、慣量、摩擦、剛度、阻尼等因素。
伺服系統的基本指標是，高精度，高響應速度，穩定性好及足夠的功率。
1.傳動精度
傳動精度主要是由傳動件的制造誤差、裝配誤差、傳動間隙和彈性變形所引起。
2.響應速度
對于伺服系統，數據的運算和處理速度遠比機械裝置的運動速度快。而機械傳動系統的響應主要取決于加速度。從傳動系統的角度看，在不影響系統剛度的條件下，主要從減小摩擦力矩，減小機械部件的質量、減小電動機的負載和轉動慣量，來提高系統的傳動效率。
3. 穩定性
伺服系統不但要求穩態誤差小，并且要求能夠穩定工作、動態品質好，這與振動、熱以及其他許多環境因素有關。要提高傳動系統的抗振性，就必須提高傳動系統的固有頻率，一般不應低于50~100Hz，并須提高系統的阻尼能力。在實際設計與使用中，還應根據不同的實際情況有所側重和增加必要的指標。
聯軸器：在數控機床進給傳動系統中，滾珠絲杠與驅動電機的連接是數控機床穩定工作的重要環節之一。目前，在直線進給傳動系統中，滾珠絲杠與驅動電機的連接方式主要有聯軸器、齒輪和同步帶，本節主要介紹的是聯軸器。
聯軸器是用來連接進給機構的兩根軸使之一起回轉，以傳遞扭矩和運動的一種裝置。機器運轉時，被連接的兩軸不能分離，只有停車后，將聯軸器拆開，兩軸才能脫開。
目前聯軸器的類型繁多，有液壓式、電磁式和機械式；而機械式聯軸器是應用最廣泛的一種，它借助于機械構件相互間的機械作用力來傳遞扭矩，大致可作如下劃分：剛性聯軸器和彈性聯軸器。剛性聯軸器包括固定式聯軸器（套筒聯軸器、凸緣聯軸器和夾殼聯軸器等）和可移式聯軸器(齒輪聯軸器、十字滑塊聯軸器和萬向聯軸器等)。彈性聯軸器包括金屬彈性件聯軸器(簧片聯軸器、膜片聯軸器和波形管聯軸器等)和非金屬彈性聯軸器（輪胎式聯軸器、整圈橡膠聯軸器和橡膠塊聯軸器）。
下面，介紹典型機電一體化產品數控機床常用的幾種聯軸器。
一般聯軸器：1，套筒聯軸器由連接兩軸端的套筒和聯接套筒與軸的聯接件鍵或銷子所組成，一般當軸端直徑d≤80mm時，套筒用35或45鋼制造；當軸端直徑d＞80mm時，可用強度較高的鑄鐵制造。
套筒聯軸器各部分尺寸間的關系如下：
套筒長 L≈3d；
套筒外徑 D≈1.5d；
銷子直徑55fa249fa59cac1ddf9ed69ae7e05b46.png=（0.3～0.25）d（對小聯軸器，取0.3；對大聯軸器取0.25）；
銷子中心到套筒端部的距離e≈0.75d。
此種聯軸器構造簡單，徑向尺寸小，但其裝拆困難（軸需作軸向移動），且要求兩軸嚴格對中，不允許有徑向及角度偏差，因此使用上受到一定限制。
2．凸緣聯軸器
凸緣聯軸器是把兩個帶有凸緣的半聯軸器分別與兩軸連接，然后用螺栓把兩個半聯軸器連成一體，以傳遞動力和扭矩，凸緣聯軸器還有兩種對中方法：一種是用一個半聯軸器上的凸肩與另一個半聯軸器上的凹槽相配合而對中，另一種則是共同與另一部分環相配合而對中，前者在裝拆時軸必須作軸向移動，后者則無此缺點。聯接螺栓可以采用半精制的普通螺栓，此時螺栓桿與釘孔壁間存有間隙，扭矩靠半聯軸器結合面間的摩擦力來傳遞（也可采用鉸制孔用螺栓，此時螺栓桿于釘孔為過渡配合，靠螺栓桿承受擠壓與剪切來傳遞扭矩。凸緣聯軸器可作成帶防護邊的或不帶防護邊的。
凸緣聯軸器的材料可用HT250或碳鋼，重載時或圓周速度大于30m/s時應用鑄鋼或鍛鋼。凸緣聯軸器對于所聯接的兩軸的對中性要求很高，當兩軸間有位移與傾斜存在時，就在機件內引起附加載荷，使工作情況惡化，這是它的主要缺點。但由于其結構簡單、成本低以及可傳遞較大扭矩，故當轉速低、無沖擊、軸的鋼性大以及對中性較好時亦常采用。
2.5.2錐環無鍵聯軸器
1．工作原理及特點
該聯軸器是利用錐環之間的摩擦實現軸與轂之間的無間隙聯結而傳遞扭矩。且可以任意調節兩聯結件之間的角度位置。通過選擇所用錐環的對數，可以傳遞不同大小的扭矩。為采用錐環無鍵消隙聯軸器，可使動力傳遞沒有反向間隙。
該聯軸器的工作原理是：當擰緊螺釘5時，發蘭盤3對內外錐環2施加軸向力，由于錐環之間的楔緊作用，內外錐環分別產生徑向彈性變形（內錐環的外徑漲大，外錐環的內徑收縮），消除軸4與套筒1之間的配合間隙，并產生接觸壓力，通過摩擦傳遞扭矩，而且套筒1與軸4之間的角度位置可以任意調節。
這種聯軸器定心性好，承載能力強，傳遞功率大、轉速高、使用壽命長，具有過載保護能力，能在受振動和沖擊載荷等惡劣條件下連續工作，安裝、使用和維護方便，作用于系統中的載荷小，噪聲低。
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機電一體化(2)
1、機電一體化（Mechatronics）是機電一體化技術及其產品的統稱，并把柔性制造系統和計算機集成制造系統等先進制造技術的生產線和制造過程也包括在內，發展了機電一體化的含義。包括六大關鍵技術：精密機床技術、伺服驅動技術、傳感檢測技術、信息處理技術、自動控制技術、系統總體技術。
2、機電一體化系統的基本功能要素（或組成）：機械本體；動力部分；傳感檢測部分；執行部分；驅動部分；控制與信息處理部分；接口
3、接口的三個作用：交換；放大；傳遞
4、機電一體化的相關技術：機械技術；傳感檢測技術；信息處理技術；自動控制技術；伺服傳動技術；系統總體技術
5、機電一體化的設計方法：整體設計法、組合法、替代法
6、機電一體化的設計類型：開發性設計、適應性設計、變異性設計
7、機械移動系統的基本元件：質量、阻尼器、彈簧
8、影響機電一體化系統中傳動鏈的動力學性能的因素：負載的變化；傳動鏈慣性；傳動鏈固有頻率；間隙、摩擦、潤滑和溫升
9、即動物體的重量與回轉直徑的平方的乘積。()
10、兩物體接觸面間的摩擦力在應用上可簡化為粘性摩擦力、庫侖摩擦力與靜摩擦力三類
11、齒輪傳動齒側間的消除：剛性消隙法；柔性消隙法
12、電動機驅動的二級齒輪傳動系統，假定各主動小齒輪具有相同的轉動慣量,軸與軸承轉動慣量不計，各齒輪均為實心圓柱體，且齒寬和材料均相同，效率為1，則或（為齒輪系中第一、二級齒輪副的傳動比；為齒輪系數總傳動比，）
13、滾珠花鍵既是一種傳動裝置，又是一種直線運動支撐，可用于機器人、機床、自動搬運車等各種機械。
14、諧波齒輪傳動特點：傳動比大；承載能力強；傳動精度高；齒側間隙小；傳動平穩；結構簡單，體積小，重量輕。
15、諧波齒輪傳動的傳動比計算式中：分別為剛輪、柔輪和波形發生器的角速度；分別為剛輪和柔輪的齒數。
16、滾珠絲桿副是將普通的絲桿加上滾珠，變滑動為滾動，是絲桿、螺母、滾珠等零件組成的機械元件。分為：外循環插線管式和內循環反向器式
17、靜壓導軌是將具有一定壓力的油或氣體介質通入導軌的運動鍵與導向支撐鍵之間，運動鍵浮在壓力油和氣體薄膜之上，與導向支撐件脫離接觸，使之摩擦阻力大大減小的導軌。
18、傳感器：是借助于檢測元件接受一種形式的信息，并按一定規律將它轉換成另一種信息的裝置。分類方法：以被測參量來分；以傳感器的工作原理來分。
19、衡量傳感器靜態特性的重要指標：線性度、靈敏度、遲滯性、重復性。
20、光柵：是一種新型的位移檢測元件，它的特點是測量精度高（可達±1um）、響應速度快和量程范圍大等。光柵條紋密度一般為每毫米25、50、100、250條等。
21、感應同步器分為：鑒相式和鑒幅式
22、接近式位置傳感器按工作原理分為：電磁式、光電式、靜電容式、氣壓式、超聲波式。
23、將放大電路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪聲和高輸入阻抗這種特點的放大器稱為測量放大器；具有能利用計算機采用軟件控制的辦法來實現增益的自動變換功能的放大器叫做程控增益放大器；
24、隔離放大器特點：能保護系統元件不受高共模電壓的損害，防止高壓對低壓信號系統的損壞；泄漏低電流，對于測量放大器的輸入端無須提供偏流返回通路；共模抑制比高，能對直流和低頻信號進行準確、安全的測量。
25、A/D轉換器的特性：分辨率、相對精度、輸入電壓、輸出電阻、轉換時間（孔徑時間）
26、A/D轉換器的孔徑時間：在對模擬信號進行模數變換時，從啟動變換到變換結束的數字量輸出所需要的時間。
27、采樣頻率：（香儂定理）不失真檢測 Ws(采樣頻率)≥2Wmax（信號最高頻率）
28、模擬信號經過時間離散變換和幅值離散變換(近似值)后轉換成數字信號。
29、用軟件進行“線性化”處理的方法：計算法、查表法、插值法。
30、伺服系統:以機械運動量為控制對象的反饋控制系統
31、伺服系統的結構組成及分類：控制器；功率放大器；執行機構；檢測裝置。
32、采用直流伺服電動機作為執行元件的伺服系統，稱為直流伺服系統。
33、直流伺服系統種類繁多，按伺服電動機、功率放大器、檢測元件、控制器的種類以及反饋信號與指令比較方式等分為不同類型的直流伺服系統
34、相敏放大器也稱鑒幅器，它的功能是將交流電壓轉換為與之成正比的直流電壓，并使它的極性與輸入的交流電壓的相位相適應。
35、相敏放大器的任務將輸入交流電壓變換成直流電壓；當輸入交流電壓相位變成相差∏時時，輸出的直流電壓極性亦隨之改變；輸出直流電壓的數值與輸入交流電壓的幅值成正比
36、脈寬調制型（PWM）功率放大器的基本原理：利用功率器件的開關作用，將直流電壓轉換成一定頻率的方波電壓，通過對方波脈沖寬度的控制，改變輸出電壓的平均值。
37、采用交流伺服電動機作為執行元件的伺服系統，稱為交流伺服系統。按其選用不同的電動機而分為兩大類：同步型交流伺服電動機和異步型交流伺服電動機。
38、步進電動機（或脈沖電動機或脈沖馬達）；步進電動機多用于開環系統
39、三相步進電動機的三種分配方式：三相三拍、三相六拍、雙三拍
40、步距角的計算，為相數，為轉量數，為通電方式導數。
41、細分驅動電路的作用是減少步距角
42、光電隔離電路的作用：1）通過光電轉換隔離輸入/輸出2）實現電平轉換3）增加驅動能力
44、在工業環境中使用計算機控制系統，除去被控對象、檢測儀表和執行機構外，其余部分稱做“工業控制計算機”，簡稱“工業控制機”或“工控機”
45、PLC工作特點：順序掃描、循環執行（工作可靠、可與工業現場信號直接連接、積數式組合、編程操作容易、易于安裝及維修）；PLC掃描工作制：輸入掃描，計算，輸出控制。（三階段工作制）
機電一體化(3)
《機電一體化技術》試卷 (一)
考試方法 閉卷 考試時間 分鐘 共 頁 第1頁
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一、名詞解釋 (每小題2分 共10分)
1. 測量
靈敏度
壓電效應
動態誤差 5. 傳感器
二、填空題 每小題2分 共20分)
1. 滾珠絲桿中滾珠的循環方式 _內旋換和外循環
2. 機電一體化系統 設計指標和評價標準應包括 ___ _______ __________
__________ __________。
3. 順序控制系統是按照預先規定的次序完成一系列操作的系統
順序控制器通常用____
_______________________________。
4. 某光柵的條紋密度是50條/mm 光柵條紋間的夾角θ=0.001孤度
則莫爾條紋的寬度是_______________________。
5. 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
______________________
使它們同步協調到達目標點。
6. 某4極交流感應電機 電源頻率為50Hz 轉速為1470r/min 則轉差率為_____________。7. 齒輪傳動
的總等效慣量與傳動級數__________________________________________。
8. 累計式定時器工作時有_____________________________________________________。
9. 復合控制器必定具有__________________________________。
10. 鉆孔、點焊通常選用_______________________________________類型。
三、選擇題 每小題2分 共10分
1. 一般說來 如果增大幅值穿越頻率ωc的數值 則動態性能指標中的調整時間ts ( )
A. 產大 B. 減小 C. 不變 D. 不定
2. 加速度傳感器的基本力學模型是
A. 阻尼—質量系統 B. 彈簧—質量系統
彈簧—阻尼系統 D. 彈簧系統
3. 齒輪傳動的總等效慣量與傳動級數 ( )
A. 有關 B. 無關
C. 在一定級數內有關 D. 在一定級數內無關
4. 順序控制系統是按照預先規定的次序完成一系列操作的系統 順序控制器通常用 ( )
A. 單片機 B. 2051 C. PLC
5、伺服控制系統一般包括控制器、被控對象、執行環節、比較環節和 檢測環節 等個五部分。
A 換向結構 B 轉換電路 C 存儲電路 D檢測環節
四、判斷題 每小題2分 共10分)
1、伺服控制系統的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。
2、電氣式執行元件能將電能轉化成機械力 并用機械力驅動執行機構運動。如交流電機、直流電機、力
矩電機、步進電機等。
3、對直流伺服電動機來說 其機械特性越硬越好。
4、步進電機的步距角決定了系統的最小位移 步距角越小 位移的控制精度越低。
5、伺服電機的驅動電路就是將控制信號轉換為功率信號 為電機提供電能的控制裝置 也稱其為變流器
它包括電壓、電流、頻率、波形和相數的變換。
五、問答題 每小題10分 共30分)
1. 步進電動機常用的驅動電路有哪幾種類型?
2. 什么是步進電機的使用特性?
3. 機電一體化系統設計指標大體上應包括哪些方面?
六、分析計算題 (每小題10分 共20分)
1. 三相變磁阻式步進電動機 轉子齒數Z=100,雙拍制通電 要求電動機轉速為120r/min 輸入脈沖頻率為
多少?步距角為多少
2. 采用PLC設計二個電磁閥A、B工作的系統
1) 按鈕x1為A電磁閥打開 按鈕x2為A電磁閥關閉 (輸出y1);
2) 按鈕x3為B電磁閥打開 按鈕x4為B電磁閥關閉 (輸出y2);
3) 只有B電磁閥在工作中 A電磁閥才能工作。
要求 畫出梯形圖 寫出助記符指令程序。
《機電一體化技術》試卷 (一)
考試方法 閉卷 考試時間 分鐘 共 頁 第1頁
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一、名詞解釋 (每小題2分 共10分)
1. 是人們借助于專門的設備 通過一定的方法對被測對象收集信息 取得數據概念的過程。
2. 指在穩態下 輸出的變化量ΔY與輸入的變化量ΔX的比值。即為傳感器靈敏度。
S=dy/dx=ΔY/ΔX
3. 某些電介質 當沿著一定的方向對它施加力而使它產生變形時 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 這種現象被稱為壓電
效應。
4. 動態誤差在被測量隨時間變化過程中進行測量時所產生的附加誤差稱為動態誤差。
5. 傳感器是一種以一定的精確度把被測量轉換為與之有確定對應關系的 便于應用的某種物理量 的測量
裝置。
二、填空題 每小題2分 共20分)
1. 內循環 外循環
2. 性能指標 系統功能 使用條件 經濟效益
3. PLC 4. 20mm 5. 位置和速度 6. 0.02 7. 增加而減小 8. 2 9. 前饋控制器
10. 簡單的
直線運動控制
三、選擇題 每小題2分 共10分
1. B.2. A3. C.4. C5、D
四、判斷題 每小題2分 共10分)
1、√2、33、√4、35、√
五、問答題 每小題10分 共30分)
1. 單電源驅動電路 雙電源驅動電路 斬波限流驅動電路
2. 步距誤差 步距誤差直接影響執行部件的定位精度。
最大靜轉矩 是指步進電動機在某相始終通電而處于靜止不動狀態時 所能承受的最大外加轉矩 亦
即所能輸出的最大電磁轉矩 它反映了步進電動機的制動能力和低速步進運行時的負載能力。
啟動矩一頻特性 空載時步進電動機由靜止突然啟動 并不失步地進入穩速運行所允許的最高頻率稱
為最高啟動頻率。啟動頻率與負載轉矩有關。
運行矩頻特性 步進電動機連續運行時所能接受的最高頻率稱為最高工作頻率 它與步距角一起決定
執行部件的最大運行速度。
最大相電壓和最大相電流 分別是指步進電動機每相繞組所允許施加的最大電源電壓和流過的最大電
流。
3. 應包括系統功能、性能指標、使用條件、經濟效益。
六、分析計算題 (每小題10分 共20分)
1. 20KHz 3.6
o
2. (1) 梯形圖 助記符指令程序
STR X1
OR Y1
AND NOT X2
OUT Y1
STR X3
OR Y2
AND NOT X4
AND Y1
OUT Y2
《機電一體化技術》試卷 (二)
考試方法 閉卷 考試時間 分鐘 共 頁 第1頁
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一、名詞解釋 (每小題2分 共10分)
1、線性度2、伺服控制系統3、三相六拍通電方式4、傳感器5、系統精度
二、填空題 每小題2分 共20分)
1、計算機在控制中的應用方式主要有_____________________________。
2. 滾珠絲桿螺母副結構有兩類 _____________________________。
3、應用于工業控制的計算機主要有 ______________________________等類型。
4. 機電一體化系統 設計指標和評價標準應包括________________________________。
5、可編程控制器主要由_____________________________等其它輔助模塊組成。
6. 順序控制系統是按照預先規定的次序完成一系列操作的系統
順序控制器通常用_______________________________________________________。
7、現在常用的總線工控制機有 ________ 、PC總線工業控制機和CAN總線工業控制機等。
8、隔離放大器中采用的耦合方式主要有兩種_____________________________。
9. 某光柵的條紋密度是50條/mm 光柵條紋間的夾角θ=0.001孤度
則莫爾條紋的寬度是_______________________。
10. 采樣/保持器在保持階段相當于一個“_____________________________”。
三、選擇題 每小題2分 共10分
1.一個典型的機電一體化系統 應包含以下幾個基本要素
A 機械本體 B 動力與驅動部分 C 執行機構 D. 控制及信息處理部分
2、機電一體化系統 產品 開發的類型
A 開發性設計 B 適應性設計 C 變參數設計 D 其它
3、機電一體化系統 產品 設計方案的常用方法
A 取代法 B 整體設計法 C組合法 D其它。
4、機電一體化的高性能化一般包含
A高速化 B高精度 C高效率 D高可靠性。
5、抑制干擾的措施很多 主要包括
A屏蔽 B隔離 C濾波 D接地和軟件處理等方法
四、判斷題 每小題2分 共10分)
1、變流器中開關器件的開關特性決定了控制電路的功率、響應速度、頻帶寬度、可靠性和等指標。
2、伺服控制系統的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。
3、感應同步器是一種應用電磁感應原理制造的高精度檢測元件 有直線和圓盤式兩種 分別用作檢測直
線位移和轉角。
4、數字式位移傳感器有光柵、磁柵、感應同步器等 它們的共同特點是利用自身的物理特征 制成直線
型和圓形結構的位移傳感器 輸出信號都是脈沖信號 每一個脈沖代表輸入的位移當量 通過計數脈
沖就可以統計位移的尺寸。
5、FMC控制系統一般分二級 分別是單元控制級和設備控制級。
五、問答題 每小題10分 共30分)
1、計算機控制系統中 如何用軟件進行干擾的防護。
2、滾珠絲杠副的軸向間隙對系統有何影響 如何處理
3、機電一體化系統中的計算機接口電路通常使用光電藕合器 光電藕合器的作用有哪些
六、綜合應用題 (每小題10分 共20分)
1.編寫程序 單片機讀P1.0的狀態,把這個狀態傳到P1.7指示燈去 當P1.0為高電平時指示燈亮,低電平時
指示燈不亮,采用中斷完成這一輸入輸出過程 每中斷一次完成一個讀寫過程。
2. 光柵傳感器 刻線數為100線/mm 設細分時測得莫爾條紋數為400 試計算光柵位
移是多少毫米 若經四倍細分后 記數脈沖仍為400 則光柵此時的位移是多少 測量分辨率是多少
《機電一體化技術》試卷(二) 答案
考試方法 閉卷 考試時間 分鐘 共3頁 第1頁
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一、名詞解釋 (每小題2分 共10分)
1、所謂傳感器的線性度就是其輸出量與輸入量之間的實際關系曲線偏離直線的程度。又稱 為非線性誤
差。
2、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。
3、如果步進電動機通電循環的各拍中交替出現單、雙相通電狀態 這種通電方式稱為單雙相輪流通電方
式。如A→ AB→ B→ BC→C → CA→…
4、是一種以一定的精確度把被測量轉換為與之有確定對應關系的 便于應用的某種物理量 的測量裝置。
5、指輸出量復現輸入信號要求的精確程度
二、填空題 每小題2分 共20分)
1、 操作指導控制系統
分級計算機控制系統
監督計算機控制系統 SCC
直接數字控制系統
2. 外循環插管式 內循環反向器式 3、單片機 PLC 總線工控機 4. 性能指標 系統功能 使用條件
經濟效益。
5、CPU 存儲器 接口模塊 6. PLC 7、STD總線工業控制機 8、變壓器隔離 光電隔離 9. 20mm 10.
模擬信號存儲器
三、選擇題 每小題2分 共10分
1. A B C D 2、A B C 3、A B C D 4、A B C D 5、A B C D
四、判斷題 每小題2分 共10分)
1、 √ 2、 √ 3、 √ 4、 √ 5、 √
五、問答題 每小題10分 共30分)
1、軟件濾波用軟件來識別有用信號和干擾信號 并濾除干擾信號的方法 稱為軟件濾波
軟件“陷井”
軟件“看門狗” WATCHDOG 就是用硬件 或軟件 的辦法要求使用監控定時器定時檢查某段程序
或接口 當超過一定時間系統沒有檢查這段程序或接口時 可以認定系統運行出錯 干擾發生 可通過
軟件進行系統復位或按事先預定方式運行 。
2、如果滾珠螺旋副中有軸向間隙或在載荷作用下滾珠與滾道接觸處有彈性變形 則當螺桿反向轉動時
將產生空回誤差。為了消除空回誤差 在螺桿上裝配兩個螺母1和2 調整兩個螺母的軸向位置 使兩個
螺母中的滾珠在承受載荷之前就以一定的壓力分別壓向螺桿螺紋滾道相反的側面 使其產生一定的變形
從而消除了軸向間隙 也提高了軸向剛度。常用的調整預緊方法有下列三種。墊片調隙式 螺紋調隙式 齒
差調隙式
3、 1 能保護系統元件不受高共模電壓的損害 防止高壓對低壓信號系統的損壞。
2 泄漏電流低 對于測量放大器的輸入端無須提供偏流返回通路。
3 共模抑制比高 能對直流和低頻信號(電壓或電流)進行準確、安全的測量。
利用光電耦合方式實現載波調制 可獲得10kHz帶寬 但其隔離性能不如變壓器耦合。
六、綜合應用題 (每小題10分 共20分)
1.
2. 光柵此時的位移
細分前4mm, 細分后 1mm
測量分辨率:
細分前0.01 mm/線 細分后:0.025
《機電一體化技術》試卷 (三)
考試方法 閉卷 考試時間 分鐘 共 頁 第1頁
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一、名詞解釋 (每小題2分 共10分)
1.機電一體化2.自動控制3.開環控制系統4.逆變器5. PWM
二 判斷題 (每空1分 共10分)
1. 直線運動導軌是用來支承和引導運動部件按給定的方向作往復直線運動。
2. 滾珠絲桿不能自鎖。
3. D/A轉換的方式可分為并行轉換的串行轉換方式。
4. 同步通信是以字符為傳輸信息單位。
5. 異步通信常用于并行通道。
6. 查詢I/O方式常用于中斷控制中。
7. 串行通信可以分為以下四種方式
1 全雙工方式
2 半雙工方式
3 同步通信
4 異步通信。
三 填空題 (每空1分 共40分)
1. 從控制角度講 機電一體化可分為
控制系統和
控制系統。
2. 在機電一體化中傳感器輸出電信號的參量形式可以分為:
三種形式。
3. 多點接地 優點
缺點
。
4. 一般來說 伺服系統的基本組成為
、
、
和
等四大部分組成。
5. 在SPWM變頻調速系統中 通常載波是
而調制波是
6.從電路上隔離干擾的三種常用方法是:
隔離
隔離
隔離。
7.開環步進電動機控制系統 主要由
、
和
等組成。
8.實現步進電動機通電環形分配的三種常用方法是 1
2
3
。
9. 產生電磁干擾必備的三個條件是
。
10.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
或
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
的形式 通過空間感應傳遞。
11. 指出下列干擾哪幾種屬于傳導耦合方式
,
;
哪幾種屬于幅射耦合方式
,
,
。
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。
12.磁場屏蔽---對高頻交變磁場應采用
的金屬材料
作屏蔽體 對低頻交變磁場應采用
的材料作屏蔽體 并保證磁路暢通。
13.一點接地中 1 串聯接地 優點
缺點
2 并聯接地 優點
缺點
僅適用于
電路。
四 解答題 (每小題5分 共40分)
1 一個典型的機電一體化系統 應包含哪些幾個基本要素
2 斜齒輪傳動機構中消除齒側隙的常用方法
3、簡述直流伺服電動機兩種主要控制方式的工作原理。
4. 在微機控制系統中 主機和外圍設備間所交換的信息通常分為哪三類
5 數據信息可分為哪幾種
6 DAC0832有哪三種輸入工作方式 有哪二種輸出工作方式
7.步進電動機控制系統中 電動機通過絲杠螺母帶動執行部件運動:
已知 步距角θ 脈沖數 N 頻率 f 絲杠導程 p 試求執行部件:
位移量 L= ? 移動速度 V=?
8.有一變化量為0 ~ 16V的模擬信號 采用4位A/D轉換器轉換成數字量 輸入到微機控制系統中 試求
其量化單位q 量化誤差最大值emax
《機電一體化技術》試卷 (三)
考試方法 閉卷 考試時間 分鐘 共 頁 第1頁
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一 名詞解釋 (每小題2分 共10分)
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.自動控制—由控制裝置自動進行操作的控制。
3.開環控制系統—無反饋的控制系統。
4.逆變器—把固定的直流電變成固定或可調的交流電的 DC/AC變流器。
5. PWM—通過調節脈沖的寬度改變負載電壓平均值的脈寬調制斬波器。
二 判斷題 (每空1分 共10分)
1. √ 2. √ 3. √ 4. 3 5.3 6.3
7. 1 √1 2 √ 3 √ 4 √
三 填空題 (每空1分 共40分
1. 開環、閉環
2. 電壓輸出 電流輸出 頻率輸出
3. 互不干擾 接線多 復雜
4. 控制器 功率放大器 執行機構 和檢測裝置
5. 等腰三角波 三相 正弦波
6. 光電 變壓器 繼電器
7. 環形分配器 功率放大器 步進電動機
8. 1 采用計算機軟件分配器 2 小規模集成電路搭接的硬件分配器 3 專用模塊分配器
9 干擾源 傳播途徑 接受干擾對象 原系統 系統
10. 1 電壓 電流 。 2 電磁場。
11. C , D ; A , B E。
12. 銅和鋁等導電性能好 鐵等高導磁率 。
13 1 最簡單 前后相互干擾
2 干擾小 接線多 復雜 低頻
機電一體化(4)
專科畢業實習報告
學生：趙樹滿
學習中心：河北唐山豐南奧鵬學習中心
專業：機電一體化技術
層次：高起專
提交日期：2016年1月19日
機電一體化技術專業實習報告
第1章緒論
1.1概述
二十一世紀，關于機電一體化技術的研究和應用已成為全球性的課題，機電一體化是以機械技術和電子技術為主題，多門技術學科互相參透、互相結合的產物，是正在發展和逐漸完善的一門新興的邊緣學科。
第2章機電一體化技術發展（具體內容）
機電一體化是機械、微電子、控制、計算機、信息處理等多學科的交叉融合，其發展和進步有賴于相關技術的進步于發展，其主要發展方向有數字化、智能化、模塊化、網絡化、人性化、微型化、集成化、帶源化和綠色化。
2.1數字化
微控制器及其發展奠定了機電產品數字化的基礎，如不斷發展的數控機床和機器人；而計算機網絡的迅速崛起，為數字化設計與制造鋪平了道路，如虛擬設計、計算機集成制造等。數字化要求機電一體化產品的軟件具有高可能性、易操作性、可維護性、自診斷能力以及友好人機界面。數字化的實現將便于遠程操作、診斷和修復。
2.2智能化
即要求機電產品有一定的智能，使它具有類似人的邏輯思考、判斷推理、自主決策等能力。例如在CNC數控機床上增加人機對話功能，設置智能I/O接口和智能工藝數據庫，會給使用、操作和維護帶來極大的方便。隨著模糊控制、神經網絡、灰色理論、小波理論、混沌與分叉等人工智能技術的進步與發展，為機電一體化技術發展開辟了廣闊天地。
2.3模塊化
由于機電一體化產品種類和生產廠家繁多，研制和開發具有標準機械接口、動力接口、環境接口的機電一體化產品單元模塊是一項復雜而有前途的工作。如研制具有集減速、變頻調速機電一體的動力驅動單元；具有視覺、圖像處理、識別和測距等功能的機電一體控制單元等。這樣，在產品開發設計時，可以利用這些標準模塊化單元迅速開發出新的產品。
2.4網絡化
由于網絡的普及，基于網絡的各種遠程控制和監視技術方興未艾。而遠程控制的終端設備本身就是機電一體化產品，現場總線和局域網技術使家用電器連接成以計算機為中心的計算機集成家用電器系統，使人們在家里可充分享受各種高技術帶來的好處，因此，機電一體化產品無疑應朝網絡化方向發展。
2.5人性化
機電一體化產品的最終使用對象是人，如何給機電一體化產品賦予人的智能、情感和人性顯得愈來愈重要，機電一體化產品除了完善的性能外，還要求在色彩、造型等方面與環境相協調，使用這些產品，對人來說還是一種藝術享受，如家用機器人的最高境界就是人機一體化。
2.6微型化
微型化是精細加工技術發展的必然，也是提高效率的需要。微機電系統（Micro Electronic Mechanical Systems，簡稱MEMS）是指可批量制作的，集微型機構、微型傳感器、微型執行器以及信號處理和控制電路，直至接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統。自1986年美國斯坦福大學研制出第一個醫用微探針，1988年美國加州大學Berkeley分校研制出第一個微電機以來，國內外在MEMS工藝、材料以及微觀機理研究方面取得了很多的進展，開發出各種MEMS器件和系統，如各種微型傳感器（壓力傳感器、微加速度計、微觸覺傳感器），各種微構件（微膜、微梁、微探針、微連桿、微齒輪、微軸承、微泵、微彈簧以及微機器人等）。
2.7集成化
集成化既包含各種技術的互相滲透、互相融合和各種產品不同結構的優化與復合，又包含在生產過程中同時處理加工、裝配、檢測、管理等多種工序。為了實現多品種、小批量生產的自動化與高效率，應使系統具有更廣泛的柔性。首先可將系統分解為若干層次，使系統功能分散，并使各部分協調而又安全的運轉，然后在通過軟、硬件將各個層次有機地聯系起來，使其性能最優、功能最強。
2.8帶源化
是指機電一體化產品自身帶有能源，如太陽能電池、燃料電池和大容量電池。由于在許多場合無法使用電能，因而對于運動的機電一體化產品，自帶動力源具有獨特的好處。帶源化是機電一體化產品的發展方向之一。
2.9綠色化
科學技術的發展給人們的生活帶來了巨大變化，在物質豐富的同時也帶來資源減少、生態環境惡化的后果。所以，人們呼喚保護環境，回歸自然，實現可持續發展，綠色產品概念在這種呼聲中應運而生，綠色產品是指低能耗、低耗材、低污染、舒適、協調而可再生利用的產品。在其設計、制造、使用和銷毀時應符合環境和人類健康的要求，機電一體化產品的綠色化主要是指在其使用時不污染生態環境，產品壽命結束時，產品可分解和再生利用。
第3章機電一體化技術在鋼鐵企業中應用
在鋼鐵企業中，機電一體化系統是以微處理機為核心，把微機、工控機、數據通訊、顯示裝置、儀表等技術有機的結合起來，采用組裝合并方式，為實現工程大系統的綜合一體化創造有利條件，增強系統控制精度、質量和可靠性。機電一體化技術在鋼鐵企業中主要應用于以下幾個方面：
3.1智能化控制技術（IC）
由于鋼鐵工業具有大型化、高速化和連續化的特點，傳統的控制技術遇到了難以克服的困難，因此非常有必要采用智能控制技術。智能控制技術主要包括專家系統、模糊控制和神經網絡等，智能控制技術廣泛應用于鋼鐵企業的產品設計、生產、控制、設備與產品質量診斷等各個方面，如高爐控制系統、電爐和連鑄車間、軋鋼系統、煉鋼、連鑄、軋鋼綜合調度系統、冷連軋等。
3.2分布式控制系統（DCS）
分布式控制系統采用一臺中央計算機指揮若干臺面向控制的現場測控計算機和智能控制單元。分布式控制系統可以是兩級的、三級的或更多級的。利用計算機對生產過程進行集中監視、操作、管理和分散控制。隨著測控技術的發展，分布式控制系統的功能越來越多。不僅可以實現生產過程控制，而且還可以實現在線最優化、生產過程實時調度、生產計劃統計管理功能，成為一種測、控、管一體化的綜合系統。是當前大型機電一體化系統的主要潮流。
3.3開放式控制系統（OCS）
開放控制系統是目前計算機技術發展所引出的新的結構體系概念。“開放”意味著對一種標準的信息交換規程的共識和支持，按此標準設計的系統，可以實現不同廠家產品的兼容和互換，且資源共享。開放控制系統通過工業通信網絡使各種控制設備、管理、決策的集成，通過現場總線使現場儀表與控制室的控制設備互聯，實現測量與控制一體化。
3.4計算機集成制造系統（CIMS）
鋼鐵企業的CIMS是將人與生產經營、生產管理以及過程控制連成一體，用以實現從原料進廠，生產加工到產品發貨的整個生產過程全局和過程一體化控制。目前鋼鐵企業以基本實現了過程自動化，但這種“自動化孤島”式的單機自動化缺乏信息資源的共享和生產過程的統一管理，難以適應現代鋼鐵生產的要求。未來鋼鐵企業競爭的焦點是多品種、小批量生產，質優價廉，及時交貨。為了提高生產率、節能降耗、減少人員及現有庫存，加速資金周轉，實現生產、經營、管理整體優化，關鍵就是加強管理，獲取必須的經濟效益，提高了企業的競爭力。
3.5現場總線技術（FBT）
現場總線技術是連接設置在現場的儀表與設置在控制室內的控制設備之間的數字式、雙向、多站通信鏈路。采用現場總線技術取代現行的信號傳輸技術，就能使更多的信息在智能化現場儀表裝置與更高一級的控制系統之間在共同的通信媒體上進行雙向傳送。通過現場總線連接可省去66%或更多的現場信號連接導線。現場總線的引入導致DCS的變革和新一代圍繞開發自動化系統的現場總線化儀表，如智能變送器、智能執行器、現場總線化檢測儀表和現場就地控制站等的發展。
3.6交流傳動技術
交流傳動技術在鋼鐵工業中起至關重要的作用。隨著電力電子技術的發展，交流調速技術的發展非常迅速。由于交流傳動的優越性，電氣傳動技術在不久的將來由交流傳動全面取代直流傳動，數字技術的發展，使復雜的矢量控制技術實用化得以實現，交流調速系統的調速性能已達到和超過直流調速水平。現在無論大容量電機或中小容量電機都可以使用同步電機或異步電機實現可逆平滑調速。交流傳動系統在軋鋼生產中一出現就受到用戶的歡迎，應用不斷擴大。
第4章總結
綜上所述，經過20多年的發展，機電一體化技術已經成為當今世界最熱門、最重要的技術發展方向之一，并影響到幾乎全部的工業行業。可以說，從軍事到經濟、從生產到生活、從簡單的日用消費品生產到復雜的社會生產和管理系統，機電一體化技術幾乎達到無所不在、無孔不入的地步。
致謝
謝謝學校三年來給予我的教導和莫大的幫助，無論是在學習上、還是在工作的過程中都教會了我許多許多。在學校和老師的悉心指導下，我也慢慢地學到了很多知識，不管是專業知識還是其它方面的知識，衷心的感謝學校感謝老師！
機電一體化(5)
成人高等教育
專業培養計劃
機電一體化專業培養計劃
層次：專科起點本科 學制：三年
一、 培養目標
本專業培養適應21世紀社會主義現代化建設需要的德、智、體等方面全面發展的高素質的機械設計制造及其自動化方面的高等工程技術人才。學生畢業后可在廠礦企業、研究單位、高等學校等部門從事研究、設計、生產制造、技術開發、管理和教學等工作。
二、 基本要求
畢業生應獲得以下幾方面的知識和能力：
1.比較系統地掌握本專業必需的技術基礎理論，主要包括力學理論、機械學理論、電工電子學基本理論等。????????????????????????????????????????????????
2.具有本專業領域內1-2個專業方向所必要的專業知識，了解其學科前沿和發展趨勢。?
3.具有本專業必須的制圖、計算、測試、調研、查閱文獻和基本工藝操作等基本技能及較強的計算機應用能力和外語應用能力。
4.具有一定的人文、藝術和社會科學知識，具有正確運用本國語言、文字的能力。
5.有較強的自學能力、分析能力和創新意識。
三、 專業教學進程表
表1 函授教學進程表
表2 函授實踐教學環節教學進程表
制定： 教研室主任： 年 月 日
審批： 系 主 任： 年 月 日
主管院長： 年 月 日
機電一體化(6)
I
機電一體化技術第1 章習題-參考答案 ................................................................................. 1
1-1 試說明較為人們接受的機電一體化的含義。 ............................................................ 1
1-4 何謂機電一體化技術革命？ ........................................................................................ 1
1-7.機電一體化系統有哪些基本要素組成？分別實現哪些功能？ ................................. 1
1-8.工業三大要素指的是什么？ ........................................................................................ 1
1-12.機電一體化系統的接口功能有哪兩種？ .................................................................. 1
1-16.什么是機電互補法、融合法、組合法？ .................................................................. 1
機電一體化技術第2 章習題-參考答案 ................................................................................. 2
2-1 設計機械傳動部件時，為確保機械系統的傳動精度和工作穩定性，常常提出哪些
要求？ ................................................................................................................................. 2
2-2 機電一體化系統傳動機構的作用是什么？ ................................................................ 2
2-3 機電一體化系統（產品）對傳動機構的基本要求是什么？ ..................................... 2
2-10 現有一雙螺母齒差調整預緊式滾珠絲杠，其基本導程λ0=6mm、一端的齒輪齒
數為 100、另一端的齒輪齒數為98，當其一端的外齒輪相對另一端的外齒輪轉過2
個齒時，試問：兩個螺母之間相對移動了多大距離？ ................................................... 2
2－16 各級傳動比的分配原則是什么？輸出軸轉角誤差最小原則是什么？ ............... 2
2－17 已知：4 級齒輪傳動系統，各齒輪的轉角誤差為?φ1=?φ2=?φ3=…=0.005 rad,各
級減速比相同，即?1=?2=…=?4=1.5。求：該傳動系統的最大轉角誤差?φmax; 為縮小
?φmax，應采取何種措施？ ............................................................................................... 2
2－18 諧波齒輪傳動有何特點？傳動比的計算方法是什么？ ....................................... 3
2-19.設有一諧波齒輪減速器,其減速比為100，柔輪齒數為100.當剛輪固定時,試求該
諧波減速器的剛輪齒數及輸出軸的轉動方向(與輸入軸的轉向相比較) ......................... 3
2-20.齒輪傳動的齒側間隙的調整方法有哪些? ................................................................ 3
2-25.軸系部件設計的基本要求有哪些？ .......................................................................... 4
機電一體化技術第3 章參考答案 .......................................................................................... 5
3-1 簡述機電一體化系統執行元件的分類及特點。 ........................................................ 5 II
3-2 機電一體化系統對執行元件的基本要求是什么？ .................................................... 5
3-3 簡述控制用電動機的功率密度及比功率的定義。 .................................................... 5
3—5 直流伺服電機控制方式的基本形式是什么？ .......................................................... 5
3-6 簡述 PWM 直流驅動調速，換向的工作原理。 ......................................................... 6
步進電機具有哪些特點？ .................................................................................................. 6
簡述步進電機三相單三拍的工作原理？ .......................................................................... 6
3-11 簡述步進電機步距角大小的計算方法？ ................................................................. 7
3-12 簡述三相步進電機的環形分配方式？ ............................................................... 7
簡述步進電機驅動電源的功率放大電路原理. ................................................................. 7
機電一體化技術第4 章參考答案 .......................................................................................... 9
試說明CPU、MC 和MCS 之關系。 .................................................................................. 9
4-3、在設計微機控制系統中首先會遇到的問題是什么？ ............................................. 9
4-17 試說明光電耦合器的光電隔離原理。 ...................................................................... 9
4-20 試說明檢測傳感器的微機接口基本方式。 .............................................................. 9
機電一體化技術第5 章參考答案 ........................................................................................ 11
5-2 簡述采樣定理？ ......................................................................................................... 11
5-3 簡述數字控制系統A/D 轉換過程。 .......................................................................... 11
5-5 簡述多輸入多輸出系統的靜力學方程。 .................................................................. 11
5-6 簡述兩自由度機器人逆動力學方程。 ...................................................................... 12
機電一體化技術第7 章參考答案 ........................................................................................ 13
7-3 機電一體化系統中的典型負載有哪些？說明以下公式的含義： ........................... 13
7-4 設有一工作臺x 軸驅動系統，已知參數為下表中所列，已知mA=400 ㎏，
Ph=5mm,Fl 水平=800N，Fl 垂直=600N，工作臺與導軌間為滑動摩擦，其摩擦系數為
0.2，試求轉換到電動機軸上的等效轉動慣量和等效轉矩。 ........................................ 13
7-5.簡述機電一體化系統的數學模型建立過程。比例環節（P）、積分環節(I)、比例-
積分環節(PI)和比例-積分-微分調節(PID)各有何優缺點？ ............................................. 14
7-8 何謂機電一體化系統的“可靠性”？ ...................................................................... 17
1
機電一體化技術第 1章習題-參考答案
1-1 試說明較為人們接受的機電一體化的含義。
答：機電一體化乃是在機械的主功能、動力功能、信息功能和控制功能上引進微電子技
術，并將機械裝置與電子裝置用相關軟件有機結合而構成系統的總稱。
1-4 何謂機電一體化技術革命？
答：將微型計算機等微電子技術用于機械并給機械以“智能”的技術革新潮流可稱
“機電一體化技術革命” 。
1-7.機電一體化系統有哪些基本要素組成？分別實現哪些功能？
答：
機電一體化系統（產品）要素 功能
控制器（計算機等） 控制（信息存儲、處理、傳送）
檢測傳感器 計測（信息收集與變換）
執行元件 驅動（操作）
動力源 提供動力（能量）
機構 構造
1-8.工業三大要素指的是什么？
答：物質、能量、信息。
1-12.機電一體化系統的接口功能有哪兩種？
答：一種是變換、調整;
另一種是輸入/輸出。
1-16.什么是機電互補法、融合法、組合法？
答：機電互補法又稱取代法。該方法的特點是利用通用或專用電子部件取代傳統機械產品
（系統）中的復雜機械功能部件或功能子系統，以彌補其不足。
融合法它是將各組成要素有機結合為一體構成專用或通用的功能部件（子系統），其要
素之間機電參數的有機匹配比較充分。
組合法它是將結合法制成的專用或通用功能部件（子系統）、功能模塊，像積木那樣組
合成各種機電一體化系統（產品），故稱組合法。 2
機電一體化技術第 2章習題-參考答案
2-1 設計機械傳動部件時，為確保機械系統的傳動精度和工作穩定性，常常提
出哪些要求？
答：常提出低摩擦、無間隙、低慣量、高剛度、高諧振頻率、適當的阻尼比等。
2-2 機電一體化系統傳動機構的作用是什么？
答：傳遞轉矩和轉速。
2-3 機電一體化系統（產品）對傳動機構的基本要求是什么？
答：精密化，高速化，小型、輕量化。
2-10 現有一雙螺母齒差調整預緊式滾珠絲杠，其基本導程λ0=6mm、一端的
齒輪齒數為 100、另一端的齒輪齒數為 98，當其一端的外齒輪相對另一端的外
齒輪轉過 2 個齒時，試問：兩個螺母之間相對移動了多大距離？
答：Z1 =100，Z2 =98，ΔS=(2/Z1)* λ0=0.02*6 mm=0.12 mm。
2－16 各級傳動比的分配原則是什么？輸出軸轉角誤差最小原則是什么？
答：（1）各級傳動比的分配原則是：
重量最輕原則
輸出軸轉角誤差最小原則
等效轉動慣量最小原則
（2）輸出軸轉角誤差最小原則是：
為提高機電一體化系統齒輪傳動的精度，各級傳動比應按先小后大的原則分配，以
便降低齒輪的加工誤差、安裝誤差以及回轉誤差對輸出轉角精度的影響。總轉角誤差主要
取決于最未一級齒輪的轉角誤差和轉動比的大小，在設計中最未兩級傳動比應取大一些，
并盡量提高最未一級齒輪的加工精度。
2－17 已知：4 級齒輪傳動系統，各齒輪的轉角誤差為?φ1=?φ2=?φ3=…
=0.005 rad,各級減速比相同，即?1=?2=…=?4=1.5。求：該傳動系統的最大轉
角誤差?φmax; 為縮小?φmax，應采取何種措施？
解：（1）
?φmax=
i
1
+
4 3 2
3 2
i i i
+
4 3
5 4
i i
+
4
7 6
i
+?φ8
=0.005/1.5
4
+0.01/1.5
3
+0.01/1.5
2
+0.01/1.5+0.005
=0.00099+0.00296+0.00444+0.00667+0.005
=0.02006 rad 3
=1.1499
o
（1） 總轉角誤差主要取決于最未一級齒輪的轉角誤差和傳動比的大小，所以，為縮小?
φmax，在設計中最未兩級的傳動比應取大一些，盡量提高最未一級輪副的加工精
度。
2－18 諧波齒輪傳動有何特點？傳動比的計算方法是什么？
答：（1）諧波齒輪傳動特點有：結構簡單、傳動比大、傳動精度高、回程誤差小、噪聲
低、傳動平穩、承載能力強、效率高等特點。
諧波齒輪傳動的波發生器相當于行星輪系的轉臂，柔輪相當于行星輪，剛輪則相當于
中心輪。故諧波齒輪傳動裝置的傳動比可以應用行星輪系求傳動比的方式來計算。設
H g r
、 、 分別為剛輪、柔輪和波形發生器的角速度，則
g H r H
rg
g H r
Z
i
Z
。
當柔性輪固定時， 1
g g g r g H H r H
rg Hg
g H r H g g g g r
Z Z Z Z Z
i i
Z Z Z Z Z
當剛性輪固定時， 1
0
g g r H r H r
Hr
H r H r g r g
Z Z Z
i
Z Z Z Z
2-19.設有一諧波齒輪減速器,其減速比為 100，柔輪齒數為 99 當剛輪固定時,
試求該諧波減速器的剛輪齒數及輸出軸的轉動方向(與輸入軸的轉向相比較)
答：根據公式:iHr=Zr/(zr-zg)可知:
當 iHr=100 時,Zg=99,（但一般剛輪齒數比柔輪齒數多，所以舍去）
當 iHr=-100 時,Zg=101;
故該諧波減速器的剛輪齒數為 101,（柔輪）輸出軸方向與（波發生器）輸入軸轉向相反。
(提示：一般來說，剛輪僅比柔輪多幾個齒；剛輪固定時，柔輪與輸出軸固聯；柔輪固定
時，剛輪與輸出軸固聯，兩種情況下，波發生器均與輸入軸固聯)
2-20.齒輪傳動的齒側間隙的調整方法有哪些?
答(1)圓柱齒輪傳動:1 偏心套(軸)調整法;2 軸向墊片調整法;3 雙片薄齒輪錯齒調整法。
(2)斜齒輪傳動:錯齒調整法,用兩個薄片齒輪與一個寬齒輪嚙合,只是在兩個薄片斜齒輪
的中間隔開了一小段距離,這樣它的螺旋線便錯開了。
（3）錐齒輪采用彈簧調整方式。
4
2-25.軸系部件設計的基本要求有哪些？
答：①旋轉精度
②剛度
③抗震性
④熱變形
⑤軸上零件的布置 5
機電一體化技術第 3章參考答案
3-1 簡述機電一體化系統執行元件的分類及特點。
答:
種
類
特點 優點 缺點
電
動
式
可使用商用電源；信號
與動力的
傳動方向相同；有交流
和直流之
別，應注意電壓之大小
操作簡便；編程容易；能
實現
定位伺服；響應快、能與
CPU
相接；體積小、動力較
大；無污
染
瞬時輸出功率大；過載能力
差，特別是由于某種原因而
卡住是，會引起燒毀事故，
易受外部噪聲影響
氣
動
式
空氣壓力源的壓力為
（5-7）×10
5
Pa；要求
操作人員技術熟練
氣源方便、成本低；無泄
漏污染
速度快、操作比較簡單
功率小，體積大，動作不夠
平穩，不易小型化，遠距離
傳輸困難，工作噪聲大，難
于伺服
液
動
式
要求操作人員技術熟
練；液壓源壓力（20-
80）×10
5
Pa
輸出功率大，速度快，動
作平穩，可實現定位伺
服；易于 CPU 相接；響應
快
設備難于小型化，液壓源或
液壓油要求（雜質、溫度、
油量、質量）嚴格；易泄露
且有污染
3-2 機電一體化系統對執行元件的基本要求是什么？
答: 1 慣量小、動力大 2 體積小、重量輕
3 便于維修、安裝 4 易于微機控制
3-3 簡述控制用電動機的功率密度及比功率的定義。
答:電動機的功率密度 PG=P/G.電動機的比功率 dp/dt=d(Tw)/dt=Ts/dt|t=tn=Tn
2
/Jm
其中 Tn----電動機的額定轉矩，N*M
Jm——電動機轉子的轉動慣量,kg*m
2
3—5 直流伺服電機控制方式的基本形式是什么？
答: 直流伺服電機為直流供電，為調節電動機的轉速和方向，需要對其直流電壓的大小和
方向進行控制。目前常用晶體管脈寬調理驅動和晶閘管直流調速驅動兩種方式。
晶閘管直流驅動方式，主要通過調節觸發裝置控制晶閘管的觸發延遲角（控制電壓的大
小）來移動觸發脈沖的相位，從而改變整流電壓的大小，使直流電動機電樞電壓的變化易
于平滑調速。
脈寬調制（PWM）直流調速驅動系統當輸入一個直流控制電壓 U 時，就可得到一定寬度與 U
成比例的脈沖方波給伺服電機電樞回路供電，通過改變脈沖寬度來改變電樞回路的平均電
壓，從而得到不同電壓的電壓值 Ua ，使直流電動機平滑調速。 6
3-6 簡述 PWM 直流驅動調速，換向的工作原理。
答：通過電源的通斷來獲得電壓脈沖信號，控制通斷的時間比來獲得不同的電壓脈沖，通
的時間越長，獲得的平均電壓越大，電機轉的就快，反之，電機轉的就慢。電機的換向是
通過橋式電路來實現的，它是由四個大功率的晶體管組成，通過在不同晶體管的基極加正
負脈沖從而實現電機的轉向控制。為使其實現雙向調速，多采用橋式電路，其工作原理與
線性放大橋式電路相似。
電橋由四個大功率的晶體管組
成。分別記作 1.2.3.4.如果在 1
和 3 的基極上加以正脈沖的同
時，在 2 和 4 的基級上加以負脈
沖，這時 1 和 3 導通，2 和 4 導
通。設此時的電動機轉向為正；
反之，則為負。電流的方向與前
一情況相反，電動機轉向，顯
然，如果改變加到 1 和 3，2 和 4
這兩組管子基極上控制脈沖的正
負和導通率就可以改變電動機的
轉向和轉速。
步進電機具有哪些特點？
答：
1 步進電機的工作狀態不易受各種干擾因素（如電源電壓的波動、電流的大小與波形
的變化、溫度等）的影響，只要在他們的大小引起步進電機產生“丟步”的現象之
前，就不影響其正常工作；
2 步進電機的步距角有誤差，轉子轉過一定步數以后也會出現累計誤差，但轉子轉過
一轉以后，其累計誤差變為“零” ，因此不會長期累積；
3 控制性能好，在起動、停止、反轉時不易“丟步”
因此，步進電機廣泛應用于開環控制的機電一體化系統，使系統簡化，并可靠地獲得
較高的位置精度。
簡述步進電機三相單三拍的工作原理？
答：如教材圖例所示：如果先將電脈沖加到 A 相勵磁繞組，定子 A 相磁極就產生磁通，并
對轉子產生磁拉力，使轉子的 1 3 兩個齒與定子的 A 相磁極對齊， 而后再將電脈沖通入
B 相磁繞組，B 相磁極便產生磁通，這時轉子 2 4 兩個齒與 B 相磁極靠的最近，于是轉子便
沿著逆時針方向轉過 30 度角，使轉子 2 4 兩個齒與定子 B 相磁極對齊。如果按照 A→C→B
→A……的順序通電，步進電機講沿順時針方向一步步地轉動。 7
3-11 簡述步進電機步距角大小的計算方法？
答： a=360/（K*M）
式中：Z=轉子齒數。
M=運行拍數。通常等于相數或相數整數倍，即 M=K*N （N 為電動機的相
數，單拍是 K=1，雙拍時 K=2）。
3-12 簡述三相步進電機的環形分配方式？
答：1.采用計算機軟件，利用查表式計算方法來進行脈沖的環形分配，簡稱軟環分。2.采
用小規模集成電路搭接而成的脈沖分配器。3.采用專用環形分配器件。
簡述步進電機驅動電源的功率放大電路原理.
答：
單電壓功率放大電路
如圖所示 ABC 分別為步進電機的三相，每一項由一組放大器驅動。沒有脈沖輸入時 3DK4 和
3DD15 功率晶體管截止，繞組中無電流通過，電機不轉。當 A 相得電時，步進電機轉動一
步，當脈沖依次加到 ABC 三個輸入端時，三組放大器分別驅動不同的繞組，是電機一步一
步的轉動。電路終于繞組并聯的二極管 VD 其續流作用記在功率截至時，是儲存在繞組中的
能量通過二級管形成續流回路泄放，從而保護功放管。
高低壓功串放大電路（一）
無脈沖輸入時，VT1、VT2、VT3、VT4 均截止，電動機繞組 W 無電流通過，電動機不轉。有
脈沖通過時，VT1、VT2、VT3、VT4 飽和導通，在 vt2 有截止到飽和期間，其集電極電流，
迅速上升。當 vt2 進入穩態后 t1 一次測電流暫時恒定，無磁通變化二次側的感應電壓為
零，vt3 截止。12v 低電壓經 vd1 加到電動機繞組我 w 上并維持繞組中的電流。輸入結束后
vt1、vt2、vt3、vt4 又都截止，儲存在 w 中的能量通過 18 歐姆的電阻和 vd2 放電，電阻
的作用時間小放電回路的時間常數，改善電流波形的后沿。 8
9
機電一體化技術第 4章參考答案
試說明 CPU、MC 和 MCS 之關系。
答：微處理機簡稱 CPU，它是一個大規模集成電路器件或超大規模集成電路器件，器
件中有數據有數據通道、多個寄存器、控制邏輯和運算邏輯部件，有的器件還含有時鐘電
路，為器件工作提供定時信號。
微型計算機簡稱 MC。它是以微處理機為中心，加上只讀存儲器，隨機存取存儲器，輸
入|輸出接口電路、系統總線及其他支持邏輯電路組成的計算機。
上述微處理機、微型計算機都是從硬件角度定義的，而計算機的使用離不開軟件支
持。一般將配有系統軟件、外圍設備、系統總線接口的微型計算機系統，簡稱 MCS。
4-3、在設計微機控制系統中首先會遇到的問題是什么？
答： 在設計微機控制系統時，首先會遇到專用與通用的抉擇和硬件與軟件的權衡問題。
4-17 試說明光電耦合器的光電隔離原理。
答:光電隔離電路主要
由光電耦合器的光電
轉換元件組成，如下
圖所示.
控制輸出時，從上圖 a
可知，微機輸出的控
制信號經 74LS04 非門
反相后，加到光電耦
合器 G 的發光二極管
正端。當控制信號為
高電平時，經反相后，加到發光二極管正端的電平為低電平，因此，發光二極管不導通，
沒有光發出。這時光敏晶體管截止，輸出信號幾乎等于加在光敏晶體管集電極上的電源電
壓。當控制信號為低電平時，發光二極管導通并發光，光敏晶體管接收發光二極管發出的
光而導通，于是輸出端的電平幾乎等于零。同樣的道理，可將光電耦合器用于信息的輸
入，如上圖 b所示。
4-20 試說明檢測傳感器的微機接口基本方式。
答：①模擬量接口方式：傳感器輸出信號→放大→采樣/保持→模擬多路開關→A/D 轉換→
I/O 接口→微機
②開關量接口方式：開關型傳感器輸出二值式信號(邏輯 1 或 0) →三態緩沖器→微機 10
③數字量接口方式：數字型傳感器輸出數字量(二進制代碼、BCD 代碼、脈沖序列等)
→計數器→三態緩沖器→微機 11
機電一體化技術第 5章參考答案
5-2 簡述采樣定理？
如果 是有限帶寬信號，即| |> 時，E（j ）=0。而 是 e（t）的理想
采樣信號，若采樣頻率 ,那么一定可以有采樣信號 唯一地決定出原始信號
e（t）。也就是說，若 ，則由 可以完全地恢復 e（t）。
5-3 簡述數字控制系統 A/D 轉換過程。
模/數轉換裝置每隔 T 秒對輸入的連續信號 e（t）進行一次采樣，采樣信號為 e*（t），如
圖 a 所示。該采樣信號是時間上離散而幅值上連續的信號，它不能直接進入計算機進行運
算，必須經量化后成為數字信號才能為計算機所接受。將采樣信號經量化后成為數字信號
的過程是一個近似過程，稱量化過程。現對量化過程作簡單的說明：將采樣信號 e*（t）
的變化范圍分成若干層，每一層都用一個二進制數碼表示，這些數碼可表示幅值最接近它
的采樣信號。如圖 b 所示，采樣信號 A1為 1.8V，則量化值 A1
’為 2V，用數字 010 來代表；
采樣信號 A2為 3.2V，則量化值 A2
‘為 3V，用數字量 011 代表。這樣就把采樣信號變成了數
字信號。
a b
5-5 簡述多輸入多輸出系統的靜力學方程。
答 ： 設 對 微 小 輸 入 位 移 有 微 小 的 輸 出 位 移
，則輸入功的總和和輸出功的總和分別為：
12
其中
忽略機構內部機械損失時，兩式相等。由于 相互獨立，則對第 i
個輸入有
用 表示輸入力（或轉矩）時，寫成
式中 ——力（或轉矩）的變換系數，是 n*m 矩陣。
5-6 簡述兩自由度機器人逆動力學方程。
答：首先利用逆運動學方法將軌跡｛x(t),y(t)｝變換成為關節運動φ1(t)、φ2(t)，然后
從φ1和φ2導出計算關節力矩 T1、T2的計算公式。由平面幾何學知識，可得逆運動學解為
=
=
式中 p= ，q= 。
逆運動學解可由 Lagrange 公式解出。設計器人得負載只有各臂端部的質量 ，
則
= ]*[ ]+
式中第一項相當于慣性項，第二項相當于離心力與哥氏力。 13
機電一體化技術第 7章參考答案
7-3 機電一體化系統中的典型負載有哪些？說明以下公式的含義：
2 2
1 1
m n
j k i
cq i j
i i k k
v
J m J
答：典型負載是指慣性負載、外力負載、彈性負載、摩擦負載（滑動摩擦負載、粘性摩擦
負載、滾動摩擦負載等）。對具體系統而言，其負載可能是以上幾種典型負載的組合，不一
定均包含上述所有負載項目。
第一式表示等效轉動慣量。該系統運動部件的動能總和為 2 2
1 1
1 1
2 2
m n
i i j j
i i
E mv J
設、等效到元件輸出軸上的總動能為 2 1
2
k k
cq k
E J ，由能量守恒：E =E
k
故
2 2
1 1
m n
j k i
cq i j
i i k k
v
J m J
用工程上常用單位時，可將上式改寫為
2 2
2
1 1
1
4
m n
j k i
cq i j
i i k k
n v
J m J
n n
第二式表示等效負載轉矩。設上述系統在時間 t 內克服負載所作的功德總和為：
1 1
m n
i i j j
i j
W Fv t T t
， 同 理 ， 執 行 元 件 輸 出 軸 在 時 間 t 內 的 轉 角 為
k k
t 則，執行元件所作的功為 k
K eq k
W T t ，由 K W W 得：
1 1
/ /
m n
k
eq i i k j j k
i j
T Fv T
，或
1 1
1
/ /
2
m n
k
eq i i k j j k
i j
T Fv n T n n
7-4 設有一工作臺 x 軸驅動系統，已知參數為下表中所列，已知 mA=400 ㎏，
Ph=5mm,Fl 水平=800N，Fl 垂直=600N，工作臺與導軌間為滑動摩擦，其摩
擦系數為 0.2，試求轉換到電動機軸上的等效轉動慣量和等效轉矩。
答：
（1）由公式：
2 2
2
1 1
1
4
m n
j k i
cq i j
i i k k
n v
J m J
n n
可得：v1=n 絲*Ph/1000（和轉速 n的單位要統一所以不必算出最終值）
J
k
eq =1/4л2
ma(v1/nk)
2
+JG1(nG1/ nk)
2
+JG2(nG2/ nk)
2
+JG3(nG3/ nk)
2
+JG4(nG4/ nk)
2
+JⅠ(nⅠ/ nk)
2
+JⅡ(nⅡ/ 14
nk)
2
+J 絲（n 絲/ nk）2
+Jm=0.0508( )
（2）當工作臺向右時：
F=F*u- FL 水平=( FL 垂直+G)*u- FL 水平=（600+400*9.8）*0.2-800=104（N）
由
1 1
/ /
m n
k
eq i i k j j k
i j
T Fv T
得：TK= F*V/nk/（2*pi）=F* （n 絲*Ph/1000）/nk/
（2*pi）=104*(180*5/1000)/*720/(2*3.14)= 0.0207（ N*m）。
（3）當工作臺向左時：
F=( FL垂直+G)*u+ FL水平=（600+400*9.8）*0.2+800=1704（N）
TK= ( F*V/nk) /(2*pi)==0.339 （N*m）
Matlab程序：
n1=720;n2=360;n3=360;n4=180;n11=720;n22=360;ns=180;nd=720;ph=5;pi=3.;
j1=.01;j2=.016;j3=.02;j4=.032;j11=.024;j22=.004;js=.012;jd=.004;
v1=ns*ph*.001;
a=400*(v1/nd)^2/(4*pi^2)
b=j1
c=j2*(n2/nd)^2
d=j3*(n3/nd)^2
e=j4*(n4/nd)^2
f=js*(ns/nd)^2
g=j11*(n11/nd)^2
h=j22*(n22/nd)^2
J=400*(v1/nd)^2/(4*pi^2)+j1+j2*(n2/nd)^2+j3*(n3/nd)^2+j4*(n4/nd)^2+js*(ns/nd)^2+j11*(n11/
nd)^2+j22*(n22/nd)^2+jd
fs=800;fc=600;ma=400;
fiz=fs+(fc+ma*9.8)*0.2;
fiy=-fs+(fc+ma*9.8)*0.2;
tiz=fiz*v1/nd /(2*pi);
tiy=fiy*v1/nd /(2*pi);
7-5.簡述機電一體化系統的數學模型建立過程。比例環節（P）、積分環節(I)、
比例-積分環節(PI)和比例-積分-微分調節(PID)各有何優缺點？
答：在穩態設計的基礎上，利用所選元部件的有關參數，可以繪制出系統框圖，并根據自
動控制理論基礎課所學知識建立各環節的傳遞函數，進而激勵系統傳遞函數。
以閉環控制方式為例：
圖（1）為檢測傳感器裝在絲桿端部的半閉環伺服控制系統。它的系統框圖如圖（2）所
示。該圖的傳遞函數為 15
G（s）= =
=
=
式中：K=
(1) 用滾珠絲杠傳動工作臺的伺服進給系統
（2）系統框圖
-前置放大器增益； -功率放大器增益； -直流伺服電機增益；
-速度反饋增益； -直流伺服電機時間常數； -減速比；
-位置檢測傳感器增益； （s）-輸入電壓的拉氏變換；
-絲杠輸出轉角的拉氏變換
當系統受到外擾動轉矩 時，圖（2）就變為圖（3）。為分析方便起見，見圖（3）改畫成
圖（4）所示，則傳遞函數為：
G(s)= =
16
（3）附加擾動力矩（以電壓 表示）的系統框圖
-直流伺服電機的轉矩常數； -直流伺服電機轉子的繞組阻抗；
-功率放大器的輸出阻抗； -對應于擾動力矩的等效擾動電壓的拉氏變換
（4）附加擾動力矩的等效電壓后的框圖
比例調節（P）、積分調節（I）、比例-積分調節（PI）和比例-積分-微分調節（PID）各自
的優缺點
（1）比例（P）調節 比例調節網絡圖如圖（a），其傳遞函數為
Gc(s)=–Kp
式中 Kp=R2/R1
它的調節作用的大小主要取決于增益 Kp 的大小。Kp 越大，調節作用越強，但是存在調
節誤差。而且 Kp太大會引起系統不穩定。
（2）積分（I）調節 積分調節網絡圖如圖(b)，其傳遞函數為
Gc(s)=1/（Tis）
式中 Ti=RC。
系統中采用積分環節可以減少或消除誤差，但由于積分環節效應慢，故很少單獨使
用。
（3）比例-積分（PI）調節 其網絡如圖(c)。他的傳遞函數為
Gc(s)=–[ KP（1+1/（Tis））]
式中 Kp=R2/R1；Ti=R2C。
這種循環既克服了單純比例環節有調節誤差的缺點，又避免了積分環節響應慢的弱17
點，既能改善系統的穩定性能能，又能改善其動態性能。
（4）比例-積分-微分（PID）調節 這種調節網絡的組成如圖（d），其傳遞函數為
Gc(s)=–Kp[1+1? （Tis）+Tds ]
式中 Kp=（R1C1+R2C2）/ (R1R2)；Ti=R1C1+R2C2;T=R1C1R2C2 ? (R1C1+R2C2)。
這種校正環節不但能改善系統的穩定性能，也能改善其動態性能。但是，由于它含有
微分作用，在噪聲比較大或要求響應快的系統中不宜采用；PID 調節器能使閉環系統更加
穩定，其動態性能也比用 PI調節器時好。
7-8 何謂機電一體化系統的“可靠性”？
答：機電一體化可靠性是指，系統（產品）在規定條件下和規定時間內完成規定功能的能
力。
2 2 2 2 2 2
3 1 2 4
1 2 3 4 2
1
4
k si A
cq A si D
k k k k k k
n n v n n n
J m J J J J J J
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機電一體化(7)
機電一體化(8)
機電一體化實習報告：機電一體化實習報告
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機電一體化實習報告時光匆匆，歲月流梭!轉眼為期一周的車工實習結束了。在實習期間雖然很累、很苦，但我卻感到很快樂!因為我們在學到了作為一名銑工所必備的知識的同時還鍛煉了自己的動手能力。而且也讓我更深刻地體會到偉大的詩人—李白那一名言：只要功夫深，鐵杵磨成針的真正內涵!我們實習的第一天看了關于車工實習的有關的知識與我車工實習過程中的注意事項的碟片。看到那飛轉的機器、飛濺的鐵花，令我既擔心又激動。擔心的是，如果那飛轉的機器隆隆聲讓人心驚肉跳和那鮮紅的鐵花四處飛濺的發出耀眼的的光芒令人眼花繚亂;激動的是，等待了將近一年的車工實習就要開始了。這是作為學生的我們第一次進入工廠當令人尊敬的工人，也是第一次到每一個工科學子一試身手的實習基地。我怎么會不激動萬分呢。
一個星期，短短一個星期，對我們這些工科的學生來說，因為這是一次理論與實踐相結合的絕好機會，又將全面地檢驗我們知識水平。我暗暗下定決心：我會做得最好的!車工實習是機械類各專業學生必修的實踐性很強的技術基礎課。學生在車工實習過程中通過獨立地實踐操作，將有關機械制造的基本工藝知識、基本工藝方法和基本工藝實踐等有機結合起來的，進行工程實踐綜合能力的訓練及進行思想品德和素質的培養與鍛練。車工實習是培養學生實踐能力的有效途徑。又是我們大學生、工科類的大學生，院的學生的必修課，非常重要的也特別有車工實習又是我們的一次實際掌握知識的機會，離開了課堂嚴謹的環境，我們會感受到車間的氣氛。同時也更加感受到了當一名工人的心情，使我們更加清醒地認識到肩負的責任。通過老師的講解。我終于明白了什么是銑工。同時也懂得了為什么有人說“當銑工是最累的!”銑工是以手工操作為主，使用各種工具來完成零件的加工、裝配和修理等工作。與機械加工相比，勞動強度大、生產效率低，但是可以完成機械加工不便加工或難以完成的工作，同時設備簡單，故在機械制造和修配工作中，仍是不可缺少的重要工種。銑工的常用設備有銑工工作臺、臺虎銑、砂輪等。銑工的工作范圍有劃線、鏨削、鋸削、銼削、刮削、研磨、鉆孔、擴孔、鉸孔、锪孔、攻螺紋、套螺紋、裝配、和修理等等。
其中銑工的實習安全技術為：
1、銑臺要放在便于工作和光線適宜的地方;鉆床和砂輪一般應放在場地的邊緣，以保證安全。2、使用機床、工具(如鉆床、砂輪、手電鉆等)，要經常檢查，發現損壞不得使用，需要修好再用。3、臺虎銑夾持工具時，不得用錘子錘擊臺虎手柄或鋼管施加夾緊力。4、使用電動工具時，要有絕緣保護和安全接地措施。使用砂輪時，要戴好防護眼鏡。在銑臺上進行操作加工時要有防護網。5、毛坯和加工零件應放置在規定的位置，排列整齊、安放平穩，要保證安全，便于取放，并避免碰傷已加工的表面。6、鉆孔、擴孔、鉸孔、锪孔、攻螺紋、套螺紋時，工件一定要夾牢，加工通孔時要把工件墊起或讓刀具對準工作臺槽。7、使用鉆床時，不得戴手套，不得拿棉紗操作。更換鉆頭等刀具時，要用專用工具。不得用錘子擊打鉆夾頭。以上都是作為一名銑工必須懂的基本知識。第一天，來到車間，老師叫我們做的第一個零件是螺母。聽完老師的要求，也看了黑板上那看似簡簡單單的圖樣，我們便開始了我們的實習。首先是把在鐵塊上量好尺寸并畫線，畫線，這工作可馬虎不得，一旦畫錯便會使自己的零件不合尺寸，還好聽了老師說的注意事項，我按老師所說的，稍微把尺寸畫大了一點。接著，便是令我一生難以忘懷的鋸削了。我原先以為鋸鋸子嘛，就那么來回拖啊拖，沒什么大不了的，小事一樁。但是事實在鋸鋸子，也在訣竅的，鋸鋸子并不是不管三七二十一，單純的來回拖啊拖啊，如果是這樣做的話，無論一個人多少強壯，都會累得兩手發麻，兩眼發慌的，我們首先要調節好鋸口的方向，根據鋸口的方向使力，起鋸時應該以左手拇指靠住鋸條，以防止鋸條橫向滑動，右手穩推手柄，鋸條應該與工件傾斜一個鋸角，約10度~15度，起鋸過大鋸齒易崩碎，起鋸角過小，鋸齒不易切入，還有可能打滑，損壞工件表面，起鋸時鋸弓往復程要短，壓力要小，鋸條要與工件表面垂直。同時，鋸削時右手握鋸柄，左手輕握弓架前端，鋸弓應該直線往復，不可擺動，前推時加壓均勻，返回時鋸條從工件上輕輕的滑過。往復速度不應該太快，鋸切開始和終了前壓力和速度均減小，以免碰傷手臂和折斷鋸條。還可加少量機油。開始鋸時我實在是吃了大虧，因為我一直都是用力的拉啊、推啊，完全是死力的鋸削，結果弄斷了一根鋸條不說，第二天吃飯都成問題，右手像裂開了一樣，真是慘啊，還好我終于學會了怎么鋸削了。鋸完了，還得銼削，銼削也是一個又累又苦的差事，但是只要掌握方法，同樣不難了。首先要正確的握銼刀，銼削平面時保持銼刀的平直運動是銼削的關鍵，
機電一體化(9)
機電一體化介紹
現代科學技術的不斷發展，極大地推動了不同學科的交叉與滲透，工程領域的技術改造與革命。在機械工程領域，由于微電子技術和計算機技術的迅速發展及其向機械工業的滲透所形成的機電一體化，使機械工業的技術結構、產品結構、功能與構成、生產方式及管理體系發生了巨大變化，使工業生產由“機械電氣化”邁入以“機電一體化”為特征的發展階段。
1? 機電一體化概述
機電一體化是指在機構的主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上引進電子技術，將機械裝置與電子化設計及軟件結合起來所構成的系統的總稱。
機電一體化發展至今已經成為一門有著自身體系的新型學科，隨著科學技術的不斷發展，還將被賦予新的內容。但其基本特征可概括為：機電一體化是從系統的觀點出發，綜合運用機械技術、微電子技術、自動控制技術、計算機技術、信息技術、傳感測控技術及電力電子技術，根據系統功能目標要求，合理配置與布局各功能單元，在多功能、高質量、高可靠性、低能耗的意義上實現特定功能價值，并使整個系統最優化的系統工程技術。由此而產生的功能系統，則成為一個機電一體化系統或機電一體化產品。因此，“機電一體化”涵蓋“技術”和“產品”兩個方面。機電一體化技術是基于上述群體技術有機融合的一種綜合技術，而不是機械技術、微電子技術及其它新技術的簡單組合、拼湊。這是機電一體化與機械加電氣所形成的機械電氣化在概念上的根本區別。機械工程技術由純技術發展到機械電氣化，仍屬傳統機械，其主要功能依然是代替和放大的體系。但是，發展到機電一體化后，其中的微電子裝置除可取代某些機械部件的原有功能外，還被賦予許多新的功能，如自動檢測、自動處理信息、自動顯示記錄、自動調節與控制、自動診斷與保護等。也就是說，機電一體化產品不僅是人的手與肢體的延伸，還是人的感官與頭腦的延伸，智能化特征是機電一體化與機械電氣化在功能上的本質區別。
2? 機電一體化的發展狀況
機電一體化的發展大體可以分為三個階段：（1）20世紀60年代以前為第一階段，這一階段稱為初級階段。在這一時期，人們自覺不自覺地利用電子技術的初步成果來完善機械產品的性能。特別是在第二次世界大戰期間，戰爭刺激了機械產品與電子技術的結合，這些機電結合的軍用技術，戰后轉為民用，對戰后經濟的恢復起到了積極的作用。那時，研制和開發從總體上看還處于自發狀態。由于當時電子技術的發展尚未達到一定水平，機械技術與電子技術的結合還不可能廣泛和深入發展，已經開發的產品也無法大量推廣。（2）20世紀70—80年代為第二階段，可稱為蓬勃發展階段。這一時期，計算機技術、控制技術、通信技術的發展，為機電一體化的發展奠定了技術基礎。大規模、超大規模集成電路和微型計算機的出現，為機電一體化的發展提供了充分的物質基礎。這個時期的特點是：mechatronics一詞首先在日本被普遍接受，大約到20世紀80年代末期在世界范圍內得到比較廣泛的承認；機電一體化技術和產品得到了極大發展；各國均開始對機電一體化技術和產品給予很大的關注和支持。（3）20世紀90年代后期，開始了機電一體化技術向智能化方向邁進的新階段，機電一體化進入深入發展時期。一方面，光學、通信技術等進入機電一體化，微細加工技術也在機電一體化中嶄露頭腳，出現了光機電一體化和微機電一體化等新分支；另一方面，對機電一體化系統的建模設計、分析和集成方法，機電一體化的學科體系和發展趨勢都進行了深入研究。同時，人工智能技術、神經網絡技術及光纖技術等領域取得的巨大進步，為機電一體化技術開辟了發展的廣闊天地。這些研究，使機電一體化進一步建立了堅實的基礎，并且逐漸形成完整的學科體系。
我國是從20世紀80年代初才開始進行這方面的研究和應用。國務院成立了機電一體化領導小組，并將該技術列入“863計劃”中。在制定“九五”規劃和2010年發展綱要時充分考慮了國際上關于機電一體化技術的發展動向和由此可能帶來的影響。許多大專院校、研究機構及一些大中型企業對這一技術的發展及應用做了大量的工作，取得了一定成果。但與日本等先進國家相比，仍有相當差距。
3? 機電一體化的發展趨勢
機電一體化是集機械、電子、光學、控制、計算機、信息等多學科的交叉綜合，它的發展和進步依賴并促進相關技術的發展。機電一體化的主要發展方向大致有以下幾個方面：
3．1? 智能化
智能化是21世紀機電一體化技術的一個重要發展方向。人工智能在機電一體化的研究中日益得到重視，機器人與數控機床的智能化就是重要應用之一。這里所說的“智能化”是對機器行為的描述，是在控制理論的基礎上，吸收人工智能、運籌學、計算機科學、模糊數學、心理學、生理學和混沌動力學等新思想、新方法，使它具有判斷推理、邏輯思維及自主決策等能力，以求得到更高的控制目標。誠然，使機電一體化產品具有與人完全相同的智能，是不可能的，也是不必要的。但是，高性能、高速度的微處理器使機電一體化產品賦有低級智能或者人的部分智能，則是完全可能而且必要的。
3．2? 模塊化
模塊化是一項重要而艱巨的工程。由于機電一體化產品種類和生產廠家繁多，研制和開發具有標準機械接口、電氣接口、動力接口和環境接口等的機電一體化產品單元是一項十分復雜但又非常重要的事情。如研制集減速、智能調速、電機于一體的動力單元，具有視覺、圖像處理、識別和測距等功能的控制單元，以及各種能完成典型操作的機械裝置等。有了這些標準單元就可迅速開發出新產品，同時也可以擴大生產規模。為了達到以上目的，還需要制定各項標準，以便于各部件、單元的匹配。由于利益沖突，近期很難制定出國際或國內這方面的標準，但可以通過組建一些大企業逐漸形成。顯然，從電氣產品的標準化、系列化帶來的好處可以肯定，無論是對生產標準機電一體化單元的企業，還是對生產機電一體化產品的企業，模塊化將給機電一體化企業帶來美好的前程。
3．3? 網絡化
20世紀90年代，計算機技術等的突出成就是網絡技術。網絡技術的興起和飛速發展給科學技術、工業生產、政治、軍事、教育等日常生活都帶來了巨大的變革。各種網絡將全球經濟、生產連成一片，企業間的競爭也將全球化。機電一體化新產品一旦研制出來，只要其功能獨到、質量可靠，很快就會暢銷全球。由于網絡的普及，基于網絡的各種遠程控制和監視技術方興未艾，而遠程控制的終端設備本身就是機電一體化產品。現場總線和局域網技術的應用使家用電器網絡化已成大勢，利用家庭網絡(home net)將各種家用電器連接成以計算機為中心的計算機集成家電系統(computer integrated appliance system，CIAS)，能使人們呆在家里就可分享各種高技術帶來的便利與快樂。因此，機電一體化產品無疑將朝著網絡化方向發展。
3．4? 微型化
微型化興起于20世紀80年代末，指的是機電一體化向微型機器和微觀領域發展的趨勢。國外稱其為微電子機械系統（MEMS），泛指幾何尺寸不超過1cm3的機電一體化產品，并向微米、納米級發展。微機電一體化產品體積小，耗能少，運動靈活，在生物醫療、軍事、信息等方面具有無可比擬的優勢。微機電一體化發展的瓶頸在于微機械技術。微機電一體化產品的加工采用精細加工技術，即超精密技術，它包括光刻技術和蝕刻技術兩類。
3．5? 環保化
工業的發達給人們生活帶來巨大變化。一方面，物質豐富，生活舒適；另一方面，資源減少，生態環境受到嚴重污染。于是，人們呼吁保護環境資源，回歸自然。綠色產品概念在這種呼聲下應運而生，綠色化是時代的趨勢。綠色產品在其設計、制造、使用和銷毀的生命過程中，符合特定的環境保護和人類健康的要求，對生態環境無害或危害極少，資源利用率極高。設計綠色的機電一體化產品，具有遠大的發展前景。機電一體化產品的綠色化主要是指，使用時不污染生態環境，報廢后能回收利用。
3．6? 系統化
系統化的表現特征之一就是系統體系結構進一步采用開放式和模式化的總線結構。系統可以靈活組態，進行任意剪裁和組合，同時尋求實現多子系統協調控制和綜合管理。表現之二是通信功能的大大加強。一般除RS232外，還有RS485等智能化通信接口。未來的機電一體化更加注重產品與人的關系，機電一體化的人格化有兩層含義：一層是如何賦予機電一體化產品人的智能、情感、人性等等，顯得越來越重要，特別是對家用機器人，其高層境界就是人機一體化；另一層是模仿生物機理，研制出各種機電一體化產品。事實上，許多機電一體化產品都是受動物的啟發而研制出來的。
綜上所述，機電一體化的出現不是孤立的，它是許多科學技術發展的結晶，是社會生產力發展到一定階段的必然要求和產物。當然，與機電一體化相關的技術還有很多，并且隨著科學技術的發展，各種技術相互融合的趨勢將越來越明顯，機電一體化技術的發展前景也將越來越光明。
機電一體化(10)
淺談機電一體化技術
摘要：在經濟與科技并駕齊驅的發展大潮中，工業領域也大刀闊斧地改革，其中最為突出的要數機電一體化的技術革新，大大提高了工業生產的效率。機電一體化應用領域極其廣泛，而且也在向著更加專業化的方向發展。機電一體化的產品已經投入市場，并且受到了廣泛的認可，我們相信以機械技術和微電子技術緊密結合的機電一體化技術必將成為新的技術革命一大亮點。
關鍵詞：機電一體化；技術發展
前言：機電一體化正處于發展階段，具有極強的綜合性，主要包括機械技術和信息技術還有微電子技術以及控制技術，影響著產品和技術的結構，管理和生產的方式。機電一體化作為一種新技術，其內涵也在不斷更新，其必將朝著更加有利于科技生產的方向發展。
一、機電一體化技術的概述與發展史
1.機電一體化技術的概述。機電一體化技術是將微電子技術、自動控制技術、計算機技術、機械技術、電力電子技術、接口技術、傳感測控技術以及信息轉化技術和軟件編程技術有機的結合到一起，進行綜合的系統的應用。目前的機電一體化所具有的特點是多功能，自動化和智能性，主要五大系統，分別是機械系統、動力系統、檢測傳感系統、信息處理控制系統、執行機構所組成的系統，這里機械系統是最基礎的系統，只有其正常運作，其他系統才能實現自身的功能，它的主要組成部分是機身和聯機還有機械傳動。動力系統也是行當關鍵的一部分，包括電動裝置、氣動裝置還有液壓裝置。機電一體化使機械作業更簡單而且更規模化，大大提高了工作效率。機電一體化產品有兩類：系統元件和基礎元件，我們所熟知的屬于機電一體化的有機器人和汽車上的電子產品，工業生產中的數控機床還有排版印刷系統等等。再介紹一下屬于機電一體化的元、部件，比如一些電力電子器件或者裝置，一些微型電機，比較常見的是傳感器和專用的集成電路等。更值得注意的是微電子裝置還有一些新功能可以自動檢測和處理一些信息，并且顯示一些關鍵記錄，還可以自動調節、控制、診斷和保護，非常便捷。可以說機電一體區別于機械電氣化的主要特征就是前者更加智能化。
