试卷代号：1118 座位■■ 中央广播电视大学2009一2010学年度第一学期“开放本科”期末考试 机电一体化系统设计基础 试题 2010年1月 题 号 二 三 四 五 总分 分数 得 分 评卷人 一、判断题（正确的打√，错误的打X,每题3分，共30分） 1.机电一体化系统是以微电子技术为主体、以机械部分为核心，强调各种技术的协同和 集成的综合性技术。() 2.机电一体化系统的机械系统与一般的机械系统相比，应具有高精度、良好的稳定性、快 速响应性的特性。（) 3.为减少机械传动部件的扭矩反馈对电机动态性能的影响，机械传动系统的固有频率应 接近控制系统的工作频率，以免系统产生振荡而失去稳定性。() 4.阻尼比除了与机械系统的粘性阻尼系数B有关外，还与系统的拉压刚度系数K。和质 量m有关。() 5.选择传感器时，如果测量的目的是进行定性分析，则选用绝对量值精度高的传感器，而 不宜选用重复精度高的传感器。() 6.气压式伺服驱动系统常用在定位精度较高的场合使用。() 7.闭环伺服系统中工作台的位置信号仅能通过电机上的传感器或是安装在丝杆轴端的 编码器检测得到。（) 8.脉冲分配器的作用是使步进电动机绕组的通电顺序按一定规律变化。() 9.永磁型步进电动机即使其定子绕组断电也能保持一定转矩，故具有记忆能力，可用于 定位驱动。（) 10.直流伺服电动机的机械特性是电机转速与其控制电压的关系。() 756·
试卷代号:1118 座位号口习 中央广播电视大学2009-2010学年度第一学期“开放本科”期末考试 机电一体化系统设计基础 试题 2010年 1月 题 号 四 五 总 分 分 数 得 分 评卷人 一、判断题 (正确的打了 ，错误的打X，每题 3分，共 30分) 1.机电一体化系统是以微电子技术为主体、以机械部分为核心 ，强调各种技术 的协同和 集成 的综合性技术。( ) 2.机电一体化系统的机械系统与一般的机械系统相 比，应具有高精度 、良好的稳定性 、快 速响应性的特性。( ) 3.为减少机械传动部件的扭矩反馈对电机动态性能的影响，机械传动系统 的固有频率应 接近控制系统的工作频率 ，以免系统产生振荡而失去稳定性 。( ) 4.阻尼比除了与机械系统的粘性阻尼系数 B有关外 ，还与系统的拉压刚度系数 K。和质 量 m有关 。( 5.选择传感器时 ，如果测量的目的是进行定性分析 ，则选用绝对量值精度高的传感器 ，而 不宜选用重复精度高的传感器 。( 6.气压式伺服驱动系统常用在定位精度较高的场合使用 。( ) 7.闭环伺服系统中工作台的位置信号仅能通过电机上的传感器或是安装在丝杆轴端 的 编码器检测得到。( ) .脉冲分配器的作用是使步进电动机绕组的通电顺序按一定规律变化。( ) .永磁型步进电动机即使其定子绕组断电也能保持一定转矩 ，故具有记忆能力 ，可用于 定位驱动。( 10.直流伺服电动机的机械特性是电机转速与其控制电压的关系。( 756
得 分 评卷人 二、单选题（每小题4分，共24分） 1.以下产品不属于机电一体化产品的是( )。 A.机器人 B.移动电话 C.数控机床 D.复印机 2.幅频特性和相频特性是传感器的( )。 A.静态特性指标 B.动态特性指标 C.输人特性参数 D.输出特性参数 3.半闭环控制的驱动装置中，丝杠螺母机构位于闭环之外，所以它的( A.回程误差不影响输出精度，但传动误差影响输出精度 B.传动误差不影响输出精度，但回程误差影响输出精度 C.回程误差和传动误差都不会影响输出精度 D.回程误差和传动误差都会影响输出精度 4.步进电机转动后，其输出转矩随着工作频率增高而( )。 A.上升 B.下降 C.不变 D.前三种情况都有可能 5.采用脉宽调制(PWM)进行直流电动机调速驱动时，通过改变( )来改变电枢回路 的平均电压，从而实现直流电动机的平滑调速。 A.脉冲的宽度 B.脉冲的频率 C.脉冲的正负 D.其他参数 6.数控机床进给系统的伺服电机属于设备的( )。 A.能源部分 B.测试传感部分 C.驱动部分 D.执行机构 757
得 分 评卷人 二、单选题(每小题 4分，共 24分) 1.以下产品不属于机电一体化产品的是( )。 一 厂 A.机器人 」B.移动电话 C.数控机床 D.复印机 2.幅频特性和相频特性是传感器的( )。 A.静态特性指标 B.动态特性指标 C.输人特性参数 D.输出特性参数 3.半闭环控制的驱动装置中，丝杠螺母机构位于闭环之外，所以它的( A.回程误差不影响输出精度，但传动误差影响输出精度 B.传动误差不影响愉出精度，但回程误差影响输出精度 C.回程误差和传动误差都不会影响摘出精度 D.回程误差和传动误差都会影响输出精度 4.步进电机转动后，其输出转矩随着工作频率增高而( )。 A.上升 B.下降 C.不变 D.前三种情况都有可能 5.采用脉宽调制(PWM)进行直流电动机调速驱动 时，通过改变( 的平均电压，从而实现直流电动机的平滑调速。 A.脉冲的宽度 B.脉冲的频率 C.脉冲的正负 D.其他参数 6.数控机床进给系统的伺服电机属于设备的( )。 )来改变电枢回路 A.能源部分 C.驱动部分 测试传感部分 执行机构 757
得分 评卷人 三、简答题（每小题8分，共24分） 1.完善的机电一体化系统主要包括哪几部分？ 2.齿轮传动中齿侧间隙对系统有何影响，如何消除圆柱直齿轮的齿侧间隙？ 3.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？ 得 分 评卷人 四、计算题(10分) 图示为电枢控制式直流电动机的工作原理图。图中电机线圈的电流为；L与R为线圈 的电感与电阻：电机的输入电压为4：折算到电机转子轴上的等效负载转动惯量为JM;电机输 出转矩和转速分别为T和ω；KE和Kx分别为电枢的电势常数和转矩常数，试求输出转速与 输入电压之间的传递函数。 图直流电动机的工作原理 得 分 评卷人 五、综合题(12分) 某车间内的两条自动生产线上需要一款搬运机器人，用于生产线间的产品搬运，如果该款 机器人需要进行概念设计，请制订出概念设计的流程。 758
得 分 评卷人 三、简答题《每小题 8分 .共 24分) 1.完善的机电一体化系统主要包括哪几部分? 2.齿轮传动中齿侧间隙对系统有何影响，如何消除圆柱直齿轮的齿侧间隙? 3.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? 得 分 评卷人 四、计算题【10分) 图示为电枢控制式直流电动机的工作原理图。图中电机线圈的电流为 i;L与R为线圈 的电感与电阻;电机的输人电压为 。;折算到电机转子轴上的等效负载转动惯量为 JM;电机输 出转矩和转速分别为 T和。;KE和 KT分别为电枢的电势常数和转矩常数，试求输出转速与 输人电压之间的传递函数。 图 直流电动机的工作原理 得 分 评卷人 五、综合题 (12分 ) 某车间内的两条自动生产线上需要一款搬运机器人，用于生产线间的产品搬运，如果该款 机器人需要进行概念设计，请制订出概念设计的流程。 758
试卷代号：1118 中央广播电视大学2009一2010学年度第一学期“开放本科”期末考试 机电一体化系统设计基础试题答案及评分标准 (供参考) 2010年1月 一、判断题（每小题3分，共30分） 1.× 2./ 3.X 4./ 5.× 6.× 7.X 8.√ 9./ 10.X 二、单选题（每小题4分，共24分） 1.B 2.B 3.D 4.B 5.A 6.C 三、简答题（每小题8分，共24分】 1.答：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。 2.答：齿轮的啮合间隙会造成传动死区，若该死区是在闭环系统中，则可能造成系统不稳 定，常会使系统以1~5倍间隙角产生的低频振荡。为了降低制造成本，则多采用各种调整齿 侧间隙的方法来消除或减小啮合间隙，常用的方法有：偏心套调整法、轴向垫片调整法、双片薄 齿轮错齿调整法等。 3.答：机电一体化系统的仿真模型主要有：物理模型、数学模型和描述棋型。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。 四、计算题(10分)】 解：由题可得： 方法一： 759
试卷代号:1118 中央广播电视大学2009-2010学年度第一学期“开放本科”期末考试 机电一体化系统设计基础 试题答案及评分标准 (供参考) 2010年 1月 一、判断题(每小题 3分，共 30分). 1. X 2.了 3. X 一 4.丫 5. X 6. X 7.X 8.丫 9.了 10. X 二、单选题(每小题 4分，共24分) 1. B 2. B 3. D 4. B 5. A 6. C 三、简答题《每小题 8分，共 24分 ) 1.答: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。 2.答:齿轮的啮合间隙会造成传动死区，若该死区是在闭环系统中，则可能造成系统不稳 定，常会使系统以 1.5倍间隙角产生的低频振荡。为了降低制造成本，则多采用各种调整齿 侧间隙的方法来消除或减小啮合间隙，常用的方法有:偏心套调整法、轴向垫片调整法、双片薄 齿轮错齿调整法等。 3.答:机电一体化系统的仿真模型主要有: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 。 四、计算题《10分) 解 :由题可得 : 方法一 : 759
(1)当激磁磁场不变时，电机输出转矩T正比于电枢电流：T=Kτi (2)当电枢转动时，电枢中会感应反电势eb,其值正比于转动的角速度：e=Kεw (3)电枢回路的微分方程为：L丝+R十=u dt (4)电机轴上的转矩平衡方程为：T=JM心 (5)求拉氏变换及联立求解得：(Ls十R)I(s)+KE2(s)=U(s) 输出转速与输入电压之间的传递函数： 2(s= KT U(S)KTKE+(Ls十R)JMS 方法二： e=KE@ T=Kti KI(s)=JM@(s)s @=GM(s)T 6= (s)- KT KTGM U(S)KTKE+(Ls+R)JMS或U(S)GMKTKE+L十P 五、综合题(12分)】 解：产品概念设计决定性地影响产品创新过程中后续的产品详细设计、产品生产开发、产 品市场开发以及企业经营战略目标的实现。包含以下流程： 明确设计任务 分析 求总功能 黑箱法 总功能分解 功能逐级分解 创造性方法、目录法、 寻找子功能解 调查分析法 综合 原理解组合 形态学矩阵法 评价与决策 各种评价方法 评价 决策 概念产品 760
(1)当激磁磁场不变时，电机输出转矩 T正比于电枢电流:T=KTi (2)当电枢转动时，电枢中会感应反电势 eb，其值正比于转动的角速度:eb = KEW _、.，__ _‘，，“，，，、__ 、， ，di.，.。 (、3U)了电" u 枢'J L. 回h-i 路Yu的~微vA分/J 方N 程’ -为:’L一羊dt十’R一i十’e一b “= u (4)电机轴上的转矩平衡方程为:T=JMCv (5)求拉氏变换及联立求解得:(Ls+R) I (s) +KEdl(S) =U(S) 输出转速与输人电压之间的传递函数: 日(S) U(S) KT K, K,+(L、十R)JMS 方法二 : e=KEw T=KTi KTI(S)=JM41(S)S CD =GM(:)T _ 1 U m扮 二一 JMs 口(S) U(S) KT KTKE十(Ls+R)JMs 或 口(S) U(S) KTGM GMKTK:十Ls十R 五、综合题(12分) 解:产品概念设计决定性地影响产品创新过程中后续的产品详细设计、产品生产开发、产 品市场开发以及企业经营战略 目标的实现 。包含 以下流程 : 明确设计任务 求总功能 总功 能分解 寻 找子功 能解 创造性方法、目录法、 调查分析法 原理解组合 评价与决策 概念产品 析 一 冶 分 . 综 评价 决策 760
(1)首先是将设计任务抽象化，确定出系统的总功能； (2)根据系统的总功能要求和构成系统的功能要素进行总功能分解，划分出各功能模块， 将总功能分解为子功能，直到分解到不能再分解的功能元，形成功能树；确定它们之间的逻辑 关系 (3)对各功能模块输人/输出关系进行分析，确定功能模块的技术参数和控制策略、系统的 外观造型和总体结构； (4)寻找子功能（功能元）的解，并将原理解进行组合，形成多种原理解设计方案； (5)以技术文件的形式交付设计组讨论、审定。由于体现同一功能的产品可以有多种多样 的工作原理； (6)方案进行整体评价：对不同的方案进行整体评价，选择综合指标最优的设计方案。最 终选定最佳方案形成概念产品。 (注：绘制出流程图或文字作答均可。) 761
(1)首先是将设计任务抽象化，确定出系统的总功能; (2)根据系统的总功能要求和构成系统的功能要素进行总功能分解，划分出各功能模块， 将总功能分解为子功能，直到分解到不能再分解的功能元，形成功能树;确定它们之间的逻辑 关系; <3)对各功能模块输人/输出关系进行分析，确定功能模块的技术参数和控制策略、系统的 外观造型和总体结构; (4)寻找子功能(功能元)的解，并将原理解进行组合，形成多种原理解设计方案; (5)以技术文件的形式交付设计组讨论、审定。由于体现同一功能的产品可以有多种多样 的工作原理; (6)方案进行整体评价:对不同的方案进行整体评价，选择综合指标最优的设计方案。最 终选定最佳方案形成概念产品。 (注:绘制出流程图或文字作答均可。) 761