机电一体化系统构成实
验
实验一机电一体化系统组成实验
实验目的
1.通过了解物流生产线的结构及工作原理建立典型机电系统基本组成概
念；了解机电系统五要素。
2.了解物流生产线的工作过程，体会各组成部分的作用以及相互间是如何
通讯协调工作的。
实验设备：
1－立体仓库系统单元 2－机械手搬运系统单元3－多工位加工系统4－多通道环行线系统单元 5－视觉检测系统单元
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其中巷式起重机基本结构;
由丝杠驱动步进电机（5-1-1）、光杠（5-1-2）、气动储取货物机构（5-1-3）、X轴步进电机（5-1-4）、Ｘ轴光杠（5-1-5）、Ｚ轴气缸（5-1-6）、滚珠丝杠（5-1-7）组成。巷式起重机(5-1)主要是实现货物在仓库内的自动存取
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机械手搬运系统单元
四轴联动机械手机构结构:由伺服电机驱动可旋转角度=270°的气控机械手（具有光电传感器）（1-1-1）、②由步进电机驱动丝杠组件构成沿X、Y 轴移动装置（含x、y轴限位开关）（1-1-2）、可回旋=270°的转盘机构（1-1-3）（其电气部分由直流无刷电动机、光电编码器、接近开关等）。型材基体（1-1-4）组成。四轴联动机械手机构主要实现空间货物的存取
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多工位加工系统单元
4000E2多工位加工系统单元结构图如图 4-3 所示。
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（2-1）－铣床（2-2）－钻床（2-3）－多工位工作台
多工位工作台
多工位工作台由Ｘ轴步进电机（2-3-1）、滚珠丝杠（2-3-2）、自动夹紧工作台（2-2-3）、直线导轨（2-3-4）、Ｙ轴步进电机（2-3-5）、Ｙ轴丝杠（2-3-6）、型材基体（2-3-7）组成，多工位工作台主要是通过Ｘ、Ｙ轴步进电机使自动夹紧工作台中的货箱到达预定的钻、铣工位，并对货箱进行钻、铣削加工。见图4-3-3
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检测环节;在各站点均有检测环节，请根据运动控制需求分析各检测环节位置检测：接近开关、光电开关
位移检测;光栅尺
驱动：
步进电机、负压吸盘
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实验一三相异步电动机正反转控制实验 专业年级：学号：姓名：评分： 一、实验目的： 1．学习和掌握PLC的实际操作和使用方法； 2．学习和掌握利用PLC控制三相异步电动机正反转的方法。 二、实验内容及步骤： 本实验采用PLC对三相异步电动机进行正反转控制，其主电路和控制电路接线图分别为图2-1和图2-2 。图中：正向按钮接PLC的输入口X0，反向按钮接PLC的输入口X1，停止按钮接PLC的输入口X2，KM5为正向接触器，KM6反向接触器。继电器KA5、KA6分别接于PLC的输出口Y23、Y24。 其基本工作原理为：合上QF1、QF5， PLC运行。当按下正向按钮，控制程序使Y23有效，继电器KA5线圈得电，其常开触点闭合，接触器KM5的线圈得电，主触头闭合，电动机正转；当按下反向按钮，控制程序使Y24有效，继电器KA6线圈得电，其常开触点闭合，接触器KM6的线圈得电，主触头闭合，电动机反转。 实验步骤： 1．在断电的情况下，学生按图2-1和图2-2接线（为安全起见，控制电路的PLC外围继电器KA5、KA6以及接触器KM5、KM6输出线路已接好）； 2．在老师检查合格后，接通断路器QF1、QF5 ； 3．运行PC机上的工具软件FX-WIN，输入PLC梯形图； 4．对梯形图进行编辑﹑指令代码转换等操作并将程序传至PLC； 5．运行PLC，操作控制面板上的相应开关及按钮，实现电动机的正反转控制。在PC 机上对运行状况进行监控，同时观察继电器KA5、KA6和接触器KM5 、KM6的动作及变化情况，调试并修改程序直至正确； 6。记录运行结果。 图 2-1 主控电路 ～3～
图 2-2 控制电路接线图 三．实验说明及注意事项 1．本实验中，继电器KA5、KA6的线圈控制电压为24V DC，其触点5A 220V AC（或5A 30V DC）；接触器KM5、KM6的线圈控制电压为220V AC，其主触点25A 380V AC。 2．三相异步电动机的正、反转控制是通过正、反向接触器KM5、KM6改变定子绕组的相序来实现的。其中一个很重要的问题就是必须保证任何时候、任何条件下正反向接触器KM5、KM6都不能同时接通，否则会造成电源相间瞬时短路。为此，在梯形图中应采用正反转互锁，以保证系统工作安全可靠。 3．本实验中，主控电路的电压为380V DC，请注意安全！ 四．实验用仪器工具 PC 机 1台 PLC 1台 编程电缆线 1根 三相异步电动机 1台 断路器（QF1、QF5） 2个 接触器（KM5、KM6） 2个 继电器（KA5、KA6） 2个 按钮 3个 实验导线若干 五．思考题 1．试比较继电器和接触器的结构及工作原理的异同点； 答：接触器有灭弧装置，而继电器没有。 接触器是在外界输入信号下能够自动接通断开负载主回路.继电器主要是传递信号,根据输入的信号到达不同的控制目的. 2．能否将接触器KM5，KM6的线圈直接接至PLC的输出端Y23、Y24（注：本实验所用
实验一四节传送带控制 一、实验目的 1.掌握传送指令的使用及编程 2.掌握四节传送带控制系统的接线、调试、操作 三、面板图 四、控制要求 1.总体控制要求：如面板图所示，系统由传动电机M1、M2、M3、M4，故障设置开关A、 B、C、D组成，完成物料的运送、故障停止等功能。 2.闭合“启动”开关，首先启动最末一条传送带（电机M4），每经过1秒延时，依次启动一条传送带（电机M3、M2、M1）。 3.当某条传送带发生故障时，该传送带及其前面的传送带立即停止，而该传送带以后的待运完货物后方可停止。例如M2存在故障，则M1、M2立即停，经过1秒延时后，M3停，再过1秒，M4停。 4.排出故障，打开“启动”开关，系统重新启动。 5.关闭“启动”开关，先停止最前一条传送带（电机M1），待料运送完毕后再依次停止M2、M3及M4电机。
五、功能指令使用及程序流程图 1.传送指令使用 X0000为ON时，将源容向目标容传送，X0000为OFF时，数据不变化。 2.程序流程图 六、端口分配及接线图 序号PLC地址（PLC端子）电气符号（面板端 子） 功能说明 1X00 SD 启动（SD） 2X01 A 传送带A故障模拟3X02 B 传送带B故障模拟4X03 C 传送带C故障模拟5X04 D 传送带D故障模拟6Y00 M1 电机M1 7Y01 M2 电机M2 8Y02 M3 电机M3 9Y03 M4 电机M4 10主机COM、面板COM接电源GND 电源地端 11主机COM0、COM1、COM2、COM3、COM4、COM5、 接电源GND 电源地端 12面板V+接电源+24V 电源正端2.PLC外部接线图
实验目的 1.通过了解物流生产线的结构及工作原理建立典型机电系统基本组成概念；了解机电 系统五要素。 2.了解物流生产线的工作过程，体会各组成部分的作用以及相互间是如何通讯协调工 作的。 实验机电一体化系统组成实验 实验设备： 1-立体仓库系统单元 4-多通道环行线系统单元2 -机械手搬运系统单元 5-视觉检测系统单元 3—多工位加工系统 其中巷式起重机基本结构； 由丝杠驱动步进电机（5-1-1 ）、光杠（5-1-2 ）、气动储取货物机构机（5-1-4 ）、X轴光杠（5-1-5 ）、Z轴气缸（5-1-6 ）、滚珠丝杠（机（5-1）主要是实现货物在仓库内的自动存取（5-1-3）、X轴步进电5-1-7）组成。巷式起重
机械手搬运系统单元 四轴联动机械手机构结构：由伺服电机驱动可旋转角度=270°的气控机械手（具有光电传感器）（1-1-1 ）、②由步进电机驱动丝杠组件构成沿X、Y轴移动装置（含X、y轴 限位开关）（1-1-2）、可回旋=270。的转盘机构（1-1-3）（其电气部分由直流无刷电动机、光电编码器、接近开关等）。型材基体（1-1-4）组成。四轴联动机械手机构主要实现空间货物的存取 (1-1) (5-1-1) (5-1-2) (5-1-6) (5-1-3) (5-1-7) (5-1-4) (5-1-5) ? Dm.! 费 ： 耳 fl b； ■Ilin II ■MHOl ■iiiii'P i -J
多工位工作台 多工位工作台由X 轴步进电机（ 2-3-1）、滚珠丝杠（2-3-2 ）、自动夹紧工作台（2-2- 3）、 直线导轨（2-3-4 ）、Y 轴步进电机（2-3-5 ）、Y 轴丝杠（2-3-6 ）、型材基体（2-3-7）组成， 多工位工作台主要是通过X 、Y 轴步进电机使自动夹紧工作台中的货箱到达预定的钻、 铳工 多工位加工系统单元 4000E2多工位加工系统单元结构图 如图4-3所示。 (2-1) (2-1)—铳床 (2-2) SUE" (2-3) (2-2)—钻床 （2-3）—多工位工作台 ijn ---- d r ----- ctr
机械创新设计与制作综合实验指导书1 机电一体化系统实验 编著者：陈照强宋雪丽王毅 机械工程学院 2007年2月16日
一、机电一体化概念 机电一体化技术又称机械电子技术，是机械技术、电子技术和信息技术有机结合的产物。机电一体化在国外被称为Mechatronics，是日本人在20 世纪70 年代初提出来的，它是用英文Mechanics 的前半部分和Electronics 的后半部分结合在一起构成的一个新词，意思是机械技术和电子技术的有机结合，现已得到包括我国在内的世界各国的承认。我国的工程技术人员习惯上把它译为机电一体化技术。 机械技术是一门古老的学科，它发展到今天经历了一个漫长的历史时期。机械是现代工业的物质基础，国民经济的各个部门都离不开机械。机械种类繁多，功能各异，不论哪一种机械，从诞生以来都经历了使用—改进—再使用—再改进，不断革新和逐步完善的过程。对于某一种形式的机械，一般来说都有一定的局限性，或者说都有一定的适用范围、存在某些固有的缺点，这就迫使人们寻找新的工作原理，发明新型的机械．从而使得具有同一用途的机械具有不同的种类。机械本身的发展也是无止境的，但是这种发展却是缓慢的。各种机械发展到今天．单从机械角度对它们进行改进是越来越不容易了。随着科学技术的发展，一个比较年轻的学科——电子技术正在蓬勃发展，从分立电子元件到集成电路（IC），从集成电路到大规模集成电路和超大规模集成电路，特别是微型计算机的出现，使电子技术与信息技术相结合并向其他学科渗透，把人类带人了一个神化般的世界。信息技术（3C 技术）的主体包括计算机技术、控制技术和通信技术。电子技术与计算机技术同机械技术相互交叉，相互渗透，使古老的机械技术焕发了青春。在原有机械基础上引入电子计算机高性能的控制机能，并实现整体最优化，就使原来的机械产品产生了质的飞跃，变成功能更强、性能更好的新一代的机械产品或系统，这正是机电一体化的意义所在。 机电一体化技术是现代科学技术发展的必然结果。由于大规模集成电路和超大规模集成电路的出现，特别是微型电子计算机的空前发展，促进了机械技术和电子技术相互交叉和相互渗透，并使机械技术和电子技术在系统论、信息论和控制论的基础上有机地结合起来．形成今天的机电一体化技术。可以说电子技术在机电—体化的形成和发展过程中起到了关键性的作用。 二、机电一体化系统的构成 对于一个机电一体化产品或设备，应将它作为一个系统来研究。所谓机电一体化，就是要以系统的整体的思想来考虑复杂机电系统许多综合性的技术问题。例如，—台多关节机器人，就存在着各运动部件之间的力耦合；各运动轴伺服系统的干扰和相互影响；系统动力学与控制规律和运动精度之间的关系；机器人与外围设备的连接；机器人各部分之间的协调运动和机器人防护安全连锁的问题、这些问题即构成了机器人的系统技术问题，必须通过系统工程和系统设计的理论来解决。这里所说的系统是指通过一些元件的有机结合来实现某一特定的功能，而系统工程则是为使系统达到最佳状态而对系统的组成部件、组织结构、信息传递、控制机构等进行分析、设计优化的技术。 系统设计的特点首先是具有综合性，它把系统内部和外部综合起来考虑。要设计一个复杂的系统，首先就要把系统分解成许多分系统，建立各个分系统的数学模型，最后再进行最优设计。系统设计的另一个重要特征是系统的均衡设汁，均衡设计就是要恰当地选择元件，以构成性能优异的系统。如果设计者只注重元件设计而忽视优化组合过程，则即使是经过精心筛选的元件也可能组成性能低劣的系统。机电一体化产品或系统就是通过信息技术将机械技术与电子技术融为一体构成的最佳系统，而不是机械技术和电子技术的简单叠加。机电一体化系统通常由五大要素构成、即动力源、传感器、机械结构、执行元件和电子计算机。机电一体化系统的功能在很大程度上决定于控制系统。控制系统不仅与计算机及其输入输出通道有关，更与所采用的控制技术密切相关。控制技术必须从系统工程的角度出发，探讨那些能够使各功能要素构成最佳组合的柔性技术和一体化技术，有机地和灵活地运用现有的机械技术、电子技术和信息技术，采用系统工程的方法，使整个系统达到最优化，即设计最优化、加工最优化、管理最优化和运行方式最优化。
机电一体化实验报告 一体化系统设计实验报告学院专业班级学号姓名指导教师xx 年1 月12 日实验一机电一体化系统的组成实验目的：以XY简易数控工作台为例，说明机电一体化系统的基本组成和各模块的特点。实验设备：l 台式PC机一台l 标准XY工作台一套l 运动控制卡一块l 游标卡尺一把实验内容：XY简易数控工作台是一典型的机电一体化系统，是许多数控加工设备和电子加工设备的基本部件，XY数控工作台主要由运动控制卡、DC24V 开关电源、步进电机及其驱动器、XY向运动平台、光栅尺和霍尔限位开关组成，其之间的关系如图 1、1所示。工作原理大致为：运动控制卡接受PC机发出的位置和轨迹指令，进行规划处理（插补运算），转化成步进电机驱动器可以接受的指令格式（速度脉冲和方向信号）发给驱动器，由驱动器进行脉冲环行分配和功率放大从而驱动步进电机，步进电机经过联轴器、滚动丝杠推动工作台按指定的速度和位移运动。实验步骤：（1）在XY数控工作台系统中分别找到上述各个模块，并指出各模块在机电一体化系统中实现哪一模块的功能。 ①运动控制卡：运动控制卡是PCL、CPCL、PXL等总线形成的板卡，通俗地讲我们可以把它看成一个单片机，有自己的算法，可以通过V C、V
B、labview、BCB等语言实现其功能，数控系统即通过运动控制卡来实现对机床运动轨迹的控制。②DC24V开关电源：对供电要求质量比较高的控制设备提供纯净、稳定、没有杂波的直流电源。③步进电机及其驱动器：步进电机用于驱动数控工作台的X、Y两个方向的移动；步进电机通过驱动器细分，可减小步距角，从而提高步进电机的精确率，实现脉冲分配和功率驱动放大，此外还可以消除电机的低频振荡、提高电机的输出转矩。④XY向运动平台：分别传输X、Y两个方向的运动。⑤光栅尺：光栅尺是一种位移传感器，是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。经常应用于数控机床的闭环伺服系统中，可用作直线位移或者角位移的检测。⑥霍尔限位开关：用于限制工作台的运动超出导轨的有效长度。（2）使用卡尺测量，计算其平均导程P=10 ；观察其循环器，可知其循环方式为内循环；预紧方式是螺纹调隙式。（3）观察导轨截面，并查阅《机电一体化技术手册》，可知其属于GGA，GGB，GGC，GGF中哪类？ GGB 。 其适用场合机械加工中心、NC车床、搬运装置、电火花加工机、木工机械、激光加工机、精密测试仪器、包装机械、食品机械、医疗器械、工具磨床、平面磨床等。（4）查阅《DMC3000硬件手册》可知系统中的运动控制卡可实现四 轴的联动，并具有16 个数字量输入和16 个数字量输出控制。（5）记录步进电机型号，网上查阅其详细技术参数，可知
《机电一体化实验技术》模拟试题A 一、判断题（每题2分，共计14分）（答√或×） 1.设置文件信息对话框通常配合标题栏使用。（） 2.印刷电路板的设计是电路设计中最重要、最关键的一步。（） 3.交流调压调速是一种比较复杂的调速方法。（） 4.减速传动链是机电一体化系统中最常见的传动形式。（） 5.双面齿同步带可以实现多轴传动。（） 6.扼流圈用来阻断信号的传导通路，并抑制干扰信号的强度。（） 7.磁场屏蔽主要是抑制高频耦合干扰。（） 二、单项选择题（每题2分，共计10分） 1.（）由于成本低而被广泛使用。 A.单面板 B.双面板 C.多层板 2.载入网络表时，网络表和元件封装是（）载入的。 A.同时 B.分别 3.（）具有对应每一个增量的脉冲，但不能区别是那个增量。 A.绝对型编码器 B.增量型编码器 4.（）的任务是接收输入的零件程序，并对它进行预处理。 A.输入数据处理程序 B.插补运输程序 C.速度控制程序 5.转差功率( )调速系统是转差功率中转子铜损部分的消耗是不可避免的，但在这类调速系统中，无论转速高低，转差功率的消耗基本不变效率最高。 A.消耗型 B.回馈型 C. 不变型 三、名词解释（每题2分，共计6分） 1.电路设计： 2.直接位置控制： 3.调压调速： 四、填空题（每空2分，共计30分） 1.Protel 99SE绘制原理图的三种方法是：利用（）、利用（）、利用（）。 2.既可以用Protel 99SE进行（）设计，又可以用Protel 99SE和其他电气设计原理软件包一起构成（）的、（）的产品设计系统。 3.光栅的主要特点是线条（）而间距（）。 4.与晶闸管可控装置相比，PWM系统具有开关频率（）、低速运行（）、动静态性能（）、效率高等一系列优点。 5.同步带传动综合了（）和（）的优点，又克服了（）和V型带传动的不足。 6.凡是有电压或电流（）的场合，肯定会有电磁干扰问题存在。
机电一体化系统 多选题 CNC控制体统综合应用了（）技术。正确答案：ABCD CNC控制系统的基本组成包括（）。正确答案：ABCDE FR-A500变频器常用的外置选件可能有（）。正确答案：ABCDE PLC常用的编程元件有（）。正确答案：ABCDE PLC可以分为（）结构形式。正确答案：ABCDE PLC指令分为（）。正确答案：ABCD 步进电机可以为（）。正确答案：ABCDE 采用PWM技术的逆变器具具有（）特点。正确答案：ABCD 齿轮传动的优点有（）。正确答案：ABCDE 当PLC用于开关量逻辑程序控制时，其执行过程可分为（）。正确答案：ABCDE 电力电子器件有（）特点。正确答案：ABCDE 电气控制系统设计的步骤包括（）。正确答案：ABCDE 多选题 工业上所使用的机电一体化控制系统一般由（）组成。正确答案：ABCD 光电编码器的信号输出形式有（）。正确答案：ABCDE 光电编码器的信号输出形式有（）。正确答案：ABCDE 光栅内部由（）组成，正确答案：ABCDE 滚珠丝杠副的有点有（）。正确答案：ABCDE 恒量PLC性能的主要技术指标有（）。正确答案：ABCD 机电一体化包括（）。正确答案：ABCDE 机电一体化的优点有（）。正确答案：ABCD 基本单元加扩展型PLC是机电一体化产品常用的PLC，它由（）组成。正确答案：ABCDE 交流电机具有（）优点。正确答案：ABCDE 交流伺服驱动器常用的DO信号有（）。正确答案：ABCDE 交流伺服驱动系统硬件组成包括（）。正确答案：ABCDE 开环CNC属于经济性产品，一般无内置PLC，I/O信号直接连接到CNC的接口上，通常需要（）基本输入信号。正确答案：ABCDE 气动控制系统有一些基本的回路组成，包括（）。正确答案：ABCDE 数控机床种类繁多，包括（）。正确答案：ABCDE 无论就爱那个一个系统分解为多少子系统，都必须具备（）基本要素，才能称之为“机电一体化系统”，否则只能是一正确答案：ABCD 下列哪些属于FX系列PLC计数器（）。正确答案：ABCDE 现代工业自动化技术的4大支柱是（）。正确答案：ABCD 直线滑动导轨的截面形状常用的有（）。正确答案：ABCD 单选题： ∑Ⅱ操作单元分为（）个区域。正确答案：B ∑Ⅱ操作单元分为（）种显示模式。正确答案：D ∑Ⅱ系列驱动器报警显示为A.02，其对应报警名称为（）。正确答案：A ∑Ⅱ系列驱动器报警显示为A.03，其对应报警名称为（）正确答案：B ∑Ⅱ系列驱动器报警显示为A.04，其对应报警名称为（）正确答案：C ∑Ⅱ系列驱动器报警显示为A.05，其对应报警名称为（）。正确答案：D ∑Ⅱ系列驱动器报警显示为A.30，其对应报警名称为（）。正确答案：A ∑Ⅱ系列驱动器报警显示为A.32，其对应报警名称为
《机电一体化系统设计》模拟题 一、填空题： 1 机电一体化系统的五大组成要素是(结构组成要素)、(动力组成要素)、(运动组成要素)、(感知组成要素)和(智能组成要素)。 2 机电系统中常用的负载综合方法有( )和( )。 3 按滚珠的循环方式分，滚珠螺旋传动分为( 内循环)和(外循环)两种形式。 4 根据主轴回转精度的定义，其误差表现为三种形式，即( 轴向窜动)、(径向跳动)和(同轴度)。 5 根据摩擦性质分，导轨主要分为：( 滑动摩擦导轨副)、(滚动摩擦导轨副)和(流体摩擦导轨副)。 6支承件的静刚度主要包括(水平支撑)、( 垂直支撑 )和(系杆)三种形式。 7步进电机的主要通电方式有(三相三拍通电方式)、(三相六拍通电方式)和(五相十拍通电方式)三种形式 8 伺服系统按照控制原理分为(直流伺服系统 )、(交流伺服系统)和(交直流伺服系统)。 二、名词解释 1 回差：回差指在固定输入信号量下，从量程起点加至该值与由量程终点至该值时仪表的读数与实际输入信号之差。 2 阿贝误差原理：在长度测量中，应将标准长度量(标准线)安放在被测长度量(被测线)的延长线上。 3分辨率：分辨率就是屏幕图像的精密度，是指显示器所能显示的点数的多少。 4灵敏度：灵敏度指检测仪器示值相对于被测量参数变化的位移率，灵敏度是衡量物理仪器的一个标志 三、思考题 1 说明同步带的设计计算过程。 首先落实电机的额定功率P0、主动轮转速n1、中心距a、工作情况（查取修正系数k0） 1、计算设计功率P，P=k0*P0 2、确定带的型号和节距，根据计算得到的P及主动轮转速n1从相关图表中落实带的型
号及节距 3、选择小带齿轮数，根据主动轮转速n1和确定的带型号从相关表中查取最小许用齿轮 数Z1，根据Z0=i*Z1（i=n1/n2）得到大轮齿轮数，从标准带齿轮数中选取标准值。 4、确定带轮节圆半径d1=Z1*P/∏ d2=Z0*P/∏（圆周率） 5、确定同步带节线长度L=2acos￠+∏（d1+d2）/2+∏￠（d1-d2）/180 ￠=sin-1 （d2-d1）/2a 6、计算同步带齿数Z=L/P 7、计算传动中心距a0=P（Z0-Z1）/2∏cos∮ 8、确定同步带所需带宽：计算基准额定功率P0=（Ta-mv2）v/1000 Ta、m 从表中查 取计算小带轮啮合齿数Zm，计算b0，根据ISO5296-78圆整为标准带宽 9、进行工作能力验算，确定所选参数是否合格。 2简述提高齿轮传动精度的主要措施。 3通过合理的设计丝杠的支撑形式，可以使丝杠副在无论受到哪个方向的轴向力，丝杠只受拉力而不受压，说明这种支撑的形式，并简要说明其原理。 可采用两端单方向确定结构，课本P102页3-51图，由于丝杠两端分别确定一个轴向，丝杠工作时永远处于受拉状态，轴向力也右一个轴承承受，并可以实施预紧等措施。 4简述采用矩形和三角形导轨组合时应注意的问题。 矩形和三角形导轨组合导向性优于双矩形组合，承载能力优于双三角形组合，工艺性介于二者之间，应用广泛。但要注意，若两条导轨上的载荷相等，则摩擦力不等，使摩擦量不同，破坏了两导轨的等高性。结构设计时应考虑，在两导轨面上摩擦力相等的前提下使载荷非对称布置，并使牵引力通过两导轨面上摩擦力合力的作用线。若因结构布置等原因不能做到，则应使牵引力与摩擦力形成的力偶尽量减小。
一、了解机电一体化系统中的关键技术以及机电一体化系统的构成要素及其功能。 （1）１．精密机械技术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．系统集成技术 (2) 1.机械本体:作用：用于支撑和连接其他要素，并把这些要素合理地结合起来，形成有机整体。包括机械传动装置和机械结构装置。 2.动力部分:其功能是按照机电一体化系统的要求为系统提供能量和动力使系统正常运行。用尽可能小的动力输入获得尽可能大的输出，是机电一体化系统的显著特征 3.检测部分:其功能是将机电一体化产品在运行过程中所需要的自身和外界环境 的各种参数及状态转换成可以测定的物理量，同时利用检测系统的功能对这些物理量进行测定，为机电系统提供运行控制所需的各种信息。 4.执行机构:功能：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。 ?根据控制信息和指令完成所要求的动作。 5.控制器:控制器是机电一体化系统的核心部分。它根据系统的状态信息和系统的 目标，进行信息处理，按照一定的程序发出相应的控制信号，通过输出接口送往执行机构，控制整个系统有目的地运行，并达到预期的性能。 6.接口: 1). 交换：需要进行信息交换和传输的环节之间,若信号的模式不同(如数字量与模拟 量、串行码与并行码、连续脉冲与序列脉冲等），就无法直接实现信息或能量的交流。 需要通过接口来完成信号或能量的统一。 2). 放大：在两个信号强度相差悬殊的环节间，经接口放大，达到能量的匹配。 3). 传递：变换和放大后的信号在环节间能可靠、快速、准确地交换，必须遵循协调 一致的时序、信号格式和逻辑规范。 二、掌握传感器的静、动态特性参数及其含义。掌握机电一体化系统中传感器的选择原则。（在3第三章传感检测技术(09)） （1）静态特性： 1.测量范围：线性范围或动态线性范围是指机械输入量与传感器输出量之间 维持线性比例关系的测量范围 2.量程(满量程输出)：测量范围的上限与下限之代数差 3.线性范围：线性范围或动态线性范围是指机械输入量与传感器输出量之间 维持线性比例关系的测量范围。 4.非线性度δL ：被测值处于稳定状态时，传感器输出与输入之间的关系曲 线(称校准或标定曲线)对拟合直线的接近程度： 式中：δL—非线性度； ΔLmax—标定曲线对拟合曲线的最大偏差； Y－－满量程输出值 5.灵敏度K0 ：传感器的输出变化量ΔY与引起此变化的输入量的变化量Δ X之比，K0=ΔY/ΔX （不恒定） 灵敏度误差：rs=(ΔK/K0)×100％
机电一体化实验报告 学院：核技术与自动化工程学院专业：电气工程及其自动化 指导老师：康东 姓名：许新 学号：200706050209 日期：2010-10-27
实验一:基于PC的传感器与数据采集实验 一,实验目的 了解传感器,USB2009便携式数据采集器的工作原理和数据采集原理和香农采样定律,连接系统实现实时采集传感器信号,完成对采样数据的时域波形显示和存储. 二,实验内容: 1,了解传感器工作原理. 2,了解USB2009便携式数据采集器的工作原理,功能和使用方法. 3,了解数据采集原理和香农采样定律. 4,实时采集传感器信号,进行时域波形显示并存储实验数据. 三,实验设备: 主要实验设备包括: 1,USB2009采集卡和配有上位机软件的计算机; 2,FESTO气动综合实验台一套. 下图为USB2009采集卡.它包含14Bit分辨率A/D转换器,可以提供16路单端模拟信号输入,8路双端模拟输入通道,4路DA输出功能,1组计数器.提供了内外时钟和内外触发工作方式.A/D转换器输入信号范围为:±5V(USB2009),±10V(AD7899-1).硬增益范围:1,2,4,8(N6为PGA203时),1,10,100,10000(N6为PGA202时). 图1.1 USB2009采集卡 四,实验原理 将USB2009采集卡与FESTO气动综合实验台上传感器连接在一起,而后通过USB连接到计算机上.利用LabVIEW软件搭建数据采集系统,实时采集传感器信号,进行时域波形显示并存储实验数据. 五,实验步骤 1,由实验教师讲解FESTO气动综合实验台上传感器工作原理; 2,由实验教师讲解USB2009采集卡的工作原理和使用方法; 3,由实验教师讲解数据采集原理和香农采样定律; 4,在实验教师的指导下,由学生完成实验电路连接; 5,在实验电路检查无误后,由学生利用LabVIEW软件搭建数据采集系统; 5,打开设备电源,观察数据采集系统运行状况,纠正错误; 6,利用LabVIEW实时采集传感器信号,进行时域波形显示并存储实验数据; 7,将实验过程中形成的正确的接线方式,数据采集系统的搭建方法以及自己在实验中观察到的现象和思考的问题综合起来,写实验报告.
实验一机电一体化系统组成实验 实验目的 1.通过了解物流生产线的结构及工作原理建立典型机电系统基本组成概念；了解机电 系统五要素。 2.了解物流生产线的工作过程，体会各组成部分的作用以及相互间是如何通讯协调工 作的。 实验设备： 1－立体仓库系统单元 2－机械手搬运系统单元3－多工位加工系统4－多通道环行线系统单元 5－视觉检测系统单元 其中巷式起重机基本结构; 由丝杠驱动步进电机（5-1-1）、光杠（5-1-2）、气动储取货物机构（5-1-3）、X轴步进电机（5-1-4）、Ｘ轴光杠（5-1-5）、Ｚ轴气缸（5-1-6）、滚珠丝杠（5-1-7）组成。巷式起重机(5-1)主要是实现货物在仓库内的自动存取
机械手搬运系统单元 四轴联动机械手机构结构:由伺服电机驱动可旋转角度=270°的气控机械手（具有光电传感器）（1-1-1）、②由步进电机驱动丝杠组件构成沿X、Y轴移动装置（含x、y轴限位开关）（1-1-2）、可回旋=270°的转盘机构（1-1-3）（其电气部分由直流无刷电动机、光电编码器、接近开关等）。型材基体（1-1-4）组成。四轴联动机械手机构主要实现空间货物的存取
多工位加工系统单元 （2-1）－铣床（2-2）－钻床（2-3）－多工位工作台 多工位工作台 多工位工作台由Ｘ轴步进电机（2-3-1）、滚珠丝杠（2-3-2）、自动夹紧工作台（2-2-3）、直线导轨（2-3-4）、Ｙ轴步进电机（2-3-5）、Ｙ轴丝杠（2-3-6）、型材基体（2-3-7）组成，多工位工作台主要是通过Ｘ、Ｙ轴步进电机使自动夹紧工作台中的货箱到达预定的钻、铣工位，并对货箱进行钻、铣削加工。见图4-3-3
填空题 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、信息与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
第1章 1-1、机电一体化是在机械主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。 1-2、机电一体化系统的主要组成、作用及其特点是什么？ a、机械本体：用于支撑和连接其他要素，并把这些要素合理地结合起来，形成有机的整体。 b、动力系统：为机电一体化产品提供能量和动力功能，驱动执行机构工作以完成预定的主功能。 c、传感与监测系统：将机电一体化产品在运行过程中所需要的自身和外界环境的各种参数及状态转换成可以测定的物理量，同时利用监测系统的功能对这些物理量进行测定，为机电一体化产品提供运行控制所需的各种信息。 d、信息处理及控制系统：接收传感器与检测系统反馈的信息，并对其进行相应的处理、运算和决策，以对产品的运行施以按照要求的控制，实现控制的功能。 e、执行装置：在控制信息的作用下完成要求的动作，实现产品的主功能。 1-3、工业三大要素：物质、能量、信息。 1-4、机电一体化产品与传统的机械电气化产品相比，具有较高的功能水平和和附加值，它为开发者、生产者和用户带来越来越多的社会经济效益。 1-7、机电一体化的主要支撑技术：传感检测技术、信息处理技术、自动控制技术、伺服驱动技术、接口技术、精密机械技术、系统总成技术。 1-8、机电一体化的发展趋势：智能化、模块化、网络化、微型化、绿色化、人格化、自适应化。 第2章 2-1、机电一体化系统对传动机构的基本要求：传动间隙小、精度高、低摩擦、体积小、重量轻、运动平稳、响应速度快、传动转矩大、高谐振频率以及与伺服电动机等其他环节的动态性能相匹配等要求。 2-2、丝杆螺母机构的传动形式及其特点：a、螺母固定、丝杆转动并移动；b、丝杆转动、螺母移动；c、螺母转动、丝杆移动；d、丝杆固定、螺母转动并移动；e、差动传动。 2-3、滚珠丝杆副的组成及特点：由丝杆、螺母、滚珠和反相器四部分组成；具有轴向刚度高、运动平稳、传动精度高、不易磨损、使用寿命长等优点。 2-4、滚珠丝杆副的选择：结构形式的选择、结构尺寸的选择 2-5、齿轮传动各级传动比分配原则：①等效转动惯量最小原则②重量最轻原则③输出轴转角误差最小原则（最末两级的传动比应取大一些，并尽量提高最末一级齿轮副的加工精度）； 2-8、齿轮传动侧隙的调整有偏心套调整、双片薄齿轮错齿调整和轴向垫片调整等多种方法。 2-9、机械执行机构的基本要求：①惯量小、动力大；②体积小、重量轻；③便于维修、安装；④易于计算机控制。 2-10、简述各种传感器的特性及选用原则？ 一、静态特性是指当测量处于稳定状态下，传感器的输入值与输出值之间的关系。主要技术指标包括：1、线性度。2、灵敏度。3、迟滞。4、重复性。5、分辨率。6、零飘。二、动态特征是指传感器测量动态信号时输出对输入的响应特性。 （1）电气式，具有操纵方便、适宜编程、响应快、伺服性能好、易与微机相接等优点；（2）液压式，优点是输出功率
《机电一体化实验技术》模拟试题C 一、判断题（每题2分，共计14分）（答√或×） 1.通常总线与总线配合使用。（） 2.绝对型编码器难以移动参考零点。（） 3.只要改变笼式异步电动机定子电压的频率f1，就可以调节转速的大小。（） 4.滚珠丝杠因摩擦系数小，传动效率高而被广泛应用。（） 5.数字脉冲电路不是干扰源。（） 6.屏蔽低频磁场的磁屏蔽体最好接地。（） 7.晶闸管三相全波星形联结的调压电路适用于低电压大电流的负载电路。（） 二、单项选择题（每题2分，共计10分） 1.（）的制作费用比较高，制作工艺也比较复杂。 A.单面板 B.双面板 C.多层板 2.在弹性变形范围内，制造电阻应变片金属材料的应变灵敏度系数约等于（）。 A.1.7 B.2 C.3.6 3.（）专门测量转动体的绝对位置。 A.绝对型编码器 B.增量型编码器 4.（）可以在运行中及时发现系统的故障，并指出故障的类型。 A.输入数据处理程序 B.诊断程序 C.速度控制程序 5.（）是给电源和传输信号提供一个等电位，在实际电路中它常常兼做电源和信号线的回流线。 A.保护接地 B.工作接地 C.屏蔽接地 三、名词解释（每题2分，共计6分） 1.封装： 2.计算机数控（CNC）系统： 3.两自由度定位系统： 四、填空题（每空2分，共计30分） 1.绘制电路原理图是在（）下工作的。 2.印刷电路板可分为（）板、（）板和（）板三种。 3.运动控制系统主要包括（）、（）、（）以及编程/操作接口等 4.用于伺服系统的传动部分一般是减速系统，其输入是（）速、（）转矩，输出是（）速、（）转矩。 5.周节制带轮齿的齿形主要有（）齿廓和（）齿廓两种。 6.干扰源把噪声能量耦合到被干扰对象有两种方式：（）耦合方式和（）耦合方式。
一、试分析机电一体化技术的组成及相关关系。 机电一体化系统是多学科技术的综合应用，是技术密集型的系统工程。其技术组成包括：机械技术、检测技术、伺服传动技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术和系统总体技术等。现代的机电一体化产品甚至还包含了光、声、化学、生物等技术等应用。 二、一个典型的机电一体化系统，应包含哪些几个基本要素？ 机电一体化系统，应包含以下几个基本要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。我们将这些部分归纳为：结构组成要素、动力组成要素、运动组成要素、感知组成要素、智能组成要素；这些组成要素内部及其之间，形成通过接口耦合来实现运动传递、信息控制、能量转换等有机融合的一个完整系统。 三、试简述机电一体化系统的设计方法。 机电一体化系统的设计过程中，一直要坚持贯彻机电一体化技术的系统思维方法，要从系统整体的角度出发分析研究各个组成要素间的有机联系，从而确定系统各环节的设计方法，并用自动控制理论的相关手段，进行系统的静态特性和动态特性分析，实现机电一体化系统的优化设计。 四、机电一体化对机械系统的基本要求是什么？ 机电一体化系统的机械系统与一般的机械系统相比，除要求较高的制造精度外，还应具有良好的动态响应特性，即快速响应和良好的稳定性。 五、机械一体化系统中伺服机构的作用是什么？ 伺服控制系统是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作，从而获得精确的位置、速度及动力输出的自动控制系统。机械传动是一种把动力机产生的运动和动力传递给执行机构的中间装置，是一种扭矩和转速的变换器，其目的是在动力机与负载之间使扭矩得到合理的匹配，并可通过机构变换实现对输出的速度调节。在机电一体化系统中，伺服电动机的伺服变速功能在很大程度上代替了传统机械传动中的变速机构，只有当伺服电机的转速范围满足不了系统要求时，才通过传动装置变速。由于机电一体化系统对快速响应指标要求很高，因此机电一体化系统中的机械传动装置不仅仅是解决伺服电机与负载间的力矩匹配问题。而更重要的是为了提高系统的伺服性能。为了提高机械系统的伺服性能，要求机械传动部件转动惯量小、摩擦小、阻尼合理、刚度大、抗振性好、间隙小，并满足小型、轻量、高速、低噪声和高可靠性等要求。
8 机电一体化系统典型实例 8.1 机器人 8.1.1 概述 机器人是能够自动识别对象或其动作，根据识别，自动决定应采取动作的自动化装置。 它能模拟人的手、臂的部分动作，实现抓取、搬运工件或操纵工具等。它综合了精密机械技 术、微电子技术、检测传感技术和自动控制技术等领域的最新成果，是具有发展前途的机电 一体化典型产品。机器人技术的应用会越来越广，将对人类的生产和生活产生巨大的影响。 可以说，任何一个国家如不拥有一定数量和质量的机器人，就不具备进行国际竞争所必需的 工业基础。 机器人的发展大致经过了三个阶段。 第一代机器人为示教再现型机器人，为了让机器人 完成某项作业，首先由操作者将完成该作业所需的各种知识（如运动轨迹、作业条件、作业 顺序、作业时间等）通过直接或间接的手段，对机器人进行示教，机器人将这些知识记忆下 来，然后根据再现指令，在一定的精度范围内，忠实地重复再现各种被示教的动作。第二代 机器人通常是指具有某种智能（如触觉、力觉、视觉等）的机器人，即由传感器得到的触觉、 听觉、视觉等信息经计算机处理后，控制机器人完成相应的操作。第三代机器人通常是指具 有高级智能的机器人，其特点是具有自学习和逻辑判断能力，可以通过各类传感器获取信息， 经过思考做出决策，以完成更复杂的操作。 一般认为机器人具备以下要素：思维系统（相当于脑），工作系统（相当于手），移动系 统（相当于脚），非接触传感器（相当于耳、鼻、目）和接触传感器（相当于皮肤）（图8-1）。 如果对机器人的能力评价标准与对生物能力的评价标准一样，即从智能、机能和物理能三个 方面进行评价，机器人能力与生物能力具有一定的相似性。图8-2是以智能度、机能度和物 理能度三座标表示的“生物空间”，这里，机能度是指变通性或通用性以及空间占有性等；物 理能度包括力、速度、连续运行能力、均一性、可靠性等；智能度则指感觉、知觉、记忆、 运算逻辑、学习、鉴定、综合判断等。把这些概括起来可以说，机器人是具有生物空间三座 标的三元机械。某些工程机械有移动性，占有空间不固定性，因而是二元机械。计算机等信 息处理机，除物理能之外，还有若干智能，因而也属于二元机械。而一般机械都只有物理能， 所以都是一元机械。 8.1.2 机器人的组成及基本机能 机器人一般由执行系统、驱动系统、控制系统，检测传感系统和人工智能系统等组成， 各系统功能如下所述。 ① 执行系统。执行系统是完成抓取工件（或工具）实现所需运动的机械部件，包括手部、 信息处理机 图8-2生物空间 图8-1机器人三要素
机电一体化系统构成实 验
实验一机电一体化系统组成实验 实验目的 1.通过了解物流生产线的结构及工作原理建立典型机电系统基本组成概 念；了解机电系统五要素。 2.了解物流生产线的工作过程，体会各组成部分的作用以及相互间是如何 通讯协调工作的。 实验设备： 1－立体仓库系统单元 2－机械手搬运系统单元3－多工位加工系统4－多通道环行线系统单元 5－视觉检测系统单元 精心整理，用心做精品2
其中巷式起重机基本结构; 由丝杠驱动步进电机（5-1-1）、光杠（5-1-2）、气动储取货物机构（5-1-3）、X轴步进电机（5-1-4）、Ｘ轴光杠（5-1-5）、Ｚ轴气缸（5-1-6）、滚珠丝杠（5-1-7）组成。巷式起重机(5-1)主要是实现货物在仓库内的自动存取 精心整理，用心做精品3
机械手搬运系统单元 四轴联动机械手机构结构:由伺服电机驱动可旋转角度=270°的气控机械手（具有光电传感器）（1-1-1）、②由步进电机驱动丝杠组件构成沿X、Y 轴移动装置（含x、y轴限位开关）（1-1-2）、可回旋=270°的转盘机构（1-1-3）（其电气部分由直流无刷电动机、光电编码器、接近开关等）。型材基体（1-1-4）组成。四轴联动机械手机构主要实现空间货物的存取 精心整理，用心做精品4
多工位加工系统单元 4000E2多工位加工系统单元结构图如图 4-3 所示。 精心整理，用心做精品5
（2-1）－铣床（2-2）－钻床（2-3）－多工位工作台 多工位工作台 多工位工作台由Ｘ轴步进电机（2-3-1）、滚珠丝杠（2-3-2）、自动夹紧工作台（2-2-3）、直线导轨（2-3-4）、Ｙ轴步进电机（2-3-5）、Ｙ轴丝杠（2-3-6）、型材基体（2-3-7）组成，多工位工作台主要是通过Ｘ、Ｙ轴步进电机使自动夹紧工作台中的货箱到达预定的钻、铣工位，并对货箱进行钻、铣削加工。见图4-3-3 精心整理，用心做精品6
1.整个电路板的设计过程首先是编辑电路原理图。（） 选择一项： 对 错 2.用户在进行原理图设计时，在命令状态下，按End键，原来光标的位置会移到工作区的中心位置显示。（） 选择一项： 对 错 3.用户在进行原理图设计时，在命令状态下，按PageDown键，绘图区会缩小显示。（）选择一项： 对 错 4.如果是多张图纸的话，允许两个元件具有相同的流水序号。（） 选择一项： 对 错 5. Cut命令将剪切板里的内容作为副本，放入电路图中。（） 选择一项： 对 错 6.导入网络表时若发现电路有设计错误，需要对原理图进行修改，修改后必须要重新载入网络表、重新编辑PCB。（） 选择一项： 对 错 7. Grid Size用于设置布局栅格的大小，每个元件放置点的坐标都是栅格大小的整数倍。（） 选择一项： 对
错 8.电桥电压增高，其输出电压信号也增大，放大电路本身的飘逸和噪声也相对变大。（）选择一项： 对 错 9.放大电路调试时，首先应检查电源是否有短路，各芯片电源是否正常。 （） 选择一项： 对 错 10.自从电力电子技术发展起来以后，用晶闸管元件组成的调压器很快成为自动交流调压器的主要形式。（） 选择一项： 对 错 11.“剪贴”命令的功能热键Copy命令使用（) 选择一项： a. Ctrl+C b. Ctrl+V c. Ctrl+A d. Shift+C 12.如果显示画面出现杂点或变形，按（）键后，程序返回进行重算，并更新画面，恢复正确的显示图形。 选择一项： a. Up b. Down c. Home d. End
13.用户自定义图纸的高度，用下列哪一个选项。（对） 选择一项： a. Custom Width b. Custom Height c. X Ref Region d. Y Ref Region 14.下列哪种封装主要用于二极管的封装（） 选择一项： a. DB9RA/F b. DIODE0.4 c. DIP8 d. ILEAD8 15.预览框会显示所选择的封装的外形，便于快速浏览，下面哪个按钮的功能是缩小预览框视图（） 选择一项： a. Zoom All b. Zoom In c. Zoom Out d. 以上都不是 16.设计印刷电路板时，选项Legend String 的含义是（） 选择一项： a. 设置是否需要生成图利字符串 b. 设置是否需要生成尺寸标注线 c. 设置是否需要切角 d. 设置是否需要挖孔 17.以下那种封装形式主要用于插装电阻的封装？（） 选择一项：