第五章机电一体化中的执行元件与伺服驱动技术?本章知识点
了解伺服控制技术的相关基本概念
了解直流电动机的工作原理、特性
掌握直流及交流电动机的调速方法
了解直流电动机伺服系统的基本原理
了解交流伺服系统的基本原理及其产品
了解步进电机的基础知识及其驱动技术
了解液压执行元件及其伺服系统的原理及应用
了解气压执行元件及其伺服系统的原理及应用
了解新型电气驱动单元的基本概念
本章目录
第一节伺服控制技术概述
第二节直流电动机及其伺服控制系统 第三节交流电动机及其伺服控制系统 第四节步进电动机及其驱动
第五节液压执行元件及其伺服控制 第六节气压执行元件及其伺服控制 第七节新型电气驱动单元
执行元件的功能及分类
执行元件是处于执行机构与电子控制装臵接口部位的能量转换部件，它能在电子控制装臵控制下，将输入的各种形式的能量转换为机械能。
执行元件电气式
电动机
磁致伸缩件
压电元件
电磁铁
液压式
往复液压缸
液压电动机气压式
气缸
气压电动机
机电控制系统对控制用执行元件的要求 要有良好的可控性，在控制信号到来之前静止不动，控制信号不
为零时，其运动方向与速度完全取决于控制信号的大小、极性或
相位，而且转速与控制信号具有线性调节特性。
功率密度和比功率大。
快速性好，即加速转矩大。
频响特性好。
位臵控制精度高。
调速范围宽。
低速运行平稳，无爬行现象。
分辨率高，振动噪声小。
适应频繁起停的工作要求。
运行可靠，且易于计算机控制。
第一节伺服控制技术概述
“伺服”来源于Servo的音译，伺服运动控制系统是一种能够跟踪输入指令信号进行动作，从而获得精确的位臵、速度及动力输出的自动控制系统。
伺服控制过程一般是以能量较弱的电信号实现对执行部件的运动或输出力等的有效控制，伺服系统具备明显的“功率放大”作用。
对伺服系统性能的主要要求包括稳定性、工作精度和快速响应性。稳定性是指系统在输入及干扰的作用下，在短时间调节后能恢复到原有的或新的平衡状态的能力。精度是系统的输出对于输入信号符合的程度，快速响应反映系统输出对于输入信号跟随的速度，这两方面的要求既相互联系，又相互制约，在设计、调试系统时要综合考虑。
一伺服系统的分类
按控制原理伺服系统可分为开环、闭环和半闭环伺服系统。
输入信号输入信号
处理
控制信号
功率放大
运动
执行单元运动输出
输入信号控制信号
比较处理
控制信号
功率放大
运动
执行单元运动输出
反馈信号处
理
输出信号检
测
输入信号控制信号
比较处理
控制信号
功率放大
运动
执行单元运动输出
反馈信号
处理
输出信号
检测
连续控制与采样控制
?按传递信息的不同，伺服系统可分为连续控制与采样控制。
连续控制系统又称为模拟控制系统，其发展最早。模拟控制系统中传递的信号是模拟量。
采样控制系统中的信号是脉冲序列数字编码，通过采样开关把模拟量转化为离散量，故这类系统又称作脉冲控制系统或离散控制系统。
与连续控制系统相比，采样控制有更高的可靠性、稳定性、灵活性及更高的精度。
?按被控量的不同性质，伺服系统又分为位臵控制、速度或
加速度控制、力或力矩控制等伺服系统。
二伺服系统的反馈
输出检测中包含的噪声使伺服控制性能变坏，有效的反馈可以减少这些不确定性的影响、补偿各种因素所引起的误差。
反馈环节在闭环运动伺服控制系统中起着十分重要的作用。应用反馈后，便形成了从输入、系统、输出、测量、比较误差再到输入的一个环路，因而也构成了一个包含原系统在内的一个新的闭环系统。这种构成的关键问题是新闭环系统的稳定性和动态特性。
反馈环节由运动参数测量单元（传感器）和反馈信号处理电路（反馈接口电路）组成。
测速发电机、旋转变压器等是常用模拟量旋转运动参数传感器，而旋转编码器、感应同步器、圆光栅、圆磁栅等是常用数字式旋转运动参数测量传感器。
9三控制的实时性与控制的准确性
绝大部分机电系统都是有惯性负载的二阶系统，其大部分输出都不可能“立即”反映输入控制信号的要求，这就引出实时性问题。
当加在m 上的力f (t )(被测量力)为阶跃信号时，无论模型的参数如何，输出位移x (f )都不能立即达到目的值，而是逐步“逼近”最终值。 减小阻尼系数能够使位移变动快，但不易稳定，加大阻尼系数使位移的变化趋向稳定，但稳定速度却又变慢。总之，“快”和“稳”、或者说“实时性”与“准确性”对不变参数的系统而言永远是有矛盾的。x(t)1234控制目标1.稍有阻尼2.较小阻尼3.较大阻尼4.大阻尼m x(t)f(t)k c m －k －c 模型阶跃响应
第二节直流电动机及其伺服控制系统
直流电动机的工作原理
直流电动机是按通电导线在磁场中受力的原理进行工作的。
为维持电枢的连续转动，直流电动机上还需要设臵为电枢电流换向的装臵。普通直流电动机的换向是依靠电刷来完成的，电枢线圈的两端接在换向片上，换向片通过电刷与外部直流电源接通使工作在一定位臵的线圈导线之电流方向保持不变，达到电流换向的目的。
12
直流电动机的换向
改变电枢电流方向及及改变主磁场方向。 直流电动机电枢线圈是感性负载，在电刷换向时，容易在电刷和换向
片之间产生电弧放电现象，引起电刷的磨损、电火花电磁干扰等问题，电刷和换向器的存在增大了摩擦转矩，这些问题除了会造成组件损坏之外，使用场合也受到限制，寿命较低，需要定期维修，使用维护较麻烦，给直流电动机的应用造成一定的问题。N N N S S S F F F F F F n n n I I I （a ）（b ）（c ）
机械特性表示直流电机工作转速主要取决于电枢线圈电压，在某一电
源电压下，随着负载转矩的增大，因为电枢线圈中电流的增加加大了线圈电阻上的压降，使电机的转速下降，这种现象在工程上称为动力源特性的“硬”、“软”。线圈电阻越小，电机的机械特性越硬。 似乎直流电动机可以输出无限大的转矩，但当电枢线圈中的电流过大时，过高的温升将破坏线圈绕组的绝缘，使电动机损坏。
n T
u a O 机械特性2
a a e e m U R T n K K K =-ΦΦ n ——电机转速；U a ——电枢线圈电压； R a ——电枢线圈的电阻；Ф——定子磁通； K e ——感应电动势常数；K m ——转矩常数；
T ——电动机的输出转矩。
n
T
u a
O
调速特性
调速特性图说明：电枢线圈电压越高，电机工作转速越高，两者基本成线性关系。当电动机要求的输出转矩增加时，需要以更高的电源电压才能实现原定的工作转速。
直流电动机的转速
对于靠励磁线圈产生定子磁场的直流电动机，一旦励磁失效，直流电
机定子磁场将降至剩磁水平，转子在原有转速下只能产生较小的感应电动势，直流电机电枢电流电流将急剧增加，使电动机产生极高的转速，这就是励磁直流电动机可能产生的“飞车”事故，在使用中要引起注意保证励磁的有效。
2
a a e e m U R T n K K K =-ΦΦn ——电机转速；
U a ——加在电枢线圈上的电压；
R a ——电枢线圈的电阻；
Ф——定子磁通；
K e ——感应电动势常数，与电机结构及磁场相关；
K m ——转矩常数；
T ——电动机的输出转矩。
直流电动机的调速方式
直流电动机的速度调节可以通过调节电枢绕组的电阻、改变定子磁通或调节电枢电压实现。
调节电枢绕组电阻调速使机械特性变软，只能用于软特性的电动机。
改变励磁电流，一般只能通过增大励磁电路串联的外加电阻来减小励磁电流，当电枢电压和电阻不变时，减小磁通，使理想空载转速升高，同时使转速随转矩的增大而下降的数量增大，因此机械特性变软。 调节电枢电压调速是直流电机调速最有效、最常用的方法。
2a a e e m U R T
n K K K =-ΦΦ
二可控硅调压
晶闸管是硅晶体闸流管的简称，又程可控硅，有单向导通的可控性。
当电路中阳极A 的电位高于阴极K 时，同时在门极G 施加高于阴极K 的电压，门极将承受正向门极电压，晶闸管则由阻断状态转为导通状态。
晶闸管一旦导通后，无论门极电压是正向还是反向，均不影响其导通状态，也不影响晶闸管中阳极电流的大小。只有在阳极电流减小到某一数值以下或又一次加上反向阳极电压时，晶闸管才能由导通状态转变为关断状态。 当施加反向电压时，门极与阴极之间无论施加何种极性的电压，均不能使晶闸管由关断转变为导通。即晶闸管具有单向导通的可控特性。（一）可控硅K 阴极
G 门极A 阳极
（二）触发角方式单相半波可控硅调压电路
控制触发脉冲疏密程度，即可调整在全部工作历程中可控硅导通所占的比重，从而达到调节电压和电流大小的目的。
用两只可控硅或配合二极管可以组成桥式全波整流电路。u 1u VT
u 2u d i d u g VT
R d T
单相半波可控硅调压电路O O O
O αθαθωt
ωt ωt ωt u g u d
u VT
电压、电流波形图22U 22U
u 2
对门极施加触发脉冲使可控硅导
通后，其导通状态将一直持续到电源电压U 2降到零为止。
对可控硅的触发，传统都选用与交流电源频率同步的方式，将触发点都控制在交流电源每一变化周期起始点后的某一相位角度位臵（触发角），触发角越小、效果电压越高，反之越小。如用积分方式计算，输出到电阻负载上的平均电压：
221
1cos 2sin()()0.4522ev U U t d t U πααωωπ+??
== ???
?()222112sin()()sin 2242U U t d t U π
απα
ωωαπππ
-
==+?电压的有效值：
可控硅触发脉冲的产生
电位器R f 调节电容的充电时间，当电容上的电压达到单结晶体管的转折电压（峰点）时，单结晶体管导通，负载电阻R f 上产生电压信号，同时，电容迅速放电使发射极的电压又下降至截止状态，由此周而复始，不断产生由电容充电时间控制的脉冲信号。R t +_R 1R 2R f u b1b 1b 2C e 触发脉冲发生器
“机电一体化技术与系统”复习题 （一）第一章复习题 1．机电一体化包括哪六大共性关键技术？（P1） 2. 机电一体化产品（P1） 3. 机电一体化系统的基本功能要素？（P2） 4. 机械本体包括机械传动装置和 。（P2） 5. 接口的三个基本功能？（P3） 6. 接口的作用是将各要素或子系统连接成为一个有机整体，它的基本功能主要有：交换、放大和（）。（P3） （二）第二章复习题 1. 机械移动系统的基本元件？（P9） 2. 建立机械移动系统数学模型的基本原理是（）？（P9）已知一个单自由度隔振系统，质量为m ，刚度为k ，粘性阻尼系数为c ,外力为()f t 。绘出系统力学模型，并推导系统的传递函数？（P10） 3. 求解图2所示机床进给系统的当量扭转角度θ？（P12-13） 3k 11轴I 轴轴 图2 数控机床进给系统 4. 为能保证振荡在一定的范围内过渡过程较平稳、过渡过程时间较短，又具有较高的灵敏
度，一般取 （）。（P25） 5. 刚度、动刚度和静刚度的概念？（P25） 6. 谐振频率的两个表达式？（P25） 7. 间隙的主要形式有哪些？（P26） 8. 什么是刚性间隙？（P26） 9. 什么是柔性间隙？（P27） 10. 丝杠螺母间隙的调整方式有哪两种？（P29） 11. 比较齿侧间隙的刚性消隙法和柔性消隙法的特点？（P26-P27） 12. 粘性阻尼系数的基本折算方法？（P25） 13. 增大粘性摩擦阻尼可以减小质量大、刚度低的机械系统的振幅并加速振动的（）？（P25） 14. 机电一体化系统中间隙的主要形式及常用的齿轮侧间隙消除法？（P26-P29） （三）第三章复习题 1. 传感器？（P41） 2. 什么是传感器的灵敏度？（P43） 3. 什么是传感器的迟滞性？（P43） 4. 什么是重复性？（P43） 5. 常用的直线位移测量传感器有哪些？（P44） 6. 常用角位移测量传感器有哪些？（P44） 7. 什么是电容传感器？（P44） 8. 变极距型电容传感器实现线性输出时，必须满足的条件为（）（P45） 9. 电感式传感器？（P46） 10. 光栅？（P47） 11. 光栅的组成？（P47） 12. 已知光栅条纹密度为250条/mm，该光栅尺的栅距是多少？（P47） 13. 光栅条纹密度一般的衡量单位为（）？（P47） 14. 指示光栅和标尺光栅在安装时要注意（）？（P48） 15. 光栅尺的栅距是0.01mm，指示光栅和标尺光栅的倾斜角度为0.001弧度，则莫尔条纹的
《机电系统设计》复习题 一、填空 1、机电一体化系统由机械系统（机构）、信息处理系统（计算机）、传感检测系统（传感器）、动力系统、执行元件系统等五个子系统组成。 2、机电一体化系统（产品）的设计类型大致有开发型设计、适应性设计和变异性设计等三种。 3、常用的机械传动部件有螺旋传动、齿轮传动、同步带传动、高速带传动、各种非线性传动部件等。 4、导向支承部件的作用是支撑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。 5、执行元件根据使用能量的不同，可以分为电动势、液压式和气压式等类型。 6、步进电动机是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。从励磁相数来分有三相、四相、五相、六相等步进电动机。 7、单片机应用系统中，常使用LED(发光二级管) 、CRT 和LCD(液晶显示器)作为显示器件。 8、工业机器人一般应由机械系统、驱动系统、控制系统、检测传感系统和人工智能系统等组成。 9、CNC机床按工艺用途分类可分为普通数控机床、机械加工中心、多坐标数控机床。 10、机电一体化系统设计的一般方法包括机电互补法、融合（结合）法、组合法。 11、机座或机架既起支承作用，承受其它零部件的重量及在其上保持相对的运动，又起基准作用，确保部件间的相对位置。 12、对伺服系统的基本要求有精度要求更高、可靠性更好、响应速度更快。 13、交流伺服电机消除“自转”现象的解决办法是。 14、两相交流伺服电动机的控制方法有三种：①幅值控制；②相位控制；⑧幅值—相位控制。机电一体化系统中应用较多的控制方法是。 15、步进电机步距角是指在一个脉冲作用下（即一拍）电动机转子转过的角位移，失调角是指转子轴上袈加一负载转矩时转子齿中心线与定子齿中心线所错过的电度角，最大静转矩是指失调角=正负90度。 16、按照校正装置在系统中的联接方法，可把校正分为有源校正和无源校正。 17、常用的执行元件是电气执行元件，其输入是电能，输出为机械能。 18、按刀具相对工件移动的轨迹分类，数控机床可分为点位控制数控机床、点位直线控
习题一答案 1-1、什么是机电一体化？ 机电一体化技术综合应用了机械技术、微电子技术、信息处理技术、自动控制技术、检测技术、电力电子技术、接口技术及系统总体技术等群体技术，在高质量、高精度、高可靠性、低能耗意义上实现多种技术功能复合的最佳功能价值的系统工程技术。 1-2、什么是机电一体化的变参数设计？ 在设计方案和结构原理不变的情况下，仅改变部分结构尺寸和性能参数，使之适用范围发生变化的设计方式。例如，同一种产品不同规格型号的相同设计。 1-3、机电一体化技术与传统机电技术的区别。 传统机电技术的操作控制主要以电磁学原理的各种电器来实现，如继电器、接触器等，在设计中不考虑或很少考虑彼此间的内在联系。机械本体和电气驱动界限分明，整个装置是刚性的，不涉及软件和计算机控制。机电一体化技术以计算机为控制中心，在设计过程中强调机械部件和电器部件间的相互作用和影响，整个装置在计算机控制下具有一定的智能性。 1-4、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。 1-5、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。 1-6、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。1-7、机电一体化系统（产品）开发的类型。
机电一体化复习提纲1.机械系统和微电子系统有机结合，从而产生新功能和新性能的新产品是 机电一体化产品。机电一体化系统的基本结构要素有机械本体、执行与驱动、检测传感器、信息处理、动力。机电一体化系统中的机械系统通常由由传动机构、支承与导向机构、执行机构与机架等组成。机电一体化系统的基本组成是能量流、物料流、信息流。机电一体化系统的信息特征（微型化、嵌入式、实时性、分布化）、动力特征（结构分散化、功能智能化）、结构特征（模块化、简单化、高刚度、高精度）。机电一体化的技术基础有机械设计与制造技术、微电子技术、传感器技术、软件技术、通信技术、驱动技术、自动控制技术、系统技术。 2.机电一体化对机械系统的基本要求是（快、准、稳）：快速响应、高精度、 良好的稳定性。为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，在设计中常提出无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比等要求。为达到上述要求，主要从a、采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件；b、缩短传动链，简化主传动系统的机械结构；c、提高传动与支撑刚度；d、选用最佳传动比，尽可能提高加速能力；e、缩小反向死区误差；f、改进支承及架体的结构设计以提高刚性、减少振动、降低噪声这几个方面采取措施。机电一体化系统中的机械系统通常由传动机构、支承与导向机构、执行机构与机架等几个部分组成。 3.机电一体化系统中的传动系统应满足足够的刚度、惯性小、阻尼适中等 性能要求。为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，在设计中需满足无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比，为达
到这些要求，主要采取①采用低摩擦阻力的传动部件和导向支撑部件②缩短传动链，简化传动系统的机械结构③提高传动与支撑刚度④选用最佳传动比，以达到提高系统分辨率、减少到执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能提高加速能力⑤缩小反向死区误差⑥改进支撑及架体的结构设计以提高刚性、减少震动、降低噪声。 4.滚珠丝杠螺母副中滚珠循环装置有外循环，内循环。滚珠丝杠支承方式 有单推-单推式、双推-双推式、双推-简支式、双推-自由式。具有最大刚度的的支承方式是双推-双推式。 5.滚珠丝杠螺母副中按照滚珠循环方式划分外循环，内循环。滚珠丝杠螺 母副中调整间隙和预紧的方法有垫片调整式（调整垫片来改变轴向力）、双螺母调节式（调整螺母来消除间隙或预紧）齿差调节式（左右螺母外端凸缘制成齿数差1的直齿圆柱齿轮）,原理是什么？滚珠丝杠副的安装方式有单推-单推式（轴向刚度较高、预紧力较大、轴承寿命比双推-双推式低）、双推-双推式（刚度最高、易造成预紧力不对称）、双推-简支式（轴向刚度不太高、预紧力小、轴承寿命较长、适用于中速、精度较高的长丝杠传动系统）、双推-自由式（轴向刚度和承载能力低、多用于轻载、低速的垂直安装丝杠传动系统），特点分别是什么？滚珠丝杠副的选择方法是结构的选择、结构尺寸的选择（公称直径和基本导出的选择）。 6.直齿圆柱齿轮侧隙的调整方法有中心距调整法、双片薄齿轮错齿调侧隙 法、轴向垫片调整法。要消除齿轮副间隙是因为侧隙会产生齿间冲击，影响传动平稳性、若出现在闭环系统中、则可能导致系统不稳定、使系统产生低频振荡，常用中心距调整法、双片薄齿轮错齿调侧隙法、轴向
运动控制系统 哈尔滨理工大学自动化学院主讲教师：许家忠
伺服电机及其驱动技术
伺服系统的发展 （1）直流伺服系统 ?伺服系统的发展经历了由液压到电气的过程。电 气伺服系统根据所驱动的电机类型分为直流（DC）伺服系统和交流（AC）伺服系统。50年代，无刷电机和直流电机实现了产品化，并在计算机外围 设备和机械设备上获得了广泛的应用。70年代则 是直流伺服电机的应用最为广泛的时代。 3
（2）交流伺服系统 ?从70年代后期到80年代初期，随着微处理器技术、大功率高性能半导体功率器件技术和电机永磁材料制造工艺的发展及其性能价格比的日益提高，交流伺服技术—交流伺服电机和交流伺服控制系统逐渐成为主导产品。交流伺服驱动技术已经成为工业领域实现自动化的基础技术之一，并将逐渐取代直流伺服系统。 4
（2）交流伺服系统 ?交流伺服系统按其采用的驱动电动机的类型来分，主要有两大类:永磁同步（SM型）电动机交流伺服系统和感应式异步（IM型）电动机交流伺服系统。其中，永磁同步电动机交流伺服系统在技术上已趋于完全成熟，具备了十分优良的低速性能，并可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要求。并且随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，其在工业生产自动化领域中的应用将越来越广泛，目前已成为交流伺服系统的主流。感应式异步电动机交流伺服系统由于感应式异步电动机结构坚固，制造容易，价格低廉，因而具有很好的发展前景，代表了将来伺服技术的方向。但由于该系统采用矢量变换控制，相对永磁同步电动机伺服系统来说控制比较复杂，而且电机低速运行时还存在着效率低，发热严重等有待克服的技术问题，目前并未得到普遍应用。 5
《机电一体化技术与系统》教学大纲 课程编码： 课程名称：机电一体化技术 学时/学分：32学时/1.5学分 先修课程：《机械原理》、《机械设计》、《电工学》、《可编程控制技术》、《液压与气压传动》。 适用专业：机械设计制造及其自动化 开课教研室：机电一体化教研室 一、课程性质与任务 1．课程性质：本课程属于机械设计制造及其自动化专业选修课程，强调知识结构系统性和教学体系完整性的统一，使学生对机电一体化技术有较全面的认识，比较系统地掌握机电一体化系统各元部件的选择、计算的基本理论和方法，初步具备机电一体化系统的设计能力。 2．课程任务：任务是使机械设计制造及自动化的学生在机电一体化技术方面具有较广泛的知识，了解机电一体化系统（产品）涉及的相关技术，重点掌握典型机电一体化系统构建、设计，使学生在今后的工作中具有综合应用多学科知识的能力。二、课程教学基本要求 1．要求掌握的基本知识 机电一体化的一般知识。机电一体化的组成，各部分的性能、特点。 2．要求掌握的基本理论和方法 交流逆变技术，位置检测技术，plc控制系统基本原理。常用电动机基本工作原理，交流伺服电机特点及其调速方法，机械部件与气液控制技术基本原理。 3．要求掌握的基本技能 一、能设计电气电路图（就是控制电机启停、正反转，星三角这样的），并能完成配线。二、能进行PLC编程，能设计PLC控制电路。三、能用AUTOCAD画机械零件图，并进行简单的机械设计。三、具有较强的自学能力，能看懂设备的说明书等。
4.考核方式以平时作业和期末考试相结合的方式进行。平时占30%左右，期末占70%左右。 三、课程教学内容 教学内容 1.第一章绪论 内容：机电一体化系统的意义；机电一体化系统设计工作的组织；机电一体化系统所代表产品的范围及分类；机电一体化系统设计的发展趋势。 2.第二章交流逆变技术 内容：熟悉电力电子器件，掌握整流电路的分析方法，熟悉PWM逆变原理。 重点：整流电路的分析方法。 难点：PWM逆变原理。 3.第三章位置检测技术 内容：熟悉包括行程开关、接近开关、光电开关检测开关原理及功能。 重点：在了解各种开关原理基础上会进行简单的设计。 难点：传感器接口技术，以及各传感器和plc输入模块连接。 4.第四章PLC控制系统 内容：PLC控制系统，系统组成与PLC结构，PLC的工作原理，PLC的规格与型号，PLC连接技术 重点：PLC连接技术，程序编制。 难点：PLC的应用与实践。 5.第五章伺服传动技术 内容：伺服系统的结构组成及分类，直流伺服系统结构和原理，直流伺服系统的稳态误差分析，直流伺服系统的动态校正，交流伺服系统的分类及应用。异步型交流电动机的变频调速的基本原理及特性，异步电动机变频调速系统。步进电动机的结构、工作原理及使用特点，环形分配器；功率驱动器的种类及其工作原理。 重点: 直流伺服电机特性和调速原理，直流伺服系统组成的基本原理，交流伺服电机特点及其调速方法，变频调速装置的基本原理。 难点：直流伺服电机特性和调速原理，交流伺服电机特点及其调速方法。 6.第六章机械传动与支承技术
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
填空题 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、和屏蔽技术、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。
单选题试题库( 200 题) 1. 直流电机的换向极绕组必须与电枢绕组( ) 。 A、串联 B、并联 C、垂直 D、磁通方向相反 2. 通常所说的486、586 微机，其中486、586的含义是( ) A、主存的大小 B、芯片的规格 C、硬盘的容量 D、主频 3. 直流电动机调速所用的斩波器主要起( ) 作用。 A、调电阻 B、调电流 C、调电抗 D、调电压 4. 一般工业控制微机不苛求( ) 。 A、用户界面良好 B、精度高 C、可靠性高 D、实时性 5. ( ) 不属于微机在工业生产中的应用。 A、智能仪表 B、自动售票 C、机床的生产控制 D、电机的启动、停止控制 6. ( )是指微机对生产过程中的有关参数进行控制。 A、启动控制 B、顺序控制 C、数值控制 D、参数控制 7. 液压传动中容易控制的是( ) 。 A、压力、方向和流量 B、泄漏、噪声 C、冲击、振动 D、温度 8. 液压传动的调压回路中起主要调压作用的液压元件是( ) 。 A、液压泵 B、换向阀 C、溢流泵 D、节流阀 9. 无刷直流电动机与一般直流电动机最大的优点区别是( ) 。 A、无滑动接触和换向火花，可靠性高以及无噪声 B、调速范围广 C、起动性能好D调速性能好 10. 微机调节机械运动位置属于微机应用中的( ) 。 A、数值计算 B、工业控制 C、事务处理 D、CAD 11. 异步电动机的极数越少，则转速越高，输出转矩( ) 。 A、增大 B、不变 C、越小 D、与转速无关 12. 计算机在电力传动的自动控制，一般分为( )。 A、生产管理级和过程控制级 B、单机控制和多机控制
C、直控级和监控级 D、管理级和监控级 13. 液压泵的吸油高度一般应大于( )mm 。 A、50 B、500 C、30 D、300 14. 微机没有( )的特点。 A、可以代替人的脑力劳动 B、价格便宜C可靠性高D、高速度的运算 15. 电梯轿厢额定载重量为800kg, 一般情况下轿厢可乘( )人应为满载。 A、10 B、5 C、8 D、15 16. 开环自动控制系统在出现偏差时，系统将( ) 。 A、不能消除偏差 B、完全能消除偏差 C、能消除偏差的三分之一 D、能消除偏差的二分之一 17. 关于计算机的特点，( )是论述的错误。 A、运算速度高 B、具有记忆和逻辑判断功能 C、运算精度高D运行过程不能自动、连续，需人工干预 18. 调速系统的调速范围和静差率这两个指标( ) 。 A、互不相关 B、相互制约 C、相互补充 D、相互平等 19. 电力场效应管MOSFE是理想的()控制器件。 A、电压 B、电流 C、电阻 D、功率 20. 计算机之所以能实现自动连续运算，是由于采用了( )。 A、布尔逻辑 B、存储程序 C、数字电路 D、集成电路 21. 一个完整的计算机系统包括( )。 A、计算机及其外围设备 B、主机、键盘及显示器 C、软件系统和硬件系统 D、模拟电路部分和数字电路部分 22. 微机中的中央处理器包括控制器和( ) 。 A、ROM B RAM C存储器D、运算器 23. 发电机——电动机组调速系统是一种典型的( )调速自控系统。 A、开环 B、半闭环 C、单闭环 D、全闭环 24. 电力晶体管GTF内部电流是由()形成的。 A、电子 B、空穴 C、电子和空穴 D、有电子但无空穴 25. 微机的核心是( ) 。
交流伺服电机的工作原理 伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。 4. 什么是伺服电机？有几种类型？工作特点是什么？ 答：伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降， 请问交流伺服电机和无刷直流伺服电机在功能上有什么区别？ 答：交流伺服要好一些，因为是正弦波控制，转矩脉动小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比较简单，便宜。 永磁交流伺服电动机 20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。90年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点有： ⑴无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。 ⑵定子绕组散热比较方便。 ⑶惯量小，易于提高系统的快速性。 ⑷适应于高速大力矩工作状态。 ⑸同功率下有较小的体积和重量。 自从德国MANNESMANN的Rexroth公司的Indramat分部在1978年汉诺威贸易博览会上正式推出MAC永磁交流伺服电动机和驱动系统，这标志着此种新一代交流伺服技术已进入实用化阶段。到20世纪80年代中后期，各公司都已有完整的系列产品。整个伺服装置市场都转向了交流系统。早期的模拟系统在诸如零漂、抗干扰、可靠性、精度和柔性等方面存在不足，尚不能完全满足运动控制的要求，近年来随着微处理器、新型数字信号处理器（DSP 到目前为止，高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机，控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。典型生产厂家如德国西门子、美国科尔摩根和日本松下及安川等公司。 日本安川电机制作所推出的小型交流伺服电动机和驱动器，其中D系列适用于数控机床（最高转速为1000 r/min，力矩为0.25～2.8N.m），R系列适用于机器人（最高转速为3000r/min，力矩为0.016～0.16N.m）。之后又推出M、F、S、H、C、G 六个系列。20世纪90年代先后推出了新的D系列和R系列。由旧系列矩形波驱动、8051单片机控制改为正弦波驱动、80C、154CPU和门阵列芯片控制，力矩波动由24％降低到7％，并提高了可靠性。这样，只用了几年时间形成了八个系列（功率范围为0.05～6kW）较完整的体系，满足
《机电一体化系统》复习题集参考教材：梁景凯编《机电一体化技术与系统》 汤定德 （机电教研室） 江西科技学院机械工程学院 2013年12月 1
第一章绪论 1、什么是机电一体化？ 机电一体化技术综合应用了机械技术、微电子技术、信息处理技术、自动控制技术、检测技术、电力电子技术、接口技术及系统总体技术等群体技术，在高质量、高精度、高可靠性、低能耗意义上实现多种技术功能复合的最佳功能价值的系统工程技术。 2、机电一体化技术与传统机电技术的区别。 传统机电技术的操作控制主要以电磁学原理的各种电器来实现，如继电器、接触器等，在设计中不考虑或很少考虑彼此间的内在联系。机械本体和电气驱动界限分明，整个装置是刚性的，不涉及软件和计算机控制。 机电一体化技术以计算机为控制中心，在设计过程中强调机械部件和电器部件间的相互作用和影响，整个装置在计算机控制下具有一定的智能性。 3、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。 4、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。 5、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。 6、机电一体化的智能化趋势体现在哪些方面。 （1）诊断过程的智能化、（2）人一机接口的智能化、（3）自动编程的智能化、（4）加工过程的智能化 7、机电一体化的发展趋势体现在哪些方面。 高性能、智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展 8、机电一体化系统中的接口的作用。 接口主要完成电平转换、信号隔离、放大、滤波、速度匹配等 9、试分析机电一体化系统设计与传统的机电产品设计的区别。 机电一体化系统设计方法与用经验公式、图表和手册为设计依据的传统方法不同，它是以计算机为手段，其设计步骤通常如下：设计预测一→信号分析一→科学类比一→系统分析设计一→创造设计一→选择各种具体的现代设计方法（如相似设计法、模拟设计法、有限元法、可靠性设计法、动态分析法、优化设计法、模糊设计法等）一→机电一体化系统设计质量的综合评价 10、机电一体化技术与自动控制技术的区别。 自动控制技术的侧重点是讨论控制原理、控制规律、分析方法和自动控制系统的构造等。机电一体化技术是将自动控制原理及方法作为重要支撑技术，将自控部件作为重要控制部件。它应用自控原理和方法，对机电一体化装置进行系统分析和性能测算。 11、机电一体化技术与计算机应用技术的区别。 机电一体化技术只是将计算机作为核心部件应用，目的是提高和改善系统性能。计算机在机电一体化系统中的应用仅仅是计算机应用技术中一部分，它还可以作为办公、管理及图象处理等广泛应用。机电一体化技术研究的是机电一体化系统，而不是计算机应用本身。 12、如何保证机电一体化系统的高性能？ 高性能化一般包含高速化、高精度、高效率和高可靠性。
习题六答案 1、什么是伺服控制？为什么机电一体化系统的运动控制往往是伺服控制？ 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. 机电一体化的伺服控制系统的结构、类型繁多，但从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等五部分。 2、机电一体化系统的伺服驱动有哪几种形式?各有什么特点？ （1）、按被控量参数特性分类 按被控量不同，机电一体化系统可分为位移、速度、力矩等各种伺服系统。其它系统还有温度、湿度、磁场、光等各种参数的伺服系统 （2）、按驱动元件的类型分类 按驱动元件的不同可分为电气伺服系统、液压伺服系统、气动伺服系统。电气伺服系统根据电机类型的不同又可分为直流伺服系统、交流伺服系统和步进电机控制伺服系统。 （3）、按控制原理分类 按自动控制原理，伺服系统又可分为开环控制伺服系统、闭环控制伺服系统和半闭环控制伺服系统。 3、机电一体化对伺服系统的技术要求是什么？ 机电一体化伺服系统要求具有精度高、响应速度快、稳定性好、负载能力强和工作频率范围大等基本要求，同时还要求体积小、重量轻、可靠性高和成本低等。 4、试分析直流伺服电机的结构与工作原理。 直流伺服电动机主要由磁极、电枢、电刷及换向片结构组成（如图6-3所示）。其中磁极在工作中固定不动，故又称定子。定子磁极用于产生磁场。在永磁式直流伺服电动机中，磁极采用永磁材料制成，充磁后即可产生恒定磁场。在他励式直流伺服电动机中，磁极由冲压硅钢片叠成，外绕线圈，靠外加励磁电流才能产生磁场。电枢是直流伺服电动机中的转动部分，故又称转子，它由硅钢片叠成，表面嵌有线圈，通过电刷和换向片与外加电枢电源相连。
机电一体化系统分析 ————数控机床 班级： 学号： 姓名： 鉴于这个学期正在上数控机床这门课程，所以选择数控机床的机电一体化系统来进行分析。
数字控制技术是从金属切削机床数控的基础上发展起来的。自1952年由美国帕森斯公司与麻省理工学院机构实验室研制成功世界上第一台三坐标数控铣床以来，数控机床经历了硬件数控（NC）、计算机数控（CNC）、多机台计算机直接群控（DNC）和微机数控（MNC）五个发展阶段，形成了门类齐全、品种繁多的数控机床，如数控车床、铣床、钻床、磨床和加工中心等。 一数控机床的原理 数控机床加工零件时，是将被加工零件的工艺过程、工艺参数等用数控语言编制成加工程序，这些程序是数控机床的工作指令。将加工程序输入到数控装置，再由数控装置控制机床主运动的变速、起停，进给运动的方向、速度和位移量，以及其它辅助装置严格地按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数进行工作，从而加工出符合要求的零件。为了提高加工精度，一般还装有位置检测反馈回路，这样就构成了闭环控制系统，其加工过程原理如下图所示。 数控机床工作过程原理图 二数控机床的组成 从工作原理可以看出，数控机床主要由控制介质、数控装置、伺服检测系统和机床本体等四部分组成，其组成框图如下图所示。 ①控制介质。用于记载各种加工信息（如零件加工的工艺过程、工 艺参数和位移数据等），以控制机床的运动，实现零件的机械加工。常用 的控制介质有磁带、磁盘和光盘等。控制介质上记载的加工信息经输入 装置输送给数控装置。常用的输入装置有磁盘驱动器和光盘驱动器等， 对于用微处理机控制的数控机床，也用操作面板上的按钮和键盘将加工 程序直接用键盘输入，并在CRT显示器显示。 ②数控装置。数控装置是数控机床的核心，它的功能是接受输入装 置输送给的加工信息，经过数控装置的系统软件或电路进行译码、运算 和逻辑处理后，发出相应的脉冲指令送给伺服系统，通过伺服系统控制 机床的各个运动部件按规定要求动作。
第二部分各章作业答案 第一章绪论 1、机电一体化的基本概念和涵义是什么？机电一体化的英文名词如何拼合？(P1) 【参考答案】机电一体化是从系统的观点出发，将机械技术、微电子技术、信息技术、控制技术等在系统工程基础上有机地加以综合，实现整个机械系统最佳化而建立起来的一门新的科学技术。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。 2、机电一体化的发展趋势包括哪几个方面？(P2) 【参考答案】机电一体化的发展趋势可概况为以下三个方面：(4-3-2) ( 1)性能上，向高精度、高效率、高性能、智能化的方向发展； ( 2 )功能上，向小型化、轻型化、多功能方向发展； ( 3)层次上，向系统化、复合集成化的方向发展。 3、一个较完善的机电一体化系统包括哪几个基本要素？其核心部分是什么？( P4-P5) 【参考答案】一个较完善的机电一体化系统应包括以下几个基本要素：机械本体、动力部分、检测部分、执行机构、控制器和接口。其核心部分是控制器。 4、什么是接口？接口的功能有哪些？(P5) 【参考答案】为实现各子系统或要素之间物质、能量或信息交换而进行的连接就是接口。接口的基本功能有交换、放大、传递。 5、机电一体化的相关技术有哪些？(P2-P4) 【参考答案】机械技术、检测传感技术、信息处理技术、自动控制技术、伺服传动技术、系统总体技术。第二章机械传动与支承技术 1、熟练掌握以数控机床进给传动为例说明机械传动系统建模的步骤、方法。重点在传动惯量折算的推导过程。(P13-P15) 【举例说明】在图1 所示的数控机床进给传动系统中，电动机通过两级减速齿轮Z1、Z2、Z3、Z4及丝杠螺母副驱动工作台作直线运动。设J l 为轴I 部件和电动机转子构成的转动惯量；J 2、J 3为轴Ⅱ、Ⅲ部件构成的转动惯量；K1、K2、K3分别为轴I 、Ⅱ、Ⅲ的扭转刚度系数；K为丝杠螺母副及螺母底座部分的轴向刚度系数；m 为工作台质量；C 为工作台导轨粘性阻尼系数：T1、T2、T3分别为轴I 、Ⅱ、Ⅲ的输入转矩。求系统各环节的转动惯量(或质量)折算到轴I 上的总等效转动惯量J 。
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 4000E2多工位加工系统单元结构图如图 4-3 所示。 （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
第6章伺服系统设计 6.1概述 6.1.1伺服系统的基本结构 在机电一体化控制系统中，把输出量能够以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统称为伺服系统，亦称随动系统。它用来控制被控对象的转角（或位移），使其能自动地、连续地、精确地复现输入指令的变化规律。数控机床的伺服系统是指机床移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。伺服系统的结构类型繁多，其组成和工作状况也不尽相同。一般来说，其基本组成可包含控制器、功率放大器、执行机构和检测装置等四大部分，如图6.1所示。 图6.1伺服系统的组成 (1)控制器 控制器的主要任务是根据输入信号和反馈信号决定控制策略。常用的控制算法有PD（比例+微分）、PI（比例+积分）、PID（比例+积分+微分）控制以及根据系统要求所设计的最优控制等。控制器通常由电子线路或计算机组成。 2.功率放大器 伺服系统中的功率放大器的作用是将信号进行放大，并用来驱动执行机构完成某种操作。在现代机电一体化系统中的功率放大装置，主要用各种电力电子器件组成。 3.执行机构 执行机构主要由伺服电动机或液压伺服机构和机械传动装置等组成。目前，采用电动机作为驱动元件的执行机构占据较大的比例。伺服电动机包括步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机等。 4.检测装置 检测装置的任务是测量被控制量（即输出量），实现反馈控制。伺服传动系统中，用来检测位置量的检测装置有：自整角机、旋转变压器、光电码盘等；用来检测速度信号的检测装置有：测速发电机、光电码盘等。检测装置的精度是至关重要的，无论采用何种控制方案，系统的控制精度总是低于检测装置的精度。 伺服系统的种类很多，按其组成元件性质划分，有全部由电气元件组成的电气伺服系统，有电气元件与液压（或气动）元件组合的电气-液压（气动）伺服系统。电气伺服系统又包括直流伺服系统、交流伺服系统和步进伺服系统。按控制方式划分，可分为开环伺服系统、闭环伺服系统以及由开环与闭环组合的复合伺服控制系统。 开环伺服系统结构较为简单，技术容易掌握，调试、维护方便，工作可靠，成本低。缺点是精度低、抗干扰能力差。一般用于精度、速度要求不高，成本要求低的机电一体化系统。闭环代伺服系统采用反馈控制原理组成系统，它具有精度高、调速范围宽、动态性能好等优点。缺点是系统结构复杂、成本高等。一般用于要求高精度、高速度的机电一体化系统。
形考一 1滚珠丝杆机构不能自锁。T 2转动惯量大不会对机电一体化系统造成不良影响。F 3谐波齿轮减速器输入转速一般从刚轮输入。F 4直线运动导轨是用来支承和引导运动部件按给定的方向作往复直线运动。T 5在机电一体化系统中，通过增大执行装置的固有频率可有效提高系统的稳定性。T 6在机电一体化系统中，通过提高系统的阻尼能力可有效提高系统的稳定性。T 7在机电一体化系统中，通过消除传动系统的回程误差可有效提高系统的稳定性。T 8在机电一体化系统中，通过提高驱动元件的驱动力可有效提高系统的稳定性。F 9在机电一体化系统中，通过减小机构的传动误差可有效提高系统的稳定性。F 二、选择题（每个5分，共30分） 10机电一体化系统的基本功能要素之一：接口的基本功能是（）。 A. 交换 B. 放大 C. 传递 D. 以上三者 11机电一体化系统的核心是（）。 A. 控制器 B. 接口 C. 动力部分 D. 执行机构 12机电一体化系统中，根据控制信息和指令完成所要求的动作这一功能的是（）。 A. 执行机构 B. 控制器 C. 机械本体 D. 动力部分 13（）不是机电一体化产品。 A. 空调机 B. 打字机 C. 现代汽车 D. 复印机 14（）装置是电机一体化系统的感觉器官，它可以从待测对象那里获取能反应待测对象特性和状态的信息。 A. 驱动 B. 执行 C. 传感检测 D. 自动控制 15 Mechatronics是两个不同学科领域名称的组合，这两个不同的学科是（）。 A. 机械学与自动化技术 B. 机械学与电子学 C. 机械学与信息技术 D. 机械学与计算机 16机电一体化系统（产品）设计方案的常用方法无（）。
多选题试题库（200 题） 1、PWM 脉宽控制的核心是（） A. 开关放大器 B. 脉宽调制器 C. 脉冲发生器 D. 逆变电路 2、对于步进电动机的选型，应该考虑三个方面的问题，分别是（） A. 步距角要满足进给系统脉冲当量的要求 B. 最大静转矩满足进给传动系统空载快速启动要求 C. 最大启动频率应低于允许的最大启动频率 D. 最大运行频率应低于允许的最大启动频率 3、交流伺服电动机的控制方式有（） A. 幅值控制 B. 相位控制 C. 幅相控制 D. 相频控制 4、直流电动机调速的方法有（） A. G-M 调速系统 B. V-M 调速系统 C. PWM调速系统
D. SPWM调速系统 5、目前步进电动机有三种类型可以选择（） A. 反应式 B. 永磁式 C. 混合式 D. 逆变式 6、交流电动机调速的方法有（） A. 串电阻调速 B. 调压调速 C. 变频调速 D. 变极对数调速 7、三相步进电机很少采用三相单三拍和双三拍通电方式的原因是（） A. 三相单三拍存在三相都不通电情况，三相双三拍存在三相都通电情况 B. 两种情况步距角都为三相六拍的2倍； C. 三相xx工作比较平稳； D. 三相双三拍步距角很小； 8、设计模拟输入通道的组成有（） A. 多路开关 B. 放大器 C. 采样/保持器
D. 单片机 9、晶闸管导通条件是（）。 A. x x 与阴极之间加正向电压 B. x x与阴极之间加反向电压 C控制极与阴极之间加正向电压 D.控制极与阴极之间加反向电压 10、放大电路的三种组态是（）。 A. 共发射极放大 B. 共集电极放大 C. 集成运放 D. 共基极放大 11、属于脉宽调制方式的变频器有（） A. ．PWM B. SPWM C. 电流跟踪型PWM D. PAM 12、所谓系统总线，指的是（） A. .数据总线 B. 地址总线 C. 控制总线 D. 传输总线