机电一体化设计基础

——《机电一体化设计基础》——课后习题及知识点整理考试大纲1．考试的目的与作用；机电一体化系统设计是机械设计制造及其自动化专业的一门专业课。

学生的考试成绩是对其学习水平评价的重要因素之一，通过复习考试，可以巩固学生所学机电一体化系统设计的基本理论，加深对机电一体化系统各组成部分的结构以及设计方法的认识；教师通过考试可以考核学生对所学知识点的掌握程度，找出共性问题；另外，通过考试还可以检查教学效果，为今后进一步提高机电一体化系统设计课程的教学质量，促进课程建设提供重要的参考依据。

2．考核内容与考核目标；理解机电一体化系统中各结构要素在系统中的作用和相互关系。

了解机电一体化系统的设计方法。

了解机电一体化系统中常用传感器、传动机构、动力驱动装置和计算机控制系统种类和特点。

掌握机电一体化系统中机械、传感检测、伺服驱动、控制等基本结构要素的技术特点，掌握典型装置的技术原理和使用方法。

了解典型机电一体化产品的构成、特点和设计方法，学会设计简单的机电一体化产品。

3．主要参考书；刘武发等编，机电一体化设计基础，化学工业出版社，2007张建民等编著. 机电一体化系统设计（第三版）.高等教育出版社，2007.74．课程考试内容与教材的关系；根据教学大纲选用教材，根据大纲要求确定考核内容。

5．分章节的考核知识点；第1章绪论机电一体化的定义，机电一体化的基本结构要素，机电一体化的相关的关键技术。

第2章机电一体化系统设计基础机电一体化设计流程，产品的设计过程，调试过程，接口设计和可靠性设计。

第3章典型机电一体化产品规划和概念设计。

数控机床的概念设计。

第4章机电一体化系统中的机械系统设计机械设计特点，齿轮传动比的确定方法与分配方法，调整齿轮侧隙的措施；谐波齿轮传动、同步带传动的结构、特点及传动比的计算，联轴器选择；滚珠丝杠副的选则预紧计算；滚动导轨、塑料导轨的特点及选用；支承机构的特点。

第5章机电一体化中的检测系统设计传感器的组成、分类和性能指标，各种传感器的基本原理及应用特点。

机电一体化系统设计基础课程教学大纲第一部分大纲说明一、课程的性质、作用和任务机电一体化系统设计基础是机械设计制造及其自动化专业学生必修的一门专业课，其内容由机电一体化的基本概念，机电产品设计的工程路线，机电一体化系统中的基本要素，机电产品综合设计等四个部分组成。

本课程的作用和任务是：通过本课程的学习，使学生建立机电产品的一体化设计思想，把所学的电工学、传感器技术，自动控制技术、计算机技术和机械设计理论有机地结合起来，了解各项技术的相互接口关系，并能运用所学的知识对机电一体化产品进行分析或设计简单的机电一体化产品。

使学生具有解决实际生产过程中机电设备的维修、运行管理、改造等实际问题的初步能力。

二、本课程与相关课程的关系本课程安排在所有必修课程修完后进行，学生应具有机械设计、液压气动、传感器、机电控制与控制工程基础方面的知识。

三、课程的教学基本要求1．通过机电一体化基本概念的学习，理解机电一体化系统中各个结构要素在系统中的作用和它们之间的相互关系，初步建立机电产品的系统化设计思想。

2．熟悉机电一体化产品的设计方法和工程路线，能够针对具体的机电一体化产品确定开发工程路线。

3．了解机电一体化系统中的常用传动机构，常用动力驱动装置，常用计算机控制系统和常用传感器的种类和特点。

4．掌握对机电一体化系统中机械、动力、控制、传感检测等四个基本结构要素的技术特点，掌握这些结构要素中典型结构装置的特点和使用方法，如齿轮传动比的选择原则，直流力矩电机和步进电机伺服控制的特点，典型位置传感器（电位计、光电编码器）的特点及选择原则，STD工业控制总线的特点和主要应用形式等。

5．了解典型机电一体化产品的构成、特点和设计方法，学会设计简单的机电一体化产品。

四、教学方法和教学形式建议本课程属于综合应用型课程，涉及面宽。

教学形式建议包括电视录像授课，自学及面授辅导等形式，其中，电视授课以讲授重点、难点和应用实例分析为主。

五、课程的教学要求层次教学要求中，内容按“了解、熟悉、掌握”三个基本层次要求。

机电一体化设计基础课程设计一、前言随着科技的发展，机电一体化技术逐渐成为了现代工业生产的重要组成部分。

而机电一体化设计作为机电一体化技术的核心，尤其是在工业制造领域具有广泛的应用前景。

为此，设计工程教育不断加强对机电一体化设计的教育培养，而本次的机电一体化设计基础课程设计就是为此而产生的。

二、课程目标本次机电一体化设计基础课程设计的主要目标是：让学生能够了解机电一体化设计的概念和基础知识，能够掌握机电一体化设计的理论和实践基础，以及能够运用所学知识进行机电一体化设计的实践能力。

三、课程内容本次机电一体化设计基础课程设计的主要内容涵盖以下方面：1.机电一体化概述•机电一体化技术发展历程•机电一体化概念与定义•机电一体化技术的应用领域2.机电一体化设计基础•机械设计基础知识•电气基础知识•自动控制基础知识3.机电一体化设计方法•机电一体化设计流程•功能分析•模块化设计•参数选定与计算•三维建模和数字化仿真4.机电一体化实践•物理实验：制作机械装置原型，并进行调试和优化•软件实验：使用CAD软件进行3D建模和数字化仿真•项目实践：围绕特定场景进行机电一体化设计四、课程设计案例以下是一个简单的针对学生进行机电一体化设计基础培养的课程设计案例：课程设计名称：自动售货机的机电一体化设计课程设计概述：在本课程设计中，我们将拟定一个自动售货机的项目计划，通过对自动售货机的需求分析、结构分析、参数计算以及模块化设计等过程的学习，最终完成一个具有实用价值的自动售货机模型。

课程设计流程：1.理解自动售货机的本质需求和基本原理，制定设计要求和任务。

2.进行需求分析，确定自动售货机的整体结构和各模块之间的关系。

3.进行功能分析，确定自动售货机所需功能模块。

4.进行模块化设计，对各功能模块进行设计和计算，确定模块参数和接口规范。

5.进行数字化建模和自动控制仿真，对模型进行验证和优化。

6.制作自动售货机的装置原型，并进行调试和测试。

《机电一体化设计基础》一、选择1.采用脉宽调制（PWM）进行直流电机调速驱动，通过改变（）来改变电枢回路的平均电压，从而实现直流电机的平滑调速。

A.脉冲宽度B.脉冲的频率C.脉冲的正负D.其他参数2.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.其他3.含有微处理器，可进行程序编制或适应条件变化的接口是（）。

A.零接口B.被动接口C.主动接口D.智能接口4.喷漆机器人中的手部属于系统中的（）。

A.能源部分B.测试传感器部分C.驱动部分D.执行机构5.通常，数控精密机床等设备，其私服系统的控制方式均采用（）。

A.开环控制B.闭环控制C.半闭环控制D.混合控制6.数控机床进给系统的伺服电机属于（）。

A.能源部分B.测试传感器部分C.驱动部分D.执行机构7.下列哪个是传感器的动特性（）。

A.量程B.线性度C.灵敏度D.幅频特性8.在开环控制系统中，常采用（）作为驱动原件。

A.直流伺服电机B.步进电机C.同步交流伺服电机D.异步交流伺服电机9.一下除了（），均是由硬件和软件组成。

A.计算机控制系统B.PLC控制系统C.嵌入式系统D.继电器控制系统10.以下抑制电磁干扰的措施，除了（），其余都是从切断传播途径入手.A.屏蔽B.隔离C.滤波D.软件抗干扰11.以下产品不属于机电一体化产品的是（）。

A.工业机器人B.电子计算机C.空调D.复印机12.多级齿轮传动中，各级传动比相等的分配原则适用于按（）设计的传动链。

A.最小等效转动惯量原则B.输出轴的转角误差最小原则C.重量最轻原则（小功率装置）D.重量最轻原则（大功率装置）13.检测环节能够对输出进行测量，并转换成比较环节所需要的量纲，一般包括传感器和（）。

A.控制电路B.转换电路C.放大电路D.逆变电路14.光栅传感器的光栅是在一块长条形的光学玻璃上密集等距平行的刻线，刻线数为100线/mm。

经过四倍细分后，计数脉冲为400，光栅位移是（）mm。

机电创新设计的基础知识机电创新设计是指在机电一体化领域进行创新设计的活动。

机电一体化技术是现代工业领域的重要技术之一，通过将机械设计与电气控制相结合，实现机械和电气设备的高度集成，提高产品的性能和效率，促进工业自动化的发展。

机电一体化的设计需要掌握一些基础知识，下面我们来介绍一下：1. 机械设计基础知识机械设计是机电一体化设计的基础，需要掌握刚体力学、材料力学、热力学等基本知识。

刚体力学是机械设计的基石，包括力的分析、物体运动学和动力学等内容。

材料力学是机械设计中考虑到材料的物理性质和受力情况，以便设计出合理的结构。

热力学则是考虑到能量转化和热效率等问题，确保机械系统的正常运行。

2. 电气工程基础知识机电一体化中的电气部分需要掌握电路基础知识、电子元器件和电气设备的原理和应用。

电路基础知识包括电流、电压、电阻等基本概念，掌握电路图的绘制和电路分析的方法。

电子元器件是机电一体化中重要的部分，包括电阻、电容、电感等被广泛应用于电路中的元器件。

此外，掌握电气设备的原理和应用也是机电一体化设计的必备知识。

3. 控制工程基础知识控制工程是机电一体化中非常重要的组成部分，需要掌握闭环控制系统、传感器和执行器的原理和应用。

闭环控制系统是指通过反馈控制的方式，根据被控对象的输出信号来调整输入信号，实现对被控对象的控制。

传感器和执行器是控制系统的重要组成部分，传感器用来感知环境信息，将其转换为电信号，供控制器使用；执行器则根据控制器的指令，将电信号转换为机械运动或动作。

4. 机电一体化技术机电一体化技术主要包括机械系统设计、电气控制系统设计和信息处理系统设计等方面。

机械系统设计要考虑到机械元件的选型和设计，确保机械系统的结构和性能满足要求。

电气控制系统设计则需要考虑到传感器、执行器的选择和布置，电路的设计和控制算法的编写。

信息处理系统设计则是将机械系统和电气控制系统连接起来，实现数据的采集、传输和处理。

机电创新设计旨在通过创新的思维和技术手段，设计出更加高效、智能的机电一体化产品和系统。

机电一体化系统设计重点知识总结1.机械结构设计：机械结构设计是机电一体化系统设计的基础，包括选取适合的机械元件、确定机械传动方式、计算机械矩阵等。

设计过程中要考虑系统所需的载荷、精度和稳定性等要求，确保机械结构能够满足系统的工作需求。

2.电气控制系统设计：电气控制系统设计是机电一体化系统实现自动化的关键。

涉及到电气元件的选取和组成电路的设计，包括传感器、执行器、计算机等的选择和配置。

在设计过程中要考虑电气元件的可靠性、安全性和稳定性，确保电气控制系统能够准确地感知和响应外界信号，并控制机械结构的运动。

3.信号处理和数据分析：机电一体化系统通常需要感知外界的信号来进行相应的控制。

设计人员需要了解信号采集、处理和分析的方法，以便正确地提取有用的信息。

常用的信号处理方法包括滤波、谱分析、数字滤波等。

数据分析方面，则需要掌握统计学和数学建模的知识，以便从海量数据中提取出有用的信息。

4.控制算法设计：机电一体化系统的控制算法设计直接影响系统的性能和精度。

设计人员需要了解各种控制算法的原理和特点，包括PID控制、自适应控制、模糊控制等。

在选择和应用控制算法时，需要综合考虑系统的动态特性、鲁棒性和响应速度等因素。

5. 系统集成和仿真：机电一体化系统设计需要将机械结构、电气控制系统和算法等各个方面进行整合。

设计人员需要掌握系统集成的方法和技术，确保各个组件之间能够协调工作。

同时，还需要进行系统仿真，以验证系统设计的正确性和优化性能。

常用的仿真软件包括MATLAB/Simulink、LabVIEW等。

6.故障诊断与维修：机电一体化系统设计后，需要对系统进行故障诊断和维修。

设计人员需要掌握故障诊断的方法和技术，包括故障判断、故障位置定位和故障修复等。

同时，还需要了解常见故障的原因和解决方法，以提高系统的稳定性和可靠性。

7.具体应用领域的需求：机电一体化系统的设计还要结合具体的应用领域需求进行。

例如，在自动化生产线上，需要考虑高速、高精度、高稳定性等因素；在机器人应用中，则需要考虑运动规划、路径规划和碰撞检测等问题。

2：莫尔条纹具有放大作用。

（对）正确错误5：S/H电路中缓冲器的输入阻抗很大，可以不加入缓冲跟随器。

（对）正确错误6：为剔除因开关抖动引起的读取错误，通常有硬件去抖和软件去抖两种方法。

（对）正确错误9：有几路模拟量同步输出时，DAC 0832就可采用单缓冲方式。

（错）正确错误11：机电一体化系统基本功能元实施的要点是同一种功能只能用相同的技术效应来实现，选出最佳的功能元实施原理方案。

（错）正确错误14：莫尔条纹具有使栅距的节距误差平均化的特点。

（对）正确错误16：传感器的作用是将各种非电物理量信号转化为电量信号输出。

（对）正确错误17：软件去抖的延时时间应小于抖动时间。

（错）正确错误19：步进电机转角与数字脉冲成比例，可构成直接数字控制。

（对）正确错误20：所谓单缓冲方式就是使DAC 0832的两个输入寄存器中有一个处于直通方式，而另一个处于受控的锁存方式，或者说两个输入寄存器同时受控的方式。

（对）正确错误21：D/A转换器的位数愈多精度愈高，其转换的时间愈长。

（对）正确错误22：齿轮传动主要用来传递转矩和转速。

（对）正确错误23：直流伺服电机有电枢控制调速、磁场控制调速和混合调速。

（对）正确错误25：在机电产品中若有检测元件，则该产品的控制系统一定是闭环的。

（错）正确错误26：D/A转换器的分辨率是指转换器能够转换的二进制数的位数。

（错）正确错误1：伺服系统在控制信号传递路线上，以传感器作为接口。

（√）正确错误2：滚珠丝杠传动的特点是传动效率高、运动具有可逆性、传动精度高、磨损小，使用寿命长、不能自锁。

（×）正确错误3：步进电机是将电脉冲信号转变为直线位移的电气执行元件。

（√）正确错误4：大的刚度可增大机构固有频率，不易产生共振，增加伺服系统的稳定性。

（√）正确错误5：机电产品结构方案设计时遵循传动链最短原则的好处是使传动精度高，而传动性能稳定性降低。

（√）正确错误6：滚珠丝杠传动中，当丝杠改变转动方向时，间隙会使运动产生空程，从而影响机构的传动度。

机电一体化设计基础知识点机电一体化设计是指将机械、电子、自动控制等多学科的知识相互结合，以实现设备或产品的综合性能，提高其可靠性、智能化和自动化程度。

在实际的机电一体化设计中，有一些重要的基础知识点需要掌握。

本文将介绍这些基础知识点，帮助读者对机电一体化设计有更深入的了解。

一、机电一体化设计的基本原理机电一体化设计的基本原理包括以下几个方面：1. 目标和需求分析：确定机电产品或设备的功能需求，如性能、使用环境、可靠性等，将其转化为设计要求。

2. 系统建模与仿真：将机械、电子、控制等系统进行建模，利用仿真软件进行模拟分析，验证设计方案的合理性。

3. 设计优化：通过对不同设计方案的比较和优化，找到最佳的解决方案，满足设计要求。

4. 集成与调试：将各个子系统进行集成，并进行功能测试和调试，确保整个设备或产品的正常工作。

二、机电一体化设计中的关键技术在机电一体化设计中，有一些关键技术需要掌握，包括：1. 机械设计：机械设计是机电一体化设计的基础，包括结构设计、运动学和动力学分析、机构设计等。

2. 电子设计：电子设计包括电路设计、电路板布局与绘制、元器件选型等，主要用于实现对机械系统的控制与监测。

3. 控制系统设计：控制系统设计包括信号处理、控制算法设计、控制器选择等，在机电一体化设计中起到至关重要的作用。

4. 传感器与执行器选型：传感器和执行器在机电一体化设计中起到连接机械和电子系统的关键作用，选型合适的传感器和执行器能够有效提高系统性能。

5. 通信和网络技术：通信和网络技术使机电系统能够实现远程监测与控制，提高系统的可靠性和智能化程度。

三、机电一体化设计的应用领域机电一体化设计广泛应用于各个领域，包括制造业、航空航天、交通运输、医疗设备等。

以下是一些典型的应用案例：1. 制造业：在制造业中，机电一体化设计可以使生产线实现自动化、智能化，提高生产效率和产品质量。

2. 航空航天：航空航天领域对机电一体化设计的要求非常高，需要实现对飞行器的全面控制和监测。

第一章机电一体化技术导论本章导读：机电一体化作为一门新型的综合性学科，涉及的知识领域非常广泛。

本章首先介绍机电一体化的概念、发展过程及其与机械电气化的根本区别，进而阐释其内涵和本质，并通过典型实例归纳出其优越性。

其次通过机电一体化系统与人体各部位相对比，剖析系统的构成，从而指出分析机电一体化系统的基本途径；第三，重点介绍机电一体化的理论基础与关键技术，明确系统论、信息论、控制论是机电一体化技术的理论基础和方法论。

提出发展机电一体化技术所面临的共性关键技术，并分析它们在系统中所起的作用及其发展对机电一体化技术的影响等。

最后，通过回顾机电一体化技术的发展历程，展望机电一体化的主要发展方向和趋势。

学习内容与要求：1. 学习并掌握机电一体化的基本概念内涵和本质；2. 了解机电一体化产品的分类；3. 学习并理解机电一体化系统的基本组成；4. 学习并熟练掌握机电一体化的理论基础与关键技术；5. 了解机电一体化的发展状况和发展趋势。

本章重点：1. 机电一体化的基本概念内涵和本质；2. 机电一体化的理论基础与关键技术。

本章难点：机电一体化的理论基础与关键技术媒体使用说明：学生可通过文字教材理解机电一体化学科的基本概念、基本理论与关键技术及其发展概况等知识。

文字教材中的重点、难点在录像教材和流媒体IP课件有较详尽的讲解；诸如机电一体化的系统构成及典型产品的工作过程等用文字不易表达清楚的教学内容以实物、照片、场景等视频方式作为辅助教学手段；另外在流媒体IP课件中着重讲解本章知识重、难点的典型实例以及本章的学习思路方法等内容。

1.1 概述机电一体化又称机械电子学，英文称为Mechatronics，它是由英文机械学Mechanics 的前半部分与电子学Electronics 的后半部分组合而成。

机电一体化最早出现在1971年日本《机械设计》杂志的副刊上，随着机电一体化技术的快速发展，机电一体化的概念被人们广泛接受和普遍使用。

国家开放大学电大本科《机电一体化系统设计基础》2023-2024期末试题及答案关建字摘要：步进，预紧，传感器，系统，机电，校准，电动机，脉冲，电机，精度竭诚为您提供优质文档，本文为收集整理修正，共5页，请先行预览，如有帮助感谢下载支持国家开放大学电大本科《机电一体化系统设计基础》2023-2024期末试题及答案（试卷代号：1118）2021年7月一、单选题（每小题3分，共24分）io以下不属于机电一体化系统主要功能的是（）。

A.控制功能B.检测功能C.计算功能D.动力功能2.为了提高机电一体化机械传动系统的固有频率，应该（）oA.增大系统刚度B.增大系统转动惯量C.增大系统的驱动力矩D.减小系统的摩擦阻力3.光栅传感器的光栅是在一块长条形的光学玻璃上密集等间距平行的刻线，刻线数为100线/mm,当经四倍细分后记数脉冲为400时，光栅位移是（）mm。

A.1B.2C.3D.4）。

4.以下不能实现交流异步伺服电动机调速的方法是（A.改变电动机的转差率B.改变供电电压的大小C.改变电动机的供电频率D.改变电动机定子极对数5.在机电一体化系统设计开发过程中，需要根据系统功能要求编写（），具有实时性、针对性、灵活性和通用性。

A.平台软件B.开发软件C.系统软件D.应用软件6.机电一体化产品设计的第一道工序和概念设计的出发点是（）。

A.结构分析B.功能分析C.工艺分析D.流程分析7.含有微处理器，可进行程序编制或适应条件变化的接口是（）oA.零接口B.被动接口C.主动接口D.智能接口8.HRGP-1A喷漆机器人中的活塞式液压缸属于系统中的（）。

A.能源部分B.测试传感部分C.驱动部分D.执行机构二、判断题（正确的打"，错误的打X,每题3分，共30分）9.机电一体化产品具有“智能化”的特征是机电一体化与机械电气化在功能上的本质差别。

（J）10.产品的零部件和装配精度高，系统的精度一定就高o（X）11.采用虚拟样机代替物理样机延长了产品开发周期，增加了产品开发成本，但是可以改进产品设计质量，提高而向客户与市场需求能力。