机电一体化技术与系统第一章

§4 机电一体化应用及发展前景
在新技术革命的浪潮中，自动化技术已深入到社会的各个方面， 有人称之为"全盘自动化"。 在这些自动化的系统中，主要是由很多种机电一体化产品所构 成。 从我国将要发展的机械工业产品来分析主要由以下产品需要实 现程度不同的机电一体化。 具体地说，典型的机电一体化产品主要包括:大型成套设备；数 控机床；仪器仪表电子化；自动化管理系统；电子化量具量仪； 工业机器人；电子化家用电器；电子化电机传动与调整系统；电 子化电站自动装置与开关板；电子医疗器械；电子化低压电器； 微电脑控制加热炉；电子控制汽车或内燃机；微电脑控制印刷机 械；微电脑控制食品机械或包装机械；微电脑控制办公机械；电 子式照相机；电子控制农业机械；电子控制塑料加工机械；电子 控制电焊机；计算机辅助设计系统(CAD)；计算机辅助制造系统 (CAM)；计算机集成制造系统(CIM)。
几种描述： 1983年日本振兴协会提出：

机械电子乃是在机械的主功能、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。

1984年美国机械工程师协会(ASME)的一个专家组在给美国 国家科学基金的报告中提出现代机械系统的定义： 由计算机信息网络协调与控制的，用于完成包括机械系 统、运动和能量流等动力学任务的机械（或机电部件）相互 联系的系统，这实质上就是机电一体化的机械系统。

§2 机电一体化系统的主要组成部分（要素）



机械本体 传感检测部分 执行部分 动力部分 驱动部分 信息处理及控制部分。
一、 机械本体

1、概念 机械本体就是其机械结构部分。 包括机械结构装置和机械传动装置，属于产品的基础部分。

T
②角位移检测传感器：i)旋转变压器：a.构造和工作原理：激磁绕组、辅助 绕组、余弦输出绕组、正弦输出绕组；ii)光电编码器：a.增量式编码器：主 码盘、鉴向盘、光学系统、光电变换器。两组透明检测窄缝彼此错开 1/4 节 。 距， 输出信号在相位上相差 90 。 主码盘上不透明区与鉴向盘透明窄缝对齐， 光线被遮，输出最小；b.绝对式编码器：光电式、接触式、电磁式：分辨率： 。 α=360 /n （ 2）速度、加速度检测传感器：①速度检测传感器：a. 直流测速发电机。 根据定子励磁激励方式不同分为电磁式、永磁式；以电枢结构来分：无槽电 枢、有槽电枢、空心杯电枢、圆盘电枢。负载电阻 RL 应尽量大。特点是输出 特性曲线斜率大，线性好，但由于电刷和换向器，其构造和维护比较复杂， 摩擦转矩较大。 1 测力传感器：a、柱式弹性元件；b、悬臂梁 （3）力、力矩检测传感器：○ 2 压力传感器：a、模式压力传感器；b、筒式压力传感器。○ 3 式弹性元件。○ 4 力矩传感器；○力与力矩复合传感器。 2.3.4 传感器的选择和使用 1 高精度、高灵敏度、响应快、稳定性好、信噪比高；○ 2 安全 （1）选择：○ 3 对环境条件适应能力强；○ 4 不易受被测对象（如电阻、磁 可靠、寿命长；○ 5 便于与计算机连接；○ 6 结构简单、体 导率）的影响，也不影响外部环境；○ 7 低成本。 积小、重量轻，使用维护方便，功耗低，对整机的适应性好；○ 1 2 3 （2）使用：○线性化处理与补偿；○传感器的标定；○抗干扰措施。 2.3.5 传感器的测量电路 1 模拟型；○ 2 数字型；○ 3 开关型。 （1）测量电路：○ 1 电桥；○ 2 放大电路；○ 3 调制与解调电路；○ 4 A/D 与 D/A （2）转换电路：○ 转换电路。 2.4 伺服驱动技术：伺服驱动系统是指以机械位置、速度和加速度为控制对 象，在控制命令的指挥下，控制执行元件工作，使机械运动部件按照控制命 令的要求进行运动，并具有良好的动态性能。 2.4.1 伺服系统概述： （1）伺服系统及其组成： 1 概念：伺服系统是自动控制系统的一类，它的输出变量通常是机械或位置 ○ 的运动，根本任务是实现执行机构对给定指令的准确跟踪，即实现输出变量 的某种状态能够自动、连续、精确地复现输入指令信号的变化规律。 2 组成：控制器、功率放大器、执行机构、检测装置。 ○ （2）伺服系统的分类： 1 按控制原理： a、开环：机构简单，成本低，调整和维修方便，工作稳定 ○ 可靠，但精度不高，适用于线切割机，办公自动化设备中。 b、全闭环：调试复杂，精度高，制造成本高，用于高精密大型机械。 c、半闭环：结构简单，调整维护方便，调试简单，稳定性好，性价比高。 2 按信号传递不同：连续控制系统、采样控制系统。 ○ 采样控制系统优点： a、 数字元件比模拟元件具有更高的可靠性和稳定性； b、受到扰动时，经过几个采样周期即可快速达到稳定，受扰动影响小；c、 具有更大的灵活性，实现控制规律的精度高。 3 按驱动方式：电气、液压、气动等。 ○ 4 被控量物理性质：位置、速度、加速度、力、力矩、速度位移同步控制。 ○ 5 控制过程：点控制、轮廓控制系统等。 ○ （3）伺服系统的总体要求： 1 稳定性：作用在系统上的扰动消失后，系统能够恢复到原来的稳定状态下 ○ 运行或者在输入指令信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状态。 2 精度：它是指其输出量复现输入指令信号的精确程度。 ○ 3 快速响应性：系统输出量快速跟随输出指令信号变化的能力，主要取决于 ○ 系统的阻尼比和固有频率， 减小阻尼比或增加固有频率可以提高快速响应性， 但对系统的稳定性和最大超调量有不利影响，它有两方面含义，一是指动态 响应过程中，输出量跟随输入指令信号变化的迅速程度，二是指动态响应过 程结束的迅速程度。 4 灵敏度：系统各元件的参数变化都会影响系统的性能。 ○ 2.4.2 伺服系统中的执行元件 1 电气式：以电能为动力，将电能转变为位移或转 （1）执行元件的分类：○ 角，包括控制用电动机、静电电动机、磁致伸缩器件、压电元件、超声波电 动机以及电磁铁等，优点是操纵简便、适宜编程、响应快、伺服性能好、易 与微机相接、体积小、无污染，缺点是功率小、过载能力差。 2 液压式：按密封连通器的原理，靠油液通过密闭容积变化的压力来传递能 ○ 量。包括往复运动的油缸、回转油缸、液压马达等。优点是输出功率大、转 矩大、承载能力强、适合重载的高加减速驱动。缺点是需要相应的液压源、 占地面积大、污染严重、控制性能不如伺服电动机。 3 气压式：以压缩空气为工作介质，有气缸、气压马达等。优点是有较大的 ○ 驱动力、行程和速度、成本低、无污染，缺点是体积大、噪声大、远距离传 输困难、定位精度不高。 4 其他执行元件：压电元件逆压电效应原理，磁致伸缩、电致伸缩。 ○ （2）伺服系统对执行元件的要求 1 体积小，输出功率大；○ 2 快速性能好；○ 3 便于计算机控制；○ 4 便于维修， ○ 5 运行平稳，分辨率高；○ 6 振动和噪声小。 可靠性和动作准确性要高；○ 2.4.3 电气伺服驱动系统 1 性能密度大，即功率密度大，比功率大；○ 2 快速性好，即 基本性能要求：○ 3 位置控制精度高，调速范围宽，低速运行平稳 加速转矩大，频率特性好；○ 4 适应启停频繁的工作要求；○ 5 可靠 无爬行现象，分辨率高，振动噪声小；○ 性高，寿命长。 （1）步进电动机：将输入脉冲信号转换成相应的旋转或直线位移的运动执 行元件，可实现高精度位移，可开环控制，无需反馈；无稳定问题；无累计 定位误差；适合计算机控制；输出有脉动；承受大惯性负载能力有限。 1 种类与特点：a、可变磁阻式：制造成本高、效率低、转子阻尼差、噪声 ○ 大、但材料费用低、结构简单、步距角小。b、永磁式：励磁功率小、效率 高、造价便宜、步距角较大、转子惯量也较大。c、混合式。 2 运行特性及性能指标：a、分辨力：步距角越小分辨力越高。 b、矩 -角特 ○ 性：静态转矩越大，自锁力矩越大，静态误差就越小。c、起动频率：不失 步起动的最高脉冲频率。d、最高工作频率：在额定负载下，电机能够不失 步正常运行的极限频率。e、转矩-工作频率特性： 3 工作原理：a、三相单三拍：单相励磁；b、三相双三拍：双向励磁； ○ c、三线六拍：1-2 相励磁；d、转子上面有 40 个齿，相邻两个齿的齿距角是

发 展 高速化、精密化、高效率、高可靠性、智能化、轻量化、 方 微型化 向
绪论
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
绪论
1.2 机电一体化系统的基本功能要素
传感检测部分 对运行过程中所需要的系统自身和外界环境各种参数及运行状态进 行检测，并产生相应的反馈控制信息——传感器和专用仪器仪表。 研究对象：传感器及其信号检测装置（即变送器） 作 用：感受器官、反馈环节。 要 求：快速、精确获得信息并在相应的应用环境中具有高可靠性。 执行部分 由机械、电磁、电液等机构组成，根据控制信息和指令完成系统需 求的动作，实现输入能量向机械能的转换。
绪论
1.2 机电一体化系统的基本功能要素
机械本体(基础) 包括机械传动装置和机械结构装置，将系统各部分零件和子系统按 照一定的空间和时间关系安置在一定位置上。实现机电一体化产品的 主功能和构造功能，影响系统的结构、重量、体积、刚性、可靠性等。
动力部分(能源部分) 按照系统控制要求为系统提供能量和动力，应尽可能实现较小的动 力输入获得较大的功能输出。
1.4 现代机电一体化方法
机电一体化产品的开发过程：
绪论
绪论
思考
根据机电一体化技术的发展历史，你认为未来该领 域的发展方向？
绪论
作业：
1、什么是机电一体化？ 2、一个典型的机电一体化系统，应包含哪些几个基本要素,它 们之间的组成关系是什么？

机电一体化系统习题答案第一章思考与练习题一一. 名词解释1.机电一体化机电一体化是以机械学、电子学和信息科学为主的多门技术学科在机电产品发展过程中相互交叉、相互渗透而形成的一门新兴边缘性技术学科。

二. 简答题1. 机电一体化系统的组成部分主要分为哪几种？答：机电一体化系统主要分为：机械本体、动力部分、测试传感部分、执行机构、控制性处理单元以及接口等部分组成。

2. 接口技术的作用？答：是系统中各单元和环节之间进行物质、能量和信息交换的连接界面，是外设和数控装置之间的桥梁。

其功能为：变换、放大和传递。

第二章思考题1一．名词解释1. 误差：是对某一特定的物理量进行度量时，所测得数值与真值得差值。

2. 准确度：通常用来反映系统的测量值与真值的近似程度，反映了系统误差的大小； 精密度：是从随机误差的角度来反映系统的测量值与真值的近似程度； 精确度则是系统误差和随机误差的综合反映。

3. 传动精度：是指机械传动链单向传动时，其输入端与输出端瞬时传动比的实际值与理论值之差。

4. 装配精度：是是指不同零件或不见按照特定要求组装成具有一定功能的综合精度，包括零件或不见的相对位置精度、运动精度、接触精度。

5. 机床加工精度：是一项综合型精度指标，即指机床在加工工件时所能达到的精确度。

6. 机床定位精度：是指机床或仪器主要部件在运动终点所能达到的实际位置的精度。

(是一个具有综合性质的精度指标，其定位形式大致可分为手动定位、自动间歇定位和连续定位三种形式。

)二.简答题1.机械系统在机电一体化中的作用？答：机械系统在机电一体化中起着传递功率、支撑、连接、执行的功能。

2.机床精度与机床加工精度有什么不同？（判断）答：二者的概念之间有一定的区别，机床加工精度是指在加工时体现出来的精度，与机床设备本身使用的时间年限、加工时的切削力、环境温度等都有关系，而机床精度所描述的是机床的原始精度，不考虑上述这些情况。

4. 什么是六点定位原理？答：任何一个物体在三维空间中，相对三个互相垂直的坐标系OXYZ 来说，都有六个自由度，即沿X 、Y 、Z 三个坐标轴的移动，以z y x 、、表示，及绕着X 、Y 、Z 轴的转动，用z y、、x 表示，如图所示。

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。

机电一体化系统的组成及工作原理 a)人的五大要素 b)机电一体化系统的要素 c)机电一体化系统的功能
第 一 章 机 电 一 体 化 概 述
第 一 章 机 电 一 体 化 概 述
各要素间联系
第 一 章 机 电 一 体 化 概 述
1、机械本体 机械本体包括机械传动装置和机械结构装置。其主要功 能是将构造系统的各子系统、零部件按照一定的空间和时间关 系安置在一定的位置上，并保持特定的关系。随着机电一体化
(机械学）
（电子学）
（机电一体化）
机电一体化不是机械技术和电子技术的简单叠加，而是 将电子设备的信息处理功能和控制功能“揉和”到机械装 置中去，从而达到扬长避短、互为补充的目的，使机电一 体化产品更具有系统性、完整性和科学性。
第 一 章 机 电 一 体 化 概 述
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 与电子设备以及相关软件有机结合而构成系统的总 称。
第 一 章 机 电 一 体 化 概 述
四、机电一体化的组成
机械技术 电气技术 微电子技术 机电一体化技术 接口技术 信息技术 机电一体化 控制技术 其他技术 机电一体化装置 机电一体化产品 机电一体化系统
二、机电一体化的基本概念
第 一 章 机 电 一 体 化 概 述
机电一体化：将多种技术融合为一体的产物 或者是将多种技术柔和地融合在一起的一门 综合学科。
微电子技术 （半导体技术、计 算机技术）
机械技术 （机械学、机构学）
机电一体化 技术领域
“机电一体化”也就是机械技术、微电子技术相互交叉、融 合的产物。
机电一体化最本质的特性仍然是一个机械系统，其最主 要功能仍然是进行机械能和其他形式的能的互换，利用机械 能实现物料搬移或形态变化以及实现信息传递和变换。机电 一体化系统与传统机械系统的不同之处是充分利用计算机技 术、传感技术和可控驱动元件特性，实现机械系统的现代化、 智能化、自动化。

国家开放大学《机电一体化系统》章节自测题参考答案第一章绪论一、判断题1.机电一体化是在以机械、电子技术和计算机科学为主的多门学科相互渗透、相互结合过程中逐渐形成和发展起来的一门新兴边缘技术学科。

（√）2. 机电一体化产品是在机械产品的基础上，采用微电子技术和计算机技术生产出来的新一代产品。

（√）二、单项选择题1．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. 动力部分B. 机械本体C. 执行机构D. 控制器2．( ) 不是机电一体化产品。

A. 现代汽车B. 打字机C. 复印机D. 空调机3. ( ) 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. 自动控制B. 驱动C. 传感检测D. 执行三、多项选择题1.机电一体化是多学科技术的综合应用，是技术密集型的系统工程，目前，机电一体化技术包含下述技术（）。

A. 检测传感技术B. 生物技术C. 自动控制技术D. 精密机械技术2.机电一体化系统的现代设计方法包括（）。

A. 绿色设计方法B. 反求设计方法C. 传统设计方法D. 优化设计方法第二章机械传动与支承技术一、判断题1．滚珠丝杆机构不能自锁。

（√）2．滚珠丝杠副的轴向间隙是承载时在滚珠与滚道型面接触点的弹性变形所引起的螺母位移量和螺母原有间隙的总和。

（√）二、单项选择题1．滚珠丝杠副结构外循环方式不包含（）。

A. 外循环插管式B. 内、外双循环C. 外循环端盖式D. 外循环螺旋槽式2．机电一体化系统的支承部件主要有旋转支承部件和移动支承部件，下面（）为机电一体化系统的旋转支承部件。

A. 低精度滚动轴承B. 导轨C. 空心圆锥滚子轴承D. 滑座三、多项选择题。

理的功能。 控制功能： 对整个系统进行控制，使系统正常运转以实施
“目的功能”。 构造功能 ：使构成系统的子系统及元、部件维持所
定的时间和空间上的相互关系所必需的 功能
机电一体化第一章概论
16
机电一体化系统的五种内部功能
机电一体化第一章概论
17
机电一体化系统（产品）的 内部功能
主功能 动力功能 控制功能 构造功能 计测功能
机电一体化第一章概论
6
第二节 优先发展机电一体化的 领域及其共性关键技术
优先发展的机电一体化领域必须同时具备下述几个 条件：
①短期或中期普遍需要； ②具有显著的经济效益 ； ③具备或经过短期努力能具备必需的物质技术基础； ④社会效益十分显著的领域 。
机电一体化第一章概论
7
机电一体化技术内部联系与外 部影响
2）无源接口。只用无源要素进行变换、调整的接口，称为无源 接口。例如齿轮减速器、进给丝杠、变压器、可变电阻器以及透镜 等。
3)有源接口。含有有源要素、主动进行匹配的接口，称为有源 接口。例如电磁离合器、放大器、光电耦合器、D/A转换器、A/D转 换器以及力矩变换器等。
4)智能接口。含有微处理器，可进行程序编制或可适应性地改 变接口条件的接口，称为智能接口。 例如自动变速装置， 通用 输入／输出LSI(8255等通用I/O)、GP-IB总线、STD总线等。
机电一体化第一章概论
23
根据输入／输出功能可分 成以下四种广义接口：
第一章 概 论
第一节 机电一体化时代与机电一体化技术革命 第二节 优先发展机电一体化的领域及其共性关键技术 第三节 机电一体化系统构成要素及功能构成 第四节 机电一体化系统构成要素之间的连接 第五节 机电一体化系统的评价 第六节 机电一体化系统设计的考虑方法及设计类型 第七节 机电一体化系统的设计流程 第八节 机电一体化工程与系统工程 第九节 机电一体化系统的设计程序、准则与规律 第十节 机电一体化系统的开发工程与现代设计方法

机电一体化技术课后习题答案第一章绪论1-1 简述机电一体化的含义答：机电一体化是在机械的主功能、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的系统的总称。

1-2 机电一体化产品的主要组成、作用及其特点是什么？答：1．机械本体2．动力源3．检测和传感装置4．控制与信息处理装置5．执行机构机械本体用于支撑和连接其他要素，并把这些要素合理的结合起来，形成有机的整体。

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。

传感与检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，同时利用检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。

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 机电一体化产品的分类有哪些？答：1．数控机械类2．电子设备类3．机电结合类4．电液伺服类5．信息控制类1-4 您在生活中还遇到哪些机电一体化产品？试分析其组成及功能。

答：工业机器人等。

工业机器人一般由机械系统、驱动系统、控制系统、检测传感系统和人工智能系统等组成。

各系统功能如下所述。

1）机械系统。

该系统主要是完成抓取工件（或工具）实现所需运动的机械部件，包括手部、腕部、臂部、机身以及行走机构。

2）驱动系统。

驱动系统的作用是向机械系统（即执行机构）提供动力。

随驱动目标的不同，驱动系统的传动方式有液动、气动、电动和机械式四种。

3）控制系统。

控制系统是机器人的指挥中心，它控制机器人按规定的程序运动。

控制系统可记忆各种指令信息（如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间等），同时按指令信息向各执行元件发出指令；必要时还可对机器人动作进行监视，当动作有误或发生故障时即发出警报信号。

4）检测传感系统。

它主要检测机器人机械系统的运动位置、状态，并随时将机械系统的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使机械系统以一定的精度达到设定的位置状态。

2 标准缺乏
缺乏一致的技术标准和规 范性文件。
3 人才短缺
缺乏一支高层次、多层次 的机电一体化人才队伍。
机电一体化的未来发展趋势
1
智能化
与人工智能、大数据等技术相融合，逐
绿色化
2
步实现系统自主决策，提高效率和精度。
借鉴生态学思想，将“绿色化”理念融入到
机电一体化系统的设计和制造中。
3
智能制造
将机电一体化系统与智能制造相结合，
多样性
实现多样车型生产和一体化服务。
机电一体化的发展历程
1
20世纪50年代
机电一体化的起源。
2
20世纪80年代
计算机技术的普及使机电一体化技术得到快速发展。
3ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
20世纪90年代
智能化技术的应用使机电一体化得到进一步提升。
机电一体化的原理和基本模型
机械部分
主要由机械系统、机构和制动系 统等组成。
电子部分
机器人领域
应用于智能机器人的制造、开发和使用等方面。
机电一体化系统的优势和挑战
1 高效性
提高生产效率和质量，降 低成本。
2 精准性
实现生产过程的精准控制 和管理。
3 灵活性
能根据市场需求及时调整 生产方案并实现柔性制造。
1 技术难题
需要解决各种技术难题， 如传感、控制、自适应等 问题。
• 优势： • 挑战：
主要由传感器、执行器、控制器 和信息处理单元等组成。
控制部分
主要由控制算法、控制器和人机 接口等组成。
机电一体化系统的应用领域
智能制造业
广泛应用于自动化生产、数字化制造和智能制 造等领域。
新能源领域

国家开放大学《机电一体化系统》章节自测题参考答案国家开放大学《机电一体化系统》章节自测题参考答案第一章绪论一、判断题1.机电一体化是在以机械、电子技术和计算机科学为主的多门学科相互渗透、相互结合过程中逐渐形成和发展起来的一门新兴边缘技术学科。

（√）2. 机电一体化产品是在机械产品的基础上，采用微电子技术和计算机技术生产出来的新一代产品。

（√）二、单项选择题1．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. 动力部分B. 机械本体C. 执行机构D. 控制器2．( ) 不是机电一体化产品。

A. 现代汽车B. 打字机C. 复印机D. 空调机3. ( ) 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. 自动控制B. 驱动C. 传感检测D. 执行1.机电一体化是多学科技术的综合应用，是技术密集型的系统工程，目前，机电一体化技术包含下述技术（）。

A. 检测传感技术B. 生物技术C. 自动控制技术D. 精密机械技术2.机电一体化系统的现代设计方法包括（）。

A. 绿色设计方法B. 反求设计方法C. 传统设计方法D. 优化设计方法第二章机械传动与支承技术一、判断题1．滚珠丝杆机构不能自锁。

（√）2．滚珠丝杠副的轴向间隙是承载时在滚珠与滚道型面接触点的弹性变形所引起的螺母位移量和螺母原有间隙的总和。

（√）二、单项选择题1．滚珠丝杠副结构外循环方式不包含（）。

A. 外循环插管式B. 内、外双循环C. 外循环端盖式D. 外循环螺旋槽式2．机电一体化系统的支承部件主要有旋转支承部件和移动支承部件，下面（）为机电一体化系统的旋转支承部件。

A. 低精度滚动轴承B. 导轨C. 空心圆锥滚子轴承D. 滑座。

机电一体化专业教学大纲第一章课程简介
1.1 课程名称及学时分配
1.2 课程目标
1.3 教材及参考书目
1.4 考核方式及评分标准
第二章机电一体化基础
2.1 机械基础
2.2 电子技术基础
2.3 控制理论基础
2.4 传感器原理
第三章机电系统分析与设计
3.1 机电系统分析方法
3.2 机械设计基础
3.3 电气设计基础
3.4 控制系统设计基础
第四章先进机电技术
4.1 机器人技术
4.2 无人驾驶技术
4.3 三维打印技术
4.4 物联网技术
第五章实践教学
5.1 实验室教学
5.2 实习教学
5.3 毕业设计
第六章教学评估
6.1 课程评估
6.2 学生评估
6.3 教师评估
附录：机电一体化专业相关课程的培养目标、教学大纲及考核方式。

第一章绪论1．机电一体化包括哪六大共性关键技术（相关技术）？p1答:机电一体化包括六大共性关键技术:（1）精密机械技术，（2)伺服传动技术，(3）检测传感技术，（4）信息处理技术，（5)自动控制技术，（6）系统总体技术。

2．一个较完善的机电一体化系统，应具有哪六个基本功能要素？p2答：机电一体化系统应具有以下六个基本功能要素：（1）机械本体，（2)动力部分,（3）传感检测部分，（4）执行机构，(5）驱动部分，(6）控制及信息处理、各要素和环节之间相联系的接口.3．何谓机电一体化系统中的接口?接口的作用和基本功能是什么？p3答：机电一体化系统中的接口,是机电一体化系统中各子系统之间进行物质、能量和信息传递与交换的联系部件。

接口的作用使各要素或子系统联接成为一个有机整体，使各个功能环节有目的地协调一致运动，从而形成机电一体化的系统工程。

接口的基本功能主要有三个：一是交换，通过接口完成使各要素或子系统之间信号模式或能量的统一;二是放大,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；三是传递，变换和放大后的信号在环节间可靠、快速、精确地交换，必须遵循协调一致的时序、信号格式和逻辑规范。

接口具有保证信息传递的逻辑控制功能，使信息按规定模式进行传递。

4．简述执行部分的功能和分类。

P3答：执行机构的功能是根据控制信息和指令完成所要求的动作。

执行部分是运动部件，一般采用机械、电磁、电液等机构。

它将输入的各种形式的能量转换为机械能。

5．何谓机械本体？P2答：机械本体包括机械传动装置和机械结构装置。

其主要功能是使构造系统的各子系统、零部件按照一定的空间和时间关系安置在一定位置上。

6．何谓动力部分？p2答:部分动力部分的功能是按照机电一体化技术系统的控制要求，为系统提供能量和动力以保证系统正常运行。

7．何谓传感检测部分?p2答：传感检测部分的功能是对系统运行过程中所需要的本身和外界环境和各种参数及状态进行检测，并转换成可识别信号,传输到信息处理单元,经过分析、处理后产生相应的控制信息。

机电一体化系统的设计与制造第一章机电一体化系统的概述随着智能化的发展，机电一体化系统因其在工业自动化方面的应用而逐渐受到人们的关注和认可。

机电一体化系统是以自动控制技术为核心，将机械、电气、电子、计算机等多种技术有机地结合在一起的一种复杂的系统。

机电一体化系统可以实现多方面的功能，包括自动化生产、安全控制、精密检测、高速传输等等。

因此，设计与制造机电一体化系统不仅需要掌握机械、电气、电子、计算机等多种技术，还需要具备系统设计的能力。

第二章机电一体化系统的设计机电一体化系统的设计需要按照系统工程的思路，考虑各个环节之间的协调和一致性。

以下是一些关键设计环节的讲解。

2.1 机械部分设计机械部分的设计需要首先确定机械的结构形式，包括外形、框架、传动装置、运动轨迹等。

其次，需要采用CAD和CAE等技术，对机械部分进行详细的数值分析和仿真，以优化机械的结构，提高系统的效率和稳定性。

2.2 电气部分设计电气部分的设计是机电一体化系统设计中最为复杂的一部分，需要选取合适的电气元器件，并设计电气控制系统。

控制系统需要充分考虑系统的安全性和可靠性，避免出现短路、漏电等问题，同时还需要设计符合工业标准的接线布局和电源系统。

2.3 电子部分设计电子部分是实现机电一体化系统智能化的重要组成部分。

电子部分的设计可能包括传感器、单片机、PLC、人机界面等多个方面。

在设计过程中，需要考虑电子元器件的选取、电路设计及其仿真、调试和测试等方面问题，以确保所设计出的机电一体化系统能够实现高效、安全、稳定的控制。

2.4 计算机部分设计计算机部分是机电一体化系统的大脑，它可以进行数据处理、存储、分析等多种任务。

通常，计算机部分设计包括软硬件的选取，界面的设计，以及通讯模块的开发等方面。

在选择计算机硬件时，需要考虑能耗、处理速度、运行速度等因素。

第三章机电一体化系统的制造机电一体化系统的制造是将设计方案落实成实际的系统的过程。

以下是一些关键制造环节的讲解。

仿真、现场调试、可靠运行等从理论到实践的 整个过程。由于被控对象种类繁多，所以控制 技术的内容极其丰富，包括高精度定位控制、 速度控制、自适应控制、自诊断、校正、补偿、 示教再现、检索等控制技术
自动控制技术的难点在于自动控制理论的工程化与实用化，这 是由于现实世界中的被控对象往往与理论上的控制模型之间存在较大差 距，使得从控制设计到控制实施往往要经过多次反复调试与修改，才能 获得比较满意的结果。
产品的各功能单元通过接口联接成一个有机的整体。接口包括电气接 口、机械接口、人—机接口。电气接口实现系统间电信号连接；机械 接口则完成机械与机械部分、机械与电气装置部分的连接；人—机接 口提供了人与系统间的交互界面。
第五节 机电一体化系统设计
Mechatronics System Design
机电一体化系统是从简单的机械产品发展而 来，其设计方法、程序与传统的机械产品类似， 一般要经过市场调查、方案设计、详细设计、样 机试制、小批量生产和正常生产几个阶段。
机电一体化产品:
(product of Mechatronics)
是由机械系统（或部件）与电子系统（或部件）及信息处理单元（硬 件和软件）有机结合、而赋予了新功能和新性能的高科技产品。
CNC
位置,速 度反馈
位置,速度 检测单元
电机
数控机床伺服系统组成
机械 部件
第二节 机电一体化发展概况
机电一体化技术的发展 ：分为萌芽阶段、快 速发展阶段和智能化阶段三个阶段。
系统总体技术 System overall technology 是一种从整体目标出发，用系统工程的
观点和方法，将系统总体分解成相互有机联系 的若干功能单元，并以功能单元为子系统继续 分解，直至找到可实现的技术方案，然后再把 功能和技术方案组合成方案组进行分析、评价 和优选的综合应用技术。

n 2．方案的评价对多种构思和多种方案进行筛选， 选择较好的可行方案进行分析组合和评价，从中
再选几个方案按照机电一体化系统设计评价原则
和评价方法进行深入的综合分析评价，最后确定 实施方案。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
1.5 机电一体化系统设计
n 一、市场调研 n 二、总体方案设计 n 三、详细设计 n 四、样机试制与试验 n 五、小批量生产 n 六、大批量生产
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
1.5 机电一体化系统设计
四、样机试制与试验
n 完成产品的详细设计后，即可进入样机试制与 试验阶段。根据制造的成本和性能试验的要求， 一般制造几台样机供试验使用。样机的试验分为 实验室试验和实际工况试验，通过试验考核样机 的各种性能指标是否满足设计要求，考核样机的 可靠性。如果样机的性能指标和可靠性不满足设 计要求，则要修改设计，重新制造样机，重新试 验。如果样机的性能指标和可靠性满足设计要求， 则进入产品的小批量生产阶段。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
1.4
共性关键技术
1、检测传感技术
研究对象：传感器及其信号检测装置（即变送器）
作用：感受器官、反馈环节。 要求：能快速、精确地获得信息并在相应的应 用环境中具有高可靠性。
1.5 机电一体化系统设计

17
第一章 概 论
第二节 机电一体化系统的基本构成 图1-5 机电一体化系统的评价内容
18
第一章 概 论
第二节 机电一体化系统的基本构成 图1-6工业三大要素与机电一体化三大效果
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第一章 概 论 第三节 机电一体化产品的分类
到目前为止，机电一体化产品还在不断地发展，很难进行正确地分类。下 面按其用途和功能两个方面进行粗略地分类，就可看到机电一体化产品的概 貌。
其主要参数有：系统误差、外扰、废弃输出、变换效率。
7
第一章 概 论
第二节 机电一体化系统能构成、原理
二 机电一体化系统的功能构成
1、主功能
以物料搬运、加工为主，输入物质（原料、毛坯等）、能量（电能、液能、 气能等）和信息（操作及控制指令等），经过加工处理，主要输出改变了位 置和形态的物质的系统（或产品），称为加工机。例如：各种机床（切削、 锻压、铸造、电加工、焊接设备、高频淬火等）、交通运输机械、食品加工 机械、起重机械、纺织机械、印刷机械、轻工机械等。
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第一章 概 论 第三节 机电一体化产品的分类
3
第一章 概 论
第一节 机电一体化的基本含义
*重点介绍机电一体化概念
三、德国的精密工程技术的定义
图1-1 精密工程技术的含义
精密工程技术定义为光、机、电一体化的综合技术，并用图1-1 来说明其含义。它包括
机械（含液压、气动及微机械）、电工与电子、光学，二者相互 组合电工与电子机械、光电子技术与光学机械，其核心技术为精 密工程技术。
机电一体化系统要素
控制器（计算机等） 检测传感器 执行元件 动力源 机构
功能
控制（信息存储 处理 传送） 计测（信息收集与变换） 驱动（操作） 提供动力（能量） 构造