1、2015 年 4 月全国自考（机电一体化系统设计）真题试卷及答案解析(总分：54.00，做题时间：90 分钟)一、单项选择题(总题数：10，分数：20.00)1.包括系统的操作指令和预先定义的各种算法，负责控制微计算机模块工作的模块为【 】（分数：2.00）A.驱动模块B.软件模块C.通信模块D.接口模块2.滚珠丝杠螺母副一般要采取消除间隙和适当预紧的措施，主要有四种方法，其结构简单、拆卸方便、工作可靠、刚性好，使用中不便于随时调整、调整精度较低的调整方法是 【 】（分数：2.00）A.双螺母垫片式B.双螺母螺纹式C.双螺母齿差式D.单螺母变位导程式3.已知双波传动谐波齿轮的柔轮齿数 z R
2、200，刚轮齿数 z G 202。当刚轮固定，波发生器输入，柔轮输出时，谐波齿轮传动速比 i HR 为 【 】（分数：2.00）A.50B.50C.100D.1004.下列选项中能够测量直线位移的传感器是 【 】（分数：2.00）A.旋转变压器B.感应同步器C.码盘式转速传感器D.测速桥5.下列选项中可使直流伺服电动机的堵转转矩变小，且理想空载转速升高的操作是 【 】（分数：2.00）A.增大电枢电压B.减小电枢电阻C.增大电枢电阻D.减小励磁电流6.具有起动和运行频率较高、断电时无定位转矩、消耗功率较大等特点的变磁阻电动机是 【 】（分数：2.00）A.直流伺服电动机B.交流伺服电动机C.反
3、应式步进电动机D.超声波电动机7.在最佳阻尼比条件下，系统增益唯一取决于 【 】（分数：2.00）A.速度开环增益B.速度开环增益与电动机机电时间常数之比C.电动机机电时间常数D.电动机机电时间常数与速度开环增益之比8.下列选项中运动控制水平最高的机器人是 【 】（分数：2.00）A.控制路径机器人B.点位控制机器人C.连续路径控制机器人D.物料搬运作业机器9.西门子公司产品：SIMATIC NET 是 【 】（分数：2.00）A.模块化小型 PLC 系统B.超小型化的 PLCC.中、高档性能的 PLCD.工业通讯网络10.载入动断触点 002 对应的助记符语句是 【 】（分数：2.00）A.
4、LD 000B.AND NOT、002C.LD NOT、002D.LD 002二、简答题(总题数：8，分数：16.00)11.简述机电一体化设计中“替代机械系统”的设计思想。（分数：2.00）_12.简述机电一体化的含义。（分数：2.00）_13.滚动摩擦支承轴系采用滚动轴承支承。举例说明滚动摩擦支承轴系有哪几种主要结构类型?（分数：2.00）_14.简述超声波电动机的工作原理及其特点。（分数：2.00）_15.如何实现步进电动机的细分驱动?有何优点?（分数：2.00）_16.简述闭环伺服系统中电流环的实质及主要作用。（分数：2.00）_17.列出三相反应式步进电动机“三相双三拍”控制的正向旋
5、转(从 A 相开始)相电流依次接通的顺序以及真值表。（分数：2.00）_18.对于具有位置环的伺服系统，位置环的采样可以有两种设计方案：其一是取自伺服电动机轴上的编码器；其二是直接采自装在最后一级机械上的位置反馈元件，而电动机的编码器仅作为速度环的反馈。分析这两种方案中哪种能够实现高精度的位置控制?（分数：2.00）_三、计算题(总题数：4，分数：8.00)19.如图所示为一机械装置的传动示意图。已知电动机 M 的最大转速 n max 1000rmin，驱动的两级齿轮：z 1 20，z 2 36，z 3 24 z 4 55，丝杠的导程 P10mm。 (1)验算两级齿轮系的传动比是否符合最佳速比
6、分配条件。 (2)求工作台的最大位移速度 v fmax 。 （分数：2.00）_20.如图为脉冲频率法转速测量原理图，用每转 3000 线的光电编码器测得电动机的转速为 3600rmin。求在 4ms 采样时间所测得的编码器脉冲数。 （分数：2.00）_21.已知步进电动机相电流接通顺序为 AABBBCCCAA，其转子齿数为 40。 求：(1)步距角 s 。 (2)当输入脉冲频率 f100Hz 时，电动机的转速。（分数：2.00）_22.某位置随动系统如图所示，已知：G(s) ，G c (s)10008s，当系统输入单位阶跃函数时，求： (1)系统的闭环传递函数。 (2)该系统的自然频率 n
7、和阻尼比 。 （分数：2.00）_四、简单应用题(总题数：3，分数：6.00)23.如图(a)所示为增量式光电编码器信号处理电路的原理框图。根据给定 a、b 点的波形图如(b)图，画出其余各点的光电输出波形图。 （分数：2.00）_24.一台他励直流电动机，额定电压 120V，额定电流 1A，额定转速 1000rmin，电枢绕组的电阻 20，电动机带动额定负载运行。分别采用两种方法将电机的转速降低至 900rmin。 求：(1)采用降低电枢电压的方法进行调速，调速后电机的电压是多少? (2)采用在电枢绕组中串联电阻的方法进行调速，所需要串联电阻应为多少?（分数：2.00）_25.设有 y 平面
8、上的直线运动路径，源点坐标为(1，1)，终点坐标为(4，19)，两轴只有加速度限制，其中 轴的加速度限制为2，y 轴的加速度限制为3。利用三次多项式样条函数生成点位控制指令，为保证所有轴的加速度都不超过容许值，求协调运动的容许最短时间为多少?（分数：2.00）_五、综合应用题(总题数：2，分数：4.00)26.某控制系统的结构如图所示，已知：G(s) ，G c (s)K p (1 )，求： (1)使剪切频率 c 5s -1 时相位裕量 M 最大的 K p 和 。 (2)最大相位裕量 M 。 (3)单位加速度输入时的稳态误差 e ssa 。 （分数：2.00）_27.设计三台电动机控制系统，动作
9、要求：按下起动按钮：M3、M1 运行 50s；换为 M1、M2 运行 50s；换为M2、M3 运行 50s；如此循环，任何时刻按下停止按钮全部停止。试完成设计任务： (1)列出 PLC 系统资源分配表。 (2)画出梯形图程序。（分数：2.00）_2015 年 4 月全国自考（机电一体化系统设计）真题试卷答案解析(总分：54.00，做题时间：90 分钟)一、单项选择题(总题数：10，分数：20.00)1.包括系统的操作指令和预先定义的各种算法，负责控制微计算机模块工作的模块为【 】（分数：2.00）A.驱动模块B.软件模块 C.通信模块D.接口模块解析：解析：软件模块包括系统的操作指令和预告定义
10、的各种算法，它负责控制微计算机模块工作。软件模块的特性和形式与所选用的微计算机模块密切相关。2.滚珠丝杠螺母副一般要采取消除间隙和适当预紧的措施，主要有四种方法，其结构简单、拆卸方便、工作可靠、刚性好，使用中不便于随时调整、调整精度较低的调整方法是 【 】（分数：2.00）A.双螺母垫片式 B.双螺母螺纹式C.双螺母齿差式D.单螺母变位导程式解析：解析：双螺母垫片式调整方法的特点是结构简单，拆卸方便，工作可靠，刚性好；但使用中不便于随时调整，调整精度较低。3.已知双波传动谐波齿轮的柔轮齿数 z R 200，刚轮齿数 z G 202。当刚轮固定，波发生器输入，柔轮输出时，谐波齿轮传动速比 i H
11、R 为 【 】（分数：2.00）A.50B.50C.100 D.100解析：解析：当刚轮固定，波发生器输入，柔轮输出，则传动比为 i HR 4.下列选项中能够测量直线位移的传感器是 【 】（分数：2.00）A.旋转变压器B.感应同步器 C.码盘式转速传感器D.测速桥解析：5.下列选项中可使直流伺服电动机的堵转转矩变小，且理想空载转速升高的操作是 【 】（分数：2.00）A.增大电枢电压B.减小电枢电阻C.增大电枢电阻D.减小励磁电流 解析：6.具有起动和运行频率较高、断电时无定位转矩、消耗功率较大等特点的变磁阻电动机是 【 】（分数：2.00）A.直流伺服电动机B.交流伺服电动机C.反应式步进
12、电动机 D.超声波电动机解析：解析：反应式步进电动机的优点是结构简单，起动和运行时频率较高；缺点是消耗功率较大，断电时无定位转矩。7.在最佳阻尼比条件下，系统增益唯一取决于 【 】（分数：2.00）A.速度开环增益B.速度开环增益与电动机机电时间常数之比 C.电动机机电时间常数D.电动机机电时间常数与速度开环增益之比解析：解析：在最佳阻尼比的条件下，无论是自然频率 n ，或者是系统增益 K v 都由速度环开环增益与电动机机电时间常数之比唯一确定。8.下列选项中运动控制水平最高的机器人是 【 】（分数：2.00）A.控制路径机器人 B.点位控制机器人C.连续路径控制机器人D.物料搬运作业机器解析
13、：解析：机器人按照控制水平可以分为三种不同的类型：第一类称为点位控制机器人，通常用于物料搬运作业，即在一个地点抓取物体，输送到另一地点放下；第二类称为连续路径控制机器人，主要用于喷漆和弧焊；第三类是代表最高运动控制水平的所谓控制路径机器人。9.西门子公司产品：SIMATIC NET 是 【 】（分数：2.00）A.模块化小型 PLC 系统B.超小型化的 PLCC.中、高档性能的 PLCD.工业通讯网络 解析：解析：“SIMATIC NET”是全部网络系列产品的总称，能在工厂的不同部门，在不同的自动化站以及通过不同的级交换数据，有标准的接口并且相互之间安全兼容。10.载入动断触点 002 对应的
14、助记符语句是 【 】（分数：2.00）A.LD 000B.AND NOT、002C.LD NOT、002 D.LD 002解析：二、简答题(总题数：8，分数：16.00)11.简述机电一体化设计中“替代机械系统”的设计思想。（分数：2.00）_正确答案：(正确答案：替代机械系统的设计思想是：在极端情况下，机械的功能可以完全由微计算机和执行器取代，从而使机械产品变成电子产品。)解析：12.简述机电一体化的含义。（分数：2.00）_正确答案：(正确答案：机电一体化是机械与电子的集成技术，是微电子技术、信息技术的快速发展并向传统机械产品渗透与融合的结果。)解析：13.滚动摩擦支承轴系采用滚动轴承支承
15、。举例说明滚动摩擦支承轴系有哪几种主要结构类型?（分数：2.00）_正确答案：(正确答案：常用滚动轴承有两类： (1)标准滚动轴承，如圆锥孔双列圆柱滚子轴承、角接触球轴承、双向推力角接触球轴承、圆锥滚子轴承等。 (2)新型滚动轴承，如密集滚珠轴承、变预紧力轴承、转盘轴承等。)解析：14.简述超声波电动机的工作原理及其特点。（分数：2.00）_正确答案：(正确答案：超声波电动机是利用压电陶瓷逆压电效应产生超声振动，并将这种振动通过摩擦耦合来直接驱动转子的旋转或滑块的位移。它具有低速转矩大、无电磁干扰、动作响应快、无输入自锁等特点。)解析：15.如何实现步进电动机的细分驱动?有何优点?（分数：2.
16、00）_正确答案：(正确答案：实现细分驱动，就是要在每一个步距角 ，之内产生若干个合力矩为零的平衡点，可以通过改变电流的大小和通电相数、相序来实现。细分电路的优点是既提高了步进电动机的分辨率，又能平滑步进运动，减弱甚至消除震荡。)解析：16.简述闭环伺服系统中电流环的实质及主要作用。（分数：2.00）_正确答案：(正确答案：电流环的实质为控制转矩。主要作用：通过调节功率放大器输出电压，使得电动机的转矩跟踪希望的设定值。)解析：17.列出三相反应式步进电动机“三相双三拍”控制的正向旋转(从 A 相开始)相电流依次接通的顺序以及真值表。（分数：2.00）_正确答案：(正确答案：正转时，相电流接通顺
17、序为 ABBCCAAB；真值表如下表所示。 )解析：18.对于具有位置环的伺服系统，位置环的采样可以有两种设计方案：其一是取自伺服电动机轴上的编码器；其二是直接采自装在最后一级机械上的位置反馈元件，而电动机的编码器仅作为速度环的反馈。分析这两种方案中哪种能够实现高精度的位置控制?（分数：2.00）_正确答案：(正确答案：位置环的反馈采样取自伺服电动机轴上的编码器，对传动链上的间隙及误差不能补偿克服，这种系统为半闭环的位置控制系统。位置环的采样直接采自装在最后一级机械上的位置反馈元件，而电动机上的编码器此时仅作为速度环的反馈，这样就可以消除机械上存在的一切间隙，并且还可以对机械传动上出现的误差进
18、行补偿，达到真正全闭环的功能，这种系统称为全闭环伺服系统，能够实现高精度的位置控制。)解析：三、计算题(总题数：4，分数：8.00)19.如图所示为一机械装置的传动示意图。已知电动机 M 的最大转速 n max 1000rmin，驱动的两级齿轮：z 1 20，z 2 36，z 3 24 z 4 55，丝杠的导程 P10mm。 (1)验算两级齿轮系的传动比是否符合最佳速比分配条件。 (2)求工作台的最大位移速度 v fmax 。 （分数：2.00）_正确答案：(正确答案：(1)由题可知，二级齿轮传动实际速比为 i 1 3620180 i 2 552422917 据最佳速比分配条件： t 2 22
19、91422917 故符合最佳速比分配条件 (2)最大位移速度 v fmax )解析：20.如图为脉冲频率法转速测量原理图，用每转 3000 线的光电编码器测得电动机的转速为 3600rmin。求在 4ms 采样时间所测得的编码器脉冲数。 （分数：2.00）_正确答案：(正确答案：根据转速 n 的计算公式 n )解析：21.已知步进电动机相电流接通顺序为 AABBBCCCAA，其转子齿数为 40。 求：(1)步距角 s 。 (2)当输入脉冲频率 f100Hz 时，电动机的转速。（分数：2.00）_正确答案：(正确答案：(1) s 360(mz r c)360(3402)15 (2)n60f(mz
20、 r c)(60100)(3402)25(rmin)解析：22.某位置随动系统如图所示，已知：G(s) ，G c (s)10008s，当系统输入单位阶跃函数时，求： (1)系统的闭环传递函数。 (2)该系统的自然频率 n 和阻尼比 。 （分数：2.00）_正确答案：(正确答案：(1)(s)G(s)1G(s)G c (s)2500(s 2 70s2500) (2) n )解析：四、简单应用题(总题数：3，分数：6.00)23.如图(a)所示为增量式光电编码器信号处理电路的原理框图。根据给定 a、b 点的波形图如(b)图，画出其余各点的光电输出波形图。 （分数：2.00）_正确答案：(正确答案：
21、)解析：24.一台他励直流电动机，额定电压 120V，额定电流 1A，额定转速 1000rmin，电枢绕组的电阻 20，电动机带动额定负载运行。分别采用两种方法将电机的转速降低至 900rmin。 求：(1)采用降低电枢电压的方法进行调速，调速后电机的电压是多少? (2)采用在电枢绕组中串联电阻的方法进行调速，所需要串联电阻应为多少?（分数：2.00）_正确答案：(正确答案：额定工况下： C e N )解析：25.设有 y 平面上的直线运动路径，源点坐标为(1，1)，终点坐标为(4，19)，两轴只有加速度限制，其中 轴的加速度限制为2，y 轴的加速度限制为3。利用三次多项式样条函数生成点位控制
22、指令，为保证所有轴的加速度都不超过容许值，求协调运动的容许最短时间为多少?（分数：2.00）_正确答案：(正确答案：各轴的运动距离为： 413； y 19118 )解析：五、综合应用题(总题数：2，分数：4.00)26.某控制系统的结构如图所示，已知：G(s) ，G c (s)K p (1 )，求： (1)使剪切频率 c 5s -1 时相位裕量 M 最大的 K p 和 。 (2)最大相位裕量 M 。 (3)单位加速度输入时的稳态误差 e ssa 。 （分数：2.00）_正确答案：(正确答案：(1)统开环传递函数 G K (s)G e (s).G(s) 剪切频率 c 5，故 08 由G(j c )1 得，2K p c ，故 K p 25 (2)最大相位裕量 tan M )解析：27.设计三台电动机控制系统，动作要求：按下起动按钮：M3、M1 运行 50s；换为 M1、M2 运行 50s；换为M2、M3 运行 50s；如此循环，任何时刻按下停止按钮全部停止。试完成设计任务： (1)列出 PLC 系统资源分配表。 (2)画出梯形图程序。（分数：2.00）_正确答案：(正确答案：(1)PLC 系统资源分配袁 起动按钮：000 停止按钮：001 M1 电动机：1000 M2 电动机：1001 M3 电动机：1002 (2)梯形图程序 )解析：
