第一篇：机电一体化习题答案

第一章

1.什么是机电一体化？各国的主要观点有哪些？(P1~3)答：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.试述机电一体化技术与传统机电技术的区别。(P2)答：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.试分析机电一体化系统的组成及相关技术。(P1~3)

答：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？

答：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.试述机电一体化系统的设计方法。

答：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.试述现代设计的概念。（P4）

设计这个词有两种概念。广义的概念是指发展过程的安排，包括发展的方向、程序、细节和达到的目标。狭义的概念指的是将客观需求转化为满足该需求的技术系统的活动，各种产品包括机械产品的设计即属此类。

现代设计是过去长期的传统设计活动的延伸和发展，是随着设计实践经验的积累，由个别到一般、具体到抽象、感性到理性，逐步归纳、演绎、综合而发展起来的。由于科技进步的速度日益增快，特别是计算机技术的高速发展，人们在掌握事物的客观规律和人的思维规律的同时，运用相关的科学技术原理，进行过去难以想象的综合集成设计计算，使设计工作包括机械产品的设计过程产生了质的飞跃。

8.现代设计方法有哪些？（P3～13）

现代设计方法门类众多且不断出新。可按所研究解决的问题性质分为总体问题和个别性能问题两大类：

1.研究总体设计的现代设计方法

(1)设计方法学

(2)价值工程设计(3)优势设计（4)绿色设计(5)计算机辅助设计(6)并行工程设计

(7)虚拟设计

(8)反求工程设计

(9)优化设计及其发展

(10)创新设计技术

2．研究产品性能的现代设计方法

(1)工业产品艺术造型设计(2)模块化设计

(3)相似性设计

(4)摩擦学设计

(5)三次设计

(6)人机工程设计

(7)智能设计

(8)动态设计

(9)可靠性设计

(10)有限元法

(11)机械疲劳设计

9.何为机电一体化系统的四视图设计？（P13）功能视图、结构视图、控制视图和信息视图

第二章

1.什么技术系统？什么是技术过程？什么是作业对象？(P27)例如，为了得到某种复杂形状的金属零件，可通过编程在加工中心上对坯料进行加工。坏料是作业对象，加工中心是技术系统，所完成的加工过程是技术过程。

作业对象一般可分为三大类：物料、能量和信息

2.确定技术过程的一般步骤是什么？(P27)1)根据信息集约和调研预测的资料，分析确定作业对象以及主要转换要求。2)分析比较传统的和现代的理论和实践，确定实现主要转换的工作原理。

3)明确实现技术过程的环境和约束条件。环境是与技术系统发生联系的总和，包括经济条件、生产条件、技术条件、社会条件等。4)确定主要技术过程和其他辅助过程。5)根据高效、经济、可靠、美观、使用方便等原则，初步规定技术系统的边界及工作范围。

3.试述功能设计方法和主要步骤。(P28~30)功能是对技术系统中输入和输出的转换所作的抽象化描述。只有用抽象的概念来表述系统的功能，才能深入识别需求的本质，辨明主题，发散思维，启发创新，总功能逐步分解为比较简单的分功能，一直分解到不能再分解的功能元，形成功能树(一)功能分析(二)功能元求解 1．选择工作原理 2．构思功能载体(三)方案综合

4.功能设计的工具有哪些？（P30）1．设计目录

(1)对象目录

(2)作业日录

(3)解法目录

2．知识库

(1)数据库

(2)设计词典

(3)手册

5.试分析设计与技术系统的关系。

设计若是为了对作业对象完成某种技术过程，设计对象就是人造技术系统。

第三章

1.结构设计有哪些内容？（P78）

宏观地看，结构设计大致有以下三方面内容:

(1)功能设计 以各种具体的结构实现机电一体化系统的功能要求。

(2)质量设计 兼顾各种要求和限制，提高机电一体化系统质量和性能，(3)优化设计和创新设计

充分应用现代设计方法系统地构造设计优化模型，用创造性设计思维方法进行机电一体化系统设计的优化和创新。

2.机电一体化系统中运动联系结构的基本单元有哪些？(P87)

需要联轴器、减速、变速装置及运动换向与转换装置等基本传动结构

3.滚动导轨副的品质用那几方面来衡量？(P108)

(1)导向精度

导向精度是导轨副最基本的性能指标。移功件在沿导轨运动时，不论有无载荷，部应保证移动轨迹的直线性及其位置的精确性。各种设备对导轨副的平面度，垂直度及等高、等距的要求都有相应的规定或标准可以参照。

(2)耐磨性

导轨副应在预定的使用期内，保持其导向精度。精密滚动导轨副的主要失效形式是磨损。因此，耐磨性是衡量滚动导轨副性能的主要指标之一。

(3)刚度 为了保证足够的刚度，应选用最合适的导轨类型、尺寸及其组合。选用可调整间隙和能够预紧的导轨副可以提高刚度。

(4)工艺性

导轨副要便于装配、调整、测量、防尘、润滑和维修保养。

4.结构设计品质是指在那些方面应注意的问题？（P116）

结构设计品质是指结构强度和静刚度、结构动刚度、结构热稳定性和结构工艺性等四大方面应注意的问题

第四章

1.机电一体化系统中控制器的作用是什么？它的基本功能应包括那些？(P149~150)机电一体化机械的控制器是一个以计算机为核心的测量和控制系统它将来自各传感器的检测信号与外部输人命令进行集中，存储、分析、转换，根据信息处理结果，按照一定的程序和节奏发出相应的指令，控制整个系统有目的的运行。

它的基本功能应包括以下几点: 1)实时的信息转换和控制功能。2)人机交互功能。3)和机电部件接口的功能。4)对控制软件运行的支持功能。

2.单板机模式的控制系统有哪些特点？(P150)

1)结构形态的随意性。

2)空间位置的随意性。

3)形态规模的随意性。

4)最佳的经济性。

3.组合模式的控制系统有哪几种模式？(P150~151)

采用商品化硬件模块通过总线母板组合成控制系统．具有多种灵活的组成模式，它可以自成系统，即采用独立模式；也可以方便地作为其他小型、微型计算机的前端控制机，或者组成分布式系统的典型的分散系统。

4.在工控机中对存储器有哪些要求？(P153)

像个人计算机存储代码和数据供CPU或其他设备读写

(1)可靠性高

即抗干扰能力强，能在恶劣的工业现场环境下准确进行读写操作。

(2)实时性好

能满足工业控制系统对存储器访问的要求。

(3)功耗低

降低自然发热造成的温升，并可用电池供电。

(4)数据存储器非易失性

这并不是对全局存储器的要求，但系统中至少有局部非易失数据段或程序代码段，以便能长期保存数据，并在系统突然停电后再重新启动时能迅速恢复现场运行

5.I/O子系统的作用是什么？按其物理量的形式分成哪两大类？(P153~154)

控制器除了基本系统以外，还应包括各种检测、控制量的输入输出接口，这部分功能称为I/O子系统。按其物理量的形式来分，一般可分成开关量(数字量)I/O即DI／DO、模拟量I/O即AI/AO两大类。

6.什么是总线？控制系统中包括哪些总线？各总线作用是什么？(P154~155)所谓总线是指一组信号线的集合，是一种按规定协议传送信息的公共通道，由数据总线、地址总线、控制总线和电源总线组成。

7.简述控制系统的基本组成。（P152～155）

(一)中央处理单元(CPU)(二)存储器

(三)机电一体化控制系统的I/O子系统(四)人--机接口(五)系统支持功能(六)总线

8.什么是计算机数控系统(CNC)？(P155)计算机数控系统简称CNC系统，它是用计算机通过执行其存储器内的程序来完成数控要求的部分或全部功能，并配有接口电路、伺服驱动的一种专用计算机系统。

9.计算机数控系统(CNC)由哪几部分组成？(P155)CNC系统由程序、输入输出设备、计算机数字控制装置(CNC装置)、可编程序控制器(PLC)、主轴驱动和进给驱动装置等组成，第五章

1.根据自动化机械的基本模型，简述信息流主要集中在那些子系统中？(P195)信息流主要集中在人机界面、检测机构和控制器。

2.现代机械和传统机械最本质的区别是什么？(P195)现代机械和传统机械最本质的区别是现代机械中具有信息流。信息系统保证了机电一体化系统基本单元(MEE)的正确运行，也使许多基本MEE耦合组成复杂的机电一体化系统。

3.在机电一体化系统设计中信息流的作用是什么？(P196)信息系统保证了机电一体化系统基本单元(MEE)的正确运行，也使许多基本MEE耦合组成复杂的机电一体化系统。

信息流是软件总体设计的基础。

4.信息流是如何分类的？(P196)从信息流的形态来分，信息流可以是借助于机、光、声、电等介质传输的信号，也可以是语言、文字、图表、图像等抽象的信号，在计算机内部则是数据表示的数据流。从信息流的功能来分，有控制信息流、检测信息流、数据信息流、显示信息流等。以信息流的流向来分，可分为输入信息流、变换信息流、输出信息流等。

5.分析信息流和数据流有什么意义？(P196)1)对机电一体化系统的工作原理和工作过程有深刻理解。

2)可对系统进行深入的总体分析与规划，以达到解耦与集成的目的。

3)信息流是软件总体设计的基础。按软件工程方法，从数据流可确定软件的结构，并定义此结构中包含的程序模块。同时也可以定义数据库项、格式、规模和存取方法。特别是“全量程”的定义，即用于两个以上的程序模块内的那些量的定义.6.分析信息流的基本工具有哪些？(P196～198)(一)信息流的基本环节(二)数据流程图(三)信息流和软件结构

7.人机输入界面的基本硬件有哪些？(P204)其基本硬件是键盘、开关(包括操作按钮和触摸屏等)，并通过CRT实现人机交互。

8.输出界面的信息流中对执行机构的控制信息输出有哪几种形式？(P215)1)直接开关量的输出。

2)脉冲序列和运动方向控制标记。

3)直接数字输出。4)模拟量输出。

5)其他控制器控制执行机构

第六章

1.简述机电一体化可重构系统设计提出的背景。(P229～230)1)新产品不断涌现，产品更新换代加快。

2)社会对产品的需求趋于多样化、个性化和动态化，顺应客户爱好(也称客户化或定制)、多品种中小批量生产已成为生产方式的主流。

3)市场对企业的要求从原来的对质量、成本的要求演变为现在的对时间(Time)、质量(Quality)、成本(Cost)、创新(Innovation)、服务(Service)和环境(Environment)等诸多方面的要求，时间已成为竞争力的第一要素，能否在最短的时间内开发出最新的产品并推向市场，是赢得市场竞争的关键。

4)可持续发展的理念及对生态环境方面的关注，使人们在生产过程和消费过程中更注意生态和环境方面的相容性和友善性，综合考虑产品的环境影响与资源效率已成潮流。

2.什么是可重构制造系统（RMS）?(P230)可重构制造系统(Reconfigurable Manufacturing System，RMS)是指能够通过对制造系统结构及其组成单元的快速重组或更新，及时调整制造系统的功能和生产能力，以迅速响应市场变化及其他需求的一种制造系统。

3.可重构制造系统（RMS）的重构分为哪几个层次？(P230)1)制造系统级的重构。2)制造设备级的重构。3)子系统或部件层的重构。

4.对于可重构制造系统（RMS）而言，可重构控制系统的技术基础是什么？(P230)开放式结构控制器是可重构控制系统的重要基础技术。

5.机电一体化可重构系统设计的目标是什么？(P231)1)低的生产成本和重构成本的综合值(cost)。2)短的设计建造时间和斜升时间（Time)。3)最大限度地利用已有的资源（Resource)。4)在公共地基上达到物流最优(Stream)。

6.机电一体化可重构系统的特征是什么？(P231～232)1)模块性(Modularity)2)可集成性(Integrability)3)可转换性(Convertibility)4)可诊断性(Diagnosability)5)客户化性(Customization)

7.可重构机床设计的主要目的是什么？可重构机床包括那些内涵？(P232)主要目的是使机床能快速低成本地适应被加工零件的各种变化。

1)可重构机床综合了流水线机床和数控机床的优点，它每次提供给客户确定的、满足其当前需要的功能和生产能力，同时当客户的需求发生变化时，可快速改变机床的硬件和软件结构，以较低的成本在一个零件族内快速调节／升级生产能力和功能性。2)可重构机床由可重构的硬/软件组成。

3)可重构机床必须设计开始就考虑可重构性，而且必须由基本的硬／软件模块创建，能够通过所设计的接口快速集成。

4)可重构机床是开放的、模块化结构。

8.机械加工中常用的三类机电一体化系统是什么？(P232)DML、FMS和RMT三类机电一体化系统

第二篇：机电一体化答案

I

目录

机电一体化技术第1 章习题-参考答案

.................................................................................1 1-1 试说明较为人们接受的机电一体化的含义。............................................................1 1-4 何谓机电一体化技术革命？

........................................................................................1 1-7.机电一体化系统有哪些基本要素组成？分别实现哪些功能？

.................................1 1-8.工业三大要素指的是什么？........................................................................................1 1-12.机电一体化系统的接口功能有哪两种？..................................................................1 1-16.什么是机电互补法、融合法、组合法？..................................................................1 机电一体化技术第2 章习题-参考答案

.................................................................................2 2-1 设计机械传动部件时，为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，常常提出哪些 要求？.................................................................................................................................2 2-2 机电一体化系统传动机构的作用是什么？................................................................2 2-3 机电一体化系统（产品）对传动机构的基本要求是什么？

.....................................2 2-10 现有一双螺母齿差调整预紧式滚珠丝杠，其基本导程λ0=6mm、一端的齿轮齿 数为 100、另一端的齿轮齿数为98，当其一端的外齿轮相对另一端的外齿轮转过2 个齿时，试问：两个螺母之间相对移动了多大距离？

...................................................2 2－16 各级传动比的分配原则是什么？输出轴转角误差最小原则是什么？...............2 2－17 已知：4 级齿轮传动系统，各齿轮的转角误差为∆φ1=∆φ2=∆φ3=…=0.005 rad,各 级减速比相同，即ί1=ί2=…=ί4=1.5。求：该传动系统的最大转角误差∆φmax;为缩小 ∆φmax，应采取何种措施？

...............................................................................................2 2－18 谐波齿轮传动有何特点？传动比的计算方法是什么？

.......................................3 2-19.设有一谐波齿轮减速器,其减速比为100，柔轮齿数为100.当刚轮固定时,试求该 谐波减速器的刚轮齿数及输出轴的转动方向(与输入轴的转向相比较).........................3 2-20.齿轮传动的齿侧间隙的调整方法有哪些?................................................................3 2-25.轴系部件设计的基本要求有哪些？..........................................................................4 机电一体化技术第3 章参考答案

..........................................................................................5 3-1 简述机电一体化系统执行元件的分类及特点。........................................................5 II

3-2 机电一体化系统对执行元件的基本要求是什么？....................................................5 3-3 简述控制用电动机的功率密度及比功率的定义。....................................................5 3—5 直流伺服电机控制方式的基本形式是什么？..........................................................5 3-6 简述 PWM 直流驱动调速，换向的工作原理。.........................................................6 步进电机具有哪些特点？

..................................................................................................6 简述步进电机三相单三拍的工作原理？..........................................................................6 3-11 简述步进电机步距角大小的计算方法？.................................................................7 3-12 简述三相步进电机的环形分配方式？...............................................................7 简述步进电机驱动电源的功率放大电路原理..................................................................7 机电一体化技术第4 章参考答案

..........................................................................................9 试说明CPU、MC 和MCS 之关系。..................................................................................9 4-

3、在设计微机控制系统中首先会遇到的问题是什么？.............................................9 4-17 试说明光电耦合器的光电隔离原理。......................................................................9 4-20 试说明检测传感器的微机接口基本方式。

..............................................................9 机电一体化技术第5 章参考答案

........................................................................................11 5-2 简述采样定理？.........................................................................................................11 5-3 简述数字控制系统A/D 转换过程。

..........................................................................11 5-5 简述多输入多输出系统的静力学方程。..................................................................11 5-6 简述两自由度机器人逆动力学方程。

......................................................................12 机电一体化技术第7 章参考答案

........................................................................................13 7-3 机电一体化系统中的典型负载有哪些？说明以下公式的含义：

...........................13 7-4 设有一工作台x 轴驱动系统，已知参数为下表中所列，已知mA=400 ㎏，Ph=5mm,Fl 水平=800N，Fl 垂直=600N，工作台与导轨间为滑动摩擦，其摩擦系数为 0.2，试求转换到电动机轴上的等效转动惯量和等效转矩。

........................................13 7-5.简述机电一体化系统的数学模型建立过程。比例环节（P）、积分环节(I)、比例-积分环节(PI)和比例-积分-微分调节(PID)各有何优缺点？.............................................14 7-8 何谓机电一体化系统的“可靠性”？

......................................................................17

机电一体化技术第 1章习题-参考答案

1-1 试说明较为人们接受的机电一体化的含义。

答：机电一体化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。

1-4 何谓机电一体化技术革命？

答：将微型计算机等微电子技术用于机械并给机械以“智能”的技术革新潮流可称 “机电一体化技术革命”。

1-7.机电一体化系统有哪些基本要素组成？分别实现哪些功能？

答：

机电一体化系统（产品）要素

功能

控制器（计算机等）

控制（信息存储、处理、传送）

检测传感器

计测（信息收集与变换）

执行元件

驱动（操作）

动力源

提供动力（能量）

机构

构造

1-8.工业三大要素指的是什么？

答：物质、能量、信息。

1-12.机电一体化系统的接口功能有哪两种？

答：一种是变换、调整;

另一种是输入/输出。

1-16.什么是机电互补法、融合法、组合法？

答：机电互补法又称取代法。该方法的特点是利用通用或专用电子部件取代传统机械产品（系统）中的复杂机械功能部件或功能子系统，以弥补其不足。

融合法它是将各组成要素有机结合为一体构成专用或通用的功能部件（子系统），其要 素之间机电参数的有机匹配比较充分。

组合法它是将结合法制成的专用或通用功能部件（子系统）、功能模块，像积木那样组 合成各种机电一体化系统（产品），故称组合法。2

机电一体化技术第 2章习题-参考答案 2-1 设计机械传动部件时，为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，常常提 出哪些要求？

答：常提出低摩擦、无间隙、低惯量、高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比等。

2-2 机电一体化系统传动机构的作用是什么？

答：传递转矩和转速。

2-3 机电一体化系统（产品）对传动机构的基本要求是什么？

答：精密化，高速化，小型、轻量化。

2-10 现有一双螺母齿差调整预紧式滚珠丝杠，其基本导程λ0=6mm、一端的 齿轮齿数为 100、另一端的齿轮齿数为 98，当其一端的外齿轮相对另一端的外 齿轮转过 2 个齿时，试问：两个螺母之间相对移动了多大距离？

答：Z1 =100，Z2 =98，ΔS=(2/Z1)* λ0=0.02*6 mm=0.12 mm。

2－16 各级传动比的分配原则是什么？输出轴转角误差最小原则是什么？

答：（1）各级传动比的分配原则是：

重量最轻原则

输出轴转角误差最小原则 等效转动惯量最小原则

（2）输出轴转角误差最小原则是：

为提高机电一体化系统齿轮传动的精度，各级传动比应按先小后大的原则分配，以

便降低齿轮的加工误差、安装误差以及回转误差对输出转角精度的影响。总转角误差主要 取决于最未一级齿轮的转角误差和转动比的大小，在设计中最未两级传动比应取大一些，并尽量提高最未一级齿轮的加工精度。

2－17

已知：4 级齿轮传动系统，各齿轮的转角误差为∆φ1=∆φ2=∆φ3=… =0.005 rad,各级减速比相同，即ί1=ί2=…=ί4=1.5。求：该传动系统的最大转 角误差∆φmax;为缩小∆φmax，应采取何种措施？

解：（1）

∆φmax= i + 4 3 2 3 2 i i i

+ 4 3 5 4 i i

+ 4 7 6 i +∆φ8

=0.005/1.5 4 +0.01/1.5 3 +0.01/1.5 2 +0.01/1.5+0.005

=0.00099+0.00296+0.00444+0.00667+0.005

=0.02006 rad 3

=1.1499

o

（1）

总转角误差主要取决于最未一级齿轮的转角误差和传动比的大小，所以，为缩小∆ φmax，在设计中最未两级的传动比应取大一些，尽量提高最未一级轮副的加工精 度。

2－18 谐波齿轮传动有何特点？传动比的计算方法是什么？

答：（1）谐波齿轮传动特点有：结构简单、传动比大、传动精度高、回程误差小、噪声 低、传动平稳、承载能力强、效率高等特点。

谐波齿轮传动的波发生器相当于行星轮系的转臂，柔轮相当于行星轮，刚轮则相当于 中心轮。故谐波齿轮传动装置的传动比可以应用行星轮系求传动比的方式来计算。设 H g r、、分别为刚轮、柔轮和波形发生器的角速度，则

g H r H rg g H r Z i Z。

当柔性轮固定时，g g g r g H H r H rg Hg g H r H g g g g r Z Z Z Z Z i i Z Z Z Z Z

当刚性轮固定时，0 g g r H r H r Hr H r H r g r g Z Z Z i Z Z Z Z

2-19.设有一谐波齿轮减速器,其减速比为 100，柔轮齿数为 99 当刚轮固定时, 试求该谐波减速器的刚轮齿数及输出轴的转动方向(与输入轴的转向相比较)答：根据公式:iHr=Zr/(zr-zg)可知:

当 iHr=100 时,Zg=99,（但一般刚轮齿数比柔轮齿数多，所以舍去）

当 iHr=-100 时,Zg=101;

故该谐波减速器的刚轮齿数为 101,（柔轮）输出轴方向与（波发生器）输入轴转向相反。

(提示：一般来说，刚轮仅比柔轮多几个齿；刚轮固定时，柔轮与输出轴固联；柔轮固定 时，刚轮与输出轴固联，两种情况下，波发生器均与输入轴固联)

2-20.齿轮传动的齿侧间隙的调整方法有哪些?

答(1)圆柱齿轮传动:1 偏心套(轴)调整法;2 轴向垫片调整法;3 双片薄齿轮错齿调整法。

(2)斜齿轮传动:错齿调整法,用两个薄片齿轮与一个宽齿轮啮合,只是在两个薄片斜齿轮 的中间隔开了一小段距离,这样它的螺旋线便错开了。

（3）锥齿轮采用弹簧调整方式。

2-25.轴系部件设计的基本要求有哪些？

答：①旋转精度

②刚度

③抗震性

④热变形

⑤轴上零件的布置 5

机电一体化技术第 3章参考答案 3-1 简述机电一体化系统执行元件的分类及特点。

答: 种 类

特点

优点

缺点

电 动 式

可使用商用电源；信号 与动力的

传动方向相同；有交流 和直流之

别，应注意电压之大小

操作简便；编程容易；能 实现

定位伺服；响应快、能与 CPU

相接；体积小、动力较 大；无污

染

瞬时输出功率大；过载能力 差，特别是由于某种原因而 卡住是，会引起烧毁事故，易受外部噪声影响

气 动 式

空气压力源的压力为（5-7）×10 5 Pa；要求

操作人员技术熟练

气源方便、成本低；无泄 漏污染

速度快、操作比较简单

功率小，体积大，动作不够平稳，不易小型化，远距离 传输困难，工作噪声大，难 于伺服

液 动 式

要求操作人员技术熟 练；液压源压力（20-80）×10 5 Pa

输出功率大，速度快，动 作平稳，可实现定位伺 服；易于 CPU 相接；响应 快

设备难于小型化，液压源或 液压油要求（杂质、温度、油量、质量）严格；易泄露 且有污染

3-2 机电一体化系统对执行元件的基本要求是什么？

答: 1 惯量小、动力大

体积小、重量轻便于维修、安装

易于微机控制

3-3 简述控制用电动机的功率密度及比功率的定义。

答:电动机的功率密度 PG=P/G.电动机的比功率 dp/dt=d(Tw)/dt=Ts/dt|t=tn=Tn 2 /Jm

其中 Tn----电动机的额定转矩，N*M Jm——电动机转子的转动惯量,kg*m 2

3—5 直流伺服电机控制方式的基本形式是什么？

答: 直流伺服电机为直流供电，为调节电动机的转速和方向，需要对其直流电压的大小和 方向进行控制。目前常用晶体管脉宽调理驱动和晶闸管直流调速驱动两种方式。

晶闸管直流驱动方式，主要通过调节触发装置控制晶闸管的触发延迟角（控制电压的大 小）来移动触发脉冲的相位，从而改变整流电压的大小，使直流电动机电枢电压的变化易 于平滑调速。

脉宽调制（PWM）直流调速驱动系统当输入一个直流控制电压 U 时，就可得到一定宽度与 U 成比例的脉冲方波给伺服电机电枢回路供电，通过改变脉冲宽度来改变电枢回路的平均电 压，从而得到不同电压的电压值 Ua，使直流电动机平滑调速。6

3-6 简述 PWM 直流驱动调速，换向的工作原理。

答：通过电源的通断来获得电压脉冲信号，控制通断的时间比来获得不同的电压脉冲，通 的时间越长，获得的平均电压越大，电机转的就快，反之，电机转的就慢。电机的换向是 通过桥式电路来实现的，它是由四个大功率的晶体管组成，通过在不同晶体管的基极加正 负脉冲从而实现电机的转向控制。为使其实现双向调速，多采用桥式电路，其工作原理与 线性放大桥式电路相似。

电桥由四个大功率的晶体管组 成。分别记作 1.2.3.4.如果在 1 和 3 的基极上加以正脉冲的同 时，在 2 和 4 的基级上加以负脉 冲，这时 1 和 3 导通，2 和 4 导 通。设此时的电动机转向为正； 反之，则为负。电流的方向与前 一情况相反，电动机转向，显

然，如果改变加到 1 和 3，2 和 4 这两组管子基极上控制脉冲的正 负和导通率就可以改变电动机的 转向和转速。

步进电机具有哪些特点？

答： 步进电机的工作状态不易受各种干扰因素（如电源电压的波动、电流的大小与波形 的变化、温度等）的影响，只要在他们的大小引起步进电机产生“丢步”的现象之 前，就不影响其正常工作； 步进电机的步距角有误差，转子转过一定步数以后也会出现累计误差，但转子转过 一转以后，其累计误差变为“零”，因此不会长期累积；控制性能好，在起动、停止、反转时不易“丢步”

因此，步进电机广泛应用于开环控制的机电一体化系统，使系统简化，并可靠地获得 较高的位置精度。

简述步进电机三相单三拍的工作原理？

答：如教材图例所示：如果先将电脉冲加到 A 相励磁绕组，定子 A 相磁极就产生磁通，并

对转子产生磁拉力，使转子的 1 3 两个齿与定子的 A 相磁极对齐，而后再将电脉冲通入

B 相磁绕组，B 相磁极便产生磁通，这时转子 2 4 两个齿与 B 相磁极靠的最近，于是转子便

沿着逆时针方向转过 30 度角，使转子 2 4 两个齿与定子 B 相磁极对齐。如果按照 A→C→B →A„„的顺序通电，步进电机讲沿顺时针方向一步步地转动。7

3-11 简述步进电机步距角大小的计算方法？

答： a=360/（K*M）

式中：Z=转子齿数。

M=运行拍数。通常等于相数或相数整数倍，即 M=K*N（N 为电动机的相

数，单拍是 K=1，双拍时 K=2）。

3-12 简述三相步进电机的环形分配方式？

答：1.采用计算机软件，利用查表式计算方法来进行脉冲的环形分配，简称软环分。2.采 用小规模集成电路搭接而成的脉冲分配器。3.采用专用环形分配器件。

简述步进电机驱动电源的功率放大电路原理.答：

单电压功率放大电路

如图所示 ABC 分别为步进电机的三相，每一项由一组放大器驱动。没有脉冲输入时 3DK4 和

3DD15 功率晶体管截止，绕组中无电流通过，电机不转。当 A 相得电时，步进电机转动一

步，当脉冲依次加到 ABC 三个输入端时，三组放大器分别驱动不同的绕组，是电机一步一

步的转动。电路终于绕组并联的二极管 VD 其续流作用记在功率截至时，是储存在绕组中的

能量通过二级管形成续流回路泄放，从而保护功放管。

高低压功串放大电路

（一）无脉冲输入时，VT1、VT2、VT3、VT4 均截止，电动机绕组 W 无电流通过，电动机不转。有

脉冲通过时，VT1、VT2、VT3、VT4 饱和导通，在 vt2 有截止到饱和期间，其集电极电流，迅速上升。当 vt2 进入稳态后 t1 一次测电流暂时恒定，无磁通变化二次侧的感应电压为 零，vt3 截止。12v 低电压经 vd1 加到电动机绕组我 w 上并维持绕组中的电流。输入结束后

vt1、vt2、vt3、vt4 又都截止，储存在 w 中的能量通过 18 欧姆的电阻和 vd2 放电，电阻 的作用时间小放电回路的时间常数，改善电流波形的后沿。8

机电一体化技术第 4章参考答案

试说明 CPU、MC 和 MCS 之关系。

答：微处理机简称 CPU，它是一个大规模集成电路器件或超大规模集成电路器件，器 件中有数据有数据通道、多个寄存器、控制逻辑和运算逻辑部件，有的器件还含有时钟电 路，为器件工作提供定时信号。

微型计算机简称 MC。它是以微处理机为中心，加上只读存储器，随机存取存储器，输 入|输出接口电路、系统总线及其他支持逻辑电路组成的计算机。

上述微处理机、微型计算机都是从硬件角度定义的，而计算机的使用离不开软件支

持。一般将配有系统软件、外围设备、系统总线接口的微型计算机系统，简称 MCS。

3、在设计微机控制系统中首先会遇到的问题是什么？

答： 在设计微机控制系统时，首先会遇到专用与通用的抉择和硬件与软件的权衡问题。

4-17 试说明光电耦合器的光电隔离原理。

答:光电隔离电路主要 由光电耦合器的光电 转换元件组成，如下 图所示.控制输出时，从上图 a 可知，微机输出的控 制信号经 74LS04 非门 反相后，加到光电耦 合器 G 的发光二极管 正端。当控制信号为

高电平时，经反相后，加到发光二极管正端的电平为低电平，因此，发光二极管不导通，没有光发出。这时光敏晶体管截止，输出信号几乎等于加在光敏晶体管集电极上的电源电 压。当控制信号为低电平时，发光二极管导通并发光，光敏晶体管接收发光二极管发出的 光而导通，于是输出端的电平几乎等于零。同样的道理，可将光电耦合器用于信息的输 入，如上图 b所示。

4-20 试说明检测传感器的微机接口基本方式。

答：①模拟量接口方式：传感器输出信号→放大→采样/保持→模拟多路开关→A/D 转换→ I/O 接口→微机

②开关量接口方式：开关型传感器输出二值式信号(逻辑 1 或 0)→三态缓冲器→微机 10

③数字量接口方式：数字型传感器输出数字量(二进制代码、BCD 代码、脉冲序列等)→计数器→三态缓冲器→微机 11

机电一体化技术第 5章参考答案

5-2 简述采样定理？

如果 是有限带宽信号，即| |> 时，E（j）=0。而 是 e（t）的理想

采样信号，若采样频率 ,那么一定可以有采样信号 唯一地决定出原始信号 e（t）。也就是说，若，则由 可以完全地恢复 e（t）。

5-3 简述数字控制系统 A/D 转换过程。

模/数转换装置每隔 T 秒对输入的连续信号 e（t）进行一次采样，采样信号为 e*（t），如 图 a 所示。该采样信号是时间上离散而幅值上连续的信号，它不能直接进入计算机进行运 算，必须经量化后成为数字信号才能为计算机所接受。将采样信号经量化后成为数字信号 的过程是一个近似过程，称量化过程。现对量化过程作简单的说明：将采样信号 e*（t）的变化范围分成若干层，每一层都用一个二进制数码表示，这些数码可表示幅值最接近它 的采样信号。如图 b 所示，采样信号 A1为 1.8V，则量化值 A1 ’为 2V，用数字 010 来代表； 采样信号 A2为 3.2V，则量化值 A2 ‘为 3V，用数字量 011 代表。这样就把采样信号变成了数 字信号。

a

b

5-5 简述多输入多输出系统的静力学方程。

答 ： 设 对 微 小 输 入 位 移 有 微 小 的 输 出 位 移，则输入功的总和和输出功的总和分别为：

其中

忽略机构内部机械损失时，两式相等。由于 相互独立，则对第 i 个输入有

用 表示输入力（或转矩）时，写成式中 ——力（或转矩）的变换系数，是 n*m 矩阵。

5-6 简述两自由度机器人逆动力学方程。

答：首先利用逆运动学方法将轨迹｛x(t),y(t)｝变换成为关节运动φ1(t)、φ2(t)，然后

从φ1和φ2导出计算关节力矩 T1、T2的计算公式。由平面几何学知识，可得逆运动学解为

=

=

式中

p=，q=。

逆运动学解可由 Lagrange 公式解出。设计器人得负载只有各臂端部的质量，则

= ]*[ ]+

式中第一项相当于惯性项，第二项相当于离心力与哥氏力。13

机电一体化技术第 7章参考答案

7-3 机电一体化系统中的典型负载有哪些？说明以下公式的含义：2 1 1 m n j k i cq i j i i k k v J m J

答：典型负载是指惯性负载、外力负载、弹性负载、摩擦负载（滑动摩擦负载、粘性摩擦 负载、滚动摩擦负载等）。对具体系统而言，其负载可能是以上几种典型负载的组合，不一 定均包含上述所有负载项目。

第一式表示等效转动惯量。该系统运动部件的动能总和为 2 2 1 1 1 1 2 2 m n i i j j i i

设、等效到元件输出轴上的总动能为 2 1 2 k k cq k，由能量守恒：E =E k

故2 1 1 m n j k i cq i j i i k k v J m J

用工程上常用单位时，可将上式改写为 2 2 2 1 1 1 4 m n j k i cq i j i i k k n v J m J

第二式表示等效负载转矩。设上述系统在时间 t 内克服负载所作的功德总和为： 1 1 m n i i j j i j，同 理，执 行 元 件 输 出 轴 在 时 间 t 内 的 转 角 为

k k 则，执行元件所作的功为 k K eq k，由 1 / / m n k eq i i k j j k i j，或 1 1 / / 2 m n k eq i i k j j k i j T Fv n T n n

7-4 设有一工作台 x 轴驱动系统，已知参数为下表中所列，已知 mA=400 ㎏，Ph=5mm,Fl 水平=800N，Fl 垂直=600N，工作台与导轨间为滑动摩擦，其摩 擦系数为 0.2，试求转换到电动机轴上的等效转动惯量和等效转矩。

答：

（1）由公式：2 2 1 1 1 4 m n j k i cq i j i i k k

得： n v J m J

可得：v1=n 丝*Ph/1000（和转速 n的单位要统一所以不必算出最终值）

J k eq =1/4л2 ma(v1/nk)2 +JG1(nG1/ nk)2 +JG2(nG2/ nk)2 +JG3(nG3/ nk)2 +JG4(nG4/ nk)2 +JⅠ(nⅠ/ nk)2 +JⅡ(nⅡ/ 14

nk)2 +J 丝（n 丝/ nk）2 +Jm=0.0508()

（2）当工作台向右时：

F=F*u-FL 水平=(FL 垂直+G)*u-FL 水平=（600+400*9.8）*0.2-800=104（N）

由 1 1 / / m n k eq i i k j j k i j

得：TK= F*V/nk/（2*pi）=F*（n 丝*Ph/1000）/nk/（2*pi）=104*(180*5/1000)/*720/(2*3.14)= 0.0207（N*m）。

（3）当工作台向左时：

F=(FL垂直+G)*u+ FL水平=（600+400*9.8）*0.2+800=1704（N）TK=(F*V/nk)/(2*pi)==0.339（N*m）

Matlab程序：

n1=720;n2=360;n3=360;n4=180;n11=720;n22=360;ns=180;nd=720;ph=5;pi=3.1415927;j1=.01;j2=.016;j3=.02;j4=.032;j11=.024;j22=.004;js=.012;jd=.004;v1=ns*ph*.001;

a=400*(v1/nd)^2/(4*pi^2)b=j1

c=j2*(n2/nd)^2 d=j3*(n3/nd)^2 e=j4*(n4/nd)^2 f=js*(ns/nd)^2 g=j11*(n11/nd)^2 h=j22*(n22/nd)^2

J=400*(v1/nd)^2/(4*pi^2)+j1+j2*(n2/nd)^2+j3*(n3/nd)^2+j4*(n4/nd)^2+js*(ns/nd)^2+j11*(n11/ nd)^2+j22*(n22/nd)^2+jd fs=800;fc=600;ma=400;fiz=fs+(fc+ma*9.8)*0.2;fiy=-fs+(fc+ma*9.8)*0.2;tiz=fiz*v1/nd /(2*pi);tiy=fiy*v1/nd /(2*pi);

7-5.简述机电一体化系统的数学模型建立过程。比例环节（P）、积分环节(I)、比例-积分环节(PI)和比例-积分-微分调节(PID)各有何优缺点？

答：在稳态设计的基础上，利用所选元部件的有关参数，可以绘制出系统框图，并根据自 动控制理论基础课所学知识建立各环节的传递函数，进而激励系统传递函数。

以闭环控制方式为例：

图（1）为检测传感器装在丝杆端部的半闭环伺服控制系统。它的系统框图如图（2）所 示。该图的传递函数为 15

G（s）= =

=

=

式中：K=

(1)用滚珠丝杠传动工作台的伺服进给系统

（2）系统框图

-前置放大器增益；-功率放大器增益；-直流伺服电机增益；

-速度反馈增益；-直流伺服电机时间常数；-减速比；

-位置检测传感器增益；（s）-输入电压的拉氏变换；

-丝杠输出转角的拉氏变换

当系统受到外扰动转矩 时，图（2）就变为图（3）。为分析方便起见，见图（3）改画成 图（4）所示，则传递函数为：

G(s)= = 16

（3）附加扰动力矩（以电压 表示）的系统框图

-直流伺服电机的转矩常数；-直流伺服电机转子的绕组阻抗；

-功率放大器的输出阻抗；-对应于扰动力矩的等效扰动电压的拉氏变换

（4）附加扰动力矩的等效电压后的框图

比例调节（P）、积分调节（I）、比例-积分调节（PI）和比例-积分-微分调节（PID）各自 的优缺点

（1）比例（P）调节

比例调节网络图如图（a），其传递函数为

Gc(s)=–Kp

式中 Kp=R2/R1

它的调节作用的大小主要取决于增益 Kp 的大小。Kp 越大，调节作用越强，但是存在调 节误差。而且 Kp太大会引起系统不稳定。

（2）积分（I）调节

积分调节网络图如图(b)，其传递函数为

Gc(s)=1/（Tis）

式中 Ti=RC。

系统中采用积分环节可以减少或消除误差，但由于积分环节效应慢，故很少单独使 用。

（3）比例-积分（PI）调节

其网络如图(c)。他的传递函数为

Gc(s)=–[ KP（1+1/（Tis））] 式中 Kp=R2/R1；Ti=R2C。

这种循环既克服了单纯比例环节有调节误差的缺点，又避免了积分环节响应慢的弱17

点，既能改善系统的稳定性能能，又能改善其动态性能。

（4）比例-积分-微分（PID）调节

这种调节网络的组成如图（d），其传递函数为

Gc(s)=–Kp[1+1⁄（Tis）+Tds ]

式中 Kp=（R1C1+R2C2）/(R1R2)；Ti=R1C1+R2C2;T=R1C1R2C2 ⁄(R1C1+R2C2)。

这种校正环节不但能改善系统的稳定性能，也能改善其动态性能。但是，由于它含有

微分作用，在噪声比较大或要求响应快的系统中不宜采用；PID 调节器能使闭环系统更加 稳定，其动态性能也比用 PI调节器时好。

7-8 何谓机电一体化系统的“可靠性”？

答：机电一体化可靠性是指，系统（产品）在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能 力。2 2 2 2 2 3 1 2 4 1 2 3 4 2 1 4 k si A cq A si D k k k k k k n n v n n n J m J J J J J J

第三篇：机电一体化答案

1、控制用电机有哪些种类、特点及应用？

控制用电动机：力矩电动机、脉冲电动机、开关磁阻电动机、变频调速电动机和各种AC/DC电动机...在额定输出功率相同的条件下，比功率（dp/dt）：交流伺服电机>直流伺服电机>步进电机。

控制用旋转电机按工作原理分：（1）旋转磁场型：同步电动机（永磁）、步进电机（永磁）；（2）旋转电枢型：直流电动机（永磁）、感应电动机（按矢量控制等效模型）；

DC伺服电机（永磁）：槽铁心电枢型、无槽（平滑型）铁心电枢型、电枢型—无槽（平滑）铁心型与无铁心型。AC伺服电机：同步型SM、感应型IM 步进电机：变磁阻型（VR）、永磁型（PM）、混合型（HB）

DC伺服电机：

1、高响应特性；

2、高功率密度（体积小、重量轻）；

3、可实现高精度数字控制；

4、接触换向部件（电刷与换向器）需要维护。应用：NC机械、机器人、计算机外围设备、办公机械、音响和音像设备、计测机械。

晶体管式无刷直流伺服电机：

1、无接触换向部件；

2、需要磁极位置检测器（如同轴编码器等）；

3、具有DC伺服电机的全部优点。应用：音响和音像设备、计算机外围设备。

AC伺服电机（永磁同步型）:

1、无接触换向部件；

2、需要磁极位置检测器（如同轴编码器等）；

3、具有DC伺服电机的全部优点;

4、对定于电流的激励分量和转矩分量分别控制。应用：音响和音像设备、计算机外围设备、NC机械、机器人。

AC伺服电机（感应型（矢量控制））：

1、对定于电流的激励分量和转矩分量分别控制；

2、具有DC伺服电机的全部优点。应用：NC机械、机器人。

步进电机：

1、转角与控制脉冲数成比例，可构成直接数字控制；

2、有定位转矩；

3、可构成廉价的开环控制系统。应用：计算机外围设备、办公机械、数控装置

2、直流伺服电机的驱动方式有哪几种？ 晶体管脉宽调理驱动、晶闸管直流调速驱动

3、旋转式步进电机按其结构可分为哪几种？各有何特点？

1、可变磁阻（VR）型：转子结构简单，转子直径小，有利于快速响应。由于VR型步进电机的铁心无极性，故不需要改变电流极性，因此多为单极性励磁。该类电动机的定子与转子均不含永久磁铁，故无励磁时没有保持力。具有制造成本高、效率低、转子的阻尼差、噪声差的缺点。但由于其制造材料费用低、结构简单、步距角小，随着加工技术的进步，可望成为多用途的机种。

2、永磁（PM）型：采用永久磁铁，即使定子绕组断电也能保持一定转矩，故具有记忆能力，可用做定位驱动。PM型电动机的特点是励磁功率小、效率高、造价低，因此需求量也大。由于转子磁铁的磁化间距受到限制，难以制造，故步距角较大。与VR型相比转矩大，但转子惯量也较大。

3、混合（HB）型：具有VR型步进电机步距角小、响应频率高的优点，还具有PM型步进电机励磁功率小、效率高的优点。这类电动机都由转子铁心的凸极数决定步距角的大小，可制造出步距角较小的电动机。永久磁铁也可磁化轴向的两极，可使用轴向各向异性磁铁制成高效电动机。由于采用了永久磁铁，所以无励磁时具有保持力。励磁时的静止转矩都比VR型步进电机的大。HB和PM型步进电机能够用做超低速同步电动机。步进电机与DC和AC伺服电机相比起转矩、效率、精度、高速性比较差，但步进电机具有低速时转矩大、速度控制比较简单、外形尺寸小等优点，应用在办公室自动化方面的打印机、绘图机、复印机等机电一体化产品，在工厂自动化方面也可以代替低档的DC伺服电机。

4、步进电机有哪几种通电方式？步距角与通电方式有否有关？ 答：三相步进电机：

1、单相轮流通电方式，三相单三拍通电。

2、双相轮流通电方式，三相双三拍通电.3、单双相轮流通电方式，三相六拍通电。其他相步进电机。。

步距角与通电方式的关系：α运行拍数。

5、步进电机的主要性能指标有哪些？

答：

1、分辨力；

2、静态特性；

3、动态特性—（1）动态稳定区（2）启动转矩Tq（3）最高连续运行频率及矩-频特性（4）空载启动频率与惯-频特性；

4、步进电机技术指标实例—型号表示方式、技术性能参数：相数、步距角、电压、相电流、最大转矩、空载启动频率、空载运行频率、电感、电阻、分配方式、外形尺寸（轴径）、质量、转子转动惯量

6、步进电机驱动电源的组成及作用有哪些？

答：驱动电源由脉冲分配器、功率放大器等组成。

驱动电源是将变频信号源（微机或数控装置等）送来的脉冲信号及方向信号按要求的配电方式自动地循环供给电动机各相绕组，以驱动电动机转子正反向旋转。

7、实现脉冲环形分配的方法有哪些，各有何特点？

答：1软环分（采用计算机软件，利用查表或计算方法来进行脉冲的环形分配）；充分利用计算机软件资源以减低硬件成本，对多相的脉冲分配具有更大的优点；但软环分占用计算机的运行时间，会使插补一次的时间增加，易影响步进电机的运行速度。

2、采用小规模集成电路搭接而成的三相六拍环形脉冲分配器；

灵活性很大，可搭接任意相、任意通电顺序的环形分配器，同时在工作时不占用

=360°/（zm）；α

：步距角；z:转子齿数；m为计算机的工作时间。

3、采用专用环形分配器器件，如CH250。

可以实现三相步进电机的各种环形分配，使用方便、接口简单、种类众多、功能齐全，有的还具有其他许多功能。

8、单电压、双电压、斩波恒流功放电路的特点？

答：

1、单电压功放电路：结构简单，但绕组串联的电阻在大电流回路中要消耗能量，使放大器功率降低。同时由于绕组电感较大，电路对脉冲电流的反映较慢，因此输出脉冲的波形差、输出功率低。主要用于对速度要求不高的小型步进电机中。

2、双电压功放电路：该功放电路仅在脉冲开始的一瞬间接通高压电源，其余的时间均由低压供电，故效率很高。由于电流上升率高，故高速运行性能好，但由于电流波形陡，有时还会产生过冲，故谐波成分丰富，致使电动机运行时（尤其在低速时）振动较大。

3、斩波恒流功放电路：该电路去掉了限流电阻，效率显著提高，并利用高压给电动机绕组储能，波的前沿得到了改善，从而使步进电机的输出加大，运行效率得到提高。

9、步进电机的微机控制方式有哪些？各有何特点？

答：

1、串行控制：在具有串行控制功能的单片机系统中驱动电源中必须含有环形分配器。因为这种系统与步进电机驱动电源之间具有较少的连线将信号送入步进电机驱动电源的环形分配器。

2、并行控制：并行控制是用微型计算机系统的整个端口直接去控制步进电机各相驱动电路的方法。在电动机驱动电源内，还包括环形分配器，而且并行控制功能必须由微型计算机系统完成。

10、步进电机升降速规律有哪些？各有何特点？

答：

1、按照直线规律升速；加速度为恒指，要求步进电动机产生的转矩为恒值。

2、按指数规律升速；加速度是逐渐下降的，接近电动机输出转矩随转速变化的规律。

1、滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有几种？各有何特点？

答：内循环：滚珠在循环过程中始终与丝杠表面保持接触。优点滚珠循环的回路短、流畅性好、效率高、螺母的径向尺寸也较小。缺点：反向器加工困难、装配调整不方便。

外循环：滚珠在循环反向时离开丝杠螺纹滚道，在螺母体内或体外坐循环运动。（1）螺旋槽式；工艺简单、径向尺寸小、易于制造。但挡珠器刚性差、易磨损。（2）插管式；结构简单、易于制造；但径向尺寸较大，弯管端部用做挡珠器比较容易磨损。（3）端盖式；结构简单、工艺性好，但滚道吻接和弯曲处圆角不易准确制作而影响其性能，故应用较少。常以单螺母形式用做升降传动机构。

2、滚珠丝杠副轴向间隙的调整与预紧方式有几种？各有何特点？

答：（1）双螺母螺纹预紧调整式L；结构简单刚性好、预紧可靠，使用中调整方便，但不能精确定量地进行调整；（2）双螺母齿差预紧调整式Ch或C；可实现定量调整，即可进行精密微调，使用中调整较方便。（3）双螺母垫片调整预紧式D；结构简单、刚度高、预紧可靠，但使用中调整不方便。（4）弹簧式自动调整预紧式；能消除使用过程中因磨损或弹性变形产生的间隙，但其结构复杂、轴向刚度低，适合用于轻载场合。（5）单螺母变位导程预紧式和单螺母滚珠过盈预紧式B。结构简单、紧凑，但使用过程中不能调整，且制造困难。

3、滚珠丝杠副的支承方式有几种？各有何特点？

答：（1）单推-单推式；轴向刚度较高，预拉伸安装时，预紧力较大，但轴承寿命比双推-双推式低；（2）双推-双推式；轴向刚度较高，适合于高刚度、高转速、高精度的精密丝杠传动系统。但随着温度的升高会使丝杠的预紧力增大，易造成两端支承的预紧力不对称；（3）双推-简支式；轴向刚度较低，应注意减少丝杠热变形的影响。双推端可预拉伸安装，预紧力小，轴承寿命较高，适用于中速、传动精度较高的长丝杠传动系统。（4）双推-自由式；轴向刚度和承载能力低，多用于轻载、低速的垂直安装的丝杠传动系统。

4、滚珠丝杠的公称直径应根据什么选择？基本导程应根据什么选取？

答：公称直径d0应根据轴向最大载荷按滚珠丝杠副尺寸系列选择。螺纹长度L1在允许的情况下要尽量短，一般取L1/d0小于30为宜。基本导程Ph（或螺距t）应按承载能力、传动精度及传动速度选取，Ph大，承载能力也就大；Ph小，传动精度较高。要求传动速度快时，可选用大导程滚珠丝杠副。

5、在伺服电机驱动负载的传动系统中，常采用什么方式选择最佳传动比？ 答：采用使负载加速度最大的方法。

6、齿轮传动系统各级传动比的最佳分配原则有哪些？各适用于何种场合？

答：（1）重量最轻原则；适用于要求体积小、重量轻的齿轮传动系统；（2）输出轴转角误差最小原则；适用于要求传动精度高，回程误差小的传动齿轮系；（3）等效转动惯量最小原则；适用于要求运动平稳、起停频繁和动态性能好的伺服系统的减速齿轮系。

7、直齿圆柱齿轮传动和斜齿圆柱齿轮传动齿侧间隙的调整方法有哪几种？各有何特点？

答：

1、直齿圆柱齿轮传动

（1）偏心套（轴）调整法；结构简单，但侧隙不能自动补偿；（2）轴向垫片调整法；转配时轴向垫片使齿轮之间齿侧间隙小，运转又灵活。特点同（1）；（3）双片薄齿轮错齿调整法；可自动补偿侧隙。1）周向弹簧式；受到周向圆弧槽及弹簧尺寸限制，故仅适用于读数装置而不适用于功率驱动装置。2）可调弹簧式；

2、斜齿圆柱齿轮传动

消除斜齿轮传动齿侧隙的方法与上述错齿调整法基本相同。1）垫片错齿调整法；结构比较简单，但调整较费时，且齿侧间隙不能自动补偿。2）轴向压簧错齿调整法；齿侧隙可以自动补偿，但轴向尺寸较大，结构欠紧凑。

8、滑动导轨的截面形状有哪些?各有何特点？导轨间隙的调整方法有哪些？各适合何种场合？

答：(1)三角形（分对称、不对称两类）；导向精度较高。导轨水平与垂直方向误差相互影响，给制造、检验和修理带来困难。(2)矩形导轨；结构简单，制造、检验和修理方便，导轨面较宽，承载能力大，刚度高，应用广泛；(3)燕尾型导轨；磨损后不能自动补偿间隙，需设调整间隙装置。两燕尾面起压板作用，用一根镶条就可调节水平和垂直方向的间隙，且高度小，结构紧凑，可以承受颠覆力矩；但刚度较差，摩擦力较大，制造、检验和维修都不方便。适用于运动速度不高、受力不大、高度尺寸受到限制的场合。（4）圆形导轨；制造方便但磨损后难以调整和补偿间隙，适用于同时作直线运动和转动的地方或者承受轴向载荷的场合。

导轨间隙的调整方法：压板和镶条法两种。燕尾型导轨：镶条法；矩形导轨：修刮压板、修刮调整垫片的厚度或调整螺钉的方法；平镶条调整用于受力较小、或短的导轨。斜镶条应用较广。三角形导轨的上滑面能自动补偿，下滑面的间隙调整和矩形导轨的下压调整底面间隙相同。圆形导轨的间隙不能调整。

9、简述静压导轨副的工作原理。简述卸荷导轨的工作原理。

答：静压导轨是将具有一定压力的油或其气体介质通入导轨的运动件与导向支承之间，运动件浮在压力油或气体薄膜之上，与导向支承件脱离接触，致使摩擦阻力（力矩）大大降低。运动件受外载荷作用后，介质压力会反馈升高，以支承外载荷。

静压卸载导轨是将导轨承受的载荷的一部或大部用辅助导轨支承，从而改善主导轨的负载条件，以提高耐磨性和低速运动的稳定性。

10、滚动导轨副有哪些特点及应用场合？滚动导轨副的预紧方式？

答：优点：

1、摩擦系数小（0.003—0.005），运动灵活；

2、动、静摩擦系数基本相同，因而启动阻力小，而不易产生爬行；3可以预紧，刚度高；

4、寿命长；

5、精度高；

6、润滑方便，可以采用脂润滑，一次填装，长期使用；

7、由专业厂生产，可以外购选用。广泛地被应用于精密机床、数控机床、测量机和测量仪器等。

缺点：抗振性差，接触应力大；对导轨的表面硬度、表面形状精度和滚动体的尺寸精度要求高；结构复杂，制造困难，成本较高；对赃物比较敏感，必须有良好的防护装置。

（1）滚动体不循环的滚动导轨副；结构简单，容易制造，成本较低，有时难以施加预紧力，刚度较低，抗振性能差，不能承受冲击载荷。适用于行程短的场合；（2）滚动体循环的滚动导轨副；适合行程较长的场合；（3）滚动轴承导轨副；摩擦力矩小，运动平稳、灵活，承载能力大，调节方便，导轨面积小，加工工艺性好，能长久地保持较高的精度。在精密机械设备和仪器中均有采用，如：精缩机、万能工具显微镜、测长仪等。

滚动导轨副的预紧方式：

1、调整螺钉

2、塞块调整

3、偏心销轴调整.11、旋转支承的种类及基本要求。

答：按其相互摩擦的性质分：滑动、滚动、气体（或液体）摩擦支承。滑动摩擦支承按其结构特点分：圆柱、圆锥、球面和滚针支承；滚动摩擦支承按其结构特点分：填入式滚珠支承和刀口支承。

基本要求：

1、方向精度和置中精度；

2、摩擦阻力矩的大小；

3、许用载荷；

4、对温度变化的敏感性；

5、耐磨性以及磨损的可补偿性；

6、抗振性；

7、成本的高低。

12、轴系设计的基本要求。

答：对于中间传动轴系一般要求不高。而对于完成主要作用的主轴轴系的旋转精度、刚度、热变形及抗振性等得要求较高。

（1）旋转精度；其大小取决于轴系各组成零件及支承部件的制造精度与装配调整精度。在工作转速之下取决其转速、轴承性能以及轴系的动平衡状态（2）刚度；除强度验算之外，还必须进行刚度验算。（3）抗振性；对于高速运动的轴系必须用提高其静态刚度、动刚度、增加轴系阻尼比等措施来提高轴系的动态性能，特别是抗振性；（4）热变形；应采取措施将轴系部件的温升限制在一定的范围之内；（5）轴上零件的布置；在通过带轮将运动传入轴系尾部时，应该采用卸荷式结构，使带的压力不直接作用在轴端；传动齿轮应尽量安置在靠近支承处，以减少轴的弯曲和扭转变形。

13、铸造机座的设计要点是什么？

答：必须保证其自身刚度、连接处刚度和局部刚度，同时要考虑安装方式、材料选择、结构工艺性以及节省材料、降低成本和缩短生产周期的问题。

（1）保证自身刚度的措施；

1、合理选择截面形状和尺寸；

2、合理布置筋板和加强筋；

3、合理地开孔和加盖；

（2）提高机座连接处的接触刚度；

1、固定接触面的表面粗糙度应小于Ra2.5um,以便增加实际接触面积；

2、固定螺钉应在接触面上造成一个预紧力，压强一般为2Mpa;

3、增加局部刚度。（3）机座的模型刚度试验；

1、采用模型试验方法可测得与实际相接近的变形量；

2、采用有限元法计算机座刚度。（4）机座的结构工艺性；

1、保证刚度的情况下应力求形状简单；

2、机座壁厚应尽量均匀；

3、铸件要便于清砂；

4、在同一侧面的加工表面，应处于同一平面上；

5、必须有可靠的加工工艺基面。

（5）机座的材料选择；应根据其结构、工艺、成本、生产周期等要求选择，常用的材料：铸铁和钢、石材、陶瓷等。

14、常用的机械传动部件有哪些？滚珠丝杠副的组成？

答：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;如：丝杠螺母、齿轮、齿轮齿条、链轮链条、带/带轮、缆绳/绳轮、杠杆机构、连杆机构、凸轮机构、摩擦轮、万向联轴器、软轴、涡轮蜗杆、间歇机构。

滚珠丝杠副组成；

1、丝杠；

2、螺母；

3、滚珠；

4、反向器（滚珠循环反向装置）。

1、机电一体化的涵义、内容、目的。

答：机电一体化是机械技术、电子技术和信息技术等各相关技术有机结合的一种新形式，是电子技术、信息技术向机械技术领域渗透过程中形成的一个新概念。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系统的总称。目的是提高系统（产品）的附加价值，即多功能、高效率、高可靠性、省材料省能源，并使产品结构向短、小、轻、薄化方向发展，从而不断满足人们生活的多样化和生产的省力化、自动化需求。

2、机电一体化系统的基本构成。

答：机械系统（机构）、信息处理系统（计算机）、动力系统（动力源）、传感检测系统（传感器）、执行元件系统（如电动机）

3、接口的功能及其分类。

答：接口是构成机电一体化系统的要素或子系统连接处必须具备的联系条件。广义的接口功能有两种：一种是变换、调整；另一种是输入/输出。

（1）根据接口的变换、调整功能分：

1、零接口；

2、无源接口；

3、有源接口；

4、智能接口。

（2）根据接口的输入/输出功能分：

1、机械接口；

2、物理接口；

3、信息接口；

4、环境接口。

4、机电一体化系统的综合评价指标，各内部功能的评价内容是什么？ 答：机电一体化系统的综合评价指标：附加价值。

主功能：系统误差、抗干扰能力、废弃物输出变换效率； 动力功能：输入能量、能源；

控制功能：控制输入/输出接口个数、手动操作； 构造功能：尺寸、重量、强度； 计测功能：精度。

5、机电一体化系统的设计步骤。

答：

1、根据目的功能确定产品规格、性能指标；

2、系统功能部件、功能要素的划分；

3、接口的设计；

4、综合评价（或整体评价）；

5、可靠性复查。

6、试制与调试。

第四篇：机电一体化答案

基本概念1.机电一体化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。2.机电一体化系统由机械系统、信息处理系统、动力系统、传感检测系统、执行元件系统五个子系统组成。它的目的是提高系统的附加价值。3机电一体化共性关键技术有：检测传感技术、信息技术、自动控制技术、伺服驱动技术、精密机械技术、系统总体技术。4机电一体化系统类型:开发性设计、适应性设计、变异性设5滚珠丝杠副由丝杠、螺母、滚珠、反向器4部分组成。具有：轴向刚度高；运动平稳；传动精度高；不易磨损；使用寿命高等优点。滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有内循环和外循环两种。6滚珠丝杠副的精度分为1、2、3、4、5、7、10共七个等级。最高级为1级，最低级为10级。7齿轮传动有两轴平行、两轴相交、两轴交叉3种形式。传动比的最佳分配原则：重量最轻原则、输出轴转角误差最小原则、等效转动惯量最小原则。8同步带由包布层、带齿、带背和加强筋组成。9常用的间歇机构有棘轮传动、槽轮传动、蜗形凸轮传动等。这些传动机构可将原动机构的连续运动转换为间歇运动。10常见的导轨截面形状有：三角形、矩形、燕尾形、圆形。11交流伺服电动机的调速方法有：变极调速、变转差率调速、变频调速。12锥环无链联轴器利用锥环对之间的摩擦实现轴与毂之间的无间隙联接传递转矩，且可任意调节两联接件之间的角度位置。通过选择所用锥环的对数，可传递不同大小的转矩。13在额定输出功率相同的条件下，交流伺服电动机的比功率最高，直流伺服电动机次之，步进电动机最低。

简答1.光电隔离电路的作用是什么？答：可将输入与输出端两部分电路的地线分开，各自使用一套电源供电、可以进行电平转换、提高驱动能力2．在机电一体化系统中应用的传感器的类型通常都有哪些？答： 按作用分为：（1）检测机电一体化系统内部状态的内部信息转换器（2）检测作业对象和外部环境状态的外部信息传感器;按输出信号的性质分为：（1）开关型（2）模拟型（3）数字型3.齿轮传动的齿侧间隙的调整方法有哪些？答：圆柱齿轮传动：（1）偏心套调整法（2）轴向垫片调整法（3）双片薄齿轮错齿调整法 ；斜齿轮传动：（1）垫片错齿调整（2）轴向压簧错齿调整4．滚珠丝杠副消除轴向间隙的调整预紧方法有哪些?答：（1）双螺母螺纹预紧调整式（2）双螺母齿差预紧调整式（3）双螺母垫片调整预紧式（4）弹簧式自动调整预紧式（5）单螺母变位导程预紧式和单螺母滚珠过盈预紧式5．对传感器的应用中，通常采取哪些技术措施来改善传感器的性能？ 答：（1）平均技术（2）差分技术（3）稳定性处理（4）屏蔽和隔离6.你对机电一体化微机控制系统设计思路的理解是什么？答：（1）微机控制系统整体控制方案的确定（2）控制算法的确定（3）微机计算机的选择（4）控制系统总体设计（5）软件设计7.谐波齿轮传动的特（优）点是什么？答：具有结构简单、传动比大、传动精度高、回程误差小、噪声低、传动平稳、承载能力强、效率高等优点。8.同步带传动的特（优）点是什么？答：传动比准确、传动效率高、能吸震、噪声低、传动平稳、能高速传动、维护保养方便等优点。9.同步带传动的主要失效形式有哪三种？答：（1）同步带的承载绳疲劳拉断（2）同步带的打滑和跳齿（3）同步带齿的磨损。10.机电一体化系统（产品）对执行元件的基本要求有哪些？答：（1）惯量小，动力大（2）体积小，重量轻（3）便于维修，安装（4）易于微机控制。11.机电一体化系统对控制用电动机的基本要求有哪些？答：（1）性能密度大（2）快速性好（3）位置控制精度高，调速范围高，低速运行平稳无爬行现象，分辨率高，震动噪声小（4）适应起、停频繁的工作要求（5）可靠性高，寿命长。12.与一般带传动相比较，同步带传动具有特点是什么？ 1)传动比准确，传动效率高;2)工作平稳，能吸收振动；3)不需润滑，耐油、水、耐高温，耐腐蚀，维护保养方便；4)中心距要求严格，安装精度要求高;5)制造工艺复杂，成本高。13.机电一体化系统中常用的间歇传动部件通常有哪几种，其基本要求是什么？答：（1）棘轮传动（2）槽轮传动（3）蜗形凸轮传动；基本要求：位移迅速，位移过程中运动无冲击，停位准确可靠14导轨副应满足的基本要求？答：导向精度高、刚性好、运动轻便平稳、耐磨性好、温度变化影响小以及结构工艺性好等。

15．导轨副的组合形式包括哪几种？答：（1）双三角形（2）矩形和矩形组合（3）三角形和矩形组合（4）三角形和平面组合（5）燕尾形导轨及其组合16.提高导轨副耐磨性的措施通常有哪几种？答：（1）采用镶装导轨（2）提高导轨精度与改善表面粗糙度（3）减小导轨单位面积上的压力17.齿轮传动中，各级传动比的最佳分配原则都有哪些？答：

（1）重量最轻原则（2）输出轴转角误差最小原则（3）等效转动惯量最小原则18.执行元件的种类及特点?答：根据能量不同分为：（1）电动式 ：可使商用电源信号与动力的传送方向相同，有交流和直流之别，应注意电压之大小；（2）液动式 ：要求操作人员技术熟练，液压源压力为（20~80）*10^5（3）气动式 ：空气压力源的压力为（5~7）*10^5Pa，要求操作人员技术熟练19.保证机电一体化系统可靠性的方法有哪些？答：（1）提高系统的设计和制造质量（2）冗余技术（3）诊断技术

第五篇：机电一体化系统设计习题汇总

机电一体化系统设计习题汇总

2008-4-10 17:33:37

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第一章： 概论

1.关于机电一体化的涵义，虽然有多种解释，但都有一个共同点。这个共同点是什么? 2.机电一体化突出的特点是什么?重要的实质是什么？

3.为什么说微电子技术不能单独在机械领域内获得更大的经济效益? 4.机电—体化对我国机械工业的发展有何重要意义? 5.试列举20种常见的机电一体化产品。

6.试分析CNC机床和工业机器人的基本结构要素，并与人体五大要素进行对比，指出各自的特点。

7.机电一体化产品各基本结构要素及所涉及的技术的发展方向。

8.机电一体化设计与传统设计的主要区别是什么?

9.试举例说明常见的、分别属于开发性设计、适应性设计和变异性设计的情况。

10.为什么产品功能越多，操作性越差?为何产品应向“傻瓜化”方向发展?

11.试结合产品的一般性设计原则，分析和理解按“有限寿命”设计产品的目的和意义。

第二章： 机械系统设计

1.机电一体化产品对机械系统的要求有哪些?

2.机电一体化机械系统由哪几部分机构组成，对各部分的要求是什么? 3.常用的传动机构有哪些，各有何特点？

4.齿轮传动机构为何要消除齿侧间隙?

5.滚珠丝杠副轴向间隙对传动有何影响?采用什么方法消除它？

6.滚珠丝杠副的支承对传动有何影响?支承形式有哪些类型?各有何特点?

7.试设计某数控机床工作台进给用滚珠丝杠副。己知平均工作载荷F＝4000N，丝杠工作长度l＝2m，平均转速＝120r／min，每天开机6h，每年300个工作日，要求工作8年以上，丝杠材料为CrwMn钢，滚道硬度为58—62HRC，丝杠传动精度为±0.04mm。

8.导向机构的作用是什么?滑动导轨、滚动导轨各有何特点?

9.请根据以下条件选择汉江机床厂的HJG—D系列滚动直线导轨。作用在滑座上的载荷F＝18000N，滑座数M=4，单向行程长度L＝0.8m，每分钟往返次数为3，工作温度不超过120℃，工作速度为40m／min,工作时间要求10000h以上,滚道表面硬度取60HRC。

10.滚动直线导轨的形式有哪些?各有何特点?

11.塑料导轨的特点是什么?常用的塑料导轨有哪些？如何使用? 第三章： 接口设计

1.试述机电—体化接口设计的重要性。

2.试述机电一体化产品接口的分类方法。

3.试述人机接口的作用和特点。

4.人机接口中，常用的输入设备有哪几种？常用的输出设备有哪几种？

5.设计键盘输入程序时应考虑哪几项功能？

6.七段发光二极管显示器的动态工作方式和静态工作方式各具有什么优缺点？

7.在进行PP40打印机接口设计时，可否直接将STB连到WR上？为什么？

8.试述机电接口的作用和特点。

9.在机电接口的控制输出接口中，常用的电力电子器件有哪些？

10.在机电接口中，光电耦合器的作用是什么？ 11.在机电接口中，常用的固态继电器的特点及应用特性如何？

12.在一机电一体化产品中，803l通过P1口扩展了一个4×4键盘，画出接口逻辑电路，井编写键处理子程序。

13.在一机电一体化产品中，采用8031做控制微机，要求通过其串行口扩展74LSl64，控制6位LED显示器，试画出接口逻辑，并编写相应程序，将片内RAM 30H一35H内容送显示。

第四章：检测系统设计

1.基本转换电路的功用是什么?

2.模拟式和数字式传感器信号检测系统的组成如何?

3.减小放大器噪声及提高放大器工作稳定性的一般措施有哪些?

4.在检测系统中，为何常对传感器信号进行调制?常用的调制方法有哪些? 5.什么是调制信号?什么是载波信号?什么是已调制信号?

6.什么是低通、高通、带通、带阻滤波器?各自的通频带如何?带宽如何确定? 7.提高滤波器的阶次会带来什么好处和问题? 8.什么是增量码信号?什么是细分？什么是辨向？

9.试设计一个可实现12细分的并联电阻链移相细分电路，计算各电阻值，画出电路图，并说明各细分脉冲出现的顺序。

10.试将两片74LS393互连起来，构成分频数为2、4、8、16、32、64、128、256的分频器。

11.模拟多路开关和采样保持电路的作用是什么?

12.何谓采样？怎样才能保证在采样过程中不丢失原信号中所包含的信息? 13.与模拟滤波器相比，数字滤波器的优点是什么?

第五章：伺服系统设计

1.试举出几个具有伺服系统的机电一体化产品实例，分析其伺服系统的基本结构，指出其属于何种类型的伺服系统。

2.结合伺服系统对执行元件的基本要求，分析为何机电一体化伺服系统趋向于采用电气式执行元件。

3.某五相步进电动机，通电方式为AB—ABC—BC—BCD—CD—„，试计算其步距角。

4.试根据机械特性曲线，分析当负载转矩不变时，直流伺服电动机的调压调速过程。

5.采用单片机8031控制三相步进电动机，通电方式分别为双三拍和三相六拍，试设计相应的硬件和软件脉冲分配器，并指出各自的特点及适用场合。

6.伺服系统中为何要进行惯量匹配计算?怎样实现惯量匹配？

7.试从结构、成本、稳定性和精度等方面，分析开环、闭环和半闭环控制的伺服系统的特点及适用场合。设计相应的系统时，都应注意哪些问题?

8.闭环伺服系统在什么样的条件下可简化成低阶系统？这样简化将带来什么样的误差？简化的目的是什么?如采用计算机进行仿真分析，是否还有必要进行简化？

9.校正环节是否伺服系统本身所固有的?校正环节的作用是什么？

第六章：控制系统设计

1.机电一体化控制系统设计与常规控制系统设计的主要区别是什么? 2.控制系统有哪些分类方法及类型?各类控制系统的特点是什么?

3.建立被控对象数学模型的方法有哪些?各种方法的特点及适用场合如何? 4.微型机控制系统的组成和特点是什么？

5.为什么说大多数自动控制系统都是机电一体化系统?

6.7.8.设计快速无波纹系统必须具备的条件是什么?

9.串级控制系统与单回路反馈控制系统相比有哪些主要特点?在设计串级控制系统时应注意哪些问题？

10.在选择控制装置中的微型机时，应主要考虑哪些因素?

11.在采用STD总线工控机构成控制装置时，各功能模板及插件应如何选择？

12.专用控制装置设计的主要内容有哪些?其软件设计的一般步骤和方法如何？

13.冗余结构有哪几种？各自原理如何？

14.常见的干扰及抗干扰措施有哪些?

15.为何印制电路板上的地线和电源线都做得很粗？

16.应如何理解“软件测试过程中，测试者的心理状态对测试效果起决定性作用”这句话?