2021年度中央電大-機電一體化系統(tǒng)設計基礎-考試題庫

中央電大—機電一體化系統(tǒng)設計基礎—考試題庫

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（一）遵守先小后大原則。

填空題★機電系統(tǒng)中，機械傳動要

★機電一體化系統(tǒng)慣用能滿足伺服控制在精度、穩(wěn)定

源有電源、氣壓源和液壓性和迅速響應性等方面規(guī)

源。定。

★市場預測辦法重要有定★影響系統(tǒng)傳動精度誤差

期預測和定量預測。可分為傳動誤差和回程誤

★機電設計質(zhì)量管理重要差兩種

體當前質(zhì)量目的管理、實行★對于線性控制系統(tǒng)，若規(guī)

可行性設計和進行手機質(zhì)定在達到高精度同步減小

量評審定位時間，則必要提高系統(tǒng)

★控制及信息解決單元普固有頻率。提高固有頻率

通由控制計算機、控制軟和阻尼可以提高閉環(huán)系統(tǒng)

件和硬件接口構成。穩(wěn)定性。

★在多級傳動中，為了減小★液壓系統(tǒng)伺服控制元件

傳動誤差，傳動比分配應重要有電液伺服閥和電液

2

比例閥度。

★典型開關量I/O模板I/O★執(zhí)行機構，選取較大傳動

電氣接口重要功能有濾比可使系統(tǒng)相對阻尼系數(shù)

波、電平變換、光電隔離和增大，有利系統(tǒng)穩(wěn)定。

功率驅動?！餀C電產(chǎn)品設計類型可分

★計算機指令進行D/A轉為開發(fā)性設計、適應性設

換后，需通過信號調(diào)理環(huán)計、變參數(shù)設計三類。

節(jié)才干驅動執(zhí)行機構。★當負載折算到電機軸上

★傳感器由敏感元件、轉換慣量等于轉子質(zhì)量時，系

元件和基本轉換電路組統(tǒng)能達到慣性負載和驅動

成。力矩最佳匹配。

★傳感器靜態(tài)特性參數(shù)重★步進電機最大動態(tài)轉矩

要有敏捷度、線性度、遲滯不大于最大靜轉矩，并隨

和重復精度。著脈沖頻率升高而減少。

★傳感器輸入特性重要參

數(shù)是輸入阻抗或靜態(tài)剛

（二）

3

選取題★如下移動電話不屬于機

★開放式體系構造中VLSI電一體化產(chǎn)品。

是指（超大規(guī)模集成電路）★數(shù)控機床需要進行抗干

擾設計。

★幅頻特性和相頻特性（或

頻率響應函數(shù)）是傳感器

動態(tài)特性指標

★絲杠螺母機構在閉環(huán)外，

因此它回程誤差和傳動誤

差都影響輸出精度

★閉環(huán)控制，齒輪減速器在

前向通道，它回程誤差不

影響輸出精度，但傳動誤差

影響

★步進電機轉動后，其輸出

轉矩所工作頻率增高而下

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降★機械系統(tǒng)剛度對系統(tǒng)重

★采用脈寬調(diào)制進行直流要影響體現(xiàn)為固有頻率、

電動機調(diào)速驅動是，通過精度、穩(wěn)定性。

變化脈沖寬度來變化電樞★多齒輪傳動中，各級傳動

賄賂平均電壓而實現(xiàn)機平比相等分派原則合用于按

滑調(diào)速。輸出軸轉角誤差最小原則

★數(shù)控機床進給系統(tǒng)伺服設計傳動鏈

電機屬于設備驅動部分?！锴按蠛笮》峙稍瓌t合用

★分離活塞式油缸屬于系于重量最輕原則（大功率

統(tǒng)中驅動某些裝置）

★在工業(yè)機器人設計中傳★頻矩特性表達步進電機

感器選取及精度分析是理最大動態(tài)轉矩與脈沖頻率

論分析階段要進行關系

★為提高機話接卸傳動系★永磁式直流伺服電機又

統(tǒng)固有頻率，應增大系統(tǒng)稱為力矩電機

剛度?！颯TD總線A/D轉換接口

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模板中，出A/D轉換器及機電一體化產(chǎn)品、產(chǎn)業(yè)機電

STD總線接口邏輯外，還應一體化產(chǎn)品和家庭用機電

有多路開關與采樣保持器一體化產(chǎn)品。

（三）簡答題

★機電有關技術有哪些機

械技術、計算機與信息解決

技術、系統(tǒng)技術、自動控

制技術、傳感器測試技術和

伺服驅動技術。

★試述機電一體化產(chǎn)品定

義和分類辦法。答：機電

一體化產(chǎn)品是新型機械與

微電子器件，特別是與微

解決器、微型計算機相接合

而開發(fā)新一代電子化機械

產(chǎn)品。按用途可分為信息

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★機電一體化系統(tǒng)基本構由專用計算機、輸入輸出接

造要素有哪些？噴漆機器口以及機床控制器等某

人電液伺服系統(tǒng)和手臂手些構成。功能：依照輸入

腕分別屬于其中那個構造數(shù)據(jù)和程序，完畢數(shù)據(jù)運

要素？數(shù)控系統(tǒng)、主傳動系算、邏輯判斷、輸入輸出控

統(tǒng)制等功能

答：要素有機械本體，能源,★機電系統(tǒng)中，對控制及

測試傳感某些，執(zhí)行機構,信息解決單元基本規(guī)定

驅動某些，控制及信息解決是？

單元等6項。電液伺服系統(tǒng)信息解決速度和可靠性，增

屬驅動某些，手臂腕、主傳強抗干擾能力，完善系統(tǒng)

動系統(tǒng)屬執(zhí)行機構一某些,自診斷功能,實現(xiàn)信息解決

數(shù)控系統(tǒng)屬控制及信息解決智能化和小型化，輕量，

單元。原則化等。

★簡述數(shù)控機床中計算機★機電產(chǎn)品對機械傳動系

數(shù)控裝置構成和功能。答：統(tǒng)有哪些規(guī)定精度、穩(wěn)定

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性、迅速響應性、還應滿足摩擦與潤滑。

小型、輕量、高速、低沖擊★why采用機電可提高系統(tǒng)

振動、低噪聲、高可靠性。精度？答機電技術使機械

★機電系統(tǒng)中，測試傳感某傳動某些減少，因而使機械

些作用是什么？答：對系磨損，配合間隙及受力變

統(tǒng)運營中所需要自身和外形等引起誤差大大減少，同

部環(huán)境各種參數(shù)及狀態(tài)進步采用電子技術實現(xiàn)自動

行檢測，傳播到信息解決單檢測，控制，補償和校正因

元，經(jīng)分析解決后產(chǎn)生控各種干燒因素導致誤差，從

制信息。而提高精度。

★影響機電一體化系統(tǒng)傳★為減少機械系統(tǒng)傳動誤

動機構動力學特性重要因差，可采用那些構造措

素有那些？答：重要因素施？答:恰當提高零部件

有負載變化；傳動系統(tǒng)慣自身精度;合理設計傳動

性；傳動鏈，減少零部件制造、裝

系統(tǒng)固有頻率；傳動系統(tǒng)中配誤差對傳動精度影響;采

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用消隙機構，以減少或消除答：步進電機運動由輸入電

回程誤差。脈沖信號控制，電機繞組

★什么是步進電機步距每接受一種脈沖，轉子就轉

角？她是由那些參數(shù)擬過一種響應角度，其角位

定？答：步進電機在每輸移量與輸入脈沖個數(shù)嚴格

入一種電脈沖信號，轉子所成正比。在

轉過角度為步距角。由步時間上與輸入脈沖同步。因

進電機相數(shù)、電機轉子齒而只需要控制輸入脈沖數(shù)

數(shù)和電機通電方式?jīng)Q定。量、頻率和電機繞組相序，

★步進電機是如何實現(xiàn)速即可控制轉動速度和方

度控制。向。

★簡述開關量輸入模板基

本構成。答：由外部開關

設備、輸入信號調(diào)理電路、

輸入緩沖器、輸入端口譯

碼、（STD總線）。

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★簡述開關量輸出模板基本統(tǒng)有何影響，如何消除圓

構成。柱直齒輪齒側間隙？答：

答：STD總線信號、輸出端齒輪嚙合間隙會導致傳動

口譯碼控制、輸出數(shù)據(jù)所死區(qū)，若死區(qū)在閉環(huán)系統(tǒng)

存、輸出信號調(diào)節(jié)電路、負中，則也許導致系統(tǒng)不穩(wěn)

載。定，使系統(tǒng)內(nèi)高以

★工業(yè)PC機和個人計算機「5倍間隙角產(chǎn)生低頻振

重要差別是什么？答:大母蕩。為減少制導致本，多

版改為功能插板，具備豐富采用各種調(diào)節(jié)齒側間隙辦

過程輸入輸出功能；具備法來消除或減少嚙合間

良好實時性，可以對生產(chǎn)過隙，常法有偏心套調(diào)節(jié)法、

程工況變化實時監(jiān)控;抗干軸向墊片法、雙片薄齒輪

擾電源，密封機箱，具備良錯齒法等。

好環(huán)境適應性；具備豐富★機電系統(tǒng)仿真模型重要

應用軟件。有哪幾種？分別應用于系

★齒輪傳動中齒側間隙對系統(tǒng)設計那個階段。答：仿

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真模型有物理模型、數(shù)學模對的、高效運營方略或提

型和描述模型。當仿真模前消除設計中缺陷，最大限

型為物理模型時，為全物理度提高實際系統(tǒng)運營水

仿真，系統(tǒng)研制階段；是平。采用仿真技術可以省時

數(shù)學模型時，稱為數(shù)學仿真,省力省錢達到上述目。

分析設計階段。用已研制出

來系統(tǒng)中實際部件或子系統(tǒng)

代替某些數(shù)學模型所構成為

半物理仿真，部件及子系

統(tǒng)研制階段。

★仿真再設計中起到作用是

什么？在項目設計和規(guī)劃

時需要對項目合理性、經(jīng)濟

型等品質(zhì)加以評價；在系統(tǒng)

實際運營前，要對項目實

行成果加以預測，一邊選取

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★什么是PID調(diào)節(jié)器？三某★直流電機伺服系統(tǒng)中脈

些在系統(tǒng)中起什么作用。答：寬調(diào)制放大器基本工作原

按偏差比例、積分和微分進行理。答：脈沖調(diào)制放大器

控制調(diào)節(jié)器，將偏差比例、是直流伺服電機慣用晶體

積分、微分通過現(xiàn)行組合構管驅動電路。運用大功率

成控制晶體管開關作用，將直流

量，簡稱為P（比例）I（積電源電壓換成一定頻率方

分）D（微分）調(diào)節(jié)器，是波電壓，施加于直流電機

持續(xù)系統(tǒng)中技術成熟，應用電樞,通過對方波脈沖寬度

最為廣泛一種調(diào)節(jié)器?？刂?，變化電樞平均電壓,

aPID調(diào)節(jié)器中比例調(diào)節(jié)起是電機轉速得到調(diào)節(jié)。

糾正偏差作用，其反映迅★永磁式直流伺服電機重

速；b積分調(diào)節(jié)能消除靜差,要特點：可以不通過減速

改進系統(tǒng)靜態(tài)特性；機構直接驅動負載，由輸入

c微分調(diào)節(jié)有助于減少超調(diào)，電壓信號直接調(diào)節(jié)負載轉

加快系統(tǒng)過渡過程。速；在以位置控制方式伺

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服系統(tǒng)中，電機可工作于堵系構造是今年在電子工業(yè)

轉狀態(tài)。和計算機工業(yè)中流行一種

★交流伺服電機有哪些類設計思想，其重要特點是向

型？交流伺服驅動重要特將來VLSI開放；向不同顧

點？答:分為永磁式交流同客層次開放；向顧客特殊要

步電機和籠型異步電機兩求開放；采用模塊化構造。

類。特點：1調(diào)速范疇大；★簡述STD總線微機控制

2適合大、中功率伺服系統(tǒng);系統(tǒng)重要特點。答：采用

3運營平穩(wěn)，轉速不受負載小版構造，高度模塊化，功

變化影響；4輸出轉矩交大能模板構造靈活，可靠性

而轉矩脈動小；5通過閉環(huán)高，硬件冗余小，成本低;

實現(xiàn)速度控制或位置控制,模塊設計具有嚴格原則和

其中永磁式同步電機也可作廣泛兼容性；面向I/O設

步進方式運營。計，具備強大I/O擴展能

★開放式體系構造重要特力，使控制系統(tǒng)非常適合工

點是什么？答：開放式體業(yè)控制應用；高可靠性。

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★簡述STD有哪些工作模分部式組合運用STD控制

式？機組合辦法，可以便進行各

1獨立工作模式即采用微種分布式系統(tǒng)組合。

機基本系統(tǒng)與工業(yè)I/O?！镛D動慣量對傳動系統(tǒng)有

板單獨構成控制系統(tǒng)；2作哪些影響？答：轉動慣量

為前端控制機STD可作為增大使機械負載增長，功率

其她微機前端控制機，完畢消耗大；使系統(tǒng)響應速度

實時在線控制，并把采集變慢，減少敏捷度；是系統(tǒng)

數(shù)據(jù)和執(zhí)行成果傳送到上固有頻率下降，容易產(chǎn)生

位機；3構成諧振。

★光電隔離型DI/DO模板

有哪些重要特點？輸入信

號與輸出信號在電器上完

全隔離，抗干擾能力強；無

觸點，耐沖擊,壽命長，可靠

性高；響應速度快，易于邏

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輯電路配合。功能：可取代繼電器控制，

★D/A,A/D接口功能完畢順序和程序控制；可

A/D接口功能是將溫度、壓構成閉環(huán)系統(tǒng)實現(xiàn)精準位

力等物理量經(jīng)傳感器變成置和速度控制；可構成告

電壓、電流等信號轉換為數(shù)訴數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)，實

字量。D/A接口是將二進制現(xiàn)生產(chǎn)過程自動

數(shù)字量轉換成電壓信號?；?。構成：CPU,存儲器，

★簡述電位器式位移傳感器電源，I/O口和編程器。優(yōu)

測量原理。電位器可動電越性：可靠性高，環(huán)境適應

刷與被測物體相連，物體位性強，靈活通用個，維護簡

移引起電位器移動端電阻樸，以便構成網(wǎng)絡，應用程

變化，電阻值變化量即反序編制和調(diào)試非常以便，還

應出唯一大小和方向。普通具備監(jiān)控功能。

由電源電壓吧電阻變化轉（四）分析題

換成電壓輸出?！镌嚪治霰容^直流測速發(fā)電

★PLC功能和構成。優(yōu)越性機和光電編碼器做轉速測

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量特點。解答:直流測速發(fā)測量精度高等特點，常與直

電機由永久磁鐵與感應線圈流電機配合使用構成脈寬調(diào)

構成，用電樞獲取速度信速系統(tǒng)。增量式光電編碼器

號。它具備敏捷度高、構造輸出是與轉角成比例增量脈

簡樸等特點，慣用于高精度沖信號，可以通過脈沖計數(shù)

低速伺服系統(tǒng)，也可與永磁獲得角位置信號，也可以定

式直流電動機構成低速脈寬期取樣脈沖數(shù)增量實現(xiàn)角速

調(diào)速系統(tǒng)。直流測速發(fā)電機度測量。因而，可以同步測

輸出信號是與輸入軸轉速成量轉角和轉速。

正比直流電壓信號，信號幅

度大，信號調(diào)理電路簡樸。

由于輸出電壓信號有波紋，

普通需要配備濾波電路。光

電編碼器（增量式）重要由

旋轉孔盤和光電器件構成。

它具備體積小、使用以便、

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★試分析齒輪機構、傳感器后，其誤差低頻分量和高

及絲杠螺母機構誤差對輸頻分量都會影響輸出精度，

出精度影響。答：齒輪減因而要盡量消除傳動間隙

速器位于前向通道，誤差低和傳動誤差。

頻分量不★工業(yè)控制PC計算機與可

影響輸出精度，因而容許有編程控制器重要區(qū)別：答:

一定間隙誤差；而誤差高工業(yè)控制PC基本系統(tǒng)與普

頻分量影響輸出精度，因而通PC大體相似，但備有各

應盡量減少傳動誤差。傳種控制模板，普通不需要再

感器位于反饋通道，誤差低做硬件開發(fā)，在構造上進

頻分量會影響輸出精度，行了模塊化；系統(tǒng)具備完整

因而對靜態(tài)精度有較高規(guī)控制功能，軟件豐富，執(zhí)

定；而誤差高頻分量對輸行速度塊，合用于需要做大

出精度幾乎沒有影響，容許量數(shù)據(jù)處理測控系統(tǒng)。在

存在一定限度高頻噪聲。程序語言方面，工控PC以使

絲杠螺母機構位于閉環(huán)之用高級語言為主，也可使

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用匯編語言。重要采用提示度，大型

PLC構造小巧，適應性強，PLC可使用高檔語言。

可按照使用規(guī)定選個相應★對比闡明步進電機和直

產(chǎn)品構成控制系統(tǒng)，PLC控流伺服電機驅動特點。答:

制功能以邏輯控制為主，1在工作方面，步進電機通

小型PLC合用于實現(xiàn)各種過輸入脈沖數(shù)量、頻率和相

邏輯控制和開關量控制，序來控制電機；而直流電機

大中型PLC為模塊化構造，重要靠變化電樞兩端電壓

按顧客需求功能選配模來調(diào)速，調(diào)速特性好，調(diào)速

塊，可構成規(guī)模較大，精度范疇寬。2步進電機可實現(xiàn)

較高閉環(huán)控開環(huán)位置控制；直流電機普

制系統(tǒng)。PLC控制功能由軟通用于閉環(huán)位置控制。3

件實現(xiàn)，但信號輸入輸出步進電機具備自鎖功能；二

采用周期性掃描方式，這一直流電機沒有斷電自鎖能

點是與工控PC重要區(qū)別。力。4步進電機輸出力矩較

此外，在程序語言方面PLC小，而直流電機輸出力矩

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可以很大。此外步進電機轉4驅動某些：功放、電機

速和轉角不受電源電壓波5執(zhí)行機構:聯(lián)軸器、齒輪減

動影響，但對電源要求較速器、絲杠螺母機構、工作

高。

★已知數(shù)控機床控制系統(tǒng)，

★

闡明圖中各某些屬于機電

系統(tǒng)哪一種基本要素？

1控制及信息解決單元：鍵

齒輪減速器傳筋嗅差對工

盤、計算機、顯示

作臺影響？齒輪減速器在

2測試傳感某些：光電編碼

電機之后，前向通道閉環(huán)之

器、信號解決

外,其

3能源：電源

傳動誤差高頻分量和低頻

分量都不能通過閉環(huán)控制

來消除，都會影響輸出精

度。

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(五)計算題

★如圖所示電機驅動系統(tǒng)，

已知工作臺質(zhì)量為m=50Kg,

負載力為Fi=1000N,最大加

速度為10m/s2,絲杠直徑為

d=16mm,導程t=4mm,齒輪減

數(shù)比為i=5,總效率為n

=30%,忽視絲杠慣量影響，

試計算電機驅動力矩。

解：總負載力涉及如下幾某些先分

析負載力有哪些構成

(1)外負載力Fi=1000N(摩擦負

載F=mgf=

(2)慣性載力Fm,m=50kg,a=10m/s2

Fm=nFa=50310=500N

(3)電機驅動力矩為

n

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★圖示為電樞控制式直流(3家載軸上元件Je3=(J4+JL)

總折算慣量為Je=Jel+Je2+Je3。

電動機工作原理圖，電流

★已知電樞轉子慣量

i；LR為線圈電感電阻，輸

Jm=O.005kgm2,負載慣量

入電壓u；...Jm；T；3；

JL=O.04kgm2,擬定傳動比i

Ke；Kt,求輸出轉速與輸入

為什么值時可是負載或最

電壓之間傳遞

大加速度。

函數(shù)。

解:e=Keg；T=Kti；KtI(s>Jmw(s)解當=Jm時負載獲最大加速度。因

此1===2.828o

s；w=Gm-(s)-54—Gm=l/(Jms)；

()★開環(huán)步進電機位置控制系

--o()

統(tǒng)，負載力F=1000N,工作

hj—□H

臺長L=500mm,往復精度為

★電機J2'計算

±0.025mm,絲杠導程

電機軸上總等效慣量。

ts=6mm,直徑d=20mm,步進電

解：(1)電機軸上元件Jel=Jl+Jm；機步距角為a=3。，擬定齒

(2)中間軸上元件Je2=CJ2+J3)輪減速比i。

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解：步進電機每轉脈沖數(shù)ns=360°/脈沖/轉旋轉譯碼器與否

a=360/3=120脈沖/轉合用。

依照工作臺定位精度規(guī)定，選用脈沖當

解:1高速端測量,設傳感器每轉脈沖數(shù)

量b=0.025mm/脈沖

為n,每個脈沖相應工作臺位移為

設傳動比為i,每個脈沖相應工作臺位

AL=t/tin)由測量進度AL=0.01mm,則

移為b=ts/(i2ns)則

n=t/(iAL)=6/(430.01)=150脈沖

i=ts/(5n)=6/(0.0253120)=2

ns/轉

★已知工作臺直流電機絲選用n=200光電編碼器，則理論測量精

杠螺母機構驅動，工作臺度

行程L=250mm,絲杠導程

t=6mm,齒輪減速比i=4,規(guī)

定工作臺位移測量精度為

0.Olmmo試采用高速段測

量辦法，擬定旋轉譯碼器每

轉脈沖數(shù)。若將傳感器與

絲杠端部直接連接，ns=500

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AL'=6/(43200>0.0075<0.01可滿

足題目規(guī)定。電機z滑臺

2低速端測量傳感器直接與絲杠連接,絲杠螺母機構

注：需要回答至少兩種測量

與減速比無關

方案，每種方案選出一種

AL=t/nn=t/AL=6/0.01=600脈沖

傳感器即可。

/轉，可知ns=500脈沖/轉編碼器不合

用。★采用直流電機驅動機器

（六）人關節(jié)有兩種轉角和轉速

綜合題測量方案……

★已知電機驅動三自由度解：方案a為高速端測量方

位置控制系統(tǒng)，單個自由案，構造簡樸，易實現(xiàn)。同

/電機/滑臺

度圈孽算理所示。試闡樣測量精度規(guī)定，對譯碼器

明單自由：OB）系統(tǒng)兩種測量精度規(guī)定較低。減速

測量方案;器涉及在閉環(huán)之外，傳動誤

差直接影響輸出精度，傳

動誤差無法通過控制進行

補償，因而對減速器精度

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規(guī)定較高。傳感器在電機實際中多采用方A。

尾部，不知容易，外觀★某車間內(nèi)有兩條自動生

較好。產(chǎn)線上需要一款搬運機器

方案b為低速端測量辦人，用于生產(chǎn)線……請指定

法，同測精規(guī)定，對編碼出概念設計流程。

器精度規(guī)定較高，成本解：產(chǎn)品概念設計決定性地

比喻a高；但減速器涉影響產(chǎn)品創(chuàng)新過程中后續(xù)

及在閉環(huán)內(nèi)，從而通過產(chǎn)品詳細設計、產(chǎn)品生產(chǎn)開

閉環(huán)來消除傳動誤差，對發(fā)、產(chǎn)品市場開發(fā)以及公

減速器精度規(guī)定較低。司經(jīng)營戰(zhàn)略目的實現(xiàn)。包括

傳感器安裝在關節(jié)部位，如下流程：

布置較困難，外觀差。明確設計任務

解：依題意有兩種測量方案機通過

分析軸測量

(1)高速端測量方案：

)電

傳感器安裝在電機尾部(電

,機轉

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/電機______/滑臺

/一[4

角實現(xiàn)工作臺位移間接測

量。可選用光電編碼器式

傳感