机电一体化技术作业题答案全解.docx

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机电一体化技术作业题答案全解

东北农业大学网络教育学院

机电一体化技术作业题

复习题一

一、名词解释：

（40分）

1．机械系统

答：

机电一体化系统中的机械系统与一般的机械系统相比，除要求具有较高的定位精度外，还应具备体积小、重量轻、刚度大、动态性能好等特点。

概括地讲，机电一体化机械系统应包括传动机构、导向机构、执行机构三大部分。

2．检测系统

答：

检测系统是机电一体化系统的一个基本要素，其功能是对系统运行中所需的自身和外界环境参数及状态进行检测，将其变换成系统可识别的电信号，传递给信息处理单元。

3．伺服系统

答：

伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统，又称随动系统或伺服机构。

指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。

4．接口技术

答：

为构成完整的并有一定控制和运算功能的系统而将一个部件与另外的部件连接起来，这种连接就称微处理器系统的接口。

5．控制系统

答：

控制系统是机电一体化产品的中枢，用于实现信息处理、控制信号输出、控制和协调机电一体化产品的其他内部功能，通过控制系统的控制，执行机构的驱动，被控对象按照预定的规律或目的运行，运行效果通过传感器反馈回控制系统，连同传感器收集的其他有关信号供控制系统利用并不断修正其控制指令。

6．D/A转换

答：

在机电一体化产品中，很多被控对象要求用模拟量做控制信号，而计算机是数字系统，不能输出模拟量，这就要求控制输出接口能完成将数字信号转换成模拟信号，称之为D/A转换。

7．传动机构

答：

机电一体化系统中的传动机构主要功能是传递转矩和转速，因此，它实际上是一种转矩、转速变换器。

机电一体化系统中所用的传动机构主要有滑动丝杠副、滚珠丝杠副、齿轮传动副、同步带传动副、间歇机构、挠性传动机构等。

8．机电一体化技术

答：

机电一体化技术是以电子技术特别是微电子技术为主导的多种新兴技术与机械技术交叉、融合而成的综合性高新技术，是工程领域不同种类技术的综合及集成，是一个技术群的总称，它包括机械技术、微电子技术、计算机和信息处理技术、自动控制技术、电力电子技术、伺服驱动技术以及系统总体技术等。

二、简答（60分）

1、机电一体化产品的组成和特点是什么？

答：

机电一体化产品是由机械系统、检测系统、伺服系统、控制系统以及接口装置等几部分组成。

机电一体化产品的功能是通过其内部各组成部分功能的协调和综合来共同实现的。

从其结构来看，，各组成部分通过辅助部件及相关的软件有机的结合在一起，构成一个内部匹配合理、外部效能最佳的完整产品，品具有自动化、智能化和多功能的特性。

2、机电一体化产品设计与传统机械产品设计的区别是什么？

答：

机电一体化产品的设计与常规机械产品的设计有着本质上的区别。

常规机械产品一般是先用单纯机械设计的方法构思和设计，再为这个纯粹的机械设计选配适宜的电气设备。

这种方法实际上是面向设计者的传统设计方法。

相比之下机电一体化产品的设计是面向产品的设计，它要求设计者具有多种能力、视野开阔，具有综合利用机械设计和电气控制设计方面的知识和能力。

3、机电一体化机械系统由哪几部分组成？

答：

概括地讲，机电一体化机械系统应包括以下三大部分机构。

（1）传动机构。

机电一体化系统中的传动机构主要功能是传递转矩和转速，因此，它实际上是一种转矩、转速变换器。

（2）导向机构。

其作用是支承和限制运动部件按给定的运动要求和规定的运动方向运动。

该机构应能保证安全、准确。

（3）执行机构。

用来完成操作任务。

执行机构根据操作指令的要求在动力源的带动下，完成预定的操作。

4、常用的传动机构有哪些，各有什么特点？

答：

机电一体化系统中所用的传动机构主要有滑动丝杠副、滚珠丝杠副、齿轮传动副、同步带传动副、间歇机构、挠性传动机构等。

滚珠丝杠副具有如下特点。

①传动效率高。

②运动具有可逆性。

③系统刚度好。

④传动精度高。

⑤使用寿命长。

⑥不能自锁。

⑦工艺复杂。

同步带传动具有如下特点：

①能方便地实现较远中心距的传动，传动比准确，传动效率高；

②工作平稳，能吸收振动；

③不需要润滑，耐油、水、耐高温，耐腐蚀，维护保养方便；

④强度高，厚度小，重量轻；

⑤中心距要求严格，安装精度要求高；

⑥制造工艺复杂，成本高。

5、谐波齿轮的特点是什么？

答：

谐波齿轮传动具有以下优点：

①传动比大。

②承载能力大。

③传动精度高。

④可以向密封空间传递运动或动力。

⑤传动平稳。

⑥传动效率高。

⑦结构简单、体积小、重量轻。

谐波齿轮传动的缺点：

①柔轮和波发生器制造复杂，需专门设备，成本较高。

②传动比下限值较高。

③不能做成交叉轴和相交轴的结构。

6、钢丝软轴有几种？

主要应用于那些场合？

答：

常用的钢丝软轴主要有功率型（G型）软轴和控制型（K型）软轴。

主要用于两个传动机件的轴线不在同一直线上，或工作时彼此要求有相对运动的传动。

它可以弯曲地绕过各种障碍物，远距离传递回转运动。

适合于受连续冲击的场合，也适用于高速、小转矩的场合，其转速可达2万r/min，传递功率不超过5.5kw，不适合低速大转矩的传动，因为这将使从动轴的转速不均匀，扭转刚度无法保证。

7、导向机构的作用是什么？

滚动导轨的特点有哪些？

答：

在机电一体化机械系统中，导向支承部件的作用是支承和限制运动部件按给定的运动要求和运动方向运动。

，

滚动导轨是在做相对直线运动的两导轨面之间加入滚动体，变滑动摩擦为滚动摩擦的一种直线运动支承。

滚动导轨作为滚动摩擦副的一类，具有很多优点。

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，不易产生爬行现象；

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。

一次装填，长期使用。

8、滚动导轨分为哪几类？

答：

滚动导轨按滚动体形状不同，可以分为滚珠导轨、滚柱导轨、滚针导轨三种。

滚珠导轨为点接触，摩擦小、灵敏度高，但承载能力小、刚度低，适用于载荷不大，行程较小，而运动灵敏度要求较高的场合。

滚柱导轨为线接触、承载能力和刚度都比滚珠导轨大，适用于载荷较大的场合，但制造安装要求高。

滚柱结构有实心和空心两种。

空心滚柱在载荷作用下有微小变形，可减小导轨局部误差和滚柱尺寸对运动部件导向精度的影响。

滚针导轨的尺寸小、结构紧凑、排列密集、承载能力大，但摩擦相应增加，精度较低。

适用于载荷大，导轨尺寸受限制的场合。

9、同步带传动的特点并画出草图。

答：

同步带传动具有如下特点：

图同步带传动

①能方便地实现较远中心距的传动，传动比准确，传动效率高；

②工作平稳，能吸收振动；

③不需要润滑，耐油、水、耐高温，耐腐蚀，维护保养方便；

④强度高，厚度小，重量轻；

⑤中心距要求严格，安装精度要求高；

⑥制造工艺复杂，成本高。

10、检测系统的基本特性有哪些？

在设计检测系统时应如何选择灵敏度、精确度等指标？

答：

在满足检测系统基本功能要求的前提下，应以技术上合理可行，经济上节约为基本原则，对设计的检测系统应提出基本要求：

（1）灵敏度及分辨率。

（2）精确度。

（3）系统的频率响应特性。

（4）稳定性。

（5）线性特性。

（6）检测方式。

原则上说，检测系统的灵敏度应尽可能高一些，高灵敏度意味着它能“感知”到被检测对象的微小变化。

但是，高灵敏度或高分辨率系统对信号中的噪音成分也同样敏感，噪音也可能被系统的放大环节放大。

如何达到即能检测到微小的被检测量的变化，又能使噪音被抑制到最小程度，是检测系统主要技术目标之一。

根据误差理论，一个检测系统的精确度取决于组成系统的各环节精确度的最小值。

所以在选择设计检测系统时，应该尽可能保持各环节具有相同或相近的精确度。

如果某一环节精确度太低，会影响整个系统的精确度。

若不能保证各环节具有相同的精确度，应该按前面环节精确度高于后面环节的原则布置系统。

选择一个检测系统的精确度，应从检测系统的最终目的及经济情况等几方面综合考虑。

复习题二

一、名词解释：

（20分）

1．机电一体化技术

答：

答：

机电一体化技术是以电子技术特别是微电子技术为主导的多种新兴技术与机械技术交叉、融合而成的综合性高新技术，是工程领域不同种类技术的综合及集成，是一个技术群的总称，它包括机械技术、微电子技术、计算机和信息处理技术、自动控制技术、电力电子技术、伺服驱动技术以及系统总体技术等。

2．检测系统

答：

检测系统是机电一体化系统的一个基本要素，其功能是对系统运行中所需的自身和外界环境参数及状态进行检测，将其变换成系统可识别的电信号，传递给信息处理单元。

3．伺服系统

答：

伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统，又称随动系统或伺服机构。

指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。

4．人机接口

答：

人机接口要完成二个方面的工作，一是操作者通过输入设备向CPU发出指令，干预系统的运行状态，二是在CPU的控制下，用显示设备来显示机器工作状态的各种信息。

人机接口分为输入接口和输出接口。

人机接口具有专用性和低速性。

5．A/D转换

答：

A/D转换是从模拟量到数字量的转换，它是信息采集系统中模拟放大电路和CPU的接口。

二、简答（60分）

1、画出一般模拟信号检测系统的组成框图，并说明对信号调制的作用。

答：

典型模拟信号检测系统框图如图所示。

将直流或频率较低的缓变信号变成频率比较高的交流信号过程称为调制，调制过程是利用频率较低的信号控制一个频率较高的信号，使频率较高信号的某些特征随着低频信号变化而变化。

2、与模拟滤波器相比，数字滤波器的优点是什么？

答：

数字滤波器与模拟滤波器相比具有如下优点：

①数字滤波器是计算机的运算过程，不需要额外的硬件设备，不存在阻抗匹配问题，可靠性高，稳定性好；②可以对频率很低或很高的信号实现滤波；③可根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，应用灵活、方便、功能强。

3、试画出光电信号的采集及整形电路，并说明工作原理，画波形。

答：

光电脉冲传感器由发光二极管和光电三极管组成，发光二极管产生恒定的光线，通过光删射入光电三极管。

根据光电三极管的特性，可以利用简单的共射极电路或共集电极电路将三极管的电流转换成电压输出，图（a）为一射极输出的转换电路。

（a）光电转换、脉冲整形电路（b）波形图

图光电脉冲信号拾取及整形原理

由于光电检测的光栅在条纹交替时，会出现一个过度状态，使光电三极管的输出产生抖动现象，如图（b）。

为了消除这种抖动，需要对三极管的输出进行整形处理，这种处理通常利用斯密特触发器进行。

4、直流伺服电动机电枢控制时，始动电压指什么？

答：

从直流伺服电动机调节特性我们看到，

一定时，控制电压

高时，转速

也高，两者成正比关系。

当n=0时，不同转矩

需要的控制制电压

也不同。

如

时，

说明当控制电压

时，电动机才能转起来，称

为始动电压。

不同，始动电压不同，

大的始动电压也大。

当电动机理想空载时，只要有信号电压

，电动机自然转动。

5、在步进电动机中，什么叫三相单三拍运行？

三相双三拍运行；它们各有何特点？

答：

步进电机的工作方式是以转动一个齿距所用的拍数来表示的。

拍数实际上就是转动一个齿距所需的电源电压换相次数，电机采用的三相单三拍方式，“单”指每拍只有一相绕组通电。

除了单三拍外，还可以有双三拍，即每拍有两相绕组通电，通电顺序为AB—BC—CA—AB，步距角与单三拍相同。

但是，双三拍时，转子在每一步的平衡点受到两个相反方面的转矩而平衡，振荡弱，稳定性好。

6、简述步进电动机的工作原理

答：

步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电动机。

通俗地讲，就是在这种电动机上外加一个脉冲信号，它就运动一步。

正因为它的运动形式是步进式的，故称为步进电动机。

步进电动机的输入是脉冲信号，从主绕组内的电流来看，既不是通常的正弦电流，也不是恒定的直流，而是脉冲的电流，所以步进电动机有时也称作脉冲马达。

7、画图说明PWM电动机调速的工作原理？

答：

它的基本原理是：

利用大功率晶体管的开关作用，将直流电源电压转换成一定频率（例如2000HZ）的方波电压，加在直流电动机的电枢上，通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压，从而调节电机的转速，即“脉宽调制”的原理。

8、LED显示技术中的译码器有什么不同？

答：

显示译码器是以LED的对应段码为输出的，针对LED的共阳、共阴极之分应选择对应的显示译码器，根据显示方式不同有静态显示和动态显示之分。

9、计算机控制系统的组成和特点是什么？

答：

主要由中央处理单元、存储器、I/O子系统、人机接口、系统支持功能等组成，以高可靠性、实时性、低功耗为其显著特征。

10、MCS—51单片机有哪些信号需要芯片引脚以第二功能的方式提供？

答：

P3的8条口线都定义有第二功能，并且应用的最多。

P3口线的第二功能见表。

表P3口线的第二功能

口线

第二功能

信号名称

P3.0

RXD

串行数据接收

P3.1

TXD

串行数据发送

P3.2

INT0

外部中断0申请

P3.3

INT1

外部中断1申请

P3.4

T0

定时器/计数器0计数输入

P3.5

T1

定时器/计数器1计数输入

P3.6

WR

外部RAM写选通

P3.7

RD

外部RAM读选通

复习题三

一、名词解释：

（40分）

1、A/D转换

答：

A/D转换是从模拟量到数字量的转换，它是信息采集系统中模拟放大电路和CPU的接口。

2、续流二极管

答：

为了使晶闸管在电源电压降到0时能及时关断（也为了负载上不出现负电压），可以在感性负载二端并联一个二极管，称为续流二极管

3、保护地线

答：

为了保护人身和设备的安全，免遭雷击、漏电、静电等危害，这类地线称为保护地线，应与真正大地连接。

4、屏蔽地线

答：

为了屏蔽电磁干扰等而采用的屏蔽电缆的接地端，称为屏蔽地线。

5、系统地线

答：

通常指机电一体化系统中弱电设备的接地和屏蔽地线的总称。

6、数字地

答：

数字信号的零电位点。

7、模拟地

答：

模拟信号的零电位点。

8、机电一体化技术

答：

机电一体化技术是以电子技术特别是微电子技术为主导的多种新兴技术与机械技术交叉、融合而成的综合性高新技术，是工程领域不同种类技术的综合及集成，是一个技术群的总称，它包括机械技术、微电子技术、计算机和信息处理技术、自动控制技术、电力电子技术、伺服驱动技术以及系统总体技术等。

二、简答（60分）

1、机器人有哪些主要机能？

答：

从机器人的研究发展情况来看，机器人应具有运动机能、思维控制机能和检测机能三大机能，如图所示。

2、机器人有哪些组成要素？

答：

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：

①机械系统。

执行系统是完成抓取工件（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执行机构提供动力。

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。

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。

⑤人工智能系统。

该系统主要赋予机器人自动识别、判断和适应性操作。

3、机电一体化产品的主要性能指标有哪些？

如何根据使用要求来确定产品的性能指标？

答：

产品的使用要求包括功能性要求、经济性要求和安全性要求等，产品的性能指标应根据这些要求及生产者的设计和制造能力、市场需求等来确定。

（1）功能性要求

①功能范围。

②精度指标。

③可靠性指标。

④维修性指标。

（2）经济性要求

①购置费用。

②使用费用。

（3）安全性要求

安全性要求包括对人身安全的要求和对产品安全的要求。

4、什么是机电一体化总体设计？

答：

机电一体化总体设计是应用系统总体技术，从整体目标出发，综合分析机电一体化产品的性能要求及各机、电组成单元的特性，选择最合理的单元组合方案，实现机电一体化产品整体优化设计的过程。

5、机电一体化总体设计的主要内容有哪些？

答：

一般来说，机电一体化总体设计包括下述一些主要内容。

（1）详尽搜集用户对所设计产品的需求

①设计任何系统，首先要收集所有相关的信息，包括设计需求、背景技术资料。

②设计对象所具有的主要功能。

③设计对象与其工作环境的界面。

④设计对象对操作者技术水平的需求。

⑤设计对象是否被制造过，假如与设计对象类似的产品已在生产，则应参观生产过程，并寻找有关的设计与生产文件。

⑥了解用户自身的一些规定、标准，例如厂标，一般技术要求，对产品表面的要求（防蚀、色彩）等。

（2）设计对象工作原理的设计

（3）主要结构方案的选择

（4）摩擦形式的选择

（5）系统简图的绘制

（6）总体精度分配

（7）总体设计报告

6、可编程控制器控制系统的一般设计步骤分哪几步？

答：

PLC控制系统设计的一般步骤如图所示。

（a）根据工艺分析控制要求

（b）确定所需的用户输入/输出设备及I/O点数

（c）选择PLC

（d）分配PLC的I/O点编号

（e）PLC程序设计

图5PLC控制系统设计步骤

7、可编程控制器常用编程语言有哪几种？

答：

PLC不采用计算机编程语言，而常采用面向控制过程、面向对象的“自然语言编程”。

这些编程语言有梯形图语言、指令表（助记符）语言、流程图语言、布尔代数语言。

8、可编程控制器常用编程语言的特点是什么？

答：

①梯形图语言

梯形图在形式上类似于继电器控制电路，它是用各种图形符号连接而成的，梯形图直观易懂，为电气人员所熟悉，因此是应用最多的一种编程语言。

②指令表（助记符）语言

指令表语言类似微机汇编语言的形式，它是用指令的助记符来编程的。

助记符语言也是应用广泛的一种编程语言。

③流程图语言

流程图类似于“与”、“或”、“非”等逻辑电路图。

流程图也比较直观易懂，有一定数字电路知识的工程人员很容易掌握。

④布尔代数语言

是利用布尔代数所组成的逻辑表达式来表达系统的控制关系。

9、计算机控制系统的组成和特点是什么？

答：

主要由中央处理单元、存储器、I/O子系统、人机接口、系统支持功能等组成，以高可靠性、实时性、低功耗为其显著特征。

10、MCS—51单片机有哪些信号需要芯片引脚以第二功能的方式提供？

答：

P3的8条口线都定义有第二功能，并且应用的最多。

P3口线的第二功能见表。

表P3口线的第二功能

口线

第二功能

信号名称

P3.0

RXD

串行数据接收

P3.1

TXD

串行数据发送

P3.2

INT0

外部中断0申请

P3.3

INT1

外部中断1申请

P3.4

T0

定时器/计数器0计数输入

P3.5

T1

定时器/计数器1计数输入

P3.6

WR

外部RAM写选通

P3.7

RD

外部RAM读选通

复习题四

一、名词解释：

（40分）

1、机械系统

答：

机电一体化系统中的机械系统与一般的机械系统相比，除要求具有较高的定位精度外，还应具备体积小、重量轻、刚度大、动态性能好等特点。

概括地讲，机电一体化机械系统应包括传动机构、导向机构、执行机构三大部分。

2、检测系统

答：

检测系统是机电一体化系统的一个基本要素，其功能是对系统运行中所需的自身和外界环境参数及状态进行检测，将其变换成系统可识别的电信号，传递给信息处理单元。

3、伺服系统

答：

伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统，又称随动系统或伺服机构。

指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。

4、接口技术

答：

为构成完整的并有一定控制和运算功能的系统而将一个部件与另外的部件连接起来，这种连接就称微处理器系统的接口。

5、控制系统

答：

控制系统是机电一体化产品的中枢，用于实现信息处理、控制信号输出、控制和协调机电一体化产品的其他内部功能，通过控制系统的控制，执行机构的驱动，被控对象按照预定的规律或目的运行，运行效果通过传感器反馈回控制系统，连同传感器收集的其他有关信号供控制系统利用并不断修正其控制指令。

6、D/A转换

答：

在机电一体化产品中，很多被控对象要求用模拟量做控制信号，而计算机是数字系统，不能输出模拟量，这就要求控制输出接口能完成将数字信号转换成模拟信号，称之为D/A转换。

7、传动机构

答：

机电一体化系统中的传动机构主要功能是传递转矩和转速，因此，它实际上是一种转矩、转速变换器。

机电一体化系统中所用的传动机构主要有滑动丝杠副、滚珠丝杠副、齿轮传动副、同步带传动副、间歇机构、挠性传动机构等。

8、机电一体化技术

答：

机电一体化技术是以电子技术特别是微电子技术为主导的多种新兴技术与机械技术交叉、融合而成的综合性高新技术，是工程领域不同种类技术的综合及集成，是一个技术群的总称，它包括机械技术、微电子技术、计算机和信息处理技术、自动控制技术、电力电子技术、伺服驱动技术以及系统总体技术等。

二、简答（60分）

1、计算机控制系统的组成和特点什么？

答：

主要由中央处理单元、存储器、I/O子系统、人机接口、系统支持功能等组成，以高可靠性、实时性、低功耗为其显著特征。

2、机电一体化设计的关键技术包括哪几方面？

答：

机电一体化设计的关键技术包括下述六个方面：

（1）精密机械技术。

（2）检测与传感器技术。

（3）信息处理技术。

（4）自动控制技术。

（5）伺服驱动技术。

（6）系统总体技术。

3、MCS-51单片机有哪些信号需要芯片引脚以第二功能的方式提供？

答：

答：

P3的8条口线都定义有第二功能，并且应用的最多。

P3口线的第二功能见表。

表P3口线的第二功能

口线

第二功能

信号名称

P3.0

RXD

串行数据接收

P3.1

TXD

串行数据发送

P3.2

INT0

外部中断0申请

P3.3

INT1

外部中断1申请

P3.4

T0

定时器/计数器0计数输入

P3.5

T1

定时器/计数器1计数输入

P3.6

WR

外部RAM写选通

P3.7

RD

外部RAM读选通

4、与模拟滤波器相比，数字滤波器的优点是什么？

答：

数字滤波器与模拟滤波器相比具有如下优点：

①数字滤波器是计算机的运算过程，不需要额外的硬件设备，不存在阻抗匹配问题，可靠性高，稳定性好；②可以对频率很低或很高的信号实现滤波；③可根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，应用灵活、方便、功能强。

5、直流伺服电动机电枢控制时，始动电压指什么？

与负载转据大小有什么关系？

答：

从直流伺服电动机调节特性我们看到，

一定时，控制电压

高时，转速

也高，两者成正比关系。

当n=0时，不同转矩

需要的控制制电压

也不同。

如

时，

说明当控制电压

时，电动机才能转起来，称

为始动电压。

不同，始动电压不同，

大的始动电压也大。

当电动机理想空载时，只要有信号电压

，电动机自然转动。

6、可编程控制器控制系统的一般设计步骤分哪几步？

答：

PLC控制系统设计的一般步骤如图所示。

（a）根据工艺分析控制要求

（b）确定所需的用户输入/输出设备及I/O点数

（c）选择PLC

（d）分配PLC的I/O点编号

（e）PLC程序设计

图5PLC控制系统设计步骤

7、什么是机电一体化总体设计?

机电一体化总体设计的主要内容有哪些？

答