机电一体化系统设计基础答案完工.docx

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机电一体化系统设计基础答案完工

《机电一体化系统设计基础》形成性考核册

*******************

学生学号：

*************

班级：

11春机械

专业：

机械制造与自动化

机电一体化系统设计基础课程作业

（一）

一、填空题

1．控制及信息处理单元一般由控制计算机、控制软件和硬件接口电路组成。

2．机电一体化产品按用途可以划分为民用机电一体化、办公机电一体化和产业机电一体化产品。

3．机电一体化系统设计的质量管理主要体现在质量目标管理、实行可行性设计和进行设计质量评审三个方面。

4．市场预测主要包括定期预测和定量预测方法。

5．机电一体化系统中，机械传动要满足伺服控制在精度、稳定性和快速响应性等方面的要求。

6．在多级传动中，为了减小传动误差，传动比的分配应遵守前小后大原则。

7．当负载折算到电机轴上的惯量等于转子惯量时，系统能达到惯性负载和驱动力矩的最佳匹配。

8．机械传动系统中，影响系统传动精度的误差可分为传动误差和回程误差两种。

二、简答题

1．机电一体化系统中，传感测试部分的作用是什么？

机电一体化系统中传感测试部分的作用是对系统运行中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测，变为可识别的信号，传输到信息处理单元，经分析处理后产生控制信息。

2．简述机电一体化产品设计的工程路线（主要步骤）

机电一体化产品设计的工程路线（主要步骤）：

拟定产品开发目标和技术规范；收集资料，市场分析，可行性分析和技术经济性分析；总体方案设计；总体方案的评审和评价；详细设计；详细设计方案的评审和评价；试制样机；样机实验，测试；技术评价与审定；小批量生产；试销；正常生产；销售。

3．为什么采用机电一体化技术可以提高系统的精度？

机电一体化技术使机械传动部分减少，因而使机械磨损，配合间隙及受力变形等所引起的误差大大减少，同时由于采用电子技术实现自动检测，控制，补偿和校正因各种干扰因素造成的误差，从而提高精度。

4．影响机电一体化系统传动机构动力学特性的主要因素有哪些？

影响系统传动机构动力学特性的主要因素有系统的负载变化；传动系统的惯性；传动系统的固有频率；传动系统中的摩擦与润滑。

5．转动惯量对传动系统有哪些影响？

在传动系统中，转动惯量增大使机械负载增加，功率消耗大；使系统相应速度变慢，降低灵敏度；使系统固有频率下降，容易产生谐振。

6．为减小机械系统的传动误差，可采用哪些结构措施？

减小机械系统的传动误差可采用的结构措施有：

适当提高零部件本身的精度；合理设计传动链，减小零部件制造、装配误差对传动精度的影响；采用消隙机构，以减小或消除回程误差。

三、计算题

1．图示丝杠螺母驱动系统，已知工作台的质量m=200Kg，丝杠螺距t=5mm,丝杠长度L=0.8m,中径为d=30mm,材料密度为

，齿轮齿数分别为z1＝20，z2＝45，模数m＝2mm，齿宽b＝20mm。

试求折算到电机轴上的总等效惯量J

。

由

工作台折算到丝杠上的转动惯量为

（2）折算到电机轴上的转动惯量

2．试设计一数控机床工作台用滚珠丝杠副。

已知平均载荷Fm＝3600N，丝杠工作长度l＝1.25m，平均转速nm＝120r/min，每天开机6h，每年250个工作日计，要求工作10年以上。

丝杠材料为CrWMn钢，滚道硬度为58～62HRC，丝杠传动精度要求为±0.03mm。

注：

本题可开卷完成

解：

（1）求计算载荷

由题设条件，查表3.4取KF＝1.2，查表3.5取KH＝1.0，假设丝杠为D级精度，查表3.6，取KA＝1.0。

则计算载荷Fc＝KFKHKAFm＝1.2×1.0×1.0×3600＝4320N

（2）计算所要求的额定动载荷Ca′

预期使用寿命Lh′＝6×250×10＝15000h

并代入nm＝120r/min，FC＝4320N

（3）根据Ca′的值选择滚珠丝杠副

设选用FCI型号系列，按照满足Ca≥Ca′的原则，并考虑各种因素，查表3.7选出合用的滚珠丝杠型号规格为FCI-5006-3，其主要参数尺寸：

公称直径D0＝50mm

导程l0＝6mm

螺旋角λ＝2°11′

滚珠直径d0＝3.969mm

丝杠小径d1＝45.63mm

（4）检验稳定性

取弹性模量E＝2.06×105MPa，查表3.8长度系数μ＝2/3

丝杠轴惯性矩

不发生失稳之最大载荷

安全系数

查表3.8许用安全系数[S]＝2.5～3.3。

由S>[S]，可知丝杠是安全的，稳定性合乎要求。

（5）检验刚度

计算转矩

取摩擦系数f＝0.002，则ρ＝arctan0.002＝6′53″

按最不利情况计算导程误差，每个导程的变形量

=6.44×10－2μm

丝杠在工作长度上的导程误差

通常，丝杠的导程误差ΔL应小于其传动精度的1/2，即

丝杠的刚度满足要求。

经上述计算验证，所选FCI-5006-3型丝杠各项性能均符合使用要求，可用。

四、分析题

一数控系统如图所示，试说明图中的各个部分分别属于机电一体化系统的哪一基本结构要素。

答：

（1）控制及信息处理单元：

键盘、计算机、显示

（2）测试传感部分：

光电编码器、信号处理

（3）能源：

电源

（4）驱动部分：

功放、电机

（5）执行机构：

联轴器、齿轮减速器、丝杠螺母机构、工作台

机电一体化系统设计基础课程作业

（二）

　　一、填空题

　　1．在机电一体化系统的驱动装置中，位于前向通道闭环之内的环节，其误差的低频分量对输出精度基本无影响，而误差的高频分量影响系统的输出精度。

　　2．为提高闭环系统的稳定性，应增大执行装置的固有频率和系统的阻尼能力。

　　3．对于执行装置，选择较大的传动比可使系统的相对阻尼系数增大，有利于系统的稳定性。

　　4．对于线性控制系统，若要求在达到高精度的同时减小定位时间，则必须提高系统的固有频率。

5．步进电机的驱动电源由变频信号源、脉冲分配器和功率放大器组成。

　　6．由矩频特性曲线可知，步进电机的最大动态转矩小于最大静转矩，并随着脉冲频率的升高而降低。

　　7．当前，广泛采用的直流伺服电机的驱动电路有线性直流伺服放大器和脉宽调制放大器两种。

　　8．交流异步电动机的转速与电源频率、磁极对数和转差率有关。

　　9．液压系统的伺服控制元件主要有电液比例阀和电液伺服阀。

　　10．评定定位系统的主要性能指标是定位精度和定位时间。

　　二、简答题

1．如何提高伺服系统的响应速度？

伺服系统的响应速度主要取决于系统的频率特性和系统的加速度。

（1）提高系统的固有频率，减小阻尼。

增加传动系统的刚度，减小折算的转动惯量，减小摩擦力均有利于提高系统的响应速度。

（2）提高驱动元件的驱动力可以提高系统的加速度，由此也可提高系统的响应速度。

2．步进电机是如何实现速度控制的？

步进电机的运动是由输入的电脉冲信号控制的，每当电机绕组接收一个脉冲，转子就转过一个相应的角度。

其角位移量与输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步。

因而，只要控制输入脉冲的数量、频率和电机绕组的相序，即可得到所需转动的速度和方向。

3．试述直流电机伺服系统中脉宽调制放大器的基本工作原理。

脉宽调制放大器是直流伺服电机常用的晶体管驱动电路。

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的方波电压，施加于直流电机的电枢，通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压，使电机的转速得到调节。

4．交流伺服电机有哪些类型？

交流伺服驱动的主要特点是什麽？

交流伺服电机有永磁式交流同步电机和笼型异步电机两类。

交流伺服驱动的主要特点有：

（1）调速范围大；

（2）适合大、中功率伺服系统；（3）运行平稳，转速不受负载变化的影响；（4）输出转矩较大，而转矩脉动小。

　　三、分析题

　　1．如图所示的系统，试分析传感器的误差对输出精度的影响。

图1　电机驱动直线伺服系统

答：

传感器位于反馈通道，误差的低频分量影响系统的输出精度和系统的稳定性，因此传感器应有较高的精度；而误差的高频分量不影响输出精度，可以允许传感器及放大电路有一定的高频噪声。

　　2．如图所示的伺服系统，试分析齿轮减速器的传动误差对工作台输出精度的影响。

图2　开环步进电机位置控制系统

答：

对于开环步进电机位置控制系统，由于无检测装置，不对位置进行检测和反馈，齿轮减速器的传动误差（误差的高频分量）和回程误差（误差的低频分量）将直接影响工作台的输出精度。

　　四、计算题

　　1．如图1所示的电机驱动直线伺服系统，已知工作台的质量为50kg，工作台与导轨间的摩擦系数f＝0.1，负载力为1000N，丝杠直径为16mm，导程为4mm，齿轮减速比为5，工作台的最大线速度为0.05m/s，试求：

（1）折算到电机轴上的负载力矩；

解：

（1）折算到电机轴上的负载力矩

摩擦负载力Ff＝mgf＝50×10×0.1＝50N

外负载力Fw＝1000N

电机上的负载力矩为

（2）电机轴的转速；

（3）电机所需功率。

取系数为2，则

　　2．如图2所示的开环步进电机位置控制系统，已知负载力F=2000N，工作台长L=400mm，往复精度为

mm，丝杠导程6mm，直径d＝32mm，步进电机的步距角为α＝

，试确定齿轮减速比i。

解：

步进电机的每转脉冲数

脉冲/转

根据工作台定位精度的要求，选用脉冲当量

δ=0.02mm/脉冲

设传动比为i，每个脉冲对应工作台的位移为

则

机电一体化系统设计基础课程作业（三）

一、填空题

　　1．计算机的系统总线（信号线）有数据总线　、地址总线　和控制总线等三类。

　　2．第一条标准微机总线是S－100总线，而Multi（或STD、STE）总线可支持多CPU并行工作。

　　3．开关量输入/输出模板的典型接口由总线接口逻辑、I/O功能逻辑和I/O电气接口所组成。

　　4．典型开关量I/O模板的I/O电气接口的主要功能有滤波、电平变换、

　　光电隔离和功率驱动。

　　5．一般的多路A/D转换模板由多路开关、采样保持器、转换器和总线接口逻辑所组成。

　　6．选择A/D模板的主要依据是采样精度、采样速度和成本。

　　7．与A/D转换模板不同，在多路D/A转换模板中，需要多个D/A转换器，各通道D/A的有效数据由通道选择器产生的信号来决定。

　　8．在工业过程控制系统中，计算机的指令进行D/A转换后，须经过信号调理环节才能驱动执行机构。

　　二、简答题

1．试述可编程序控制器的功能及组成。

可编程序控制器可取代继电器控制，完成顺序和程序控制；可组成闭环系统，实现精确的位置和速度控制；可构成高速数据采集与分析系统，实现生产过程的完全自动化。

　　典型的可编程序控制器由电源、微处理器、存贮器、输入输出接口和编程器所组成。

　　2．开放式体系结构的主要特点是什麽？

　　开放式体系结构是近年来在电子工业和计算机工业中流行的一种设计思想，它使得当代计算机测控系统的设计方法与传统方法有了很大区别。

　　开放式体系结构的主要特点是：

向未来的VLSI开放；向不同用户层次开放；向用户的特殊要求开放；采用模块化结构。

　　3．采用STD总线的工业控制机有哪几种工作模式？

　　由于STD总线的高度模块化和采用组合方法的特点，STD工业控制机可以灵活地组成各种系统。

其工作模式有三种：

（1）独立工作模式　即采用微机的基本系统与工业用I/O模板单独构成控制系统。

（2）作为前端控制机　STD工业控制机可作为其它微机（工业PC机）的前端控制机，完成实时在线控制，并把采集的数据和执行结果传送给上位机。

　　（3）构成分布式组合　利用STD控制机的组合方法，可方便地进行各种分布式系统的组合。

　　4．简述STD总线微机控制系统的主要特点。

　　STD总线微机控制系统的主要特点：

（1）采用小板结构，高度的模块化，其功能模板结构灵活，可靠性高，硬件冗余小，成本低。

（2）模板设计具有严格的标准和广泛的兼容性。

　　（3）面向I/O的设计，具有强大的I/O扩展能力，使控制系统非常适合工业控制的应用。

　　（4）高可靠性。

　　5．STD总线系统的I/O子系统有哪些主要功能？

　　在计算机工业过程控制系统中，I/O子系统是过程接口，其主要功能有：

（1）开关量的输入输出　用于I/O信号的测量与控制。

（2）模拟量的输入输出　用于外部模拟量的采样及输出模拟量的控制。

　　（3）脉冲量的输入输出　用于输入脉冲信号的接收、输出脉冲信号的控制；定时信号的产生及处理；伺服电机使用的运动控制接口。

　　6．A/D、D/A接口的功能是什麽？

　　在工业系统中，需要测量和控制的参数经常是连续变化的模拟信号，这些物理量经传感器变成连续变化的电压、电流等信号，A/D接口的功能是将这些模拟量再变换成数字量，以便计算机识别。

D/A接口的功能则是将经计算机处理后的数字量转换成模拟电压或信号，输送到执行机构，达到控制过程的目的。

三、分析题

1．画图说明工业控制机与普通信息处理计算机的主要区别是什么？

　　工业控制机与普通信息处理机的差别在于取消了普通信息处理机的大母板，将其改为功能插板，与普通信息处理机相比较,工业控制机有以下特点：

（1）具有丰富的过程输入输出功能。

（2）良好的时实性，能对生产过程工况变化实时地进行监控。

　　（3）可靠性高，故障率低，维修时间短，运行效率高。

　　（4）采用抗干扰电源，密封机箱，具有良好的环境适应性。

　　（5）丰富的应用软件。

　　（6）具有良好的技术综合性。

2．画图说明8路输入、8路输出STD总线开关量接口模板的组成原理。

如图所示，STD总线的开关量输入输出模板的典型接口由STD总线接口逻辑、I/O功能逻辑（输入缓冲器和输出锁存器）、I/O电气接口等三部分组成。

输入模板的基本组成为：

外部开关信号→输入信号条理电路→输入缓冲器→输入端口译码控制→STD总线；输出模板的基本组成为：

STD总线信号→输出端口译码控制→输出锁存器→输出信号条理电路→负载。

3．试分析比较工业控制PC计算机与可编程序控制器的主要区别。

工业控制PC计算机与可编程序控制器以较强的输出带负载能力、良好的抗干扰能力和可靠性，在工业现场控制系统中得到了广泛的应用。

但两者在系统组成、功能以及程序语言等方面有所不同。

　　工业控制PC计算机的基本系统与普通PC机大体相同，但备有各种控制模板，一般不需要再作硬件开发，在结构上进行了模块化；系统具备完整的控制功能，软件丰富，执行速度快，适用于需要作大量数据处理的测控系统。

在程序语言方面，工业控制计算机以使用高级语言为主，也可使用汇编语言。

　　可编程序控制器（PLC）结构小巧，适应性强，可按照使用要求选购相应产品组成控制系统，可编程序控制器的控制功能以逻辑控制为主，小型PLC适用于实现各种逻辑控制和开关量控制，大中型的PLC为模块化结构，按用户所需的功能选配模块，可组成规模较大、精度较高的闭环控制系统。

PLC的控制功能由软件实现，但信号的输入输出采用周期性的扫描方式，这一点与工业控制PC机存在重要的区别。

此外，在程序语言方面PLC的编程语言多采用梯形图，大型PLC控制系统可使用高级语言。

机电一体化系统设计基础课程作业（四）

一、填空题

　　1．通常，传感器由敏感元件、转换元件和基本转换电路所组成。

　　2．传感器的主要静态特性指标有灵敏度、线性度、重复性和迟滞。

　　3．数字式传感器的动态特性是输入量变化的临界速度。

4．传感器输入特性的主要参数是广义输入阻抗或静态刚度。

　　5．HRGP－1A喷漆机器人的主要特点是操作机采用挠性手腕结构，具有3个自由度；驱动器采用分离活塞式油缸，减轻了示教力；位置测量采用旋转变压器作传感器，具有较高的伺服精度。

　　6．HRGP－1A喷漆机器人微机控制系统采用双CPU工作，其中主CPU为8088，并配有协处理器，从CPU为8086，主要用于电液伺服回路控制。

　　7．通常，数控设备由输入输出设备、计算机数控装置、伺服系统和受控设备所组成。

　　8．按照运动轨迹不同，数控设备可分为点位控制装置、直线控制装置和轮廓控制装置等三类。

　　二、简答题

1．简述光电编码器式传感器的工作原理和主要特点。

光电编码器式传感器主要由旋转孔盘和光电器件组成。

它的输出是与孔盘转角或转角增量成正比例关系的脉冲信号，通过对脉冲信号计数，即可测定孔盘转过的角度。

光电编码器式传感器又分为绝对式和增量式，前者转角范围小于360º,用于低速端角位置测量；后者无转角范围限制，可用于高速端角位置测量或转速测量。

光电编码器式传感器的主要特点是测量精度高；输出量为脉冲信号，抗干扰能力强；可以同时用于位置和速度的测量，使用方便；但高精度的光电编码器价格比较贵，成本高。

2．选择传感器应主要考虑哪几方面的因素？

选择传感器的主要依据是传感器的性能指标：

（1）基本参数量程、灵敏度、静态精度和动态特性。

（2）环境参数环境温度、湿度、冲击、振动；抗干扰能力。

（3）可靠性工作寿命、平均无故障时间。

（4）使用条件电源、外形尺寸、安装方式。

（5）经济性价格和价格性能比。

此外，选择传感器时还必须考虑其输入输出特性。

3．简述HRGP－1A喷漆机器人的示教与再现过程。

HRGP－1A喷漆机器人的工作分示教和再现两个过程。

示教过程由工作人员用手操纵操作机构的关节和手腕，根据喷漆工件表面的形状进行示教操作，此时中央处理器通过反馈元件（旋转变压器）将示教过程中测试的参数存入存储器，即把示教过程执行机构的空间轨迹记录下来。

再现过程由计算机控制机器人的动作，中央处理器将示教时记录的空间轨迹信息从存储器中取出，经过插补运算与采样得到的位置数据进行比较，将其插值调节后输出，控制执行机构按照示教时的轨迹运动。

4．简述数控设备中计算机数控装置的组成和功能。

在数控设备中，计算机数控装置是设备的核心部分，一般由专用计算机（或通用计算机）、输入输出接口以及机床控制器等部分构成。

计算机数控装置根据输入的数据和程序，完成数据运算、逻辑判断、输入输出控制等功能；机床控制器主要用于机床的辅助功能，主轴转速的选择和换刀功能的控制。

5．简述CK3225型机床数控系统的组成。

CK3225型机床有主驱动、伺服驱动两大控制环节。

主驱动主要是机床主轴的速度控制，伺服驱动除对进给速度进行控制外，还需要对刀架的行程（位置）进行控制。

机床的数控系统由操作系统、机床控制机、主驱动单元、伺服驱动单元和其它功能控制单元。

工作时从操作系统输入数据，由机床控制机（经过内装的PC处理）对两大驱动系统进行控制。

　　三、分析题

1．试分析比较测速发电机和光电编码器做转速测量的特点。

直流测速发电机由永久磁铁与感应线圈组成，用电枢获取速度信号。

它具有灵敏度高、结构简单等特点，常用于高精度低速伺服系统，也可与永磁式直流电动机组成低速脉宽调速系统。

直流测速发电机的输出信号是与输入轴的转速成正比的直流电压信号，信号幅度大，信号调理电路简单。

由于输出电压信号有波纹，一般需要配置滤波电路。

光电编码器（增量式）主要由旋转孔盘和光电器件组成。

它具有体积小、使用方便、测量精度高等特点，常与直流电机配合使用构成脉宽调速系统。

增量式光电编码器输出的是与转角成比例的增量脉冲信号，可以通过脉冲计数获得角位置信号，也可以定时取样脉冲数的增量实现角速度测量。

因此，可以同时测量转角和转速。

2．画图说明HRGP－1A喷漆机器人电液伺服系统的组成和工作特点。

HRGP－1A喷漆机器人电液伺服系统的组成如图所示。

喷漆机器人具有6个自由度，每个自由度都由一套上图所示的电液伺服系统驱动。

电液伺服系统为多输入、多输出的变量系统，各系统之间具有负载效应，以适应机器人运动参数和动力参数的变化；各电液伺服系统的快速响应特性一致，使各个机构的运动相互协调，并具有较高的速度刚度，使操作机具有运动速度高、工作稳定性好、位置精度高等特点，以满足喷漆工艺的要求。

3．试分析比较闭环控制系统与半闭环控制系统的主要区别。

闭环控制系统的位置测量元件直接对工作台的实际位移量进行检测。

如图所示，A为速度测量元件，C为位置测量元件，由A将速度反馈信号送到速度控制电路，由C将工作台实际位移量反馈至位置比较电路，系统通过与指令值比较后的差值进行控制。

闭环控制系统可以消除包括工作台传动链在内的误差，定位精度高，调节速度快。

但由于工作台惯量大,对系统稳定性不利，且系统较复杂、成本高。

半闭环控制系统通过测速发电机A和光电编码器B间接测量伺服电机的转角，推算出工作台的实际位移量。

系统通过此值与指令值进行比较，以差值实现控制。

半闭环控制系统没有把工作台传动链包括在控制回路内，这类系统的控制方式介于开环与闭环之间，精度没有闭环高，但成本较低，调试方便，因此得到了广泛的应用。

4．试分析比较直流电机和液压马达实现转动输出驱动的不同特点。

使用液压马达一般不需要中间传动机构，马达轴与负载轴直接连接，传动机构简单，结构紧凑；而直流电机驱动为得到合适的运动速度和负载能力，一般要使用较大传动比的减速器，传动机构的尺寸较大。

在相同的负载条件下，液压马达比直流电机驱动的负载刚度大、快速性好；液压马达对环境条件要求不高，可在需要防水、防爆的条件下工作，需要使用电液伺服阀和专门的液压动力源，对环境有污染；而直流电机驱动要求有较好的工作环境，也不会污染环境。

　　四、计算题

　　已知某工作台采用直流电机丝杠螺母机构驱动，已知工作台的行程L=250mm,丝杠导程t=4mm,齿轮减速比为i=5,要求工作台位移的测量精度为0.005mm，采用高速端测量方法，试确定旋转编码器的每转脉冲数。

（忽略齿轮和丝杠的传动误差）

解：

设传感器的每转脉冲数为ns，每个脉冲对应工作台的位移为

则

选取n=200光电编码器，则测量精度为

满足题目要求。

　　五、综合题

已知五自由度机器人，采用直流电机控制，关节转角的测量采用增量式编码器，具有手动示教和再现功能，试确定其控制计算机及控制方案。

控制系统原理图如下：

手动示教盒是一个单片机系统，它由单片机、RAM、串行通信口、键盘、LED显示器等组成。

它承担命令输入、状态显示、数据存储、通过与关节控制单片机通信给关节单片机发送控制命令等任务。

每个关节控制单片机分别负责单个关节直流电机的位置伺服控制，由单片机、PWM驱动接口、编码器接口和串行通信口等组成。

PC具有与手动示教盒同样的功能。

不同的是，状态显示及命令输入由显示器和PC键盘来实现，利用PC机还能实现数据自动再现，使机械手按指定轨迹运动。