机电一体化系统设计基础课程作业解答.docx

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机电一体化系统设计基础课程作业解答

机电一体化系统设计基础课程作业解答

（一）

一、填空题

1．控制计算机控制软件硬件接口电路

2．民用机电一体化办公机电一体化产业机电一体化

3．质量目标管理实行可行性设计进行设计质量评审

4．定期预测定量预测

5．精度稳定性快速响应性

6．前小后大

7．转子惯量

8．传动误差回程误差

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

？

解：

（1）计算各传动件的转动惯量

材料密度

，齿轮的计算直径按分度圆直径计算，丝杠的计算直径取中径。

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。

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

按照机电一体化系统的基本结构要素，图示数控机床的各个部分归类如下：

（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

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（二）

一、填空题

1．低频分量高频分量

2．固有频率阻尼能力

3．相对阻尼系数

4．固有频率

5．变频信号源脉冲分配器功率放大器

6．最大动态转矩降低

7．线性直流伺服放大器脉宽调制放大器

8．电源频率磁极对数转差率

9．电液比例阀电液伺服阀

10．定位精度定位时间

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．分析传感器的误差对输出精度的影响

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．分析齿轮减速器的传动误差对工作台输出精度的影响。

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．如图所示的电机驱动直线伺服系统，已知工作台的质量为m＝50kg，工作台与导轨间的摩擦系数f＝0.1，负载力为FW＝1000N，丝杠直径为D＝16mm，导程为ts＝4mm，齿轮减速比为i＝5，工作台的最大线速度为v＝0.04m/s，试求：

（1）折算到电机轴上的负载力矩；

（2）电机轴的转速；（3）电机所需功率。

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》课程作业解答（三）

中央电大理工部冼健生

（2004年09月15日）

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　　一、填空题

　　1．数据总线　　地址总线　　控制总线

　　2．S－100　　Multi（或STD、STE）

　　3．总线接口逻辑　　I/O功能逻辑　　I/O电气接口

　　4．滤波　　电平变换　　光电隔离　　功率驱动

　　5．多路开关　　采样保持器　　转换器　　总线接口逻辑

　　6．采样精度　　采样速度　　成本

　　7．D/A转换器　　通道选择器

　　8．信号调理

　　二、简答题

　　1．试述可编程序控制器的功能和组成。

　　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PC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）