机电一体化系统设计基础复习1答案.docx
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机电一体化系统设计基础复习1答案
机电一体化系统设计基础复习1答案
一、判断题（正确的打√，错误的打×）
1．机电一体化系统的主要功能就是对输入的物质按照要求进行处理，输出具有所需特性的物质。
（x）P4
2.系统论、信息论、控制论是机电一体化技术的理论基础，是机电一体化技术的方法论。
（√）P10
3．信息处理技术是指在机电一体化产品工作过程中，与工作过程各种参数和状态以及自动控制有关的信息输入、识别、变换、运算、存储、输出和决策分析等技术。
（√）P11
4．自动控制是在人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定的规律运行。
（x）P11
5．产品的组成零部件和装配精度高，系统的精度一定就高。
（x）
6．为减少机械传动部件的扭矩反馈对电机动态性能的影响，机械传动系统的基本固有频率应低于电气驱动部件的固有频率的2~3倍，同时，传动系统的固有频率应接近控制系统的工作频率，以免系统产生振荡而失去稳定性。
（x）P21
7．传动机构的转动惯量取决于机构中各部件的质量和转速。
（x）P21
8．在闭环系统中，因齿轮副的啮合间隙而造成的传动死区能使系统以6~10倍的间隙角产生低频振荡，采用消隙装置，以提高传动精度和系统稳定性。
（x）P44
9．进行机械系统结构设计时，由于阻尼对系统的精度和快速响应性均产生不利的影响，因此机械系统的阻尼比ξ取值越小越好。
（x）P27
10．滚珠丝杠垂直传动时，必须在系统中附加自锁或制动装置。
（√）P33
11．采用偏心轴套调整法对齿轮传动的侧隙进行调整，结构简单，且可以自动补偿侧隙。
（x）P47
12．采用虚拟样机代替物理样机对产品进行创新设计测试和评估，延长了产品开发周期，增加了产品开发成本，但是可以改进产品设计质量，提高面向客户与市场需求能力。
（x）P65
1．机电一体化系统是以微电子技术为主体、以机械部分为核心，强调各种技术的协同和集成的综合性技术。
（x）P7
2．机电一体化系统的机械系统与一般的机械系统相比，应具有高精度、良好的稳定性、快速响应性的特性。
（√）P20
3．双螺母消除轴向间隙的结构形式结构紧凑，工作可靠，调整方便，能够精确调整。
（x）P35
4.传感器的转换元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分。
（x）P72
5．感应同步器是一种应用电磁感应原理制造的高精度检测元件，有直线和圆盘式两种，分别用作检测直线位移和转角。
（√）
6．选择传感器时，如果测量的目的是进行定性分析，则选用绝对量值精度高的传感器，而不宜选用重复精度高的传感器。
（x）P87
7．传感器在使用前、使用中或修理后，必须对其主要技术指标标定或校准，以确保传感器的性能指标达到要求。
（√）P89
8．驱动部分在控制信息作用下提供动力，伺服驱动包括电动、气动、液压等各种类型的驱动装置。
（√）P12
9．气压式伺服驱动系统常用在定位精度较高的场合使用。
（x）P103
10．永磁型步进电动机即使其定子绕组断电也能保持一定转矩，故具有记忆能力，可用于定位驱动。
（√）P109
11．步进电动机的转动惯量越大，同频率下的起动转矩就越大。
（x）P113矩—频特性图
12．直流伺服电动机的调速特性是电机转速与其输出转矩的关系。
（x）P120
1．数字式位移传感器有光栅、磁栅、感应同步器等，它们的共同特点是利用自身的物理特征，制成直线型和圆形结构的位移传感器，输出信号都是脉冲信号，每一个脉冲代表输入的位移当量，通过计数脉冲就可以统计位移的尺寸。
（√）P81
2．电液伺服系统的过载能力强，在强力驱动和高精度定位时性能好，适合于重载的高加减速驱动。
（√）P103
3．通常，步进电机的最高连续工作频率远大于它的最高启动频率。
（√）P112
4．脉冲分配器的作用是使电动机绕组的通电顺序按一定规律变化。
（√）P114
5．对直流伺服电动机来说，其机械特性越硬越好。
（x）P120
6．无论采用何种控制方案，系统的控制精度总是高于检测装置的精度。
（x）
7．一般说来，全物理仿真较之计算机仿真在时间、费用和方便性上都具有明显的优点，是一种经济、快捷与实用的仿真方法。
（x）P138
8．数字化物理样机就是一种结构设计软件，强调结构上的设计。
（x）
9．计算机控制系统的采样周期越小，其控制精度就越高。
（x）P152-P153
10．PLC采用扫描工作方式，扫描周期的长短决定了PLC的工作速度。
（√）P162
11．通用型计算机系大多工作在为特定用户群设计的系统中，通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点。
（x）P168
12．现代嵌入式系统的设计方法是将系统划分为硬件和软件两个独立的部分，然后按各自的设计流程分别完成。
（x）P173
1．自动控制技术是机电一体化相关技术之一，直接影响系统的控制水平、精度、响应速度和稳定性。
（√）
2．计算机控制系统设计完成后，首先需要对整个系统进行系统调试，然后分别进行硬件和软件的调试。
（×）P160
3．PLC完善的自诊断功能，能及时诊断出PLC系统的软件、硬件故障，并能保护故障现场，保证了PLC控制系统的工作安全性。
（√）P161
4．现场总线系统采用一对一的设备连线，按控制回路分别进行连接，打破了传统控制系统的结构形式。
（×）P178
5．需求设计是指新产品开发的整个生命周期内，从分析用户需求到以详细技术说明书的形式来描述满足用户需求产品的过程。
（√）P204
6．目前，大部分硬件接口和软件接口都已标准化或正在逐步标准化，设计时可以根据需要选择适当的接口，再配合接口编写相应的程序。
（√）P221
7．计算机控制系统的软件主要分为系统软件和应用软件，应用软件一般不需要用户设计，系统软件都要由用户自行编写，所以软件设计主要是系统软件设计。
（×）P159
8．反求设计是建立在概率统计基础之上，主要任务是提高产品的可靠性，延长使用寿命，降低维修费用。
（×）P228
9．绿色设计是对已有的产品或技术进行分析研究，进而对该系统（产品）进行剖析、重构、再创造的设计。
（×）P233
10．虚拟设计是在基于多媒体的、交互的、嵌入式的三维计算机辅助设计环境中进行实体建模和装配建模，生成精确的系统模型，并在同一环境中进行一些相关分析，从而满足工程设计和应用的需要。
（√）P238
11．工业机器人驱动部分在控制信息作用下提供动力，包括电动、气动、液压等各种类型的传动方式。
（√）P243
12．数控机床中的计算机属于机电一体化系统的控制系统，而电机和主轴箱则属于系统的驱动部分。
（×）
二、单选题
1．有一脉冲电源，通过环形分配器将脉冲分配给五相十拍通电的步进电机定子励磁绕组，已知转子有24个齿，步进电机的步距角是（C）。
P112
A．0.6°B．1.2°C．1.5°D．2°
3．采用脉宽调制（PWM）进行直流电动机调速驱动时，通过改变（A）来改变电枢回路的平均电压，从而实现直流电动机的平滑调速。
P121
A．脉冲的宽度B．脉冲的频率
C．脉冲的正负D．其他参数
1．下列哪个是传感器的动特性（D）。
A．量程B．线性度
C．灵敏度D．幅频特性
2．在开环控制系统中,常用（B）做驱动元件。
P108
A．直流伺服电动机B．步进电动机
C．同步交流伺服电动机D．异步交流伺服电动机
3.光栅传感器的光栅是在一块长条形的光学玻璃上密集等间距平行的刻线，刻线数为100线/mm，此光栅传感器测量分辨率是（C）mm。
A．1B．0.1C．0.01D．0.001
4．计算机控制系统实际运行时，需要由用户自行编写（D），具有实时性、针对性、灵活性和通用性。
P159
A．实时软件B．开发软件C．系统软件D．应用软件
5．以下除了（D），均是由硬件和软件组成。
A．计算机控制系统B．PLC控制系统
C．嵌入式系统D．继电器控制系统
6．以下抑制电磁干扰的措施，除了（D），其余都是从切断传播途径入手。
A屏蔽B隔离C滤波D软件抗干扰
2．多级齿轮传动中，各级传动比相等的分配原则适用于按（C）设计的传动链。
P46
A．最小等效转动惯量原则B．输出轴的转角误差最小原则
C．重量最轻原则（小功率装置）D．重量最轻原则（大功率装置）
3．检测环节能够对输出进行测量，并转换成比较环节所需要的量纲，一般包括传感器和（B）。
A控制电路B转换电路
C放大电路D逆变电路
4．幅频特性和相频特性是模拟式传感器的（B）。
A．静态特性指标B．动态特性指标
C．输入特性参数D．输出特性参数
5．光栅传感器的光栅是在一块长条形的光学玻璃上密集等间距平行的刻线，刻线数为100线/mm，，经四倍细分后，记数脉冲为400，光栅位移是（A）mm。
A．1B．2C．3D．4
6．受控变量是机械运动的一种反馈控制系统称（B）。
A.顺序控制系统B.伺服系统
C.数控机床D.工业机器人
7．闭环控制的驱动装置中，丝杠螺母机构位于闭环之外，所以它的（D）。
A．回程误差不影响输出精度，但传动误差影响输出精度
B．传动误差不影响输出精度，但回程误差影响输出精度
C．回程误差和传动误差都不会影响输出精度
D．回程误差和传动误差都会影响输出精度
8.以下可对交流伺服电动机进行调速的方法是（B）。
A改变电压的大小B改变电动机的供电频率
C改变电压的相位D改变电动机转子绕组匝数
2为提高机电一体化机械传动系统的固有频率，应设法（A）。
A．增大系统刚度B．增大系统转动惯量C．增大系统的驱动力矩D．减小系统的摩擦阻力
3导程L0=8mm的丝杠驱动总质量为60kg的工作台与工件，则其折算到丝杠上的等效转动惯量为（B）kg·mm2。
A．48.5B．97C．4.85D．9.7
4传动系统的固有频率对传动精度有影响，（A）固有频率可减小系统地传动误差，（A）系统刚度可提高固有频率。
A．提高，提高B．提高，减小
C．减小，提高D．减小，减小
5下列哪种方法是采用单螺母预紧原理来消除滚珠丝杠副的间隙？
（D）
A．螺纹调隙式B．双螺母垫片调隙式C．齿差调隙式D．偏置导程法
6齿轮传动的总等效惯量随传动级（B）。
A.增加而减小 B.增加而增加
C.减小而减小 D.变化而不变
7多级齿轮传动中，各级传动比“前小后大”的分配原则不适用于按（D）设计的传动链。
A．最小等效转动惯量原则（小功率传动装置）B．最小等效转动惯量原则（大功率传动装置）C．输出轴的转角误差最小原则
D．重量最轻原则
8某机电一体化系统需要消除齿轮传动的齿侧间隙，采取下列哪种方法使得调整过程中能自动补偿齿侧间隙？
（D）
A．偏心套调整法B．轴向垫片调整法
C薄片错齿调整法D．轴向压簧错齿调整法
三、简答题
1完善的机电一体化系统主要包括哪几部分
答：
机电一体化系统的基本结构要素有机械本体，动力系统（能源，驱动部分），执行机构，控制及信息处理单元，传感检测部分等5项，各环节和要素之间通过接口相联系。
2．简述机电一体化系统中的接口的作用。
答：
机电一体化系统是机械、电子和信息等性能各异的技术融为一体的综合系统，其各要素及各子系统之间的连接与信息传输都要通过接口。
从系统外部看，输入/输出是系统与人、环境或其他系统之间的接口；从系统内部看，机电一体化系统是通过许多接口将各组成要素的输入/输出联系成一体的系统。
各要素及各子系统之间的接口性能好坏决定了整个机电一体化系统的综合性能。
3．机械运动中的摩擦和阻尼会降低效率，但是设计中要适当选择其参数，而不是越小越好。
为什么？
答：
一般情况下，摩擦阻尼都发生在运动副的构件之间。
系统的静摩擦阻尼大，会使系统的回程误差增大，定位精度降低。
系统的黏性阻尼摩擦越大，系统的稳态误差就越大，精度降低。
系统的黏性阻尼摩擦会对系统的快速响应性产生不利影响。
所以摩擦阻尼不易过大，但是阻尼比除了与机械系统的黏性阻尼系数B有关外，还与系统的刚度和质量有关。
如果机械系统刚度低而质量大，则系统的固有频率较低，此时应增大系统的黏性摩擦阻尼，以减小振幅和衰减振动。
因此，在进行机械结构设计时，应当通过对刚度、质量和摩擦系数等参数的合理匹配，得到机械系统阻尼比
的适当取值，以保证系统的良好动态特性。
4．简述机械系统的刚度对系统动态特性的影响。
答：
（1）失动量系统刚度越大，因静摩擦力作用所产生的传动部件的弹性变形越小，系统的失动量也越小。
（2）固有频率机械系统刚度越大，固有频率越高，可远离控制系统或驱动系统的频带宽度，从而避免产生共振。
（3）稳定性刚度对闭环系统的稳定性有很大影响，提高刚度可增加闭环系统的稳定性。
1．什么是传感器的静态特性和动态特性？
P85
答：
传感器的静态特性是指传感器的输入信号不随时间变化或变化非常缓慢时所表现出来的输出响应特性，称为静态响应特性。
传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性。
2．什么是伺服系统？
伺服系统的一般组成有哪几个部分？
P101
答：
伺服驱动系统：
是指以机械位置、速度和加速度为控制对象，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。
——相当于人四肢
伺服系统主要包含：
控制器、功率放大器、执行机构和检测装置4大部分。
（P101图）
3．简述直流伺服电动机脉宽调制的工作原理。
答：
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．比较直流伺服电动机和交流伺服电动机的适用环境差别。
答：
直流伺服电动机具有良好的调速特性，较大的起动转矩，相对功率大及快速响应等优点。
尽管其结构复杂，成本较高，在机电控制系统中作为执行元件还是获得了广泛的应用。
与普通直流伺服电动机相比较，普通交流伺服电动机的特点是：
它不需要电刷和换向器，因而避免了由于存在电刷和换向器而引起的一系列弊病。
此外，它的转动惯量、体积和重量一般来说也较小。
缺点是：
输出功率和转矩较小；转矩特性和调节特性的线性度不及直流伺服电动机好；其效率也较直流伺服电动机为低。
1．机电一体化系统仿真在系统设计过程中所起的作用是什么？
解答：
系统仿真就是通过对系统模型的实验分析去研究一个存在的或设计中的系统，这里的系统是指由相互联系和制约的各个部分组成的具有一定功能的整体。
1）系统仿真可以在项目设计和规划时，对项目的合理性、经济性等品质加以评价；
2）系统仿真可以在系统实际运行前，对项目的实施结果加以预测，以便选择正确、高效的运行策略或提前消除设计中的缺陷，最大限度地提高实际系统的运行水平。
可见系统仿真在机电一体化系统设计的预见性、经济性方面的作用十分明显。
2．机电一体化系统仿真的模型主要有哪几种？
分别应用于系统设计的哪个阶段？
解答：
仿真的模型主要有计算机仿真、半物理仿真和全物理仿真。
1）计算机仿真用于系统的分析设计阶段；
2）半物理仿真用于系统的部件及子系统研制阶段；
3）全物理仿真用于整个系统的研制阶段。
3．PID控制算法中比例、积分、微分部分各起何作用？
解答：
1）比例调节起纠正偏差的作用，且其反应迅速；
2）积分调节能消除静差，改善系统的静态特性；
3）微分调节有利于减少超调，加快系统的过渡过程。
这3个作用若配合得当，则可使调节过程快速、平稳、准确，收到较好的效果。
4．系统采样周期的选择时，主要考虑的影响因素主要有哪些？
解答：
1）从对调节质量来看，采样周期在香农采样定理给出的上限范围内，采样周期越小，就越接近连续控制，而且采样周期大些也不会失去信号的主要特征。
2）从执行元件的要求来看，有时需要输出信号保持一定的宽度，这就需要一定的时间，在这段时间内，要求计算机的输出值不应变化，因此，采样周期必须大于这一时间，否则会导致执行元件不能按预期的调节规律动作。
3）从控制系统随动和抗干扰的性能要求来看，则要求采样周期短些，这样，给定值的改变可以迅速地通过采样得到反映，而不致在随动控制中产生大的时延。
A．对于低频扰动，采用短的采样周期可以使之迅速得到校正并产生较小的最大偏差。
B．对于中频扰动，采用周期选大了，干扰就有可能得不到控制和抑制。
4）从计算机工作量和每个调节回路的计算成本来看，一般要求采样周期大些。
5）从计算机精度来看，过短的采用周期是不合适的。
因此，各方面因素对采用周期的要求是不同的，甚至是互相矛盾的，所以，确定采样周期时须根据具体情况和主要要求作出折中选择。
5．简述下图所示梯形图的工作过程及逻辑关系，图中接线为：
开关1（I0.0），开关2（I0.1），开关3（I0.2），红灯（Q0.0），绿灯（Q0.1）。
图梯形图
I0.0
T0
（）
I0.1
I0.2
Q0.0
I0.2
Q0.1
Q0.0
T0
（）
3s
T0
解答：
工作过程及逻辑关系：
（1）开关1闭合，I0.0常开触点接通，开关2闭合，I0.1常开触点接通，
开关3断开，I0.2常闭触点接通，Q0.0输出继电器线圈带电，其常开触点接通，红灯亮；
（2）Q0.0常开触点接通，启动定时器T0，当延时3s时，T0的常开触点接通，Q0.1输出继
电器线圈带电，其常开触点接通，绿灯亮；
（3）开关3闭合，I0.2常闭触点断开，Q0.0和Q0.1输出继电器线圈不带电，红灯和绿灯熄灭。
1．何谓概念设计？
简述概念设计的设计过程。
（P208）
答：
在确定任务之后，通过抽象化，拟定功能结构，寻求适当的作用原理及其组合等，确定出
基本求解途径，得出求解方案，这一部分设计工作叫做概念设计。
设计过程：
（1）首先是将设计任务抽象化，确定系统的总功能。
（2）然后将总功能分解为子功能，直到分解到不能再分解的功能元为止。
（3）寻找子功能的解，并将原理解进行组合，形成多种原理解设计方案。
（4）最后对众多方案进行评价与决策，最终选定最佳方案形成概念产品。
2．如何进行机电一体化系统的可靠性设计？
（P229）
答：
产品的可靠性主要取决于产品的研制和设计阶段。
要提高系统的可靠性，要从研制、设计、制造实验、管理、使用和维护以及评审等每个阶段都考虑。
（1）机械系统的可靠性设计措施：
缩短传动链，减少元件数；
必要时增设备用元件或系统；
简化结构；
增加过载保护装置或自动停机装置；
设置监控系统；
合理地规定维修期；
（2）控制系统的可靠性设计措施：
采用自动控制；
通过元器件的合理选择提高可靠性；
对功率接口采用降额设计提高可靠性；
采用监视定时器提高可靠性；
采取抗干扰措施提高可靠性；
3．简述HRGP－1A喷漆机器人的示教再现过程。
答：
喷漆机器人的再现过程：
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。
答：
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。
四、计算题
1．某工作台采用如图所示的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（忽略齿轮和丝杠的传动误差）。
（1）若采用高速端测量方法，将旋转编码器安装在电机输出轴上，确定旋转编码器的每转脉冲数。
解答：
测量精度可理解为脉冲当量
求每转脉冲数
1
推出
得：
脉冲/转
选用
脉冲/转合理
（每个脉冲驱动电动机轴的角度是：
360/
；对应一个脉冲，螺母机构的转角是：
360/4*0.005；他们的减速比是85，所以360/
/I=360/4*0.005）
（2）若采用低速端测量方法，将传感器与丝杠的端部直接相连，ns=500脉冲/转的旋转编码器是否合用？
工作台
丝杠滚珠螺母
齿轮减速器
联轴器
DC伺服
电机
i=5
图直流电机丝杠螺母机构驱动工作台
解答：
>
不合用
（高速端与低速端本质区别就是涉及一个传动比
）
2．图示为电枢控制式直流电动机的工作原理图。
图中电机线圈的电流为i；L与R为线圈的电感与电阻；电机的输入电压为u；折算到电机转子轴上的等效负载转动惯量为JM；电机输出转矩和转速分别为T和ω；KE和KT分别为电枢的电势常数和转矩常数，试求输出转速与输入电压之间的传递函数。
图直流电动机的工作原理
解答：
（1）电机轴上的转矩平衡方程为：
忽略阻尼影响，则：
①
（2）当激磁磁场不变时，电机输出转矩T正比于电枢电流：
②
则式①和式②得：
③
由转角与转速关系
④
则式③和式④得：
⑤
（3）当电枢转动时，电枢中会感应反电势
，
其值正比于转动的角速度：
⑥
（4）电枢回路的电压微分方程为：
⑦
则式⑥和式⑦得：
⑧
（5）求拉氏变换
式⑤拉氏变换得：
推出：
式⑧拉氏变换得：
推出：
联立求解得：
输出转速与输入电压之间的传递函数：
1．刻线为1024的增量式角编码器安装在机床的丝杠转轴上，已知丝杠的螺距为2mm，编码器在10秒内输出307200个脉冲，试求刀架的位移量和丝杠的转速分别是多少？
解答：
增量式编码器转轴旋转时，有相应的脉冲输出，其计数起点任意设定，可实现多圈无限累加和测量。
编码器轴转一圈会输出固定的脉冲，脉冲数由编码器光栅的线数决定。
1）刀架的位移量
2）丝杠的转速
（单位：
转/秒）
2．如图所示的电机驱动工作台系统，其中驱动x向工作台的三相双三拍步进电机，转子齿数z为100。
滚珠丝杠的基本导程为l0=6mm。
已知传动系统的横向（x向）脉冲当量δ为0.005mm/脉冲。
试求：
（1）步进电机的步距角α；
（2）减速齿轮的传动比i。
功放
电机
滚珠丝杠
工作台
i
图电机驱动工作台示意图
解答：
（1）步进电机的步距角α
（2）减速齿轮的传动比i
=>
=>
工作台
丝杠滚珠螺母
齿轮减速器
联轴器
DC伺服
电机
i=5
1.某工作台采用直流电机丝杠螺母机构驱动如图所示，已知电机轴的转动惯量Jm=4×10-4kg·m3，与电机输出轴相连的小齿轮的转动惯量J1=1×10-4kg·m3，大齿轮的转动惯量J2=1.8×10-4kg·m3，丝杠的转动惯量Js=3.8×10-4kg·m3。
工作台的质量m=50kg，丝杠导程t=5mm，齿轮减速比为i=5。
试求：
（1）工作台折算到丝杠的等效转动惯量JG；
2传动件折算到电机轴的等效转动惯量Je；
（3）电机轴上的总转动惯量J。
图直流电机丝杠螺母机构驱动工作台
解答：
1）工作台折算到丝杠上的等效转动惯量：
2）传动件折算到电机轴的等效转动惯量Je；
3）电机轴上的总转动惯量J。
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