电大机电一体化系统设计基础形成性考核系统作业答案.docx
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电大机电一体化系统设计基础形成性考核系统作业答案
2013年11月电大机电一体化系统设计基础形成性考核系统作业答案
作业一答案
一、判断题（共10道试题，共40分。
）
1.产品的组成零部件和装配精度高，系统的精度一定就高。
A.错误
2.齿轮传动的啮合间隙会造成一定的传动死区，若在闭环系统中，传动死区会使系统产生低频震荡。
B.正确
3.在滚珠丝杠螺母间隙的调整结构中，齿差式调隙机构的精度较高，且结构简单，制作成本低。
A.错误
4.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。
B.正确
5.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。
B.正确
6.滚珠丝杠垂直传动时，必须在系统中附加自锁或制动装置。
B.正确
7.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。
A.错误
8.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E取值越
小越好。
A.错误
9.传动机构的转动惯量取决于机构中各部件的质量和转速。
A.错误
10.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1~5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。
B.正确
二、单项选择题（共10道试题，共40分。
）
1.对于机电一体化系统的齿轮传动，采取下列哪种方法是来消除齿侧间隙，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
2.齿轮传动的总等效惯量随传动级数（A）。
A.增加而减小B.增加而增加C.减小而减小D.变化而不变
3.以下产品不属于机电一体化产品的是（B）。
A.机器人B.移动电话C.数控机床D.复印机
4.以下产品不属于机电一体化产品的是（D）。
A.工业机器人B.打印机C.空调D.电子计算机
5.滚珠螺旋传动与其他直线运动副相比，以下哪一项不是滚珠螺旋传动的特点？
（D）
A.传动效率高B.运动平稳C.定位精度和重复定位精度高D.制造工艺简单
6.导程Lo=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）kgmm2。
A.48.5B.97C.4.85D.9.7
7.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。
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）
8.机电一体化技术是以（C）部分为主体，强调各种技术的协同和集成的综合性技术。
A.自动化B.微电子C.机械D.软件
9.机械传动部件的阻尼比和以下哪个因素无关？
（C）
A.粘性阻尼系数B.抗压刚度系数C.转动惯量D.质量
10.为降低机电一体化机械传动系统的固有频率，应设法（）。
A.减小系统刚度B.减小系统转动惯量C.减小系统的驱动力矩D.减小系统的摩擦阻力
三、计算题（共2道试题，共20分。
）
1.
某工作台采用直流电机丝杠螺母机构驱动如图浙示，已知电机抽的转动慣量厶=4X10^kg*m-,与电机输出轴相连的小齿轮的转动惯量JT=lxio^kg*m-,大齿轮的转动惯量72=1.5XlO^kg•m;,丝杠的转动tSSJt=3.8X10^kg*m-.工作台的质量叨WOk宙丝杠导程r=5mnii播轮减速比为戸。
试求；「「
（1）工作台折算到丝杠的等效转动惯量J也
<2）传动件折算到电机轴的等效转动惯量5
（3）电机稱上的总转动惯量J。
DC伺服.[_i|■
-|l
U
申.机1―'Lr-
H
||
=*1
工作台
[
丝杠
齿轮减速器
图£潦电机MtiWl母机檜甕动工作台
解：
（D工作合折算到丝杠的等效转动惯量为（
）kg•m:
»（4分）
=mx±^0x^
2tt2tt
=0,04
E・
=50x
（0.005Y
=3.166x10^
<2）传动件折算到电机轴的等效转动慣量为（）kgm*.3分〉
A-£兰厶+厶+厶+丿仔p卫三町尸
B・=Jx+J2+Js+Ja）=S.212xl（H
i
C.J=J.+4lJ,+J+<=i.236xl0~
电1^23s&
D.J-Z+—'X4-J+Jr<=2JS3*10^
电1*JS
1
（3）电机轴上的总转动惯量J=+Je=（）kgm^（2分）
A-N122TWE.S.612xio3C-5.236TWD・6.183^10^
答案
（1）B
（2）C（3）C
设有一小功率电动机驱动的二级齿轮传动减速系统如图所示，假设齿轮箱的传动效率为100%,齿轮箱的总传动比㈢,已知齿轮采用相同材料，齿轮的宽度相等F各齿轮的模数旃=4,主动齿轮的齿数：
-i-^30,谙根据转动惯量最小原则设计齿轮传动系统，计算各级齿轮传动比和齿轮2、齿轮4的齿数。
电机
图电动机駆动的二级齿轮传动动系统
解：
设一级齿轮的传动比为讣,第二级齿轮的传动比韓其中y转换到範机轴的齿轮惯量为（
T—TL%+卫LAT_r1^2+J3IA
A・J吨—珀+飞一十画民J砸—」1+飞—+吋
其中厶=厶二丘:
、=j7ih*、A=」$：
二比_
O7
根据转动惯量最小原则，令仝型=0,可求得（人C5分〉
L，4+]（2
A.i2—J-F当才»10t»可简化为I2=f^.=2-=5?
lb414,^1=^=42
■2J2
（4+]j4
B**=——-—7当斤»1时*可简化为J—*扎a1.32，52*40*^.=46
答案BA
作业二答案
1.步进电动机的转动惯量越大，同频率下的起动转矩就越大。
（）A.错误
2.气压式伺服驱动系统常用在定位精度较高的场合使用。
（）A.错误
3.传感器的静态特性是特指输入量为常量时，传感器的输出与输入之间的关系。
（）A.错误
4.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。
（）A.错误
5.
）B.正确
）A.错
）B.正确
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。
（
6.气压伺服系统的过载能力强，在大功率驱动和高精度定位时性能好，适合于重载的高加减速驱动。
（
误
7.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。
（
8.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。
（）B.正确
9.伺服电机的驱动电路就是将控制信号转换为功率信号，为电机提供电能的控制装置，也称其为变流器，它包括电
压、电流、频率、波形和相数的变换。
（）B.正确
10.直流伺服电动机的机械特性是电机转速与其控制电压的关系。
（）A.错误
二、单项选择题（共10道试题，共40分。
）
1.下列哪项指标是传感器的动特性（D）。
A.量程B.线性度C.灵敏度D.幅频特性
2.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
3.步进电机在转子齿数不变的条件下，若拍数变成原来的2倍，则步距角为原来的（A）。
A.0.5倍B.2倍C.0.25倍D.不变
4.采用脉宽调制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。
A.脉冲的宽度B.脉冲的频率C.脉冲的正负D.其他参数
5.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
6.步进电机转角的精确控制是通过控制输入脉冲的（C）来实现的。
A.频率B.数量C.步距角D.通电顺序
7.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
8.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）。
A.0.6°B.1.2°C.1.5°D.2°
9.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，
此光栅传感器测量分辨率是（D）mm。
A.2.5B.0.25C.0.025D.0.0025
10.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，设记数脉冲为
400，光栅位移是（D）mm。
A.1B.2C.3D.4
三、计算题（共3道试题，共20分。
）得分：
0
1.
已知某四级齿轮传动系统，各齿轮的转角误差为△©1=A©2=…=△
©8=0.004弧度，各级减速比相
同,
解:
即i1=i2=i3=i4=3，求该系统的最大转角误差A©max=（C）弧度。
8=旳+wg+g十塑+g+g+氓=0皿67
A.i“LTid
'◎込--―^——A十——+亠————n=0.00395
B.
也.如+处学+込逊+绝也+命"0心
C.
2.
某线性位移测量仪，当被测位移由4.5mm变到5.0mm时，位移测量仪的输出电压由3.5v减至2.5v,求该仪器的灵敏度
为（C）V/mm。
3.如图所示的电机驱动工作台系统，其中驱动工作台运动的三相六拍步进电机，转子齿数z为40。
滚珠丝杠的基
本导程为lo=6mm。
已知传动系统的横向（x向）脉冲当量3为0.005mm/脉冲。
试求步进电机的步距角a和减速齿轮的传动比i。
解：
（0歩进电机的步距角¥（
360°360°“
A*a-二=3°
z-.V40x3
360°360°
C.CL==
z-m40x6
=1.5°
<2）减速齿轮的传动比i=（
）*（5分）
<5分〉
360°360°
CL—=
z-K40x2
答案：
CD
作业三答案
一、判断题（共20道试题，共60分。
）
1.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。
（）B.正确
2.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。
（）A.错误
3.PID调节器由比例调节器、积分调节器和微分调节器通过线性组合而构成。
（）B.正确
4.计算机控制系统、PLC控制系统和嵌入式系统均是由硬件和软件组成。
（）B.正确
5.概念设计是指在确定任务之后，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。
（）B.正确
6.半物理仿真和全物理仿真有实物介入，但是仿真系统具有构成复杂、造价高、准备时间长等缺点。
（）B.正确
7.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。
（）B.正确
8.电磁兼容设计任务是应用电磁兼容技术的科学设计和经验方法，保证产品不被周围设备产生的电磁能量干扰.错
误
9.计算机仿真有实物介入，具有较高的可信度、较好的实时性与在线等特点。
（）A.错误
10.嵌入式系统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。
（）B.正确
11.PLC具有完善的自诊断功能，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。
（）B.正确
12.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。
（）B.正确
13.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。
（）B.正确
14.为了提高机电一体化系统的随动性，可以适当将采样周期取得小一点。
（）B.正确
15.半闭环系统与闭环系统的区别在于半闭环反馈信号取自系统的执行部件。
（）A.错误
16.在实际机电一体化系统中，很难建立严格的数学模型，因此建立描述模型。
（）B.正确
17.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。
（）B.正确
18.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。
A.错误
19.绿色设计是指考虑新产品的整个生命周期内对环境的影响，从而减少对环境的污染、资源的浪费。
（）B.正确
20.数控机床中的计算机属于机电一体化系统的控制及信息处理单元，而电机则属于系统的驱动部分。
（）B.正确二、单项选择题（共10道试题，共40分。
）
1.以下除了（B），均是由硬件和软件组成。
A.计算机控制系统B.继电器控制系统C.嵌入式系统D.PLC控制系统
2.根据系统的已有知识确定系统的模型结构，通过实验观测数据估计未知参数，这样方法称为（C）。
A.机理模型法B.统计模型法C.混合模型法D.试验模型法
3.含有微处理器，可进行程序编制或适应条件变化的接口是（D）。
A.零接口B.被动接口C.主动接口D.智能接口
4.SCARA机器人是指具有选择顺应性的装配机器人手臂，它在（B）方向上具有顺应性，而在（）方向具有很大的刚性，因而最适合装配作业使用。
A.水平旋转B.水平垂直C.垂直水平D.旋转垂直
5.计算机控制系统实际运行时，需要由用户自行编写（B），具有实时性、针对性、灵活性和通用性。
A.嵌入软件B.应用软件C.开发软件D.系统软件
6.不进行参数的变换与调整，仅作为输入/输出的直接接口的是（A）。
A.零接口B.被动接口C.主动接口D.智能接口
7.以下（B）不属于PLC系统的组成部分。
A.CPUB.硬盘C.编程器D.I/O接口
8.（A）的主要手段是建立系统数学模型，在计算机上确定出最佳的设计参数和系统结构，提高产品的设计水平。
A.优化设计B.可靠性设计C.反向设计D.绿色设计
9.旋转变压器是喷漆机器人电液伺服系统中的（D）。
A.驱动元件B.能量元件C.控制元件D.检测元件
10.以下（D）不属于系统功能结构图的基本结构形式。
A.串联结构B.平行结构C.环形结构D.星形结构
作业四答案
1.简析下图中传动大负载时消除齿侧间隙的原理。
U6—小齿轮二、大齿轮3—齿轮4—预载装置7—齿条图齿轮齿条调隙机构
当传动大负载时，可采用上图双齿轮调整法来消除齿侧间隙，图中小齿轮1和6分别于齿条7啮合,与小齿轮1、6同轴的大齿轮2、5分别与齿轮3啮合，通过预载装置4向齿轮3上预加载，使大齿轮2、5同时向相反方向转动，从而带动小齿轮1、6转动，其齿面分别紧贴在齿条7上齿槽的左、右侧，从而消除了齿侧间隙。
2.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，计算机数控装置时设备的核心部分，一般由专用计算机（或通用计算机）输入输出接口以及击穿控制器等部分组成。
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。
3.简析下图调整滚珠丝杠副间隙的原理。
I-锁紧螺母2.圆螺母3-带凸缘螺母4.无凸缘蝮母图滚珠丝杠副间隙调整
图中所示滚珠丝杠副间隙调整是用双螺母螺纹预紧调整齿侧间隙，双螺母中的一个外端有凸缘，
另一个无凸缘，但制有螺纹，它伸出套筒外用两个螺母固定锁紧，并用键来防止两螺母相对转动。
旋转圆螺母可调整消除间隙并产生预紧力，之后再用锁紧螺母锁紧。
4.简述直流伺服电动机脉宽调制（PWM）的工作原理。
工作原理：
假设输入直流电压U,可以调节导通时间得到一定宽度的与U成比例的脉冲方波，给伺服电动机电枢回路供电，通过改变脉冲宽度来改变电枢回路的平均电压，从而输出不同大小的
电压U,使直流电动机平滑调速。
5.比较直流伺服电动机和交流伺服电动机的适用环境差别。
直流伺服电机有较高的响应速度和精度以及优良的控制特性，但由于使用电刷和换向器，故寿命较
低，需定期维护。
适用于数控机床、工业机器人等机电一体化产品中。
交流伺服电动机具有调速范围宽、转子惯性小，控制功率小，过载能力强、可靠性好的特点。
适用于数控机床进给传动控制、工业机器人关节传动，及运动和位置控制场合。
6.滚珠丝杠副消除轴向间隙的调整预紧方法有哪些？
滚珠丝杠副消除轴向间隙的调整预紧方法有：
螺纹预紧调整式、双螺母齿差预紧调整式、双螺母垫片预紧调整式、弹簧式自动调整预紧式、单螺母变位导程自预紧式。
7.简述机电一体化系统中的接口的作用。
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，其构成要素和子系统之间的接口极其重要。
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。
二、综合题（共2道试题，共30分。
）
1.已知一个绳位移控制系统的两种驱动方案分别如图（&）和（b）所示。
（1）试分析两种方案的特点；
（2）画图说明方案（a）减速器滚筒驱动测量位移的方法。
5）丝杠滑台岖动
（a）减速器滚筒驱动
解：
（1）两驱动方案的特点：
方案a：
结构简单、易实现。
绳的位移可以很大，但绳在滚筒方向会产生横向位移。
需要采用制动器或者止逆型减速器才能防止绳对电机的反向驱动。
方案b：
结构较简单，成本与方案a相当。
绳的位移要受到丝杠长度的限制。
普通丝杠具有止
（2）方案a的测量位移的方法如下图
1）电机轴安装编码器直接测量绳的位移
电机
逆功能，无需增加制动器即可防止绳对电机的反向驱动。
无横向位移2）滚筒轴安装编码器间接测量绳的位移
2.某部门欲开发一款用于焊接印刷电路板芯片的机械手，请制订出该款机械手产品的开发设计流程。
解：
机电一体化系统的主要设计流程分为五个阶段：
产品规划、概念设计、详细设计、设计实施和设计定型阶段。
第一阶段：
产品规划阶段：
进行需求分析和需求设计，以明确设计任务。
比如，可以明确：
机械手的用途：
焊接芯片。
工作方式：
手动、自动方式。
主要技术参数：
自由度、定位精度、运行速度等。
使用环境要求：
生产线。
第二阶段：
概念设计阶段：
在功能分析的基础上，优化筛选取得较理想的工作原理方案。
第三阶段：
详细设计阶段。
对各功能模块进行细部设计，绘制相应的工程图。
该阶段的工作量既包括机械、电气、电子、控制与计算机软件等系统的设计，又包括总装图和零件图的绘制。
第四阶段：
设计实施阶段。
首先根据机械、电气图纸和算法文件，制造、装配和编制各功能模块，然后进行模块的调试，最后进行系统整体的安装调试，复核系统的可靠性及抗干扰性。
第五阶段：
设计定型阶段。
对调试成功的系统进行工艺定型，整理设计资料。
小批量生产，试销。
作业五专题报告答案略
另一作业四部分答案
简述典型的机电一体化的机械系统的组成及对其的基本要求。
主要包括传动机构、导向机构、执行机构、轴系、机座或机架5大部分。
与一般的机械系统相比，除了要求具有较高的定位精度等静态特性外，还应具有特别良好的动态响应特性，即动作响应要快，稳定性要好，以满足伺服系统的设计要求。
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？
机电一体化系统仿真的模型主要有：
物理模型、数学模型和描述模型。
当仿真模型是物理模型时，为（全物理仿真）：
是数学模型时，称之为数学（计算机）仿真。
用已研制出来的系统中的实际部件或子系统代替部分数学模型所构成的仿真称为半物理模型、计算机仿真、半物理仿真、全物
理仿真分别应用于分析设计阶段（软件级）、部件及子系统研制阶段（软件一硬件级）实时仿真、系统研制阶段（硬件级）实时仿真阶段。
齿轮传动中齿侧间隙对系统有何影响，如何消除直齿圆柱齿轮的齿侧间隙？
齿轮的啮合间隙会造成传动死区，若该死区是在闭环系统中，消除可能造成系统不稳定，常会使系统以1-5倍间隙角产生的低频振荡。
为了降低制造成本，则多采用各种调整齿侧间隙的方法来消除或减小啮合间隙，常用的方法有：
偏心套调整法、轴向垫片调整法、双片薄齿轮错齿调整法等。
根据图示气体压力传感器的原理图，分析传感检测系统的组成及各部分的作用。
答：
气体压力传感器的工作原理是膜盒2的下半部与壳体1固接，上半部通过连杆与磁芯4相连，磁芯4置于两个电感线圈3中，后者接入转换电路5.气体压力传感器由敏感元件、转换元件和基本转换电路三部分组成：
（1）敏
感元件：
膜盒2就是敏感元件，其外部与大气压Pa想通，内部感受被测压力P，当P变化时，引起膜盒上半部移动，即输出相应的位移量。
（2）转换元件：
可变电感3是转化元件，他把出入的位移量转换成电感的变化。
（3）基本转
换电路：
5即为转换电路。
某物料搬动机械手的结构如图所示，动作过程如图所示，要求机械手的操作方式分为手动方式和自动方式。
机械手
有升降、水平移动、手爪夹持等3个自由度，采用电磁阀控制的气缸驱动，PLC控制。
要求写出物料搬动机械手
设计和产品开发的详细工程路线。
解：
系统设计的详细工程路线:
（1）确定目标及技术规范：
机械手的用途：
物料搬运。
工作方式：
手动、自动方式。
主要技术参数：
3自由度。
使用环境要求：
生产线。
（2）可行性分析：
收集资料、市场分析、可行性分析、技术经济性分析。
（3）总体方案设计：
机械手总体结构方案设计，制定研制计划；开发经费概算；开发风险分析。
（4）总体方案的评审、评价
（5）理论分析阶段：
机构运动学模型、作业空间分析；机构的力学计算；驱动元件的选择、动力计算；传感器选择、精度分析；建立控制模型、仿真分析。
（6）详细设计：
包括系统总体设计，业务的划分；控制系统设计；程序设计；后备系统设计；设计说明书、使用说明书。
（7）详细设计方案评价
（8）试制样机：
机械本体、动力驱动系统、供电系统、控制系统、传感器、检测系统。
（9）机械手样机的实验测试：
调试控制系统、控制性能测试、功能测试、精度、工作空间测试、动态指标测试、作业试验。
（10）技术评价与审定：
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