《机电一体化系统设计基础》作业1234参考答案.docx

1、机电一体化系统设计基础作业1234参考答案机电一体化系统设计基础作业 1、 2、3、4 参考答案形成性考核作业 1一、 判断题(正确的打，错误的打X)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 )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。(V )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。 ( V )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 )5产品

2、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 23 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 )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 )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 610 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 )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 取值越小越好。(

3、X ) 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。 ( V )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。( V )X12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。 ( V )X二、 单选题1 以下产品属于机电一体化产品的是( C )。A .游标卡尺 B.电话C.全自动洗衣机非指针式电子表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

4、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 ）kg mm2。B 97D. 9.7A 48.5C. 4.854传动系统的固有频率对传动精度有影响， （ B ）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。 AA 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数 （ ?A ）。 BA.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

5、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？动力源机械执行 部件机电一体化系统的对应要素及相应功能关系2.简述机电一体化系统中的接口的作用。机电一体化系统中的接口的作用是实现系统与外部(其他系统、操作者

6、、环境)的连 接，一般分为机械接口、电气接口两方面。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？因为适当选择机械运动中的摩擦和阻尼会，可提高系统的稳定性、保证系统具有良好 的动态特性。4.简述机械系统的刚度对系统动态特性的影响。1 失动量。系统刚度越大，因静摩擦力的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。刚度对开环伺服系统的稳定性没有影啊，而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。四、计算题1.

7、 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 X10-4kg -m，与电机输出轴相连的小齿轮的转动惯量 Ji =1 x 10-4kg届,大齿轮的转动惯量J2=1.8 x 10-4kg - mi,丝杠的转动惯量 Js=3.8 X io-4kg卅。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：(1) Jc=m (t/2 n) 2=50*1000*(0.005/2/3/

8、14) 2=0.03166 ( kg - m3)(2) Je=( j2+Js+jG)/i2= (1.8 X 10-4+3.8X 10-4+316.6X 10_4) /52= 12.88X 10-4 ( kg - m3 )(3)J= J1+ Je = 1 X 10-4 +12.88 X 10-4 =13.88 (kg m3)2已知某四级齿轮传动系统，各齿轮的转角误差0 1= 0 2= 0 8=0.01弧度, 各级减速比相同，即i1 = i2 = i4 =3，求该系统的最大转角误差 0 max。解： 0 max= 0 1/( i1* i2* i3* i4)+ ( 0 2+ A 0 3)/ (i2*

9、 i3* i4)+ ( 0 4+ 0 5)/ (i3* i4)+( 0 6+ A 0 7/ (i4)+ A 0 8=0.01/34+ 0.02/33+0.02/32+0.02/3+0.01=0.01975 (弧度)五、综合题1. 分析下图调整齿侧间隙的原理。1.锁紧螺母2.圆螺母3.带凸缘螺母4.无凸缘螺母答：图中所示的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，一个外 端无凸缘，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。2. 分析下图中传动大负载时消除齿侧间隙的原理。1、6 小齿轮 2、5

10、大齿轮 3齿轮 4预载装置 7齿条答：小齿轮1、6与齿条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上预加负载，使齿轮2、5同时向相反方向移动， 从而带动小齿轮1、 6转动，其齿面便分别紧贴在齿条 7上齿槽的左、右侧，从而消除了齿侧间隙作业2一、 判断题（正确的打，错误的打X）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。（V ） X2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。 （ V ）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

11、调整。 （X ）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。 （V ） X5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。 （ V ）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 ）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。 （V ）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。 （ V ）9气压式伺服驱动系统常用在定位精度较高的场合使用。 （

12、X ）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。 （ V ）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 ）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 ）二、 单选题1以下产品不属于机电一体化产品的是（ B ）。A 工业机器人 B.电子计算机C.空调 D .复印机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。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

13、需要的量纲，一般包括传感器和（ B ）。C 改变电压的相位D 改变电动机转子绕组匝数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三、简答题1. 什么是传感器的静态特性和动态特性？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。需要了解的主

14、要参数有：线性范围、线性度、灵敏度、精确度、分辨 力、迟滞、稳定性。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。需要了解的主要参数有：幅频特性和相频特性。2. 什么是伺服系统？伺服系统的一般组成有哪几个部分？伺服系统又称随动系统, 它是以机械位置、 速度和加速度为控制对象, 在控制命令指挥 下,控制元件的工作,使机械运动部件按照命令要求运动。一般来说,伺服系统组成框图如图所示。抽行机徇输出一T伺服系统组成框图（1） 控制器：伺服系统中控制器的主要任务是根据输入信号和反馈信号决定控制策略， 控制器通常由电子线路或计算机组成。（2） 功率放大器：伺服系统中功率放大器的作用是将信号进行

15、放大，并用来驱动执行 机构完成某种操作，功率放大装置主要由各种电力电子器件组成。（3） 执行机构：执行机构主要由伺服电动机或液压伺服机构和机械传动装置等组成。（4） 检测装置：检测装置的任务是测量被控制量，实现反馈控制。无论采用何种控制方案，系统的控制精度总是低于检测装置的精度， 因此要求检测装置精度高、线性度好、可靠性高、响应快。3简述直流伺服电动机脉宽调制的工作原理。直流伺服电动机脉宽调制（PWM）的工作原理：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 Ua,使直流电

16、动机平滑调速。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。电机调速原理容量范围制动力矩转速耐环境能力控制器DC调压大大低差（有摩擦粉尘）简单AC变频中中小高良复杂四、计算题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：（1）丝杠旋转一周有 1024个脉冲，307200个脉冲对应于丝杠旋转 307200/1024=300周，故刀架的位移量为 300*2mm=600mm ,（2）丝杠的转速为 300*2 n/10=60 n （弧度/秒）2. 如图所示的电机驱动

17、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3为0.005mm/脉冲。试求：（1） 步进电机的步距角 a（2） 减速齿轮的传动比i。图电机驱动工作台示意图解：(1) K=3 相，N=3 拍，z=100步进电机的步距角 a=360o/(z*m)= 360 o/(z*K*N)= 360 o/(100*3*3)=0.4 o(2)由于一个脉冲，步进电机旋转 0.4 0,工作台横向(x向)脉冲当量0.005mm，由于滚珠丝杠的基本导程为 b=6mm，对应于丝杠转动一周 360 o ，设一个脉冲丝杠转动的角

18、度为 X，贝U 6mm/360 o=0.005/xo，得 x=0.3o故减速齿轮的传动比 i=0.3/0.4=3/4五、综合题1 图示直射式光电转速传感器是一种角位移传感器，由装在被测轴 (或与被测轴相连接的输入轴)上的带缝隙圆盘、光源、光电器件和指示缝隙盘组成，光源发生的光通过缝隙克时式光电转速传感器开空恻盘输人轴圆盘和指示缝隙照射到光电器件上。试分析传感器的测量原理。解：当装在被测轴(或与被测轴相连接的输入轴)上的带缝隙圆盘转动时，光敏元件接 收到脉冲信号，若转动圆盘上缝隙是均匀刻制，总数量为 N,则光敏元件每输出 N个脉冲，就意味着圆盘转动一周 360o；若输出M个脉冲，就意味着转过 3

19、60*M/No,因此，该传感器可以用于测量角度。如果在T秒时间内转过输出 M个脉冲，就意味着转速为360*M/N/T ( o /s )因此，该传感器也可以用于测量角速度。2已知一个绳位移控制系统的两种驱动方案分别如图 a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。（b）丝杠滑台驱动（a）减速器滚筒驱动解：（1 ）分析两种方案的特点：（a） 电机经减速器带动滚筒转动，使驱动绳产生位移；（b） 电机带动丝杠转动，丝杠上的螺母便产生直线运动，带动驱动绳产生位移。（2）画图说明方案（a）减速器滚筒驱动测量位移的方法作业3一、判断题（正确的打，错误的打X）

20、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。 （V ）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。（V ）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。 （V ）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。 （V ）5对直流伺服电动机来说，其机械特性越硬越好。 （V ）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

21、，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 ）(X )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。9. 计算机控制系统的采样周期越小，其控制精度就越高。 （V ）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。（V）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 ）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 ）A .实时软件 B .开发软件 C .系统软件D.应用软件

22、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 软件抗干扰三、简答题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？ 在系统实际运行前，也希望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， 采用仿真技术可以省 时省力省钱地达到上述目的。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？仿真根据采用的模型可以分为：

23、计算机仿真、半物理仿真、全物理仿真。计算机仿真：应用于系统设计阶段；半物理仿真：应用于部件及子系统研制阶段；全物理仿真：应用于系统研制阶段。3. PID控制算法中比例、积分、微分部分各起何作用？比例调节起纠正偏差的作用，其反应迅速；积分调节能消除静差，改善系统静态特性; 微分调节有利于减少超调，加快系统的过渡过程。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？(1) 根据香农采样定理，确定采样周期： T / max，其中max为被采信号角频率 上限。(2) 采样周期应大于执行元件动态调节稳定时间。(3) 从系统随动性和抗干扰的角度，采样周期应尽可能小，这样时延小，反映迅速。(4)

24、在多回路控制中，由于采用巡检控制方式，采样周期应足够大，以确保在一个采 样周期内，能处理完所有回路的算法计算。(5) 从计算机的精度上讲，采样周期不应太小。1 (I0.0),开关 25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(10.1 ),开关 3 (I0.2),红灯(Q0.0),绿灯(Q0.1)。I0.0 I0.1 I0.2 Q0.0I H lM()I0.2 Q0.1()Q0.0 3s T0图梯形图解：由图可知：开关 1、开关2为常开，开关3为常闭，当开关1、开关2接通、开关3为常闭状态时，红灯能亮，同时启动定时器 T0 ,沿时3秒，3秒后如果开关3为常闭状态,则绿灯亮。Q0

25、.0 10.0?10.1?702T0 Q0.0 3SQ0.1 T0?I0.2四、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。DC伺服1- 电机图直流电机丝杠螺母机构驱动工作台（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？解：（1）设工作台位移（测量精度） 0.005mm时，丝杠转动的角

26、度为 X，则有360 X4mm 0.005mm得：X 0.45，若对应于电机轴的角度为 丫，则丫 iX 2.25，安装在电机输出轴上 的旋转编码器共有 360，故旋转编码器的每转脉冲数为 360 /2.25 160（2）因为360 /0.45 800 丘=500,故不合用。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和宀；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u iR Li K

27、e KTi Jm 在零初始条件下进行拉氏变换:U(s) l(s)R LsI (s) Ke (s)K(s) JmS (s)由(4)式得|(s) JmS (S)/Kt，带入到(3)式，得输出转速与输入电压之间的传递函(s) Kt2U(s) LJmS RJmS KeKt五、综合题1 如图所示的系统，试分析齿轮减速器、丝杠螺母机构及传感器的误差对输出精度的输上z功敌输出-4伺脱电机影响。解：齿轮减速器存在两种误差：传动误差和回程误差。传动误差主要由温度或弹性导致的齿轮变形产生；回程误差主要是由齿轮间隙造成。 为提高齿轮传动系统中传递运动的精度， 各k、第k个齿轮到第n级输出级传动比应按“先小后大”原则

28、分配，设各级转角误差为m ax轴的传动比为ik设各级转角误差折算到末级输出轴上的总误差为maxk 1k / i nk丝杠螺母机构传动误差主要由丝杠与螺母之间的间隙决定， 通常可由其间的调整、 预紧 调整到最小程度，由于这个误差是在末级上，其大小直接影响输出精度。由于传感的误差必然导致控制的误传感器的误差对输出精度的影响是通过控制产生的, 差。可以说，传感器的误差直接决定对输出精度的影响。2用PLC实现对一台电动机的正反转控制。控制要求为：首先电动机正转起动， 3秒后自动反转，反转 2秒后自动又回到正转，如此循环；可以随时停车。(1) 写出I/O分配表；(2) 选择PLC，画出梯形图。解：(1)

29、电动机正转起动开关I0.0，电动机正转 Q0.0,电动机反转 Q0.1，电动机停转开关I0.1。INTON30 一PT100msT38I0.1Q0.0T39T380T38许INTON20 PT100msT39I0.1i4T3910.0作业4一、判断题（正确的打，错误的打X）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。（V ）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。（X ）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。（V ）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。（X ）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。 （V ）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。 （V ）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。 （X ）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