机电一体化系统设计基础课程作业解答

1、机电一体化系统设计基础课程作业解答（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

2、，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

3、。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?合理设以减小或消除回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;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, 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7.8 103Kg/m3，齿轮齿数分别为zi = 20, Z2= 45,模数m = 2mm，

4、齿宽b = 20mm。试求折算到电机轴上的总等效惯量Je ?解：(1)计算各传动件的转动惯量材料密度7.8 103Kg/m3，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。d4l32Js7.8103i40.040.02327.8103 0.0940.02327.81030.0340.83.92103231.0 10 3kgJ z2Jz15 I2kg mm24.96 10 4 kgm2工作台折算到丝杠上的转动惯量为t 2Jg m2(2)折算到电机轴上的转动惯量2000.0051.2410 kg m丄Je J z1 2 J z2 J s J Gi3.92 10 512.2523441.0

5、104.96 101.2 103.58 10 4 kg m2Fm= 3600N，丝杠工作长度2.试设计一数控机床工作台用滚珠丝杠副。已知平均载荷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0.03mm。上。丝杠材料为 CrWMn钢，滚道硬度为 5862HRC，丝杠传动精度要求为±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。G，Lh'= 6X 250 X 10= 15000hnm= 120r/min , Fc=

6、4320N则计算载荷Fc= KFKHKAFm= 1.2X 1.0 X 1.0 X 3600= 4320 N(2) 计算所要求的额定动载荷预期使用寿命并代入CafJ nmLh 44320 屮20 1500020563NV1.67 104 1.67 104(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> C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公称直径导程螺旋角滚珠直径丝杠小径(4) 检验稳定性取弹性模量FCI-5006-3，其主要参数尺寸:D0= 50mm10= 6mm入=2 ° 11'do= 3.969mmdi=

7、45.63mm丝杠轴惯性矩I d：64 1不发生失稳之最大载荷E = 2.06 X 105 MPa,查表 3.83.14 0.045634长度系数卩=2/3642.13 10 7m4F max2EI3.142 2.061011 2.13 10 76.23 105n2/3 1.25 2SFmaxFc6230001733600查表3.8 许用安全系数S = 2.5(5 )检验刚度安全系数3.3。由S>S，可知丝杠是安全的，稳定性合乎要求。计算转矩T Fmtanm 2取摩擦系数 f = 0.002，则 p= arctan0.002503T 3600 10 3 tan 22116 533.58N

8、 m按最不利情况计算导程误差，每个导程的变形量. Fl。Tif4Fl0 16Tl2L0EA 2 GJcEA2d4G4 3600 6 10 33 216 3.586 10 33.14 0.0456322.06 1 0113.142 0.0456340.81 1011 口=6.44 X 102 卩 m丝杠在工作长度上的导程误差L I 丄 1.25 6.44 1013.4 ml06 10 3通常，丝杠的导程误差L应小于其传动精度的1/2,即11L - 0.03mm0.015mm15 m22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

9、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：(2) 测试传感部分：(3) 能源：(4) 驱动部分：(5) 执行机构：键盘、计算机、显示 光电编码器、信号处理 电源功放、电机联轴器、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解答(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&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

10、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

11、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

12、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

13、速； （3）电机所需功率。解：(1)折算到电机轴上的负载力矩=50N摩擦负载力Ff= mgf = 50X 10X 0.1外负载力Fw=1000N电机上的负载力矩为1 t1Tm 7 于(Fw Ff)50)丄0.7(10001 4 10 35 20.191Nm(2)电机轴的转速n i ts50.040.00450r/s3000r / min(3) 电机所需功率Pm1.5 2.5 Tlp nLP取系数为2,则Pm 2T 2 n 2 0.191 250120W2.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0.02 mm ,丝杠导程6mm，直径d=

14、 32mm，步进电机的步距角为a = 1.5 , 试确定齿轮减速比i。解：步进电机的每转脉冲数360360s 240 脉冲/转s1.5根据工作台定位精度的要求，选用脉冲当量5 =0.02mm/ 脉冲设传动比为i ,每个脉冲对应工作台的位移为tsinst si s0.0总 j25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浏览人次3241（2004 年 09 月 15 日）一、填空题1.数据总线地址总线控制总线2.S- 100Multi （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

15、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, 统方法有了很大区别。它使得当代计算机测控系统的设计方法与传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

16、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。1）2）模板设计具有严格的标准和广泛的兼容性。（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： 采用小板结构，高度的模块化

17、，其功能模板结构灵活，可靠性高，硬件冗余小，成本低。3）4）高可靠性。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。5STD 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 运动控制接口。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6A/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

18、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？hohfiIO-F足養的功PC机aIKM P(将其改为功能插板，与普通信息处理机相比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, 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

19、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。lOKQ*lerx卩A3 ' A 7：RIVAO - AtWK*Atli F AlK t .SET*ts神a板地址 r 押码 '1/1C=钿口口地址FU屯n接口根迅地ttH(A La-PI iR观tUlf卜(一悴设*出1i.!1H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：

20、外部开关信号T输入信号条理电路 T输入缓冲器T输入端口译码控制tSTD总线；输出模板的基本组成为：STD总线信号T输出端口译码控制T输出锁存器T输出信号条理电路T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

21、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。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 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 配模块，可组成规模较大、 方式，这一点与工业控制 统可使用高级语言。机电一体化系统设计基础课程作业解

22、答（四）、填空题1敏感元件转换元件基本转换电路2灵敏度线性度重复性迟滞3临界速度4广义输入阻抗静态刚度5挠性手腕分离活塞式油缸旋转变压器6808880867输入输出设备计算机数控装置伺服系统受控设备8点位控制装置直线控制装置轮廓控制装置二、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即可测定孔盘转过的角度。 光电编码增量成正比例关系的脉冲信号， 通过对脉冲信号计数，器式传感器又分为绝对式和增量式，前者转角范围小于3600,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

23、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：基本参数量程、灵敏度、静态精度和动态特性。环境参数环境温度、湿度、冲击、振动；抗干扰能力。可靠性工作寿命、平均无故障时间。使用条件电源、外形尺寸、安装方式。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，

24、 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，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

25、 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 .试分析比较直流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

26、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

27、统的组成如图所示。A/Dft变喷漆机器人具有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。如图所示，A为速由C将工作台度测量元件，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,闭环控制系统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。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。半闭环按制承统框團半闭环控制系统通过