期末考试机电一体化计算试题

1、如图所示的伺服系统，试分析齿轮减速器的传动误差对工作台输出精度的影响。检测和反馈，齿轮减速器的Z22l工作包口F步进电机Z1，W，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（24分）1.（14分）已知图示丝杠螺母驱动系统，工作台的质量m=80Kg，丝杠螺距t=6mm,丝杠的转动惯量J=1.6x10-3Kg-m2，齿轮传动s比匸2两齿轮的转动惯量分别为Jzi=L2x10-4Kgm2，Jz2=1-9X10-3Kg-m2。试求折算到电机轴上的总等效惯量Je?等效惯量可以分为以下几个部分来计算（1

2、）电机轴上的元件（齿轮1）J=J=1.2x10-4kg-m2e1Z1（2）中间轴上的元件（齿轮2）=4.75x10-4kg-m2J=J=丄x1.9x10-3e2i2Z22213）负载轴上的元件（丝杠、工作台）e3=PJs+JL)丝杠惯量：J=1.6x10-3kg-m2s工作台折算到丝杠上的惯量：=m(丄)2=80 x(2兀0.0066.28)2=0.73x10-4kg-m2J=(J+J)=丄(1.6x10-3+0.73x10-4)=4.18x10-4kg-m2e3i2sL4总的折算惯量为J=J+J+J=1.2x10-4+4.75x10-4+4.18x10-4=1.013x10-3kg.m2ee

3、1e2e32.（10分）如图所示电机驱动系统，已知工作台的质量为m=60Kg,负载力为Fl=1200N,最大加速度为10m/s2,丝杠直径为d=16mm,导程t=4mm，齿轮减速比为i=5,总效率为耳=40%，忽略丝杠惯量的影响，试计算电机的驱动力矩。（1）计算负载力负载力由外负载力、惯性负载力两部分构成外负载力Fl=1200N惯性负载力FmF=m-am=60 x10=600N2）电机上的负载力矩为_1=5=0.57Nm4x10-3(1200+600)丄2兀0.4五、综合题（16分）已知某物料搬动机械手的结构与动作过程如图所示，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

4、、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。物料搬动机械手结构原理图解：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）

5、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：对样机及其性能进行综合评价，提供改进意见，对不满意的部分进行修改，直至样机合格后方可进入下一步骤。11）小批量生产。12）试销。13）正常生产。14）销售。3试分析比较液压马达和直流电机实现转动输出驱动的不同特点。1）使用液压马达一般不需要中间传动机构，马达轴与负载轴直接

6、连接，传动机构简单，结构紧凑；而直流电机驱动为得到合适的运动速度和负载能力，一般要使用较大传动比的减速器，传动机构的尺寸较大。（2）在相同的负载条件下，液压马达比直流电机驱动的负载刚度大、快速性好；（3）液压马达对环境条件要求不高，可在需要防水、防爆的条件下工作，需要使用电液伺服阀和专门的液压动力源，对环境有污染；而直流电机驱动要求有较好的工作环境，也不会污染环境。1.已知数控机床控制系统如图所示，试说明图中的各个部分属于机电一体化系统中的哪一个基本要素？图中各部可分为：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

7、行机构：联轴器、齿轮减速器、丝杠螺母机构、工作台2.试分析图示传动系统中，齿轮减速器的传动误差对工作台输出精度的影响？齿轮传动链位于电机之后，前向通道的闭环之外，其传动误差的低频分量和高频分量都不能通过闭环控制来消除，都会影响输出精度。如图所示的系统，试分析传感器的误差对输出精度的影响传感器位于闭环之内的反馈通道上，其误差的高频分量（噪声信号）因系统的低通作用得到校正，不影响输出精度传感器误差的低频分量，如静态精度（分辨率等）直接影响输出精度，它决定了系统精度的上限。试分析图示传动系统中，信号变换电路及丝杠螺母机构的传动误差对工作台输出精度的影响。信号变换电路位于输入通道，误差的低频分量会影响

8、输出精度，因此对静态精度有较高要求；而误差的高频分量对输出精度几乎没有影响，允许存在一定程度的高频噪声。丝杠螺母机构位于闭环之后，其误差的低频分量和高频分量都会影响输出精度，因此要尽量消除传动间隙和传动误差。1.如图所示电机驱动系统，已知工作台的质量为m=50Kg,负载力为F=1000N，最大加速度为10m/s2,丝杠直径为d=16mm,导程t=4mm，齿轮减速比为i=5，总效率为耳二30%，忽略丝杠惯量的影响，试计算电机的驱动力矩。输出解：（1）计算负载力负载力由外负载力、惯性负载力两部分构成外负载力F二1000NI惯性负载力FmF=m-am=50 x10=500N2)电机上的负载力矩为T=

9、-丄-(F+F)丄mi2兀1m耳=5晳(1000+500)03=0.63Nm2.已知某工作台采用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）试采用高速端测量方法，确定旋转编码器的每转脉冲数。（2）若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。齿轮旋转编码器工代X丝杠滚珠螺母）解：（1）高速端测量设传感器的每转脉冲数为n，每个脉冲对应工作台的位移为AL=in由测量精度，AL=0.005mm,贝Vt4n=50005=160脉冲/转iAL5x0

10、.005选取n=200光电编码器，则理论测量精度4AL=0.0040.0055x200满足题目要求。（2）低速端测量传感器直接与丝杠连接，与减速比无关AL=nt4n=800脉冲/转AL0.005脉冲/转可知ns=500脉冲/转的编码器不合用。画出工业PC机基本组成框图，并说明工业PC机与普通信息处理计算机的主要区别。与普通信息处理机相比较,工业PC机有以下特点：（1）将普通信息处理机的大母板改为功能插板，具有丰富的过程输入输出功能，以完成对各种设备和工艺装置的控制（2）良好的时实性，能够对生产过程工况变化实时监视和控制。（3）抗干扰电源，密封机箱，具有良好的环境适应性。（4）丰富的应用软件。试

11、分析图示传动系统中，信号变换电路、传感器及丝杠螺母机构的传动误差对工作台输出精度的影响。信号变换电路位于输入通道，误差的低频分量会影响输出精度，因此对静态精度有较高要求；而误差的高频分量对输山精度几乎没有影响，允许存在定程度的高频噪声。传感器是位厂反馈通道上的环节，其对输山精度的影响与位于输入通道的信号变换电路相同。丝杠螺母机构位于闭环之后，其误差的低频分量和高频分量都会影响输出精度，因此要尽量消除传动间隙和传动误差某车间内的两条自动生产线上需要款搬运机器人，用于生产线间的产品搬运，如果该款机器人需要进行概念设计，请制订出概念设计的流程。解：产品概念设计决定性地影响产品创新过程中后续的产品详细

12、设计、产品生产开发、产品市场开发以及企业经营战略目标的实现。包含以下流程：(1)首先是将设计任务抽象化，确定出系统的总功能；(2)根据系统的总功能要求和构成系统的功能要素进行总功能分解，划分出各功能模块，将总功能分解为子功能，直到分解到不能再分解的功能元，形成功能树；确定它们之间的逻辑关系；对各功能模块输入输出关系进行分析，确定功能模块的技术参数和控制策略、系统的外观造型和总体结构；寻找子功能(功能元)的解，并将原理解进行组合，形成多种原理解设计方案；以技术文件的形式交付设计组讨论、审定。由于体现同一功能的产品可以有多种多样的工作原理；方案进行整体评价：对不同的方案进行整体评价，选择综合指标最

13、优的设计方案。最终选定最佳方案形成概念产品。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。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心4相连，磁心4置于两个电感线圈3中，后者接人转换电路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：敏感元件。膜盒2就是敏感元件，其外部与大气压P。相通，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。转换元件。可变电感3是转化元件,它把输入的位移量转换成电感的变化。基本转换电路。5即为转换电路已知某四级齿轮传动系统,各齿轮的转角误差为商二血=拠004弧度，各级减速比相

14、同，即？1=花=一=齢=2,求该系统的最大转角误差如解：由系统可知：=込.卜十创+十込十軌现.仏取i仇认*Gi-xUL则系统可能的最大误差为：“尸般豐覽須评4+吧+乎血坤0042X2X22X2=0.01125(rad)已知电机驱动的三自由度位置控制系统，单个自由度的驱动系统如图所示，确定整个系统的控制方案，画出控制系统原理图。(px关书电机减速器可以使用工业PC机或者单片机完成系统的控制。具体可以有下三种方案：工业PC机集中控制方案：用一台工业PC机对三个自由度实现集中控制，包括任务管理和三个自由度的伺服控制系统原理图如下。工业PC机、单片机分级控制方案：用一台工业PC机与三个单片机通信，对三

15、个单片机实现管理，每个单片机负责一个自由度的伺服控制，控制系统原理图如下已知图示丝杠螺母驱动系统，工作台的质量m=100Kg,丝杠螺距t=8mm,丝杠长度L=0.5m,中径为d=48mm,材料密度为P=7.8x103Kg/m3，齿轮传动比i=2,两齿轮的传动惯量分别为J=1.2x10-4Kg-m2,J=1.9x10-3Kg-m2。试求折算到z1z2电机轴上的总等效惯量Je?人心I丄作台讲电机Z等效惯量可以分为以下几个部分来计算1）电机轴上的元件（齿轮1）J二J二1.2x10-4kg-m2e1Z12）中间轴上的元件（齿轮2）=4.75x10-4kg-m2J=J=x1.9x10-3e2i2Z222

16、13）负载轴上的元件（丝杠、工作台）如图所示的开环步进电机位置控制系统，已知负载力F=1000N,工作台长L=500mm,往复精度为土1mm,丝杠导程t=8mm,直e3=+(Js+JL)丝杠惯量：1,兀pd4L=md2=8s323.14x7.8x103x0.0484x0.532=2x10-3kgm2工作台折算到丝杠上的惯量：J=m(丄)2=100 x(0.008)2L2兀6.28=1.62x10-4kgm2J=(J+J)=丄(2x10-3+1.62x10-4)=5.4x10-4kgm2e3i2sL4总的折算惯量为J=J+J+J=1.2x10-4+4.75x10-4+5.4x10-4=1.14x

17、10-3kg.m2ee1e2e3S径d=20mm,步进电机的步距角为a=1.8，试确定齿轮减速比i。步进电机的每转脉冲数360。360n=a1.8二200脉冲/转根据工作台定位精度的要求,选用脉冲当量(5=0.01mm/脉冲设传动比为i,每个脉冲对应工作台的位移为t5=-in$tI=S-5nS80.01x200台位移的已知电机驱动的三自由度位置控制系统,单个自由度的驱动系统如图所示,试确定单自由度驱动系统的测量方案;1）高速端测量方案：传感器安装在电机的尾部,通过测量电机的转角实现对工作间接测量。可选用光电编码器式传感器或者磁电式编码器。如图所示电机驱动系统，已知工作台的质量为m=200Kg,

18、负载力为Fl=15N,最大加速度为a=5m/s2,工作台与导轨之间的摩擦系数卩=0.1，丝杠直径为d=36mm,导程t=8mm,齿轮减速比为i=5，总效率为耳二30%，忽略丝杠惯量的影响，试计算电机的驱动力矩。（重力加速度取g=10m/s2）1）计算负载力负载力由外负载力、惯性负载力和摩擦力三部分构成外负载力F=1500Nl惯性负载力F二m-a二200 x5二1000Nm摩擦力F=卩m-g二0.1x200 x10二200N2）电机上的负载力矩为=-丄-(F+F+F)丄i2兀lmf耳_15=2.29Nm8x103(1500+1000+200)丄2兀0.3已知一个绳位移控制系统的两种驱动方案分别如

19、图a和b所示，试分析两种方案的特点；并画图说明方案（a）减速器滚筒驱动测量位移的方法。电机减速器滚筒驱动绳(b)丝杠滑台驱动(a)减速器滚筒驱动1驱动特点：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方案a的测量方法(1)电机轴安装编码器间接测量绳的位移5编码器减速器滚筒电机、驱动绳滚筒轴安装编码器间接测量绳的位移；传感器减速器滚筒驱动绳电机通过对过轮转角的测量实现间

20、接测量绳的位移已知传动机构如图所示，试计算电机轴上的总等效惯量。等效惯量可以分为以下几个部分来计算（1）电机轴上的元件J二J+Je11M（2）中间轴上的元件J=1（J+J）e2i2231（3）负载轴上的元件J=丄（丿+J）e3i2i24L12总的折算惯量为J二J+J+Jee1e2e3已知某传动机构，电机转子惯量Jm=0.005Kgm2,负载惯量JL=0-04Kgm2,试确定传动比i为何值时可使负载获得最大加速度?由电机驱动齿轮系统和负载的计算模型可知，当负载换算到电机轴上的惯量JL等于转子惯量JM时，负载可获得最大加速度，即J/i2二JLm由此得传动比i=:亞=2.8280.005如图所示的开

21、环步进电机位置控制系统，已知负载力F=1000N，工作台长L=500mm，往复精度为土-1mm，丝杠导程t=8mm，直s径d=20mm，齿轮减速比片5,若所选步进电机的步距角为a=1-8，试确定是否满足系统的精度要求。步进电机的每转脉冲数=200脉冲/转360360n=sa1.8由传动比为i=5，丝杠导程ts=8mm，每个脉冲对应工作台的位移为ts-ins85x200=0.008mm/脉冲满足系统测量采用制计算机工作台定位精度的要求为0.01mm，可知所选步进电机的精度要求。已知五自由度机器人，采用直流电机控制，关节转角的增量式编码器，具有手动示教和再现功能，试确定其控及控制方案。提示：画出控

22、制方案原理图，并作简要说明。手动示教盒是一个单片机系统，它由单片机、RAM、串行通信口、键盘、LED显示器等组成。它承担命令输入、状态显示、数据存储、通过与关节控制单片机通信给关节单片机发送控制命令等任务。每个关节控制单片机分别负责单个关节直流电机的位置伺服控制，由单片机、PWM驱动接口、编码器接口和串行通信口等组成。PC具有与手动示教盒同样的功能。不同的是，状态显示及命令输入由显示器和PC键盘来如图所示电机驱动系统，已知工作台的质量为m=60kg,负载力为Fl=1200N,最大加速度为10m/s2,丝杠直径为d=16mm,导程t=4mm，齿轮减速比为i=5，总效率为v=40%，忽略丝杠惯量的影响，试计算电机的驱动力矩。输出ELI伺服电机解：(1)计算负载力负载力由外负载力、惯性负载力两部分构成外负载力Fl=1200N惯性负载力FmF=m5=60X10=600（2）电机上的负载力矩为14X1O-a1二士4QW（1200十阻0）-7o2tt0.4=0.57Nm2*（6分已知某传动机构，电机转子惯量Jm=0.005kgrr?负载惯量JlO,04kgm?试确