机电一体化习题课

作业题1.什么是机电一体化？机电一体化系统的基本组成要素有哪些？定义：“机械工程和电子工程相结合的技术，以及应用这些技术的机械电子装置。”即把机械部分和电子部分各作为一个环节，统一在一个“系统”之中。为了使系统的运行达到最优化，应该使构成系统的所有硬件采取最佳组合方式。机电一体化系统的基本组成要素答：机电一体化系统的基本组成要素有：结构组成要素、动力组成要素、运动组成要素、感知组成要素、智能组成要素五个要素；这些组成要素内部及其之间，通过接口耦合、运动传递、物质流动、信息控制、能量转换有机融合集成一个完整系统。包括机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分五大部分。机械本体——系统所有功能元素的机械支持结构，包括机身、框架、联接等。动力与驱动部分——在控制信息作用下，提供动力，驱动各执行机构完成各种动作和功能。执行机构——根据控制信息和指令，完成要求的动作。传感测试部分——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，变成可识别信号，传输到信息处理单元，经过分析、处理后产生相应的控制信息。控制及信息处理部分——将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、储存、分析、加工，根据信息处理结果，按照一定的程序和节奏发出相应的指令控制整个系统有目的地运行。2.简要叙述机电一体化系统的共性关键技术机电一体化系统的共性关键技术包括以下几个方面：机械设计技术、系统技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、检测传感技术和伺服传动技术等多学科技术。

机械设计技术——机电一体化的基础。计算机与信息处理技术——信息处理技术包括信息的交换、存取、运算、判断和决策，实现信息处理的工具是计算机，因此计算机技术与信息处理技术是密切相关的。计算机技术包括计算机的软件技术和硬件技术，网络与通信技术，数据技术等。在机电一体化系统中，计算机信息处理部分指挥整个系统的运行。系统技术——以整体的概念组织应用各种相关技术，从全局角度和系统目标出发，将总体分解成相互有机联系的若干功能单元，以功能单元为子系统进行二次分解，生成功能更为单一和具体的子功能单元。这些子功能单元同样可继续逐层分解，直到能够找出一个可实现的技术方案。接口技术是系统技术中一个重要方面，它是实现系统各部分有机连接的保证。自动控制技术——范围很广，主要包括：基本控制理论，在此理论指导下，对具体控制装置或控制系统的设计；设计后的系统仿真，现场调试；最后使研制的系统可靠地投入运行。

传感与检测技术——关键元件是传感器。与信息系统的输入端相联并将检测到的信息输送到信息处理部分。实现自动控制、自动调节的关键环节，它的功能越强，系统的自动化程度就越高。伺服传动技术——直接执行操作的技术，伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装置或部件，对系统的动态性能、控制质量和功能具有决定性的影响。3.机电一体化机械系统由哪几部分组成（1）传动机构。传递转矩和转速。对伺服系统的伺服特性有很大影响，特别是其传动类型、传动方式、传动刚性以及传动的可靠性对系统的精度、稳定性和快速响应性有重大影响。（2）导向机构。支承和限制运动部件按给定的运动要求和规定的运动方向运动。该机构应能保证安全、准确。（3）执行机构。完成操作任务。根据操作指令的要求在动力源的带动下，完成预定的操作。一般要求它具有较高的灵敏度、精确度，良好的重复性和可靠性等。4.常用的机械传动机构有哪些？各有何特点。滚珠丝杠副、同步带传动副、谐波齿轮传动等。滚珠丝杠副新型螺旋传动机构，将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动，其具有螺旋槽的丝杠与螺母之间装有中间传动元件——滚珠，当丝杆转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动。为防止滚珠从螺纹滚道端面掉出，在螺母的螺旋槽两端设有滚珠回程引导装置构成滚珠的循环返回通道，从而形成滚珠流动的闭合通路。滚动丝杠副特点①传动效率高。90%-95%②运动具有可逆性。正逆效率基本一样③系统刚度好。能预紧，无爬行④传动精度高。制造精度高⑦工艺复杂。成本高⑥不能自锁。因重力而下滑⑤使用寿命长。磨损小，比滑动高5-6倍同步带传动同步带传动是综合了带传动、齿轮传动和链传动特点的一种新型传动，如图所示。带的工作表面制有带齿，它与制有相应齿形的带轮相啮合，用来传递运动和动力。与一般带传动相比较，同步带传动具有如下特点：同步带传动特点①能方便地实现较远中心距的传动；②工作平稳，能吸收振动；③不需要润滑，耐油、水、耐高温，耐腐蚀，维护保养方便；④强度高，厚度小，重量轻；⑤中心距要求严格，安装精度要求高；⑥制造工艺复杂，成本高。谐波齿轮传动工作原理主要组成元件工作过程实用产品工作波形谐波齿轮传动优点①传动比大。单级50-5000,最高可达30000以上②承载能力大。同时啮合齿数有30%--40%③传动精度高。啮合齿数多，误差均化④可以向密封空间传递运动或动力。⑤传动平稳。无冲击振动⑥传动效率高。单级在69%-96%⑦结构简单、体积小、重量轻。谐波齿轮传动用于机器人、雷达、射电望远镜、电子仪器、仪表等的大传动比传动机构中缺点①柔轮和波发生器制造复杂。②传动比下限值较高。③不能做成交叉轴和相交轴的结构。5.如何消除滚珠丝杠副的轴向间隙？双螺母预紧（F预〈Fmax/3）。常用的消除轴向间隙的方法有以下几种：双螺母螺纹预紧调隙式。双螺母齿差预紧调隙式。双螺母垫片预紧调隙式。弹簧式自动调整预紧式。分析计算题如图已知齿轮1的齿数Z1=25，转动惯量J1=0.0003Kg.m2，齿轮2的齿数Z2=50，转动惯量J2=0.0048Kg.m2，滚珠丝杠的转动惯量J3=0.003Kg.m2，丝杠螺距P=10mm，电机的转动惯量JM=0.0016Kg.m2,工作台质量m=100Kg,驱动系统总效率为0.8,工作台与导轨面的摩擦系数为0.02,不考虑切削阻力,电机达到最高转速500r/min的启动加速时间为50ms。试求此系统转换到电机轴上的等效转动惯量和等效力矩电机工作台mZ1J1Z2J2J3等效转动惯量的计算系统由有m个转动件和n个移动件组成，等效到电机轴上的等效转动惯量为：式中：Ji为第i个转动件的转动惯量（Kg.m2

）；ni为其转速；nk为电机轴的转速（r/min）；vj为第j个移动件的移动速度（m/min）；mj为其质量（Kg）由题意已知，有齿轮1，2，丝杠三个转动件，工作台一个移动件。而且已知各自的转动惯量齿轮1的转动惯量J1=0.0003Kg.m2，齿轮2转动惯量J2=0.0048Kg.m2，滚珠丝杠的转动惯量J3=0.003Kg.m2。由齿轮1的齿数Z1=25，齿轮2的齿数Z2=50，可以得到总的等效转动惯量为：(2)加速力矩Ta阻力矩Tf:摩擦阻力F=100*9.8*0.02/0.8=24.5(N)等效力矩T=Ta+Tf=4.08+0.02=4.1(N.M)齿轮减速机构级数越多，等效力矩越小。分析说明光耦隔离器的两种特性及其隔离电磁干扰的作用机理。两种特性利用光耦隔离器的开关特性（即光敏三极管工作在截止区、饱和区），可传送数字信号而隔离电磁干扰。输入端为高电平，使二极管发光，使光敏三极管导通，从输出端输出高电平；输入端为低电平，使二极管截止，使光敏三极管截止，从输出端输出低电平。作用机理输入端和输出端没有直接的电的耦合（没有公共的电源端和地端），而是靠光来耦合，其传送不受电磁场的干扰而完成隔离功能的。

简述数字量输出通道的功能及其常用的输出驱动电路。功能把计算机输出的微弱数字信号转换成能对生产过程进行控制的数字驱动信号。常用的输出驱动电路三极管输出驱动电路、继电器输出驱动电路、晶闸管输出驱动电路、固态继电器输出驱动电路等。对比分析说明三极管输出驱动与继电器输出驱动的异同点。使用场合：

低压小电流开关量

输出电流就是输入电流与三极管增益的乘积。（一）三极管驱动电路CPU数据线D＝“0”，经反相器后变为“1”，三极管导通。经光耦隔离器的继电器输出驱动电路，当CPU数据线Di＝“1”时，经7406反相驱动器变为“0”，光耦隔离器的发光二极管导通且发光，使光敏三极管导通，继电器线圈KA得电，动合触点闭合，从而驱动大型负荷设备。由于继电器线圈是电感性负载，当电路突然关断时，会出现较高的电感性浪涌电压，为了保护驱动器件，应在继电器线圈两端并联一个阻尼二极管，为电感线圈提供一个电流泄放回路。（二）.继电器驱动电路相同点：数字量输出驱动电路，靠数字量进行开关控制。不同点：适用场合不一样三极管：低压小电流场合继电器：弱电控制强电，驱动电路的控制电流一定要大于继电器的吸合电流才能使继电器可靠地工作。需要续流回路。1.晶闸管驱动电路图3-36双向晶闸管输出驱动电路当CPU数据线Di输出数字“1”时，经7406反相变为低电平，光耦二极管导通，使光敏晶闸管导通，导通电流再触发双向晶闸管导通，从而驱动大型交流负荷设备RL。续续续对比分析说明晶闸管输出驱动与固态继电器输出驱动电路的异同点。2固态继电器驱动电路Di=“0”时，经7406反相变为高电平，使NPN型三极管导通,SSR输入端得电则输出端接通大型交流负荷设备RL。图3-38固态继电器输出驱动电路相同点：数字量输出驱动电路，靠数字量进行开关控制；无触点开关；弱电控制强电（小功率驱动大功率）不同点：晶闸管不适宜与CPU直接相连，在实际使用时要采用隔离措施。固态继电器本身带有光电耦合电路，不需要采用隔离措施，而且其输出驱动电路中要考虑增加阻容吸收组件，进行过电压和过电流保护。功率接口器件的区别继电器：频率低，过载能力强，有隔离干扰作用，但本身容易产生火花；适用于高电压大电流负载，不能与CPU直接相连，需要加隔离措施大功率三极管，晶闸管：频率高，过载容易损坏，容易对周围产生干扰；大功率三极管适用于低电压小电流的负载，晶闸管适用于高电压大电流负载，不能与CPU直接相连，需要加隔离措施固态继电器：频率高，抗干扰能力强，体积大。适用于高电压大电流负载。

串模干扰是指迭加在被测信号上的干扰噪声，即干扰源串联在信号源回路中。

对串模干扰的抑制较为困难，因为干扰Un直接与信号Us串联。目前常采用双绞线与滤波器两种措施。一、串模干扰的抑制何谓串模干扰？何谓共模干扰？分别说明抑制其干扰的主要措施。

共模干扰是指控制系统输入通道中信号放大器两个输入端上共有的干扰电压。共模干扰产生的原因是不同“地”之间存在的电压，以及模拟信号系统对地的漏阻抗。共模干扰电压的抑制就应当是有效的隔离两个地之间的电联系，以及采用被测信号的双端差动输入方式。变压器隔离光电隔离浮地屏蔽二、共模干扰的抑制1．变压器隔离利用变压器把现场信号源的地与计算机的地隔离开来，也就是把“模拟地”与“数字地”断开。被测信号通过变压器耦合获得通路，而共模干扰电压由于不成回路而得到有效的抑制。

图3-70变压器隔离2．光电隔离最常用。在数字信号通道中进行隔离。主要用在模拟量输入输出通道中，即在A/D转换器与CPU或CPU与D/A转换器的数字信号之间插入光耦隔离器，以进行数据信号和控制信号的耦合传送

图3-71光电隔离器的数字信号隔离浮地屏蔽是利用屏蔽层使输入信号的“模拟地”浮空，使共模输入阻抗大为提高，共模电压在输入回路中引起的共模电流大为减少，从而抑制了共模干扰的来源，使共模干扰降至很低，图3-73给出了一种浮地输入双层屏蔽放大电路。3．浮地屏蔽（a）原理框图（b）等效电路图3-73浮地输入双层屏蔽放大电路画图说明光栅莫尔条纹的形成原理，并简述其主要优点。将标尺光栅和指示光栅重叠在一起，并使它们的刻线之间形成一个很小的交角，如图4-7所示，由于遮光效应，在黑色光栅相交处，刻线聚集较密，形成暗带；其他地方刻线较稀，形成亮带。这种在光栅垂直方向上出现的明暗相间