机电一体化系统设计-张建明主编习题

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机电一体化系统习题答案

第一章

思虑与练习题一

一.名词讲解

机电一体化

机电一体化是以机械学、电子学和信息科学为主的多门技术学科在机电产品发展过程中互相交叉、互相浸透而形成的一门新兴边缘性技术学科。

.简答题

机电一体化系统的组成部分主要分为哪几种

答：机电一体化系统主要分为：机械本体、动力部分、测试传感部分、履行机构、控制性办理单元以及接口等部分组成。

接口技术的作用

答：是系统中各单元和环节之间进行物质、能量和信息互换的连结界面，是外设和数控装置之间的桥梁。

其功能为：变换、放大和传达。

第二章

思虑题1

一．名词讲解

误差：是对某一特定的物理量进行胸襟时，所测得数值与真值得差值。

2.正确度：平时用来反应系统的测量值与真值的近似程度，反应了系统误差的大小；精巧度：是从随机误差的角度

来反应系统的测量值与真值的近似程度；精准度则是系统误差和随机误差的综合反应。

传动精度：是指机械传动链单向传动时，其输入端与输出端瞬时传动比的实质值与理论值之差。

装置精度：是是指不相同部件或不见依照特定要求组装成拥有必然功能的综合精度，包括部件或不见的相对地址精度、运动精度、接触精度。

机床加工精度：是一项综合型精度指标，即指机床在加工工件时所能达到的精准度。

6.机床定位精度：是指机床或仪器主要部件在运动终点所能达到的实质地址的精度。(是一个拥有综合性质的精度指标，

其定位形式大概可分为手动定位、自动间歇定位和连续定位三种形式。)

二.简答题

机械系统在机电一体化中的作用

答：机械系统在机电一体化中起着传达功率、支撑、连结、履行的功能。

机床精度与机床加工精度有什么不相同（判断）

答：两者的见解之间有必然的差异，机床加工精度是指在加工时表现出来的精度，与机床设施自己使用的时间年限、加工时的切削力、环境温度等都相关系，而机床精度所描绘的是机床的原始精度，不考虑上述这些情况。

什么是六点定位原理

答：任何一个物体在三维空间中，相对三个互相垂直的坐标系OXYZ来说，都有六个自由度，即沿X、Y、Z三个坐标

轴的搬动，以x、y、z表示，及绕着X、Y、Z轴的转动，用x、y、z表示，以以下列图。若是说某物体在某一方向上

的自由度被限制住了，实际上是说该物体在该方向上有了一个确定的地址。当物体的六个自由度完好被限制住时．该物

体在坐标系中的地址也就完好被确定了，也就是我们所说的六点定位原理。

机械系统的组成部分主要有哪些

答：—般由减速装置、丝杠螺母副、蜗轮蜗杆副等各样线性传动部件以及连杆机构、凸轮机构等非线性传动部件、

导向支承部件、旋转支承部件、轴系及架体等机构组成。

6．举例说明，为什么有些部件在加工是不需要六点定位

答：由六点定位原理可知，一个部件在机床上实现完好定位需要限制六个自由度。可是在一些特定环境下，没有必要去限制六个自由度。比方，在铣床上铣削轴类部件的键槽时，绕轴线旋转方向的自由度就没有必要限制，由于从端面上来看，所获取的圆是对于过轴线的随意一个平面对称的。

思虑与练习题2

二.简答题

常有的机械传动主要有什么机械传动的作用

主要有带传动、链传动、蜗轮蜗杆传动、齿轮传动、轮系减速器及机械无极变速传动、连杆传动、凸轮传动、棘轮

传动、槽轮传动和不完好齿轮传动等等。

作用：某种传动机构既能够实现运动形式的变换，也能够实现运动速度的变化，同时还能够实现动力的传动。

简述传动比的分派原则答：(1)重量最轻原则

输出轴转角误差最小原则

等效传动惯量最小原则

举例说明各样支承的构造特点（判断）答：(1).圆柱支撑

优点：拥有较大的接触表面，承受载荷较大；

缺点：方向精度和置中精度较差，且摩擦阻力矩较大。

(2).圆锥支撑

优点：承载能力较强，方向精度和置中精度较高；缺点：摩擦阻力矩也较大，置中精度必圆柱支撑好；

缺点：对温度变化比较敏感，制造成本较高。

(3).填入式转动支撑

构造特点：没有内圈和外圈，仅在相对运动的部件上加工出滚道面，用标准滚珠散装在滚道内。主要有三种形式。

(4).球面支撑

(5).顶针支撑

机械机构的工艺性主要包括那些内容

答：机械构造的工艺性包括毛坯铸造的工艺性、焊接部件的构造工艺性、零部件的装置工艺性、零部件的机械加工

工艺性等几方面内容。

在机械系统中设计选择构件时，为什么要考虑动平衡问题

答：若是展转件动件的构造不对称、制造不正确或材质不平均，都会使整个展转件在转动时产生离心力系的不平衡，

使离心力系的协力和协力偶矩不等于零。产生的离心力为Fmrw2，它的方向随着展转件的转动而发生周期性的变

化，并在轴承中惹起一种附加的动力，使整个机械产生周期性的振动。振动简单惹起机械工作精度和可靠性降低，部件资料的疲倦破坏等。

思虑与练习题3

一.名词讲解

1．轴系零部件：轴、轴承、联轴器和离合器及轴上的转动部件组合起来成一个系统，常称为轴系零部件。

导轨：导向支承部件的作用是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。这样的部件平时被称为导轨副，简称导轨。

二.简单题

轴的功能及分类

轴是机械中的重要部件，功能：支承转动部件，并传达运动和动力。

分类：

三点支承方式,前后及中间三处均有轴承支承，而且前后的轴承皆为双列短圆柱滚子轴承。特点为构造简单，刚度较高，极限转速较高，承载能力强。

浮动支承方式，只传达转矩而不支承弯矩或受弯矩较小，两支点其实不固定。

定轴心的两支点传动轴，不近承受转矩，而且还承受弯矩和轴向力。

部件在轴上固准时，什么时候采用轴肩固定、什么时候采用套筒固定

为了使部件端面与轴肩能很好地贴合，轴上圆角半径r应比轴上部件孔端的圆角半径R或倒角高度C略渺小些时

用轴肩固定。

当轴上两个部件相距不大时，常采用套筒作轴向固定。作用：能承受较大的轴向力，战胜应力会集。

导轨副的种类

导轨副运动导轨的轨迹分类(1)直线运动导轨副.(2)转动运动导轨副

对导轨副的基本要求

机电一体化系统对导轨的基本要求是导向精度高、刚性好、运动轻盈平稳、耐磨性好、温度变化影响小以及构造工

艺性好等。

第三章

思虑与练习题1

一.名词讲解

传感器：是将被测量(包括各样物理量、化学量和生物量等)变换成系统可识其他、与被测量有确定对应关系的适用电信号的一种装置。

感觉同步器:感觉同步器是一种电磁地址检测元件，感觉同步器是利用电磁感觉原理把两个平面绕组间的位移量变换成电信号的一种位移传感器。

感觉同步器的鉴相方式:是经过检测感觉电压的相位来测量位移（判断）

感觉同步器的鉴幅方式:是经过检测感觉电压的幅值来测量位移（判断）

思虑与练习题2

一.名词讲解

光栅：是在透明的玻璃板上，平均地刻出很多明暗相间的条纹，或在金属镜面上平均地划出很多间隔相等的条纹，平时线条的空隙和宽度是相等的。

莫尔条纹：若是把两块栅距W相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之间有较小的夹角θ时，这光阴栅上会出现若干条明暗相间的间隔相等的粗大条纹，就是莫尔条纹。它们沿着与光栅条纹几乎垂直的方向排列.

分类：

光栅

直线光栅

计量光栅

圆光栅

物理光栅

金属反射

六十进制

十进制

二进制

简述光栅莫尔条纹的特点

(1).用平行光束照射时,莫尔条纹由亮带到暗带,再由暗带到亮带,透过的光强度为正弦散布.

(2).起位移放大作用

(3).莫尔条纹的位移与光栅的搬动成比率。

(4).起平均误差的作用

思虑与练习题3

什么是码盘式编码器

码盘式编码器也称为绝对编码器，它将角度变换为数字编码，能方便地与数字系统(如微机)联接。

码盘式编码器按其构造可分为接触式、光电式和电磁式三种，后两种为非接触式编码器。

检测电路主要包括哪个部分

磁栅检测电路包括：磁头励磁电路、读守信号的放大、滤涉及辨向电路，细分内插电路，显示及控制电路等各个部

分。

思虑与练习题5

一.名词讲解

霍尔效应

金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向大将产生电动势，这种物理现象称

为霍尔效应。

热电效应

将两种不相同成分的导体组成一个闭合回路，以以下列图，当闭合回路的两个接点分别置于不相同的温度场中，回路中产

生一个方向和大小与导体的资料及两接点的温度相关的电动势，这种效应称为“热电效应”。

二.简答题

简述直流测速发电机的工作原理。

直流测速发电机的工作原理与一般直流发电机相同。图所示为电磁式直流测速发电机的工作原理图。

图直流测速发电机的工作原理

在恒定磁场中，旋转的电枢组切割磁通，并产生感觉电动势，由电刷两头引出的电枢电压为：

EaCen

空载运行时，电枢电流Ia＝0，直流测速发电机的输出电压就等于电枢感觉电动势，即：

UEa

输出电压与转速成正比。

负载运行时，电枢电流Ia0，若不计电枢反应的影响，不计电刷接触压降，直流测速发电机的输出电压为：

UEaIaRaEaRaURL把式上两式结合，整理后得：

UCenCnRa1RL在理想情况下，系数C中的参数均为常数，所以从式中能够看出测速发电机的输出电压与转速严格成正比。

2.简述霍尔转速传感器的工作原理。假定薄片为N型半导体，磁感觉强度为B的磁场方向垂直于薄片，加图所示，在薄片左右两头通以电流I(称为控制电流)，那么半导体中的载流子(电子)将沿着与电流I相反的方向运动。由于外磁场B的作用，使电子碰到磁场力L(洛F仑兹力)而发生偏转，结果在半导体的后端面上电子有所积累，而前端面缺少电子，所此后端面带负电，前端面带正电，在前后端面间形成电场。该电场产生的电场力E阻拦电子连续偏转。当E与L相等时，电子积累达到动向平衡。这时，FFF在半导体前后两头面之间(即垂直于电流和磁场方向)成立电场，称为霍尔电场H，相应的电势称为霍尔电势H。EU

由实验可知，霍尔电势的大小与激励电流I和磁场的磁感觉强度成正比，与半导体薄片厚度d成反比，即UHRHIBd机电一体化系统中常用的检测环节有哪几类主要能够测量什么依照被检测物理量特点的不相同，检测环节可分为：

运动学检测系统：主要达成对位移、速度、加速度和振动的检测；霍尔原理效应图

力学参数检测系统：主要达成对拉力、压力、波折力矩和应力的检测；

其他物理量检测系统：可对温度检测、湿度检测、酸碱度检测、声音检测和图像检测系统等。第四章

思虑与练习题

.名词讲解

滤波：所谓滤波，就是从所测量的信号中除掉不需要的信号。二.简单题

控制系统中常用的输入装置有哪些

常用的输入装置是键盘、各样开关和接口电路等。

共阳极和共阴极的LED有何不相同之处

答:LED数码管显示器共阴极的接法是发光二极管的阴极接地，当数码管的笔划发光二极管的阳极为高电平时，该笔划

被点亮。共阳极的接法是发光二极管的阳极接高电平，当数码管的笔划发光二极管的阴极为低电平时，该笔划被点亮。

总之，主要差异在于LED数码管的接法和驱动笔划的数据电平的不相同。

控制系统主要有哪些部分组成

机电一体化的控制系一致般由数控装置、输入、输出装置、接口、功率放大电路等几部分组成。

控制系统中的信息显示主要的方法是什么

方法分为：

用CRT显示信息，利用计算机操作系统和相关语言工具供应的显示功能调用或命令语句实现信息的显示。

用数码管显示，用专用的显示电路和专用的显示程序。

6．矩阵式键盘工作原理

矩阵式键盘由一组行线(Xi)与一组列线(Yi)交叉组成，按键位于交叉点上，为对各个键进行差异，能够按必然规律分别为各个键命名键号。

将列线经过上拉电阻接至+5V电源，当无键按下时，行线与列线断开，列线呈高电平。当键盘上某键按下时，则该键对应的行线与列线被短路。

第五章

思虑与练习题2

.简答题

步进电机的调速包括哪几个方面的控制怎样控制

步进电机速度控制

控制步进电机的运行速度，实质上就是控制系统发出步进脉冲的频次或许换相的周期。系统可用两种方法来确定步进脉冲的周期：

一种是软件延时：经过延时子程序的方法来实现的，它占有CPU时间。

另一种是用准时器方法：是经过设置准时时间常数的方法来实现的。

步进电机的加减速控制

一般用微机控制系统的加减速，控制时需准备以下数据：①加减速的斜率；②加速过程的总步数；③恒速运行总步

数；④减速运行的总步数。

2.简述三相单三拍或许三相双三拍工作原理（任选其一）。

(一)以三相单三拍为例：

A相绕组通人直流电流iA时，由于磁力线力求经过磁阻最小的路径，转子将碰到磁阻转矩的作用而转动。当转子转到其轴线与A相绕组轴线相重合的地址时，磁阻转矩为零，转子停留在该地址，以以下列图。

若是A相绕组不断电，转子将素来停留在这个平衡地址，称为“自锁”。要使转子连续转动，能够将A相绕组断电，

而使B相绕组通电。这样转子就会顺时针旋转30°，到其轴线与B相绕组轴线相重合的地址，以以下列图。

连续改变通电状态，即使B相绕组断电，C相绕组通电，转子将连续顺时针旋转30°，以以下列图。

若是三相定子绕组依照A—C—B次序通电，则转子将按逆时针方向旋转。上述定子绕组的通电状态每切换一次称为

“一拍”，其特点是每次只有一相绕组通电。每通入一个脉冲信号，转子转过一个角度，这个角度称为步距角。每经过

三拍达成—次通电循环，所以称为“三相单三拍”通电方式。

（二）以三相双三拍为例：

三相双三拍运行方式的通电次序是AB－BC－CA－AB。由于每拍都有两相绕组同时通电、如A、B两相通电时，转子齿极l、3碰到定子磁极

A、X的吸引、而

2、4碰到

B、Y的吸引，转子在两者吸力相平衡的地址停止转动，如图

1a所示。下一拍B、C相通电时，转子将顺时针转过

顺时针转过30°，达到新的平衡地址，如图

30°，达到新的平衡地址，如图1b所示。再下一拍C、A相通电时，转子将再

1c所尔。可见这种运行方式的步距角也是30°。3.步进电机的驱动控制是怎样来实现的包括哪几部分答：步进电机的驱动是经过弱电驱动强电来实现的。

其中步进电机的弱电部分实现了频次、数量和方向的变化，主要包括脉冲混淆电路、加减脉冲分派电路、加减速电路和环形分派器四个部分。

思虑与练习题3

.名词讲解

脉宽调制：所谓脉宽调制，就是使功率晶体管工作于开关状态，开关频次恒定，用改变开关导通时间的方法来调整晶体管的输出。使电机两头获取宽度随时间变化的电压脉冲。当开关在单周期内的导通时间随时间发生连续地变化时，电机电枢获取的电压的平均值也随时间连续地发生变化，而由于内部的续流电路和电枢电感的滤波作用，电枢上的电流则连续地改变，进而达到调治电机转速的目的。

思虑与练习题4

一.填空题

1.变频调速的主要环节是为电机供应频次可变电源的(变频器)，主要分为(交－交变频)和(交－直－交)变频两种。

沟通伺服电机主要分为(永磁同步伺服电机)和(笼型异步伺服电机)两类。

液压控制系统主要由(动力元件)、(履行元件)、(控制元件)以及(协助元件)四个部分组成。

气动回路的基本控制方式一般有(电气－气动控制方式)、(全气动控制方式)和(机械操作方式)三种。二．简答题

试述液压传动与气动传动的异同点。

相同点：(1)组成部分都是有动力元件、履行元件、控制元件和协助元件组成；

(2)工作原理相像，工作原理都是先将机械能变换为便于输送的液(气)压能，后又将液(气)压能变换为机械能

做功，以实现某种控制。

不相同点：(1)工作介质不相同，液压传动的介质是液压油，而气压传动的工作介质是压缩空气。

气压传动与液压传动比较其元件构造简单，系统中不用有回气管，不污染环境；气动系统在恶劣工作环境中，安全可靠性优于液压系统。

气压传动与液压传动比较工作压力较低，输出功率较小，所以气信号传达的速度慢，不宜用于高速传达的回路中。气压传动的压缩控制，简单使载荷变化使动作牢固性比液压介质差。

其他气压传动排气噪声大，在系统中需加消声器。

什么是液压传动

液压传动控制实质上是一种能量变换装置，它先将机械能变换为便于输送的液压能，后又将液压能变换为机械能做

功，以实现某种控制目的。

试述什么是SPWM调制

SPWM调制是用脉冲宽度不等的一系列矩形脉冲去逼近一个所需要的电压信号；它是利用三角波电压与正弦参照电压

对照较，以确定各分段矩形脉冲的宽度。

图为三角波调制法原理。它利用三角波与参照电压正弦波对照较，以确定各段矩形脉冲的宽度。在电压比较器A的两输入端分别输入正弦波参照电压

uR和频次与幅值固定不变的三角波电压

u

，在

A的输出端便获取

PWM调制