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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 机电一体化系统设计基础课程作业解答（一）一、填空题1掌握运算机 掌握软件 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质量目标治理 实行可行性设计 进行设计质量评审4定期猜测 定量猜测5精度 稳固性 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
2、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,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判；具体设计；具体设计方案的评审和评判；试制样机；样机试验,测试；技术评判与审定；小批量生产；试销；正常生产；销售；3为什么采纳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削减,因而使机械磨损,协作间隙及受力变形等所引起的误差大大削减,同时由于采纳电子技术实现自动检测,掌握,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
3、；传动系统的固有频率；传动系统中的摩擦与润滑；5转动惯量对传动系统有哪些影响？1 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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,简洁产生谐振；6为减小机械系统的传动误差,可采纳哪些结构措施？减小机械系统的传动误差可采纳的结构措施有：适当提高零部件本身的精度；合理设计传动链,减小零部件制造、装配误差对传动精度的影响；采纳消隙机构,以减小或排除回程误差；三、运算题1图示丝杠螺母驱动系统,已知工作台的质量 m=200K
4、g ,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 10 3K g / m 3,齿轮齿数分别为 z1 20, z245,模数 m2mm,齿宽 b20mm；试求折算到电机轴上的总等效惯量 J e？解：（ 1）运算各传动件的转动惯量材料密度7. 8103Kg/m3,齿轮的运算直径按分度圆直径运算,丝杠的运算直径取中径；由J21md2d4l40. 024 .3.92105kgm2832J z 17.81030.0432J z7 .81030.0940. 021 .0103kgm232J s7.81030.0340.896104kgm232工作台折算到
5、丝杠上的转动惯量为JGmt22000 . 00521 . 2104kg2 m22（2）折算到电机轴上的转动惯量JeJz 11Jz2JsJG3 .921052121.01034. 961041.2104i2. 253 . 58104kg2 m2 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 2试设计一数控机床工作台用滚珠丝杠副；已知平均载荷F m3600N ,丝杠工作长度 l1.25m,平均转速nm120r/min ,每天开机6h,每年250 个工作日计,要求工作10年以上；丝杠材料为CrWMn钢,滚道硬度为58 62
6、HRC ,丝杠传动精度要求为0.03mm；解：（1）求运算载荷由题设条件,查表3.4 取 K F1.2,查表 3.5 取 KH1.0,假设丝杠为D 级精度,查表3.6,取 KA1.0；就运算载荷FcKFKHK AF m 1.2 1.0 1.0 36004320 N N（2）运算所要求的额定动载荷Ca预期使用寿命Lh 6 250 1015000h 并代入nm120r/min ,FC4320N CaFc31nmLh4432031201500020563. 67101. 67104（3）依据 Ca 的值挑选滚珠丝杠副 设选用 FCI 型号系列,依据满意 CaCa 的原就,并考虑各种因素,查表 3.7
7、 选出合用的 滚珠丝杠型号规格为 FCI-5006-3 ,其主要参数尺寸：公称直径 D0 50mm 导程 l 0 6mm 螺旋角 2 11滚珠直径 d0 3.969mm 丝杠小径 d1 45.63mm （4）检验稳固性取弹性模量 丝杠轴惯性矩 E2.06 10 5 MPa,查表 3.8 长度系数 2/3 I64d43. 140. 0456342. 13107m4164不发生失稳之最大载荷安全系数F max2EI3. 142.206311 102.131076. 23105Nl22/1. 252SF max623000 3600173Fc查表3.8 许用安全系数S 2.5 3.3 ；由SS ,可
8、知丝杠是安全的,稳固性合乎要求；（5）检验刚度运算转矩TFmD0tan66533. 58Nm2取摩擦系数f 0.002 ,就 arctan0.002T360050103tan2115323 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 按最不利情形运算导程误差,每个导程的变形量L0Fl06Tl2 04Fl0316 Tl2 010321011mEA2GJcEA2d4 G43600103163.5863. 14.00456322. 061011. 1420. 0456340.81=6.44 102 m 丝杠在工作长度上的
9、导程误差Llll01. 256. 4410213 . 4m1/2,即 m06103通常,丝杠的导程误差 L 应小于其传动精度的L110 .03mm0 .015 mm1522丝杠的刚度满意要求；经上述运算验证,所选四、分析题FCI-5006-3 型丝杠各项性能均符合使用要求,可用；依据机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）掌握及信息处理单元：键盘、运算机、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）执行机构：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低频重量 高频重量2
10、固有频率 阻尼才能3相对阻尼系数4固有频率5变频信号源 脉冲安排器 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8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4 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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
11、也可提高系统的响应速度；2步进电机是如何实现速度掌握的？步进电机的运动是由输入的电脉冲信号掌握的,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,只要掌握输入脉冲的数量、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路；利用大功率晶体管的开关作用,将直流电源电压转换成肯定频率的方波电压,施加于直流电机的电枢,通过对方波脉冲宽度的掌握,转变电枢的平均电压,使电机的转速得到调剂；4沟通伺服电机有哪些类型？沟通伺服驱动的主要
12、特点是什麽？沟通伺服电机有永磁式沟通同步电机和笼型异步电机两类；沟通伺服驱动的主要特点有：（1）调速范畴大；（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；（三、分析题4）输出转矩较大,而转矩脉动小；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,误差的低频重量影响系统的输出精度和系统的稳固性,因此传感器应有较高的精度；而误差的高频重量不影响输出精度,可以答应传感器及放大电路有肯定的高频噪声；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掌握系统,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（误差的高频重量）和回程误差（误差
13、的低频重量）将直接影响工作台的输出精度；四、运算题5 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 1如下列图的电机驱动直线伺服系统,已知工作台的质量为m50kg,工作台与导轨间的摩擦系数 f0.1,负载力为 FW1000N,丝杠直径为 D16mm,导程为 ts4mm,齿轮减速比为 i5,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）电机轴的转速；（3）电机所需功率；解：（ 1）折算到电机轴上的负载力矩摩擦负载力 F fmgf50 10 0.1 50N 外负载力 F w10
14、00N 电机上的负载力矩为T m1tsFWFf11i214103 100050 52.070.191 Nm（2）电机轴的转速niv50. 0450 r/s3000 r/mints0.004（3）电机所需功率P m.15.2 5TLPnLP取系数为 2,就Pm2 T2n20.191250120 W2如下列图的开环步进电机位置掌握系统,已知负载力F=2000N ,工作台长L=400mm,往复精度为0. 02mm,丝杠导程6mm,直径 d32mm,步进电机的步距角为 1 .5,试确定齿轮减速比i；解：步进电机的每转脉冲数ns360360240脉冲 /转1 .5依据工作台定位精度的要求,选用脉冲当量
15、=0.02mm/ 脉冲 设传动比为 i ,每个脉冲对应工作台的位移为 t s in s6 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 就its6240.1 25n s0 . 02机电一体化系统设计基础课程作业解答（三）一、填空题1数据总线 地址总线 掌握总线2S100 Multi（或 STD、STE）3总线接口规律 I/O 功能规律 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 总线接口规律6采样精度 采样速度 成本7D/A 转换器 通道挑选器8信号调理二、简答题1试述可编程序
16、掌握器的功能和组成；可编程序掌握器可取代继电器掌握,完成次序和程序掌握；可组成闭环系统,实现精确的位置和速度掌握；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；典型的可编程序掌握器由电源、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运算机工业中流行的一种设计思想,它使得当代运算机测控系统的设计方法与传统方法有了很大区分；开放式体系结构的主要特点是：向将来的 特别要求开放；采纳模块化结构；VLSI 开放；向不同用户层次开放；向用户的3采纳 STD总线的工业掌握机有哪几种工作模式？7 / 15 名师归纳总结 - - -
17、 - - - -第 7 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 由于 STD总线的高度模块化和采纳组合方法的特点,各种系统；其工作模式有三种：STD工业掌握机可以敏捷地组成（1）独立工作模式 即采纳微机的基本系统与工业用 I/O 模板单独构成掌握系统；（2）作为前端掌握机 STD 工业掌握机可作为其它微机（工业 PC机）的前端掌握机,完成实时在线掌握,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 的组合；利用 STD掌握机的组合方法,可便利地进行各种分布式系统4简述 STD总线微机掌握系统的主要特点；STD总线微机掌握系统的主要特点：（1）采纳小板结构,
18、高度的模块化,其功能模板结构敏捷,牢靠性高,硬件冗余小,成本低；（2）模板设计具有严格的标准和广泛的兼容性；用；（3）面对 I/O 的设计,具有强大的 I/O 扩展才能,使掌握系统特别适合工业掌握的应（4）高牢靠性；5STD总线系统的 I/O 子系统有哪些主要功能？在运算机工业过程掌握系统中,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 信号的测量与掌握；（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掌握；（3）脉冲量的输入输出 用于输入脉冲信号的接收、输出脉冲信号的掌握；定时信号的产生及处理；伺服电机使用的运动掌握接口；6A/D、D/A 接口的功能
19、是什麽？在工业系统中,需要测量和掌握的参数常常是连续变化的模拟信号,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,以便运算机识别；D/A 接口的功能就是将经运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,达到掌握过程的目的；三、分析题1画图说明工业 PC机与一般信息处理运算机的主要区分是什么？8 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 工业掌握机与一般信息处理机的差别在于取消了一般信息处理机的大母板,将其改为 功能插板,与一般信息处理机相比较 , 工
20、业掌握机有以下特点：（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）牢靠性高,故障率低,修理时间短,运行效率高；（4）采纳抗干扰电源,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；9 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 如下列图, STD总线的开关量输入输出模板的典型接口由STD总线接口规律、I/O 功能规律（输入缓冲器和输出锁存器）、I/O 电气接口
21、等三部分组成；输入模板的基本组成为：外部开关信号输入信号条理电路输入缓冲器输入端口译码掌握STD总线；输出模板的基本组成为：STD总线信号输出端口译码掌握输出锁存器输出信号条理电路负载；3试分析比较工业掌握PC运算机与可编程序掌握器的主要区分；工业掌握 PC运算机与可编程序掌握器以较强的输出带负载才能、良好的抗干扰才能和 牢靠性,在工业现场掌握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；工业掌握 PC运算机的基本系统与一般PC机大体相同,但备有各种掌握模板,一般不需要再作硬件开发,在结构上进行了模块化；系统具备完整的掌握功能,软件丰富,执行 速度快,适用于需要作
22、大量数据处理的测控系统；在程序语言方面,工业掌握运算机以使 用高级语言为主,也可使用汇编语言；可编程序掌握器（PLC）结构小巧,适应性强,可依据使用要求选购相应产品组成掌握系统,可编程序掌握器的掌握功能以规律掌握为主,小型PLC适用于实现各种规律掌握和开关量掌握,大中型的 PLC为模块化结构,按用户所需的功能选配模块,可组成规模较大、精度较高的闭环掌握系统；PLC的掌握功能由软件实现,但信号的输入输出采纳周期性的扫描方式,这一点与工业掌握PC机存在重要的区分；此外,在程序语言方面PLC的编程语言多采纳梯形图,大型PLC掌握系统可使用高级语言；机电一体化系统设计基础课程作业解答（四）一、填空题1
23、敏锐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旋转变压器5挠性手腕分别活塞式油缸68088 8086 7输入输出设备运算机数控装置伺服系统受控设备8点位掌握装置直线掌握装置轮廓掌握装置二、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10 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 增量成正比例关系的脉冲信号,通过对脉冲信号计数,即可测定孔盘转过的角度；光电编码器式传感器又分为肯定式和增量式,前
24、者转角范畴小于360o,用于低速端角位置测量；后者无转角范畴限制,可用于高速端角位置测量或转速测量；光电编码器式传感器的主要特 点是测量精度高；输出量为脉冲信号,抗干扰才能强；可以同时用于位置和速度的测量,使用便利；但高精度的光电编码器价格比较贵,成本高；2挑选传感器应主要考虑哪几方面的因素？挑选传感器的主要依据是传感器的性能指标：（1）基本参数 量程、灵敏度、静态精度和动态特性；（2）环境参数 环境温度、湿度、冲击、振动；抗干扰才能；（3）牢靠性 工作寿命、平均无故障时间；（4）使用条件 电源、外形尺寸、安装方式；（5）经济性 价格和价格性能比；此外,挑选传感器时仍必需考虑其输入输出特性；3
25、简述 HRGP1A 喷漆机器人的示教与再现过程；HRGP1A 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,依据喷漆工件表面的外形进行示教操作,此时中心处理器通过反 馈元件（旋转变压器）将示教过程中测试的参数存入储备器,即把示教过程执行机构的空 间轨迹记录下来；再现过程由运算机掌握机器人的动作,中心处理器将示教时记录的空间 轨迹信息从储备器中取出,经过插补运算与采样得到的位置数据进行比较,将其插值调剂 后输出,掌握执行机构依据示教时的轨迹运动；4简述数控设备中运算机数控装置的组成和功能；在数控设备中,运算机数控装置是设备的核心部分,一般由专用运算机（或
26、通用运算 机）、输入输出接口以及机床掌握器等部分构成；运算机数控装置依据输入的数据和程序,完成数据运算、规律判定、输入输出掌握等 功能；机床掌握器主要用于机床的帮助功能,主轴转速的挑选和换刀功能的掌握；5简述 CK3225 型机床数控系统的组成；CK3225 型机床有主驱动、伺服驱动两大掌握环节；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掌握外,仍需要对刀架的行程（位置）进行掌握；机床的数控系统由操作系统、机床掌握机、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,由机床掌握机（经过内装的 11 / 15 PC 处理）对两大驱动名师归纳总结 - - - -
27、 - - -第 11 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 系统进行掌握；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,用电枢猎取速度信号；它具有灵敏度 高、结构简洁等特点,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,信号调理电路简洁；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、使用便利、测量精度高等特点,常与直流电机协作使用构成脉宽调速系
28、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 HRGP1A 喷漆机器人电液伺服系统的组成和工作特点；HRGP1A 喷漆机器人电液伺服系统的组成如下列图；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样,使各个机构的运动 相互和谐,并具有较高的速度刚度,使操作机具有运动速度高、工作稳固性好、位置精度 高等特
29、点,以满意喷漆工艺的要求；3试分析比较闭环掌握系统与半闭环掌握系统的主要区分；12 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 闭环掌握系统的位置测量元件直接对工作台的实际位移量进行检测；如下列图,A 为速度测量元件,C 为位置测量元件,由A 将速度反馈信号送到速度掌握电路,由C 将工作台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掌握；闭环掌握 系统可以排除包括工作台传动链在内的误差,定位精度高,调剂速度快；但由于工作台惯 量大 ,对系统稳固性不利,且系统较复杂、成本高；半闭环掌握系统通过测速
30、发电机A 和光电编码器B 间接测量伺服电机的转角,推算出工作台的实际位移量；系统通过此值与指令值进行比较,以差值实现掌握；半闭环掌握系 统没有把工作台传动链包括在掌握回路内,这类系统的掌握方式介于开环与闭环之间,精 度没有闭环高,但成本较低,调试便利,因此得到了广泛的应用； 4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；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连接,传动机构简洁,结构紧凑；而直流电机驱动为得到合适的运动速度和负载才能,一般要使用较大传动比的 减速器,传动机构的尺寸较大；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；液压马达对环境条件
31、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特地的液压动力源,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；四、运算题 已知某工作台采纳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,采纳高速端测量方13 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 法,试确定旋转编码器的每转脉冲数；（忽视齿轮和丝杠的传动误差）解：设传感器的每转脉冲数为ltsin就ns ,每个脉冲对
32、应工作台的位移为nitL54005160.0选取 n=200 光电编码器,就测量精度为l540. 0040. 005200满意题目要求；五、综合题已知五自由度机器人,采纳直流电机掌握,关节转角的测量采纳增量式编码器,具有手动示教和再现功能,试确定其掌握运算机及掌握方案；掌握系统原理图如下：14 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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、数据储备、通过与关节掌握单片机通信给关节单片机发送掌握命令等任务；每个关节掌握单片机分别负责单个关节直流电机的位置伺服掌握,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 键盘来实现,利用 PC机仍能实现数据自动再现,使机械手按指定轨迹运动；15 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页,共 15 页