《机电一体化系统设计——张建明主编》习题答案.doc

1、 1 机电一体化系统习题答案 第一章 思考与练习题一 一 . 名词解释 1.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相互交叉、相互渗透而形成的一门新兴边缘性技术学科。 二 . 简答题 1. 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、执行机构、控制性处理单元以及接口等部分组成。 2. 接口技术的作用？ 答： 是系统中各单元和环节之间进行物质、能量和信息交换的连接界面，是外设和数控装置之间的桥梁。 其功能为：变换、放大和传递。 第二 章 思考题 1 一名词解释 1. 误差：是对某一特定

2、的物理量进行度量时，所测得数值与真值得差值。 2. 准确度：通常用来反映系统的测量值与真值的近似程度，反映了系统误差的大小； 精密度：是从随机误差的角度来反映系统的测量值与真值的近似程度； 精确度则是系统误差和随机误差的综合反映。 3. 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际值与理论值之差。 4. 装配精度 ： 是 是指不同零件或不见按照特定要求组装成具有一定功能的综合精度，包括零件或不见的相对位置精度、运动精度、接触精度。 5. 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确度。 6. 机床定位精度：是指机床或仪器主要部件在运动终点

3、所能达到的实际位置的精度。 (是一个具有综合性质的精度指标，其定位形式大致可分为手动定位、自动间歇定位和连续定位三种形式。 ) 二 .简答题 1.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 起着传递功率、支撑、连接、执行的功能。 2.机床精度与机床加工精度有什么不同？ （判断） 答：二者的概念之间有一定的区别，机床加工精度是指在加工时体现出来的精度，与机床设备本身使用的时间年限 、加工时的切削力、环境温度等都有关系，而机床精度所描述的是机床的原始精度，不考虑上述这些情况。 4. 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，

4、都有六个自由度，即沿 X、 Y、 Z 三个坐标轴的移动，以 zyx 、 表示，及绕着 X、 Y、 Z 轴的转动，用 zy 、x 表示，如图所示。如果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位置。当物体的六个自由度完全被限制住时该物 体在坐标系中的位置也就完全被确定了，也就是我们所说的六点定位原理。 2 5. 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、蜗轮蜗杆副等各种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，为什么有些零件在加工是不需要六点定位？ 答： 由

5、六点定位原理可知，一个零件在机床上实现完全定位需要限定六个自由度。但是在一些特定环境下，没有必要去限定六个自由度。例如，在铣床上铣削轴类零件的键槽时，绕轴线旋转方向的自由度就没有必要限定，因为 从端面上来看，所得到的圆是关于过轴线的任意一个平面对称的。 思考与练习题 2 二 . 简答题 1. 常见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、槽轮传动和不完全齿轮传动等等。 作用：某种传动机构既可以实现运动形式的变换，也可以实现运动速度的变化，同时还可以实现动力的传动。 2. 简述传动比的分配原则

6、？ 答： (1)重量最轻原则 (2)输出轴转角误差最小原则 (3)等效传动惯量最小原则 3.举例说明各类支承 的结构特点？ （判断） 答： (1).圆柱支撑 优点：具有较大的接触表面，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).填入式滚动支撑 结构特点：没有内圈和外圈，仅在相对运动的零件上加工出滚道面，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 4. 机械机构的工艺性主要包 括那些

7、内容？ 答： 机械结构的工艺性包括毛坯铸造的工艺性、焊接零件的结构工艺性、零部件的装配工艺性、零部件的机械加工工艺性等几方面内容。 5. 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： 如果回转件动件的结构不对称、制造不准确或材质不均匀，都会使整个回转件在转动时产生离心力系的不平衡，使离心力系的合力和合力偶矩不等于零。 产生的离心力为 2mrwF ，它的方向随着回转件的转动而发生周期性的变3 化，并在轴承中引起一种附加的动力，使整个机械产生周期性的振动。振动容易引起 机械工作精度和可靠性降低，零件材料的疲劳损坏等。 思考与练习题 3 一 . 名词解释 1 轴系零部件 ： 轴、轴承、

8、联轴器和离合器及轴上的转动零件组合起来成一个系统，常称为轴系零部件。 4.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。这样的部件通常被称为导轨副，简称导轨。 二 . 简单题 1.轴的功能及分类？ 轴是机械中的重要零件，功能：支承转动零件，并传递运动和动力。 分类： (1)三点支承方式 ,前后及中间三处均有轴承支承，并且前后的轴承皆为双列短圆柱滚子轴承。特点为结构简单，刚度较高，极限转速较高，承载能力强。 (2)浮动支承方式 ，只传递转矩而不支承弯矩或受弯矩较小，两支点并不固定。 (3)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。 4.

9、零件在轴上固定时，什么时候采用轴肩固定、什么时候采用套筒固定？ 为了使零件端面与轴肩能很好地贴合，轴上圆角半径 r 应比轴上零件孔端的圆角半径 R 或倒角高度 C 稍微小些时用轴肩固定。 当轴上两个零件相距不大时，常采用套筒作轴向固定。作用：能承受较大的轴向力，克服应力集中。 5. 导轨副的种类？ 按按 导导 轨轨 副副 运运 动动 导导 轨轨 的的 轨轨 迹迹 分分 类类 (1)直直 线线 运运 动动 导导 轨轨 副副 .(2)滚滚 动动 运运 动动 导导 轨轨 副副 6. 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、运动轻便平稳、耐磨性好、温度变化影响小以及结

10、构工艺性好等。 第三章 思考与练习题 1 一 . 名词解释 1.传感器： 是将被测量 (包括各种物理量、化学量和生物量等 )变换成系统可识别的、与被测量有确定对应关系的有用电信号的一种装置。 2.感应同步器 : 感应同步器是一种电磁位置检测元件，感应同步器是利用电磁感应原理把两个平面绕组间的位移量转换成电信号的一种位移传感器。 3.感应同步器的 鉴相方式 : 是通过检测感应电压的相位来测量 位移 （判断） 4.感应同步器的 鉴幅方式 : 是通过检测感应电压的幅值来测量位移 （判断） 思考与练习题 2 一 .名词解释 4 1.光栅 ： 是是 在在 透透 明明 的的 玻玻 璃璃 板板 上上 ， 均

11、均 匀匀 地地 刻刻 出出 许许 多多 明明 暗暗 相相 间间 的的 条条 纹纹 ， 或或 在在 金金 属属 镜镜 面面 上上 均均 匀匀 地地 划划 出出 许许 多多 间间 隔隔 相相 等等 的的 条条 纹纹 ， 通通常常 线线 条条 的的 间间 隙隙 和和 宽宽 度度 是是 相相 等等 的的 。 2.莫尔条纹： 如如 果果 把把 两两 块块 栅栅 距距 W 相相 等等 的的 光光 栅栅 平平 行行 安安 装装 ， 且且 让让 它它 们们 的的 刻刻 痕痕 之之 间间 有有 较较 小小 的的 夹夹 角角 时时 ， 这这 时时 光光 栅栅 上上 会会 出出现现 若若 干干 条条 明明 暗暗 相

12、相 间间 的的 间间 隔隔 相相 等等 的的 粗粗 大大 条条 纹纹 ， 就就 是是 莫莫 尔尔 条条 纹纹 。 它它 们们 沿沿 着着 与与 光光 栅栅 条条 纹纹 几几 乎乎 垂垂 直直 的的 方方 向向 排排 列列 . 分类： 光光 栅栅 1. 简述光栅莫尔 条纹的特点 (1).用用 平平 行行 光光 束束 照照 射射 时时 ,莫莫 尔尔 条条 纹纹 由由 亮亮 带带 到到 暗暗 带带 ,再再 由由 暗暗 带带 到到 亮亮 带带 ,透透 过过 的的 光光 强强 度度 为为 正正 弦弦 分分 布布 . (2). 起起 位位 移移 放放 大大 作作 用用 (3).莫莫 尔尔 条条 纹纹 的的

13、 位位 移移 与与 光光 栅栅 的的 移移 动动 成成 比比 例例 。 (4). 起起 平平 均均 误误 差差 的的 作作 用用 思考与练习题 3 1. 什么是码盘式编码器？ 码盘式编码器也称为绝对编码器，它将角度转换为数字编码，能方便地与数字系统 (如微机 )联接。 码盘式编码器按其结构可分为接触式、光电式和电磁式三种，后两种为非接触式编码器。 5. 检检 测测 电电 路路 主主 要要 包包 括括 哪哪 个个 部部 分分 ？ 磁栅检测电路包括：磁头励磁电路、读取信号的放大、滤波及辨向电路，细分内插电路，显示及控制电路等各个部分。 思考与练习题 5 一 . 名词解释 1. 霍尔效应 金属或半导

14、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上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。 3. 热电效应 将两种不同成分的导体组成一个闭合回路，如图 3.36 所示，当闭合回路的两个接点分别置于不同的温度场中，回路中产生一个方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关的电动势，这种效应称为 “热电效应 ”。 物物 理理 光光 栅栅 计计 量量 光光 栅栅 直直 线线 光光 栅栅 圆圆 光光 栅栅 金属反射 六十进制 十进制 二进制 5 二 . 简答题 1. 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普通直流发电机相同。图 3.20 所示为电磁式直流测速发电机的工作原理图

15、。 在恒定磁场中，旋转的电枢组切割磁通，并产生感应电动势，由电刷两端引出的电枢电压为： aeE C n 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应电动势，即： aUE 输出电压与转速成正比。 负载运行时，电枢电流 0aI ，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： a a a a a LUU E I R E R R 把式上两式结合，整理后得： 1eaLCnU CnRR在理想情况下，系数 C 中的参数均为常数，因而从式中可以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。 假设薄片为 N 型半导体，磁感应强度

16、为 B 的磁场方向垂直于薄片，加图 3.21 所示，在薄片左右两端通以电流 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，使电子受到磁场力FL(洛仑兹力 )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，因此后端面带负电，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 FE 阻止电子继续偏转。当 FE 与 FL相等时，电子积累达到动态平衡。这时，在半导体前后两端面之间 (即垂直于电流和磁场方向 )建立电场，称为霍尔电场 EH，相应的电势称为霍尔电势 UH。 由实验可知，霍尔电势的大小与激励电流 I 和磁

17、场的磁感应强度成正比，与半导体薄片厚度 d 成反比，即 图 3.20 直流测速发电机的工作原理 图 3.21 霍尔原理效应图 6 HHIBURd4. 机电一体化系统中常用的检测 环节 有哪几类？主要可以测量什么？ 根据被检测物理量特性的不同，检测环节可分为： (1)运动学检测系统：主要完成对位移、速度、加速度和振动的检测； (2)力学参数检测系统：主要完成对拉力、压力、弯曲力矩和应力的检测； (3)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 思考与练习题 一 . 名词解释 滤波：所谓滤波，就是从所测量的信号中除去不需要的信号。 二 . 简单题 2

18、. 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、各种开关和接口电路等。 3. 共阳极和共阴极的 LED 有何不同之处？ 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，主要区别在于 LED 数码管的接法和驱动笔划的数据电平的不同。 4. 控制系统主要有 哪些部分组成？ 机电一体化的控制系统一般由数控装置、输入、输出装置、接口、功率放大电路等几部分组成。 5. 控制系统中的信息显示主要的方法是什么？ 方法分为： (

19、1)用 CRT 显示信息，利用计算机操作系统和有关语言工具提供的显示功能调用或命令语句实现信息的显示。 (2)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) 交叉构成，按键位于交叉点上，为对各个键进行区别，可以按一定规律分别为各个键命名键号。 将列线通过上拉电阻接至 +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 思考与练习题 2 二 .简答题 1.步进电机的调速包括哪几个方面的控制？如何控制？ 1)步进电机速度控制 控制步进电机的运行速度，

20、实际上就是控制系统发出步进脉冲的频率或者换相的周期。 系统可用两种办法来确定步进脉冲的周期： 一种是软件延时：通过延时子程序的方法来实现的，它占有 CPU时间。 7 另一种是用定时器方法：是通过设置定时时间常数的方法来实现的。 2)步进电机的加减速控制 一般用微机控制系统的加减速，控 制时需准备下列数据： 加减速的斜率； 加速过程的总步数； 恒速运行总步数； 减速运行的总步数。 2.简述三相单三拍或者三相双三拍工作原理（任选其一）。 (一 ) 以三相单三拍为例： 当 A 相绕组通人直流电流 iA时，由于磁力线力图通过磁阻最小的路径，转子将受到磁阻转矩的作用而转动。当转子转到其轴线与 A 相绕组

21、轴线相重合的位置时，磁阻转矩为零，转子停留在该位置，如图 5.8a 所示。 如果 A 相绕组不断电，转子将一直停留在这个平衡位置，称为 “自锁 ”。要使转子继续转动，可以将 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位置，如图 5.8b 所示。 继续改变通电状态，即使 B 相绕组断电， C 相绕组通电，转子将继续顺时针旋转 30，如图 5.8c 所示。 如果三相定子绕组按照 ACB 顺序通电，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

22、，这个角度称为步距角。每经过三拍完成 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顺序是 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 受到定子磁极 A、 X 的吸引、而 2、 4 受到 B、 Y 的吸引，转子在两者吸力相平衡的位置停止转动，如图 1a 所示。下一拍 B、 C 相通电时，转子将顺时针转过 30，达到新的平衡位置，如图 1b 所示。再下一拍 C、 A 相通电时，转子将再顺时针转过 30，达到新的平衡位置，如图 1c 所尔。可见这种运行方式的步距角也是 30。 3.步进电机

23、的驱动控制是如何来实现的？包括哪几部分？ 答：步进电机的驱动是通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率、数量和方 向的变化，主要包括脉冲混合电路、加减脉冲分配电路、加减速电路和环形分配器四个部分。 8 思考与练习题 3 一 .名词解释 2.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，开关频率恒定，用改变开关导通时间的方法来调整晶体管的输出。使电机两端得到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，电机电枢得到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，从而达到调节电机转

24、速的目的。 思考与练习题 4 一 .填空题 1.变频调速 的主要环节是为电机提供频率可变电源的 (变频器 )，主要分为 (交交变频 )和 (交直交 )变频两种。 2.交流伺服电机主要分为 (永磁同步伺服电机 ) 和 (笼型异步伺服电机 )两类。 3.液压控制系统主要由 (动力元件 )、 (执行元件 )、 (控制元件 )以及 (辅助元件 )四个部分组成。 4.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 3. 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、执行元件、控制元件和辅助元件组成； (2)

25、工作原理 相似，工作原理都是先将机械能转换为便于输送的液 (气 )压能，后又将液 (气 )压能转换为机械能做功，以实现某种控制。 不同点： (1)工作介质不同，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 。 (2)气压传动与液压传动比较其元件结构简单，系统中不必有回气管，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。 (3)气压传动与液压传动比较工作压力较低，输出功率较小，因此气信号传递的速度慢，不宜用于高速传递的回路中。气压传动的压缩控制，容易使载荷变化使动作稳定性比 液压介质差。 (4)另外气压传动排气噪声大，在系统中需加消声器。 4. 什么是液压传动

26、？ 液压传动控制本质上是一种能量转换装置，它先将机械能转换为便于输送的液压能，后又将液压能转换为机械能做功，以实现某种控制目的。 7.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考电压相比较，以确定各分段矩形脉冲的宽度。 图 5.24 为三角波调制法原理。它利用三角波与参考电压正弦波相比较，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考电压 uR和频率与幅值固定不变的三角波电压 u，在 A 的输出端便得到 PWM 调制电压脉冲。 PWM 脉冲宽度确定可由图 5.24(b)看出。当 uu

27、R时， A 输出端为低电平。 uR与u的交点之间的距离随正弦波的大小而变化而交点之间的距离决定了比较器 A 输出脉冲的宽度，因而可以得到幅值相等而宽度不等的脉冲调制信号 up。 9 第 7 章 工业机器人技术 一、 名词解释 1、机器人 ： 机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能操作机，这种操作机具有几个轴，能够借 助可编程操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务。 2、冗余自由度 ：当机器人的自由度数大于六个，且有任意六个关节线性无关时，我们称这样的机器人为冗余自由度机器人。 二、简答题 1、按照信息输入形式机器人主要分为哪几类？ 答：主要有： (1)操纵机器人

28、 (2)程序机器人 (3)示教再现机器人 (4)计算机控制工业机器人 (5)智能机器人。 2、按坐标分类机器人主要分为哪几类？ 答：主要有 (1)直角坐标型 (2)圆柱坐标型 (3)球坐标型 (4)全关节型 3、机器人的机械部分主要由哪几部分组成？ 答：机器人的机械部分是由机座、腰部、大臂、小臂、腕部、夹持器构成。 4、工业机器人的结构组成？ 答：工业机器人是由机座、手臂、手腕、手指等几部分组成的，这几部分构成了机器人的整个结构部分。 5、机器人手腕的腕回转关节的组合运动形式？ 答：主要有俯仰、偏摆、横滚。 6、机器人末端夹持器主要分为哪几类？ 答： (1)夹钳式取料手 (2)吸附式取料手 (3)专用操作器及转换器 (4)仿生多指灵巧手。 7、简述机器人手臂的运动形式？ 答：主要有：直线运动，例如手臂的伸缩、升降及横向 (或纵向 )移动；有回转运动的，例如手 臂的左右回转，上下摆动；有复合运动的，如直线和回转运动的组合，两直线运动的组合，两回转运动的组合。