1、- 1 -机电一体化系统设计基础作业 1、2、3、4 参考答案形成性考核作业 1一、判断题（正确的打，错误的打）1机电一体化系统的主要功能就是对输入的物质按照要求进行处理，输出具有所需特性的物质。 （ ） 2. 系统论、信息论、控制论是机电一体化技术的理论基础，是机电一体化技术的方法论。 （ ） 3信息处理技术是指在机电一体化产品工作过程中，与工作过程各种参数和状态以及自动控制有关的信息输入、识别、变换、运算、存储、输出和决策分析等技术。 （ ）4自动控制是在人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定的规律运行。 （ ）5产品的组成零部件和装配精度高，系统的精度一定就高。 （
2、 ）6为减少机械传动部件的扭矩反馈对电机动态性能的影响，机械传动系统的基本固有频率应低于电气驱动部件的固有频率的 23 倍，同时，传动系统的固有频率应接近控制系统的工作频率，以免系统产生振荡而失去稳定性。 （ ）7传动机构的转动惯量取决于机构中各部件的质量和转速。 （ ）8在闭环系统中，因齿轮副的啮合间隙而造成的传动死区能使系统以 610 倍的间隙角产生低频振荡，采用消隙装置，以提高传动精度和系统稳定性。 （ ）9进行机械系统结构设计时，由于阻尼对系统的精度和快速响应性均产生不利的影响，因此机械系统的阻尼比 取值越小越好。 （ ）10滚珠丝杠垂直传动时，必须在系统中附加自锁或制动装置。 （ ）
3、11采用偏心轴套调整法对齿轮传动的侧隙进行调整，结构简单，且可以自动补偿侧隙。 （ ） 12采用虚拟样机代替物理样机对产品进行创新设计测试和评估，延长了产品开发周期，增加了产品开发成本，但是可以改进产品设计质量，提高面向客户与市场需求能力。（ ）二、单选题1 以下产品属于机电一体化产品的是（C ） 。A游标卡尺 B电话C全自动洗衣机 D非指针式电子表- 2 -2为提高机电一体化机械传动系统的固有频率，应设法（A ） 。 A增大系统刚度 B增大系统转动惯量C增大系统的驱动力矩 D减小系统的摩擦阻力3导程 L0=8mm 的丝杠驱动总质量为 60kg 的工作台与工件，则其折算到丝杠上的等效转动惯量为
4、（B ）kgmm 2。 A48.5 B97C4.85 D9.74传动系统的固有频率对传动精度有影响， （B ）固有频率可减小系统地传动误差，（A ）系统刚度可提高固有频率。AA提高，提高 B提高，减小C减小，提高 D减小，减小5下列哪种方法是采用单螺母预紧原理来消除滚珠丝杠副的间隙？（ D ） A螺纹调隙式 B双螺母垫片调隙式C齿差调隙式 D偏置导程法6. 齿轮传动的总等效惯量随传动级数( ?A )。 BA.增加而减小 B.增加而增加 C.减小而减小 D.变化而不变7多级齿轮传动中，各级传动比“前小后大”的分配原则不适用于按（ D ）设计的传动链。 A最小等效转动惯量原则（小功率传动装置）B最
5、小等效转动惯量原则（大功率传动装置）C输出轴的转角误差最小原则D重量最轻原则8某机电一体化系统需要消除齿轮传动的齿侧间隙，采取下列哪种方法使得调整过程中能自动补偿齿侧间隙？（D ） A偏心套调整法 B轴向垫片调整法C薄片错齿调整法 D轴向压簧错齿调整法三、简答题1完善的机电一体化系统主要包括哪几部分？- 3 -动力源传感器 执行部件控制器机械本体机电一体化系统的对应要素及相应功能关系2 简述机电一体化系统中的接口的作用。机电一体化系统中的接口的作用是实现系统与外部（其他系统、操作者、环境）的连接，一般分为机械接口、电气接口两方面。3机械运动中的摩擦和阻尼会降低效率，但是设计中要适当选择其参数，
6、而不是越小越好。为什么？因为适当选择机械运动中的摩擦和阻尼会，可提高系统的稳定性、保证系统具有良好的动态特性。4简述机械系统的刚度对系统动态特性的影响。 失动量。系统刚度越大，因静摩擦力的作用所产生的传动部件的弹性变形越小，系统的失动量也越小。 固有频率。机械系统刚度越大，固有频率越高，可远离控制系统或驱动系统的频带宽度，从而避免产生共振。 稳定性。刚度对开环伺服系统的稳定性没有影啊，而对闭环系统的稳定性有很大影响，提高刚度可增加闭环系统的稳定性。四、计算题1.某工作台采用直流电机丝杠螺母机构驱动如图所示，已知电机轴的转动惯量Jm=410-4kgm3，与电机输出轴相连的小齿轮的转动惯量 J1=
7、110-4kgm3，大齿轮的转动惯量 J2=1.810-4kgm3，丝杠的转动惯量 Js=3.810-4kgm3。工作台的质量 m=50kg，丝杠导程 t=5mm，齿轮减速比为 i=5。试求：（1）工作台折算到丝杠的等效转动惯量 JG；（2）传动件折算到电机轴的等效转动惯量 Je；（3）电机轴上的总转动惯量 J。图 直流电机丝杠螺母机构驱动工作台解：（1）J G=m（t/2） 2=50*1000*(0.005/2/3/14) 2=0.03166 ( kgm3)(2) Je=( J2+Js+JG)/i2=（1.810 -4+3.810-4+316.610-4）/5 2= 12.8810-4 (
8、kgm3 )工作台丝杠 滚珠螺母齿轮减速器联轴器DC 伺服电机i=5- 4 -(3)J= J1+ Je =110-4 +12.8810-4 =13.88 (kgm3)2.已知某四级齿轮传动系统，各齿轮的转角误差为 1= 2= 8=0.01 弧度，各级减速比相同，即 i1 = i2 = i4 =3，求该系统的最大转角误差 max。解： max= 1/( i1* i2* i3* i4)+ ( 2+ 3)/ (i2* i3* i4)+ ( 4+ 5)/ (i3* i4)+( 6+ 7/ (i4)+ 8=0.01/34+ 0.02/33+0.02/32+0.02/3+0.01=0.01975 （弧度）
9、五、综合题1. 分析下图调整齿侧间隙的原理。1. 锁紧螺母 2. 圆螺母 3. 带凸缘螺母 4.无凸缘螺母答：图中所示的双螺母螺纹预紧调整齿侧间隙，双螺母中的一个外端有凸缘，一个外端无凸缘，但制有螺纹，它伸出套筒外用两个螺母固定锁紧，并用键来防止两螺母相对转动。旋转圆螺母可调整消除间隙并产生预紧力，之后再用锁紧螺母锁紧。2.分析下图中传动大负载时消除齿侧间隙的原理。1、6小齿轮 2、5大齿轮 3齿轮 4预载装置 7齿条答：小齿轮 1、6 与齿条 7 啮合，与小齿轮 1、6 同轴的大齿轮 2、5 分别与齿轮 3 啮合，通过预载装置 4 向齿轮 3 上预加负载，使齿轮 2、5 同时向相反方向移动，
10、从而带动小齿轮1、6 转动，其齿面便分别紧贴在齿条 7 上齿槽的左、右侧，从而消除了齿侧间隙作业 2- 5 -一、判断题（正确的打，错误的打）1机电一体化系统是以微电子技术为主体、以机械部分为核心，强调各种技术的协同和集成的综合性技术。 （ ） 2机电一体化系统的机械系统与一般的机械系统相比，应具有高精度、良好的稳定性、快速响应性的特性。 （ ）3双螺母消除轴向间隙的结构形式结构紧凑，工作可靠，调整方便，能够精确调整。（ ） 4.传感器的转换元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分。 （ ）5感应同步器是一种应用电磁感应原理制造的高精度检测元件，有直线和圆盘式两种，分别用作检测直线位移和转
11、角。 （ ） 6选择传感器时，如果测量的目的是进行定性分析，则选用绝对量值精度高的传感器，而不宜选用重复精度高的传感器。 （ ） 7传感器在使用前、使用中或修理后，必须对其主要技术指标标定或校准，以确保传感器的性能指标达到要求。 （ ）8驱动部分在控制信息作用下提供动力，伺服驱动包括电动、气动、液压等各种类型的驱动装置。 （ ） 9气压式伺服驱动系统常用在定位精度较高的场合使用。 （ ）10永磁型步进电动机即使其定子绕组断电也能保持一定转矩，故具有记忆能力，可用于定位驱动。 （ ）11步进电动机的转动惯量越大，同频率下的起动转矩就越大。 （ ）12直流伺服电动机的调速特性是电机转速与其输出转矩
12、的关系。 （ ）二、单选题1以下产品不属于机电一体化产品的是（ B ）。A工业机器人 B电子计算机C空调 D复印机2多级齿轮传动中，各级传动比相等的分配原则适用于按（ C ）设计的传动链。 A最小等效转动惯量原则 B输出轴的转角误差最小原则C重量最轻原则（小功率装置） D重量最轻原则（大功率装置）3检测环节能够对输出进行测量，并转换成比较环节所需要的量纲，一般包括传感器和（B ） 。- 6 -A 控制电路 B 转换电路C 放大电路 D 逆变电路4幅频特性和相频特性是模拟式传感器的（B ） 。 A静态特性指标 B动态特性指标C输入特性参数 D输出特性参数5光栅传感器的光栅是在一块长条形的光学玻璃
13、上密集等间距平行的刻线，刻线数为 100 线/mm ， ，经四倍细分后，记数脉冲为 400，光栅位移是（A ）mm。A1 B2 C3 D46受控变量是机械运动的一种反馈控制系统称(B )。A.顺序控制系统 B.伺服系统C.数控机床 D.工业机器人7闭环控制的驱动装置中，丝杠螺母机构位于闭环之外，所以它的（C ） 。A回程误差不影响输出精度，但传动误差影响输出精度B传动误差不影响输出精度，但回程误差影响输出精度C回程误差和传动误差都不会影响输出精度D回程误差和传动误差都会影响输出精度8. 以下可对交流伺服电动机进行调速的方法是（B ） 。A 改变电压的大小 B 改变电动机的供电频率C 改变电压的
14、相位 D 改变电动机转子绕组匝数三、简答题1什么是传感器的静态特性和动态特性？ 传感器的静态特性是指传感器的输入信号不随时间变化或变化非常缓慢时，所表现出来的输出响应特性。需要了解的主要参数有：线性范围、线性度、灵敏度、精确度、分辨力、迟滞、稳定性。 传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性。需要了解的主要参数有：幅频特性和相频特性。2什么是伺服系统？伺服系统的一般组成有哪几个部分？ 伺服系统又称随动系统，它是以机械位置、速度和加速度为控制对象，在控制命令指挥下，控制元件的工作，使机械运动部件按照命令要求运动。一般来说，伺服系统组成框图如图所示。- 7 -伺服系统组成框图（1）
15、控制器：伺服系统中控制器的主要任务是根据输入信号和反馈信号决定控制策略，控制器通常由电子线路或计算机组成。（2）功率放大器：伺服系统中功率放大器的作用是将信号进行放大，并用来驱动执行机构完成某种操作，功率放大装置主要由各种电力电子器件组成。（3）执行机构：执行机构主要由伺服电动机或液压伺服机构和机械传动装置等组成。（4）检测装置：检测装置的任务是测量被控制量，实现反馈控制。无论采用何种控制方案，系统的控制精度总是低于检测装置的精度，因此要求检测装置精度高、线性度好、可靠性高、响应快。3简述直流伺服电动机脉宽调制的工作原理。直流伺服电动机脉宽调制（PWM）的工作原理：假设输入直流电压 ，可以调节
16、导U通时间得到一定宽度的与 成比例的脉冲方波，给伺服电动机电枢回路供电，通过改变脉U冲宽度来改变电枢回路的平均电压，从而输出不同大小的电压 ，使直流电动机平滑调速。a4比较直流伺服电动机和交流伺服电动机的适用环境差别。电机 调速原理 容量范围 制动力矩 转速 耐环境能力 控制器DC 调压 大 大 低 差(有摩擦粉尘) 简单AC 变频 中 中小 高 良 复杂四、计算题1刻线为 1024 的增量式角编码器安装在机床的丝杠转轴上，已知丝杠的螺距为2mm，编码器在 10 秒内输出 307200 个脉冲，试求刀架的位移量和丝杠的转速分别是多少？解：（1）丝杠旋转一周有 1024 个脉冲，307200 个
17、脉冲对应于丝杠旋转 307200/1024=300周，故刀架的位移量为 300*2mm=600mm，（2）丝杠的转速为 300*2/10=60 （弧度/ 秒）2如图所示的电机驱动工作台系统，其中驱动 x 向工作台的三相双三拍步进电机，转子齿数 z 为 100。滚珠丝杠的基本导程为 l0=6mm。已知传动系统的横向( x 向)脉冲当量 为 0.005mm/脉冲。试求：- 8 -（1）步进电机的步距角 ；（2）减速齿轮的传动比 i。功功放放电机电机滚珠丝杠滚珠丝杠工作台工作台i图 电机驱动工作台示意图解：（1）K=3 相，N=3 拍，z=100步进电机的步距角 =360/(z*m)= 360/(z
18、*K*N)= 360/(100*3*3)=0.4 （2）由于一个脉冲，步进电机旋转 0.4 ，工作台横向(x 向)脉冲当量 0.005mm，由于滚珠丝杠的基本导程为 l0=6mm，对应于丝杠转动一周 360 ，设一个脉冲丝杠转动的角度为 x，则 6mm/360=0.005/x，得 x=0.3故减速齿轮的传动比 i=0.3/0.4=3/4五、综合题1图示直射式光电转速传感器是一种角位移传感器，由装在被测轴(或与被测轴相连接的输入轴)上的带缝隙圆盘、光源、光电器件和指示缝隙盘组成，光源发生的光通过缝隙圆盘和指示缝隙照射到光电器件上。试分析传感器的测量原理。解：当装在被测轴(或与被测轴相连接的输入轴
19、)上的带缝隙圆盘转动时，光敏元件接收到脉冲信号，若转动圆盘上缝隙是均匀刻制，总数量为 N，则光敏元件每输出 N 个脉冲，就意味着圆盘转动一周 360；若输出 M 个脉冲，就意味着转过 360*M/N，因此，该传感器可以用于测量角度。如果在 T 秒时间内转过输出 M 个脉冲，就意味着转速为 360*M/N/T (/s ) 因此，该传感器也可以用于测量角速度。2已知一个绳位移控制系统的两种驱动方案分别如图 a 和 b 所示。（1）试分析两种方案的特点；（2）画图说明方案（a）减速器滚筒驱动测量位移的方法。- 9 -（a）减速器滚筒驱动 （b）丝杠滑台驱动解：（1）分析两种方案的特点：（a） 电机经
20、减速器带动滚筒转动，使驱动绳产生位移；（b） 电机带动丝杠转动，丝杠上的螺母便产生直线运动，带动驱动绳产生位移。（2）画图说明方案（a）减速器滚筒驱动测量位移的方法作业 3一、判断题（正确的打，错误的打）1数字式位移传感器有光栅、磁栅、感应同步器等，它们的共同特点是利用自身的物理特征，制成直线型和圆形结构的位移传感器，输出信号都是脉冲信号，每一个脉冲代表输入的位移当量，通过计数脉冲就可以统计位移的尺寸。 （ ）2电液伺服系统的过载能力强，在强力驱动和高精度定位时性能好，适合于重载的高加减速驱动。 （ ） 3通常，步进电机的最高连续工作频率远大于它的最高启动频率。 （ ） 4脉冲分配器的作用是使
21、电动机绕组的通电顺序按一定规律变化。 （ ）5对直流伺服电动机来说，其机械特性越硬越好。 （ ） 6无论采用何种控制方案，系统的控制精度总是高于检测装置的精度。 （ ）7一般说来，全物理仿真较之计算机仿真在时间、费用和方便性上都具有明显的优- 10 -点，是一种经济、快捷与实用的仿真方法。 （ ）8数字化物理样机就是一种结构设计软件，强调结构上的设计。 （ ）9计算机控制系统的采样周期越小，其控制精度就越高。 （ ）10PLC 采用扫描工作方式，扫描周期的长短决定了 PLC 的工作速度。 （ ） 11通用型计算机系大多工作在为特定用户群设计的系统中，通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点。
22、（ ） 12现代嵌入式系统的设计方法是将系统划分为硬件和软件两个独立的部分，然后按各自的设计流程分别完成。 （ ） 二、单选题1下列哪个是传感器的动特性（D ） 。A量程 B线性度C灵敏度 D幅频特性2在开环控制系统中,常用（B ）做驱动元件。A直流伺服电动机 B步进电动机C同步交流伺服电动机 D异步交流伺服电动机3.光栅传感器的光栅是在一块长条形的光学玻璃上密集等间距平行的刻线，刻线数为100 线/mm ，此光栅传感器测量分辨率是（C ）mm。A1 B0.1 C0.01 D0.0014计算机控制系统实际运行时，需要由用户自行编写（D ） ，具有实时性、针对性、灵活性和通用性。A实时软件 B开发软件 C系统软件 D应用软件5以下除了（D ） ，均是由硬件和软件组成。A计算机控制系统 BPLC 控制系统C嵌入式系统 D继电器控制系统6以下抑制电磁干扰的措施，除了（D ） ，其余都是从切断传播途径入手。A 屏蔽 B 隔离 C 滤波 D 软件抗干扰三、简答题1 机电一体化系统仿真在系统设计过程中所起的作用是什么？在系统实际运行前，也希望对项目的实施结果加以预测，以便选择正确、高效的运行策略或提前消除设计中的缺陷，最大限度地提高实际系统的运行水平，采用仿真技术可以
