1、机电一体化系统设计基础形成性考核册学生姓名： 陶奇 学生学号： 1161101206761 班 级： 11 春机械 专 业： 机械制造与自动化机电一体化系统设计基础课程作业（一）一、填空题1控制及信息处理单元一般由 控制计算机 、控制软件 和 硬件接口电路 组成。2机电一体化产品按用途可以划分为民用机电一体化 、办公机电一体化 和 产业机电一体化 产品。3机电一体化系统设计的质量管理主要体现在质量目标管理 、实行可行性设计 和 进行设计质量评审 三个方面。4市场预测主要包括定期预测 和定量预测方法。5机电一体化系统中，机械传动要满足伺服控制在精度、稳定性 和 快速响应性等方面的要求。6在多级传
2、动中，为了减小传动误差，传动比的分配应遵守前小后大原则。7当负载折算到电机轴上的惯量等于转子惯量时，系统能达到惯性负载和驱动力矩的最佳匹配。8机械传动系统中，影响系统传动精度的误差可分为传动误差和回程误差两种。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
3、计；总体方案的评审和评价；详细设计；详细设计方案的评审和评价；试制样机；样机实验，测试；技术评价与审定；小批量生产；试销；正常生产；销售。3为什么采用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减少，因而使机械磨损，配合间隙及受力变形等所引起的误差大大减少，同时由于采用电子技术实现自动检测，控制，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；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？在传动系统中，转动惯量增大使机械
4、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，容易产生谐振。6为减小机械系统的传动误差，可采用哪些结构措施？减小机械系统的传动误差可采用的结构措施有：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；采用消隙机构，以减小或消除回程误差。三、计算题1图示丝杠螺母驱动系统，已知工作台的质量 m=200Kg，丝杠螺距 t=5mm,丝杠长度 L=0.8m,中径为 d=30mm,材料密度为 ，齿轮齿数分别为 z120， z245，模数 m2mm，齿宽 b20mm。试求折算到电机轴上的总等效惯量 J。由 25431 1092.32.0.8.7
5、mkgJz 23432 10.2.09.18.7kgJz 工作台折算到丝杠上的转动惯量为（2）折算到电机轴上的转动惯量2试设计一数控机床工作台用滚珠丝杠副。已知平均载荷 Fm3600N，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 5862HRC，丝杠传动精度要求为0.03mm。注：本题可开卷完成解：（1）求计算载荷由题设条件，查表 3.4 取 KF1.2，查表 3.5 取 KH1.0，假设丝杠为 D 级精度，查表 3.6，取 KA 1.0。则计算载荷 FcK FKHKAFm1.21
6、.01.036004320 N（2）计算所要求的额定动载荷 Ca预期使用寿命 Lh62501015000h并代入 nm120r/min， FC4320N N20563167.4320167. 43 hca24431096.280.18.7mkgJs 2422 10.05. mkgtmJG 4432521 102.96.10.1092.3 Gszze JiJ24058.3mkg（3）根据 Ca的值选择滚珠丝杠副设选用 FCI型号系列，按照满足 Ca Ca的原则，并考虑各种因素，查表 3.7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 D050mm导程 l06mm螺
7、旋角 211滚珠直径 d03.969mm丝杠小径 d145.63mm（4）检验稳定性取弹性模量 E2.0610 5 MPa，查表 3.8长度系数 2/3丝杠轴惯性矩 47441 m103.260.36dI不发生失稳之最大载荷 N1023.625.13/. 5722max lEIF安全系数 760cS查表 3.8 许用安全系数S2.53.3。由 SS，可知丝杠是安全的，稳定性合乎要求。（5）检验刚度计算转矩 tan20DFTm取摩擦系数 f0.002，则 arctan0.002653mN58.3612t5363 按最不利情况计算导程误差，每个导程的变形量 GdTlEAFlJTlLc4200200
8、 m108.563.1.36.2453.1 4223 =6.44102 m丝杠在工作长度上的导程误差 m4.1306.5120 lL通常，丝杠的导程误差 L 应小于其传动精度的 1/2，即m150.3.21mL丝杠的刚度满足要求。经上述计算验证，所选 FCI-5006-3 型丝杠各项性能均符合使用要求，可用。四、分析题一数控系统如图所示，试说明图中的各个部分分别属于机电一体化系统的哪一基本结构要素。答：（1）控制及信息处理单元： 键盘、计算机、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
9、电一体化系统设计基础课程作业（二）一、填空题1在机电一体化系统的驱动装置中，位于前向通道闭环之内的环节，其误差的低频分量 对输出精度基本无影响，而误差的高频分量 影响系统的输出精度。2为提高闭环系统的稳定性，应增大执行装置的固有频率和系统的阻尼能力。3对于执行装置，选择较大的传动比可使系统的相对阻尼系数增大，有利于系统的稳定性。4对于线性控制系统，若要求在达到高精度的同时减小定位时间，则必须提高系统的固有频率。5步进电机的驱动电源由变频信号源 、脉冲分配器 和 功率放大器组成。 6由矩频特性曲线可知，步进电机的最大动态转矩小于最大静转矩，并随着脉冲频率的升高而降低。7当前，广泛采用的直流伺服电
10、机的驱动电路有线性直流伺服放大器和脉宽调制放大器两种。8交流异步电动机的转速与电源频率、磁极对数和转差率有关。9液压系统的伺服控制元件主要有电液比例阀和电液伺服阀。10评定定位系统的主要性能指标是定位精度和定位时间。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，由此也可提高系统的响应速度。2步进电机是如何实现速度控制的？步进电机的运动是由输入的电脉冲信号控制的，每当电机绕组接收一个脉
11、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，只要控制输入脉冲的数量、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一定频率的方波电压，施加于直流电机的电枢，通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压，使电机的转速得到调节。4交流伺服电机有哪些类型？交流伺服驱动的主要特点是什麽？交流伺服电机有永磁式交流同步电机和笼型异步电机两类。交流伺服驱动的主要特点有：（1）调速范围大；（2）适合大
12、、中功率伺服系统；（3）运行平稳，转速不受负载变化的影响；（4）输出转矩较大，而转矩脉动小。三、分析题1如图所示的系统，试分析传感器的误差对输出精度的影响。图 1 电机驱动直线伺服系统答： 传感器位于反馈通道，误差的低频分量影响系统的输出精度和系统的稳定性，因此传感器应有较高的精度；而误差的高频分量不影响输出精度，可以允许传感器及放大电路有一定的高频噪声。2如图所示的伺服系统，试分析齿轮减速器的传动误差对工作台输出精度的影响。图 2 开环步进电机位置控制系统答：对于开环步进电机位置控制系统，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（误差的高频分量）和回程误差（误差的低频分量
13、）将直接影响工作台的输出精度。四、计算题1如图 1所示的电机驱动直线伺服系统，已知工作台的质量为 50kg，工作台与导轨间的摩擦系数 f0.1，负载力为 1000N，丝杠直径为 16mm，导程为 4mm，齿轮减速比为 5，工作台的最大线速度为 0.05m/s，试求：（1）折算到电机轴上的负载力矩；解：（1）折算到电机轴上的负载力矩摩擦负载力 Ffmgf50100.150N外负载力 Fw1000N电机上的负载力矩为 NmtiTfWsm19.07.01)5(24513 （2）电机轴的转速； min/240/405. rsrtvins （3）电机所需功率。 LPmnTP5.2.1取系数为 2，则 W1205219.0 nTm2如图 2所示的开环步进电机位置控制系统，已知负载力 F=2000N，工作台长 L=400mm，往复精度为 mm，丝杠导程 6mm，直径 d32mm，步进电机的步距角为 ，试确定齿轮减速比 i。解：步进电机的每转脉冲数脉冲/转2405.1360sn根据工作台定位精度的要求，选用脉冲当量=0.02mm/脉冲设传动比为 i ，每个脉冲对应工作台的位移为sint则 25.140.6snti
