机电一体化专业系统设计基础课程作业解答.doc

机电一体化系统设计基本课程作业解答（一）

一、填空题
1．控制计算机 控制软件 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．质量目的管理 实行可行性设计 进行设计质量评审
4．定期预测 定量预测
5．精度 稳定性 迅速响应性
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，传感测试某些作用是什么？
机电一体化系统中传感测试某些作用是对系统运营中所需要自身和外界环境各种参数及状态进行检测，变为可辨认信号，传播到信息解决单元，经分析解决后产生控制信息。
2．简述机电一体化产品设计工程路线（重要环节）
机电一体化产品设计工程路线（重要环节）：拟定产品开发目的和技术规范；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；总体方案评审和评价；详细设计；详细设计方案评审和评价；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精度？
机电一体化技术使机械传动某些减少，因而使机械磨损，配合间隙及受力变形等所引起误差大大减少，同步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导致误差，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重要因素有哪些？
影响系统传动机构动力学特性重要因素有系统负载变化；传动系统惯性；传动系统固有频率；传动系统中摩擦与润滑。
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负载增长，功率消耗大；使系统相应速度变慢，减少敏捷度；使系统固有频率下降，容易产生谐振。
6．为减小机械系统传动误差，可采用哪些构造办法？
减小机械系统传动误差可采用构造办法有：恰当提高零部件自身精度；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z1＝20，z2＝45，模数m＝2mm，齿宽b＝20mm。试求折算到电机轴上总等效惯量J？
解：（1）计算各传动件转动惯量
材料密度，齿轮计算直径按分度圆直径计算，丝杠计算直径取中径。

由

工作台折算到丝杠上转动惯量为

（2）折算到电机轴上转动惯量

2．试设计一数控机床工作台用滚珠丝杠副。已知平均载荷Fm＝3600N，丝杠工作长度l＝1.25m，平均转速nm＝120r/min，每天开机6h，每年250个工作日计，规定工作以上。丝杠材料为CrWMn钢，滚道硬度为58～62HRC，丝杠传动精度规定为±0.03mm。
解：
（1）求计算载荷
由题设条件，查表3.4取KF＝1.2，查表3.5取KH＝1.0，假设丝杠为D级精度，查表3.6，取KA＝1.0。
则计算载荷 Fc＝KFKHKAFm＝1.2×1.0×1.0×3600＝4320 N
（2）计算所规定额定动载荷Ca′
预期使用寿命 Lh′＝6×250×10＝15000h
并代入 nm＝120r/min，FC＝4320N

（3）依照Ca′值选取滚珠丝杠副
设选用FCI型号系列，按照满足Ca≥Ca′原则，并考虑各种因素，查表3.7选出合用滚珠丝杠型号规格为FCI-5006-3，其重要参数尺寸：
公称直径 D0＝50mm
导程 l0＝6mm
螺旋角 λ＝2°11′
滚珠直径 d0＝3.969mm
丝杠小径 d1＝45.63mm
（4）检查稳定性
取弹性模量 E＝2.06×105 MPa，查表3.8长度系数μ＝2/3
丝杠轴惯性矩
不发生失稳之最大载荷

安全系数
查表3.8 许用安全系数[S]＝2.5～3.3。由S>[S]，可知丝杠是安全，稳定性合乎规定。
（5）检查刚度
计算转矩
取摩擦系数f＝0.002，则ρ＝arctan0.002＝6′53″

按最不利状况计算导程误差，每个导程变形量

=6.44×10－2μm
丝杠在工作长度上导程误差

普通，丝杠导程误差ΔL应不大于其传动精度1/2，即

丝杠刚度满足规定。
经上述计算验证，所选FCI-5006-3型丝杠各项性能均符合使用规定，可用。

四、分析题
按照机电一体化系统基本构造要素，图示数控机床各个某些归类如下：

（1）控制及信息解决单元： 键盘、计算机、显示
（2）测试传感某些： 光电编码器、信号解决
（3）能源： 电源
（4）驱动某些： 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本课程作业解答（二）
一、填空题
1．低频分量 高频分量
2．固有频率 阻尼能力
3．相对阻尼系数
4．固有频率
5．变频信号源 脉冲分派器 功率放大器
6．最大动态转矩 减少
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

二、简答题
1．如何提高伺服系统响应速度？
伺服系统响应速度重要取决于系统频率特性和系统加速度。
（1）提高系统固有频率，减小阻尼。增长传动系统刚度，减小折算转动惯量，减小摩擦力均有助于提高系统响应速度。
（2）提高驱动元件驱动力可以提高系统加速度，由此也可提高系统响应速度。
2．步进电机是如何实现速度控制？
步进电机运动是由输入电脉冲信号控制，每当电机绕组接受一种脉冲，转子就转过一种相应角度。其角位移量与输入脉冲个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步。因而，只要控制输入脉冲数量、频率和电机绕组相序，即可得到所需转动速度和方向。
3．试述直流电机伺服系统中脉宽调制放大器基本工作原理。
脉宽调制放大器是直流伺服电机惯用晶体管驱动电路。运用大功率晶体管开关作用，将直流电源电压转换成一定频率方波电压，施加于直流电机电枢，通过对方波脉冲宽度控制，变化电枢平均电压，使电机转速得到调节。
4．交流伺服电机有哪些类型？交流伺服驱动重要特点是什麽？
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。
交流伺服驱动重要特点有：（1）调速范畴大；（2）适合大、中功率伺服系统；（3）运营平稳，转速不受负载变化影响；（4）输出转矩较大，而转矩脉动小。
三、分析题
1．分析传感器误差对输出精度影响
传感器位于反馈通道，误差低频分量影响系统输出精度和系统稳定性，因而传感器应有较高精度；而误差高频分量不影响输出精度，可以容许传感器及放大电路有一定高频噪声。
2．分析齿轮减速器传动误差对工作台输出精度影响。
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，齿轮减速器传动误差（误差高频分量）和回程误差（误差低频分量）将直接影响工作台输出精度。
四、计算题
1．如图所示电机驱动直线伺服系统，已知工作台质量为m＝50kg，工作台与导轨间摩擦系数f＝0.1，负载力为FW＝1000N，丝杠直径为D＝16mm，导程为ts＝4mm，齿轮减速比为i＝5，工作台最大线速度为v＝0.04m/s，试求：（1）折算到电机轴上负载力矩；（2）电机轴转速；（3）电机所需功率。
解：（1）折算到电机轴上负载力矩
摩擦负载力 Ff＝mgf＝50×10×0.1＝50N
外负载力 Fw＝1000N
电机上负载力矩为

（2）电机轴转速

（3）电机所需功率

取系数为2，则

2．如图所示开环步进电机位置控制系统，已知负载力F=N，工作台长L=400mm，往复精度为mm，丝杠导程6mm，直径d＝32mm，步进电机步距角为α＝，试拟定齿轮减速比i。
解：步进电机每转脉冲数
脉冲/转
依照工作台定位精度规定，选用脉冲当量
δ=0.02mm/脉冲
设传动比为i ，每个脉冲相应工作台位移为

则

《机电一体化系统设计基本》课程作业解答（三）

中央电大理工部冼健生

（ 09月15日）
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　　一、填空题
　　1．数据总线　　 地址总线　　 控制总线
　　2．S－100　　 Multi（或STD、STE）
　　3．总线接口逻辑　　 I/O功能逻辑　　 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　　 总线接口逻辑
　　6．采样精度　　 采样速度　　 成本
　　7．D/A转换器　　 通道选取器
　　8．信号调理
　　二、简答题
　　1．试述可编程序控制器功能和构成。
　　可编程序控制器可取代继电器控制，完毕顺序和程序控制；可构成闭环系统，实现精准位置和速度控制；可构成高速数据采集与分析系统，实现生产过程完全自动化。
　　典型可编程序控制器由电源、微解决器、存贮器、输入输出接口和编程器所构成。
　　2．开放式体系构造重要特点是什麽？
　　开放式体系构造是近年来在电子工业和计算机工业中流行一种设计思想，它使得当代计算机测控系统设计办法与老式办法有了很大区别。
　　开放式体系构造重要特点是：向将来VLSI开放；向不同顾客层次开放；向顾客特殊规定开放；采用模块化构造。
　　3．采用STD总线工业控制机有哪几种工作模式？
　　由于STD总线高度模块化和采用组合办法特点，STD工业控制机可以灵活地构成各种系统。其工作模式有三种：
　　（1）独立工作模式　 即采用微机基本系统与工业用I/O模板单独构成控制系统。
　　（2）作为前端控制机　 STD工业控制机可作为其他微机（工业PC机）前端控制机，完毕实时在线控制，并把采集数据和执行成果传送给上位机。
　　（3）构成分布式组合　 运用STD控制机组合办法，可以便地进行各种分布式系统组合。
　　4．简述STD总线微机控制系统重要特点。
　　STD总线微机控制系统重要特点：
　　（1）采用小板构造，高度模块化，其功能模板构造灵活，可靠性高，硬件冗余小，成本低。
　　（2）模板设计具备严格原则和广泛兼容性。
　　（3）面向I/O设计，具备强大I/O扩展能力，使控制系统非常适合工业控制应用。
　　（4）高可靠性。
　　5．STD总线系统I/O子系统有哪些重要功能？
　　在计算机工业过程控制系统中，I/O子系统是过程接口，其重要功能有：
　　（1）开关量输入输出　 用于I/O信号测量与控制。
　　（2）模仿量输入输出　 用于外部模仿量采样及输出模仿量控制。
　　（3）脉冲量输入输出　 用于输入脉冲信号接受、输出脉冲信号控制；定期信号产生及解决；伺服电机使用运动控制接口。
　　6．A/D、D/A接口功能是什麽？
　　在工业系统中，需要测量和控制参数经常是持续变化模仿信号，这些物理量经传感器变成持续变化电压、电流等信号，A/D接口功能是将这些模仿量再变换成数字量，以便计算机辨认。D/A接口功能则是将经计算机解决后数字量转换成模仿电压或信号，输送到执行机构，达到控制过程目。
　　三、分析题
　　1．画图阐明工业PC机与普通信息解决计算机重要区别是什么？

　　工业控制机与普通信息解决机差别在于取消了普通信息解决机大母板，将其改为功能插板，与普通信息解决机相比较,工业控制机有如下特点：
　　（1）具备丰富过程输入输出功能。
　　（2）良好时实性，能对生产过程工况变化实时地进行监控。
　　（3）可靠性高，故障率低，维修时间短，运营效率高。
　　（4）采用抗干扰电源，密封机箱，具备良好环境适应性。
　　（5）丰富应用软件。
　　（6）具备良好技术综合性。
　　2．画图阐明8路输入、8路输出STD总线开关量接口模板构成原理。

　　如图所示，STD总线开关量输入输出模板典型接口由STD总线接口逻辑、I/O功能逻辑（输入缓冲器和输出锁存器）、I/O电气接口等三某些构成。输入模板基本构成为：外部开关信号→输入信号条理电路→输入缓冲器→输入端口译码控制→STD总线；输出模板基本构成为：STD总线信号→输出端口译码控制→输出锁存器→输出信号条理电路→负载。
　　3．试分析比较工业控制PC计算机与可编程序控制器重要区别。
　　工业控制PC计算机与可编程序控制器以较强输出带负载能力、良好抗干扰能力和可靠性，在工业现场控制系统中得到了广泛应用。但两者在系统构成、功能以及程序语言等方面有所不同。
　　工业控制PC计算机基本系统与普通PC机大体相似，但备有各种控制模板，普通不需要再作硬件开发，在构造上进行了模块化；系统具备完整控制功能，软件丰富，执行速度快，合用于需要作大量数据解决测控系统。在程序语言方面，工业控制计算机以使用高档语言为主，也可使用汇编语言。
　　可编程序控制器（PLC）构造小巧，适应性强，可按照使用规定选购相应产品构成控制系统，可编程序控制器控制功能以逻辑控制为主，小型PLC合用于实现各种逻辑控制和开关量控制，大中型PLC为模块化构造，按顾客所需功能选配模块，可构成规模较大、精度较高闭环控制系统。PLC控制功能由软件实现，但信号输入输出采用周期性扫描方式，这一点与工业控制PC机存在重要区别。此外，在程序语言方面PLC编程语言多采用梯形图，大型PLC控制系统可使用高档语言。

机电一体化系统设计基本课程作业解答（四）

一、填空题
1．敏感元件 转换元件 基本转换电路
2．敏捷度 线性度 重复性 迟滞
3．临界速度
4．广义输入阻抗 静态刚度
5．挠性手腕 分离活塞式油缸 旋转变压器
6．8088 8086
7．输入输出设备 计算机数控装置 伺服系统 受控设备
8．点位控制装置 直线控制装置 轮廓控制装置

二、简答题
1．简述光电编码器式传感器工作原理和重要特点。
光电编码器式传感器重要由旋转孔盘和光电器件构成。它输出是与孔盘转角或转角增量成正比例关系脉冲信号，通过对脉冲信号计数，即可测定孔盘转过角度。光电编码器式传感器又分为绝对式和增量式，前者转角范畴不大于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重要特点是测量精度高；输出量为脉冲信号，抗干扰能力强；可以同步用于位置和速度测量，使用以便；但高精度光电编码器价格比较贵，成本高。
2．选取传感器应重要考虑哪几方面因素？
选取传感器重要根据是传感器性能指标：
（1）基本参数 量程、敏捷度、静态精度和动态特性。
（2）环境参数 环境温度、湿度、冲击、振动；抗干扰能力。
（3）可靠性 工作寿命、平均无端障时间。
（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，选取传感器时还必要考虑其输入输出特性。
3．简述HRGP－1A喷漆机器人示教与再现过程。
HRGP－1A喷漆机器人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关节和手腕，依照喷漆工件表面形状进行示教操作，此时中央解决器通过反馈元件（旋转变压器）将示教过程中测试参数存入存储器，即把示教过程执行机构空间轨迹记录下来。再现过程由计算机控制机器人动作，中央解决器将示教时记录空间轨迹信息从存储器中取出，通过插补运算与采样得到位置数据进行比较，将其插值调节后输出，控制执行机构按照示教时轨迹运动。
4．简述数控设备中计算机数控装置构成和功能。
在数控设备中，计算机数控装置是设备核心某些，普通由专用计算机（或通用计算机）、输入输出接口以及机床控制器等某些构成。
计算机数控装置依照输入数据和程序，完毕数据运算、逻辑判断、输入输出控制等功能；机床控制器重要用于机床辅助功能，主轴转速选取和换刀功能控制。
5．简述CK3225型机床数控系统构成。
CK3225型机床有主驱动、伺服驱动两大控制环节。主驱动重要是机床主轴速度控制，伺服驱动除对进给速度进行控制外，还需要对刀架行程（位置）进行控制。
机床数控系统由操作系统、机床控制机、主驱动单元、伺服驱动单元和其他功能控制单元。工作时从操作系统输入数据，由机床控制机（通过内装PC解决）对两大驱动系统进行控制。

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特点。
直流测速发电机由永久磁铁与感应线圈构成，用电枢获取速度信号。它具备敏捷度高、构造简朴等特点，惯用于高精度低速伺服系统，也可与永磁式直流电动机构成低速脉宽调速系统。直流测速发电机输出信号是与输入轴转速成正比直流电压信号，信号幅度大，信号调理电路简朴。由于输出电压信号有波纹，普通需要配备滤波电路。
光电编码器（增量式）重要由旋转孔盘和光电器件构成。它具备体积小、使用以便、测量精度高等特点，常与直流电机配合使用构成脉宽调速系统。增量式光电编码器输出是与转角成比例增量脉冲信号，可以通过脉冲计数获得角位置信号，也可以定期取样脉冲数增量实现角速度测量。因而，可以同步测量转角和转速。
2．画图阐明HRGP－1A喷漆机器人电液伺服系统构成和工作特点。
HRGP－1A喷漆机器人电液伺服系统构成如图所示。

喷漆机器人具备6个自由度，每个自由度都由一套上图所示电液伺服系统驱动。
电液伺服系统为多输入、多输出变量系统，各系统之间具备负载效应，以适应机器人运动参数和动力参数变化；各电液伺服系统迅速响应特性一致，使各个机构运动互相协调，并具备较高速度刚度，使操作机具备运动速度高、工作稳定性好、位置精度高等特点，以满足喷漆工艺规定。
3．试分析比较闭环控制系统与半闭环控制系统重要区别。

闭环控制系统位置测量元件直接对工作台实际位移量进行检测。如图所示，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控制电路，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差值进行控制。闭环控制系统可以消除涉及工作台传动链在内误差，定位精度高，调节速度快。但由于工作台惯量大,对系统稳定性不利，且系统较复杂、成本高。

半闭环控制系统通过测速发电机A和光电编码器B间接测量伺服电机转角，推算出工作台实际位移量。系统通过此值与指令值进行比较，以差值实现控制。半闭环控制系统没有把工作台传动链涉及在控制回路内，此类系统控制方式介于开环与闭环之间，精度没有闭环高，但成本较低，调试以便，因而得到了广泛应用。
4．试分析比较液压马达和直流电机实现转动输出驱动不同特点。
使用液压马达普通不需要中间传动机构，马达轴与负载轴直接连接，传动机构简朴，构造紧凑；而直流电机驱动为得到适当运动速度和负载能力，普通要使用较大传动比减速器，传动机构尺寸较大。在相似负载条件下，液压马达比直流电机驱动负载刚度大、迅速性好；液压马达对环境条件规定不高，可在需要防水、防爆条件下工作，需要使用电液伺服阀和专门液压动力源，对环境有污染；而直流电机驱动规定有较好工作环境，也不会污染环境。

四、计算题
已知某工作台采用直流电机丝杠螺母机构驱动，已知工作台行程L=250mm,丝杠导程t=4mm,齿轮减速比为i=5,规定工作台位移测量精度为0.005mm，采用高速端测量办法，试拟定旋转编码器每转脉冲数。（忽视齿轮和丝杠传动误差）
解：
设传感器每转脉冲数为ns ，每个脉冲相应工作台位移为

则

选用n=200光电编码器，则测量精度为

满足题目规定。

五、综合题
已知五自由度机器人，采用直流电机控制，关节转角测量采用增量式编码器，具备手动示教和再现功能，试拟定其控制计算机及控制方案。
控制系统原理图如下 ：

手动示教盒是一种单片机系统，它由单片机、RAM、串行通信口、键盘、LED显示屏等构成。它承担命令输入、状态显示、数据存储、通过与关节控制单片机通信给关节单片机发送控制命令等任务。
每个关节控制单片机分别负责单个关节直流电机位置伺服控制，由单片机、PWM驱动接口、编码器接口和串行通信口等构成。
PC具备与手动示教盒同样功能。不同是，状态显示及命令输入由显示屏和PC键盘来实现，运用PC机还能实现数据自动再现，使机械手按指定轨迹运动。