2022年机电一体化系统设计基础课程作业解答.docx

精品学习资源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，经分析处理后产生掌握信息；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；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？欢迎下载精品学习资源在传动系统中，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=200Kg ，丝杠螺距 t=5mm, 丝杠长度欢迎下载精品学习资源L=0.8m, 中径为d=30mm, 材料密度为7.810 3 K g / m3 ，齿轮齿数分别为z1 20， z2 欢迎下载精品学习资源45，模数 m 2mm ，齿宽 b 20mm；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欢迎下载精品学习资源材料密度7.8103 Kg / 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欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源径；由J18md 2d 4 l32欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源J z17.81030.04 4320 .023.9210 5 kgm 2欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源J z 27.810 30.09 40 .021.010 3 kgm2欢迎下载精品学习资源32欢迎下载精品学习资源J7.8s10 3320.0340.84.9610 4 kgm 2欢迎下载精品学习资源工作台折算到丝杠上的转动惯量为欢迎下载精品学习资源2tJGm220020.00521.210 4 kg m2欢迎下载精品学习资源（2）折算到电机轴上的转动惯量欢迎下载精品学习资源JeJ z112J z 2J sJ Gi3.9210 512 .25 21.010 34 .9610 41.210 4欢迎下载精品学习资源3.5810 4 kg m2欢迎下载精品学习资源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，要求工作10 年以上；丝杠材料为CrWMn钢，滚道硬度为58 62HRC ，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 F 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；就运算载荷Fc KFKH K AFm 1.2× 1.0× 1.0 × 36004320 N（ 2）运算所要求的额定动载荷Ca预期使用寿命Lh 6× 250× 10 15000h并代入nm 120r/min ， FC4320N欢迎下载精品学习资源3CaFcnm Lh432012031500020563N欢迎下载精品学习资源1.67（3） 依据 Ca的值挑选滚珠丝杠副1041.6710 4欢迎下载精品学习资源设选用 FCI 型号系列，依据满意Ca Ca的原就，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） 检验稳固性欢迎下载精品学习资源5取弹性模量E 2.06 × 10MPa，查表 3.8 长度系数 2/3m744欢迎下载精品学习资源丝杠轴惯性矩Id14643.140.04563642.1310欢迎下载精品学习资源不发生失稳之最大载荷Fmax2 EI2l3.1422.062 / 310111.252.13210 76.23105 N欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源安全系数S Fmax Fc6230003600173欢迎下载精品学习资源查表 3.8许用安全系数S 2.5 3.3 ；由 S>S ，可知丝杠是安全的，稳固性合乎要求；（5） 检验刚度欢迎下载精品学习资源运算转矩T FmD0 tan2欢迎下载精品学习资源取摩擦系数 f 0.002 ，就 arctan0.002 653欢迎下载精品学习资源T36005010 32tan 2 116 533.58Nm欢迎下载精品学习资源按最不利情形运算导程误差，每个导程的变形量欢迎下载精品学习资源0LFl 0Tl 24Fl0016Tl 2欢迎下载精品学习资源0EA2GJcEA2 d 4G欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源43600610 3163.58610 3欢迎下载精品学习资源3.140. 0456322.0610113.14 20.0456340.81m21011欢迎下载精品学习资源2=6.44× 10 m丝杠在工作长度上的导程误差欢迎下载精品学习资源Lll 01.256.4410 213.4 m欢迎下载精品学习资源l 0610 3欢迎下载精品学习资源通常，丝杠的导程误差L 应小于其传动精度的1/2，即欢迎下载精品学习资源L11220.03mm0.015mm15m欢迎下载精品学习资源丝杠的刚度满意要求；经上述运算验证，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、工作台欢迎下载精品学习资源一、填空题机电一体化系统设计基础课程作业解答（二）欢迎下载精品学习资源1. 低频重量高频重量2. 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. 定位精度定位时间欢迎下载精品学习资源二、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；（4）输出转矩较大，而转矩脉动小；三、分析题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（误差的低频重量）将直接影响工作台的输出精度；四、运算题欢迎下载精品学习资源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 f 0.1，负载力为FW 1000N ，丝杠直径为 D 16mm，导程为 ts4mm，齿轮减速比为i 5，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Ff mgf 50× 10× 0.1 50N外负载力Fw 1000N电机上的负载力矩为欢迎下载精品学习资源mT1t si21410FW31F f 1欢迎下载精品学习资源100052500.7欢迎下载精品学习资源0.191Nm（2）电机轴的转速v0.04欢迎下载精品学习资源ni5t s0.00450r / s3000r/ min欢迎下载精品学习资源（3）电机所需功率Pm1.5 2.5 TLP nLP取系数为 2，就欢迎下载精品学习资源Pm2T2 n20.191250120W欢迎下载精品学习资源2. 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0.02 mm，丝杠导程 6mm ，直径 d 32mm，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欢迎下载精品学习资源n360s3601.5240脉冲 /转欢迎下载精品学习资源依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tsins欢迎下载精品学习资源就ns0.02240it s61.25欢迎下载精品学习资源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2 S100Multi（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6. 采样精度采样保持器转换器采样速度成本总线接口规律7. D/A 转换器8. 信号调理通道挑选器二、简答题1. 试述可编程序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VLSI 开放；向不同用户层次开放；向用户的特别要求开放；采纳模块化结构；3. 采纳 STD总线的工业掌握机有哪几种工作模式？欢迎下载精品学习资源由于 STD总线的高度模块化和采纳组合方法的特点，STD工业掌握机可以敏捷地组成各种系统；其工作模式有三种：（ 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）构成分布式组合利用 STD掌握机的组合方法，可便利地进行各种分布式系统的组合；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，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；（ 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用；（ 4）高牢靠性；5. STD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；6. A/D、D/A 接口的功能是什麽？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？欢迎下载精品学习资源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；欢迎下载精品学习资源如下列图， 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5. 挠性手腕分别活塞式油缸旋转变压器6 808880867. 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欢迎下载精品学习资源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. 简述 HRGP 1A 喷漆机器人的示教与再现过程；HRGP 1A 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掌握，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PC 处理）对两大驱动欢迎下载精品学习资源系统进行掌握；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 HRGP 1A 喷漆机器人电液伺服系统的组成和工作特点；HRGP 1A 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；欢迎下载精品学习资源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 ，采纳高速端测量方欢迎下载精品学习资源法，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ns ，每个脉冲对应工作台的位移为ltin s欢迎下载精品学习资源就tniL540. 005160欢迎下载精品学习资源选取 n=200 光电编码器，就测量精度为欢迎下载精品学习资源l452000.0040.005欢迎下载精品学习资源满意题目要求；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：欢迎下载精品学习资源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；欢迎下载