国家开放大学《机电一体化系统综合实训》作业1-4参考答案.docx

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1、国家开放大学机电一体化系统综合实训作业1-4参考答案作业1一、名词解释 (每小题2分，共10分)1. 测量是人们借助于专门的设备，通过一定的方法对被测对象收集信息，取得数据概念的过程。2.灵敏度指在稳态下， 输出的变化量Y与输入的变化量X的比值。即为传感器灵敏度。 S=dy/dx=Y/X3. 压电效应某些电介质，当沿着一定的方向对它施加力而使它产生变形时，内部就会产生极化现象，同时在它的两个表 面上将产生符号相反的电荷。当外力去掉后，它又重新恢复到不带电的状态，这种现象被称为压电效应。4. 动态误差在被测量随时间变化过程中进行测量时所产生的附加误差称为动态误差。5. 传感器是一种以一定的精确度

2、把被测量转换为与之有确定对应关系的，便于应用的某种物理量 的测量装置。二、填空题（每小题2分，共20分)1. 滚珠丝杆中滚珠的循环方式：（内循环）和（外循环）。2. 机电一体化系统，设计指标和评价标准应包括（性能指标），（系统功能），（使用条件）。3. 顺序控制系统是按照预先规定的次序完成一系列操作的系统，顺序控制器通常用（PLC）。4. 某光栅的条纹密度是50条/mm，光栅条纹间的夹角=0.001孤度，则莫尔条纹的宽度是（20mm）。5. 连续路径控制类中为了控制工具沿任意直线或曲线运动，必须同时控制每一个轴的（位置和速度），使它们同步协调到达目标点。6. 某4极交流感应电机，电源频率为50

3、Hz，转速为1470r/min，则转差率为（0.02）。7. 齿轮传动的总等效惯量与传动级数（增加而减小）。8. 累计式定时器工作时有（2）。9. 复合控制器必定具有（前馈控制器）。10. 钻孔、点焊通常选用（简单的直线运动控制）类型。三、选择题（每小题2分，共10分）1. 一般说来，如果增大幅值穿越频率c的数值，则动态性能指标中的调整时间ts（）A. 产大B. 减小C. 不变D. 不定2. 加速度传感器的基本力学模型是（）A. 阻尼质量系统B. 弹簧质量系统C. 弹簧阻尼系统D. 弹簧系统3. 齿轮传动的总等效惯量与传动级数（）A. 有关B. 无关C. 在一定级数内有关D. 在一定级数内无关

4、4. 顺序控制系统是按照预先规定的次序完成一系列操作的系统，顺序控制器通常用（）A. 单片机B. 2051 C. PLC D. DSP5、伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、比较环节和检测环节等个五部分。（）A换向结构B转换电路C存储电路D检测环节四、判断题（每小题2分，共10分)1、伺服控制系统的比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得输出与输入间的偏差信号。（）2、电气式执行元件能将电能转化成机械力，并用机械力驱动执行机构运动。如交流电机、直流电机、力矩电机、步进电机等。（）3、对直流伺服电动机来说，其机械特性越硬越好。（）4、步进电机的步距角决定了系统的最小

5、位移，步距角越小，位移的控制精度越低。（）5、伺服电机的驱动电路就是将控制信号转换为功率信号，为电机提供电能的控制装置，也称其为变流器，它包括电压、电流、频率、波形和相数的变换。（）五、问答题（每小题10分，共30分)1. 步进电动机常用的驱动电路有哪几种类型?参考答案：（1）单电源驱动电路（2）双电源驱动电路（3）斩波限流驱动电路2. 什么是步进电机的使用特性?参考答案：步距误差：步距误差直接影响执行部件的定位精度。最大静转矩：是指步进电动机在某相始终通电而处于静止不动状态时，所能承受的最大外加转矩，亦即所能输出的最大电磁转矩，它反映了步进电动机的制动能力和低速步进运行时的负载能力。启动矩一

6、频特性：空载时步进电动机由静止突然启动，并不失步地进入稳速运行所允许的最高频率称为最高启动频率。启动频率与负载转矩有关。运行矩频特性：步进电动机连续运行时所能接受的最高频率称为最高工作频率，它与步距角一起决定执行部件的最大运行速度。最大相电压和最大相电流：分别是指步进电动机每相绕组所允许施加的最大电源电压和流过的最大电流。3. 机电一体化系统设计指标大体上应包括哪些方面?参考答案：（1）系统功能（2）性能指标（3）使用条件（4）经济效益六、分析计算题 (每小题10分，共20分)1. 三相变磁阻式步进电动机，转子齿数Z=100,双拍制通电，要求电动机转速为120r/min，输入脉冲频率为多少?步

7、距角为多少?参考答案：（1）20KHz（2）3.602. 采用PLC设计二个电磁阀A、B工作的系统（1）按钮x1为A电磁阀打开，按钮x2为A电磁阀关闭 (输出y1);（2）按钮x3为B电磁阀打开，按钮x4为B电磁阀关闭 (输出y2);（3）只有B电磁阀在工作中，A电磁阀才能工作。要求：画出梯形图，写出助记符指令程序。参考答案：（1）梯形图（2）STR X1 OR Y1 AND NOT X2 OUT Y1 STR X3 OR Y2 AND NOT X4 AND Y1 OUT Y2作业2一、名词解释 (每小题2分，共10分)1、线性度1、所谓传感器的线性度就是其输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离

8、直线的程度。又称为非线性误差。2、伺服控制系统一种能够跟踪输入的指令信号进行动作，从而获得精确的位置、速度及动力输出的自动控制系统。3、三相六拍通电方式如进电动机通电循环的各拍中交替出现单、双相通电状态，这种通电方式称为单双相轮流通电方式。如A AB B BCC CA4、传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的，便于应用的某种物理量的测量装置。5、系统精度指输出量复现输入信号要求的精确程度。二、填空题（每小题2分，共20分)1、计算机在控制中的应用方式主要有（操作指导控制系统、分级计算机控、制系统、监督计算机控制系统（SCC）、直接数字控制系统）。2. 滚珠丝杆螺母副结构有

9、两类：（外循环插管式、内循环反向器式）。3、应用于工业控制的计算机主要有（单片机、PLC、总线工控机）等类型。4. 机电一体化系统，设计指标和评价标准应包括（性能指标、系统功能、使用条件、经济效益）。5、可编程控制器主要由（CPU、存储器、接口模块）等其它辅助模块组成。6. 顺序控制系统是按照预先规定的次序完成一系列操作的系统，顺序控制器通常用（PLC）。7、现在常用的总线工控制机有（STD总线工业控制机）、PC总线工业控制机和CAN总线工业控制机等。8、隔离放大器中采用的耦合方式主要有两种（变压器隔离、光电隔离）。9. 某光栅的条纹密度是50条/mm，光栅条纹间的夹角=0.001孤度，则莫尔

10、条纹的宽度是（20mm）。10. 采样/保持器在保持阶段相当于一个“（模拟信号存储器）”。三、选择题（每小题2分，共10分）1.一个典型的机电一体化系统，应包含以下几个基本要素：A 机械本体B 动力与驱动部分C 执行机构D. 控制及信息处理部分2、机电一体化系统（产品）开发的类型A 开发性设计B 适应性设计C 变参数设计D 其它3、机电一体化系统（产品）设计方案的常用方法A 取代法B 整体设计法C组合法D其它4、机电一体化的高性能化一般包含A高速化B高精度C高效率D高可靠性5、抑制干扰的措施很多，主要包括A屏蔽B隔离C滤波D接地和软件处理等方法四、判断题（每小题2分，共10分)1、变流器中开关

11、器件的开关特性决定了控制电路的功率、响应速度、频带宽度、可靠性和等指标。（）2、伺服控制系统的比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得输出与输入间的偏差信号。（）3、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角。（）4、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。（）5、FMC控制系统一般分二级，分别是单元控制级和设备控制级。（）五、问答题（每小题10分，共30分)1

12、、计算机控制系统中，如何用软件进行干扰的防护。参考答案：软件滤波用软件来识别有用信号和干扰信号，并滤除干扰信号的方法，称为软件滤波软件“陷井”软件“看门狗”（WATCHDOG）就是用硬件（或软件）的办法要求使用监控定时器定时检查某段程序或接口，当超过一定时间系统没有检查这段程序或接口时，可以认定系统运行出错（干扰发生），可通过软件进行系统复位或按事先预定方式运行。2、滚珠丝杠副的轴向间隙对系统有何影响？如何处理？参考答案：如果滚珠螺旋副中有轴向间隙或在载荷作用下滚珠与滚道接触处有弹性变形，则当螺杆反向转动时，将产生空回误差。为了消除空回误差，在螺杆上装配两个螺母1和2，调整两个螺母的轴向位置，

13、使两个螺母中的滚珠在承受载荷之前就以一定的压力分别压向螺杆螺纹滚道相反的侧面，使其产生一定的变形，从而消除了轴向间隙，也提高了轴向刚度。常用的调整预紧方法有下列三种。垫片调隙式螺纹调隙式齿差调隙式。3、机电一体化系统中的计算机接口电路通常使用光电藕合器，光电藕合器的作用有哪些？参考答案：（1）能保护系统元件不受高共模电压的损害，防止高压对低压信号系统的损坏。（2）泄漏电流低，对于测量放大器的输入端无须提供偏流返回通路。（3）共模抑制比高，能对直流和低频信号(电压或电流)进行准确、安全的测量。利用光电耦合方式实现载波调制，可获得10kHz带宽，但其隔离性能不如变压器耦合。六、综合应用题 (每小题

14、10分，共20分)1.编写程序：单片机读P1.0的状态,把这个状态传到P1.7指示灯去，当P1.0为高电平时指示灯亮,低电平时指示灯不亮,采用中断完成这一输入输出过程，每中断一次完成一个读写过程。参考答案：2. 光栅传感器，刻线数为100线/mm，设细分时测得莫尔条纹数为400，试计算光栅位移是多少毫米？若经四倍细分后，记数脉冲仍为400，则光栅此时的位移是多少？测量分辨率是多少？参考答案：光栅此时的位移：细分前4mm, 细分后1mm 测量分辨率: 细分前0.01 mm/线细分后:0.025。作业3一、名词解释 (每小题2分，共10分)1.机电一体化从系统的观点出发，在系统工程基础_上有机地加

15、以综合，以实现整个，出发将机械技术.微电子技术、信息技术、控制技术等。2.自动控制由控制装置自动进行操作的控制。;系统最佳化的一门新科学技术。3.开环控制系统无反馈的控制系统。4.逆变器把固定的直流电变成固定或可调的交流电的DC/AC变流器。5. PWM通过调节脉冲的宽度改变负载电压平均值的脉宽调制斩波器。二、判断题 (每空1分，共10分)1. 直线运动导轨是用来支承和引导运动部件按给定的方向作往复直线运动。（）2. 滚珠丝杆不能自锁。（）3. D/A转换的方式可分为并行转换的串行转换方式。（）4. 同步通信是以字符为传输信息单位。（）5. 异步通信常用于并行通道。（）6. 查询I/O方式常用

16、于中断控制中。（）7. 串行通信可以分为以下四种方式：1）全双工方式；（）2）半双工方式；（）3）同步通信；（）4）异步通信。（）三、填空题：(每空1分，共40分)1. 从控制角度讲，机电一体化可分为（开环）控制系统和（闭环）控制系统。2. 在机电一体化中传感器输出电信号的参量形式可以分为:（电压输出）；电流输出；（频率输出）三种形式。3. 多点接地：优点：（互不干扰），缺点：（接线多、复杂）。4. 一般来说，伺服系统的基本组成为（控制器）、（功率放大器）、（执行机构）和（检测装置）等四大部分组成。5. 在SPWM变频调速系统中，通常载波是（等腰三角波），而调制波是（正弦波）。6.从电路上隔离

17、干扰的三种常用方法是:（光电）隔离，（变压器）隔离，（继电器）隔离。7.开环步进电动机控制系统，主要由（环形分配器）、（功率放大器）和（步进电动机）等组成。8.实现步进电动机通电环形分配的三种常用方法是：1）（），2）（），3）（）。9. 产生电磁干扰必备的三个条件是：（干扰源），（传播途径），（接收载体）。10.干扰传播途径有二种方式：1）传导耦合方式：干扰信号能量以（电压）或（电流）的形式，通过金属导体传递。2）幅射耦合方式：干扰信号能量以（电磁场）的形式，通过空间感应传递。11. 指出下列干扰哪几种属于传导耦合方式：（C.漏电干扰）, （D.共阻抗感应干扰）;哪几种属于幅射耦合方式：（A

18、.静电干扰）,（B.磁场干扰）, （E.电磁辐射干扰。）。A.静电干扰 B.磁场干扰 C.漏电干扰 D.共阻抗感应干扰 E.电磁辐射干扰。12.磁场屏蔽-对高频交变磁场应采用（铜和铝等导电性能好）的金属材料作屏蔽体；对低频交变磁场应采用（铁等高导磁率）的材料作屏蔽体，并保证磁路畅通。13.一点接地中：1）串联接地：优点：（最简单），缺点：（前后互不干扰），2）并联接地：优点：（干扰小），缺点：（接线多，复杂），仅适用于（低频）电路。四、解答题 (每小题5分，共40分)1一个典型的机电一体化系统，应包含哪些几个基本要素？参考答案：（1）机械本体（2）动力与驱动部分（3）执行机构（4）传感测试部分

19、（5）控制及信息处理部分2斜齿轮传动机构中消除齿侧隙的常用方法？参考答案：（1）垫片调整法（2）轴向压簧调整法3、简述直流伺服电动机两种主要控制方式的工作原理。参考答案：一种是电驱电压控制即在灾F做场不变的情况下，通过控制施加在电绕组两歹头端的电压信号:来控制电动机的转速和输出转矩；另一种是励磁磁场控制即通过改变励磁电流的大小来改变定子磁场的强度，从而控制电动机的转速和输出转矩。4. 在微机控制系统中，主机和外围设备间所交换的信息通常分为哪三类？参考答案：（1）数据信息（2）状态信息（3）控制信息5数据信息可分为哪几种？参考答案：（1）数字量（2）模拟量（3）开关量（4）脉冲量6DAC0832

20、有哪三种输入工作方式？有哪二种输出工作方式？参考答案：（1）直通方式（2）单缓冲方式（3）双缓冲方式（4）单极性输出（5）双极性输出7.步进电动机控制系统中，电动机通过丝杠螺母带动执行部件运动:已知：步距角，脉冲数 N ，频率 f ，丝杠导程 p ，试求执行部件:位移量 L= ? 移动速度 V=?参考答案：L=(p/360)N ; V=(0p/360)f8.有一变化量为0 16V的模拟信号，采用4位A/D转换器转换成数字量，输入到微机控制系统中，试求其量化单位q？，量化误差最大值emax？参考答案：量化单位q=IV，量化误差最大值 emax=o.5v。作业4一、名词解释（每题2分共10分）1、

21、机电一体化机电一体化技术综合应用了机械技术、微电子技术、信息处理技术、自动控制技术、检测技术、电力电子技术、接口技术及系统总体技术等群体技术，实现多种技术功能复合的最佳功能价值的系统工程技术。2、柔性制造系统柔性制造系统(Flexible Manufacturing System)是由两台或两台以上加工中心或数控机床组成，并在加工自动化的基础上实现物料流和信息流的自动化。3、静态设计是指依据系统的功能要求，通过研究制定出机械系统的初步设计方案。4、系统软件系统软件是由计算机的制造厂商提供的，用来管理计算机本身的资源和方便用户使用计算机的软件。5、感应同步器感应同步器是一种应用电磁感应原理制造的

22、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角。二、填空题（每空分，共3分）1、对伺服系统的技术要求是（系统精度）、（稳定性）、（响应特性）、（工作频率）。2、机电一体化的机械系统设计主要包括两个环节：（静态设计）、（动态设计）。3、计算机控制系统的类型包括（分级计算机控制系统）、（直接数字控制系统）、监督控制系统、（操作指导控制系统）。4、拟定机电一体化系统（产品）设计方案的方法通常有（取代法）、（整体设计法）、（组合法）。5、接口的基本功能主要有（数据格式转换）、放大、（通信联络）。6、对直线导轨副的基本要求是（导向精度高）、（耐磨性好）、（足够的刚度）、（对温度变化的不敏

23、感性）和平稳。7机电一体化机械系统应具有良好的侍服性能，要求机械传动部件转动惯量小、阻力合理（刚度大）、（抗振性好）、（间隙小）、并满足小型、轻量等要求。8、伺服系统的基本组成包括（控制器）、（执行环节）、（比较环节）、检测装置、（被控对象）。9、工作接地分为（一点接地）、（多点接地）。10、STD总线的技术特点（模块化设计）、（系统组成）、（修改和扩展方便）、高可靠性。三、简答题（每小题5分，共20分）1. FMC的基本控制功能。参考答案： （1）单元中各加工设备的任务管理与调度，其中包括制定单元作业计划、计划的管理与调度、设备和单元运行状态的登录与上报。（2）单元内物流设备的管理与调度，这

24、些设备包括传送带、有轨或无轨物料运输车、机器人、托盘系统、工件装卸站等。（3）刀具系统的管理，包括向车间控制器和刀具预调仪提出刀具请求、将刀具分发至需要它的机床等。2. PWM脉宽调速原理。参考答案：图中的开关S周期性地开关，在一个周期T内闭合的时间为t，则一个外加的固定直流电压U被按一定的频率开闭的开关S加到电动机的电枢上，电枢上的电压波形将是一列方波信号，其高度为U、宽度为，如右图所示。电枢两端的平均电压为：Ud=1T0TUdt=TU=U式中=T=UdU,01 为导通率（或称占空率）。当T不变时，只要改变导通时间，就可以改变电枢两端的平均电压Ud。当从0-T改变时，Ud由零连续增大到U。3

25、. 简述直流伺服电机两种控制的基本原理。参考答案：直流伺服电动机的控制方式主要有两种：一种是电枢电压控制，即在定子磁场不变的情况下，通过控制施加在电枢绕组两端的电压信号来控制电动机的转速和输出转矩；另一种是励磁磁场控制，即通过改变励磁电流的大小来改变定子磁场强度，从而控制电动机的转速和输出转矩。采用电枢电压控制方式时，由于定子磁场保持不变，其电枢电流可以达到额定值，相应的输出转矩也可以达到额定值，因而这种方式又被称为恒转矩调速方式。而采用励磁磁场控制方式时，由于电动机在额定运行条件下磁场已接近饱和，因而只能通过减弱磁场的方法来改变电动机的转速。由于电枢电流不允许超过额定值，因而随着磁场的减弱，

26、电动机转速增加，但输出转矩下降，输出功率保持不变，所以这种方式又被称为恒功率调速方式。4. 控制系统接地通的目的。参考答案：将电路、设备机壳等与作为零电位的一个公共参考点(大地)实现低阻抗的连接，称之谓接地。接地的目的有两个：一是为了安全，例如把电子设备的机壳、机座等与大地相接，当设备中存在漏电时，不致影响人身安全，称为安全接地：二是为了给系统提供一个基准电位，例如脉冲数字电路的零电位点等，或为了抑制干扰，如屏蔽接地等。称为工作接地。工作接地包括一点接地和多点接地两种方式。四、分析题（每小题20分，共40分)1. 半桥逆变电路的工作原理。参考答案：半桥逆变电路原理如左图所示，它有两个导电臂，每

27、个导电臂由一个可控元件和一个反并联二极管组成。在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容，使得两个电容的联结点为直流电源的中点。设电力晶体管V1和V2基极型号在一个周期内有半周正偏和反偏，且二者互补。当负载为感性时，其工作波形如右图所示。输出电压波形为矩形波，其幅值为Um=Ud/2，输出电流i0波形随负载阻抗而异。设t2时刻以前V1导通。T2时刻给V1关断信号，给V2导通信号，但感性负载中的电流i0不能立刻改变方向，于是VD2导通续流。当t3时刻i0降至零时VD2截止，V2导通，i0开始反向。同样，在t4时刻给V2关断信号，给V1导通信号后，V2关断，VD1先导通续流，t5时刻V1才导通。当V1或

28、V2导通时，负载电流和电压同方向，直流侧向负载提供能量；而当VD1或VD2导通时，负载电流和电压反方向，负载中电感的能量向直流侧反馈，即负载将其吸收的无功能量反馈回到直流侧。反馈回的能量占时储存在直流侧电容中，直流侧电容起到缓冲这种无功能量的作用。二极管VD1、VD2是负载向直流侧反馈能量的通道，同时起到使负载电流连续的作用，VD1、VD2被称为反馈二极管或续流二极管。2. 分析下图中传动大负载时消除齿侧齿侧间隙的原理1、6小齿轮 2、5大齿轮 3齿轮 4预载装置 7齿条 当传动负载大时，可采用双齿轮调整法。如图所示，小齿轮1、6分别与齿条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，使大齿轮2、5同时向两个相反方向转动，从而带动小齿轮1、6转动，其齿便分别紧贴在齿条7上齿槽的左、右侧，消除了齿侧间隙。