机电一体化系统设计基础作业、、、参考答案

《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。（×）

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2~3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6~10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ξ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。（√）

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．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（B ）kg·mm2。

A．48.5 B．97

C．4.85 D．9.7

4．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。A

A．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 )。 B

A.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？

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，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。

① 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。

② 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。

③ 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J m =4×10-4kg ·m 3，与电机输出轴相连的小齿轮的转动惯量J 1=1×10-4kg ·m 3

，大齿轮的转动惯量J 2=1.8×10-4kg ·m 3，丝杠的转动惯量J s =3.8×10-4kg ·m 3。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J G ；

（2）传动件折算到电机轴的等效转动惯量J e ；

（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/2π）2=50*1000*(0.005/2/3/14) 2

=0.03166 ( kg ·m 3) (2) J e =( J 2+J s +J G )/i 2=（1.8×10-4+3.8×10-4+316.6×10-4）/52= 12.88×10-4 ( kg ·m 3 )

工作台 丝杠 滚珠螺母

齿轮减速器 联轴器 i =5

(3)J= J1+ J e=1×10-4 +12.88×10-4=13.88 (kg·m3)

2.已知某四级齿轮传动系统，各齿轮的转角误差为Δφ1=Δφ2=…=Δφ8=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Δφmax。

解：Δφmax=Δφ1/( i1* i2* i3* i4)+ (Δφ2+Δφ3)/ (i2* i3* i4)+ (Δφ4+Δφ5)/ (i3* i4)+ (Δφ6+Δφ7/ (i4)+ Δφ8=

=0.01/34+ 0.02/33+0.02/32+0.02/3+0.01

=0.01975 （弧度）

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，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

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 ）。

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。

A．1 B．2 C．3 D．4

6．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。

伺服系统组成框图

（1）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U ，可以调节导通时间得到一定宽度的与U 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a U ，使直流电动机平滑调速。

4．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*2π//10=60π （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l 0=6mm 。已知传动系统的横向(x 向)脉冲当量δ为0.005mm/脉冲。试求：

（1）步进电机的步距角α； （2）减速齿轮的传动比i 。

解：（1）K=3相，N=3拍，z=100

功

放 电机

滚珠丝杠

工作台 i

图 电机驱动工作台示意图

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