機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課后答案（現(xiàn)代科技）

1、目 錄機(jī)電一體化技術(shù)第 1 章習(xí)題-參考答案 . 11-1 試說明較為人們接受的機(jī)電一體化的含義。 . 11-4 何謂機(jī)電一體化技術(shù)革命？ . 11-7.機(jī)電一體化系統(tǒng)有哪些基本要素組成？分別實(shí)現(xiàn)哪些功能？. 11-8.工業(yè)三大要素指的是什么？ . 11-12.機(jī)電一體化系統(tǒng)的接口功能有哪兩種？ . 11-16.什么是機(jī)電互補(bǔ)法、融合法、組合法？ . 1機(jī)電一體化技術(shù)第 2 章習(xí)題-參考答案 . 22-1 設(shè)計(jì)機(jī)械傳動部件時(shí)，為確保機(jī)械系統(tǒng)的傳動精度和工作穩(wěn)定性，常常提出哪些要求？ . 22-2 機(jī)電一體化系統(tǒng)傳動機(jī)構(gòu)的作用是什么？ . 22-3 機(jī)電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）對傳動機(jī)構(gòu)的基本要求是什

2、么？. 22-10 現(xiàn)有一雙螺母齒差調(diào)整預(yù)緊式滾珠絲杠，其基本導(dǎo)程0=6mm、一端的齒輪齒數(shù)為 100、另一端的齒輪齒數(shù)為 98，當(dāng)其一端的外齒輪相對另一端的外齒輪轉(zhuǎn)過 2個(gè)齒時(shí)，試問：兩個(gè)螺母之間相對移動了多大距離？. 2216 各級傳動比的分配原則是什么？輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則是什么？ . 2217 已知：4 級齒輪傳動系統(tǒng)，各齒輪的轉(zhuǎn)角誤差為1=2=3=0.005 rad,各級減速比相同，即 1=2=4=1.5。求：該傳動系統(tǒng)的最大轉(zhuǎn)角誤差max; 為縮小max，應(yīng)采取何種措施？. 2218 諧波齒輪傳動有何特點(diǎn)？傳動比的計(jì)算方法是什么？ . 32-19.設(shè)有一諧波齒輪減速器,其減速比為

3、 100，柔輪齒數(shù)為 100.當(dāng)剛輪固定時(shí),試求該諧波減速器的剛輪齒數(shù)及輸出軸的轉(zhuǎn)動方向(與輸入軸的轉(zhuǎn)向相比較). 32-20.齒輪傳動的齒側(cè)間隙的調(diào)整方法有哪些? . 32-25.軸系部件設(shè)計(jì)的基本要求有哪些？ . 4機(jī)電一體化技術(shù)第 3 章參考答案 . 53-1 簡述機(jī)電一體化系統(tǒng)執(zhí)行元件的分類及特點(diǎn)。 . 5I3-2 機(jī)電一體化系統(tǒng)對執(zhí)行元件的基本要求是什么？ . 53-3 簡述控制用電動機(jī)的功率密度及比功率的定義。 . 535 直流伺服電機(jī)控制方式的基本形式是什么？ . 53-6 簡述 PWM 直流驅(qū)動調(diào)速，換向的工作原理。 . 6步進(jìn)電機(jī)具有哪些特點(diǎn)？ . 6簡述步進(jìn)電機(jī)三相單三拍的

4、工作原理？ . 63-11 簡述步進(jìn)電機(jī)步距角大小的計(jì)算方法？ . 73-12簡述三相步進(jìn)電機(jī)的環(huán)形分配方式？ . 7簡述步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電源的功率放大電路原理. . 7機(jī)電一體化技術(shù)第 4 章參考答案 . 9試說明 CPU、MC 和 MCS 之關(guān)系。 . 94-3、在設(shè)計(jì)微機(jī)控制系統(tǒng)中首先會遇到的問題是什么？ . 94-17 試說明光電耦合器的光電隔離原理。 . 94-20 試說明檢測傳感器的微機(jī)接口基本方式。 . 9機(jī)電一體化技術(shù)第 5 章參考答案 . 115-2 簡述采樣定理？ . 115-3 簡述數(shù)字控制系統(tǒng) A/D 轉(zhuǎn)換過程。. 115-5 簡述多輸入多輸出系統(tǒng)的靜力學(xué)方程。 . 115

5、-6 簡述兩自由度機(jī)器人逆動力學(xué)方程。 . 12機(jī)電一體化技術(shù)第 7 章參考答案 . 137-3 機(jī)電一體化系統(tǒng)中的典型負(fù)載有哪些？說明以下公式的含義：. 137-4 設(shè)有一工作臺 x 軸驅(qū)動系統(tǒng)，已知參數(shù)為下表中所列，已知 mA=400 ，Ph=5mm,Fl 水平=800N，F(xiàn)l 垂直=600N，工作臺與導(dǎo)軌間為滑動摩擦，其摩擦系數(shù)為0.2，試求轉(zhuǎn)換到電動機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量和等效轉(zhuǎn)矩。 . 137-5.簡述機(jī)電一體化系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建立過程。比例環(huán)節(jié)（P）、積分環(huán)節(jié)(I)、比例-積分環(huán)節(jié)(PI)和比例-積分-微分調(diào)節(jié)(PID)各有何優(yōu)缺點(diǎn)？ . 147-8 何謂機(jī)電一體化系統(tǒng)的“可靠性”？

6、. 17II機(jī)電一體化技術(shù)第 1 章習(xí)題-參考答案1-1 試說明較為人們接受的機(jī)電一體化的含義。答：機(jī)電一體化乃是在機(jī)械的主功能、動力功能、信息功能和控制功能上引進(jìn)微電子技術(shù)，并將機(jī)械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機(jī)結(jié)合而構(gòu)成系統(tǒng)的總稱。1-4 何謂機(jī)電一體化技術(shù)革命？答：將微型計(jì)算機(jī)等微電子技術(shù)用于機(jī)械并給機(jī)械以“智能”的技術(shù)革新潮流可稱“機(jī)電一體化技術(shù)革命”。1-7.機(jī)電一體化系統(tǒng)有哪些基本要素組成？分別實(shí)現(xiàn)哪些功能？答：機(jī)電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）要素控制器（計(jì)算機(jī)等）檢測傳感器執(zhí)行元件動力源機(jī)構(gòu)功能控制（信息存儲、處理、傳送）計(jì)測（信息收集與變換）驅(qū)動（操作）提供動力（能量）構(gòu)造1-8.工業(yè)三大

7、要素指的是什么？答：物質(zhì)、能量、信息。1-12.機(jī)電一體化系統(tǒng)的接口功能有哪兩種？答：一種是變換、調(diào)整;另一種是輸入/輸出。1-16.什么是機(jī)電互補(bǔ)法、融合法、組合法？答：機(jī)電互補(bǔ)法又稱取代法。該方法的特點(diǎn)是利用通用或?qū)Ｓ秒娮硬考〈鷤鹘y(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品（系統(tǒng)）中的復(fù)雜機(jī)械功能部件或功能子系統(tǒng)，以彌補(bǔ)其不足。融合法它是將各組成要素有機(jī)結(jié)合為一體構(gòu)成專用或通用的功能部件（子系統(tǒng)），其要素之間機(jī)電參數(shù)的有機(jī)匹配比較充分。組合法它是將結(jié)合法制成的專用或通用功能部件（子系統(tǒng)）、功能模塊，像積木那樣組合成各種機(jī)電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品），故稱組合法。1機(jī)電一體化技術(shù)第 2 章習(xí)題-參考答案2-1 設(shè)計(jì)機(jī)械傳動部件時(shí)，

8、為確保機(jī)械系統(tǒng)的傳動精度和工作穩(wěn)定性，常常提出哪些要求？答：常提出低摩擦、無間隙、低慣量、高剛度、高諧振頻率、適當(dāng)?shù)淖枘岜鹊取?-2 機(jī)電一體化系統(tǒng)傳動機(jī)構(gòu)的作用是什么？答：傳遞轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。2-3 機(jī)電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）對傳動機(jī)構(gòu)的基本要求是什么？答：精密化，高速化，小型、輕量化。2-10 現(xiàn)有一雙螺母齒差調(diào)整預(yù)緊式滾珠絲杠，其基本導(dǎo)程0=6mm、一端的齒輪齒數(shù)為 100、另一端的齒輪齒數(shù)為 98，當(dāng)其一端的外齒輪相對另一端的外齒輪轉(zhuǎn)過 2 個(gè)齒時(shí)，試問：兩個(gè)螺母之間相對移動了多大距離？答：Z1 =100，Z2 =98，S=(2/Z1)* 0=0.02*6 mm=0.12 mm。216 各級傳

9、動比的分配原則是什么？輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則是什么？答：（1）各級傳動比的分配原則是：lll重量最輕原則輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則等效轉(zhuǎn)動慣量最小原則（2）輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則是：為提高機(jī)電一體化系統(tǒng)齒輪傳動的精度，各級傳動比應(yīng)按先小后大的原則分配，以便降低齒輪的加工誤差、安裝誤差以及回轉(zhuǎn)誤差對輸出轉(zhuǎn)角精度的影響?？傓D(zhuǎn)角誤差主要取決于最未一級齒輪的轉(zhuǎn)角誤差和轉(zhuǎn)動比的大小，在設(shè)計(jì)中最未兩級傳動比應(yīng)取大一些，并盡量提高最未一級齒輪的加工精度。217已知：4 級齒輪傳動系統(tǒng)，各齒輪的轉(zhuǎn)角誤差為1=2=3=0.005 rad,各級減速比相同，即1=2=4=1.5。求：該傳動系統(tǒng)的最大轉(zhuǎn)角誤差max; 為

10、縮小max，應(yīng)采取何種措施？解：（1）max=i i 2i 3i 4 i 3i 4 i 4+ + +84 3 2=0.00099+0.00296+0.00444+0.00667+0.005=0.02006rad2Df 1 Df 2 + Df 3 Df 4 + Df 5 Df 6 + Df 7=0.005/1.5 +0.01/1.5 +0.01/1.5 +0.01/1.5+0.005=1.1499o（1） 總轉(zhuǎn)角誤差主要取決于最未一級齒輪的轉(zhuǎn)角誤差和傳動比的大小，所以，為縮小max，在設(shè)計(jì)中最未兩級的傳動比應(yīng)取大一些，盡量提高最未一級輪副的加工精度。218 諧波齒輪傳動有何特點(diǎn)？傳動比的計(jì)算方法

11、是什么？答：（1）諧波齒輪傳動特點(diǎn)有：結(jié)構(gòu)簡單、傳動比大、傳動精度高、回程誤差小、噪聲低、傳動平穩(wěn)、承載能力強(qiáng)、效率高等特點(diǎn)。諧波齒輪傳動的波發(fā)生器相當(dāng)于行星輪系的轉(zhuǎn)臂，柔輪相當(dāng)于行星輪，剛輪則相當(dāng)于中心輪。故諧波齒輪傳動裝置的傳動比可以應(yīng)用行星輪系求傳動比的方式來計(jì)算。設(shè)wg、wr、wH分別為剛輪、柔輪和波形發(fā)生器的角速度，則irgH =wr - wH Z g=wg - wH Z r。H-wH Z g=wg - wH Z rwg Z r Z g - Z r= 1 - =wH Z g Z giHg =wH Z g=wg Z g - Z r當(dāng)剛性輪固定時(shí)，wr - wH Z g=0 - wH Z

12、 r1 -wr Z g=wH Z riHr =wg Z r - Z g2-19.設(shè)有一諧波齒輪減速器,其減速比為 100，柔輪齒數(shù)為 99 當(dāng)剛輪固定時(shí),試求該諧波減速器的剛輪齒數(shù)及輸出軸的轉(zhuǎn)動方向(與輸入軸的轉(zhuǎn)向相比較)答：根據(jù)公式:iHr=Zr/(zr-zg)可知:當(dāng) iHr=100 時(shí),Zg=99,（但一般剛輪齒數(shù)比柔輪齒數(shù)多，所以舍去）當(dāng) iHr=-100 時(shí),Zg=101;故該諧波減速器的剛輪齒數(shù)為 101,（柔輪）輸出軸方向與（波發(fā)生器）輸入軸轉(zhuǎn)向相反。(提示：一般來說，剛輪僅比柔輪多幾個(gè)齒；剛輪固定時(shí)，柔輪與輸出軸固聯(lián)；柔輪固定時(shí)，剛輪與輸出軸固聯(lián)，兩種情況下，波發(fā)生器均與輸入軸

13、固聯(lián))2-20.齒輪傳動的齒側(cè)間隙的調(diào)整方法有哪些?答(1)圓柱齒輪傳動:1 偏心套(軸)調(diào)整法;2 軸向墊片調(diào)整法;3 雙片薄齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法。(2)斜齒輪傳動:錯(cuò)齒調(diào)整法,用兩個(gè)薄片齒輪與一個(gè)寬齒輪嚙合,只是在兩個(gè)薄片斜齒輪的中間隔開了一小段距離,這樣它的螺旋線便錯(cuò)開了。（3）錐齒輪采用彈簧調(diào)整方式。3當(dāng)柔性輪固定時(shí)， irg =2-25.軸系部件設(shè)計(jì)的基本要求有哪些？答：旋轉(zhuǎn)精度剛度抗震性熱變形軸上零件的布置4機(jī)電一體化技術(shù)第 3 章參考答案3-1 簡述機(jī)電一體化系統(tǒng)執(zhí)行元件的分類及特點(diǎn)。答:3-2 機(jī)電一體化系統(tǒng)對執(zhí)行元件的基本要求是什么？答: 1 慣量小、動力大3 便于維修、安裝2 體

14、積小、重量輕4 易于微機(jī)控制3-3 簡述控制用電動機(jī)的功率密度及比功率的定義。2其中 Tn-電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩，N*MJm電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量,kg*m235 直流伺服電機(jī)控制方式的基本形式是什么？答: 直流伺服電機(jī)為直流供電，為調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向，需要對其直流電壓的大小和方向進(jìn)行控制。目前常用晶體管脈寬調(diào)理驅(qū)動和晶閘管直流調(diào)速驅(qū)動兩種方式。晶閘管直流驅(qū)動方式，主要通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置控制晶閘管的觸發(fā)延遲角（控制電壓的大?。﹣硪苿佑|發(fā)脈沖的相位，從而改變整流電壓的大小，使直流電動機(jī)電樞電壓的變化易于平滑調(diào)速。脈寬調(diào)制（PWM）直流調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)當(dāng)輸入一個(gè)直流控制電壓 U 時(shí)，就可得到一定寬度與 U

15、成比例的脈沖方波給伺服電機(jī)電樞回路供電，通過改變脈沖寬度來改變電樞回路的平均電壓，從而得到不同電壓的電壓值 Ua ，使直流電動機(jī)平滑調(diào)速。5種類特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)電動式可使用商用電源；信號與動力的傳動方向相同；有交流和直流之別，應(yīng)注意電壓之大小操作簡便；編程容易；能實(shí)現(xiàn)定位伺服；響應(yīng)快、能與CPU相接；體積小、動力較大；無污染瞬時(shí)輸出功率大；過載能力差，特別是由于某種原因而卡住是，會引起燒毀事故，易受外部噪聲影響氣動式空氣壓力源的壓力為5（ 5-7 ） 10 Pa ； 要 求操作人員技術(shù)熟練氣源方便、成本低；無泄漏污染速度快、操作比較簡單功率小，體積大，動作不夠平穩(wěn)，不易小型化，遠(yuǎn)距離傳輸困難，工作

16、噪聲大，難于伺服液動式要求操作人員技術(shù)熟練 ； 液 壓 源 壓 力 （ 20-580）10 Pa輸出功率大，速度快，動作平穩(wěn)，可實(shí)現(xiàn)定位伺服；易于 CPU 相接；響應(yīng)快設(shè)備難于小型化，液壓源或液壓油要求（雜質(zhì)、溫度、油量、質(zhì)量）嚴(yán)格；易泄露且有污染答:電動機(jī)的功率密度 PG=P/G.電動機(jī)的比功率 dp/dt=d(Tw)/dt=Ts/dt|t=tn=Tn /Jm3-6 簡述 PWM 直流驅(qū)動調(diào)速，換向的工作原理。答：通過電源的通斷來獲得電壓脈沖信號，控制通斷的時(shí)間比來獲得不同的電壓脈沖，通的時(shí)間越長，獲得的平均電壓越大，電機(jī)轉(zhuǎn)的就快，反之，電機(jī)轉(zhuǎn)的就慢。電機(jī)的換向是通過橋式電路來實(shí)現(xiàn)的，它是由

17、四個(gè)大功率的晶體管組成，通過在不同晶體管的基極加正負(fù)脈沖從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制。為使其實(shí)現(xiàn)雙向調(diào)速，多采用橋式電路，其工作原理與線性放大橋式電路相似。電橋由四個(gè)大功率的晶體管組成。分別記作 1.2.3.4.如果在 1和 3 的基極上加以正脈沖的同時(shí)，在 2 和 4 的基級上加以負(fù)脈沖，這時(shí) 1 和 3 導(dǎo)通，2 和 4 導(dǎo)通。設(shè)此時(shí)的電動機(jī)轉(zhuǎn)向?yàn)檎?；反之，則為負(fù)。電流的方向與前一情況相反，電動機(jī)轉(zhuǎn)向，顯然，如果改變加到 1 和 3，2 和 4這兩組管子基極上控制脈沖的正負(fù)和導(dǎo)通率就可以改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。步進(jìn)電機(jī)具有哪些特點(diǎn)？答：1 步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)不易受各種干擾因素（如電源電壓的波動、

18、電流的大小與波形的變化、溫度等）的影響，只要在他們的大小引起步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生“丟步”的現(xiàn)象之前，就不影響其正常工作；2 步進(jìn)電機(jī)的步距角有誤差，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定步數(shù)以后也會出現(xiàn)累計(jì)誤差，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)以后，其累計(jì)誤差變?yōu)椤傲恪保虼瞬粫L期累積；3 控制性能好，在起動、停止、反轉(zhuǎn)時(shí)不易“丟步”因此，步進(jìn)電機(jī)廣泛應(yīng)用于開環(huán)控制的機(jī)電一體化系統(tǒng)，使系統(tǒng)簡化，并可靠地獲得較高的位置精度。簡述步進(jìn)電機(jī)三相單三拍的工作原理？答：如教材圖例所示：如果先將電脈沖加到 A 相勵(lì)磁繞組，定子 A 相磁極就產(chǎn)生磁通，并對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生磁拉力，使轉(zhuǎn)子的 1 3 兩個(gè)齒與定子的 A 相磁極對齊，而后再將電脈沖通入B 相磁繞組，B

19、相磁極便產(chǎn)生磁通，這時(shí)轉(zhuǎn)子 2 4 兩個(gè)齒與 B 相磁極靠的最近，于是轉(zhuǎn)子便沿著逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)過 30 度角，使轉(zhuǎn)子 2 4 兩個(gè)齒與定子 B 相磁極對齊。如果按照 ACBA的順序通電，步進(jìn)電機(jī)講沿順時(shí)針方向一步步地轉(zhuǎn)動。63-11 簡述步進(jìn)電機(jī)步距角大小的計(jì)算方法？答： a=360/（K*M）式中：Z=轉(zhuǎn)子齒數(shù)。M=運(yùn)行拍數(shù)。通常等于相數(shù)或相數(shù)整數(shù)倍，即 M=K*N （N 為電動機(jī)的相數(shù)，單拍是 K=1，雙拍時(shí) K=2）。3-12 簡述三相步進(jìn)電機(jī)的環(huán)形分配方式？答：1.采用計(jì)算機(jī)軟件，利用查表式計(jì)算方法來進(jìn)行脈沖的環(huán)形分配，簡稱軟環(huán)分。2.采用小規(guī)模集成電路搭接而成的脈沖分配器。3.采用專用

20、環(huán)形分配器件。簡述步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電源的功率放大電路原理.答：單電壓功率放大電路如圖所示 ABC 分別為步進(jìn)電機(jī)的三相，每一項(xiàng)由一組放大器驅(qū)動。沒有脈沖輸入時(shí) 3DK4 和3DD15 功率晶體管截止，繞組中無電流通過，電機(jī)不轉(zhuǎn)。當(dāng) A 相得電時(shí)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動一步，當(dāng)脈沖依次加到 ABC 三個(gè)輸入端時(shí)，三組放大器分別驅(qū)動不同的繞組，是電機(jī)一步一步的轉(zhuǎn)動。電路終于繞組并聯(lián)的二極管 VD 其續(xù)流作用記在功率截至?xí)r，是儲存在繞組中的能量通過二級管形成續(xù)流回路泄放，從而保護(hù)功放管。高低壓功串放大電路（一）無脈沖輸入時(shí)，VT1、VT2、VT3、VT4 均截止，電動機(jī)繞組 W 無電流通過，電動機(jī)不轉(zhuǎn)。有脈沖通過

21、時(shí)，VT1、VT2、VT3、VT4 飽和導(dǎo)通，在 vt2 有截止到飽和期間，其集電極電流，迅速上升。當(dāng) vt2 進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后 t1 一次測電流暫時(shí)恒定，無磁通變化二次側(cè)的感應(yīng)電壓為零，vt3 截止。12v 低電壓經(jīng) vd1 加到電動機(jī)繞組我 w 上并維持繞組中的電流。輸入結(jié)束后vt1、vt2、vt3、vt4 又都截止，儲存在 w 中的能量通過 18 歐姆的電阻和 vd2 放電，電阻的作用時(shí)間小放電回路的時(shí)間常數(shù)，改善電流波形的后沿。78機(jī)電一體化技術(shù)第 4 章參考答案試說明 CPU、MC 和 MCS 之關(guān)系。答：微處理機(jī)簡稱 CPU，它是一個(gè)大規(guī)模集成電路器件或超大規(guī)模集成電路器件，器件中有數(shù)據(jù)

22、有數(shù)據(jù)通道、多個(gè)寄存器、控制邏輯和運(yùn)算邏輯部件，有的器件還含有時(shí)鐘電路，為器件工作提供定時(shí)信號。微型計(jì)算機(jī)簡稱 MC。它是以微處理機(jī)為中心，加上只讀存儲器，隨機(jī)存取存儲器，輸入|輸出接口電路、系統(tǒng)總線及其他支持邏輯電路組成的計(jì)算機(jī)。上述微處理機(jī)、微型計(jì)算機(jī)都是從硬件角度定義的，而計(jì)算機(jī)的使用離不開軟件支持。一般將配有系統(tǒng)軟件、外圍設(shè)備、系統(tǒng)總線接口的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，簡稱 MCS。4-3、在設(shè)計(jì)微機(jī)控制系統(tǒng)中首先會遇到的問題是什么？答： 在設(shè)計(jì)微機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)，首先會遇到專用與通用的抉擇和硬件與軟件的權(quán)衡問題。4-17 試說明光電耦合器的光電隔離原理。答:光電隔離電路主要由光電耦合器的光電轉(zhuǎn)換元件

23、組成，如下圖所示.控制輸出時(shí)，從上圖 a可知，微機(jī)輸出的控制信號經(jīng) 74LS04 非門反相后，加到光電耦合器 G 的發(fā)光二極管正端。當(dāng)控制信號為高電平時(shí)，經(jīng)反相后，加到發(fā)光二極管正端的電平為低電平，因此，發(fā)光二極管不導(dǎo)通，沒有光發(fā)出。這時(shí)光敏晶體管截止，輸出信號幾乎等于加在光敏晶體管集電極上的電源電壓。當(dāng)控制信號為低電平時(shí)，發(fā)光二極管導(dǎo)通并發(fā)光，光敏晶體管接收發(fā)光二極管發(fā)出的光而導(dǎo)通，于是輸出端的電平幾乎等于零。同樣的道理，可將光電耦合器用于信息的輸入，如上圖 b 所示。4-20 試說明檢測傳感器的微機(jī)接口基本方式。答：模擬量接口方式：傳感器輸出信號放大采樣/保持模擬多路開關(guān)A/D 轉(zhuǎn)換I/O

24、 接口微機(jī)開關(guān)量接口方式：開關(guān)型傳感器輸出二值式信號(邏輯 1 或 0) 三態(tài)緩沖器微機(jī)9數(shù)字量接口方式：數(shù)字型傳感器輸出數(shù)字量(二進(jìn)制代碼、BCD 代碼、脈沖序列等)計(jì)數(shù)器三態(tài)緩沖器微機(jī)10機(jī)電一體化技術(shù)第 5 章參考答案5-2 簡述采樣定理？如果是有限帶寬信號，即|時(shí)，E（j）=0。而是 e（t）的理想采樣信號，若采樣頻率,那么一定可以有采樣信號唯一地決定出原始信號e（t）。也就是說，若，則由可以完全地恢復(fù) e（t）。5-3 簡述數(shù)字控制系統(tǒng) A/D 轉(zhuǎn)換過程。模/數(shù)轉(zhuǎn)換裝置每隔 T 秒對輸入的連續(xù)信號 e（t）進(jìn)行一次采樣，采樣信號為 e*（t），如圖 a 所示。該采樣信號是時(shí)間上離散而

25、幅值上連續(xù)的信號，它不能直接進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算，必須經(jīng)量化后成為數(shù)字信號才能為計(jì)算機(jī)所接受。將采樣信號經(jīng)量化后成為數(shù)字信號的過程是一個(gè)近似過程，稱量化過程?，F(xiàn)對量化過程作簡單的說明：將采樣信號 e*（t）的變化范圍分成若干層，每一層都用一個(gè)二進(jìn)制數(shù)碼表示，這些數(shù)碼可表示幅值最接近它字信號。a5-5 簡述多輸入多輸出系統(tǒng)的靜力學(xué)方程。答：設(shè)對微小輸入位移b有微小的輸出位移，則輸入功的總和和輸出功的總和分別為：11的采樣信號。如圖 b 所示，采樣信號 A1 為 1.8V，則量化值 A1 為 2V，用數(shù)字 010 來代表；采樣信號 A2 為 3.2V，則量化值 A2 為 3V，用數(shù)字量 011 代表

26、。這樣就把采樣信號變成了數(shù)其中忽略機(jī)構(gòu)內(nèi)部機(jī)械損失時(shí)，兩式相等。由于個(gè)輸入有相互獨(dú)立，則對第 i用式中表示輸入力（或轉(zhuǎn)矩）時(shí)，寫成力（或轉(zhuǎn)矩）的變換系數(shù)，是 n*m 矩陣。5-6 簡述兩自由度機(jī)器人逆動力學(xué)方程。答：首先利用逆運(yùn)動學(xué)方法將軌跡x(t),y(t)變換成為關(guān)節(jié)運(yùn)動1(t)、2(t)，然后從1 和2 導(dǎo)出計(jì)算關(guān)節(jié)力矩 T1、T2 的計(jì)算公式。由平面幾何學(xué)知識，可得逆運(yùn)動學(xué)解為=式中p=，q=。則逆運(yùn)動學(xué)解可由 Lagrange 公式解出。設(shè)計(jì)器人得負(fù)載只有各臂端部的質(zhì)量，=式中第一項(xiàng)相當(dāng)于慣性項(xiàng)，第二項(xiàng)相當(dāng)于離心力與哥氏力。12*+機(jī)電一體化技術(shù)第 7 章參考答案7-3 機(jī)電一體化系

27、統(tǒng)中的典型負(fù)載有哪些？說明以下公式的含義：kcqm ni =1 i =122答：典型負(fù)載是指慣性負(fù)載、外力負(fù)載、彈性負(fù)載、摩擦負(fù)載（滑動摩擦負(fù)載、粘性摩擦負(fù)載、滾動摩擦負(fù)載等）。對具體系統(tǒng)而言，其負(fù)載可能是以上幾種典型負(fù)載的組合，不一定均包含上述所有負(fù)載項(xiàng)目。第一式表示等效轉(zhuǎn)動慣量。該系統(tǒng)運(yùn)動部件的動能總和為 E =m2 i =1wk2w故 Jkcqm n2i =1 wk i =1 wk 2用工程上常用單位時(shí)，可將上式改寫為 Jkcq=14p 2m=i 12nmi + J j nk i =1 nk 2第二式表示等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩。設(shè)上述系統(tǒng)在時(shí)間 t 內(nèi)克服負(fù)載所作的功德總和為：mnwi =1 j

28、=1jk = wk t 則，執(zhí)行元件所作的功為WK = Teqwk t ，由WK = W 得：m ni =1 j =1v / w w / w12pm ni =1 j =1v / n /7-4 設(shè)有一工作臺 x 軸驅(qū)動系統(tǒng)，已知參數(shù)為下表中所列，已知 mA=400 ，Ph=5mm,Fl 水平=800N，F(xiàn)l 垂直=600N，工作臺與導(dǎo)軌間為滑動摩擦，其摩擦系數(shù)為 0.2，試求轉(zhuǎn)換到電動機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量和等效轉(zhuǎn)矩。答：（1）由公式： Jkcq=14p 22m n mi nk + J j nk 2可得：v1=n 絲*Ph/1000（和轉(zhuǎn)速 n 的單位要統(tǒng)一所以不必算出最終值）Jkeq =1/42

29、ma(v1/nk)2+JG1(nG1/ nk)2+JG2(nG2/ nk)2+JG3(nG3/ nk)2+JG4(nG4/ nk)2+J(n/ nk)2+J(n/13 vi w j J = mi + J j 1 1 n mi iv 2 + 2 =i 1 J j j2設(shè)、等效到元件輸出軸上的總動能為 E =J cq k ，由能量守恒：E =Ek1 k 2 vi w j = mi + J j vi n j W = Fi iv t + T j jt ， 同 理 ， 執(zhí) 行 元 件 輸 出 軸 在 時(shí) 間 t 內(nèi) 的 轉(zhuǎn) 角 為kTeqk = Fi i k + T j j k ，或 Teqk = Fi

30、 i kn + T j j knn v i =1 i i =1 j nk)2+J 絲（n 絲/ nk）2+Jm=0.0508()（2）當(dāng)工作臺向右時(shí)：F=F*u- FL 水平=( FL 垂直+G)*u- FL 水平=（600+400*9.8）*0.2-800=104（N）mnki =1 j =1v / w w / wF*V/nk/ （ 2*pi ） =F* （ n絲*Ph/1000 ） /nk/（2*pi）=104*(180*5/1000)/*720/(2*3.14)= 0.0207（ N*m）。（3）當(dāng)工作臺向左時(shí)：F=( FL 垂直+G)*u+ FL 水平=（600+400*9.8）*0.

31、2+800=1704（N）TK= ( F*V/nk)/(2*pi)=0.339 （N*m）Matlab 程序：n1=720;n2=360;n3=360;n4=180;n11=720;n22=360;ns=180;nd=720;ph=5;pi=3.1415927;j1=.01;j2=.016;j3=.02;j4=.032;j11=.024;j22=.004;js=.012;jd=.004;v1=ns*ph*.001;a=400*(v1/nd)2/(4*pi2)b=j1c=j2*(n2/nd)2d=j3*(n3/nd)2e=j4*(n4/nd)2f=js*(ns/nd)2g=j11*(n11/nd

32、)2h=j22*(n22/nd)2J=400*(v1/nd)2/(4*pi2)+j1+j2*(n2/nd)2+j3*(n3/nd)2+j4*(n4/nd)2+js*(ns/nd)2+j11*(n11/nd)2+j22*(n22/nd)2+jdfs=800;fc=600;ma=400;fiz=fs+(fc+ma*9.8)*0.2;fiy=-fs+(fc+ma*9.8)*0.2;tiz=fiz*v1/nd /(2*pi);tiy=fiy*v1/nd /(2*pi);7-5.簡述機(jī)電一體化系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建立過程。比例環(huán)節(jié)（P）、積分環(huán)節(jié)(I)、比例-積分環(huán)節(jié)(PI)和比例-積分-微分調(diào)節(jié)(PID)各有何優(yōu)缺點(diǎn)？答：在穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用所選元部件的有關(guān)參數(shù)，可以繪制出系統(tǒng)框圖，并根據(jù)自動控制理論基礎(chǔ)課所學(xué)知識建立各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，進(jìn)而激勵(lì)系統(tǒng)傳遞函數(shù)。以閉環(huán)控制方式為例：圖（1）為檢測傳感器裝在絲桿端部的半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)。它的系統(tǒng)框圖如圖（2）所示。該圖的傳遞函數(shù)為14由 T