《機電一體化技術(shù)與系統(tǒng)》各章作業(yè)答案

1、第二部分各章作業(yè)答案第一章緒論1、機電一體化的基本概念和涵義是什么？機電一體化的英文名詞如何拼合？（P1）【參考答案】機電一體化是從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，將機械技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)等在系統(tǒng)工程基礎(chǔ)上有機地加以綜合，實現(xiàn)整個機械系統(tǒng)最佳化而建立起來的一門新的科學(xué)技術(shù)。機電一體化在國外被稱為Mechatronics是日本人在20世紀(jì)70年代初提出來的，它是用英文Mechanics的前半部分和曰ectronics的后半部分結(jié)合在一起構(gòu)成的一個新詞，意思是機械技術(shù)和電子技術(shù)的有機結(jié)合。2、機電一體化的發(fā)展趨勢包括哪幾個方面？（P2）【參考答案】機電一體化的發(fā)展趨勢可概況為以下三個方面：（4-

2、3-2）（1）性能上，向高精度、高效率、高性能、智能化的方向發(fā)展；（2）功能上，向小型化、輕型化、多功能方向發(fā)展；（3）層次上，向系統(tǒng)化、復(fù)合集成化的方向發(fā)展。3、一個較完善的機電一體化系統(tǒng)包括哪幾個基本要素？其核心部分是什么？（P4-P5）【參考答案】一個較完善的機電一體化系統(tǒng)應(yīng)包括以下幾個基本要素：機械本體、動力部分、檢測部分、執(zhí)行機構(gòu)、控制器和接口。其核心部分是控制器。4、什么是接口？接口的功能有哪些？（P5）【參考答案】為實現(xiàn)各子系統(tǒng)或要素之間物質(zhì)、能量或信息交換而進(jìn)行的連接就是接口。接口的基本功能有交換、放大、傳遞。5、機電一體化的相關(guān)技術(shù)有哪些？（P2-P4）【參考答案】機械技術(shù)、

3、檢測傳感技術(shù)、信息處理技術(shù)、自動控制技術(shù)、伺服傳動技術(shù)、系統(tǒng)總體技術(shù)。第二章機械傳動與支承技術(shù)1、熟練掌握以數(shù)控機床進(jìn)給傳動為例說明機械傳動系統(tǒng)建模的步驟、方法。重點在傳動慣量折算的推導(dǎo)過程。（P13-P15）【舉例說明】在圖1所示的數(shù)控機床進(jìn)給傳動系統(tǒng)中，電動機通過兩級減速齒輪乙、Z2、Z3、Z4及絲杠螺母副驅(qū)動工作臺作直線運動。設(shè)Jl為軸I部件和電動機轉(zhuǎn)子構(gòu)成的轉(zhuǎn)動慣量；J2、J3為軸n、出部件構(gòu)成的轉(zhuǎn)動慣量；K、K2、K3分別為軸I、n、出的扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)；K為絲杠螺母副及螺母底座部分的軸向剛度系數(shù)；m為工作臺質(zhì)量；C為工作臺導(dǎo)軌粘性阻尼系數(shù)：Ti、T2、T3分別為軸I、n、出的輸入轉(zhuǎn)矩。

4、求系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)動慣量（或質(zhì)量）折算到軸I上的總等效轉(zhuǎn)動慣量J七等效轉(zhuǎn)動慣量。設(shè)ID的角速度;(1) I、是:如H 03M n圖1數(shù)控機床進(jìn)給系統(tǒng)把軸I、n、出上的轉(zhuǎn)動慣量和工作臺的質(zhì)量都折算到軸I上，作為系統(tǒng)的T1、T2、T3分別為軸卜n、出的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，31、32、a 3分別為軸I、n、u為工作臺位移時的線速度。n、出軸轉(zhuǎn)動慣量的折算根據(jù)動力平衡原理，I、n、出軸的力平衡方程分別Ti= Ji 芋 Ti'(2-8)d. 22 dt(2-9)因為軸n的輸入轉(zhuǎn)矩又根據(jù)傳動關(guān)系有把T2和3 2值代入式同理T3 = J3 箸T3(2-10)T2是由軸I上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩獲得，且與它們的轉(zhuǎn)速成反比，所

5、以z2T1z1石12-9,并將式2-8中的也帶入，整理得Tidt(2-11)T2汽z3 2 d_1J3(z2)Q)dt(2-12)(2)工作臺質(zhì)量折算到I軸在工作臺與絲杠間，T3驅(qū)動絲杠使工作臺運動。根據(jù)動力平衡關(guān)系有丁32二=m(豹L式中I-工作臺線速度;絲杠導(dǎo)程。即絲杠轉(zhuǎn)動一周所做的功等于工作臺前進(jìn)一個導(dǎo)程時其慣性力所做的功。又根據(jù)傳動關(guān)系有LL/ziz3、V=2?,3=西(君方)1把V值代入上式整理后得'/L2Z1z3_d.1T3=(20已五)mdT(2-13)(3)折算到軸I上的總轉(zhuǎn)動慣量把式(2-11)、(2-12)、(2-13)代入式(2-8)(2-9)(2-10),消去中

6、間變量并整理后求出電機輸出的總轉(zhuǎn)矩T1為T1=J1+J24)2+J3總否2+m4H)2(U)2竽=J£等(2-14)式中JZ=J1+2(_1)2+J3(i1寮2+向1292(公)2(2-15)2、熟練掌握阻尼、摩擦、結(jié)構(gòu)彈性變形、慣量及間隙對伺服系統(tǒng)性能的影響。重點掌握當(dāng)阻尼比0<E<1時，系統(tǒng)為欠阻尼系統(tǒng)的性能指標(biāo)情況以及摩擦力的分類和方向。(P17-P21)【詳細(xì)答案】1、阻尼的影響(以二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線來說明)。(1)當(dāng)阻尼比E=0時，系統(tǒng)處于等幅持續(xù)振蕩狀態(tài)，因此系統(tǒng)不能無阻尼。(2)當(dāng)E>1時，系統(tǒng)為臨界阻尼或過阻尼系統(tǒng)。此時，過渡過程無震蕩，但響應(yīng)

7、時間較長。(3)當(dāng)0<E<1時，系統(tǒng)為欠阻尼系統(tǒng)，此時，系統(tǒng)在過渡過程中處于減幅震蕩狀態(tài)，其幅值衰減的快慢，取決于衰減系數(shù)EEn。在句n確定以后，已愈小，其震蕩愈劇烈，過渡過程越長。相反，E越大，則震蕩越小，過渡過程越平穩(wěn)，系統(tǒng)穩(wěn)定性越好，但響應(yīng)時間較長，系統(tǒng)靈敏度降低。2、摩擦的影響摩擦力可分為粘性摩擦力、庫侖摩擦力和靜摩擦力三種，方向均與運動趨勢方向相反。摩擦對伺服系統(tǒng)的影響主要有：引起動態(tài)滯后，降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度，導(dǎo)致系統(tǒng)誤差和低速爬行。3、彈性變形的影響結(jié)構(gòu)彈性變形對伺服系統(tǒng)的影響主要有：引起系統(tǒng)不穩(wěn)定和產(chǎn)生動態(tài)滯后。4、慣量的影響轉(zhuǎn)動慣量對伺服系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性、動態(tài)響應(yīng)

8、都有影響。5、傳動間隙的影響機械系統(tǒng)中存在著許多間隙，如齒輪傳動間隙，螺旋傳動間隙等。這些間隙對系統(tǒng)穩(wěn)定性、伺服精度都有影響。3、機電一體化系統(tǒng)對機械傳動有何要求？(P21)【參考答案】為了提高機械系統(tǒng)的伺服性能，要求機械傳動部件轉(zhuǎn)動慣量小、摩擦小、阻尼合理、剛度大、抗振性好、間隙小，并滿足小型、輕量、高速、低噪聲和高可靠性等要求。機電一體化系統(tǒng)對機械傳動系統(tǒng)的要求有：精度；穩(wěn)定性；快速響應(yīng)性；還應(yīng)滿足小型、輕量、高速、低沖擊振動、低噪聲和高可靠性。4、伺服系統(tǒng)中，通常采用什么原則選擇總傳動比，目的是什么？（P21）【參考答案】在伺服系統(tǒng)中，通常采用負(fù)載角加速度最大原則選擇總傳動比，目的是提高

9、伺服系統(tǒng)的響應(yīng)速度。5、傳動鏈的級數(shù)和各傳動比的分配原則有哪些？在設(shè)計齒輪傳動裝置時，如何考慮各種原則的選擇？（P22-P26）【參考答案】分配原則有三：1、等效轉(zhuǎn)動慣量最小原則；2、質(zhì)量最小原則；3、輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則。在設(shè)計齒輪傳動裝置時，上述三條原則應(yīng)根據(jù)具體工作條件綜合考慮。（1）對于傳動精度要求高的降速齒輪傳動鏈，可按輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小的原則設(shè)計。若為增速傳動，則應(yīng)在開始幾級就增速。（2）對于要求運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、啟停頻繁和動態(tài)性能好的降速傳動鏈，可按等效轉(zhuǎn)動慣量最小原則和輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小的原則設(shè)計。（3）對于要求質(zhì)量盡可能小的降速傳動鏈，可按質(zhì)量最小原則設(shè)計。6、機電一體化系統(tǒng)的機械

10、傳動裝置應(yīng)具有哪些特性？【參考答案】7、同步帶輪的主要失效形式有哪幾種？設(shè)計準(zhǔn)則是什么？（P30）【參考答案】同步帶傳動的主要失效形式有三種：同步帶的承載繩疲勞拉斷；同步帶的打滑和跳齒；同步帶齒的磨損。設(shè)計準(zhǔn)則是在同步帶不打滑的條件下，保證同步帶的抗拉強度。在灰塵雜質(zhì)較多的條件下，則應(yīng)保證帶齒的一定耐磨性。8、簡述諧波齒輪的工作原理及特點。（P34-P35）【參考答案】諧波齒輪傳動是一種新型傳動，其原理是依靠柔性齒輪所產(chǎn)生的可控制彈性變形波，引起齒間的相對位移來傳遞動力和運動的。與一般齒輪傳動相比，諧波齒輪傳動具有如下優(yōu)點：（1）傳動比大單級諧波齒輪的傳動比為70500，多級和復(fù)式傳動的傳動比

11、更大，可達(dá)30000以上。不僅用于減速，還可用于增速。（2）承載能力大諧波齒輪傳動同時嚙合的齒數(shù)多，可達(dá)柔輪或剛輪齒數(shù)的30%40，因此能承受大的載荷。（ 3）傳動精度高由于嚙合齒數(shù)較多，因而誤差得到均化。同時，通過調(diào)整，齒側(cè)間隙較小，回差較小，因而傳動精度高。（ 4）可以向密封空間傳遞運動或動力當(dāng)柔輪被固定后，它既可以作為密封傳動裝置的殼體，又可以產(chǎn)生彈性變形，即完成錯齒運動，從而達(dá)到傳遞運動或動力的目的。因此，它可以用來驅(qū)動在高真空、有原子輻射或其它有害介質(zhì)的空間工作的傳動機構(gòu)。這一特點是現(xiàn)有其它傳動機構(gòu)所無法比擬的。（ 5）傳動平穩(wěn)基本上無沖擊振動。這是由于齒的嚙入與嚙出按正弦規(guī)律變化，

12、無突變載荷和沖擊，磨損小，無噪聲。（ 6）傳動效率較高單級傳動的效率一般在69%96%的范圍內(nèi)，壽命長。（ 7）結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量小。諧波齒輪傳動的缺點：（ 1）柔輪承受較大的交變載荷，對柔輪材料的抗疲勞強度、加工和熱處理要求較高，工藝復(fù)雜；（ 2）傳動比下限值較高；（3）不能做成交叉軸和相交軸的結(jié)構(gòu)。9、機電一體化系統(tǒng)對支承部件的要求是什么？（P41）【參考答案】機電一體化系統(tǒng)對支承部件的要求是：精度高、剛度大、熱變形小、抗振性好、可靠性高，并且有良好的摩擦特性和結(jié)構(gòu)工藝性。第三章伺服傳動技術(shù)1、伺服系統(tǒng)的基本組成有哪幾部分？各部分的主要任務(wù)是什么？（P58）【參考答案】伺服控制統(tǒng)的基本

13、組成一般包括控制器、功率放大器、執(zhí)行機構(gòu)、檢測裝置等四大部分。控制器的主要任務(wù)是根據(jù)輸入信號和反饋信號決定控制策略；功率放大器的作用是將信號進(jìn)行放大，并用來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)完成某種操作；執(zhí)行機構(gòu)的作用是按控制信號的要求,將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)化成機械能，驅(qū)動被控對象工作；檢測裝置的任務(wù)是測量被控制量（即輸出量），實現(xiàn)反饋控制。2、按不同的方式，伺服系統(tǒng)如何分類？（P59）【參考答案】按其驅(qū)動元件的性質(zhì)劃分，可分為液壓（或氣動）伺服系統(tǒng)和電氣伺服系統(tǒng)。電氣伺服系統(tǒng)又包括直流伺服系統(tǒng)、交流伺服系統(tǒng)和步進(jìn)伺服系統(tǒng)。按控制方式劃分，可分為開環(huán)伺服系統(tǒng)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)。3、伺服電動機應(yīng)符合哪些基本要求？（P

14、59）【參考答案】1、具有寬廣而平滑的調(diào)速范圍。2、具有較硬的機械特性和良好的調(diào)節(jié)特性。3、具有快速響應(yīng)特性。4、空載始動電壓小。4、PWM1率放大器的基本原理是什么？簡述PWMc寬調(diào)速原理。（P68-P69）【參考答案】PWM1率放大器的基本原理是：利用大功率器件的開關(guān)作用，將直流電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率的方波電壓，通過對方波脈沖寬度的控制，改變輸出電壓的平均值。將圖中的開關(guān)S周期性地開關(guān)，在一個周期T內(nèi)閉合的時間為。，則一個外加的固定直流電壓U被按一定的頻率開閉的開關(guān)S加到電動機的電樞上，電樞上的電壓波形將是一列方波信號，其高度為U、寬度為T,如圖所示。電樞兩端的平均電壓為：TUd=；10Udt

15、=TU=PU（6-17）式中P=i/T=Ud/U,（0<P<1）P為導(dǎo)通率（或稱占空比）。當(dāng)T不變時，只要改變導(dǎo)通時間七，就可以改變電樞兩端的平均電壓Ud。當(dāng)七從0T改變時，Ud由零連續(xù)增大到U。5、按選用的電動機不同，交流伺服系統(tǒng)的分為哪幾類？各適用于什么場合？（P79）【參考答案】按其選用不同的電動機而分為兩大類：同步型交流伺服電動機的伺服系統(tǒng)和異步型交流伺服電動機的伺服系統(tǒng)。前者多用于機床進(jìn)給傳動控制、工業(yè)機器人關(guān)節(jié)傳動和其它需要運動和位置控制的場合。后者多用于機床主軸轉(zhuǎn)速和其它調(diào)速系統(tǒng)。6、簡述SPWMc寬調(diào)速原理。（P81-P83）【參考答案】SPW脈寬調(diào)速原理是以功率很

16、小的，幅值和頻率均可調(diào)的正弦信號電壓，與等腰三角波（載波）比較（調(diào)制）后，形成SPWM調(diào)制波。由它去驅(qū)動主電路的開關(guān)器件,可獲得幅值與控產(chǎn)生較大功率的SPWM調(diào)制波輸出，再通過負(fù)載電感的濾波作用（解調(diào)）制電壓成正比、頻率與控制電壓同頻率的較大功率的正弦波。調(diào)制器三角載波發(fā)生器7、簡述步進(jìn)電動機的工作原理及其特點。（P84-P85）【參考答案】步進(jìn)電動機是一種同步電動機，定子磁場在空間旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子跟隨定子磁場同步旋轉(zhuǎn)。定子磁場的激磁磁勢為脈沖式，使磁場以一定頻率步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子也就一步一步旋轉(zhuǎn)?？梢?，步進(jìn)電動機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移（或直線位移）的執(zhí)行元件。給步進(jìn)電動機供電的電源是脈沖電

17、源，而不是直流電源或正弦交流電源。步進(jìn)電動機的特點是：（1）步進(jìn)電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速主要取決于脈沖的頻率，轉(zhuǎn)子總的角位移取決于總的脈沖數(shù)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向取決于分配脈沖的相序。其步距值不受各種干擾因素的影響。（2）步進(jìn)電動機每走一步所轉(zhuǎn)過的角度（實際步距值）與理論步距值之間總有一定的誤差。從某一步到任何一步，即走任意步數(shù)后，也總會有一定的累積誤差，但每轉(zhuǎn)一圈的累積誤差為零，亦即步距誤差不長期積累。（3）步進(jìn)電動機帶負(fù)載的能力比較差。8、什么是步距角，步距誤差與哪些因素有關(guān)？步進(jìn)電機的角位移大小、速度大小、方向如何確定？（P85-P89）【參考答案】驅(qū)動器每向步進(jìn)電機輸入一個電脈沖信號，步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動一個角

18、度，稱為步距角。步進(jìn)電機單相通電時，步距誤差取決于定子和轉(zhuǎn)子的分齒精度和各項定子錯位角度的精度。多相通電時，步距誤差不僅和加工裝配精度有關(guān)，還和各相電流的大小、磁路性能等因素有關(guān)。步進(jìn)電機的角位移大小與輸入脈沖的數(shù)量和脈沖頻率成正比；改變通電頻率可改變電動機的轉(zhuǎn)速；改變通電順序可改變步進(jìn)電動機的旋轉(zhuǎn)方向。【舉例說明】三相變磁阻式步進(jìn)電動機，轉(zhuǎn)子齒數(shù)Z=100,雙三拍制通電，要求電動機轉(zhuǎn)速為120r/min,步距角為多少？輸入脈沖頻率為多少？【參考答案】由步距角公式：3=3600/kmz且已知K=1,M=3,Z=100,可得：步品巨角3=3600/1*3*100=1.2。又根據(jù)n（轉(zhuǎn)速）=60f

19、/kmz可得：輸入脈沖頻率f=kmzn/60=1*3*100*120/60=600Hz9、什么是環(huán)行分配器？實現(xiàn)環(huán)行分配有哪些方法？如果三相步進(jìn)電動機繞組為U、V、W寫出三相六拍白通電順序。（P85-P86）【參考答案】步進(jìn)電動機的各繞組必須按一定的順序通電才能正確工作，這種使電動機繞組的通電順序按輸入脈沖的控制而循環(huán)變化的裝置稱為脈沖分配器，又稱為環(huán)形分配器。實現(xiàn)環(huán)行分配有三種方法：一種是采用計算機軟件分配，采用查表或計算的方法來產(chǎn)生相應(yīng)的通電順序。第二種是采用小規(guī)模集成電路搭接一個硬件分配器。第三種即采用專用的環(huán)形分配器。通電順序為：UMUMV-VW>WWU»U（正轉(zhuǎn)）LU

20、V-VVW-VW-WU-U（反轉(zhuǎn)）10、功率驅(qū)動器的功能是什么？按主電路結(jié)構(gòu)，步進(jìn)電動機驅(qū)動電路分為哪幾種？（P87-P88）【參考答案】功率驅(qū)動器的功能是將環(huán)形分配器的輸出信號進(jìn)行功率放大，得到步進(jìn)電動機控制繞組所需要的脈沖電流及所需要的脈沖波形。按主電路結(jié)構(gòu)，步進(jìn)電動機驅(qū)動電路分為：1、單電壓驅(qū)動電路。2、高、低壓雙電壓驅(qū)動電路。11、何為電液伺服系統(tǒng)？根據(jù)被控制物理量的不同，可分為哪幾種電液伺服系統(tǒng)？（P89）【參考答案】電液伺服系統(tǒng)是由電信號處理部分和液壓的功率輸出部分組成的控制系統(tǒng)。根據(jù)被控制物理量的不同可分為：電液位置伺服系統(tǒng)、電液速度伺服系統(tǒng)、電液力（或壓力）伺服系統(tǒng)等。第四章計

21、算機控制技術(shù)1、計算機控制系統(tǒng)的類型有哪些？（P97-P99）【參考答案】計算機控制系統(tǒng)的類型有：1、操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)。2、直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）。3、監(jiān)督控制系統(tǒng)（SCC）。4、分布式控制系統(tǒng)（DCS）2、何為采樣過程？何為量化過程？量化單位和量化誤差如何計算？（P97）【參考答案】將模擬信號抽樣成離散模擬信號的過程為采樣過程。采用一組數(shù)碼來逼近離散模擬信號的幅值，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的過程為量化過程。量化單位：q=M/2N量化誤差：Fiq/2【舉例說明】有一變化量為076V的模擬信號，采用4位A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，輸入到微機控制系統(tǒng)中，試求其量化單位q=?,量化誤差最大值如ax=?【

22、參考答案】模擬信號Vmax=16V、Vmin=0,則M=16,取N=4,則q=1V,量化誤差最大值max=±0.5V。3、工業(yè)計算機主要起什么作用？工業(yè)控制計算機由哪幾部分組成？(P108)【參考答案】工業(yè)計算機主要是處理來自檢測傳感裝置的輸入，并把處理結(jié)果輸出到執(zhí)行機構(gòu)去控制生產(chǎn)過程，同時可對生產(chǎn)行監(jiān)督、管理的計算機系統(tǒng)。工業(yè)控制計算機由計算機基本系統(tǒng)和過程I/O子系統(tǒng)兩大部分組成4、可編程控制器是一種什么類型的計算機？主要用于哪些領(lǐng)域？(P109)【參考答案】可編程控制器是一種專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的，以微處理芯片為核心的新型工業(yè)控制裝置。主要用于工業(yè)現(xiàn)場控制。5、數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的作用分別是什么？(P103-P105)【參考答案】模數(shù)轉(zhuǎn)換器的作用是將這些模擬量再變換成數(shù)字量，以便計算機識別。數(shù)模轉(zhuǎn)換器的作用則是將經(jīng)計算機處理后的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬電壓或信號，輸送到執(zhí)行機構(gòu)，達(dá)到控制過程的目的。第五章可靠性和抗干擾技術(shù)1、何為可靠性？它包括哪些內(nèi)容？【參考答案】可靠性是產(chǎn)品在規(guī)定的條件下、在規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定的功能的能力。它包括的內(nèi)容：(1)、產(chǎn)品。(2)、規(guī)定的條件。(3)、規(guī)定的時