《机电一体化系统设计基础》作业 参考答案.docx
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《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
ξ
利的影响,因此机械系统的阻尼比 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 L =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
0
上的等效转动惯量为(B)kg·mm2。
A.B.97
C.D.
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
动力源
传感器控制器执行
部件
机械
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 Jm=4×10-4kg·m3,与电机输出轴相连的小齿轮的转动惯量 J1=1×10-4kg·m3,大
齿轮的转动惯量 J2=×10-4kg·m3,丝杠的转动惯量 Js=×10-4kg·m3。
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 JG;
(2)传动件折算到电机轴的等效转动惯量 Je;
(3)电机轴上的总转动惯量 J。
DC 伺服 联轴器
电机
图 直流电机丝杠螺母机构驱动工作台
i=52
-4
22
( kg·m3
)
(3)J= J1+ Je =1×10-4 +×10-4= (kg·m3)
2.已知某四级齿轮传动系统,各齿轮的转角误差为Δ φ =Δφ =…=Δφ =弧
128
度,各级减速比相同,即 i = i =…= i =3,求该系统的最大转角误差Δφ 。
124max
解:
Δφmax=Δφ1/( i1* i2* i3* i4)+ (Δφ2+Δφ3)/ (i2* i3* i4)+ (Δφ4+Δφ5)/
(i * i )+
34
( Δφ +Δφ / (i )+ Δφ =
6748
=3 4+ 33+32+3+
= (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.1B.2C.3D.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 U ,使
a
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
AC
调压
变频
大
中
大
中小
低
高
差(有摩擦粉尘)
良
简单
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
功
放
电机
i
工作台
滚珠丝杠
300*2π6mm0.005mm
图 电机驱动工作台示意图
0.005mm6mm6mm 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,此光栅传感器测量分辨率是(C )mm。
A.1B.0.1C.D.
4.计算机控制系统实际运行时,需要由用户自行编写(D ),具有实时性、针
对性、灵活性和通用性。
A.实时软件B.开发软件C.系统软件D.应用软件
5.以下除了(D ),均是由硬件和软件组成。
A.计算机控制系统B.PLC 控制系统
C.嵌入式系统D.继电器控制系统
6.以下抑制电磁干扰的措施,除了(D ),其余都是从切断传播途径入手。
A 屏蔽B 隔离C 滤波D 软件抗干扰
三、简答题
1.机电一体化系统仿真在系统设计过程中所起的作用是什么
在系统实际运行前,也希望对项目的实施结果加以预测,以便选择正确、高效
的运行策略或提前消除设计中的缺陷,最大限度地提高实际系统的运行水平,采
用仿真技术可以省时省力省钱地达到上述目的。
2.机电一体化系统仿真的模型主要有哪几种分别应用于系统设计的哪个阶段
仿真根据采用的模型可以分为:
计算机仿真、半物理仿真、全物理仿真。
计算机仿真:
应用于系统设计阶段;
半物理仿真:
应用于部件及子系统研制阶段;
全物理仿真:
应用于系统研制阶段。
3.PID 控制算法中比例、积分、微分部分各起何作用
比例调节起纠正偏差的作用,其反应迅速;积分调节能消除静差,改善系统静
态特性;微分调节有利于减少超调,加快系统的过渡过程。
4.系统采样周期的选择时,主要考虑的影响因素主要有哪些
(1)根据香农采样定理,确定采样周期:
T ≤ π / ω
max
,其中ω
m ax
为被采信号角
频率上限。
(2)采样周期应大于执行元件动态调节稳定时间。
(3)从系统随动性和抗干扰的角度,采样周期应尽可能小,这样时延小,反
映迅速。
(4)在多回路控制中,由于采用巡检控制方式,采样周期应足够大,以确保
在一个采样周期内,能处理完所有回路的算法计算。
(5)从计算机的精度上讲,采样周期不应太小。
5.简述下图所示梯形图的工作过程及逻辑关系,图中接线为:
开关 1(),开
关 2(),开关 3(),红灯(),绿灯()。
( )
解:
由图可知:
开关 1、开关 2 为常开,开关 3 为常闭,当开关 1、开关 2 接通、
3s T0
开关 3 为常闭状态时,红灯能亮,同时启动定时器 T0,沿时 3 秒,3 秒后如果开
T0( )
关 3 为常闭状态,则绿灯亮。
四、计算题
图 梯形图
1.某工作台采用如图所示的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(忽略齿轮和丝杠的传动误差)。
(1)若采用高速端测量方法,将旋转编码器安装在电机输出轴上,确定旋转
编码器的每转脉冲数。
(2)若采用低速端测量方法,将传感器与丝杠的端部直接相连,n =500 脉冲
s
/转的旋转编码器是否合用
DC 伺服 联轴器
电机
工作台
齿轮减速器 杠
i=5
丝滚珠螺母
图 直流电机丝杠螺母机构驱动工作台
解:
(1)设工作台位移(测量精度)0.005mm 时,丝杠转动的角度为 X ︒ ,则有
得:
X = 0.45︒ ,若对应于电机轴的角度为 Y ︒ ,则 Y = iX ︒ = 2.25︒ ,安装在电机输出
轴上的旋转编码器共有 360︒ ,故旋转编码器的每转脉冲数为 360︒ / 2.25︒ = 160
(2)因为 360︒ / 0.45︒ = 800 > n =500,故不合用。
s
2.图示为电枢控制式直流电动机的工作原理图。
图中电机线圈的电流为 i;L
与 R 为线圈的电感与电阻;电机的输入电压为 u;折算到电机转子轴上的等效负载
转动惯量为 J ;电机输出转矩和转速分别为 T 和ω;K 和 K 分别为电枢的电势常
MET
数和转矩常数,试求输出转速与输入电压之间的传递函数。
i
ω
u
J
M
图 直流电动机的工作原理
⎨
解:
⎧ u = iR + Li'+ K ω
E
⎩KT i = J M ω'
(1)
(2)
在零初始条件下进行拉氏变换:
⎨⎧U (s) = I (s)R + LsI (s) + K Ω(s)
⎩K T I (s) = J M sΩ(s)
E
(3)
(4)
由(4)式得 I (s) = J sΩ(s) / K ,带入到(3)式,得输出转速与输入电压之间的传
MT
递函数
五、综合题
1.如图所示的系统,试分析齿轮减速器、丝杠螺母机构及传感器的误差对输
出精度的影响。
解:
齿轮减速器存在两种误差:
传动误差和回程误差。
传动误差主要由温度或弹
性导致的齿轮变形产生;回程误差主要是由齿轮间隙造成。
为提高齿轮传动系统
中传递运动的精度,各级传动比应按“先小后大”原则分配,设各级转角误差为 ∆φ 、
k
第 k 个齿轮到第 n 级输出轴的传动比为 i ,设各级转角误差折算到末级输出轴上
kn
的总误差为 ∆φ
m ax
丝杠螺母机构传动误差主要由丝杠与螺母之间的间隙决定,通常可由其间的
调整、预紧调整到最小程度,由于这个误差是在末级上,其大小直接影响输出精
度。
传感器的误差对输出精度的影响是通过控制产生的,由于传感的误差必然导
致控制的误差。
可以说,传感器的误差直接决定对输出精度的影响。
2.用 PLC 实现对一台电动机的正反转控制。
控制要求为:
首先电动机正转起
动,3 秒后自动反转,反转 2 秒后自动又回到正转,如此循环;可以随时停车。
(1)写出 I/O 分配表;
(2)选择 PLC,画出梯形图。
解:
(1)电动机正转起动开关,电动机正转,电动机反转,电动机停转开关。
T39
T38
3
IN
PT
T38
T38
T39
2
T39
IN
PT
作业 4
一、判断题(正确的打√,错误的打×)
1.自动控制技术是机电一体化相关技术之一,直接影响系统的控制水平、精
度、响应速度和稳定性。
(√ )
2.计算机控制系统设计完成后,首先需要对整个系统进行系统调试,然后分
别进行硬件和软件的调试。
(× )
3.PLC 完善的自诊断功能,能及时诊断出 PLC 系统的软件、硬件故障,并能
保护故障现场,保证了 PLC 控制系统的工作安全性。
(√ )
4.现场总线系统采用一对一的设备连线,按控制回路分别进行连接,打破了
传统控制系统的结构形式。
(× )
5.需求设计是指新产品开发的整个生命周期内,从分析用户需求到以详细技
术说明书的形式来描述满足用户需求产品的过程。
(√ )
6.目前,大部分硬件接口和软件接口都已标准化或正在逐步标准化,设计时
可以根据需要选择适当的接口,再配合接口编写相应的程序。
(√ )
7.计算机控制系统的软件主要分为系统软件和应用软件,应用软件一般不需
要用户设计,系统软件都要由用户自行编写,所以软件设计主要是系统软件设计。
(× )
8.反求设计是建立在概率统计基础之上,主要任务是提高产品的可靠性,延
长使用寿命,降低维修费用。
(× )
9.绿色设计是对已有的产品或技术进行分析研究,进而对该系统(产品)进
行剖析、重构、再创造的设计。
(×)
10.虚拟设计是在基于多媒体的、交互的、嵌入式的三维计算机辅助设计环境
中进行实体建模和装配建模,生成精确的系统模型,并在同一环境中进行一些相
关分析,从而满足工程设计和应用的需要。
(√)
11.工业机器人驱动部分在控制信息作用下提供动力,包括电动、气动、液压
等各种类型的传动方式。
(√)
12.数控机床中的计算机属于机电一体化系统的控制系统,而电机和主轴箱则
属于系统的驱动部分。
(×)
二、单选题
1.有一脉冲电源,通过环形分配器将脉冲分配给五相十拍通电的步进电机定
子 励 磁 绕 组 , 已 知 转 子 有 24 个 齿 , 步 进 电 机 的 步 距 角 是 ( C )。
a=360/(znk)=360/(24*5*2)
A.°B.°C.°D.2°
2.步进电机转动后,其输出转矩随着工作频率增高而(B )。
A.上升B.下降
C.不变D.前三种情况都有可能
3.采用脉宽调制(PWM)进行直流电动机调速驱动时,通过改变(A )来改变
电枢回路的平均电压,从而实现直流电动机的平滑调速。
A.脉冲的宽度B.脉冲的频率
C.脉冲的正负D.其他参数
4.含有微处理器,可进行程序编制或适应条件变化的接口是(D )。
P220
A.零接口B.被动接口
C.主动接口D.智能接口
5.HRGP-1A 喷漆机器人中的活塞式液压缸属于系统中的(C )。
P249
A.能源部分B.测试传感部分
C.驱动部分D.执行机构
6.HRGP-1A 喷漆机器人中的手部属于系统中的(D )。
A.能源部分B.测试传感部分
C.驱动部分D.执行机
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