第二章 机电一体化系统的机械传动系统

机电一体化系统设计课后习题
第一章绪论作业
1、简述机电一体化系统的基本功能要素。

第二章机械系统设计作业
1、图所示为一进给工作台。

电动机M、制动器B、工作台A、齿轮G1~G4以及轴1、丝杠轴的数据如表所示。

试求：此装置换算至电动机轴的等效转动惯量。

2、机电一体化系统对机械传动系统的基本要求是什么？
3、齿轮传动链的级数和各级传动比确定的三个基本原则是什么？如何选择？
第三章传感器检测及其接口电路作业
1、传感器的性能指标有哪两大类，各包括那些内容？
2、传感器的选用原则是什么
3、为什么差动变极距型电容位移传感器的精度是普通的变极距电容传感器的2倍？
4、光栅位移传感器主要由哪几部分构成？产生的莫尔条纹最主要的作用是什么？
5、感应同步器的测量方式有几种类型？写出励磁方式和输出信号的表达式。

6、已知光电脉冲编码器的周脉冲数Z=1200，在t=10s的时间内测轴的脉冲数N=6000，则光电脉冲编码器测得的角位移是多少？轴的转速是多少？
第四章控制电机及其选择计算作业
1、机电一体化系统的伺服驱动有哪几种形式?各有什么特点？
2、步进电动机的选用原则是什么？
3、直流PWM调压比其它调压方式有什么优点？
4、交流变频调速有哪几种类型。

I、机电一体化是微电子技术向机械工业渗透过程中逐渐形成的一种综合技术，其主要的相关技术可以归纳成机械技术、传感检测技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、伺服驱动技术和系统总技术。

3、摩擦对伺服系统的影响有引起动态滞后，降低系统的响应速度，导致系统误差和产生系统差。

4、谐波齿轮传动机械系统中，设柔轮为固定件，波发生器为输入，刚轮为输出，则包含输入与输出运动方向关系在内的传动比计算式为陰2二Z g /(Z g - Z r )。

7、机电一体化系统中，在满足系统总传动比不变的情况下，常采用等效转动惯量最小原则、重_ 量最轻原则和输出轴转角误差最小原则。

9、机电一体化机械系统主要包括以下三大机构传动机构、导向机构、执行机构。

10、机械传动系统的特性包括运态响应特性和伺服特性。

II、标准滚动轴承接其所能承受的载荷方向或公称接触角的不同，可分为圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承。

13、为了避免外部设备的电源干扰，防止被控对象电路的强电反窜，通常采取将微机的前后向通道与被连模块在电气上隔离的方法，称为光电隔离。

14、用软件进行“线性化”处理，方法有三种：计算法、查表法和插值—15、在机电一体化测控系统中，传感器的输出量与被测物理量之间的关系，绝大部分是非线性的。

造成非线性的原因主要有两个：一是许多传感器的转换原理并非线性：二是采用的测量电路也是非线性的。

1 N16、算术平均滤波Y=N^ X i ，N的选取应按具体情况决定，N越大，则平滑度高，滤波N y效果越好。

对于流量信号N= 8〜16 ;压力信号N= 4_。

18、传感器与前级信号的放大与隔离装置有运算放大器、测量放大器、程控测量放大器、隔离放大器。

20、伺服系统因被控对象的运动、检测部件以及机械结构等的不同而对伺服系统的要求有差异，但所有伺服系统的共同点是带动控制对象按指定规律作机械运动。

25、把微机系统后向通道的弱电控制信号转换成能驱动执行元件动作的具有一定电压和电流的强电功率信号或液压气动信号，称为脉冲功率放大器。

《机电一体化概论》教学内容第一章机电一体化的基本概念【教学目的】弄明白学习机电一体化的重要性，掌握机电设备的发展方向，弄懂机电一体化基本涵义及各部的作用与功能。

【教学内容】1、机电一体化的定义；2、机电一体化的相关技术；3、机电一体化技术的发展前景；4、机电一体化的应用实例。

第二章机电一体化中机械系统部件的选择与设计【教学目的】认识在机电一体化设备中，机械技术方面的特殊要求，了解机械三大系统：传动系统、导向机构、执行机构各自的特点和要求。

【教学内容】1、概述；2、传动机构；3、导向与支承机构；4、机械执行机构第三章机电一体化中微型计算机控制系统及接口设计【教学目的】掌握控制系统的一般设计思路的系统总体方案确定、控制算法确定、微型计算机的选择、系统总体设计、软件设计的注意事项。

掌握微机基本构成，即CPU构成及各部分作用，微型计算机构成，微型计算机系统构成及各部分作用，掌握微型计算机的分类和各类的特点。

【教学内容】1、控制系统的一般设计思路；2、机电一体化中的微型计算机系统；3、单片机控制系统的设计；4、执行元件的功率驱动接口。

第四章机电一体化中传感器与微机的接口技术【教学内容】1、传感器前级信号的放大与隔离；2、信号在传输中的变换；3、传感器与微型计算机的接口；4、传感器的非线性补偿。

第五章机电一体化中伺服系统设计【教学目的】掌握步进电机的概念、拍的概念，三相三拍步进电机的工作原理，双三拍步进电机的工作原理；掌握步进电机的特点。

【教学内容】1、概述；2、步进电机的驱动及其控制；3、直流伺服驱动及其控制；4、交流伺服驱动；5、控制方式的选择及应用实例。

第六章机电一体化系统设计及应用实例【教学目的】掌握机电一体化产品的一般设计开发步骤，掌握生产节拍的要求、机械系统的配置、控制系统配制、故障报警系统的配制要求。

【教学内容】1、机电一体化产品的设计开发步骤；2、机电一体化系统设计应用实例1；3、机电一体化系统设计应用实例2。

第二部分各章作业答案第一章绪论★1、机电一体化的基本概念和涵义是什么？★机电一体化的英文名词如何拼合？(P1) 【参考答案】机电一体化是从系统的观点出发，将机械技术、微电子技术、信息技术、控制技术等在系统工程基础上有机地加以综合，实现整个机械系统最佳化而建立起来的一门新的科学技术。

机电一体化在国外被称为Mechatronics是日本人在20世纪70年代初提出来的，它是用英文Mechanics的前半部分和Electronics的后半部分结合在一起构成的一个新词，意思是机械技术和电子技术的有机结合。

★2、机电一体化的发展趋势包括哪几个方面？(P2)【参考答案】机电一体化的发展趋势可概况为以下三个方面：(4-3-2)（1）性能上，向高精度、高效率、高性能、智能化的方向发展；（2）功能上，向小型化、轻型化、多功能方向发展；（3）层次上，向系统化、复合集成化的方向发展。

★3、一个较完善的机电一体化系统包括哪几个基本要素？★其核心部分是什么？（P4-P5) 【参考答案】一个较完善的机电一体化系统应包括以下几个基本要素：机械本体、动力部分、检测部分、执行机构、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)【参考答案】为实现各子系统或要素之间物质、能量或信息交换而进行的连接就是接口。

接口的基本功能有交换、放大、传递。

5、机电一体化的相关技术有哪些？(P2-P4)【参考答案】机械技术、检测传感技术、信息处理技术、自动控制技术、伺服传动技术、系统总体技术。

第二章机械传动与支承技术1、熟练掌握以数控机床进给传动为例说明机械传动系统建模的步骤、方法。

重点在传动惯量折算的推导过程。

(P13-P15)★【举例说明】在图1所示的数控机床进给传动系统中，电动机通过两级减速齿轮Z1、Z2、Z3、Z4及丝杠螺母副驱动工作台作直线运动。

设J l为轴I部件和电动机转子构成的转动惯量；J 2、J 3为轴Ⅱ、Ⅲ部件构成的转动惯量；K1、K2、K3分别为轴I、Ⅱ、Ⅲ的扭转刚度系数；K为丝杠螺母副及螺母底座部分的轴向刚度系数；m为工作台质量；C为工作台导轨粘性阻尼系数：T1、T2、T3分别为轴I、Ⅱ、Ⅲ的输入转矩。

第2章 机械传动与支承技术2.2 机械传动系统的特性一、机电一体化对机械传动的要求1、简述机电一体化对机械传动要求有哪些？机电一体化机械系统应具有良好的伺服性能，要求机械传动部件转动惯量小、摩擦小、阻尼合理、刚度大、抗振性能好、间隙小；并满足小型、轻量、高速、低噪声和高可靠性等要求；还要求机械部分的动态性能和电动机速度环的动态性能匹配。

2、机械传动的主要性能取决于 二、机械传动系统特性机械传动系统的性能与系统本身的阻尼比ξ、固有频率ωn 有关，ωn 、ξ和机械系统的结构参数密切相关。

因此,机械系统的结构参数对伺服系统的性能有很大影响。

1、转动惯量（低好）2、摩擦。

摩擦力可分为粘性摩擦力Fv 、库仑摩擦力Fc 和静摩擦力Fs 三种，方向均与运动方向相反。

摩擦对伺服系统的影响主要有：(1)摩擦引起动态滞后和系统误差；(2)摩擦引起的低速爬行。

要求静摩擦尽可能小，精密低速伺服系统采用无刷电动机直接驱动消除传动间隙，采用静压气体支承轴系减小摩擦。

3、阻尼（合适）机械部件产生振动时的振幅取决于阻尼比ξ、固有频率ωn 有，阻尼越大则振幅就小。

适当的阻尼取值为0.4<ξ<0.8欠阻尼简述阻尼对弹性系统有哪些影响？P25 答：三方面影响。

4、刚度（高好）提高刚度增加闭环稳定性，但增加了转动惯量、摩擦和成本。

5、谐振频率（足够高）机械部件构成的弹性系统可简化为质量弹簧系统。

⑴直线运动弹性系统的固有频率ωn 为（扭转运行）（直线运行），Jkm k c n πωπω2121==⑵单自由度扭转弹性系统的固有频率ωn 为⑶机械部件的谐振频率满足经验公式c r ωω)126(-≥，其中ωr 为最低谐振频率，ωc 为闭环系统的剪切频率。

6、传动间隙（尽可能小）传动间隙造成运动反向时产生回程误差，且影响闭环系统的稳定性。

传动间隙主要形式有齿轮副间隙、丝杠螺母传动间隙、丝杠轴承的轴向间隙、轴联器扭转间隙等。

◆齿轮副间隙的消除方法有两种：⑴刚性消隙法。

机电一体化技术课后习题答案第一章绪论1-1 简述机电一体化的含义答：机电一体化是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成的系统的总称。

1-2 机电一体化产品的主要组成、作用及其特点是什么？答：1．机械本体2．动力源3．检测和传感装置4．控制与信息处理装置5．执行机构机械本体用于支撑和连接其他要素，并把这些要素合理的结合起来，形成有机的整体。

动力系统为机电一体化产品提供能量和动力功能，驱动执行机构工作以完成预定的主功能。

传感与检测系统将机电一体化产品在运行过程中所需要的自身和外界环境的各种参数及状态转换成可以测定的物理量，同时利用检测系统的功能对这些物理量进行测定，为机电一体化产品提供运行控制所需的各种信息。

执行装置在控制信息的作用下完成要求的动作，实现产品的主功能。

1-3 机电一体化产品的分类有哪些？答：1．数控机械类2．电子设备类3．机电结合类4．电液伺服类5．信息控制类1-4 您在生活中还遇到哪些机电一体化产品？试分析其组成及功能。

答：工业机器人等。

工业机器人一般由机械系统、驱动系统、控制系统、检测传感系统和人工智能系统等组成。

各系统功能如下所述。

1）机械系统。

该系统主要是完成抓取工件（或工具）实现所需运动的机械部件，包括手部、腕部、臂部、机身以及行走机构。

2）驱动系统。

驱动系统的作用是向机械系统（即执行机构）提供动力。

随驱动目标的不同，驱动系统的传动方式有液动、气动、电动和机械式四种。

3）控制系统。

控制系统是机器人的指挥中心，它控制机器人按规定的程序运动。

控制系统可记忆各种指令信息（如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间等），同时按指令信息向各执行元件发出指令；必要时还可对机器人动作进行监视，当动作有误或发生故障时即发出警报信号。

4）检测传感系统。

它主要检测机器人机械系统的运动位置、状态，并随时将机械系统的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使机械系统以一定的精度达到设定的位置状态。