机械电子学试题及答案
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机械电子学试题及答案
1.从功能上讲，机电一体化系统可以分为五大组成部分，即 机械结构 、 执行机构 、 驱动部件 、 信息检测部件 、 信息处理和控制单元 。
2.机械电子学的共性相关技术主要有六项：机器感知技术、伺服驱动技术、信息处理技术、精密机械技术、自动控制技术、系统总体技术。
3.所谓伺服机构是一种以 位移 为控制量的 闭环 控制系统。
4. 接口的主要作用有 变换 、 放大 、 传递 。
5.机电一体化系统对执行元件的基本要求是惯性小动力大、体积小重量轻、便于维修安装、易于微机控制。
二、简答
1、常用的双螺母消除轴向间隙的结构型式有以下三种
(a)垫片调隙式:
通常用螺钉来连接滚珠丝杠两个螺母的凸缘，并在凸缘间加垫片。
调整垫片的厚度使螺母产生微量的轴向位移，以达到消除间隙和产生预拉紧力的目的。
这种结构的特点是构造简单、可靠性好、刚度高以及装卸方便。
但调整费时，并且在工作中不能随意调整，除非更换厚度不同的垫片。
(b)螺纹调隙式:
其中一个螺母的外端有凸缘而另一个螺母的外端没有凸缘而制有螺纹，它伸出套筒外，用两个圆螺母固定锁紧，并用键防止两螺母相对转动，旋转圆螺母可消除间隙，并产生预拉紧力，调整好后再用另一个圆螺母把它锁紧。
(c)齿差调隙式：
在两个螺母的凸缘上各制有圆柱外齿轮分别与内齿轮啮合，内齿圈用螺钉或定位销固定在套筒上。
调整时，先取下两端的内齿圈，使两螺母产生相对角位移，相应的产生轴向的相对位移，从而两螺母中的滚珠分别紧贴在螺旋滚道的两个相反的侧面上，然后将内齿圈复位固定，故而达到消除间隙产生预紧力的目的。
2.步进电机步进角的计算公式
一个m 相步进电动机，如其转子上有z 个齿，则其步进角α可通过下式计算 m z
k 360
=α，k 是通电方式系数。
3.同步带传动有哪些特点？
1）传动比准确，同步带是啮合传动，工作时无滑动。
2）传动效率高，效率可达98%。
与V 带相比，可节能10%以上。
3）传动平稳，能吸收振动，噪声小。
4）使用范围广，传动比可达10，且带轮直径比V 带小得多，也不需要大的张紧力，结构紧凑。
高速还达50m/s ，传递功率达300kW 。
5）维护保养方便，能在高温、灰尘、水及腐蚀介质的恶劣环境中工作，不需润滑。
6）安装要求高。
要求二带轮轴线平行。
同步带在与二带轮轴线垂直的平面内运行。
带轮中心距要求较严格。
安装不当易生干涉、爬齿、跳齿等现象。
7）带与带轮的制造工艺较复杂，成本受批量影响大。
4.直齿圆柱齿轮传动机构中常用的消除侧隙的方法有哪些？
（1）偏心套筒或偏心轴齿侧间隙调整法：将相互啮合的一对齿轮中的一个齿轮装在电机输出轴上，并将电机安装在偏心套(或偏心轴)上，通过转动偏心套(偏心轴)的转角，就可调节两啮合齿轮的中心距，从而消除圆柱齿轮正、反转时的齿侧间隙。
（2）轴向垫片齿侧间隙调整法：两齿轮相啮合，其分度圆弧齿厚沿轴线方向略有锥度，这样就可以用轴向垫片使一齿轮沿轴向移动，从而消除两齿轮的齿侧间隙。
（3）双片薄齿轮错齿齿侧间隙调整法：将其中一个做成宽齿轮，另一个用两片薄齿轮组成。
采取措施使一个薄齿轮的左齿侧和另一个薄齿轮的右齿侧分别紧贴在宽齿轮齿槽的左、右两侧，以消除齿侧间隙，反向时不会出现死区。
5.简述公理化设计理论中的两个基本公理。
答：（1）独立性公理：保持功能需求的独立性。
即在一个优秀设计内，DP 和FR 应满足：当调整某一个DP 去满足它对应的FR 时，不影响其它的FR 。
（2）信息公理：信息公理是指在满足独立性公理的条件下，信息量最小的设计是最优设计。
对于同一个设计任务，不同的设计者可能得出不同的设计方案，也很可能这些方案都满足独立公理，在评价时 应以具有最少信息含量的设计为最好设计。
1． 第一个时域参数的信息量是=⎪⎭
⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛01.0400log l 22εs og 第二个时域参数的信息量是=⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭
⎫
⎝⎛06.0800log l 22εs og 对于TP1需要至少 位二进制数，TP2需要 位二进制数，TP2的控制的复杂
性小于TP1的复杂性。
2．图示丝杠螺母驱动系统，已知电动机轴转动惯量23m m 108.0⋅⨯=-kg J ，工作台的质量m =200Kg ，丝杠螺距t =5mm,丝杠长度L =0.8m,中径为d =30mm,材料密度为33/g 108.7m K ⨯=ρ，齿轮齿数分别为z 1＝20，z 2＝45，模数m ＝2mm ，齿宽b ＝20mm 。
试求折算到电机轴上的总等效惯量J d ？并进行惯量匹配验算。
解：（1）计算各传动件的转动惯量
材料密度33/g 108.7m K ⨯=ρ，齿轮的计算直径按分度圆直径计算，丝杠的计算直径取中径。
由
工作台折算到丝杠上的转动惯量为
（1）折算到电机轴上的转动惯量
(2) 惯量匹配验算 4375.010
8.0105.334
d =⨯⨯=--m J J ，0.25<0.4375<1说明惯性匹配合理。
五、 某伺服电机上安装的光电编码器发出的信号如图所示，试说明信号中A ，B ，Z 的作用，并说明在其所带动的机械系统中，利用该信号和外加的点位信号如何寻找机械零点。
328142l d md J πρ==2
54311092.332
02.004.0108.7m kg J z ⋅⨯=⨯⨯⨯⨯=-π2
3432100.132
02.009.0108.7m kg J z ⋅⨯=⨯⨯⨯⨯=-π2
4431096.4328.003.0108.7m kg J s ⋅⨯=⨯⨯⨯⨯=-π2422102.12005.02002m kg t m J G ⋅⨯=⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛=-ππ()()
4432
5221102.11096.4100.125.211092.31----⨯+⨯+⨯+⨯=+++=G s z z d J J J i J J 241058.3m kg ⋅⨯=-
答：1.A、B、Z的作用：
简单版：光电编码器输出三组方波脉冲A、B和Z相，其中A , B 为相位差90°的方波信号，Z为过零脉冲信号。
光电编码器每旋转一周，A、B 相输出同样数量的脉冲，Z相输出一个脉冲，脉冲的个数和电机旋转角度、电机的运行距离成正比关系。
如果A相脉冲超前B相90°，电机正转，反之，电机反转。
机械电子答案
完整版：光电编码器输出信号主要包括A、B、Z三路脉冲信号，其中A、B 为相位互差90°的方波信号，Z为过零脉冲信号。
光电编码器每旋转一周，A、B 信号输出相同数量的脉冲，同时A、B信号脉冲出现的先后顺序可以反映出传动设备旋转的正反转方向。
如果A信号脉冲超前B信号90°，说明设备正转，输出计数脉冲为正值；如果B信号脉冲超前A信号脉冲90°，说明设备反转，输出计数脉冲为负值。
可见光电编码器A、B输出脉冲的个数和传动设备旋转角度传动设备的运行距离成正比关系，因此可以通过计算脉冲数计算出传动设备在实际旋转中所运行的距离。
Z脉冲是光电编码器中的特殊脉冲，当光电编码器每旋转一周，Z脉冲信号输出一个脉冲，即Z脉冲相对于旋转编码器而言，是一圈一次的脉冲。
虽然Z脉冲能够实现计数，但是它无法对光电编码器旋转方向进行判断，编程时需要结合A、B信号脉冲出现的先后顺序对Z脉冲进行正反转方向判断。
2. 利用该信号和外加的点位信号如何寻找机械零点。
（此问可能不准确，知道准确答案的通知一下）图中信号A相超前，电机正转，保持电机正转，根据点位信号，若偏离机械零点，则控制电机反转，直到机械零点。
否则电机正转，直到机械零点。
