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1、1 / 11 机电一体化系统设计基础形成性考核作业参考答案形成性考核作业1 参考答案一、判断题（正确的打，错误的打）1 2 3 4 5 67 8 9 10 11 12二、单选题1C 2A 3 B 4A，A 5D 6B 7A 8D 三、简答题1完善的机电一体化系统主要包括哪几部分？答：机械本体、动力系统、检测传感系统、执行部件和信息处理及控制系统五部分相互协调，共同完成所规定的目的功能。通过接口及相应软件有机结合在一起，构成内部匹配合理、外部效能最佳的完整产品。2简述机电一体化系统中的接口的作用。机电一体系统是机械、电子和信息等性能各异的技术融为一体的综合系统，其构成要素和子系统之间的接口极其重
2、要。从系统外部看，输入/ 输出是系统与人、环境或其他系统之间的接口；从系统内部看，机电一体化系统是通过许多接口将各组成要素的输入/输出联系成一体的系统。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？阻尼比公式 :02 mKB, 由公式可知阻比除了与机械系统的粘性阻尼系数B 有关外，还与系统刚度K0和质量m有关。因此，在机械结构设计时，应当通过对刚度、质量和摩擦系数等参数的合理匹配，得到机械系统阻尼比的适当取值，以保证系统的良好动态特性。4简述机械系统的刚度对系统动态特性的影响。机械系统的刚度对系统的主要影响表现为以下几方面：（1）失动量系统刚度越大，因
3、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响，而对闭环伺服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解：252tm3.166 10 kg m2GJ精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 11 页2 / 11 2解：该系统的最大转角误差：maxmax=nkknki1)/(=1/ （i1 i2 i3i4）+（ 2+3/ （i2 i3i4）+
4、（ 4+5/ （i3i4）+（ 6+7/ （i4）+8=0.01/(3 333)+ (0.01+0.01)/(333)+ (0.01+0.01)/(3 3)+ (0.01+0.01)/(3)+ 0.01=0.02 五、综合题1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答： 当传动负载大时，可采用双齿轮调整法。消除齿侧间隙的原理：小齿轮1，6 分别与齿条 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，
5、通过预载装置4 向齿轮3 上预加负载，使大齿轮2，5 同时向两个相反方向转动，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。形成性考核作业2 参考答案一、判断题（正确的打，错误的打）1 2 3 4 5 67 8 9 10 11 12二、单选题1B 2C 3B 4B 5 D 6B 7D 8B 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
6、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？伺服系统是指以机械位置、速度和加速度为控制对象，在控制命令的指挥下，控制执行元件工作，使机械运动部件按控制命令的要求进行运动，并具有良好的动态性能。（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。-42e12sG211.236 10 kg miJJJJJ-42me5.236 10 kg mJJJ精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 11 页3 / 11 （2）功率
7、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
8、而输出不同大小的电压aU，使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。直流伺服电动机有较高的响应速度和精度以及优良的控制特性，但由于使用电刷和换向器，故寿命较低，需定期维护。适用于数控机床、工业机器人等机电一体化产品中。交流伺服电动机具有调速范围宽、转子惯性小、控制功率小、过载能力强、可靠性好的特点。适用于数控机床进给传动控制、工业机器人关节传动，及运动和位置控制场合。四、计算题1解： 3072001024=30（转）每转丝杠走2mm ，刀架位移量为302=60mm N=30转 /10 秒 =3 转/ 秒2解：（ 1）步进电机的步距角5 .13240360360N
9、Kz（2）减速齿轮的传动比55.1360005.063600li五、综合题1答：该传感器为一种角位移式的光电传感器，用于测量角位移，将传感器的输入轴接测量元件。当测量元件转动时，带动输入轴上的开空圆盘。每个开空圆盘对应一个角度。可将圆盘均分最小单位为测量的最小角度。圆盘旋转时，开空与缝隙板对准时，光源将光直射到光敏元件上，将得到一个光电信号（脉冲），将脉冲信号输入计数器可记录圆盘转过的角度，也就是测量元件转过角度。2答：方案 a : 结构简单、易实现。绳的位移可以很大，但绳在滚筒方向会产生横向位移。需要采用制动器或者止逆型减速器才能防止绳对电机的反向驱动。精选学习资料 - - - - - -
10、- - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 11 页4 / 11 方案 b：结构较简单，成本与方案a 相当。绳的位移要受到丝杠长度的限制。普通丝杠具有止逆功能，无需增加制动器即可防止绳对电机的反向驱动。无横向位移。2方案的测量方法（1）电机轴安装编码器直接测量绳的位移（2）滚筒轴安装编码器间接测量绳的位移。形成性考核作业3 参考答案一、判断题（正确的打，错误的打）1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12二、单选题1D 2 B 3C 4D 5D 6D 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，也希望对工程的实施结果加以预
11、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。计算机仿真包括三个基本要素，即实际系统、数学模型与计算机，联系这三个要素则有三个基本活动：模型建立、仿真实验与结果分析。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？机电一体化系统仿真的模型主要有：物理模型、数学模型和描述模型。当仿真模型是精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 11 页5 / 11 物理模型时，为（全）物理仿真；是数学模型时，称之为数学（计算机）仿真。用已
12、研制出来的系统中的实际部件或子系统代替部分数学模型所构成的仿真称为半物理模型。计算机仿真、半物理仿真、全物理仿真分别应用于分析设计阶段（软件级）、部件及子系统研制阶段（软件硬件级）实时仿真、系统研制阶段（硬件级）实时仿真阶段。3PID 控制算法中比例、积分、微分部分各起何作用？答： P（比例） I （积分） D（微分）调节器是将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量。其中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。此三部分作用配合得当，可使调节过程快速、平稳、准确，收到较好的效果。4系统采样周期的选择时，主要考虑
13、的影响因素主要有哪些？应主要考虑以下几方面：从对调节品质的要求来看，应将采样周期取得小些，这样，在按连续系统PID 调节选择整定参数时，可得到较好的控制效果；从执行元件的要求来看，有时需要输出信号保持一定的宽度。如：当通过数模转换带动步进电动机时，输出信号通过保持器达到所要求的控制幅度需要一定的时间，在这段时间内，要求计算机的输出值不应变化，因此，采样周期必须大于这一时间；从控制系统随动和抗干扰的性能要求来看，要求采样周期短些；从计算机的工作量和每个调节回路的计算成本来看，一般要求采样周期大些；从计算机的精度来看，过短的采样周期不合适。因此，各方面因素对采样周期的要求各不相同，有时互相矛盾，所
14、以，确定采样周期时须根据具体情况和主要要求作出折中选择。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（I0.0 ），开关2（I0.1 ），开关3（I0.2 ），红灯（ Q0.0），绿灯（ Q0.1）。答：I0.0 、I0.1 ：两个常开触点开关；I0.2 ：常闭触点开关；Q0.0、Q0.0、Q0.1：常开触点继电器；T0：通电延时闭合继电器；工作过程：当I0.0 、I0.1 、I0.2 均闭合时，继电器Q0.0带电使红灯亮，当Q0.0闭合后启动定时器T0继电器延时 3s后，闭合。图 梯形图I0.0T0（ ）I0.1 I0.2 Q0.0 I0.2Q0.1Q0.0T0 （ ）3s
15、T0 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 11 页6 / 11 当I0.2 仍然闭合， T0继电器线圈带电，当它闭合绿灯亮。当I0.2 断开时，小灯全灭。四、计算题1解：方案 1：高速端转角测量传感器与电机连接，通过对电机转角的测量对工作台位移进行间接测量，测量原理如下图所示。设传感器的每转脉冲数为，则传感器的每个脉冲对应工作台的位移为方案 2: 低速端转角测量测量原理如图所示，传感与丝杠的端部相连，传感器直接测量丝杠的转角，与减速比无关。800005.04issitnnt应选用 n=1000 的增量式编码器。选用ns=50
16、0 脉冲 / 转 编码器不合用。160005.054issiitnnit精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 11 页7 / 11 2解：由题可得：（ 1）当激磁磁场不变时，电机输出转矩T 正比于电枢电流：T=KTi；（ 2）当电枢转动时，电枢中会感应反电势eb，其值正比于转动的角速度：eb=KE（ 3）电枢回路的微分方程为：ueRidtdiLb（ 4）电机轴上的转矩平衡方程为：T=JM, （ 5）求拉氏变换及联立求解得：（Ls+R）I(s)+KE(s)=U(s) 输出转速与输入电压之间的传递函数：sJRLsKKKsUsMET
17、T)()()(五、综合题1答：信息变换电路位于输入通道，误差的低频分量会影响输出精度，因此对静态有较高要求；而误差的高频分量对输出精度几乎没有影响，允许存在一定程度的高频噪声。传感器位于反馈通道上的环节，其对输出精度的影响与位于输入通道的信号变换电路相同。丝杠螺母机构位于闭环之后，其误差的低频分量和高频分量都会影响输出精度，因此要尽量消除传动间隙和传动误差。2解：设启动按钮为X1，停止按钮为X2，正转输出为Y1，反转输出为Y2（1）I/O 分配表输入 / 输出X1X2Y1Y2I/O 口I0.0 I0.1 Q0.0 Q0.1 （2）选择西门子S7-200 型 PLC （也可选择其它品牌和型号的P
18、LC ），梯形图如下：I0.0 K =3s I0.1 Q0.0 ( S ) T0 T0 Q0.1 Q0.1 ( R ) Q0.0 ( R ) T1 Q0.1 ( S ) Q0.1 I0.1 K =3s T1 正转反转精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 11 页8 / 11 形成性考核作业4 参考答案一、判断题（正确的打，错误的打）1 2 3 4 5 67 8 9 10 11 12二、单选题1C 2B 3A 4D 5D 6D 7B 8C 三、简答题1何谓概念设计？简述概念设计的设计过程。概念设计：在确定任务之后，通过抽象化，拟
19、定功能结构，寻求适当的作用原理及其组合等，确定出基本求解途径，得出求解方案。概念设计的过程如下图所示。（1）首先是将设计任务抽象化，确定出系统的总功能；（2）根据系统的总功能要求和构成系统的功能要素进行总功能分解，划分出各功能模块，将总功能分解为子功能，直到分解到不能再分解的功能元，形成功能树；确定它们之间的逻辑关系；（3）对各功能模块输入/ 输出关系进行分析，确定功能模块的技术参数和控制策略、系统的外观造型和总体结构；（4）寻找子功能（功能元）的解，并将原理解进行组合，形成多种原理解设计方案，（5）以技术文件的形式交付设计组讨论、审定。由于体现同一功能的产品可以有多种多样的工作原理，（6）方
20、案进行整体评价：对不同的方案进行整体评价，选择综合指标最优的设计方案。最终选定最佳方案形成概念产品求总功能总功能分解评价与决策功能逐级分解创造性方法、目录法、调查分析法形态学矩阵法黑箱法各种评价方法概念产品明确设计任务寻找子功能解原理解组合分析评价决策综合精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 11 页9 / 11 2如何进行机电一体化系统的可靠性设计？可靠性是指系统在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。通常用“概率”表示“能力”来实现可靠性指标的量化。可靠性评价的指标体系主要包括五个方面：可靠性、维修性、有效性、耐
21、久性和安全性。（1）机电一体化系统的可靠性设计: 现代机械系统可靠性设计包括缩短传动链，减少元件数；必要时增设备用元件或系统；简化结构；增加过载保护装置、自动停机装置；设置监控系统；合理规定维修期。（2）控制系统可靠性设计包括：采用自动控制使产品具有自适应、自调整、自诊断甚至自修复的功能；通过元器件的合理选择提高可靠性；对功率接口采用降额设计提高可靠性；采用监视定时器提高可靠性；采取抗干扰措施提高可靠性。3简述 HRGP 1A喷漆机器人的示教再现过程。示教：操作人员用手操纵操作机构的关节和手腕，根据喷漆工件的型面进行示教。此时，中央处理器通过旋转变压器将示教过程中检测到的参数存入存储器，即把示
22、教喷漆的空间轨迹记录下来；再现：由计算机控制机器人运动，中央处理器将示教时记录的空间轨迹信息取出，经过插补运算与采样得到的位置数据进行比较，然后将其差值调节后输出，控制操作机按示教的轨迹运动。4简述数控设备中计算机数控装置的组成和功能。在数控设备中，计算机数控装置是设备的核心部分，一般由专用计算机（或通用计算机）输入输出接口以及机床控制器等部分组成。计算机数控装置根据输入的数据和程序，完成数据运算、逻辑判断、输入输出控制等功能；机床控制器主要用于机床的辅助功能，主轴转速的选择和换刀功能的控制。五、综合题1解：系统设计的详细工程路线：（1）确定目标及技术规范：机械手的用途 : 物料搬运。工作方式
23、：手动、自动方式。主要技术参数：3 自由度。使用环境要求：生产线。（2）可行性分析：收集资料、市场分析、可行性分析、技术经济性分析。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 11 页10 / 11 （3）总体方案设计：机械手总体结构方案设计，制定研制计划；开发经费概算；开发风险分析。（4）总体方案的评审、评价（5）理论分析阶段机构运动学模型、作业空间分析；机构的力学计算；驱动元件的选择、动力计算；传感器选择、精度分析；建立控制模型、仿真分析。2答：（1）首先是将设计任务抽象化，确定出系统的总功能；（2）根据系统的总功能要求和构成系
24、统的功能要素进行总功能分解，划分出各功能模块，将总功能分解为子功能，直到分解到不能再分解的功能元，形成功能树；确定它们之间的逻辑关系；（3）对各功能模块输入/输出关系进行分析，确定功能模块的技术参数和控制策略、系统的外观造型和总体结构；（4）寻找子功能（功能元）的解，并将原理解进行组合，形成多种原理解设计方案，（5）以技术文件的形式交付设计组讨论、审定。由于体现同一功能的产品可以有多种多样的工作原理，（6）方案进行整体评价：对不同的方案进行整体评价，选择综合指标最优的设计方案。最终选定最佳方案形成概念产品。求总功能总功能分解评价与决策功能逐级分解创造性方法、目录法、调查分析法形态学矩阵法黑箱法各种评价方法概念产品明确设计任务寻找子功能解原理解组合分析评价决策综合图 1 概念设计步骤精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 11 页11 / 11 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 11 页
