机电一体化技术与系统各章作业答案.doc

《机电一体化技术与系统》各章作业答案
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 机械传动及支承技术
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。求系统各环节的转动惯量（或质量）折算到轴I上的总等效转动惯量。

图1数控机床进给系统
【参考答案】把轴I、Ⅱ、Ⅲ上的转动惯量和工作台的质量都折算到轴I上，作为系统的等效转动惯量。设、、分别为轴I、Ⅱ、Ⅲ的负载转矩,ω1、ω2、ω3分别为轴I、Ⅱ、Ⅲ的角速度；υ为工作台位移时的线速度。
（1）I、Ⅱ、Ⅲ轴转动惯量的折算 根据动力平衡原理，I、Ⅱ、Ⅲ轴的力平衡方程分别是： (2-8)
（2-9）
（2-10）
因为轴Ⅱ的输入转矩T2是由轴I上的负载转矩获得，且及它们的转速成反比，所以

又根据传动关系有
把T2和ω2值代入式2-9，并将式2-8中的T1也带入，整理得
（2-11）
同理 （2-12）
（2）工作台质量折算到I轴 在工作台及丝杠间，驱动丝杠使工作台运动。
根据动力平衡关系有

式中υ——工作台线速度；
L—— 丝杠导程。
即丝杠转动一周所做的功等于工作台前进一个导程时其惯性力所做的功。
又根据传动关系有

把v值代入上式整理后得
（2-13）
（3）折算到轴Ⅰ上的总转动惯量 把式（2-11）、（２-12）、（２-13）代入式（２-8）（2-9）（2-10），消去中间变量并整理后求出电机输出的总转矩为
（２-14）
式中＝ （２-15）
2、熟练掌握阻尼、摩擦、结构弹性变形、惯量及间隙对伺服系统性能的影响。«重点掌握当阻尼比0<ξ<1时，系统为欠阻尼系统的性能指标情况以及摩擦力的分类和方向。(P17-P21)
【详细答案】1、阻尼的影响(以二阶系统单位阶跃响应曲线来说明)。
（1）当阻尼比ξ＝0时，系统处于等幅持续振荡状态，因此系统不能无阻尼。
（2）当ξ≥ 1时，系统为临界阻尼或过阻尼系统。此时，过渡过程无震荡，但响应时间较长。
«（3）当0<ξ<1时，系统为欠阻尼系统，此时，系统在过渡过程中处于减幅震荡状态，其幅值衰减的快慢，取决于衰减系数ξ。在确定以后, ξ愈小，其震荡愈剧烈，过渡过程越长。相反，ξ越大，则震荡越小，过渡过程越平稳，系统稳定性越好，但响应时间较长，系统灵敏度降低。
2、摩擦的影响
«摩擦力可分为粘性摩擦力、库仑摩擦力和静摩擦力三种，方向均及运动趋势方向相反。摩擦对伺服系统的影响主要有：引起动态滞后，降低系统的响应速度，导致系统误差和低速爬行。
3、弹性变形的影响
结构弹性变形对伺服系统的影响主要有：引起系统不稳定和产生动态滞后。
4、惯量的影响
转动惯量对伺服系统的精度、稳定性、动态响应都有影响。
5、传动间隙的影响
机械系统中存在着许多间隙，如齿轮传动间隙，螺旋传动间隙等。这些间隙对系统稳定性、伺服精度都有影响。
«3、机电一体化系统对机械传动有何要求？(P21)
【参考答案】为了提高机械系统的伺服性能，要求机械传动部件转动惯量小、摩擦小、阻尼合理、刚度大、抗振性好、间隙小，并满足小型、轻量、高速、低噪声和高可靠性等要求。
机电一体化系统对机械传动系统的要求有：精度；稳定性；快速响应性；还应满足小型、轻量、高速、低冲击振动、低噪声和高可靠性。
«4、伺服系统中，通常采用什么原则选择总传动比，目的是什么？(P21)
【参考答案】在伺服系统中，通常采用负载角加速度最大原则选择总传动比，目的是提高伺服系统的响应速度。
«5、传动链的级数和各传动比的分配原则有哪些？在设计齿轮传动装置时，如何考虑各种原则的选择？ (P22-P26)
【参考答案】«分配原则有三：1、等效转动惯量最小原则；2、质量最小原则；3、输出轴转角误差最小原则。
«在设计齿轮传动装置时，上述三条原则应根据具体工作条件综合考虑。
（1）对于传动精度要求高的降速齿轮传动链，可按输出轴转角误差最小的原则设计。若为增速传动，则应在开始几级就增速。
（2）对于要求运转平稳、启停频繁和动态性能好的降速传动链，可按等效转动惯量最小原则和输出轴转角误差最小的原则设计。
（3）对于要求质量尽可能小的降速传动链，可按质量最小原则设计。
6、机电一体化系统的机械传动装置应具有哪些特性？
【参考答案】
«7、同步带轮的主要失效形式有哪几种？设计准则是什么？(P30)
【参考答案】«同步带传动的主要失效形式有三种：同步带的承载绳疲劳拉断；同步带的打滑和跳齿；同步带齿的磨损。
设计准则是在同步带不打滑的条件下，保证同步带的抗拉强度。在灰尘杂质较多的条件下，则应保证带齿的一定耐磨性。
8、简述谐波齿轮的工作原理及特点。(P34-P35)
【参考答案】谐波齿轮传动是一种新型传动，其原理是依靠柔性齿轮所产生的可控制弹性变形波，引起齿间的相对位移来传递动力和运动的。
«及一般齿轮传动相比，谐波齿轮传动具有如下优点：
（1）传动比大 单级谐波齿轮的传动比为70 ~500，多级和复式传动的传动比更大，可达30000以上。不仅用于减速，还可用于增速。
（2）承载能力大 谐波齿轮传动同时啮合的齿数多，可达柔轮或刚轮齿数的30% ~40％，因此能承受大的载荷。
（3）传动精度高 由于啮合齿数较多，因而误差得到均化。同时，通过调整，齿侧间隙较小，回差较小，因而传动精度高。
（4）可以向密封空间传递运动或动力 当柔轮被固定后，它既可以作为密封传动装置的壳体，又可以产生弹性变形，即完成错齿运动，从而达到传递运动或动力的目的。因此，它可以用来驱动在高真空、有原子辐射或其它有害介质的空间工作的传动机构。这一特点是现有其它传动机构所无法比拟的。
（5）传动平稳 基本上无冲击振动。这是由于齿的啮入及啮出按正弦规律变化，无突变载荷和冲击，磨损小，无噪声。
（6）传动效率较高 单级传动的效率一般在69% ~96%的范围内，寿命长。
（7）结构简单、体积小、质量小。
谐波齿轮传动的缺点：
（1）柔轮承受较大的交变载荷，对柔轮材料的抗疲劳强度、加工和热处理要求较高，工艺复杂；
（2）传动比下限值较高；
（3）不能做成交叉轴和相交轴的结构。
9、机电一体化系统对支承部件的要求是什么？(P41)
【参考答案】机电一体化系统对支承部件的要求是：精度高、刚度大、热变形小、抗振性好、可靠性高，并且有良好的摩擦特性和结构工艺性。
第三章 伺服传动技术
1、伺服系统的基本组成有哪几部分？各部分的主要任务是什么？(P58)
【参考答案】伺服控制统的基本组成一般包括控制器、功率放大器、执行机构、检测装置等四大部分。
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；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；执行机构的作用是按控制信号的要求,将输入的各种形式的能量转化成机械能，驱动被控对象工作；检测装置的任务是测量被控制量（即输出量），实现反馈控制。
«2、按不同的方式，伺服系统如何分类？(P59)
【参考答案】按其驱动元件的性质划分，可分为液压（或气动）伺服系统和电气伺服系统。电气伺服系统又包括直流伺服系统、交流伺服系统和步进伺服系统。按控制方式划分，可分为开环伺服系统和闭环伺服系统。
«3、伺服电动机应符合哪些基本要求？(P59)
【参考答案】1、具有宽广而平滑的调速范围。2、具有较硬的机械特性和良好的调节特性。3、具有快速响应特性。4、空载始动电压小。
4、PWM功率放大器的基本原理是什么？«简述PWM脉宽调速原理。(P68-P69)
【参考答案】PWM功率放大器的基本原理是：利用大功率器件的开关作用，将直流电压转换成一定频率的方波电压，通过对方波脉冲宽度的控制，改变输出电压的平均值。
将图中的开关S周期性地开关，在一个周期T内闭合的时间为τ，则一个外加的固定直流电压U被按一定的频率开闭的开关S加到电动机的电枢上，电枢上的电压波形将是一列方波信号，其高度为U、宽度为，如图所示。电枢两端的平均电压为：
（6-17）
式中 =/T=Ud/U，(0<<1) 为导通率（或称占空比）。
当T不变时，只要改变导通时间，就可以改变电枢两端的平均电压Ud。当从0~T改变时，Ud由零连续增大到U。

5、按选用的电动机不同，交流伺服系统的分为哪几类？各适用于什么场合？(P79)
【参考答案】按其选用不同的电动机而分为两大类：同步型交流伺服电动机的伺服系统和异步型交流伺服电动机的伺服系统。前者多用于机床进给传动控制、工业机器人关节传动和其它需要运动和位置控制的场合。后者多用于机床主轴转速和其它调速系统。
«6、简述SPWM脉宽调速原理。(P81-P83)
【参考答案】SPWM脉宽调速原理是以功率很小的，幅值和频率均可调的正弦信号电压，及等腰三角波（载波）比较（调制）后，形成SPWM调制波。由它去驱动主电路的开关器件，产生较大功率的SPWM调制波输出，再通过负载电感的滤波作用（解调），可获得幅值及控制电压成正比、频率及控制电压同频率的较大功率的正弦波。
7、简述步进电动机的工作原理及其特点。(P84-P85)
【参考答案】步进电动机是一种同步电动机，定子磁场在空间旋转时，转子跟随定子磁场同步旋转。定子磁场的激磁磁势为脉冲式，使磁场以一定频率步进式旋转，转子也就一步一步旋转。可见，步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移（或直线位移）的执行元件。给步进电动机供电的电源是脉冲电源，而不是直流电源或正弦交流电源。
«步进电动机的特点是：
（1）步进电动机转子的转速主要取决于脉冲的频率，转子总的角位移取决于总的脉冲数，转子的转向取决于分配脉冲的相序。其步距值不受各种干扰因素的影响。
（2）步进电动机每走一步所转过的角度（实际步距值）及理论步距值之间总有一定的误差。从某一步到任何一步，即走任意步数后，也总会有一定的累积误差，但每转一圈的累积误差为零，亦即步距误差不长期积累。
（3）步进电动机带负载的能力比较差。
«8、什么是步距角，步距误差及哪些因素有关？步进电机的角位移大小、速度大小、方向如何确定？(P85-P89)
【参考答案】驱动器每向步进电机输入一个电脉冲信号，步进电机转动一个角度，称为步距角。步进电机单相通电时，步距误差取决于定子和转子的分齿精度和各项定子错位角度的精度。多相通电时，步距误差不仅和加工装配精度有关，还和各相电流的大小、磁路性能等因素有关。
步进电机的角位移大小及输入脉冲的数量和脉冲频率成正比；改变通电频率可改变电动机的转速；改变通电顺序可改变步进电动机的旋转方向。
«【举例说明】三相变磁阻式步进电动机，转子齿数Z=100,双三拍制通电，要求电动机转速为120r/min，步距角为多少？输入脉冲频率为多少？
【参考答案】由步距角公式:β=3600/kmz 且已知K=1，M=3，Z=100，可得：
步距角β=3600/1*3*100=1.2º
又根据n（转速）=60f/kmz可得：输入脉冲频率f=kmzn/60=1*3*100*120/60=600Hz
«9、什么是环行分配器？实现环行分配有哪些方法？如果三相步进电动机绕组为U、V、W，写出三相六拍的通电顺序。(P85-P86)
【参考答案】步进电动机的各绕组必须按一定的顺序通电才能正确工作，这种使电动机绕组的通电顺序按输入脉冲的控制而循环变化的装置称为脉冲分配器，又称为环形分配器。
实现环行分配有三种方法：一种是采用计算机软件分配，采用查表或计算的方法来产生相应的通电顺序。第二种是采用小规模集成电路搭接一个硬件分配器。第三种即采用专用的环形分配器。
通电顺序为：U→UV→V→VW→W→WU→U…（正转）U←UV←V←VW←W←WU←U…（反转）
10、功率驱动器的功能是什么？按主电路结构，步进电动机驱动电路分为哪几种？(P87-P88)
【参考答案】功率驱动器的功能是将环形分配器的输出信号进行功率放大，得到步进电动机控制绕组所需要的脉冲电流及所需要的脉冲波形。
按主电路结构，步进电动机驱动电路分为：1、单电压驱动电路。2、高、低压双电压驱动电路。
«11、何为电液伺服系统？根据被控制物理量的不同，可分为哪几种电液伺服系统？(P89)
【参考答案】电液伺服系统是由电信号处理部分和液压的功率输出部分组成的控制系统。根据被控制物理量的不同可分为：电液位置伺服系统、电液速度伺服系统、电液力（或压力）伺服系统等。
第四章 计算机控制技术
1、计算机控制系统的类型有哪些？ (P97-P99)
【参考答案】计算机控制系统的类型有：1、操作指导控制系统。2、直接数字控制系统（DDC）。3、监督控制系统（SCC）。4、分布式控制系统（DCS）
2、何为采样过程？何为量化过程？量化单位和量化误差如何计算？(P97)
【参考答案】将模拟信号抽样成离散模拟信号的过程为采样过程。采用一组数码来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换成数字信号的过程为量化过程。
量化单位：q=M/2N 量化误差：ε=±q/2
«【举例说明】有一变化量为0~16V的模拟信号，采用4位A/D转换器转换成数字量，输入到微机控制系统中，试求其量化单位q=?，量化误差最大值εmax＝？
【参考答案】模拟信号Vmax＝16V、Vmin＝0，则M=16，取N＝4，则q＝1V，量化误差最大值εmax＝±0.5V。
3、工业计算机主要起什么作用？工业控制计算机由哪几部分组成？(P108)
【参考答案】工业计算机主要是处理来自检测传感装置的输入，并把处理结果输出到执行机构去控制生产过程，同时可对生产行监督、管理的计算机系统。工业控制计算机由计算机基本系统和过程I/O子系统两大部分组成
4、可编程控制器是一种什么类型的计算机？主要用于哪些领域？(P109)
【参考答案】可编程控制器是一种专为工业环境下应用而设计的，以微处理芯片为核心的新型工业控制装置。主要用于工业现场控制。
5、数／模和模／数转换器的作用分别是什么？(P103-P105)
【参考答案】模／数转换器的作用是将这些模拟量再变换成数字量，以便计算机识别。数／模转换器的作用则是将经计算机处理后的数字量转换成模拟电压或信号，输送到执行机构，达到控制过程的目的。
第五章 可靠性和抗干扰技术
1、何为可靠性？它包括哪些内容？
【参考答案】可靠性是产品在规定的条件下、在规定的时间内完成规定的功能的能力。
它包括的内容：（1）、产品。(2)、规定的条件。(3)、规定的时间。(4)、规定的功能。
«2、何为可靠性指标？衡量可靠性高低的数量指标有哪些？机电一体化系统及产品常用的可靠性指标有哪些？
【参考答案】可靠性指标是可靠性量化分析的尺度。衡量可靠性高低的数量指标有两类，一类是概率指标，另一类是寿命指标。常用的可靠性指标有可靠度、失效率、平均寿命、平均维修时间、有效度。
3、何为可靠性设计？其目的是什么？包括哪几方面的内容？
【参考答案】可靠性设计就是事先考虑产品可靠性的一种方法。
可靠性设计目的就是要使系统在满足规定可靠性指标，完成预定功能的前提下，使系统的技术性能、重量、成本以及时间等各方面取得协调，求得最佳设计；或是在性能、重量、成本、时间和其它要求的约束下，设计能得到实际高可靠度的系统。
包括以下几方面的内容：(l)．确定产品的可靠性指标及其量值(2)．产品的失效分析(3)．产品的可靠性分析(4)．产品的可靠性分配(5)．产品的可靠性验证
4、提高系统可靠性的途径有哪些？
【参考答案】提高系统可靠性主要从以下3个方面考虑：（1）提高系统各组成元、器件的设计、制造质量及系统的装配质量；（2）采用容错法设计；（3）采用故障诊断术，提高系统的可维护性。
5、何为电磁干扰？按性质及耦合方式分，干扰分为哪几种？
【参考答案】电磁干扰一般是指系统在工作过程中出现的一些及有用信号无关的，并且对系统性能或信号传输有害的电气变化现象。(一) 按干扰性质分（1）．自然干扰（2）．人为干扰（3）．固有干扰(二) 按干扰的耦合模式分（1）．静电干扰（2）．磁场耦合干扰（3）．漏电耦合干扰（4）．共阻抗感应干扰（5）．电磁辐射干扰
6、对一个机电一体化系统，产生电磁干扰的条件有哪些？
【参考答案】干扰的产生和引起，既及系统本身的结构和制造有关，也及工作环境有关。产生电磁干扰必须同时具备干扰源、干扰传播途径和干扰接收器三个条件。

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