机电一体化系统设计主观题复习提纲2015春

。

一、填空题

1.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。

2.机电一体化的概念已不再局限

于某一具体产品的范围，而是扩

大到控制系统和被控

制系统相结合的产品制造和

过程控制的大系统，如柔性制造

系统、计算机集成制造系统及各

种工业过程控制系统。

3.根据不同的使用目的，要求机电

一体化系统能对输入的物质、

能量和信息(即工业三大要

素)进行某种处理。

4.机电一体化产品不仅是人的手

与肢体的延伸，还是人的感官

与头脑的延伸，具有“智能

化”的特征是机电一体化与机械

电气化在功能上的本质差别。

5.要从能量流、信息流

及物质流的视角去分析机电一

体化共性关键技术。

6.要从伺服控制系统稳、准、

快的要求认识机电一体化共

性关键技术。

7.构成机电一体化系统的要素或

子系统之间必须能顺利地进行

物质、能量和信息的传递与交

换。为此，各要素或各子系统

连接处必须具备一定的“联系条

件”，这些联系条件称为接

口。

8.丝杠螺母机构四种基本传动形

式包括：螺母固定、丝杆转动并

移动，丝杆固定、螺母转动并移

动，丝杆转动、螺母移动和螺

母转动、丝杆移动。

9.滑动导轨副常见的截面形状有

三角形、矩形、燕尾形和圆形。

10.机电一体化系统对机械系统要

求是较高的定位精度和良好的

动态响应特性

11.传感器按其能量传递方式可分

为（能量转换型（或发电型传感

器））和（能量控制型（或参量

型传感器））两种。

12.传感器按其输出信号的性质可

分为（模拟式传感器）和（数学

式传感器）。

13.传感器所测量的物理量基本上

有两种形式，即（静态量）和（动

态量），前者所表现的信号不随

时间变化而变化或变化很缓慢，

而后者所表现的信号随时间的

变化而变化。

14.传感器频域动态性能指标主要

包括带宽频率、（工作频带）和

（谐振频率）。

15.光电式角编码器按编码方式可

分为（绝对式编码器）和（增量

式编码器）两种。

16.根据对滑尺绕组供电方式的不

同以及对输出信号的检测方式

不同，感应同步器分为（鉴相型

测量）和（鉴幅型测量）。

17.描述二阶传感器系统动态特性

的微分方程中包括的系统参数

为静态灵敏度、（固有频率）和

（阻尼比）。

18.机电一体化系统设计的方法主

要包括：机电互补法、融合

（结合法）和组合法。其目的

是综合应用机械技术和微电子

技术各自的特长，设计出最佳的

机电一体化系统（产品）。P12

19.机电一体化系统的设计类型大

致有以下三种：开发性设计、

适应性设计和变异性设计。

P13

20.机电一体化产品的现代设计方

法有：（1）计算机辅助设计与并

行设计、（2）虚拟设计、

（3）快速响应设计、（4）可靠性设

计、（5）绿色设计、（6）反求设计、

（7）优化设计和

（8）网络合作设计P19 （考试时选

填2-3个空）

21.常用的步进电机的功率放大电

路有答：单电压功率放大电路；

高低压功率放大电路；恒流源功

率放大电路；斩波恒流功率放大

电路等几种类型

四、简答题

1、机电一体化产品与传统机电产品

的主要区别有哪些？

（1）机电一体化产品功能的实现是所有功能单元共同作用的结果，而

传统机电设备中机械与电子系统

相对独立，可以分别工作。（2）机电一体化产品可以用最简单的机械结构来实现高精度的复杂运

动，而传统的机电产品必须用十

分复杂的机械才能实现，有的甚

至根本无法实现。

（3）机电一体化产品具有“柔性”，而传统的机电产品往往是“刚性”

的。也就是说，机电一体化产品

可以通过软件的方法来改变工作

方式，而传统的机电产品不具备

这种功能。

（4）具有“智能化”的特征是机电一体化产品与传统的机电产品在功

能上的又一本质区别。

（5）机电一体化产品更便于实现生产过程自动化，机电一体化产品借

助于其通信功能可以与上位计算

机传递信息，也可以互相之间通

信构成网络。可以方便的组态以

改变生产过程，又能各自独立工

作。

2、完善的机电一体化系统主要包括

哪几部分？

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。

3、设计类型(参考填空18)

（1）开发性设计

不参照已有产品，仅仅根据抽象的

设计原理和要求，设计出在质量和性能

方面满足目的要求的产品（系统）。

（2）适应性设计

在总的设计方案、原理基本保持不

变的情况下，对现有产品进行局部更

改，或用微电子技术代替原有的机械结

构或为了进行微电子控制对机械结构

进行局部适应性设计，以使产品在性能

和质量上增加某些附加价值。

（3）变异性设计

在设计方案和功能结构不变的情

况下，仅改变现有产品的规格尺寸使之

适应于量的方面有所变更的需求。

4、画出概念设计的步骤及方法框

图。

5、机电一体化产品的现代设计方法

有哪些? (参考填空题20)

参考答案

（1）计算机辅助设计与并行设计（2）虚拟设计（3）快速响应设计（4）可靠性设计

（5）绿色设计（6）反求设计（7）优化设计（8）网络合作设计

6、滚珠丝杠副的轴向间隙对系统有

何影响？常采用什么措施消除滚

珠丝杆副轴向间隙？

参考答案：承载时滚珠和滚道型面接触点的弹性变形所引起的螺母轴向位移量和丝杠螺母副自身轴向间隙的总和称为滚珠丝杆副的轴向间隙。换向时，轴向间隙会引起空回现象，这种空回是非连续的，既影响反向传动精度，又影响系统稳定性，应予以消除。为了消除空回误差，在螺杆上装配两个螺母1和2，调整两个螺母的轴向位置，使两个螺母中的滚珠在承受载荷之前就以一定的压力分别压向螺杆螺纹滚道相反的侧面，使其产生一定的变形，从而消除了轴向间隙，也提高了轴向刚度。常用消除滚珠丝杆副轴向间隙的方法有下列几种：双螺母螺纹预紧调整、

双螺母齿差预紧调整、双螺母垫片调整

预紧、弹簧式自动调整预紧、单螺母变

位导程预紧和单螺母滚珠过盈预紧。

7、为什么要消除齿轮副间隙？常

用什么措施消除圆柱直齿轮副的

间隙？

参考答案：齿轮副的间隙使得在

传动过程中，主动轮突然改变旋转方向

时，从动轮不能立即随之反转，而是有

一个滞后量，造成齿轮传动的回差，对

运动精度影响很大，同时会影响闭环伺

服系统的稳定性。

消除齿轮副间隙通常分为刚性

调整法和柔性调整法。其中圆柱齿轮传

动中常用的调整齿侧间隙的方法有偏

心套（轴）调整法、轴向垫片调整法和

双片薄齿轮错齿调整法。

8、滚动导轨有什么优缺点？

参考答案：滚动导轨的优点是：①

摩擦系数小，运动灵活；②静、动摩擦

系数基本相同，不易产生爬行；③可以

预紧,刚度高；④寿命长；⑤精度高；

⑥润滑方便；⑦专业厂生产，可以外购

选用；滚动导轨的缺点是：①导轨面与

滚动体是点接触或线接触，抗振性差，

接触应力大；②对导轨的表面硬度、表

面形状精度和滚动体的尺寸精度要求

高；③结构复杂，制造困难，成本较高；

④对脏物比较敏感，必须有良好的防护

装置。

9、7.请说明图示齿轮齿条传动中消

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

参考答案：当传动负载大时，可

采用双齿轮调整法。如图所示，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，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l 、6转动，其齿便分别紧贴在齿条7上齿槽的左、右侧，消除了齿侧间隙。 10、 简述传感器的基本组成及各组成部分的功能 答：(1)传感器通常由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成。(2)传感（敏感）元件：直接感受被测非电量，并按一定规律将其 转换成与被测非电量

有确定对应关系的其它物理量。如弹性敏感元件将力转换为

位移或应变输出；转换元件：将敏感元件输出的非电物理量（如位移、应变、光强等）转换成电路参量（如电阻、电感、电容等）；基本转换电路：将电路参数量转换成便于测量的电学量，如电压、电流、频率等。 11、 什么是传感器的静态特性？衡量传感器静态特性的重

要指标有哪些？ (1) 传感器的静态特性就是指被测量x 不随时间变化，

或随时间的变化程度远缓慢于传感器固有的最低阶运动模式的变化程度时，传感器的输出量y 与输入量x 之间的函数关系。

(2) 衡量传感器静态特性的重要指标是：线性度、灵敏度、分辨率、迟滞、重复性、稳定性和漂移。 12、 什么是传感器的动态特性？其分析方法有哪几种？

(1) 传感器的动态特性是指传感器对动态激励(输入)

的响应(输出)特性，即其输出对随时间变化的输入量的响应特性。反映输出值真实再现变化着的输入量的能力。

(2) 传感器的动态特性可以用基于时域的瞬态响应法和基于频域的频率响应法来分析。其中，时域分析通常用阶跃函数、脉冲函数和斜坡函数作为激励信号来分析传感器的动态特性；频域分析一般用正弦函数作为激励信号来分析传感器的动态特性。

13、 简述绝对式编码器和增量式编码器的区别

(1) 绝对式编码器：编码器输出的位置数据是唯一的；编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了；使用寿命长，可靠性高，其精度和分辨率取决于光码盘的精度和分辨率。

(2) 增量式编码器：编码器每转动一个预先设定的角

度将输出一个脉冲信号，通过统计脉冲信号的数

量来计算旋转的角度，因此编码器输出的位置数

据是相对的；由于采用固定脉冲信号，因此旋转角度的起始位可以任意设定；由于采用相对编码，

因此掉电后旋转角度数据会丢失，需要重新复位。

14、 简述直流伺服电机的PWM 工作原理

答：直流伺服电机的速度与所加电压之间成线性关系，这是电机的调速特性，PWM 的工作原理为：通过晶闸管或其他自关断器件的控制，将直流电压断续地加到直流伺服电机上，

利用调节通、断的时间变化来改变加在直流伺服电机上的平

均电压值，从而调节直流伺服电机的运行速度 15、 什么是PID 调节器？三部分在系统调节中各起什么作用？ 按偏差的比例、积分和微分进行控制的调节器，将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量，简称为P （比例）I （积分）D （微分）调节器，是连续系统中技术成熟、应用最为广泛的一种调节器。 a. PID 调节器中比例调节起纠正偏差的作用，其反应迅速；

b. 积分调节能消除静差，改善系统静态特性；

c. 微分调节有利于减少超调，加快系统的过渡过程。

五.综合、计算题（10分）

1. 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J m =4×10-4kg ·m 3，与电机输出轴相连的小齿轮的转动惯量J 1=1×10-4kg ·m 3，大齿轮的转动惯量J 2=1.8×10-4kg ·m 3，丝杠的转动惯量J s =3.8×10-4kg ·m 3。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J G ；

（2）传动件折算到电机轴的等效转动惯量J e ；

（3）电机轴上的总转动惯量J 。

图 直流电机丝杠螺母机构驱动工作台

解答：

1）工作台折算到丝杠上的等效转动惯量：

22420.005

()50()0.3169102 6.28

G t J m kg m

π-==?=?? 2）传动件折算到电机轴的等效转动惯量Je ； 242

4444221.10236676.15108.1108.3103169.0101m kg i J J J J J s e e -----?=?+?+?+?=+++= 3）电机轴上的总转动惯量J 。

2444.10236676.510236676.1104m kg J J J e m ---?=?+?=+= 2.已知某四级齿轮传动系统，各齿轮的转角误差为Δφ1=

Δφ2=…=Δφ8=0.01弧度，各级减速比相同，即i 1 = i 2 =…= i 4 =3，求该系统的最大转角误差Δφmax 。 解答： 01975.084

7643544323243211max =?+?+?+??+?+???+?+????=?φ

φ

φφφφφφφ

i i i i i i i i i i 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。 解答：测量精度可理解为脉冲当量δ

求每转脉冲数s n δ

t i n s = 推出 005.045=?s n 得：160=s n 脉冲/转 选用200=s n 脉冲/转 合理 （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 s =500脉冲/转的旋转编码器是否合用？

图 直流电机丝杠螺母机构驱动工作台

解答：

800005

.04

==

δt

> 500=s n 不合用

（高速端与低速端本质区别就是涉及一个传动比i ）

2．如图所示的电机驱动工作台系统，其中驱动x 向工作台的三相双三拍步进电机，转子齿数z 为100。滚珠丝杠的

齿轮减速器 滚珠螺母 齿轮减速器

基本导程为l 0=6mm 。已知传动系统的横向(x 向)脉冲当量δ为0.005mm/脉冲。试求：

（1）步进电机的步距角α； （2）减速齿轮的传动比i 。

解答：（1）步进电机的步距角α

?=??

=??=

2.13

100360360m z α

（2）减速齿轮的传动比i

α

δ

?

?

=3600

i l =>

?

?

?=2.1360005.06i => 4=i

2.已知四级齿轮传动系统中，各齿轮的转角误差为

'

123418

φφφφ?=?=?=?=，

'

567812

φφφφ?=?=?=?=。计算该齿轮传动

系统折算到输出端的总转角误差。其中：齿轮的模数均为

mm m 1=，Z 1=20，Z 2=30，Z 3=18，Z 4=36，Z 5=20，

Z 6=40，Z 7=20，Z 8=60。 解：1.)计算各级传动比：

2114236358471123430 1.5203621840220

603

20

1.522318

z i z z i z z i z z i z i i i i i =======

=======???=

2.)计算总传动比：

max 12345671max

8

234344

n

k k k n i i i i i i i i φφφφφφφφφφφ=????= ? ???

?+??+?+??∴?=++++?∑Q

由题意已知：

'123418φφφφ?=?=?=?=，

'567812φφφφ?=?=?=?=

则：

234567

1max 8234344

'''''''''

181818181212121218126329i i i i i i i φφφφφφφφφ?+??+?+???=

++++?+++=++++=

3. 设有i =20,传动级数n= 2的小功率传动,试按等效转动惯

量最小原则分配传动比。

解：按最小等效转动惯量分配传动比的计算公式：

()()()

21122121

12121

/22

21,2,,2n n n

n n k k n i i

i i k n ------=??

== ?

??

L

根据题意，有：

()()222

21

1

221

2

1

1221

1

221

21116

3

2

2

202203.0463

n n n

n i i --------==?=?=，

()()222121

22/223

20222106.563

i --??

= ?

??=?=

验算：2

2 3.046

3 6.56320i i ?=?≈

4、某数控系统结构如图所示。图中，1J 和2J 分别为中间

轴和末端轴转动惯量，

1K 和2K 分别为中间轴和末端轴的

刚度，L T 为负载转矩。假设伺服电机反电动势常数为b K ，

电机

滚珠丝杠

工作台

i

电机驱动工作

转矩系数为T K ，电枢电阻为a R ，转动惯量为m J ，电机

机电放大系数为m K ，机电时间常数为m T ，测速电机比电势为F K ，编码器增益为P K ，忽略电枢电感及齿轮的转动惯量，试回答下列问题：

L

（1）求负载折算到伺服电机轴上的等效转动惯量

e J 、等效

刚度e K 和等效负载转矩e T

（2）将计算机等效为一个PID 环节，试画出该系统的传递函数方框图 参考答案： （1）惯量折算：

2

1

212

3

14

22???

? ??+

???

? ????=

z z J z z z z J J e ；

刚度折

算：2

2

122

42

311111???

? ???+

???

? ?????=z

z K z

z z z K K

e

；

转矩折算：3

142z z z z T T L e

??=

（2）

5、有一个工作台由一台三相反应式步进电机直接驱动滚珠丝

杆螺母副带动工作台移动，假定步进电机的转子有40个齿，步进电机的通电方式为A-AB-B-BC-C-CA-A ，滚珠丝杠的导程P h 为20mm ，试求在一个脉冲作用下工作台的位移？ 解：步进电机的步距角为：（5分）

360 1.5z m

θ==?o

o

在一个脉冲作用下，步进电机转动给一个步距角，此时工作台的位移x 为：（5分）

0.08332h

P x mm θπ

=?

=