机电一体化系统设计 修订版 课后答案 张建民编

机电一体化技术第 4 章参考答案
试说明 CPU、MC 和 MCS 之关系。
答：微处理机简称 CPU，它是一个大规模集成电路器件或超大规模集成电路器件，器 件中有数据有数据通道、多个寄存器、控制逻辑和运算逻辑部件，有的器件还含有时钟电 路，为器件工作提供定时信号。
微型计算机简称 MC。它是以微处理机为中心，加上只读存储器，随机存取存储器，输 入|输出接口电路、系统总线及其他支持逻辑电路组成的计算机。
上述微处理机、微型计算机都是从硬件角度定义的，而计算机的使用离不开软件支 持。一般将配有系统软件、外围设备、系统总线接口的微型计算机系统，简称 MCS。
4-3、在设计微机控制系统中首先会遇到的问题是什么？
答： 在设计微机控制系统时，首先会遇到专用与通用的抉择和硬件与软件的权衡问题。
4-17 试说明光电耦合器的光电隔离原理。
答:光电隔离电路主要 由光电耦合器的光电 转换元件组成，如下 图所示.
控制输出时，从上图 a 可知，微机输出的控 制信号经 74LS04 非门 反相后，加到光电耦 合器 G 的发光二极管 正端。当控制信号为 高电平时，经反相后，加到发光二极管正端的电平为低电平，因此，发光二极管不导通， 没有光发出。这时光敏晶体管截止，输出信号几乎等于加在光敏晶体管集电极上的电源电 压。当控制信号为低电平时，发光二极管导通并发光，光敏晶体管接收发光二极管发出的 光而导通，于是输出端的电平几乎等于零。同样的道理，可将光电耦合器用于信息的输 入，如上图 b 所示。
4-20 试说明检测传感器的微机接口基本方式。
答：①模拟量接口方式：传感器输出信号→放大→采样/保持→模拟多路开关→A/D 转换→
I/O 接口→微机
②开关量接口方式：开关型传感器输出二值式信号(逻辑 1 或 0) →三态缓冲器→微机
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③数字量接口方式：数字型传感器输出数字量(二进制代码、BCD 代码、脉冲序列等) →计数器→三态缓冲器→微机
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机电一体化技术第 5 章参考答案
5-2 简述采样定理？
如果 是有限带宽信号，即| |> 时，E（j ）=0。而 是 e（t）的理想
采样信号，若采样频率
,那么一定可以有采样信号 唯一地决定出原始信号
e（t）。也就是说，若
，则由 可以完全地恢复 e（t）。
5-3 简述数字控制系统 A/D 转换过程。
模/数转换装置每隔 T 秒对输入的连续信号 e（t）进行一次采样，采样信号为 e*（t），如 图 a 所示。该采样信号是时间上离散而幅值上连续的信号，它不能直接进入计算机进行运 算，必须经量化后成为数字信号才能为计算机所接受。将采样信号经量化后成为数字信号 的过程是一个近似过程，称量化过程。现对量化过程作简单的说明：将采样信号 e*（t） 的变化范围分成若干层，每一层都用一个二进制数码表示，这些数码可表示幅值最接近它 的采样信号。如图 b 所示，采样信号 A1 为 1.8V，则量化值 A1’为 2V，用数字 010 来代表； 采样信号 A2 为 3.2V，则量化值 A2‘为 3V，用数字量 011 代表。这样就把采样信号变成了数 字信号。
a
b
5-5 简述多输入多输出系统的静力学方程。
答：设对微小输入位移
有微小的输出位移 ，则输入功的总和和输出功的总和分别为：
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其中 忽略机构内部机械损失时，两式相等。由于 个输入有 用 表示输入力（或转矩）时，写成
相互独立，则对第 i
式中
——力（或转矩）的变换系数，是 n*m 矩阵。
5-6 简述两自由度机器人逆动力学方程。
答：首先利用逆运动学方法将轨迹｛x(t),y(t)｝变换成为关节运动φ1(t)、φ2(t)，然后 从φ1 和φ2 导出计算关节力矩 T1、T2 的计算公式。由平面几何学知识，可得逆运动学解为
=
=
式中 p=
，q=
。
逆运动学解可由 Lagrange 公式解出。设计器人得负载只有各臂端部的质量
，
则
=
]*[
]+
式中第一项相当于惯性项，第二项相当于离心力与哥氏力。
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机电一体化技术第 7 章参考答案
7-3 机电一体化系统中的典型负载有哪些？说明以下公式的含义：
J
k cq
m i 1
mi

vi k
2

n i 1
Jj
j

k
2

答：典型负载是指惯性负载、外力负载、弹性负载、摩擦负载（滑动摩擦负载、粘性摩擦
负载、滚动摩擦负载等）。对具体系统而言，其负载可能是以上几种典型负载的组合，不一
定均包含上述所有负载项目。
第一式表示等效转动惯量。该系统运动部件的动能总和为 E
1 2
m i 1
mi vi2
1 2
n i 1
J
j
2 j
设、等效到元件输出轴上的总动能为 Ek
1 2
J
k 2
cq k
，由能量守恒：E
=Ek
故
J
k cq
m i 1
mi

vi k
2

n i 1
Jj
j

k
2

用工程上常用单位时，可将上式改写为
J
k cq
1 4 2
m i 1
mi

vi nk
2
n i 1
J
j

nj nk
2
第二式表示等效负载转矩。设上述系统在时间 t 内克服负载所作的功德总和为：
m
n
W Fivit Tj jt ， 同 理 ， 执 行 元 件 输 出 轴 在 时 间 t 内 的 转 角 为
i 1
j 1
k kt 则，执行元件所作的功为WK Tekqkt ，由WK W 得：
Tekq
m
Fivi / k
i 1
n
Tj j
j 1
/ k
，或 Tekq
1 2
m
Fivi / nk
i 1
n
Tjn j / nk
j 1
7-4 设有一工作台 x 轴驱动系统，已知参数为下表中所列，已知 mA=400 ㎏， Ph=5mm,Fl 水平=800N，Fl 垂直=600N，工作台与导轨间为滑动摩擦，其摩 擦系数为 0.2，试求转换到电动机轴上的等效转动惯量和等效转矩。
答：
（1）由公式：
J
k cq
1 4 2
m i 1
mi

vi nk
2

n i 1
J
j

nj nk
2

可得：v1=n 丝*Ph/1000（和转速 n 的单位要统一所以不必算出最终值） Jkeq =1/4л2ma(v1/nk)2+JG1(nG1/ nk)2+JG2(nG2/ nk)2+JG3(nG3/ nk)2+JG4(nG4/ nk)2+JⅠ(nⅠ/ nk)2+JⅡ(nⅡ/
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