机电一体化系统设计基础——答案完工..

《机电一体化系统设计基础》形成性考核册

学生姓名：**

学生学号： *************

班级： 11春机械

专业：机械制造与自动化

机电一体化系统设计基础课程作业（一）

一、填空题

1．控制及信息处理单元一般由控制计算机、控制软件和硬件接口电路组成。

2．机电一体化产品按用途可以划分为民用机电一体化、办公机电一体化和产业机电一体化产品。

3．机电一体化系统设计的质量管理主要体现在质量目标管理、实行可行性设计和进行设计质量评审三个方面。

4．市场预测主要包括定期预测和定量预测方法。

5．机电一体化系统中，机械传动要满足伺服控制在精度、稳定性和快速响应性等方面的要求。

6．在多级传动中，为了减小传动误差，传动比的分配应遵守前小后大原则。

7．当负载折算到电机轴上的惯量等于转子惯量时，系统能达到惯性负载和驱动力矩的最佳匹配。

8．机械传动系统中，影响系统传动精度的误差可分为传动误差和回程误差两种。

二、简答题

1．机电一体化系统中，传感测试部分的作用是什么？

机电一体化系统中传感测试部分的作用是对系统运行中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测，变为可识别的信号，传输到信息处理单元，经分析处理后产生控制信息。2．简述机电一体化产品设计的工程路线（主要步骤）

机电一体化产品设计的工程路线（主要步骤）：拟定产品开发目标和技术规范；收集资料，市场分析，可行性分析和技术经济性分析；总体方案设计；总体方案的评审和评价；详细设计；详细设计方案的评审和评价；试制样机；样机实验，测试；技术评价与审定；小批量生产；试销；正常生产；销售。

3．为什么采用机电一体化技术可以提高系统的精度？

机电一体化技术使机械传动部分减少，因而使机械磨损，配合间隙及受力变形等所引起的误差大大减少，同时由于采用电子技术实现自动检测，控制，补偿和校正因各种干扰因素造成的误

差，从而提高精度。

4．影响机电一体化系统传动机构动力学特性的主要因素有哪些？

影响系统传动机构动力学特性的主要因素有系统的负载变化；传动系统的惯性；传动系统的固有频率；传动系统中的摩擦与润滑。 5．转动惯量对传动系统有哪些影响？

在传动系统中，转动惯量增大使机械负载增加，功率消耗大；使系统相应速度变慢，降低灵敏度；使系统固有频率下降，容易产生谐振。

6．为减小机械系统的传动误差，可采用哪些结构措施？

减小机械系统的传动误差可采用的结构措施有：适当提高零部件本身的精度；合理设计传动链，减小零部件制造、装配误差对传动精度的影响；采用消隙机构，以减小或消除回程误差。 三、计算题

1．图示丝杠螺母驱动系统，已知工作台的质量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

，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 。

由

2

54311092.332

02

.004.0108.7m kg J z ⋅⨯=⨯⨯⨯⨯=

-π2

3432100.132

02

.009.0108.7m kg J z ⋅⨯=⨯⨯⨯⨯=-π

工作台折算到丝杠上的转动惯量为

（2）折算到电机轴上的转动惯量

2．试设计一数控机床工作台用滚珠丝杠副。已知平均载荷F m ＝3600N ，丝杠工作长度l ＝1.25m ，平均转速n m ＝120r/min ，每天开机6h ，每年250个工作日计，要求工作10年以上。丝杠材料为CrWMn 钢，滚道硬度为58～62HRC ，丝杠传动精度要求为±0.03mm。 注：本题可开卷完成 解：

（1）求计算载荷

由题设条件，查表3.4取K F ＝1.2，查表3.5取K H ＝1.0，假设丝杠为D 级精度，查表3.6，取K A ＝1.0。

则计算载荷 F c ＝K F K H K A F m ＝1.2×1.0×1.0×3600＝4320 N （2）计算所要求的额定动载荷C a ′

预期使用寿命 L h ′＝6×250×10＝15000h 并代入 n m ＝120r/min ，F C ＝4320N

N 2056310

67.115000

12043201067.134

3

4=⨯⨯⨯=⨯'

='

h m c a L n F C （3）根据C a ′的值选择滚珠丝杠副

设选用FCI 型号系列，按照满足C a ≥C a ′的原则，并考虑各种因素，查表3.7选出合用的滚珠丝

2

4431096.432

8

.003.0108.7m kg J s ⋅⨯=⨯⨯⨯⨯=

-π2

42

2102.12005.02002m

kg t m J G ⋅⨯=⎪⎭

⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛=-ππ()()

4432

5221102.11096.4100.125.211092.31----⨯+⨯+⨯+⨯=+++=G s z z e J J J i J J 2

41058.3m kg ⋅⨯=-

杠型号规格为FCI-5006-3，其主要参数尺寸： 公称直径 D 0＝50mm 导程 l 0＝6mm 螺旋角 λ＝2°11′ 滚珠直径 d 0＝3.969mm 丝杠小径 d 1＝45.63mm （4）检验稳定性

取弹性模量 E ＝2.06×105 MP a ，查表3.8长度系数μ＝2/3

丝杠轴惯性矩 474

4

1

m 1013.264

04563.014.364-⨯=⨯==d I π

不发生失稳之最大载荷

()()

N 1023.625.13/21013.21006.214.352

7

11222max ⨯=⨯⨯⨯⨯⨯==-l EI F μπ 安全系数 1733600

623000max ===c

F F S

查表3.8 许用安全系数[S]＝2.5～3.3。由S>[S]，可知丝杠是安全的，稳定性合乎要求。 （5）检验刚度

计算转矩 ()ρλ+=tan 2

0D F T m

取摩擦系数f ＝0.002，则ρ＝arctan0.002＝6′53″

()m N 58.3356112tan 102

50

36003⋅='''+'︒⨯⨯⨯

=-T 按最不利情况计算导程误差，每个导程的变形量

G

d Tl EA Fl GJ Tl EA Fl L c 422

020001642ππ+=+=∆

()m 1081.004563.014.310658.3161006.204563.014.3106360041142231123⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛⨯⨯⨯⨯⨯⨯+⨯⨯⨯⨯⨯⨯=-- =6.44×10－2μm

丝杠在工作长度上的导程误差

m 4.1310

61044.625.13

2

00μ=⨯⨯⨯=∆=∆--l l l L 通常，丝杠的导程误差ΔL 应小于其传动精度的1/2，即

m 15015.003.02

1

21μσ==⨯=<∆mm mm L