期末考试机电一体化计算试题

如图所示的伺服系统，试分析齿轮减速器的传动误差对工作台输出精度的影响。

对于开环步进电机位置控制系统，由于无检测装置，不对位置进行

检测和反馈，齿轮减速器的

传动误差（误差的高频分量）和回程误差（误差的低频分量）将直接影响工作台的输出精度

四、计算题 (24分)

1．（14分）已知图示丝杠螺母驱动系统，工作台的质量m =80Kg ，丝杠螺距t =6mm ，丝杠的转动惯量23106.1m Kg J s ⋅⨯=-，齿轮传动比i ＝2，两齿轮的转动惯量分别为241g 102.1m K J z ⋅⨯=-，232

g 109.1m K J z ⋅⨯=-。试求折算到电机轴上的总等效惯量J e ？

等效惯量可以分为以下几个部分来计算 （1）电机轴上的元件（齿轮1）

2411102.1m kg J J Z e ⋅⨯==-

（2）中间轴上的元件（齿轮2）

2

432

22121075.4109.12

11m kg J i J Z e ⋅⨯=⨯⨯==

-- （3）负载轴上的元件（丝杠、工作台）

)(1

23L s e J J i

J +=

丝杠惯量：

23106.1m kg J s ⋅⨯=-

工作台折算到丝杠上的惯量：

24221073.0)28

.6006.0(80)2(

m kg t m J L ⋅⨯=⨯==-π 24432

31018.4)1073.0106.1(41)(1m kg J J i

J L s e ⋅⨯=⨯+⨯=+=

--- 总的折算惯量为

23444321.10013.11018.41075.4102.1m kg J J J J e e e e ----⨯=⨯+⨯+⨯=++=

2．（10分）如图所示电机驱动系统，已知工作台的质量为m =60Kg ，负载力为N 1200=l F ,最大加速度为10m/s 2

，丝杠直径为d =16mm ，导程t =4mm ，齿轮减速比为i =5，总效率为%40=η，忽略丝杠惯量的影响，试计算电机的驱动力矩。

（1）计算负载力

负载力由外负载力、惯性负载力两部分构成 外负载力 N F l 1200=

惯性负载力m F

N

a m F m 6001060=⨯=⋅=

（2）电机上的负载力矩为

Nm

F F t i T m l m 57.04.01)6001200(2104511)(213=⋅+⋅⨯⋅=⋅

+⋅⋅=-πηπ 五、综合题（16分）

已知某物料搬动机械手的结构与动作过程如图所示，要求机械手的操作方式分为手动方式和自动方式。机械手有升降、水平移动、手爪夹持等3个自由度，采用电磁阀控制的气缸驱动，PLC 控制。要求写出物料搬动机械手设计和产品开发的详细工程路线。

物料搬动机械手结构原理图

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：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。

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。

6）详细设计：

包括系统总体设计，业务的划分；控制系统设计；程序设计；后备系统设计；设计说明书、使用说明书。

7）详细设计方案评价

8）试制样机：机械本体、动力驱动系统、供电系统、控制系统、传感器、检测系统。

9）机械手样机的实验测试：调试控制系统、控制性能测试、功能测试、精度、工作空间测试、动态指标测试、作业试验。

10）技术评价与审定：对样机及其性能进行综合评价，提供改进意见，对不满意的部分进行修改，直至样机合格后方可进入下一步骤。11）小批量生产。

12）试销。

13）正常生产。

14）销售。

3．试分析比较液压马达和直流电机实现转动输出驱动的不同特点。

1）使用液压马达一般不需要中间传动机构，马达轴与负载轴直接连接，传动机构简单，结构紧凑；而直流电机驱动为得到合适的运动速度和负载能力，一般要使用较大传动比的减速器，传动机构的尺寸较大。

（2）在相同的负载条件下，液压马达比直流电机驱动的负载刚度大、快速性好；

（3）液压马达对环境条件要求不高，可在需要防水、防爆的条件下工作，需要使用电液伺服阀和专门的液压动力源，对环境有污染；而直流电机驱动要求有较好的工作环境，也不会污染环境。

1.已知数控机床控制系统如图所示，试说明图中的各个部分属于机电一体化系统中的哪一个基本要素？

图中各部可分为：

（1）控制及信息处理单元：键盘、计算机、显示

（2）测试传感部分：光电编码器、信号处理

（3）能源：电源

（4）驱动部分：功放、电机

（5）执行机构：联轴器、齿轮减速器、丝杠螺母机构、工作台

2.试分析图示传动系统中，齿轮减速器的传动误差对工作台输出精度的影响？

齿轮传动链位于电机之后，前向通道的闭环之外，其传动误差的低频分量和高频分量都不能通过闭环控制来消除，都会影响输出精度。如图所示的系统，试分析传感器的误差对输出精度的影响

传感器位于闭环之内的反馈通道上，其误差的高频分量（噪声信号）因系统的低通作用得到校正，不影响输出精度；

传感器误差的低频分量，如静态精度（分辨率等）直接影响输出精度，它决定了系统精度的上限。