机电一体化系统设计课后答案.docx
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机电一体化系统设计课后答案
机电一休化技术第1章习题-参考答案1
1-1试说明较为人们接受的机电一体化的含义°1
V4何谓机电一体化技术革命?
1
17机电一体化系统有哪些基木耍索组成?
分别实现哪些功能?
1
询工业三大要素指的是什么?
1
M2一机电一休化系统的接口功能有哪两种?
1
1-16.什么是机电互补法、融合法、组合法?
1
机电一休化技术第2章习题-参考答案2
Z4设计机械传动部件时,为确保机械系统的传动精度和工作稳定性,常常提出哪些
耍求?
2
2-2机电一休化系统传动机构的作用是什么?
2
机电一休化系统(产品)对传动机构的基本要求是什么?
2
240现有一双嗾母齿差调整预紧式滚珠丝杠,其基木导程X0=6mm.一端的齿轮齿数为100、另一端的齿轮齿数为98,当其一端的外齿轮相对另一瑞的外齿轮转过2个齿时,试问:
两个嫖母之间相对移动了多大即离?
2
2-16各级传动比的分配原则是什么?
输岀紬转角误差最小原则是什么?
2
2-17已知:
4级齿轮传动系统,各齿轮的转角误差为心机二A(|)2辿|)3=..二0.005说,各級減頑比相冋,RPtl=i2=...=t4=1.5a求;该传动系统的最大转角课差坤max;为缩小
A 2 2-18谐波齿轮传动有何特点? 传动比的计算方法是什么? 3 249•设有一谐波齿轮减速器,其减速比为100,柔轮齿数为100•当刚轮固定时,试求该 谐波减疑器的刚轮齿数及输出轴的转动方向(与输入轴的转向相比较)3 2・20•齿轮f专动的齿侧问隙的调整方法有哪些? 3 2-25•轴系部件设计的基本耍求有哪些? 4 机电一体化技术第3章参考答案5 3-1简述机电一休化系统执行元件的分类及特点5 »2机电一体化系统对执行元件的基木要求是什么? 5 3-3简述控制用电动机的功率密度及比功率的定义。 5 3—5直流伺服电机控制方式的基本形式是什么? 5 3-6简述PWM直流驱动调速,换向的工作原理.6 步进电机具有哪些特点? 6 简述步进电机三相单三拍的工作原理? 6 311简述步进电机步距角大小的计算方法? 7 312简述三相步进电机的坏形分配方式? 7 简述步进电机驱动电源的功率放大电路原理7 机电一休化技术第4章参考答案9 试说明CPU、MC和MCS之关系。 9 4-3、在设计微机挾制系统中首先会遇到的问题是什么? 9 4-17试说明光电抿合髀的光电隔离原理。 9 4-20试说明检测传感器的微机接口基本方式。 9 机电一体化技术第5章参考答案11 5-2简述采样定理? 11 5-3简述数字控制系统A/D转换过程c—11 5-5简述多输入多输出系统的静力学方程。 11 5-6简述两口ft! 度机器人逆动力学方程。 12 机电一体化技术第7章参考答案13 7-3机电一体化系统中的典型负载有哪些? 说明以下公式的含文: 13 7_4设有一工作台x轴驱动索统,己知参数为卜•表中所列,己知mA=400kg, Ph=5mm,FI水平=800N.Fl垂直=600N,工作台与导轨问为滑动摩擦,其摩擦系数为 0.2,试求转换到电动机轴上的等效转动惯虽: 和等效转矩。 13 7-5•简述机电一休化系统的数学模型建立过程°比例坏节(P)、积分环节⑴、比例- 积分坏节(PI)和比例■积分•微分调节(PID)各有何优缺点? 14 7-8何谓机电一体化系统的“可靠性”? 17 1-1试说明较为人们接叉的机电一体化的含义° 答: 机电一体化乃是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术,并将机械装啓与电于装資用相关软件有机结合而构成系统的总称。 1-4何谓机电一体化技术革命? 答;将微型讣算机等微电于技术用于机械并给机械以“智能”的技术革新潮流河称“机电一体化技术革命”。 .机电一体化系统有哪些基本要素组成? 分别实现哪些功能? 答, 机电一体化系统(产品〉要素 功能 控制胖(计算机等》 控制(信思存储、处理、传送) 检测传感器 讣测(信息收集与变换) 执行元件 驱动(操作) 勿力沥 提供动力(能量) 机构 构适 工业三大要素指的是什么? 答: 物质、能呈、信息。 1・12■机电一体化系统的接口功能有哪两种? 答: 一种是变换、润整; 另一种是输入/输出。 146.什么是机电互补法、融合法、组合法? 答: 机电互补法又称取代法$该方法的特点是利用通用或专用电于部件取代传统机械产品 (系统)中的复杂机械功能部件或功能子系统,以弥补其不电 融合法它是将各组成婆素有机结合为一体构成专出或通用的功能部杵〔子系统),其婆素之间机电参数的有机匹配比较充分< 组合法它是将结合法制成的专用或通用功能部件(子系统)、功能模块,像积木那样组 合成各种机电一休化系统(产品),故称组合法。 2-1设计机械传动部件时,为确保机械系统的传动精度和工作稳定性,常常提出哪些要求? 答: 常提出低摩擦、无间隙、低惯卑商刚度、岳谐振频率、适、"I的阻尼比等。 2-2机电一体化系统传动机构的作用是什么? 答;传递转矩和转速。 2・3机电一体化系统(产品)对传动机构的基本要求是什么? 答,箱密化,商速化,小世、轻址化「 2-10现有一双螺母齿差调整预紧式滚珠録杠,英基本导程X0=6mm.一端的齿轮齿数为100、另一端的齿轮齿数为98,当其一端的外齿轮相对另一端的外齿轮转过2个齿时,试问: 两个螺母之间相对移动了多大距离? 答2Z1=100,Zs为8,AS二(2/心)*A0=0.02*6nrn^O.12nun。 2—16各级传动比的分配廉则是什么? 输出轴转角误差最小原则是什么? 答: (D各级传动比的分配原则是: •重量最轻: 丿京则 •输出轴转角决差晟小滋则 •等效转动惯址晟小廉则 (2)输岀僦转角渎差最小脈则是: 为提阳机电一体化黍统齿轮传动的精度,各级传动比应按先小后大的原则分配,以便降低齿轮的加1展差、安装戻差以及回转误: 差对输出转角粘度的影响。 总转角误差主要取决于晟未一级齿轮的转处滾差利转动比的大小,在设让中晟未两级传动比应取大一些,并尽基提高最未一级齿轮的加丄粕度。 2-17己知: 4级齿轮传动系统,各齿轮的转角误差为iiq)l=A(p2=A(p3=-=0.005ra 解;⑴ A如+A03A04+A05 A ■•,斗卜A巾p I121314i3l414 =0.005/1.5“40・01/1.58+0.01/1.S2*0.01/1.54-0.005 =0.00099+0.00296♦().0044440.0066740.005 二0・02006rad <1,)总转弭误差主要取决于晟未一级齿轮的转角误差利传幼比的大小,所以・•为缩小&4>inax,在设计中最未两级的传动比应取大一些,尽量提商最未一级轮副的加工精度“ 2-18谐波齿轮传动有何特点? 传动比的计算方法是什么? 答: (1)谐波齿轮传动特点有: 结构简讥、传动比大、传动粘度高、回程谍差小、嗓声低、传动平稳、承数能力强、效率爲等恃点. 谐波齿轮传动的波发生器相为于行星轮系的转隊柔轮相、3于行星轮,刚轮则相严于中心轮G故谐波齿轮传动装貿的传动比可以应用行星轮系求传和比的方式来讣算。 设 乞、%幽[分别为则轮、柔轮和波形发生器的角速度,则 呗性轮同定时,岂亡 2・19.设有一谐波齿轮减速器戾减速比为100,柔轮齿数为99当刚轮固定时,试求该谐波减速器的刚轮齿数及输111轴的转动方向(与输入轴的转向相比较) 答: 根撕公式: illr=Zr/(zr-zg)可知: 'IilLr=100Bt,Z(r99t(但一般刚轮齿数比柔轮齿数莎,所以舍去) illr=-100时,2g二101: 故该谐波减速器的刚轮齿数为101,C柔轮)输出轴方向与(波发生器)输入釉转向相反a(提示: 一般來说,刚轮仅比柔轮名几个齿: 刚轮固定时,柔轮与输岀轴固联: 柔轮固定时,刚枪与输出釉周联,两种情况下,波发生器均七输入釉同联) 2・20.齿轮传动的齿侧间隙的调整方法右•哪些? 答⑴恻柱齿轮传动: 1偏心套帥)调整法;2轴向垫片调整法;3双片薄齿轮锚齿调整法。 (2)斜齿轮传动: 钳齿调整法,用两个蒲片齿轮与一个宽齿轮啮合,只是在两个溥片斜齿轮的中间隔开了一小段距离,这样它的螺旋线便错开fo (3)锥齿轮采用弹賛诅整方式。 2・2乩轴系部件设计的基本要求有哪些? 答: ①旋转粕度 ②刚度 ◎抗炭性 4热变形 5轴上寥件的布置 机电一体化技术第3章参考答案 3-1简述机电一体化系统执行元件的分类及特点。 答: K 电动式 操作简便: 編程容易: 能实现 定位伺服: 响应快、能与CPU 相接: 休积小、动力较大: 无污 染 气动式 玉)J F7人 气5--作 S哄气漏遽 小「困JJK率龜输例功平传于 液动式 TV>要繚8() 僦作甌快 备笊氐有设液油且 3-2机电一体化承统对执行元件的基本要求是什么? 答: 1惯虽小、动力大2休积小、重址轻 3便于维•修、安装4易于微机控制 3-3简述控制用电动机的功率密度及比功率的定义。 答: 电动机的功率密度PG二P/G・电动机的比功率dp/dt=d(Tw)/dL=Ts/dl|l=ln=Tn7jin 其中Tn——电动机的额定转矩,N料1 Jm电动机转子的转动惯: kg*m2 3-5直流伺服电机控制方式的基本形式是什么? 答: 直流伺服电机为直流供电,为调节电动机的转速和方向,需要对其直流电斥的大小利方向进行控制。 目前常用晶体管咏宽调理驱动和晶闸管直流调速驱动两种方式。 晶闸管直流驱动方式,主嬰通过调节他发装置控制晶闸管的触发延迟角(控制电压的大小)來移动触发咏冲的相位,从而改变整流电尿的大小,使直流电动机电枢电用的变化易于平滑调速。 脉宽调制(PM'M)直流调速驱动系统T输入一个直流掃制电斥U时,就可得到一定宽度与;U成比例的脉冲方波给伺服电机电枢回路供电,通过改变脉冲宽度来改变电枢回路的平均电斥,从而得到不同电斥的电斥值LI&,使直流电动机平滑诡速。 3・6简述PWM直流驱动调速,换向的工作廉理。 答: 通过电源的通断來获得电斥脉冲信号,控制通断的时间比来获得不同的电斥脉冲,通的时间越长,获得的平均电斥越大,电机转的就快,反之,电机转的就慢。 电机的换向是通过桥式电路来实现的,它是由四个大功率的晶休管组成,通过在不同晶体管的基极加正负脉冲从而实现电机的转向控制。 为使其实现戏向调速,多采用桥式电路,其I: 作原理与线性放大桥式电路相似° 囲3.31PWM系统的主回路吐气瓯理 电桥由四个大功率的晶体管组成。 分别记作1.2.3.4.如果在1和3的基极上加以正.咏冲的同时,在2利4的基级上加以负脉冲,这时1和3导通,2和4导通°设此时的电动机转向为正;反之,则为负°电流的方向与前一悄况相反,电动机转向,显然,如果改变加到1利3,2和4这两组管子基极上控制脉冲的正负和导通率就可以改变电动机的 转向和转逆。 步进电机具有哪些特点? 答: L步进电机的工作状态不易受各种丁-扰因素(如电源电压的玻动、电流的大小勺波形的变化、温度等)的影响,只姜在他们的大小引起步班电机产生“丢步”的现線之前,就不影响其正常丄作: 2步进电机的步距角有误差,转子转过一定步数以后也会出现累计误差,但转子转过 3腔制世能好,在起动、停止、反转时不易“丢步” 闵此,步进电机广泛应用于开环控制的机电一休化系统,使系统简化,并可宛地获得较烏的位宜精度。 简述步进电机三相单三拍的工作原理? 答;如教材图例所示;如果先将电脉冲加到A相励磁绕俎,定子人相磁极就产生磁通,并对转子产生磁拉力,使转子的13两个齿与宦子的A相磁极对齐,而后再将电脉冲通入B相磁绕组,b相厳极便产生磁通,这时转¥24两个齿与B相磁极竈的最近,于是转子便沿着逆时甘方向转过30度角,使转子24两个齿与定子B相惑极对齐。 如杲按照A-C-Bf……的嗽序通电,步逬电机讲沿顺时针方向一步步地转动。 3-11简述步进电机步距角大小的计算方法? 答! ! 沪360/CK*M) 式中: 乙=转子齿数。 矗运行拍数。 通常等于相数或相数整数倍,即M=K*N(N为电动机的相数,玳拍是K=l,双拍时K=2)o 3-1Z简述三相步进电机的环形分配方式? 答: 1•采用讣算机软件・•利用査表式计算方法來进行脉冲的环形分配,简称软环分〜2•采用小规模集成电路搭接而成的脉冲分配器。 3.采用专用环形分配器件。 简述步进电机驱动电源的功率放大电路原理. 弧电斥功率放大电路 图3J4单电圧功率放大电珞 如图所示ABC分别为步进电机的三相,每一项由一组放大器驱动.没有脉冲输入时3DK4和3DD15功率晶休管截【上,绕组中无电流通过,电机不转。 、”|A相得电时,步进电机转动一步,、”1脉冲依次加到ABC三个输入端时,三组放大當分别驱动不同的绕组,是电机一步一步的转动。 电路终于绕组并联的二极管VD其续流作用记在功率截至时,是储存在绕组中的能: a通过二级管形成续流回路汛t放,从而保护功放管。 商低压功串放大电路(-> 无脉冲输入时,VTRVT2、VT3.VI4均截止,电动机绕组W无电流通过,电动机不转。 有脉冲通过时,VT1.VT2、”T3、YT4饱和导通,在讽2有截止到饱和期间,其集电极电流,迅逑上升。 、勺vt2进入稳态后U一次测电流暂时恒定,无磁通变化二次侧的感賊电圧为宰■、・13截1匕12v低电斥经21加到电动机绕组我w上并维持绕组中的电流。 输入结束后vll、vt2>vl3svtl又都截1匕储存在w中的能虽通过18欧姆的电阻和vd2放电,电阻的作用时间小放也回路的时间常数,改善电流波形的后沿° 8 试说明CPU、MC和MCSZ关系" 答: 微处理机简称mf它是一个大规模集成电路器件或超大规模集成电路器件,器件中有数撇有数据通道、多个寄存器、控制逻笹和运算逻辑部件,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MCc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I输出接口电路、系统总线及其他支持逻轻电路组成的计算机n 上述微处理机、微型计算机都是从硬件角度定义的,而讣算机的使用离不开软件支持。 一股将配有系统软件、外鬧设备、系统总线接口的微SKI•算机系统,简称 4・3、在设计微机控制系统屮首先会遇到的问题是什么? 各在设讣微机控制系统时,首先会遇到专用与通用的抉择和碘件与软件的权衡问題. 447试说明光电耦合器的光电隔离原理° A -严Sr 戕辦 r 1 1 L. r! j ♦UV 74j1y 输人任号 G >5V ZrxT 1tt;tl 答: 光电隔离电跻主姿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m可知,徽机输出的控制信号经74LS04非门反相后,加到光电耙合器G的发光二极管正瑞。 、*1控制信号为 闵此,发光一极管不导通, 冉电平时,经反相后,加到发光一极管正端的电平为低电is没有光发出。 这时光敏晶休管截I匕输出信号几乎等于加在光敏晶体管集电极上的电源电斥。 严腔制信号为低电平时,发光一极管导通并发光,光敏晶体管接收发光一极管发出的光而导通,于是输岀端的电平几乎等于專。 同样的道理,可将光电辎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。 答三①模拟虽接口方式三传感器输出信号f放大〜采样/保持〜摸拟壬路幵关〜A/D转换f 1A)接口一微机 ②开关塑接口方式三开关型传感器输出一值式信号(逻借1或0)f三态缓冲器〜微机 ③数字塑接口方式: 数字型传感器输岀数字虽(二进制代码、BCD代码、咏冲序列等) 计数器f三态缓冲器f微机 5-2简述采样定理? 如果工伸是有限带宽信号,即®1>叫g时,E(前)=0o而屮佃是e(I)的理想采样信号,若采样频皋3$冷2E昨,那么一定可以有采样信号h宙唯一地决定出原始信号e(I)。 也就是说,若旳弼,则由卢国可以完全地恢复e(L). 5-3简述数字控制系统A/D转换过程. 模/数转换装鱼每隔1秒对输入的连域信号e(I)进行一次采样,采样信号为e*Cl),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,龙'须经量化后成为数字信号才能为讣算机所接受。 将采样信号经虽: 化后成为数字信号的过程是一个近似过程,称址化过程°现对址化过程作简/的说明: 将采样信号曲(O的变化范隔分成若T层,每一层都用一个一进制数码表示,这些数码可表示幅值最接近它的采样倍号。 如图b所示,采样信号加为1.8Y,则量化值A;为2V,用数字OLO來代表: 釆样信号推为3.ZY,则址化值A2•为3V,用数字: g011代表.这样就把采样信号变成/数字信号。 ab 5-5简述多输入多输出系统的静力学方程。 y=ffK) 答: 设对微小输入位移刪・ 町■<1^44叫・•••■血JT,则输入功的总和和输出功的总利分别为: 迅叩二沌DC;士肿二诫L"■■中瓯 其中比=(岂『F尸(愛阳 忽略机构内部机械损失时,两式相等。 由于oC“JD3-,曙“相互独立,则对第i 个输入有H■箸親十鬃应i巾警监■(詡Fy)仇・诅+X) 用1%表示输入力(或转矩)时,写成 式中《艺〉*一一力(或转矩)的变换系数,是“細矩阵■ 5-6简述两自由度机器人逆动力学方程. 答: 首先利用逆运幼学方法将轨迹4⑴川⑴}变换成为关节运动切⑴、仏⑴,然后从b和机导出计算关节力矩丁】、山的让算公式。 由T-rtn'n何学知识,可得逆运动学解为 式中P=卩q二- 逆运动学解可由Lagrange公式解岀。 设计器人得负载只有各臂端部的质gnv»mu,则 ]*[ 式中第一项相“仟惯性项,第一项相十于离心力勺哥氏力。 7-3机电一体化系统屮的典型负载肓哪些? 说明以下公式的含文z 处严甜切叫*护1%> 答;典型负栽是描惯性负栽、外力负裁、弾性负栽、摩擦负栽(滑动摩擦负栽、粘性摩擦负栽、滚动摩擦负裁等九对具体系统而言,其负载可能是以上几种典型負载的组合,不一定均包含上述所有负裁项目. 第一式表示等效转动惯址。 该系统运动部件的动能总利为E= 2口2在] 设、等效到元件输出轴上的总动能为£k=1J*tvj,由能虽守恒: E立 2 用丄程上常用虹位时,可将上式改写为尤 第一式表示等效负裁转矩。 设上述系统在时间I.内克服负栽所作的功徳总利为; W! 力 附二》◎/+工弓呼,同埋,执行元件输出轴在时间I内的转角为i^Lj-1 似=砂则,执行元件所作的功为WK=T^d/.,由WK=W得: ntrz1mn 7>£屈伽十£7>J伽,或T衆〒乞恥仏迁工n-/険 >=4jm5>=1/=4 7・4设有一工作台X轴驱动系统》已知参数为下表屮所列,已知mA=400kg,Ph町mmJFl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。 ⑴由公丸心钦 可vl=n«^Ph/1000(利转速n的咆位婆统一所以不必算岀最终值) .广門=1丿4门'rnJvJmF+jQig"/口J+Jc2(nci2・5丿+心他这/nJ+JcHga'n』+丁i(^i'nL)2+Jn(nn/ ik)24-J (2)当工作台向右时: F=F*u-Fl**=(FL^n+G)*u-Fl#¥=(600+400*9.8)*0.2-800=104(N)nzn 由眄=£刁匕/型+力7? 巧/畋洙丁尸l*"m/(2*pi>=1> (2*pi>=104*(180*5/LOCO)/*720/<2*3.14)=0.0207 (3)当工作台向左时: F=(FL垂直+GT叶FL水平=(600^40(^9.8)*0.2+800=1704(N) TK=(F*V/nk)/<2*pi)=0.339(N*m> Matlab程序: nl=72Q;n2=360;n3=360;n4=180;nll=72C;n22=360;ns=180;nd=720;ph=5^i=3」415927; j1=01j2=.016j3=.02;j4=.0311=.024j22=<)04js=012y vl=ns^ph*.001; a-400*(v人2) T 耳2$(112巾02 心聋(! 1伽邨2 c=J4^(n4.'nd)A2 f^=jss>(ns.i,nd)A2 g=31P(nll.W)A2 h=j22*(n22.^d)A2 J=400^(v1/nd)A2/(4*pi^2H1力2%112;11(1广2力3%n3fnd)八2力4%n4/nd广2力$%皿你1广2打11"n11/nd)^2+j22«(n22/n(ir2+jd fs=800;tc=600;ma=400; fiz=&+(fic+TnaL*98)*0.2; fiy=.ft+ffc+ma*9.8)*0.2; tiz=fiz*v1/nd/(2*pi); tiy=fiy*v1/nd/(2*pi); 7■乩简述机电一体化系统的数学模型建立过程。 比例环节(P)、积分环节 (1)、比例•积分环节(PI)和比例•积分•微分调节(PID)各有何优缺点? 答: 在稳态设计的基础上,利用所选元部件的有关参数,可以绘制出系统框图,并根据自动控制锂论基础课所学知识建立各环节的传递函数,进而激.励舔统传递函数。 以闭环控制方式为例: 图 (1)为检测传感器装在丝杆端部的半闭环伺腹控制系统。 它的系统框图如图(Z)所示。 该图的传递函数为 备卫I你IZ卅《泗如丿I: 式中: itrfe «rM ar Ld仙 ⑴用滚珠绞杠传动I? (乍台的伺服进给系统 (2)系统框图 聪前宜放大器增益: 住功瘵放大器增益: 賂直流伺服电机増益: KV連度反馈増益: 屯直流伺服电机时间常数: l;! n减迎比: 需-位宜检测传感器增益: %(s)-输入电斥的拉氏变换: Bi(O-丝杠输岀转九的拉氏变换 艸系统受到外扰动转矩斗时,图C2)就变为图<3>o为分析方便起见,见阳〈3)改屈成图(4)所示,则传递函数为: 「(j二G: : 2八Irrn*;乐亦碍沿位 1尺川L E—1 (3)附加扰动力矩(以电盹表示)的至统框图毎直流伺服电机的轧矩常数;R.直流伺服电机转于的绕组凰抗;瓜齐功率放大器的输出阻
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