《機電一體化技術(shù) 習(xí)題-參考答案》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《機電一體化技術(shù) 習(xí)題-參考答案（14頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

. 目 錄 機電一體化技術(shù)第1 章習(xí)題-參考答案 ................................................................................. 1 1-1 試說明較為人們接受的機電一體化的含義。 ............................................................ 1 1-4 何謂機電一體化技術(shù)革命？ ........................................................................................ 1 1-7.機電一體化系統(tǒng)有哪些基本要素組成？分別實現(xiàn)哪些功能？ ................................. 1 1-8.工業(yè)三大要素指的是什么？ ........................................................................................ 1 1-12.機電一體化系統(tǒng)的接口功能有哪兩種？ .................................................................. 1 1-16.什么是機電互補法、融合法、組合法？ .................................................................. 1 機電一體化技術(shù)第2 章習(xí)題-參考答案 ................................................................................. 2 2-1 設(shè)計機械傳動部件時，為確保機械系統(tǒng)的傳動精度和工作穩(wěn)定性，常常提出哪些 要求？ ................................................................................................................................. 2 2-2 機電一體化系統(tǒng)傳動機構(gòu)的作用是什么？ ................................................................ 2 2-3 機電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）對傳動機構(gòu)的基本要求是什么？ ..................................... 2 2-10 現(xiàn)有一雙螺母齒差調(diào)整預(yù)緊式滾珠絲杠，其基本導(dǎo)程λ0=6mm、一端的齒輪齒 數(shù)為100、另一端的齒輪齒數(shù)為98，當其一端的外齒輪相對另一端的外齒輪轉(zhuǎn)過2 個齒時，試問：兩個螺母之間相對移動了多大距離？ ................................................... 2 2－16 各級傳動比的分配原則是什么？輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則是什么？ ............... 2 2－17 已知：4 級齒輪傳動系統(tǒng)，各齒輪的轉(zhuǎn)角誤差為Δφ1=Δφ2=Δφ3=…=0.005 rad,各 級減速比相同，即?1=?2=…=?4=1.5。求：該傳動系統(tǒng)的最大轉(zhuǎn)角誤差Δφmax; 為縮小 Δφmax，應(yīng)采取何種措施？ ............................................................................................... 2 2－18 諧波齒輪傳動有何特點？傳動比的計算方法是什么？ ....................................... 3 2-19.設(shè)有一諧波齒輪減速器,其減速比為100，柔輪齒數(shù)為100.當剛輪固定時,試求該 諧波減速器的剛輪齒數(shù)及輸出軸的轉(zhuǎn)動方向(與輸入軸的轉(zhuǎn)向相比較) ......................... 3 2-20.齒輪傳動的齒側(cè)間隙的調(diào)整方法有哪些? ................................................................ 3 2-25.軸系部件設(shè)計的基本要求有哪些？ .......................................................................... 4 機電一體化技術(shù)第3 章參考答案 .......................................................................................... 5 3-1 簡述機電一體化系統(tǒng)執(zhí)行元件的分類及特點。 ........................................................ 5 II 3-2 機電一體化系統(tǒng)對執(zhí)行元件的基本要求是什么？ .................................................... 5 3-3 簡述控制用電動機的功率密度及比功率的定義。 .................................................... 5 3—5 直流伺服電機控制方式的基本形式是什么？ .......................................................... 5 3-6 簡述PWM 直流驅(qū)動調(diào)速，換向的工作原理。 ......................................................... 6 步進電機具有哪些特點？ .................................................................................................. 6 簡述步進電機三相單三拍的工作原理？ .......................................................................... 6 3-11 簡述步進電機步距角大小的計算方法？ ................................................................. 7 3-12 簡述三相步進電機的環(huán)形分配方式？ ............................................................... 7 簡述步進電機驅(qū)動電源的功率放大電路原理. ................................................................. 7 機電一體化技術(shù)第4 章參考答案 .......................................................................................... 9 試說明CPU、MC 和MCS 之關(guān)系。 .................................................................................. 9 4-3、在設(shè)計微機控制系統(tǒng)中首先會遇到的問題是什么？ ............................................. 9 4-17 試說明光電耦合器的光電隔離原理。 ...................................................................... 9 4-20 試說明檢測傳感器的微機接口基本方式。 .............................................................. 9 機電一體化技術(shù)第5 章參考答案 ........................................................................................ 11 5-2 簡述采樣定理？ ......................................................................................................... 11 5-3 簡述數(shù)字控制系統(tǒng)A/D 轉(zhuǎn)換過程。 .......................................................................... 11 5-5 簡述多輸入多輸出系統(tǒng)的靜力學(xué)方程。 .................................................................. 11 5-6 簡述兩自由度機器人逆動力學(xué)方程。 ...................................................................... 12 機電一體化技術(shù)第7 章參考答案 ........................................................................................ 13 7-3 機電一體化系統(tǒng)中的典型負載有哪些？說明以下公式的含義： ........................... 13 7-4 設(shè)有一工作臺x 軸驅(qū)動系統(tǒng)，已知參數(shù)為下表中所列，已知mA=400 ㎏， Ph=5mm,Fl 水平=800N，F(xiàn)l 垂直=600N，工作臺與導(dǎo)軌間為滑動摩擦，其摩擦系數(shù)為 0.2，試求轉(zhuǎn)換到電動機軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量和等效轉(zhuǎn)矩。 ........................................ 13 7-5.簡述機電一體化系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建立過程。比例環(huán)節(jié)（P）、積分環(huán)節(jié)(I)、比例- 積分環(huán)節(jié)(PI)和比例-積分-微分調(diào)節(jié)(PID)各有何優(yōu)缺點？ ............................................. 14 7-8 何謂機電一體化系統(tǒng)的“可靠性”？ ...................................................................... 17 1 機電一體化技術(shù)第1 章習(xí)題-參考答案 1-1 試說明較為人們接受的機電一體化的含義。 答：機電一體化乃是在機械的主功能、動力功能、信息功能和控制功能上引進微電子技 術(shù)，并將機械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機結(jié)合而構(gòu)成系統(tǒng)的總稱。 1-4 何謂機電一體化技術(shù)革命？ 答：將微型計算機等微電子技術(shù)用于機械并給機械以“智能”的技術(shù)革新潮流可稱 “機電一體化技術(shù)革命”。 1-7.機電一體化系統(tǒng)有哪些基本要素組成？分別實現(xiàn)哪些功能？ 答： 機電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）要素 功能 控制器（計算機等） 控制（信息存儲、處理、傳送） 檢測傳感器 計測（信息收集與變換） 執(zhí)行元件 驅(qū)動（操作） 動力源 提供動力（能量） 機構(gòu) 構(gòu)造 1-8.工業(yè)三大要素指的是什么？ 答：物質(zhì)、能量、信息。 1-12.機電一體化系統(tǒng)的接口功能有哪兩種？ 答：一種是變換、調(diào)整; 另一種是輸入/輸出。 1-16.什么是機電互補法、融合法、組合法？ 答：機電互補法又稱取代法。該方法的特點是利用通用或?qū)Ｓ秒娮硬考〈鷤鹘y(tǒng)機械產(chǎn)品 （系統(tǒng)）中的復(fù)雜機械功能部件或功能子系統(tǒng)，以彌補其不足。 融合法它是將各組成要素有機結(jié)合為一體構(gòu)成專用或通用的功能部件（子系統(tǒng)），其要 素之間機電參數(shù)的有機匹配比較充分。 組合法它是將結(jié)合法制成的專用或通用功能部件（子系統(tǒng)）、功能模塊，像積木那樣組 合成各種機電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品），故稱組合法。 2 機電一體化技術(shù)第2 章習(xí)題-參考答案 2-1 設(shè)計機械傳動部件時，為確保機械系統(tǒng)的傳動精度和工作穩(wěn)定性，常常提 出哪些要求？ 答：常提出低摩擦、無間隙、低慣量、高剛度、高諧振頻率、適當?shù)淖枘岜鹊取? 2-2 機電一體化系統(tǒng)傳動機構(gòu)的作用是什么？ 答：傳遞轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。 2-3 機電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）對傳動機構(gòu)的基本要求是什么？ 答：精密化，高速化，小型、輕量化。 2-10 現(xiàn)有一雙螺母齒差調(diào)整預(yù)緊式滾珠絲杠，其基本導(dǎo)程λ0=6mm、一端的 齒輪齒數(shù)為100、另一端的齒輪齒數(shù)為98，當其一端的外齒輪相對另一端的外 齒輪轉(zhuǎn)過2 個齒時，試問：兩個螺母之間相對移動了多大距離？ 答：Z1 =100，Z2 =98，ΔS=(2/Z1)* λ0=0.02*6 mm=0.12 mm。 2－16 各級傳動比的分配原則是什么？輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則是什么？ 答：（1）各級傳動比的分配原則是： l 重量最輕原則 l 輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則 l 等效轉(zhuǎn)動慣量最小原則 （2）輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則是： 為提高機電一體化系統(tǒng)齒輪傳動的精度，各級傳動比應(yīng)按先小后大的原則分配，以 便降低齒輪的加工誤差、安裝誤差以及回轉(zhuǎn)誤差對輸出轉(zhuǎn)角精度的影響?？傓D(zhuǎn)角誤差主要 取決于最未一級齒輪的轉(zhuǎn)角誤差和轉(zhuǎn)動比的大小，在設(shè)計中最未兩級傳動比應(yīng)取大一些， 并盡量提高最未一級齒輪的加工精度。 2－17 已知：4 級齒輪傳動系統(tǒng)，各齒輪的轉(zhuǎn)角誤差為Δφ1=Δφ2=Δφ3=… =0.005 rad,各級減速比相同，即?1=?2=…=?4=1.5。求：該傳動系統(tǒng)的最大轉(zhuǎn) 角誤差Δφmax; 為縮小Δφmax，應(yīng)采取何種措施？ 解：（1） Δφmax= i Df1 + 2 3 4 2 3 i i i Df + Df + 3 4 4 5 i i Df + Df + 4 6 7 i Df + Df +Δφ8 =0.005/1.54+0.01/1.53+0.01/1.52+0.01/1.5+0.005 =0.00099+0.00296+0.00444+0.00667+0.005 =0.02006 rad 3 =1.1499 o （1） 總轉(zhuǎn)角誤差主要取決于最未一級齒輪的轉(zhuǎn)角誤差和傳動比的大小，所以，為縮小Δ φmax，在設(shè)計中最未兩級的傳動比應(yīng)取大一些，盡量提高最未一級輪副的加工精 度。 2－18 諧波齒輪傳動有何特點？傳動比的計算方法是什么？ 答：（1）諧波齒輪傳動特點有：結(jié)構(gòu)簡單、傳動比大、傳動精度高、回程誤差小、噪聲 低、傳動平穩(wěn)、承載能力強、效率高等特點。 諧波齒輪傳動的波發(fā)生器相當于行星輪系的轉(zhuǎn)臂，柔輪相當于行星輪，剛輪則相當于 中心輪。故諧波齒輪傳動裝置的傳動比可以應(yīng)用行星輪系求傳動比的方式來計算。設(shè) g r H w 、w 、w 分別為剛輪、柔輪和波形發(fā)生器的角速度，則 H r H g rg g H r Z i Z w w w w - = = - 。 當柔性輪固定時， H H g g 1 r g r H g rg Hg g H r H g g g g r Z Z Z Z Z i i Z Z Z Z Z w w w w w w w - - = = = - = = = - - 當剛性輪固定時， 1 0 r H g r g H r Hr H r H r g r g Z Z Z i Z Z Z Z w w w w w w w - = - = = = - - 2-19.設(shè)有一諧波齒輪減速器,其減速比為100，柔輪齒數(shù)為99 當剛輪固定時, 試求該諧波減速器的剛輪齒數(shù)及輸出軸的轉(zhuǎn)動方向(與輸入軸的轉(zhuǎn)向相比較) 答：根據(jù)公式:iHr=Zr/(zr-zg)可知: 當iHr=100 時,Zg=99,（但一般剛輪齒數(shù)比柔輪齒數(shù)多，所以舍去） 當iHr=-100 時,Zg=101; 故該諧波減速器的剛輪齒數(shù)為101,（柔輪）輸出軸方向與（波發(fā)生器）輸入軸轉(zhuǎn)向相反。 (提示：一般來說，剛輪僅比柔輪多幾個齒；剛輪固定時，柔輪與輸出軸固聯(lián)；柔輪固定 時，剛輪與輸出軸固聯(lián)，兩種情況下，波發(fā)生器均與輸入軸固聯(lián)) 2-20.齒輪傳動的齒側(cè)間隙的調(diào)整方法有哪些? 答(1)圓柱齒輪傳動:1 偏心套(軸)調(diào)整法;2 軸向墊片調(diào)整法;3 雙片薄齒輪錯齒調(diào)整法。 (2)斜齒輪傳動:錯齒調(diào)整法,用兩個薄片齒輪與一個寬齒輪嚙合,只是在兩個薄片斜齒輪 的中間隔開了一小段距離,這樣它的螺旋線便錯開了。 （3）錐齒輪采用彈簧調(diào)整方式。 4 2-25.軸系部件設(shè)計的基本要求有哪些？ 答：①旋轉(zhuǎn)精度 ②剛度 ③抗震性 ④熱變形 ⑤軸上零件的布置 5 機電一體化技術(shù)第3 章參考答案 3-1 簡述機電一體化系統(tǒng)執(zhí)行元件的分類及特點。 答: 種類 特點 優(yōu)點 缺點 電動式 可使用商用電源；信號與動力的傳動方向相同；有交流和直流之別，應(yīng)注意電壓大小操作簡便；編程容易；能實現(xiàn)定位伺服；響應(yīng)快、能與CPU相接； 體積小、動力較大；無污染瞬時輸出功率大；過載能力差，特別是由于某種原因而卡住是，會引起燒毀事故，易受外部噪聲影響 氣動式空氣壓力源的壓力為（ 5-7 ） 105Pa ； 要求操作人員技術(shù)熟練氣源方便、成本低；無泄漏污染速度快、操作比較簡單功率小，體積大，動作不夠平穩(wěn)，不易小型化，遠距離傳輸困難，工作噪聲大，難于伺服液動式要求操作人員技術(shù)熟練； 液壓源壓力（ 20- 80）105Pa輸出功率大，速度快，動作平穩(wěn)， 可實現(xiàn)定位伺服；易于CPU 相接；響應(yīng) 快設(shè)備難于小型化，液壓源或液壓油要求（雜質(zhì)、溫度、油量、質(zhì)量）嚴格；易泄露且有污染 3-2 機電一體化系統(tǒng)對執(zhí)行元件的基本要求是什么？ 答: 1 慣量小、動力大 2 體積小、重量輕 3 便于維修、安裝 4 易于微機控制 3-3 簡述控制用電動機的功率密度及比功率的定義。 答:電動機的功率密度PG=P/G.電動機的比功率dp/dt=d(Tw)/dt=Ts/dt|t=tn=Tn2/Jm 其中Tn----電動機的額定轉(zhuǎn)矩，N*M Jm——電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量,kg*m2 3—5 直流伺服電機控制方式的基本形式是什么？ 答: 直流伺服電機為直流供電，為調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速和方向，需要對其直流電壓的大小和 方向進行控制。目前常用晶體管脈寬調(diào)理驅(qū)動和晶閘管直流調(diào)速驅(qū)動兩種方式。 晶閘管直流驅(qū)動方式，主要通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置控制晶閘管的觸發(fā)延遲角（控制電壓的大 ?。﹣硪苿佑|發(fā)脈沖的相位，從而改變整流電壓的大小，使直流電動機電樞電壓的變化易 于平滑調(diào)速。 脈寬調(diào)制（PWM）直流調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)當輸入一個直流控制電壓U 時，就可得到一定寬度與U 成比例的脈沖方波給伺服電機電樞回路供電，通過改變脈沖寬度來改變電樞回路的平均電 壓，從而得到不同電壓的電壓值Ua ，使直流電動機平滑調(diào)速。 6 3-6 簡述PWM 直流驅(qū)動調(diào)速，換向的工作原理。 答：通過電源的通斷來獲得電壓脈沖信號，控制通斷的時間比來獲得不同的電壓脈沖，通 的時間越長，獲得的平均電壓越大，電機轉(zhuǎn)的就快，反之，電機轉(zhuǎn)的就慢。電機的換向是 通過橋式電路來實現(xiàn)的，它是由四個大功率的晶體管組成，通過在不同晶體管的基極加正 負脈沖從而實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)向控制。為使其實現(xiàn)雙向調(diào)速，多采用橋式電路，其工作原理與 線性放大橋式電路相似。 電橋由四個大功率的晶體管組 成。分別記作1.2.3.4.如果在1 和3 的基極上加以正脈沖的同 時，在2 和4 的基級上加以負脈 沖，這時1 和3 導(dǎo)通，2 和4 導(dǎo) 通。設(shè)此時的電動機轉(zhuǎn)向為正； 反之，則為負。電流的方向與前 一情況相反， 電動機轉(zhuǎn)向， 顯 然，如果改變加到1 和3，2 和4 這兩組管子基極上控制脈沖的正 負和導(dǎo)通率就可以改變電動機的 轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。 步進電機具有哪些特點？ 答： 1 步進電機的工作狀態(tài)不易受各種干擾因素（如電源電壓的波動、電流的大小與波形 的變化、溫度等）的影響，只要在他們的大小引起步進電機產(chǎn)生“丟步”的現(xiàn)象之 前，就不影響其正常工作； 2 步進電機的步距角有誤差，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定步數(shù)以后也會出現(xiàn)累計誤差，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 一轉(zhuǎn)以后，其累計誤差變?yōu)椤傲恪?，因此不會長期累積； 3 控制性能好，在起動、停止、反轉(zhuǎn)時不易“丟步” 因此，步進電機廣泛應(yīng)用于開環(huán)控制的機電一體化系統(tǒng)，使系統(tǒng)簡化，并可靠地獲得 較高的位置精度。 簡述步進電機三相單三拍的工作原理？ 答：如教材圖例所示：如果先將電脈沖加到A 相勵磁繞組，定子A 相磁極就產(chǎn)生磁通，并 對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生磁拉力，使轉(zhuǎn)子的1 3 兩個齒與定子的A 相磁極對齊， 而后再將電脈沖通入 B 相磁繞組，B 相磁極便產(chǎn)生磁通，這時轉(zhuǎn)子2 4 兩個齒與B 相磁極靠的最近，于是轉(zhuǎn)子便 沿著逆時針方向轉(zhuǎn)過30 度角，使轉(zhuǎn)子2 4 兩個齒與定子B 相磁極對齊。如果按照A→C→B →A……的順序通電，步進電機講沿順時針方向一步步地轉(zhuǎn)動。 7 3-11 簡述步進電機步距角大小的計算方法？ 答： a=360/（K*M） 式中：Z=轉(zhuǎn)子齒數(shù)。 M=運行拍數(shù)。通常等于相數(shù)或相數(shù)整數(shù)倍，即M=K*N （N 為電動機的相 數(shù)，單拍是K=1，雙拍時K=2）。 3-12 簡述三相步進電機的環(huán)形分配方式？ 答：1.采用計算機軟件，利用查表式計算方法來進行脈沖的環(huán)形分配，簡稱軟環(huán)分。2.采 用小規(guī)模集成電路搭接而成的脈沖分配器。3.采用專用環(huán)形分配器件。 簡述步進電機驅(qū)動電源的功率放大電路原理. 答： 單電壓功率放大電路 如圖所示ABC 分別為步進電機的三相，每一項由一組放大器驅(qū)動。沒有脈沖輸入時3DK4 和 3DD15 功率晶體管截止，繞組中無電流通過，電機不轉(zhuǎn)。當A 相得電時，步進電機轉(zhuǎn)動一 步，當脈沖依次加到ABC 三個輸入端時，三組放大器分別驅(qū)動不同的繞組，是電機一步一 步的轉(zhuǎn)動。電路終于繞組并聯(lián)的二極管VD 其續(xù)流作用記在功率截至?xí)r，是儲存在繞組中的 能量通過二級管形成續(xù)流回路泄放，從而保護功放管。 高低壓功串放大電路（一） 無脈沖輸入時，VT1、VT2、VT3、VT4 均截止，電動機繞組W 無電流通過，電動機不轉(zhuǎn)。有 脈沖通過時，VT1、VT2、VT3、VT4 飽和導(dǎo)通，在vt2 有截止到飽和期間，其集電極電流， 迅速上升。當vt2 進入穩(wěn)態(tài)后t1 一次測電流暫時恒定，無磁通變化二次側(cè)的感應(yīng)電壓為 零，vt3 截止。12v 低電壓經(jīng)vd1 加到電動機繞組我w 上并維持繞組中的電流。輸入結(jié)束后 vt1、vt2、vt3、vt4 又都截止，儲存在w 中的能量通過18 歐姆的電阻和vd2 放電，電阻 的作用時間小放電回路的時間常數(shù)，改善電流波形的后沿。 8 9 機電一體化技術(shù)第4 章參考答案 試說明CPU、MC 和MCS 之關(guān)系。 答：微處理機簡稱CPU，它是一個大規(guī)模集成電路器件或超大規(guī)模集成電路器件，器 件中有數(shù)據(jù)有數(shù)據(jù)通道、多個寄存器、控制邏輯和運算邏輯部件，有的器件還含有時鐘電 路，為器件工作提供定時信號。 微型計算機簡稱MC。它是以微處理機為中心，加上只讀存儲器，隨機存取存儲器，輸 入|輸出接口電路、系統(tǒng)總線及其他支持邏輯電路組成的計算機。 上述微處理機、微型計算機都是從硬件角度定義的，而計算機的使用離不開軟件支 持。一般將配有系統(tǒng)軟件、外圍設(shè)備、系統(tǒng)總線接口的微型計算機系統(tǒng)，簡稱MCS。 4-3、在設(shè)計微機控制系統(tǒng)中首先會遇到的問題是什么？ 答： 在設(shè)計微機控制系統(tǒng)時，首先會遇到專用與通用的抉擇和硬件與軟件的權(quán)衡問題。 4-17 試說明光電耦合器的光電隔離原理。 答:光電隔離電路主要 由光電耦合器的光電 轉(zhuǎn)換元件組成，如下 圖所示. 控制輸出時，從上圖a 可知，微機輸出的控 制信號經(jīng)74LS04 非門 反相后，加到光電耦 合器G 的發(fā)光二極管 正端。當控制信號為 高電平時，經(jīng)反相后，加到發(fā)光二極管正端的電平為低電平，因此，發(fā)光二極管不導(dǎo)通， 沒有光發(fā)出。這時光敏晶體管截止，輸出信號幾乎等于加在光敏晶體管集電極上的電源電 壓。當控制信號為低電平時，發(fā)光二極管導(dǎo)通并發(fā)光，光敏晶體管接收發(fā)光二極管發(fā)出的 光而導(dǎo)通，于是輸出端的電平幾乎等于零。同樣的道理，可將光電耦合器用于信息的輸 入，如上圖b 所示。 4-20 試說明檢測傳感器的微機接口基本方式。 答：①模擬量接口方式：傳感器輸出信號→放大→采樣/保持→模擬多路開關(guān)→A/D 轉(zhuǎn)換→ I/O 接口→微機 ②開關(guān)量接口方式：開關(guān)型傳感器輸出二值式信號(邏輯1 或0) →三態(tài)緩沖器→微機 10 ③數(shù)字量接口方式：數(shù)字型傳感器輸出數(shù)字量(二進制代碼、BCD 代碼、脈沖序列等) →計數(shù)器→三態(tài)緩沖器→微機 11 機電一體化技術(shù)第5 章參考答案 5-2 簡述采樣定理？ 如果是有限帶寬信號，即| |> 時，E（j ）=0。而是e（t）的理想 采樣信號，若采樣頻率,那么一定可以有采樣信號唯一地決定出原始信號 e（t）。也就是說，若，則由可以完全地恢復(fù)e（t）。 5-3 簡述數(shù)字控制系統(tǒng)A/D 轉(zhuǎn)換過程。 模/數(shù)轉(zhuǎn)換裝置每隔T 秒對輸入的連續(xù)信號e（t）進行一次采樣，采樣信號為e*（t），如 圖a 所示。該采樣信號是時間上離散而幅值上連續(xù)的信號，它不能直接進入計算機進行運 算，必須經(jīng)量化后成為數(shù)字信號才能為計算機所接受。將采樣信號經(jīng)量化后成為數(shù)字信號 的過程是一個近似過程，稱量化過程?，F(xiàn)對量化過程作簡單的說明：將采樣信號e*（t） 的變化范圍分成若干層，每一層都用一個二進制數(shù)碼表示，這些數(shù)碼可表示幅值最接近它 的采樣信號。如圖b 所示，采樣信號A1 為1.8V，則量化值A(chǔ)1 ’為2V，用數(shù)字010 來代表； 采樣信號A2 為3.2V，則量化值A(chǔ)2 ‘為3V，用數(shù)字量011 代表。這樣就把采樣信號變成了數(shù) 字信號。 a b 5-5 簡述多輸入多輸出系統(tǒng)的靜力學(xué)方程。 答： 設(shè)對微小輸入位移有微小的輸出位移 ，則輸入功的總和和輸出功的總和分別為： 12 其中 忽略機構(gòu)內(nèi)部機械損失時，兩式相等。由于相互獨立，則對第i 個輸入有 用表示輸入力（或轉(zhuǎn)矩）時，寫成 式中——力（或轉(zhuǎn)矩）的變換系數(shù)，是n*m 矩陣。 5-6 簡述兩自由度機器人逆動力學(xué)方程。 答：首先利用逆運動學(xué)方法將軌跡｛x(t),y(t)｝變換成為關(guān)節(jié)運動φ1(t)、φ2(t)，然后 從φ1 和φ2 導(dǎo)出計算關(guān)節(jié)力矩T1、T2 的計算公式。由平面幾何學(xué)知識，可得逆運動學(xué)解為 = = 式中 p= ，q= 。 逆運動學(xué)解可由Lagrange 公式解出。設(shè)計器人得負載只有各臂端部的質(zhì)量， 則 = ]*[ ]+ 式中第一項相當于慣性項，第二項相當于離心力與哥氏力。 13 機電一體化技術(shù)第7 章參考答案 7-3 機電一體化系統(tǒng)中的典型負載有哪些？說明以下公式的含義： 2 2 1 1 m n k i j cq i j i k i k J m v J w = w = w = + 答：典型負載是指慣性負載、外力負載、彈性負載、摩擦負載（滑動摩擦負載、粘性摩擦 負載、滾動摩擦負載等）。對具體系統(tǒng)而言，其負載可能是以上幾種典型負載的組合，不一 定均包含上述所有負載項目。 第一式表示等效轉(zhuǎn)動慣量。該系統(tǒng)運動部件的動能總和為2 2 1 1 1 1 2 2 m n i i j j i i E m v J w = = = + 設(shè)、等效到元件輸出軸上的總動能為 2 1 2 k k cq k E = J w ，由能量守恒：E =Ek 故 2 2 1 1 m n k i j cq i j i k i k J m v J w = w = w = + 用工程上常用單位時，可將上式改寫為 2 2 2 1 1 1 4 m n k i j cq i j i k i k v n J m J p = n = n = + 第二式表示等效負載轉(zhuǎn)矩。設(shè)上述系統(tǒng)在時間t 內(nèi)克服負載所作的功德總和為： 1 1 m n i i j j i j W Fv t Tw t = = = + ， 同 理 ， 執(zhí) 行 元 件 輸 出 軸 在 時 間 t 內(nèi) 的 轉(zhuǎn) 角 為 k k j =w t 則，執(zhí)行元件所作的功為 k K eq k W = T w t，由 K W =W 得： 1 1 / / m n k eq i i k j j k i j T Fv w Tw w = = = + ，或 1 1 1 / / 2 m n k eq i i k j j k i j T F v n T n n p = = = + 7-4 設(shè)有一工作臺x 軸驅(qū)動系統(tǒng)，已知參數(shù)為下表中所列，已知mA=400 ㎏， Ph=5mm,Fl 水平=800N，F(xiàn)l 垂直=600N，工作臺與導(dǎo)軌間為滑動摩擦，其摩 擦系數(shù)為0.2，試求轉(zhuǎn)換到電動機軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量和等效轉(zhuǎn)矩。 答： （1）由公式： 2 2 2 1 1 1 4 m n k i j cq i j i k i k v n J m J p = n = n = + 可得：v1=n 絲*Ph/1000（和轉(zhuǎn)速n 的單位要統(tǒng)一所以不必算出最終值） Jk eq =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/ 14 nk)2+J 絲（n 絲/ nk）2+Jm=0.0508( ) （2）當工作臺向右時： F=F*u- FL 水平=( FL 垂直+G)*u- FL 水平=（600+400*9.8）*0.2-800=104（N） 由 1 1 / / m n k eq i i k j j k i j T Fv w Tw w = = = + 得：TK= F*V/nk/（2*pi）=F* （n 絲*Ph/1000）/nk/ （2*pi）=104*(180*5/1000)/*720/(2*3.14)= 0.0207（ N*m）。 （3）當工作臺向左時： F=( FL 垂直+G)*u+ FL 水平=（600+400*9.8）*0.2+800=1704（N） TK= ( F*V/nk) /(2*pi)==0.339 （N*m） Matlab 程序： n1=720;n2=360;n3=360;n4=180;n11=720;n22=360;ns=180;nd=720;ph=5;pi=3.1415927; j1=.01;j2=.016;j3=.02;j4=.032;j11=.024;j22=.004;js=.012;jd=.004; v1=ns*ph*.001; a=400*(v1/nd)^2/(4*pi^2) b=j1 c=j2*(n2/nd)^2 d=j3*(n3/nd)^2 e=j4*(n4/nd)^2 f=js*(ns/nd)^2 g=j11*(n11/nd)^2 h=j22*(n22/nd)^2 J=400*(v1/nd)^2/(4*pi^2)+j1+j2*(n2/nd)^2+j3*(n3/nd)^2+j4*(n4/nd)^2+js*(ns/nd)^2+j11*(n11/ nd)^2+j22*(n22/nd)^2+jd fs=800;fc=600;ma=400; fiz=fs+(fc+ma*9.8)*0.2; fiy=-fs+(fc+ma*9.8)*0.2; tiz=fiz*v1/nd /(2*pi); tiy=fiy*v1/nd /(2*pi); 7-5.簡述機電一體化系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建立過程。比例環(huán)節(jié)（P）、積分環(huán)節(jié)(I)、 比例-積分環(huán)節(jié)(PI)和比例-積分-微分調(diào)節(jié)(PID)各有何優(yōu)缺點？ 答：在穩(wěn)態(tài)設(shè)計的基礎(chǔ)上，利用所選元部件的有關(guān)參數(shù)，可以繪制出系統(tǒng)框圖，并根據(jù)自 動控制理論基礎(chǔ)課所學(xué)知識建立各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，進而激勵系統(tǒng)傳遞函數(shù)。 以閉環(huán)控制方式為例： 圖（1）為檢測傳感器裝在絲桿端部的半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)。它的系統(tǒng)框圖如圖（2）所 示。該圖的傳遞函數(shù)為 15 G（s）= = = = 式中：K= (1) 用滾珠絲杠傳動工作臺的伺服進給系統(tǒng) （2）系統(tǒng)框圖 -前置放大器增益； -功率放大器增益； -直流伺服電機增益； -速度反饋增益； -直流伺服電機時間常數(shù)； -減速比； -位置檢測傳感器增益； （s）-輸入電壓的拉氏變換； -絲杠輸出轉(zhuǎn)角的拉氏變換 當系統(tǒng)受到外擾動轉(zhuǎn)矩時，圖（2）就變?yōu)閳D（3）。為分析方便起見，見圖（3）改畫成 圖（4）所示，則傳遞函數(shù)為： G(s)= = 16 （3）附加擾動力矩（以電壓表示）的系統(tǒng)框圖 -直流伺服電機的轉(zhuǎn)矩常數(shù)； -直流伺服電機轉(zhuǎn)子的繞組阻抗； -功率放大器的輸出阻抗； -對應(yīng)于擾動力矩的等效擾動電壓的拉氏變換 （4）附加擾動力矩的等效電壓后的框圖 比例調(diào)節(jié)（P）、積分調(diào)節(jié)（I）、比例-積分調(diào)節(jié)（PI）和比例-積分-微分調(diào)節(jié)（PID）各自 的優(yōu)缺點 （1）比例（P）調(diào)節(jié) 比例調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)圖如圖（a），其傳遞函數(shù)為 Gc(s)=–Kp 式中Kp=R2/R1 它的調(diào)節(jié)作用的大小主要取決于增益Kp 的大小。Kp 越大，調(diào)節(jié)作用越強，但是存在調(diào) 節(jié)誤差。而且Kp 太大會引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。 （2）積分（I）調(diào)節(jié) 積分調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)圖如圖(b)，其傳遞函數(shù)為 Gc(s)=1/（Tis） 式中Ti=RC。 系統(tǒng)中采用積分環(huán)節(jié)可以減少或消除誤差，但由于積分環(huán)節(jié)效應(yīng)慢，故很少單獨使 用。 （3）比例-積分（PI）調(diào)節(jié) 其網(wǎng)絡(luò)如圖(c)。他的傳遞函數(shù)為 Gc(s)=–[ KP（1+1/（Tis））] 式中Kp=R2/R1；Ti=R2C。 這種循環(huán)既克服了單純比例環(huán)節(jié)有調(diào)節(jié)誤差的缺點，又避免了積分環(huán)節(jié)響應(yīng)慢的弱 17 點，既能改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性能能，又能改善其動態(tài)性能。 （4）比例-積分-微分（PID）調(diào)節(jié) 這種調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的組成如圖（d），其傳遞函數(shù)為 Gc(s)=–Kp[1+1? （Tis）+Tds ] 式中Kp=（R1C1+R2C2）/ (R1R2)；Ti=R1C1+R2C2;T=R1C1R2C2 ? (R1C1+R2C2)。 這種校正環(huán)節(jié)不但能改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，也能改善其動態(tài)性能。但是，由于它含有 微分作用，在噪聲比較大或要求響應(yīng)快的系統(tǒng)中不宜采用；PID 調(diào)節(jié)器能使閉環(huán)系統(tǒng)更加 穩(wěn)定，其動態(tài)性能也比用PI 調(diào)節(jié)器時好。 7-8 何謂機電一體化系統(tǒng)的“可靠性”？ 答：機電一體化可靠性是指，系統(tǒng)（產(chǎn)品）在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能 力。 2 2 2 2 2 2 1 2 3 4 2 1 2 3 4 1 4 k A si cq A si D k k k k k k .