《機(jī)電一體化技術(shù) 習(xí)題-參考答案》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《機(jī)電一體化技術(shù) 習(xí)題-參考答案（14頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

. 目 錄 機(jī)電一體化技術(shù)第1 章習(xí)題-參考答案 ................................................................................. 1 1-1 試說(shuō)明較為人們接受的機(jī)電一體化的含義。 ............................................................ 1 1-4 何謂機(jī)電一體化技術(shù)革命？ ........................................................................................ 1 1-7.機(jī)電一體化系統(tǒng)有哪些基本要素組成？分別實(shí)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(jī)電一體化系統(tǒng)的接口功能有哪兩種？ .................................................................. 1 1-16.什么是機(jī)電互補(bǔ)法、融合法、組合法？ .................................................................. 1 機(jī)電一體化技術(shù)第2 章習(xí)題-參考答案 ................................................................................. 2 2-1 設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)部件時(shí)，為確保機(jī)械系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和工作穩(wěn)定性，常常提出哪些 要求？ ................................................................................................................................. 2 2-2 機(jī)電一體化系統(tǒng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用是什么？ ................................................................ 2 2-3 機(jī)電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）對(duì)傳動(dòng)機(jī)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(dāng)其一端的外齒輪相對(duì)另一端的外齒輪轉(zhuǎn)過(guò)2 個(gè)齒時(shí)，試問(wèn)：兩個(gè)螺母之間相對(duì)移動(dòng)了多大距離？ ................................................... 2 2－16 各級(jí)傳動(dòng)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(jí)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，各齒輪的轉(zhuǎn)角誤差為Δφ1=Δφ2=Δφ3=…=0.005 rad,各 級(jí)減速比相同，即?1=?2=…=?4=1.5。求：該傳動(dòng)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(dòng)有何特點(diǎn)？傳動(dòng)比的計(jì)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(dāng)剛輪固定時(shí),試求該 諧波減速器的剛輪齒數(shù)及輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向(與輸入軸的轉(zhuǎn)向相比較) ......................... 3 2-20.齒輪傳動(dòng)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(jì)的基本要求有哪些？ .......................................................................... 4 機(jī)電一體化技術(shù)第3 章參考答案 .......................................................................................... 5 3-1 簡(jiǎn)述機(jī)電一體化系統(tǒng)執(zhí)行元件的分類(lèi)及特點(diǎn)。 ........................................................ 5 II 3-2 機(jī)電一體化系統(tǒng)對(duì)執(zhí)行元件的基本要求是什么？ .................................................... 5 3-3 簡(jiǎn)述控制用電動(dòng)機(jī)的功率密度及比功率的定義。 .................................................... 5 3—5 直流伺服電機(jī)控制方式的基本形式是什么？ .......................................................... 5 3-6 簡(jiǎn)述PWM 直流驅(qū)動(dòng)調(diào)速，換向的工作原理。 ......................................................... 6 步進(jìn)電機(jī)具有哪些特點(diǎn)？ .................................................................................................. 6 簡(jiǎn)述步進(jìn)電機(jī)三相單三拍的工作原理？ .......................................................................... 6 3-11 簡(jiǎn)述步進(jìn)電機(jī)步距角大小的計(jì)算方法？ ................................................................. 7 3-12 簡(jiǎn)述三相步進(jìn)電機(jī)的環(huán)形分配方式？ ............................................................... 7 簡(jiǎn)述步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的功率放大電路原理. ................................................................. 7 機(jī)電一體化技術(shù)第4 章參考答案 .......................................................................................... 9 試說(shuō)明CPU、MC 和MCS 之關(guān)系。 .................................................................................. 9 4-3、在設(shè)計(jì)微機(jī)控制系統(tǒng)中首先會(huì)遇到的問(wèn)題是什么？ ............................................. 9 4-17 試說(shuō)明光電耦合器的光電隔離原理。 ...................................................................... 9 4-20 試說(shuō)明檢測(cè)傳感器的微機(jī)接口基本方式。 .............................................................. 9 機(jī)電一體化技術(shù)第5 章參考答案 ........................................................................................ 11 5-2 簡(jiǎn)述采樣定理？ ......................................................................................................... 11 5-3 簡(jiǎn)述數(shù)字控制系統(tǒng)A/D 轉(zhuǎn)換過(guò)程。 .......................................................................... 11 5-5 簡(jiǎn)述多輸入多輸出系統(tǒng)的靜力學(xué)方程。 .................................................................. 11 5-6 簡(jiǎn)述兩自由度機(jī)器人逆動(dòng)力學(xué)方程。 ...................................................................... 12 機(jī)電一體化技術(shù)第7 章參考答案 ........................................................................................ 13 7-3 機(jī)電一體化系統(tǒng)中的典型負(fù)載有哪些？說(shuō)明以下公式的含義： ........................... 13 7-4 設(shè)有一工作臺(tái)x 軸驅(qū)動(dòng)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(tái)與導(dǎo)軌間為滑動(dòng)摩擦，其摩擦系數(shù)為 0.2，試求轉(zhuǎn)換到電動(dòng)機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和等效轉(zhuǎn)矩。 ........................................ 13 7-5.簡(jiǎn)述機(jī)電一體化系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建立過(guò)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(diǎn)？ ............................................. 14 7-8 何謂機(jī)電一體化系統(tǒng)的“可靠性”？ ...................................................................... 17 1 機(jī)電一體化技術(shù)第1 章習(xí)題-參考答案 1-1 試說(shuō)明較為人們接受的機(jī)電一體化的含義。 答：機(jī)電一體化乃是在機(jī)械的主功能、動(dòng)力功能、信息功能和控制功能上引進(jìn)微電子技 術(shù)，并將機(jī)械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機(jī)結(jié)合而構(gòu)成系統(tǒng)的總稱(chēng)。 1-4 何謂機(jī)電一體化技術(shù)革命？ 答：將微型計(jì)算機(jī)等微電子技術(shù)用于機(jī)械并給機(jī)械以“智能”的技術(shù)革新潮流可稱(chēng) “機(jī)電一體化技術(shù)革命”。 1-7.機(jī)電一體化系統(tǒng)有哪些基本要素組成？分別實(shí)現(xiàn)哪些功能？ 答： 機(jī)電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）要素 功能 控制器（計(jì)算機(jī)等） 控制（信息存儲(chǔ)、處理、傳送） 檢測(cè)傳感器 計(jì)測(cè)（信息收集與變換） 執(zhí)行元件 驅(qū)動(dòng)（操作） 動(dòng)力源 提供動(dòng)力（能量） 機(jī)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(jī)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(jī)電互補(bǔ)法、融合法、組合法？ 答：機(jī)電互補(bǔ)法又稱(chēng)取代法。該方法的特點(diǎn)是利用通用或?qū)Ｓ秒娮硬考〈鷤鹘y(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品 （系統(tǒng)）中的復(fù)雜機(jī)械功能部件或功能子系統(tǒng)，以彌補(bǔ)其不足。 融合法它是將各組成要素有機(jī)結(jié)合為一體構(gòu)成專(zhuān)用或通用的功能部件（子系統(tǒng)），其要 素之間機(jī)電參數(shù)的有機(jī)匹配比較充分。 組合法它是將結(jié)合法制成的專(zhuān)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(jī)電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品），故稱(chēng)組合法。 2 機(jī)電一體化技術(shù)第2 章習(xí)題-參考答案 2-1 設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)部件時(shí)，為確保機(jī)械系統(tǒng)的傳動(dòng)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(wú)間隙、低慣量、高剛度、高諧振頻率、適當(dāng)?shù)淖枘岜鹊取? 2-2 機(jī)電一體化系統(tǒng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用是什么？ 答：傳遞轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。 2-3 機(jī)電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）對(duì)傳動(dòng)機(jī)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(dāng)其一端的外齒輪相對(duì)另一端的外 齒輪轉(zhuǎn)過(guò)2 個(gè)齒時(shí)，試問(wèn)：兩個(gè)螺母之間相對(duì)移動(dòng)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(jí)傳動(dòng)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(jí)傳動(dòng)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(dòng)慣量最小原則 （2）輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則是： 為提高機(jī)電一體化系統(tǒng)齒輪傳動(dòng)的精度，各級(jí)傳動(dòng)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(duì)輸出轉(zhuǎn)角精度的影響。總轉(zhuǎn)角誤差主要 取決于最未一級(jí)齒輪的轉(zhuǎn)角誤差和轉(zhuǎn)動(dòng)比的大小，在設(shè)計(jì)中最未兩級(jí)傳動(dòng)比應(yīng)取大一些， 并盡量提高最未一級(jí)齒輪的加工精度。 2－17 已知：4 級(jí)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，各齒輪的轉(zhuǎn)角誤差為Δφ1=Δφ2=Δφ3=… =0.005 rad,各級(jí)減速比相同，即?1=?2=…=?4=1.5。求：該傳動(dòng)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(jí)齒輪的轉(zhuǎn)角誤差和傳動(dòng)比的大小，所以，為縮小Δ φmax，在設(shè)計(jì)中最未兩級(jí)的傳動(dòng)比應(yīng)取大一些，盡量提高最未一級(jí)輪副的加工精 度。 2－18 諧波齒輪傳動(dòng)有何特點(diǎn)？傳動(dòng)比的計(jì)算方法是什么？ 答：（1）諧波齒輪傳動(dòng)特點(diǎn)有：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)比大、傳動(dòng)精度高、回程誤差小、噪聲 低、傳動(dòng)平穩(wěn)、承載能力強(qiáng)、效率高等特點(diǎn)。 諧波齒輪傳動(dòng)的波發(fā)生器相當(dāng)于行星輪系的轉(zhuǎn)臂，柔輪相當(dāng)于行星輪，剛輪則相當(dāng)于 中心輪。故諧波齒輪傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)比可以應(yīng)用行星輪系求傳動(dòng)比的方式來(lái)計(jì)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(dāng)柔性輪固定時(shí)， 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(dāng)剛性輪固定時(shí)， 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(dāng)剛輪固定時(shí), 試求該諧波減速器的剛輪齒數(shù)及輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)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(dāng)iHr=100 時(shí),Zg=99,（但一般剛輪齒數(shù)比柔輪齒數(shù)多，所以舍去） 當(dāng)iHr=-100 時(shí),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(lái)說(shuō)，剛輪僅比柔輪多幾個(gè)齒；剛輪固定時(shí)，柔輪與輸出軸固聯(lián)；柔輪固定 時(shí)，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(dòng)的齒側(cè)間隙的調(diào)整方法有哪些? 答(1)圓柱齒輪傳動(dòng):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(cuò)齒調(diào)整法。 (2)斜齒輪傳動(dòng):錯(cuò)齒調(diào)整法,用兩個(gè)薄片齒輪與一個(gè)寬齒輪嚙合,只是在兩個(gè)薄片斜齒輪 的中間隔開(kāi)了一小段距離,這樣它的螺旋線便錯(cuò)開(kāi)了。 （3）錐齒輪采用彈簧調(diào)整方式。 4 2-25.軸系部件設(shè)計(jì)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(jī)電一體化技術(shù)第3 章參考答案 3-1 簡(jiǎn)述機(jī)電一體化系統(tǒng)執(zhí)行元件的分類(lèi)及特點(diǎn)。 答: 種類(lèi) 特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 電動(dòng)式 可使用商用電源；信號(hào)與動(dòng)力的傳動(dòng)方向相同；有交流和直流之別，應(yīng)注意電壓大小操作簡(jiǎn)便；編程容易；能實(shí)現(xiàn)定位伺服；響應(yīng)快、能與CPU相接； 體積小、動(dòng)力較大；無(wú)污染瞬時(shí)輸出功率大；過(guò)載能力差，特別是由于某種原因而卡住是，會(huì)引起燒毀事故，易受外部噪聲影響 氣動(dòng)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(wú)泄漏污染速度快、操作比較簡(jiǎn)單功率小，體積大，動(dòng)作不夠平穩(wěn)，不易小型化，遠(yuǎn)距離傳輸困難，工作噪聲大，難于伺服液動(dòng)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(dòng)作平穩(wěn)， 可實(shí)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(yán)格；易泄露且有污染 3-2 機(jī)電一體化系統(tǒng)對(duì)執(zhí)行元件的基本要求是什么？ 答: 1 慣量小、動(dòng)力大 2 體積小、重量輕 3 便于維修、安裝 4 易于微機(jī)控制 3-3 簡(jiǎn)述控制用電動(dòng)機(jī)的功率密度及比功率的定義。 答:電動(dòng)機(jī)的功率密度PG=P/G.電動(dòng)機(jī)的比功率dp/dt=d(Tw)/dt=Ts/dt|t=tn=Tn2/Jm 其中Tn----電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩，N*M Jm——電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kg*m2 3—5 直流伺服電機(jī)控制方式的基本形式是什么？ 答: 直流伺服電機(jī)為直流供電，為調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向，需要對(duì)其直流電壓的大小和 方向進(jìn)行控制。目前常用晶體管脈寬調(diào)理驅(qū)動(dòng)和晶閘管直流調(diào)速驅(qū)動(dòng)兩種方式。 晶閘管直流驅(qū)動(dòng)方式，主要通過(guò)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 ?。﹣?lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，從而改變整流電壓的大小，使直流電動(dòng)機(jī)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(dòng)系統(tǒng)當(dāng)輸入一個(gè)直流控制電壓U 時(shí)，就可得到一定寬度與U 成比例的脈沖方波給伺服電機(jī)電樞回路供電，通過(guò)改變脈沖寬度來(lái)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(dòng)機(jī)平滑調(diào)速。 6 3-6 簡(jiǎn)述PWM 直流驅(qū)動(dòng)調(diào)速，換向的工作原理。 答：通過(guò)電源的通斷來(lái)獲得電壓脈沖信號(hào)，控制通斷的時(shí)間比來(lái)獲得不同的電壓脈沖，通 的時(shí)間越長(zhǎng)，獲得的平均電壓越大，電機(jī)轉(zhuǎn)的就快，反之，電機(jī)轉(zhuǎn)的就慢。電機(jī)的換向是 通過(guò)橋式電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它是由四個(gè)大功率的晶體管組成，通過(guò)在不同晶體管的基極加正 負(fù)脈沖從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制。為使其實(shí)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(gè)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(shí)，在2 和4 的基級(jí)上加以負(fù)脈 沖，這時(shí)1 和3 導(dǎo)通，2 和4 導(dǎo) 通。設(shè)此時(shí)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向?yàn)檎? 反之，則為負(fù)。電流的方向與前 一情況相反， 電動(dòng)機(jī)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(fù)和導(dǎo)通率就可以改變電動(dòng)機(jī)的 轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。 步進(jìn)電機(jī)具有哪些特點(diǎn)？ 答： 1 步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)不易受各種干擾因素（如電源電壓的波動(dòng)、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(jìn)電機(jī)產(chǎn)生“丟步”的現(xiàn)象之 前，就不影響其正常工作； 2 步進(jìn)電機(jī)的步距角有誤差，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一定步數(shù)以后也會(huì)出現(xiàn)累計(jì)誤差，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò) 一轉(zhuǎn)以后，其累計(jì)誤差變?yōu)椤傲恪?，因此不?huì)長(zhǎng)期累積； 3 控制性能好，在起動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)時(shí)不易“丟步” 因此，步進(jìn)電機(jī)廣泛應(yīng)用于開(kāi)環(huán)控制的機(jī)電一體化系統(tǒng)，使系統(tǒng)簡(jiǎn)化，并可靠地獲得 較高的位置精度。 簡(jiǎn)述步進(jìn)電機(jī)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(lì)磁繞組，定子A 相磁極就產(chǎn)生磁通，并 對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生磁拉力，使轉(zhuǎn)子的1 3 兩個(gè)齒與定子的A 相磁極對(duì)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(shí)轉(zhuǎn)子2 4 兩個(gè)齒與B 相磁極靠的最近，于是轉(zhuǎn)子便 沿著逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò)30 度角，使轉(zhuǎn)子2 4 兩個(gè)齒與定子B 相磁極對(duì)齊。如果按照A→C→B →A……的順序通電，步進(jìn)電機(jī)講沿順時(shí)針?lè)较蛞徊讲降剞D(zhuǎn)動(dòng)。 7 3-11 簡(jiǎn)述步進(jìn)電機(jī)步距角大小的計(jì)算方法？ 答： a=360/（K*M） 式中：Z=轉(zhuǎn)子齒數(shù)。 M=運(yùn)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(dòng)機(jī)的相 數(shù)，單拍是K=1，雙拍時(shí)K=2）。 3-12 簡(jiǎn)述三相步進(jìn)電機(jī)的環(huán)形分配方式？ 答：1.采用計(jì)算機(jī)軟件，利用查表式計(jì)算方法來(lái)進(jìn)行脈沖的環(huán)形分配，簡(jiǎn)稱(chēng)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(zhuān)用環(huán)形分配器件。 簡(jiǎn)述步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jìn)電機(jī)的三相，每一項(xiàng)由一組放大器驅(qū)動(dòng)。沒(méi)有脈沖輸入時(shí)3DK4 和 3DD15 功率晶體管截止，繞組中無(wú)電流通過(guò)，電機(jī)不轉(zhuǎn)。當(dāng)A 相得電時(shí)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一 步，當(dāng)脈沖依次加到ABC 三個(gè)輸入端時(shí)，三組放大器分別驅(qū)動(dòng)不同的繞組，是電機(jī)一步一 步的轉(zhuǎn)動(dòng)。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(chǔ)存在繞組中的 能量通過(guò)二級(jí)管形成續(xù)流回路泄放，從而保護(hù)功放管。 高低壓功串放大電路（一） 無(wú)脈沖輸入時(shí)，VT1、VT2、VT3、VT4 均截止，電動(dòng)機(jī)繞組W 無(wú)電流通過(guò)，電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)。有 脈沖通過(guò)時(shí)，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(dāng)vt2 進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后t1 一次測(cè)電流暫時(shí)恒定，無(wú)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(dòng)機(jī)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(chǔ)存在w 中的能量通過(guò)18 歐姆的電阻和vd2 放電，電阻 的作用時(shí)間小放電回路的時(shí)間常數(shù)，改善電流波形的后沿。 8 9 機(jī)電一體化技術(shù)第4 章參考答案 試說(shuō)明CPU、MC 和MCS 之關(guān)系。 答：微處理機(jī)簡(jiǎn)稱(chēng)CPU，它是一個(gè)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(gè)寄存器、控制邏輯和運(yùn)算邏輯部件，有的器件還含有時(shí)鐘電 路，為器件工作提供定時(shí)信號(hào)。 微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱(chēng)MC。它是以微處理機(jī)為中心，加上只讀存儲(chǔ)器，隨機(jī)存取存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)。 上述微處理機(jī)、微型計(jì)算機(jī)都是從硬件角度定義的，而計(jì)算機(jī)的使用離不開(kāi)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)MCS。 4-3、在設(shè)計(jì)微機(jī)控制系統(tǒng)中首先會(huì)遇到的問(wèn)題是什么？ 答： 在設(shè)計(jì)微機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)，首先會(huì)遇到專(zhuān)用與通用的抉擇和硬件與軟件的權(quán)衡問(wèn)題。 4-17 試說(shuō)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(shí)，從上圖a 可知，微機(jī)輸出的控 制信號(hào)經(jīng)74LS04 非門(mén) 反相后，加到光電耦 合器G 的發(fā)光二極管 正端。當(dāng)控制信號(hào)為 高電平時(shí)，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(méi)有光發(fā)出。這時(shí)光敏晶體管截止，輸出信號(hào)幾乎等于加在光敏晶體管集電極上的電源電 壓。當(dāng)控制信號(hào)為低電平時(shí)，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(shuō)明檢測(cè)傳感器的微機(jī)接口基本方式。 答：①模擬量接口方式：傳感器輸出信號(hào)→放大→采樣/保持→模擬多路開(kāi)關(guān)→A/D 轉(zhuǎn)換→ I/O 接口→微機(jī) ②開(kāi)關(guān)量接口方式：開(kāi)關(guān)型傳感器輸出二值式信號(hào)(邏輯1 或0) →三態(tài)緩沖器→微機(jī) 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(jìn)制代碼、BCD 代碼、脈沖序列等) →計(jì)數(shù)器→三態(tài)緩沖器→微機(jī) 11 機(jī)電一體化技術(shù)第5 章參考答案 5-2 簡(jiǎn)述采樣定理？ 如果是有限帶寬信號(hào)，即| |> 時(shí)，E（j ）=0。而是e（t）的理想 采樣信號(hào)，若采樣頻率,那么一定可以有采樣信號(hào)唯一地決定出原始信號(hào) e（t）。也就是說(shuō)，若，則由可以完全地恢復(fù)e（t）。 5-3 簡(jiǎn)述數(shù)字控制系統(tǒng)A/D 轉(zhuǎn)換過(guò)程。 模/數(shù)轉(zhuǎn)換裝置每隔T 秒對(duì)輸入的連續(xù)信號(hào)e（t）進(jìn)行一次采樣，采樣信號(hào)為e*（t），如 圖a 所示。該采樣信號(hào)是時(shí)間上離散而幅值上連續(xù)的信號(hào)，它不能直接進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn) 算，必須經(jīng)量化后成為數(shù)字信號(hào)才能為計(jì)算機(jī)所接受。將采樣信號(hào)經(jīng)量化后成為數(shù)字信號(hào) 的過(guò)程是一個(gè)近似過(guò)程，稱(chēng)量化過(guò)程?，F(xiàn)對(duì)量化過(guò)程作簡(jiǎn)單的說(shuō)明：將采樣信號(hào)e*（t） 的變化范圍分成若干層，每一層都用一個(gè)二進(jìn)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(hào)。如圖b 所示，采樣信號(hào)A1 為1.8V，則量化值A(chǔ)1 ’為2V，用數(shù)字010 來(lái)代表； 采樣信號(hào)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(hào)變成了數(shù) 字信號(hào)。 a b 5-5 簡(jiǎn)述多輸入多輸出系統(tǒng)的靜力學(xué)方程。 答： 設(shè)對(duì)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(jī)構(gòu)內(nèi)部機(jī)械損失時(shí)，兩式相等。由于相互獨(dú)立，則對(duì)第i 個(gè)輸入有 用表示輸入力（或轉(zhuǎn)矩）時(shí)，寫(xiě)成 式中——力（或轉(zhuǎn)矩）的變換系數(shù)，是n*m 矩陣。 5-6 簡(jiǎn)述兩自由度機(jī)器人逆動(dòng)力學(xué)方程。 答：首先利用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方法將軌跡｛x(t),y(t)｝變換成為關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)φ1(t)、φ2(t)，然后 從φ1 和φ2 導(dǎo)出計(jì)算關(guān)節(jié)力矩T1、T2 的計(jì)算公式。由平面幾何學(xué)知識(shí)，可得逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解為 = = 式中 p= ，q= 。 逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解可由Lagrange 公式解出。設(shè)計(jì)器人得負(fù)載只有各臂端部的質(zhì)量， 則 = ]*[ ]+ 式中第一項(xiàng)相當(dāng)于慣性項(xiàng)，第二項(xiàng)相當(dāng)于離心力與哥氏力。 13 機(jī)電一體化技術(shù)第7 章參考答案 7-3 機(jī)電一體化系統(tǒng)中的典型負(fù)載有哪些？說(shuō)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(fù)載是指慣性負(fù)載、外力負(fù)載、彈性負(fù)載、摩擦負(fù)載（滑動(dòng)摩擦負(fù)載、粘性摩擦 負(fù)載、滾動(dòng)摩擦負(fù)載等）。對(duì)具體系統(tǒng)而言，其負(fù)載可能是以上幾種典型負(fù)載的組合，不一 定均包含上述所有負(fù)載項(xiàng)目。 第一式表示等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。該系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)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(dòng)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(shí)，可將上式改寫(xiě)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(fù)載轉(zhuǎn)矩。設(shè)上述系統(tǒng)在時(shí)間t 內(nèi)克服負(fù)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(shí) 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(tái)x 軸驅(qū)動(dòng)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(tái)與導(dǎo)軌間為滑動(dòng)摩擦，其摩 擦系數(shù)為0.2，試求轉(zhuǎn)換到電動(dòng)機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)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(dāng)工作臺(tái)向右時(shí)： 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(dāng)工作臺(tái)向左時(shí)： 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(jiǎn)述機(jī)電一體化系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建立過(guò)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(diǎn)？ 答：在穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)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(dòng)控制理論基礎(chǔ)課所學(xué)知識(shí)建立各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，進(jìn)而激勵(lì)系統(tǒng)傳遞函數(shù)。 以閉環(huán)控制方式為例： 圖（1）為檢測(cè)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(dòng)工作臺(tái)的伺服進(jìn)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(jī)增益； -速度反饋增益； -直流伺服電機(jī)時(shí)間常數(shù)； -減速比； -位置檢測(cè)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(dāng)系統(tǒng)受到外擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩時(shí)，圖（2）就變?yōu)閳D（3）。為分析方便起見(jiàn)，見(jiàn)圖（3）改畫(huà)成 圖（4）所示，則傳遞函數(shù)為： G(s)= = 16 （3）附加擾動(dòng)力矩（以電壓表示）的系統(tǒng)框圖 -直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)； -直流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子的繞組阻抗； -功率放大器的輸出阻抗； -對(duì)應(yīng)于擾動(dòng)力矩的等效擾動(dòng)電壓的拉氏變換 （4）附加擾動(dòng)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(diǎn) （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(qiáng)，但是存在調(diào) 節(jié)誤差。而且Kp 太大會(huì)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(dú)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(diǎn)，又避免了積分環(huán)節(jié)響應(yīng)慢的弱 17 點(diǎn)，既能改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性能能，又能改善其動(dòng)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(dòng)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(dòng)態(tài)性能也比用PI 調(diào)節(jié)器時(shí)好。 7-8 何謂機(jī)電一體化系統(tǒng)的“可靠性”？ 答：機(jī)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(shí)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 .