機(jī)電一體化技術(shù) 習(xí)題-參考答案

.目 錄機(jī)電一體化技術(shù)第1 章習(xí)題-參考答案 . 11-1 試說明較為人們接受的機(jī)電一體化的含義。 . 11-4 何謂機(jī)電一體化技術(shù)革命？ . 11-7.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？ . 11-8.工業(yè)三大要素指的是什么？ . 11-12.機(jī)電一體化系統(tǒng)的接口功能有哪兩種？ . 11-16.什么是機(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 . 22-1 設(shè)計機(jī)械傳動部件時，為確保機(jī)械系統(tǒng)的傳動精度和工作穩(wěn)定性，常常提出哪些要求？ . 22-2 機(jī)電一體化系統(tǒng)傳動機(jī)構(gòu)的作用是什么？ . 22-3 機(jī)電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）對傳動機(jī)構(gòu)的基本要求是什么？ . 22-10 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0=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？ . 2216 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？ . 2217 已知：4 級齒輪傳動系統(tǒng)，各齒輪的轉(zhuǎn)角誤差為1=2=3=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max; 為縮小max，應(yīng)采取何種措施？ . 2218 諧波齒輪傳動有何特點(diǎn)？傳動比的計算方法是什么？ . 32-19.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,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) . 32-20.齒輪傳動的齒側(cè)間隙的調(diào)整方法有哪些? . 32-25.軸系部件設(shè)計的基本要求有哪些？ . 4機(jī)電一體化技術(shù)第3 章參考答案 . 53-1 簡述機(jī)電一體化系統(tǒng)執(zhí)行元件的分類及特點(diǎn)。 . 5II3-2 機(jī)電一體化系統(tǒng)對執(zhí)行元件的基本要求是什么？ . 53-3 簡述控制用電動機(jī)的功率密度及比功率的定義。 . 535 直流伺服電機(jī)控制方式的基本形式是什么？ . 53-6 簡述PWM 直流驅(qū)動調(diào)速，換向的工作原理。 . 6步進(jìn)電機(jī)具有哪些特點(diǎn)？ . 6簡述步進(jìn)電機(jī)三相單三拍的工作原理？ . 63-11 簡述步進(jìn)電機(jī)步距角大小的計算方法？ . 73-12 簡述三相步進(jìn)電機(jī)的環(huán)形分配方式？ . 7簡述步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動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試說明CPU、MC 和MCS 之關(guān)系。 . 94-3、在設(shè)計微機(jī)控制系統(tǒng)中首先會遇到的問題是什么？ . 94-17 試說明光電耦合器的光電隔離原理。 . 94-20 試說明檢測傳感器的微機(jī)接口基本方式。 . 9機(jī)電一體化技術(shù)第5 章參考答案 . 115-2 簡述采樣定理？ . 115-3 簡述數(shù)字控制系統(tǒng)A/D 轉(zhuǎn)換過程。 . 115-5 簡述多輸入多輸出系統(tǒng)的靜力學(xué)方程。 . 115-6 簡述兩自由度機(jī)器人逆動力學(xué)方程。 . 12機(jī)電一體化技術(shù)第7 章參考答案 . 137-3 機(jī)電一體化系統(tǒng)中的典型負(fù)載有哪些？說明以下公式的含義： . 137-4 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(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量和等效轉(zhuǎn)矩。 . 137-5.簡述機(jī)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(diǎn)？ . 147-8 何謂機(jī)電一體化系統(tǒng)的“可靠性”？ . 171機(jī)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(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。1-4 何謂機(jī)電一體化技術(shù)革命？答：將微型計算機(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“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（計算機(jī)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(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)計機(jī)械傳動部件時，為確保機(jī)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(dāng)?shù)淖枘岜鹊取?-2 機(jī)電一體化系統(tǒng)傳動機(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）對傳動機(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0=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，S=(2/Z1)* 0=0.02*6 mm=0.12 mm。216 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(jī)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。217 已知：4 級齒輪傳動系統(tǒng)，各齒輪的轉(zhuǎn)角誤差為1=2=3=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max; 為縮小max，應(yīng)采取何種措施？解：（1）max=iDf1+2 3 42 3i i iDf + Df+3 44 5i iDf + Df+46 7iDf + Df+8=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 rad3=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max，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。218 諧波齒輪傳動有何特點(diǎn)？傳動比的計算方法是什么？答：（1）諧波齒輪傳動特點(diǎn)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(qiáng)、效率高等特點(diǎn)。諧波齒輪傳動的波發(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 grgg H rZiZw ww w-= =-。當(dāng)柔性輪固定時， H H g g 1 r g r H grg Hgg H r H g g g g rZ Z Z Z Z i iZ Z Z Z Zw w ww w w w- -= = = - = = =- -當(dāng)剛性輪固定時， 10r H g r g H rHrH r H r g r gZ Z Z iZ Z Z Zw w w ww 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,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(dāng)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(dāng)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。42-25.軸系部件設(shè)計的基本要求有哪些？答：旋轉(zhuǎn)精度剛度抗震性熱變形軸上零件的布置5機(jī)電一體化技術(shù)第3 章參考答案3-1 簡述機(jī)電一體化系統(tǒng)執(zhí)行元件的分類及特點(diǎn)。答:種類 特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn)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(shí)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(yuǎn)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(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(jī)控制3-3 簡述控制用電動機(jī)的功率密度及比功率的定義。答:電動機(jī)的功率密度PG=P/G.電動機(jī)的比功率dp/dt=d(Tw)/dt=Ts/dt|t=tn=Tn2/Jm其中Tn-電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩，N*MJm電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量,kg*m235 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)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向，需要對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（控制電壓的大小）來移動觸發(fā)脈沖的相位，從而改變整流電壓的大小，使直流電動機(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)動系統(tǒng)當(dāng)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(jī)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(jī)平滑調(diào)速。63-6 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(jī)轉(zhuǎn)的就快，反之，電機(jī)轉(zhuǎn)的就慢。電機(jī)的換向是通過橋式電路來實(shí)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(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(fù)脈沖，這時1 和3 導(dǎo)通，2 和4 導(dǎo)通。設(shè)此時的電動機(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、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(jìn)電機(jī)廣泛應(yīng)用于開環(huán)控制的機(jī)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(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ACBA的順序通電，步進(jìn)電機(jī)講沿順時針方向一步步地轉(zhuǎn)動。73-11 簡述步進(jìn)電機(jī)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(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 為電動機(jī)的相數(shù)，單拍是K=1，雙拍時K=2）。3-12 簡述三相步進(jìn)電機(jī)的環(huán)形分配方式？答：1.采用計算機(jī)軟件，利用查表式計算方法來進(jìn)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(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)的三相，每一項(xiàng)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(jī)不轉(zhuǎn)。當(dāng)A 相得電時，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動一步，當(dāng)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(jī)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(hù)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(jī)繞組W 無電流通過，電動機(jī)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(dāng)vt2 進(jìn)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(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。89機(jī)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(jī)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(yùn)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(jī)簡稱MC。它是以微處理機(jī)為中心，加上只讀存儲器，隨機(jī)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(jī)。上述微處理機(jī)、微型計算機(jī)都是從硬件角度定義的，而計算機(jī)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(jī)系統(tǒng)，簡稱MCS。4-3、在設(shè)計微機(jī)控制系統(tǒng)中首先會遇到的問題是什么？答： 在設(shè)計微機(jī)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(jī)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(dāng)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(dāng)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(jī)接口基本方式。答：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(jī)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(jī)10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(jìn)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(jìn)入計算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算，必須經(jīng)量化后成為數(shù)字信號才能為計算機(jī)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(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。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 b5-5 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(jī)構(gòu)內(nèi)部機(jī)械損失時，兩式相等。由于相互獨(dú)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(jī)器人逆動力學(xué)方程。答：首先利用逆運(yùn)動學(xué)方法將軌跡x(t),y(t)變換成為關(guān)節(jié)運(yùn)動1(t)、2(t)，然后從1 和2 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(yùn)動學(xué)解為=式中 p= ，q= 。逆運(yùn)動學(xué)解可由Lagrange 公式解出。設(shè)計器人得負(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？說明以下公式的含義：2 21 1m nk i jcq i ji k i kJ m v Jw= 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（滑動摩擦負(fù)載、粘性摩擦負(fù)載、滾動摩擦負(fù)載等）。對具體系統(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)動慣量。該系統(tǒng)運(yùn)動部件的動能總和為2 21 11 12 2m ni i j ji iE m v J w= = + 設(shè)、等效到元件輸出軸上的總動能為 2 12k kcq k E = J w ，由能量守恒：E =Ek故2 21 1m nk i jcq i ji k i kJ m v Jw= w = w = + 用工程上常用單位時，可將上式改寫為2 221 114m nk i jcq i ji k i kv n J m Jp = n = n = + 第二式表示等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩。設(shè)上述系統(tǒng)在時間t 內(nèi)克服負(fù)載所作的功德總和為：1 1m ni i j ji jW 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 kK eq k W = T w t，由 K W =W 得：1 1/ /m nkeq i i k j j ki jT Fv w Tw w= = + ，或1 11 / /2m nkeq i i k j j ki jT F v n T n np = = +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(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量和等效轉(zhuǎn)矩。答：（1）由公式：2 221 114m nk i jcq i ji k i kv n J m Jp = 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）Jkeq =1/42ma(v1/nk)2+JG1(nG1/ nk)2+JG2(nG2/ nk)2+JG3(nG3/ nk)2+JG4(nG4/ nk)2+J(n/ nk)2+J(n/14nk)2+J 絲（n 絲/ nk）2+Jm=0.0508( )（2）當(dāng)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 nkeq i i k j j ki jT 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*pi2)b=j1c=j2*(n2/nd)2d=j3*(n3/nd)2e=j4*(n4/nd)2f=js*(ns/nd)2g=j11*(n11/nd)2h=j22*(n22/nd)2J=400*(v1/nd)2/(4*pi2)+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+jdfs=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(jī)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(diǎn)？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(jìn)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15G（s）= =式中：K=(1) 用滾珠絲杠傳動工作臺的伺服進(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(dāng)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(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(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)=Kp1+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(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)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。2 2 2 2 2 21 2 3 42 1 2 3 414k A sicq A si Dk k k k k k.