解：（1）丝杠旋转一周有1024个脉冲，307200个脉冲对应于丝杠旋转307200/1024=300周，故刀架的位移量为300*2mm=600mm，
（2）丝杠的转速为300*2π//10=60π （弧度/ 秒）
2．如图所示的电机驱动工作台系统，其中驱动x向工作台的三相双三拍步进电机，转子齿数z为100。滚珠丝杠的基本导程为l0=6mm。已知传动系统的横向(x向)脉冲当量δ为0.005mm/脉冲。试求：
（1）步进电机的步距角α； （2）减速齿轮的传动比i。
工作台 电机 i
滚珠丝杠
图 电机驱动工作台示意图
解：（1）K=3相，N=3拍，z=100
步进电机的步距角α=360o/(z*m)= 360o/(z*K*N)= 360o/(100*3*3)=0.4 o
（2）由于一个脉冲，步进电机旋转0.4 o，工作台横向(x向)脉冲当量0.005mm，由于滚珠丝杠的基本导程为l0=6mm，对应于丝杠转动一周360 o ，设一个脉冲丝杠转动的角度为x，则 6mm/360o=0.005/xo，得x=0.3o
故减速齿轮的传动比i=0.3/0.4=3/4
五、综合题
1．图示直射式光电转速传感器是一种角位移传感器，由装在被测轴(或与被测轴相连接的输入轴)上的带缝隙圆盘、光源、光电器件和指示缝隙盘组成，光源发生的光通过缝隙圆盘和指示缝隙照射到光电器件上。试分析传感器的测量原理。
解：当装在被测轴(或与被测轴相连接的输入轴)上的带缝隙圆盘转动时，光敏元件接收到脉冲信号，若转动圆盘上缝隙是均匀刻制，总数量为N，则光敏元件每输出N个脉冲，就意味着圆盘转动一周360o；若输出M个脉冲，就意味着转过360*M/No，因此，该传感器可以用于测量角度。如果在T秒时间内转过输出M个脉冲，就意味着转速为360*M/N/T (o/s ) 因此，该传感器也可以用于测量角速度。
2．已知一个绳位移控制系统的两种驱动方案分别如图a和b所示。 （1）试分析两种方案的特点；
（2）画图说明方案（a）减速器滚筒驱动测量位移的方法。
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（a）减速器滚筒驱动 （b）丝杠滑台驱动
解：（1）分析两种方案的特点：
（a） 电机经减速器带动滚筒转动，使驱动绳产生位移； （b） 电机带动丝杠转动，丝杠上的螺母便产生直线运动，带动驱动绳产生位移。 （2）画图说明方案（a）减速器滚筒驱动测量位移的方法
作业3
一、判断题（正确的打√，错误的打×）
1．数字式位移传感器有光栅、磁栅、感应同步器等，它们的共同特点是利用自身的物理特征，制成直线型和圆形结构的位移传感器，输出信号都是脉冲信号，每一个脉冲代表输入的位移当量，通过计数脉冲就可以统计位移的尺寸。（√ ）
2．电液伺服系统的过载能力强，在强力驱动和高精度定位时性能好，适合于重载的高加减速驱动。（√ ）
3．通常，步进电机的最高连续工作频率远大于它的最高启动频率。（√ ） 4．脉冲分配器的作用是使电动机绕组的通电顺序按一定规律变化。（√ ） 5．对直流伺服电动机来说，其机械特性越硬越好。（√ ）
6．无论采用何种控制方案，系统的控制精度总是高于检测装置的精度。（× ） 7．一般说来，全物理仿真较之计算机仿真在时间、费用和方便性上都具有明显的优点，是一种经济、快捷与实用的仿真方法。（× ）
8．数字化物理样机就是一种结构设计软件，强调结构上的设计。（× ） 9．计算机控制系统的采样周期越小，其控制精度就越高。（√ ）
10．PLC采用扫描工作方式，扫描周期的长短决定了PLC的工作速度。（√ ）
11．通用型计算机系大多工作在为特定用户群设计的系统中，通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点。（× ）
12．现代嵌入式系统的设计方法是将系统划分为硬件和软件两个独立的部分，然后按各自的设计流程分别完成。（× ）
二、单选题
1．下列哪个是传感器的动特性（D ）。
A．量程 B．线性度
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C．灵敏度 D．幅频特性 2．在开环控制系统中,常用（B ）做驱动元件。
A．直流伺服电动机 B．步进电动机
C．同步交流伺服电动机 D．异步交流伺服电动机
3.光栅传感器的光栅是在一块长条形的光学玻璃上密集等间距平行的刻线，刻线数为100线/mm，此光栅传感器测量分辨率是（C ）mm。
A．1 B．0.1 C．0.01 D．0.001 4．计算机控制系统实际运行时，需要由用户自行编写（D ），具有实时性、针对性、灵活性和通用性。
A．实时软件 B．开发软件 C．系统软件 D．应用软件 5．以下除了（D ），均是由硬件和软件组成。
A．计算机控制系统 B．PLC控制系统 C．嵌入式系统 D．继电器控制系统 6．以下抑制电磁干扰的措施，除了（D ），其余都是从切断传播途径入手。 A屏蔽 B隔离 C滤波 D软件抗干扰
三、简答题
1． 机电一体化系统仿真在系统设计过程中所起的作用是什么？
在系统实际运行前，也希望对项目的实施结果加以预测，以便选择正确、高效的运行策略或提前消除设计中的缺陷，最大限度地提高实际系统的运行水平，采用仿真技术可以省时省力省钱地达到上述目的。
2．机电一体化系统仿真的模型主要有哪几种？分别应用于系统设计的哪个阶段？ 仿真根据采用的模型可以分为：计算机仿真、半物理仿真、全物理仿真。 计算机仿真：应用于系统设计阶段；
半物理仿真：应用于部件及子系统研制阶段； 全物理仿真：应用于系统研制阶段。
3．PID控制算法中比例、积分、微分部分各起何作用？
比例调节起纠正偏差的作用，其反应迅速；积分调节能消除静差，改善系统静态特性；微分调节有利于减少超调，加快系统的过渡过程。
4．系统采样周期的选择时，主要考虑的影响因素主要有哪些？
?/?（1）根据香农采样定理，确定采样周期：T?，其中?max为被采信号角频率max上限。
（2）采样周期应大于执行元件动态调节稳定时间。
（3）从系统随动性和抗干扰的角度，采样周期应尽可能小，这样时延小，反映迅速。 （4）在多回路控制中，由于采用巡检控制方式，采样周期应足够大，以确保在一个采样周期内，能处理完所有回路的算法计算。
（5）从计算机的精度上讲，采样周期不应太小。
5．简述下图所示梯形图的工作过程及逻辑关系，图中接线为：开关1（I0.0），开关2（I0.1），开关3（I0.2），红灯（Q0.0），绿灯（Q0.1）。
I0.0 I0.1 Q0.0
I0.2 Q0.0
- 8 - 图 梯形图
（ ）
3s I0.2
T0
T0
Q0.1 （ ）
解：由图可知：开关1、开关2为常开，开关3为常闭，当开关1、开关2接通、开关3为常闭状态时，红灯能亮，同时启动定时器T0，沿时3秒，3秒后如果开关3为常闭状态，则绿灯亮。
Q0.0?I0.0?I0.1?I0.2T0?Q0.03 S Q0.1?T0?I0.2四、计算题
1．某工作台采用如图所示的直流电机丝杠螺母机构驱动，已知工作台的行程L=250mm，丝杠导程t=4mm，齿轮减速比为i=5，要求工作台位移的测量精度为0.005mm（忽略齿轮和丝杠的传动误差）。
（1）若采用高速端测量方法，将旋转编码器安装在电机输出轴上，确定旋转编码器的每转脉冲数。
（2）若采用低速端测量方法，将传感器与丝杠的端部直接相连，ns=500脉冲/转的旋转编码器是否合用？
联轴器 DC伺服 电机 i=5 工作台
丝杠齿轮减速器 滚珠螺母
图 直流电机丝杠螺母机构驱动工作台
解：（1）设工作台位移（测量精度）0.005mm时，丝杠转动的角度为X?，则有
360?X? ?4mm0.005mm?0.45??iX??2.25?得：X，若对应于电机轴的角度为Y?，则Y，安装在电机输出轴上
?/2.25??16的旋转编码器共有360?，故旋转编码器的每转脉冲数为360
?/0.45??80（2）因为360> ns=500，故不合用。
2．图示为电枢控制式直流电动机的工作原理图。图中电机线圈的电流为i；L与R为线圈的电感与电阻；电机的输入电压为u；折算到电机转子轴上的等效负载转动惯量为JM；电机输出转矩和转速分别为T和ω；KE和KT分别为电枢的电势常数和转矩常数，试求输出转速与输入电压之间的传递函数。
iJ?Mu图 直流电动机的工作原
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u?iR?Li'?K??E解： ?Ki?J?'TM?(1)
(2)U(s)?I(s)R?LsI(s)?K?(s)?E在零初始条件下进行拉氏变换：?KI(s)?Js?(s)TM?(3) (4)由（4）式得I，带入到（3）式，得输出转速与输入电压之间的传递函(s)?Js?(s)/KMT数
K?(s)T? 2U(s)LJs?RJs?KKMMET五、综合题
1．如图所示的系统，试分析齿轮减速器、丝杠螺母机构及传感器的误差对输出精度的影响。
解：齿轮减速器存在两种误差：传动误差和回程误差。传动误差主要由温度或弹性导致的齿轮变形产生；回程误差主要是由齿轮间隙造成。为提高齿轮传动系统中传递运动的精度，各级传动比应按“先小后大”原则分配，设各级转角误差为??k、第k个齿轮到第n级输出轴的传动比为ikn，设各级转角误差折算到末级输出轴上的总误差为??max
??????maxk/ink
k?1n丝杠螺母机构传动误差主要由丝杠与螺母之间的间隙决定，通常可由其间的调整、预紧
调整到最小程度，由于这个误差是在末级上，其大小直接影响输出精度。
传感器的误差对输出精度的影响是通过控制产生的，由于传感的误差必然导致控制的误差。可以说，传感器的误差直接决定对输出精度的影响。
2．用PLC实现对一台电动机的正反转控制。控制要求为：首先电动机正转起动，3秒后自动反转，反转2秒后自动又回到正转，如此循环；可以随时停车。
（1）写出I/O分配表；
（2）选择PLC，画出梯形图。
解：（1）电动机正转起动开关I0.0，电动机正转Q0.0，电动机反转Q0.1，电动机停转开关I0.1。
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中央电大形成性考核作业机电一体化系统设计基础作业1234参考答案
