《机电一体化系统设计基础》形成性考核作业参考答案
形成性考核作业1参考答案
一、判断题（正确的打√，错误的打×）
1．× 2．√ 3．√ 4．× 5．× 6．× 7．× 8．× 9．× 10．√ 11．× 12．× 二、单选题
1．C 2．A 3．B 4．A，A 5．D 6．B 7．A 8．D 三、简答题
1．完善的机电一体化系统主要包括哪几部分？
答：机械本体、动力系统、检测传感系统、执行部件和信息处理及控制系统五部分相互协调，共同完成所规定的目的功能。通过接口及相应软件有机结合在一起，构成内部匹配合理、外部效能最佳的完整产品。
2．简述机电一体化系统中的接口的作用。
机电一体系统是机械、电子和信息等性能各异的技术融为一体的综合系统，其构成要素和子系统之间的接口极其重要。从系统外部看，输入/输出是系统与人、环境或其他系统之间的接口；从系统内部看，机电一体化系统是通过许多接口将各组成要素的输入/输出联系成一体的系统。
3．机械运动中的摩擦和阻尼会降低效率，但是设计中要适当选择其参数，而不是越小越好。为什么？
B,由公式可知阻比除了与机械系统的粘性阻尼系数B有关外，还2mK0与系统刚度K0和质量m有关。因此，在机械结构设计时，应当通过对刚度、质量和摩擦系
阻尼比公式:??数等参数的合理匹配，得到机械系统阻尼比ξ的适当取值，以保证系统的良好动态特性。
4．简述机械系统的刚度对系统动态特性的影响。 机械系统的刚度对系统的主要影响表现为以下几方面：
（1）失动量 系统刚度越大，因静摩擦力的作用所产生的传动部件的弹性变形越小，系统的失动量也越小；
（2）固有频率 机械系统刚度越大，固有频率越高，可远离控制系统或驱动系统的频带宽度，从而避免产生共振；
（3）稳定性 刚度对开环伺服系统的稳定性没有影响，而对闭环伺服系统的稳定性有很大影响，提高刚度可增加闭环系统的稳定性。 四、计算题 1．解：
?t??52JG?m???3.166?10kg?m?2??2
12．解：该系统的最大转角误差：J?J??J?J ?Jen1iΔφmaxΔφmax=?(??k/ikn)=△φ1/（i1 i2 i3 i42）+（△φ2+△φ3/（ i2 i3 i4）+ -4J?J?J?5.236?10kg?mmek?1（△φ4+△φ5/（i3 i4）+（△φ6+△φ7/（i4）+△φ8=0.01/(3×3×3×3)+ (0.01+0.01)/(3×3×3)+ (0.01+0.01)/(3×3)+ (0.01+0.01)/(3)+ 0.01=0.02
22sG??1.236?10-4kg?m2五、综合题
1．答：图中所示的双螺母螺纹预紧调整齿侧间隙，双螺母中的一个外端有凸缘，一个外端无凸缘，但制有螺纹，它伸出套筒外用两个螺母固定锁紧，并用键来防止两螺母相对转动。旋转圆螺母可调整消除间隙并产生预紧力，之后再用锁紧螺母锁紧。
2．答：当传动负载大时，可采用双齿轮调整法。消除齿侧间隙的原理：小齿轮1，6分别与齿条7啮合，与小齿轮1，6同轴的大齿轮2，5分别与齿轮3啮合，通过预载装置4向齿轮3上预加负载，使大齿轮2，5同时向两个相反方向转动，从而带动小齿轮1，6转动，其齿面便分别紧贴在齿条7上齿槽的左、右侧，从而消除了齿侧间隙。
形成性考核作业2参考答案
一、判断题（正确的打√，错误的打×）
1．× 2．√ 3．× 4．× 5．√ 6．× 7．√ 8．√ 9．× 10．√ 11．× 12．× 二、单选题
1．B 2．C 3．B 4．B 5．D 6．B 7．D 8．B 三、简答题
1．什么是传感器的静态特性和动态特性？
传感器的静态特性是指传感器的输入信号不随时间变化或变化非常缓慢时，所表现出来的输出响应特性。需要了解的主要参数有：线性范围、线性度、灵敏度、精确度、分辨力、迟滞、稳定性。
传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性。需要了解的主要参数有：幅频特性和相频特性。
2．什么是伺服系统？伺服系统的一般组成有哪几个部分？
伺服系统是指以机械位置、速度和加速度为控制对象，在控制命令的指挥下，控制执行元件工作，使机械运动部件按控制命令的要求进行运动，并具有良好的动态性能。
（1）控制器：伺服系统中控制器的主要任务是根据输入信号和反馈信号决定控制策略，控制器通常由电子线路或计算机组成。
（2）功率放大器：伺服系统中功率放大器的作用是将信号进行放大，并用来驱动执行
机构完成某种操作，功率放大装置主要由各种电力电子器件组成。
（3）执行机构：执行机构主要由伺服电动机或液压伺服机构和机械传动装置等组成。 （4）检测装置：检测装置的任务是测量被控制量，实现反馈控制。无论采用何种控制方案，系统的控制精度总是低于检测装置的精度，因此要求检测装置精度高、线性度好、可靠性高、响应快。
3．简述直流伺服电动机脉宽调制的工作原理。
直流伺服电动机脉宽调制（PWM）的工作原理：假设输入直流电压U，可以调节导通时间得到一定宽度的与U成比例的脉冲方波，给伺服电动机电枢回路供电，通过改变脉冲宽度来改变电枢回路的平均电压，从而输出不同大小的电压Ua，使直流电动机平滑调速。
4．比较直流伺服电动机和交流伺服电动机的适用环境差别。
直流伺服电动机有较高的响应速度和精度以及优良的控制特性，但由于使用电刷和换向器，故寿命较低，需定期维护。适用于数控机床、工业机器人等机电一体化产品中。
交流伺服电动机具有调速范围宽、转子惯性小、控制功率小、过载能力强、可靠性好的特点。适用于数控机床进给传动控制、工业机器人关节传动，及运动和位置控制场合。 四、计算题
1．解：307200÷1024=30（转）
∵ 每转丝杠走2mm，∴刀架位移量为30×2=60mm N=30转/10秒=3转/秒
360?360???1.5?
60z?K?N40?2?3??0.005?5 （2）减速齿轮的传动比i?360?360??1.5?五、综合题
2．解：（1）步进电机的步距角l??1．答：
该传感器为一种角位移式的光电传感器，用于测量角位移，将传感器的输入轴接测量元件。当测量元件转动时，带动输入轴上的开空圆盘。每个开空圆盘对应一个角度。可将圆盘均分最小单位为测量的最小角度。
圆盘旋转时，开空与缝隙板对准时，光源将光直射到光敏元件上，将得到一个光电信号（脉冲），将脉冲信号输入计数器可记录圆盘转过的角度，也就是测量元件转过角度。 2．答：
方案a :结构简单、易实现。绳的位移可以很大，但绳在滚筒方向会产生横向位移。需要采用制动器或者止逆型减速器才能防止绳对电机的反向驱动。
方案b：结构较简单，成本与方案a相当。绳的位移要受到丝杠长度的限制。普通丝杠具有止逆功能，无需增加制动器即可防止绳对电机的反向驱动。无横向位移。
2．方案的测量方法
（1）电机轴安装编码器直接测量绳的位移
（2）滚筒轴安装编码器间接测量绳的位移。
形成性考核作业3参考答案
一、判断题（正确的打√，错误的打×）
1．√ 2．√ 3．√ 4．√ 5．× 6．× 7．× 8．√ 9．× 10．√ 11．× 12．√ 二、单选题
1．D 2．B 3．C 4．D 5．D 6．D 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。
计算机仿真包括三个基本要素，即实际系统、数学模型与计算机，联系这三个要素则有三个基本活动：模型建立、仿真实验与结果分析。
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？ 机电一体化系统仿真的模型主要有：物理模型、数学模型和描述模型。当仿真模型是物理模型时，为（全）物理仿真；是数学模型时，称之为数学（计算机）仿真。用已研制出来的系统中的实际部件或子系统代替部分数学模型所构成的仿真称为半物理模型。计算机仿真、半物理仿真、全物理仿真分别应用于分析设计阶段（软件级）、部件及子系统研制阶段（软件—硬件级）实时仿真、系统研制阶段（硬件级）实时仿真阶段。
3．PID控制算法中比例、积分、微分部分各起何作用？
答：P（比例）I（积分）D（微分）调节器是将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量。其中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。此三部分作用配合得当，可使调节过程快速、平稳、准确，收到较好的效果。
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？
应主要考虑以下几方面：从对调节品质的要求来看，应将采样周期取得小些，这样，在按连续系统PID调节选择整定参数时，可得到较好的控制效果；从执行元件的要求来看，有时需要输出信号保持一定的宽度。如：当通过数模转换带动步进电动机时，输出信号通过保持器达到所要求的控制幅度需要一定的时间，在这段时间内，要求计算机的输出值不应变化，因此，采样周期必须大于这一时间；从控制系统随动和抗干扰的性能要求来看，要求采样周期短些；从计算机的工作量和每个调节回路的计算成本来看，一般要求采样周期大些；从计算机的精度来看，过短的采样周期不合适。因此，各方面因素对采样周期的要求各不相同，有时互相矛盾，所以，确定采样周期时须根据具体情况和主要要求作出折中选择。
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）。
答：
I0.0 I0.1
Q0.0
I0.2 Q0.0
） （3s
T0
T0
I0.2Q0.1 （ ）
I0.0、I0.1：两个常开触点开关；图 梯形图 I0.2：常闭触点开关；
Q0.0、Q0.0、Q0.1：常开触点继电器； T0：通电延时闭合继电器； 工作过程：
当I0.0、I0.1、I0.2均闭合时，继电器Q0.0带电使红灯亮，当Q0.0闭合后启动定时器T0
12秋《机电一体化系统设计基础》形成性考核作业1234答案
