机电一体化概论习题参考答案.pdf

1机电一体化概论机电一体化概论（机械工业出版社，2013）习题参考答案习题参考答案第一章第一章习题习题1-1.如图1-1，将硬币塞入投币口，则推杆、阀片同时上移，弹簧受到压缩，阀片上的小孔正对出水口，圣水流出。当硬币越过高点跌落时，弹簧带动阀片、推杆下移，阀片上的小孔也移开，出水口被堵死。此题答案不唯一，方案仅供参考。1-2.马车直行时，左右两个小平轮都悬空，与立轮（跟足轮固连在一起）、小平轮、中心大平轮不发生啮合，因此木人不转，马车直行，指向也不会改变。马车向左拐弯时，车辆整体将绕左轮逆时针转动，车辕的前端向左，后端偏右，系在车辕上的拉索，左段收紧，把左边的小平轮向上拉，使它保持悬空；右段松开，右边的小平轮则下落，使立轮、小平轮、中心大平轮发生啮合而转动。例如，如图1-2所示，立轮随车轮前行绕自身轴线顺时针转动，小平轮逆时针转动，中心大平轮做顺时针转动（即由左向右转动了一个角度）。因此马车右转，木人左转，则指向不变（只要设计好转动角度）。马车向右拐弯的情况道理与此相同。总之，不管马车向任何方向转弯，木人总能保持指向不变。图1-1习题1-1参考答案图1-2习题1-2参考答案1-3.1机械单元：包括发动机机身、曲轴、气门等。2检测单元：一氧化碳传感器、氧传感器、曲轴位置传感器、转速传感器、水温传感器、节气门位置传感器、空气流量计等。3控制单元：电控单元（ECU）。4伺服驱动单元：主要包括燃油分配器、喷油器、火花塞。1-4.例如，电子天平与传统的分析天平相比，无需复杂的调节过程，测量精度也很容易达到0.001-0.1mg。医疗设备中，CT、血光造影等设备，可以清晰、直观的观察人体的内部构造，为临床诊断、治疗提供最直接的证据。很显然，没有这些设备的技术支持，无论是早期的诊断、还是后期治疗都是非常困难的。也就是说机电一体化技术为其他技术（如精密质量测量、医学临床诊断与治疗）需求提供了方便可行的技术方法，从而使其他技术的需求更容易实现，并为其下一步工作打下基础。21-5.例如，电子天平应用了机械设计与制造技术、计算机与信息处理技术、传感器技术、软件技术。1-6.此题答案不唯一，方案仅供参考。圣水壶内部设有中控芯片，投币口设有币值检测装置，出水口由电动阀来控制，水源水箱进水管由电动阀门控制，这样，就可以根据币值大小，控制出水量，同时保证水源水箱水位合适。1-7.（略）。第二章第二章习题习题2-1.vj=vL0=1805=900mmmin2-2.参考图2-1。钢珠在丝杠与螺母之间的滚动是一个循环闭路。根据回珠方式，可分为两类：内循环，回珠器处在螺母之内，图3a；外循环，插管式回珠器位于螺母之外，图3b。a）内循环b）外循环图2-1习题2-1参考答案钢珠每一个循环闭路称为列。每个滚珠循环闭路内所含导程数称为圈数。滚珠丝杠预紧后可以消除间隙和提高滚珠丝杠副的刚度。2-3.1.它在运转的时侯不会滑动，有精确的传动比。2.动力传递的效率高，非常节能。3.由于同步带动能传递是啮合传动，它的带轮半径比依附摩擦力来传动的三角带的要小很多，另外因为同步带不用较大的张紧力，让带轮轴和轴承的规格都可以减小。2-4.L=L02100=62100=0.12mm2-5.位置传感器（如限位开关、光电式位置传感器），位移传感器（如电阻式线位移传感器、电感式线位移传感器），角度传感器（如电阻式角位移传感器、电感式角位移传感器），光电式速度传感器等等。2-6.光电管、光电倍增管、光电编码器、光栅式传感器等，可以检测位置、位移、速度、温度等多种物理量。适用于非接触、响应快等应用场合。2-7.负温度系数传感器、正温度系数传感器。适合于测量精度高、测量范围大、远距离、自动化等场合。2-8.铂铑热电偶，镍铬-镍硅热电偶，镍铬-考铜热电偶，铜-康钢热电偶、特殊热电偶等等。塞贝克热电偶原理：不同的金属将产生不同的、与温度梯度有关的电势。如果这些金属焊接在一起构成温度传感器结，另一端未连接作为恒温参考端，在两端将呈现出电压，该电3压与焊接结的温度成正比。式中：E热电偶实际输出电动势，mV；T热电偶的绝对温度，C；Ej冷端热电偶等效输出电动势，mV；k灵敏度，mVC2-9.直线位移传感器、角位移传感器、位置传感器、加速度传感器、压力传感器、流量传感器，适于高温、低温、强辐射环境，测量相对变化量较大的场合。2-10.提示，方案一：在每一个运动状态换接处设置一个位置传感器，检测到运动件到达时，将信号发送给控制器，开始下一个动作。2-11.提示，方案一：采用光电管放置在旋转件上，每接受一次信号即为旋转一圈；方案二：采用光电编码器，参见本章2.3.2，光电式转速传感器；方案一：采用电阻式传感器，参见本章2.3.2，电阻式角位移传感器。2-12.可对位置、位移、转速、速度等进行测量。2-13.可以采用光电式、电阻式、电容式、电感式、激光式。2-14.1、适于确定测量对象与测量环境；2、灵敏度要适当；3、频率响应特性；4、稳定性好；5、精度要适当。2-15.略。2-16.一分耕耘一分收获瞄准后射出子弹开环控制雨过天晴团结就是力量，力量大可以战胜困难，增强团结意识医生经CT检查确诊病人的病情闭环控制达尔文学说认为：生物的进化是生存竞争和自然选择的结果2-17.2-142a)图所示，水通过进水阀控制流入水箱，当水箱水位上升时，通过浮球经连杆机构使进水阀门关小，进水量减少；当水箱水位下降时，通过浮球经连杆机构使进水阀门开大，进水量增加。此系统利用浮球作为反馈环节，将实际水箱水位和预设的水位相比较，并通过连杆机构来控制阀门的打开程度，从而对水位偏差进行修正，以保持水箱水位不变，这是一个水位自动控制系统，反馈环节为负反馈。2-142b)图所示，水通过进水阀控制流入水箱，当水箱水位上升时，通过浮球经连杆机构使进水阀门开大，进水量增加；当水箱水位下降时，通过浮球经连杆机构使进水阀门关小，进水量减少。此系统利用浮球作为反馈环节，将实际水箱水位和预设的水位相比较，并通过连杆机构来控制阀门的打开程度，但是反馈的结果使水位偏差变大，无法对水位偏差进行修正。这是一个水位控制系统，反馈环节为正反馈。2-18.分析智能控制与传统控制的优缺点：（1）处理复杂性、不确定性问题的能力。传统控制处理此问题的能力很弱，有时无法处理；智能控制处理此问题的能力较强。（2）对被控对象模型的依赖。传统控制是基于被控对象精确模型的控制方式，大多数被控对象很难建立精确的数学模型；智能控制的核心是基于知识进行智能决策，采用灵活机动的决策方式迫使控制朝着期望的目标逼近。（3）传统控制适于解决线性、时不变等相对简单的控制问题，这些问题采用智能控制也可解决，但传统控制方法更成熟、更简单。42-19.智能控制在机器人系统的应用，如海洋机器人、足球机器人、家居智能机器人等；在计算机集成制造系统（CIMS）和计算机集成过程控制系统（CIPS）中的应用；在航天航空中的应用，如武器发射、机上故障诊断、空间站公共舱温度系统等；在交通运输系统的应用，如公路交通状况的监测、地铁紧急事件处理、港口货物装卸方式处理等。2-20.S7-200系列PLC的特点：功能强，有PID参数自整定、配方、数据归档等功能；先进的程序结构；灵活方便的寻址方法；功能强大、使用方便的编程软件；简化复杂编程任务的向导功能；强大的通信功能；品种丰富的配套人机界面；有竞争力的价格；完善的网上技术支持应用领域。S7-200系列PLC的应用领域：数字量逻辑控制、运动控制、闭环过程控制、数据处理、通信联网等。2-21.P控制器特点是响应速度快，调节时间短，会存在稳态误差。适用于负荷变化较小，纯滞后不太大，工艺要求不高，允许有一定稳态误差的控制场合。PI控制器特点是既具有P控制器的快速响应，又有I控制器能消除稳态误差的性能。适用于对象调节通道时间常数较小、系统负荷变化较大（需要消除干扰引起的稳态误差）、纯滞后不大（时间常数不太大）而被调参数不允许与给定值有偏差的控制场合。PID控制器特点是具有P控制器的快速响应，又具有I控制器的消除稳态误差，还有D控制器的超前控制功能。适用于容量滞后较大、纯滞后不太大、不允许有余差的控制场合。2-22.机械特性：直流伺服电动机的机械特性是线性的，且在不同控制电压下机械特性是平行的，斜率不变。而交流伺服电动机的机械特性是非线性的，这种非线性特性将影响系统的动态精度。自转现象：交流伺服电动机可能出现“自转”现象，而直流不存在“自转”问题。体积、重量和效率：交流伺服电动机的转子电阻很大，因此其损耗大、效率低。它只适用于小功率系统，对于功率较大的控制系统则多地采用直流伺服电动机。结构、运行可靠性及对系统的干扰等：直流伺服电动机结构复杂，而且维护比较麻烦；存在换向火花问题，会对其它仪器和无线电通讯等产生干扰。交流伺服电动机结构简单，运行可靠，维护方便，使用寿命长，特别适宜于在不易检修的场合使用。2-23.特点：无刷直流电动机利用电子开关线路和位置传感器取代了换向器和电刷，既具有直流电动机机械特性和调节特性，又具有交流电动机运行的可靠性、维护方便等优点，且输出功率大。应用领域：现已得到越来越广泛的应用，如用于军事工业、家用电器、精密机床，载人飞船等高精度伺服控制系统中。2-24.利用伺服电机可对数控机床的工作台、主轴等移动部件的位置和速度进行控制，典型的系统结构如图2-2所示，由检测元件组成反馈回路，检测机床工作台的移动速度和位移，由速度和位置反馈信号来调节伺服电机的速度和位移，从而控制工作台的速度和位移。图2-2习题2-24参考答案2-25.按键尺寸按照手指的尺寸和指端弧形设计，按键表面应为凹形以便于操作；按键之间留有一定的间隙以避免误操作；按键应凸出面包一定高度以便于操作；按键只允许有两个工位；对于多个5按键，设计成键盘布置。对于不同用途的按键，可以配上不同的颜色。2-26.6.67k2-27.当P1.0输出高电平时，发光二极管不发光；当P1.0输出低电平时，发光二极管发光。2-28.19.61mV2-29.参见图2-3图2-3习题2-29参考答案第三章第三章习题习题3-4.参见图3-1图3-1习题3-4参考答案63-5.电子不停车收费系统(ElectronicTollCollection，ETC)。当具有车载电子标签的车辆进入高速收费口的ETC车道时，车道内的地感线圈检测到车辆进入收费口，控制器启动车道的路侧信号探测器发出扫描信号，检测车辆的电子标签，识别车辆信息，计算通行费，控制器向道闸电机发出指令，抬起闸杆，车辆通行。ETC的工作原理图参见图3-2。图3-2习题3-5参考答案3-6.工作原理参见图3-3图3-3习题3-6参考答案3-7.设电容器两端电量为q(t)，则微分方程为：UCtqttqRttqL)(d)(dd)(d22，传递函数为：CRsLssG11)(2。3-8.参见图3-47图3-4习题3-8参考答案3-9.参见图3-58图3-5习题3-9参考答案3-10.参见图3-69图3-6习题3-10参考答案3-11.螺旋角范围为2245。3-13.可靠度为0.978，失效概率为0.04。第四章第四章习题习题4-1.当所有车轮全部抱死时，汽车轮胎与地面处于滑移状态，完全失去了方向控制和稳定性，汽车前轮和后轮单独抱死的两种运形状态，都会表现出来，是两者运动的综合。4-2.ESP的英文名称ElectronicStabilityProgram，中文名称为电子稳定系统。ESP是一种牵引力控制系统，ESP不但控制驱动轮，而且可控制从动轮，从而实现自动控制行驶汽车车身稳定性的功能。ESP系统由控制单元、传感器以及刹车执行器等组成。4-3.根据教材中的ABS工作过程描述，标出制动液的流动方向。4-4.参见图4-1。图4-1习题4-3参考答案4-5.C型接口从镜头到CCD感光面的距离为17.526mm，CS接口的距离为12.5mm，将C型镜头安装到CS接口摄像机时，需要装一个5mm的CCS转接环。4-6.将DVR更改为NVR，将普通摄像机更改为网络摄像机。可以参考网络案例：金融银行监控解决方案，例如，10图4-2习题4-8参考答案4-9.腐蚀技术，光刻技术，LIGA，DEM等方法。4-10.通常气体发生器和气囊等做在一起构成气囊模块。在方向盘上安装驾驶员气囊，在副驾驶前面的仪表台安装正面防护安全气囊，在后排座椅安装乘员的正面防护安全气囊。在坐椅靠背外侧、车门中部、车身中立柱处安装侧气囊。不同的汽车厂家，加速度传感器的安装位置不尽相同。一些汽车的加速度传感器与ECU组合在一起，有的安装在驾驶室的中央控制台的下面，有的安装在前保险杠中间，有的传感器安装在座椅周围。4-11.焊接机器人存在：在线示教问题。在焊接时发生问题，须停止机器人和整个生产线的工作，进行机器人在线示教后再现运行，耗用生产时间长。焊缝跟踪问题。示教再现型弧焊机器人在进行弧焊时，大多数情况是不能对焊缝进行实时动态的跟踪反馈。失位校正问题。机器人轴的失位校正过程耗费时间长。电器故障。在恶劣环境下作业，驱动系统易出现故障。安全使用等。同一工位的多个机器人同时并行工作，易出现碰撞。4-12.奇瑞A3自动化生产线的焊接系统主要由点焊机器人系统组成。点焊机器人可以进行A3两厢车型和三厢车型的自动识别与切换；完成发动机仓、前地板、后地板等总成零件的拼装焊接；完成车身下部、侧围、顶盖、包裹架等总成零件的拼装焊接。4-13.参见本章4.5.5内容。开环控制闭环控制半闭