《机电一体化系统设计——张建明主编》习题答案

1、机电一体化系统习题答案第一章思考与练习题一一 . 名词解释1. 机电一体化 机电一体化是以机械学、电子学和信息科学为主的多门技术学科在机电产品开展过程中相互交叉、相互渗透而形成的一 门新兴边缘性技术学科。二 . 简答题1. 机电一体化系统的组成局部主要分为哪几种 答：机电一体化系统主要分为：机械本体、动力局部、测试传感局部、执行机构、控制性处理单元以及接口等局部组成。2. 接口技术的作用 答：是系统中各单元和环节之间进行物质、能量和信息交换的连接界面，是外设和数控装置之间的桥梁。其功能为：变换、放大和传递。第二章思考题 1一名词解释1. 误差：是对某一特定的物理量进行度量时，所测得数值与真值得

2、差值。2. 准确度：通常用来反映系统的测量值与真值的近似程度，反映了系统误差的大小； 精密度：是从随机误差的角度 来反映系统的测量值与真值的近似程度； 精确度那么是系统误差和随机误差的综合反映。3. 传动精度：是指机械传动链单向传动时，其输入端与输出端瞬时传动比的实际值与理论值之差。4. 装配精度：是是指不同零件或不见按照特定要求组装成具有一定功能的综合精度，包括零件或不见的相对位置精度、 运动精度、接触精度。5. 机床加工精度：是一项综合型精度指标，即指机床在加工工件时所能到达的精确度。6. 机床定位精度： 是指机床或仪器主要部件在运动终点所能到达的实际位置的精度。 是一个具有综合性质的精度

3、指标，其定位形式大致可分为手动定位、自动间歇定位和连续定位三种形式。 二. 简答题1. 机械系统在机电一体化中的作用 答：机械系统在机电一体化中起着传递功率、支撑、连接、执行的功能。2. 机床精度与机床加工精度有什么不同判断答：二者的概念之间有一定的区别，机床加工精度是指在加工时表达出来的精度，与机床设备本身使用的时间年限、加 工时的切削力、环境温度等都有关系，而机床精度所描述的是机床的原始精度，不考虑上述这些情况。4. 什么是六点定位原理答：任何一个物体在三维空间中，相对三个互相垂直的坐标系OXYZ来说，都有六个自由度，即沿 X、Y、Z三个坐标轴的移动，以x、y、z表示，及绕着X、丫、Z轴的

4、转动，用X、y、z表示，如下图。如果说某物体在某一方向上 的自由度被限制住了，实际上是说该物体在该方向上有了一个确定的位置。当物体的六个自由度完全被限制住时该物 体在坐标系中的位置也就完全被确定了，也就是我们所说的六点定位原理。5. 机械系统的组成局部主要有哪些答：般由减速装置、丝杠螺母副、蜗轮蜗杆副等各种线性传动部件以及连杆机构、凸轮机构等非线性传动部件、 导向支承部件、旋转支承部件、轴系及架体等机构组成。6举例说明，为什么有些零件在加工是不需要六点定位答：由六点定位原理可知，一个零件在机床上实现完全定位需要限定六个自由度。但是在一些特定环境下，没有必 要去限定六个自由度。例如，在铣床上铣削

5、轴类零件的键槽时，绕轴线旋转方向的自由度就没有必要限定，因为从端面 上来看，所得到的圆是关于过轴线的任意一个平面对称的。思考与练习题 2二 . 简答题1. 常见的机械传动主要有什么机械传动的作用主要有带传动、链传动、蜗轮蜗杆传动、齿轮传动、轮系减速器及机械无极变速传动、连杆传动、凸轮传动、棘轮 传动、槽轮传动和不完全齿轮传动等等。作用：某种传动机构既可以实现运动形式的变换，也可以实现运动速度的变化，同时还可以实现动力的传动。2. 简述传动比的分配原那么答： (1) 重量最轻原那么(2) 输出轴转角误差最小原那么(3) 等效传动惯量最小原那么3. 举例说明各类支承的结构特点(判断)答： (1).

6、 圆柱支撑优点：具有较大的接触外表，承受载荷较大； 缺点：方向精度和置中精度较差，且摩擦阻力矩较大。(2). 圆锥支撑 优点：承载能力较强，方向精度和置中精度较高；缺点：摩擦阻力矩也较大，置中精度必圆柱支撑好； 缺点：对温度变化比拟敏感，制造本钱较高。(3). 填入式滚动支撑 结构特点：没有内圈和外圈，仅在相对运动的零件上加工出滚道面，用标准滚珠散装在滚道内。主要有三种形式。(4). 球面支撑(5). 顶针支撑4. 机械机构的工艺性主要包括那些内容答：机械结构的工艺性包括毛坯铸造的工艺性、焊接零件的结构工艺性、零部件的装配工艺性、零部件的机械加工 工艺性等几方面内容。5. 在机械系统中设计选择

7、构件时，为什么要考虑动平衡问题答：如果回转件动件的结构不对称、 制造不准确或材质不均匀， 都会使整个回转件在转动时产生离心力系的不平衡，2使离心力系的合力和合力偶矩不等于零。 产生的离心力为 F mrw 2 ，它的方向随着回转件的转动而发生周期性的变 化，并在轴承中引起一种附加的动力，使整个机械产生周期性的振动。振动容易引起机械工作精度和可靠性降低，零件 材料的疲劳损坏等。思考与练习题 3一 . 名词解释1 轴系零部件：轴、轴承、联轴器和离合器及轴上的转动零件组合起来成一个系统，常称为轴系零部件。4. 导轨：导向支承部件的作用是支承和限制运动部件按给定的运动要求和规定的运动方向运动。这样的部件

8、通常被称为 导轨副，简称导轨。二 . 简单题1. 轴的功能及分类轴是机械中的重要零件，功能：支承转动零件，并传递运动和动力。分类：(1) 三点支承方式 , 前后及中间三处均有轴承支承，并且前后的轴承皆为双列短圆柱滚子轴承。特点为结构简单，刚度较 高，极限转速较高，承载能力强。(2) 浮动支承方式，只传递转矩而不支承弯矩或受弯矩较小，两支点并不固定。(3) 定轴心的两支点传动轴，不近承受转矩，而且还承受弯矩和轴向力。4. 零件在轴上固定时，什么时候采用轴肩固定、什么时候采用套筒固定为了使零件端面与轴肩能很好地贴合，轴上圆角半径r应比轴上零件孔端的圆角半径R或倒角高度C稍微小些时用轴肩固定。当轴上

9、两个零件相距不大时，常采用套筒作轴向固定。作用：能承受较大的轴向力，克服应力集中。5. 导轨副的种类按导轨副运动导轨的轨迹分类(1)直线运动导轨副.(2)滚动运动导轨副6. 对导轨副的根本要求机电一体化系统对导轨的根本要求是导向精度高、刚性好、运动轻便平稳、耐磨性好、温度变化影响小以及结构工 艺性好等。第三章思考与练习题1一.名词解释1. 传感器：是将被测量(包括各种物理量、化学量和生物量等)变换成系统可识别的、与被测量有确定对应关系的有用电 信号的一种装置。2. 感应同步器：感应同步器是一种电磁位置检测元件，感应同步器是利用电磁感应原理把两个平面绕组间的位移量转换 成电信号的一种位移传感器。

10、3. 感应同步器的鉴相方式：是通过检测感应电压的相位来测量位移(判断)4. 感应同步器的鉴幅方式：是通过检测感应电压的幅值来测量位移(判断)思考与练习题2一.名词解释1. 光栅：是在透明的玻璃板上，均匀地刻出许多明暗相间的条纹，或在金属镜面上均匀地划出许多间隔相等的条纹， 通常线条的间隙和宽度是相等的。2. 莫尔条纹：如果把两块栅距w相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之间有较小的夹角e时，这时光栅上会出 现假设干条明暗相间的间隔相等的粗大条纹，就是莫尔条纹。它们沿着与光栅条纹几乎垂直的方向排列.直线光栅分类：计量光栅光栅YI I金属反射|六十进制V十进制圆光栅k二进制物理光栅1. 简述光栅莫尔

11、条纹的特点(1) .用平行光束照射时,莫尔条纹由亮带到暗带,再由暗带到亮带,透过的光强度为正弦分布.(2) .起位移放大作用(3) .莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例。(4) .起平均误差的作用思考与练习题31. 什么是码盘式编码器码盘式编码器也称为绝对编码器，它将角度转换为数字编码，能方便地与数字系统(如微机)联接。码盘式编码器按其结构可分为接触式、光电式和电磁式三种，后两种为非接触式编码器。5. 检测电路主要包括哪个局部磁栅检测电路包括：磁头励磁电路、读取信号的放大、滤涉及辨向电路，细分内插电路，显示及控制电路等各个部 分。思考与练习题5一.名词解释1. 霍尔效应金属或半导体薄片置于磁场中

12、，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称 为霍尔效应。3. 热电效应将两种不同成分的导体组成一个闭合回路，如下图，当闭合回路的两个接点分另慣于不同的温度场中，回路中产 生一个方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关的电动势，这种效应称为“热电效应曜3.36热电偶的鉅成简答题1. 简述直流测速发电机的工作原理直流测速发电机的工作原理与普通直流发电机相同。图所示为电磁式直流测速发电机的工作原理图图直流测速发电机的工作原理在恒定磁场中，旋转的电枢组切割磁通，并产生感应电动势，由电刷两端引岀的电枢电压为:EaCe n空载运行时，电枢电流I a= 0,直流测速发电机的输出

13、电压就等于电枢感应电动势，即:UEa输岀电压与转速成正比负载运行时，电枢电流la 0 ,假设不计电枢反响的影响，不计电刷接触压降，直流测速发电机的输岀电压为:UEa IaRa Ea 5把式上两式结合，整理后得:U Ce： Cn 1冬Rl在理想情况下，系数C中的参数均为常数，因而从式中可以看岀测速发电机的输岀电压与转速严格成正比。2. 简述霍尔转速传感器的工作原理假设薄片为N型半导体，磁感应强度为B的磁场方向垂直于薄片，加图所示，在薄片左右两端通以电流I 称为控制电流，那么半导体中的载流子电子将沿着与电流I相反的方向运动。由于外磁场B的作用，使电子受到磁场力Fl洛 仑兹力而发生偏转，结果在半导体

14、的后端面上电子有所积累，而前端面缺少电子，因此后端面带负电，前端面带正电,在前后端面间形成电场。该电场产生的电场力Fe阻止电子继续偏转。当 Fe与 Fl相等时，电子积累到达动态平衡。这时,在半导体前后两端面之间(即垂直于电流和磁场方向)建立电场，称为霍尔电场 EH,相应的电势称为霍尔电势 UH。图霍尔原理效应图由实验可知，霍尔电势的大小与鼓励电流I和磁场的磁感应强度成正比，与半导体薄片厚度d成反比，即Uh Rhd4. 机电一体化系统中常用的检测环节有哪几类主要可以测量什么根据被检测物理量特性的不同，检测环节可分为：(1) 运动学检测系统：主要完成对位移、速度、加速度和振动的检测；(2) 力学参

15、数检测系统：主要完成对拉力、压力、弯曲力矩和应力的检测；(3) 其他物理量检测系统：可对温度检测、湿度检测、酸碱度检测、声音检测和图像检测系统等。第四章思考与练习题一. 名词解释滤波：所谓滤波，就是从所测量的信号中除去不需要的信号。二. 简单题2. 控制系统中常用的输入装置有哪些常用的输入装置是键盘、各种开关和接口电路等。3. 共阳极和共阴极的LED有何不同之处答丄ED数码管显示器共阴极的接法是发光二极管的阴极接地，当数码管的笔划发光二极管的阳极为高电平时， 该笔划被点亮。共阳极的接法是发光二极管的阳极接高电平，当数码管的笔划发光二极管的阴极为低电平时，该笔划被点亮。总之，主要区别在于 LED

16、数码管的接法和驱动笔划的数据电平的不同。4. 控制系统主要有哪些局部组成机电一体化的控制系统一般由数控装置、输入、输岀装置、接口、功率放大电路等几局部组成。5. 控制系统中的信息显示主要的方法是什么方法分为:1用CRT显示信息，利用计算机操作系统和有关语言工具提供的显示功能调用或命令语句实现信息的显示。2用数码管显示，用专用的显示电路和专用的显示程序。6. 矩阵式键盘工作原理矩阵式键盘由一组行线X与一组列线Y交叉构成，按键位于交叉点上，为对各个键进行区别，可以按一定规 律分别为各个键命名键号。将列线通过上拉电阻接至 +5V电源，当无键按下时，行线与列线断开，列线呈高电平。当键盘上某键按下时，那

17、么该 键对应的行线与列线被短路。第五章思考与练习题2二.简答题1. 步进电机的调速包括哪几个方面的控制如何控制1步进电机速度控制控制步进电机的运行速度，实际上就是控制系统发出步进脉冲的频率或者换相的周期。系统可用两种方法来确定步进脉冲的周期：一种是软件延时：通过延时子程序的方法来实现的，它占有CPU时间。另一种是用定时器方法：是通过设置定时时间常数的方法来实现的。2步进电机的加减速控制一般用微机控制系统的加减速，控制时需准备以下数据：加减速的斜率；加速过程的总步数；恒速运行总步 数；减速运行的总步数。2. 简述三相单三拍或者三相双三拍工作原理任选其一。一以三相单三拍为例：当A相绕组通人直流电流

18、i a时，由于磁力线力图通过磁阻最小的路径，转子将受到磁阻转矩的作用而转动。当转子 转到其轴线与A相绕组轴线相重合的位置时，磁阻转矩为零，转子停留在该位置，如下图。如果A相绕组不断电，转子将一直停留在这个平衡位置，称为“自锁。要使转子继续转动，可以将A相绕组断电,而使B相绕组通电。这样转子就会顺时针旋转30°,到其轴线与 B相绕组轴线相重合的位置，如下图。继续改变通电状态，即使 B相绕组断电，C相绕组通电，转子将继续顺时针旋转30°，如下图。如果三相定子绕组按照 A C B顺序通电，那么转子将按逆时针方向旋转。上述定子绕组的通电状态每切换一次称为“一拍，其特点是每次只有一相

19、绕组通电。每通入一个脉冲信号，转子转过一个角度，这个角度称为步距角。每经过 三拍完成一次通电循环，所以称为“三相单三拍通电方式。堤舟伦 blCC舸通二以三相双三拍为例：pbl打芫I 箱耳申动忸乐用昭三粕祺匸拍、 R珀请电西电<> ChA、B两相通电时，转子齿极三相双三拍运行方式的通电顺序是 AB- BC- CA- AB由于每拍都有两相绕组同时通电、如l、3受到定子磁极 A X的吸引、而2、4受到B、Y的吸引，转子在两者吸力相平衡的位置停止转动，如图1a所示。下一拍B、C相通电时，转子将顺时针转过30° 到达新的平衡位置，如图1b所示。再下一拍 C、A相通电时，转子将再顺时

20、针转过30°，到达新的平衡位置，如图1c所尔。可见这种运行方式的步距角也是30。3.步进电机的驱动控制是 如何来实现的包括哪几局部 答：步进电机的驱动是通过弱电驱动强电来实现的。其中步进电机的弱电局部实现了频率、数量和方向的变化，主要包括脉冲混合电路、加减脉冲分配电路、加减速电 路和环形分配器四个局部。思考与练习题3一.名词解释2. 脉宽调制：所谓脉宽调制，就是使功率晶体管工作于开关状态，开关频率恒定，用改变开关导通时间的方法来 调整晶体管的输岀。使电机两端得到宽度随时间变化的电压脉冲。当开关在单周期内的导通时间随时间发生连续地变化 时，电机电枢得到的电压的平均值也随时间连续地发生变

21、化，而由于内部的续流电路和电枢电感的滤波作用，电枢上的 电流那么连续地改变，从而到达调节电机转速的目的 思考与练习题4一.填空题1. 变频调速的主要环节是为电机提供频率可变电源的变频器，主要分为交-交变频和交-直-交变频两种。2. 交流伺服电机主要分为永磁同步伺服电机和笼型异步伺服电机两类。3. 液压控制系统主要由动力元件、执行元件、控制元件以及辅助元件四个局部组成。4. 气动回路的根本控制方式一般有电气-气动控制方式、全气动控制方式和机械操作方式三种。二简答题3. 试述液压传动与气动传动的异同点。相同点：1组成局部都是有动力元件、执行元件、控制元件和辅助元件组成；2工作原理相似，工作原理都是

22、先将机械能转换为便于输送的液气压能，后又将液气压能转换为机械能做功，以实现某种控制。不同点：1工作介质不同，液压传动的介质是液压油，而气压传动的工作介质是压缩空气。2气压传动与液压传动比拟其元件结构简单，系统中不必有回气管，不污染环境；气动系统在恶劣工作环境 中，平安可靠性优于液压系统。3气压传动与液压传动比拟工作压力较低，输出功率较小，因此气信号传递的速度慢，不宜用于高速传递的 回路中。气压传动的压缩控制，容易使载荷变化使动作稳定性比液压介质差。4另外气压传动排气噪声大，在系统中需加消声器。4. 什么是液压传动液压传动控制本质上是一种能量转换装置，它先将机械能转换为便于输送的液压能，后又将液压能转换为机械能做 功，以实现某种控制目的。7.试述什么是SPW碉制SPW调制是用脉冲宽度不等的一系列矩形脉冲去逼近一个所需要的电压信号；它是利用三角波电压与正弦参考电压相比拟，以确定各分段矩形脉冲的宽度。图为三角波调制法原理。它利用三角波与参考电压正弦波相比拟，以确定各段矩形脉冲的宽度。在电压比拟器A的两输入端分别输入正弦波参考电压UR和频率与幅值固定不变的三角波电压