机械专业机电一体化系统设计基础试题

中央播送电视大学2003-2004学年度第一学期“开放本科〃期末考试

机械专业机电一体化系统设计根底试题2004年1月一、 填空（每空2分，共20分）L机电一体化产品按用途可以划分为和控制及信息处理单元一般由控制计算机、一一和一一组成。在小功率传动链中，为使总的折算惯量最小，各级传动比分配应遵守 原那么。典型的可编程控制器由编程器、微处理器、贮存器、一一和——等局部构成。传感器的静态特性能数主要有一一、一一二 、迟滞和重复精度。二、 简答题（每题4分，共20分）为什么采用机电一体化技术可以提高系统的精度？机电一体化相关技术有哪些？转动惯量对传动系统有哪些影响？简述机电一体化产品设计中，详细设计的主要内容。简述A/D、D/A接口的功能。三、分析题（20分）数控机床控制系统如以下图，试说明图中的各个局部属于机电一体化系统巾的哪一个根本要素？试分析图示传动系统中，齿轮减速器的传动误差对工作台输出精度的影响？四、计算题（24分）1.如以下图电机驱动系统，工作台的质量为m=50kg负载力为Fl=1000N,最大加速度为10m/s2,,丝杠直径为d—20mm,导程t=4mm,齿轮减速比为i=5,总效率为。=30%,忽略丝杠惯量的影响，试计算电机的驱动力矩。输出同服电仇同服电仇某工作台采用直流电机丝杠螺母机构驱动，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o.005mm（忽略齿轮和丝杠的传动误差）。 （1）试采用高速端测量方法，确定旋转编码器的每转脉冲数'

（2）假设将传感器与丝杠的端部直接相连，no=500脉冲/转的旋转编码器是否合用。五、综合题（16分）电机驱动的三自由度位置控制系统，单个自由度的驱动系统如以下图，确定整系统的控制方案、画出控制系统原理图。（至少提出两个方案）关节关节中央播送电视大学2003-2004学年度第一学期“开放本科〃期末考试

机械专业机电一体化系统设计根底试题答案及评分标准（供参考）2004年1月一、 填空［每空2分，共20分）L办公机电一体化产品 产业机电一体化产品 民用机电一体化产品2.控制软件 硬件接口前小后大电源 输入/输出接口5.灵敏度线性度二、 简答题（每题4分，共20分）答：机电一体化技术使机械传动局部减少，因而使机械磨损，配合间隙及受力变形等所引起的误差大大减少，同时由于采用电子技术实现自动检测，控制，补偿和校正因各种干扰因素造成的误差，从而提高精度。答：机电一体化相关技术有：机械技术，计算机与信息处理技术，系统技术，白动控制技术，传感器测试技术和伺服驱动技术。答：转动惯量增大使机械负载增加，功率消耗大；使系统相应速度变慢，降低灵敏度；使系统固有频率下降，容易产生谐振。答：详细设计主要包括：系统总体设计；业务的分组；机械本体及工具设计；控制系统设计：程序设计；后备系统设计；完成详细设计书及制造图样；产品出厂及使用文件的设计。答：A/D接口的功能是将温度、压力等物理量经传感器变成的电压、电流等信号转换为 数字量。D/A接口是将二进制数字量转换成电压信号。三、分析题(20分)(10分)解答：图中各部可分为：控制及信息处理单元：键盘、计算机、显示测试传感局部：光电编码器、信号处理能源：电源驱动局部：功放、电机执行机构：联轴器、齿轮减速器、丝杠螺母机构、工作台(10分)解答：齿轮传动链位于电机之后，前向通道的闭环之外，其传动误差的低频分量和高频分量都不能通过闭环控制来消除，都会影响输出精度。四、计算题(24分)1.(12分)解：(1)计算负载力 (4分)负载力由外负载力、惯性负载力两局部构成外负譲力 B=愼性负栽力禹一如-口0)电机上的负载力短为=0,SBNin2.(12会)解(1)高速端测量设传感器的每转脉冲数为，n,每个脉冲对应工作台的位移为in由測良精度,aL=G.0號见心寿=灯而=顷脉冲牌选取的=200光电编码器，则理论测最精度宀亮"皿＜。・。。5满足题目要求。(2)低速端测量传感器直接与丝杠连接，与减速比无关△L=上-註喘=4="脉冲供可知〃。=500脉冲/转的编码器不合用。五、综合题(16分)解：可以使用工业PC机或者单片机完成系统的控制。具体可以有下三种方案：(1)工业PC机集中控制方案：用一台工业PC机对三个自由度实现集中控制，包括任务管理和三个自由度的伺服控制系统原理图如下。(2)工业PC机、单片机分级控制方案：用一台工业PC机与三个单片机通信，对三个单片机实现管理，每个单片机负责一个自由度的伺服控制，控制系统原理图如下。单片机、单片机分级控制方案：用一个单片机作为主单片机与三个从单片机通信，对三个从单片机实现管理，每个从单片机负责一个自由度的伺服控制，控制系统原理图如下。

主単片机届信短口单片机1卑片扌可单片初31§由度1主単片机届信短口单片机1卑片扌可单片初31§由度1自亩度2自由度3评分标准：正确答复出三种方案之中的任意两个即可得总分值。试卷代号：1118中央播送电视大学2003-2004学年度第二学期“开放本科〃期末考试

机械（过）专业机电一体化系统设计根底试题2004年7月一、 填空（每空2分，共20分）机电一体化系统常用的能源有一一、一一和一一。市场预测的方法主要有一一和一一。在小功率传动链中，为使总的重量最小，各级传动比分配应遵守一一原那么。典型的可编程控制器由编程器、一一、一一、电源和输入/输出接口等局部构成。传感器的静态特性参数主要有灵敏度、线性度、一一和一一。二、 简答题（每题4分，共20分）测试传感局部的作用是什么？对控制及信息处理单元的根本要求是什么？机电一体化产品对机械传动系统有哪些要求？简述STD总线的工作模式。简述机电一体化产品设计的工程路线（主要步骤）。三、 分析题（20分）1.画出工业PC机根本组成框图，并说明工业PC机与普通信息处理计算机的主要区别。（12分）2.如以下图的系统，试分析传感器的误差对输出精度的影响。（8分）四、计算题（24分）1.图示丝杠螺母驱动系统，工作台的质量m=100kg,丝杠螺距t=8mm,丝杠长度L=0.5m,中径为d=48mm,材料密度为P=7.8X103kg/m3,齿轮传动比i=2,两齿轮的转动惯量分别为了Jz1=1.2X10-4kg•m2,Jz2=1.9X10-3kg•m2。试求折算到电机轴上的总等效惯量了。?（14分）,

电机2.如以下图的开环步进电机位置控制系统，负载为F=1000N,工作台长L=500mm，往复精度为±0.01mm,丝杠导程ts=8mm,直径d—20mm,步进电机的步距角为a=l.8。，试确定齿轮减速比i。 S五、综合题（16分）电机驱动的三自由度位置控制系统，单个自由度的驱动系统如以下图，试确定单自由度驱动系统的测量方案。理在螺侍机构理在螺侍机构试卷代号：1118中央播送电视大学2003-2004学年度第二学期“开放本科〃期末考试机械（过）专业机电一体化系统设计根底试题答案及评分标准（供参考）2004年7月一、 填空（每空2分，共20分）1.电源液压源气压源定期预测 定量预测3.传动比相等微处理器贮存器5.迟滞重复精度二、 简答题（每题4分，共20分）答：测试传感局部的作用：对系统运行中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测，传输到信息处理单元，经分析处理后产生控制信息。答：对控制及信息处理单元的根本要求：提高信息处理速度和可靠性，增强抗干扰能力,完善系统自诊断功能，实现信息处理智能化和小型化，轻量，标准化等。答：机电一体化系统对机械传动系统的要求有：精度；稳定性；快速响应性；还应满足小型、轻量、高速、低冲击振动、低噪声和高可靠性。 答：STD总线有3种工作模式：独立工作模式，前端控制器工作模式和分布式组合工作模式。答：机电一体化产品设计的工程路线（主要步骤）：拟定产品开发目标和技术标准；收集资料，市场分析，可行性分析和技术经济性分析；总体方案设计；总体方案的评审和评价；详细设计；详细设计方案的评审和评价；试制样机；样机实验，测试；技术评价与审定；小批量生产;正常生产；销售。

三、分析题（20分）1.（12分）解答：与普通信息处理机相比拟，工业PC机有以下特点：（1） 将普通信息处理机的大母板改为功能插板，具有丰富的过程输入输出功能，以完成对各种设备和工艺装置的控制。（2） 良好的时实性，能够对生产过程工况变化实时监视和控制。（3） 抗干扰电源，密封机箱，具有良好的环境适应性。（4） 丰富的应用软件。1UM「匸总我VOMI/O2.（8分）解答：传感器位于闭环之内的反响通道上，其误差的高频分量（噪声信号）因系统的低通作用得到校正，不影响输出精度；传感器误差的低频分量，如静态精度（分辨率等）直接影响输出精度，它决定了系统精度的上限。四、计算题（24分）1.（14分）解：等效惯量可以分为以下几个局部来计算（1） 电机轴上的元件（齿轮1）儿】=丄】=1*2><」（｝1養*（2） 中间轴上的元件（齿轮2）f75XJQ^^kgf75XJQ^^kg《3）负载軸上的元件（丝杠、工作舍）L）丝杠32j尸丄&-14X7.8XigM0.Q48X0.5=2X10Tkg，n?3218 32 “工作台折算到丝杠上的惯量十五=圳修（峯蹬ELB^XlO-kg-m2"=#(j,+jL)=§(2X10F+L62X10T)=5.4X10Tkg•ma总的折算慣量为L=L+J」+L=L2XlQT+4.75X10T+5*4XLOT=LMX10-'kg*

2；（10分）解*步进电机的每转脉冲数360° 360勺m聆*/皿珥= =—=2^U冲/转ao根据工作台定位精度的要求,选用豚冲当量8=0.olmm/脉冲设传动比为i,每个豚