秋机电一体化专业系统设计基础形成性考核作业答案

《机电一体化系统设计基础》形成性考评作业参考答案形成性考评作业1参考答案一、判定题（正确打√，错误打×）1．×2．√3．√4．×5．×6．×7．×8．×9．×10．√11．×12．×二、单选题1．C2．A3．B4．A，A5．D6．B7．A8．D三、简答题1．完善机电一体化系统关键包含哪几部分？答：机械本体、动力系统、检测传感系统、实施部件和信息处理及控制系统五部分相互协调，共同完成所要求目标功效。经过接口及对应软件有机结合在一起，组成内部匹配合理、外部效能最好完整产品。2．简述机电一体化系统中接口作用。机电一体系统是机械、电子和信息等性能各异技术融为一体综合系统，其组成要素和子系统之间接口极其关键。从系统外部看，输入/输出是系统和人、环境或其它系统之间接口；从系统内部看，机电一体化系统是经过很多接口将各组成要素输入/输出联络成一体系统。3．机械运动中摩擦和阻尼会降低效率，不过设计中要合适选择其参数，而不是越小越好。为何？阻尼比公式:,由公式可知阻比除了和机械系统粘性阻尼系数B相关外，还和系统刚度K0和质量m相关。所以，在机械结构设计时，应该经过对刚度、质量和摩擦系数等参数合理匹配，得到机械系统阻尼比ξ合适取值，以确保系统良好动态特征。4．简述机械系统刚度对系统动态特征影响。机械系统刚度对系统关键影响表现为以下几方面：（1）失动量系统刚度越大，因静摩擦力作用所产生传动部件弹性变形越小，系统失动量也越小；（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稳定性没有影响，而对闭环伺服系统稳定性有很大影响，提升刚度可增加闭环系统稳定性。四、计算题1．解：2．解：该系统最大转角误差：ΔφmaxΔφmax==△φ1/（i1i2i3i4）+（△φ2+△φ3/（i2i3i4）+（△φ4+△φ5/（i3i4）+（△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=0.02五、综合题1．答：图中所表示双螺母螺纹预紧调整齿侧间隙，双螺母中一个外端有凸缘，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，并用键来预防两螺母相对转动。旋转圆螺母可调整消除间隙并产生预紧力，以后再用锁紧螺母锁紧。2．答：当传动负载大时，可采取双齿轮调整法。消除齿侧间隙原理：小齿轮1，6分别和齿条7啮合，和小齿轮1，6同轴大齿轮2，5分别和齿轮3啮合，经过预载装置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上齿槽左、右侧，从而消除了齿侧间隙。形成性考评作业2参考答案一、判定题（正确打√，错误打×）1．×2．√3．×4．×5．√6．×7．√8．√9．×10．√11．×12．×二、单选题1．B2．C3．B4．B5．D6．B7．D8．B三、简答题1．什么是传感器静态特征和动态特征？传感器静态特征是指传感器输入信号不随时间改变或改变很缓慢时，所表现出来输出响应特征。需要了解关键参数有：线性范围、线性度、灵敏度、正确度、分辨力、迟滞、稳定性。传感器动态特征是指其输出对随时间改变输入量响应特征。需要了解关键参数有：幅频特征和相频特征。2．什么是伺服系统？伺服系统通常组成有哪多个部分？伺服系统是指以机械位置、速度和加速度为控制对象，在控制命令指挥下，控制实施元件工作，使机械运动部件按控制命令要求进行运动，并含有良好动态性能。（1）控制器：伺服系统中控制器关键任务是依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作用是将信号进行放大，并用来驱动实施机构完成某种操作，功率放大装置关键由多种电力电子器件组成。（3）实施机构：实施机构关键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：检测装置任务是测量被控制量，实现反馈控制。不管采取何种控制方案，系统控制精度总是低于检测装置精度，所以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工作原理。直流伺服电动机脉宽调制（PWM）工作原理：假设输入直流电压，能够调整导通时间得到一定宽度和成百分比脉冲方波，给伺服电动机电枢回路供电，经过改变脉冲宽度来改变电枢回路平均电压，从而输出不一样大小电压，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适用环境差异。直流伺服电动机有较高响应速度和精度和优良控制特征，但因为使用电刷和换向器，故寿命较低，需定时维护。适适用于数控机床、工业机器人等机电一体化产品中。交流伺服电动机含有调速范围宽、转子惯性小、控制功率小、过载能力强、可靠性好特点。适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所。四、计算题1．解：307200÷1024=30（转）∵每转丝杠走2mm，∴刀架位移量为30×2=60mmN=30转/10秒=3转/秒2．解：（1）步进电机步距角（2）减速齿轮传动比五、综合题1．答：该传感器为一个角位移式光电传感器，用于测量角位移，将传感器输入轴接测量元件。当测量元件转动时，带动输入轴上开空圆盘。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最小角度。圆盘旋转时，开空和缝隙板对按时，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统计圆盘转过角度，也就是测量元件转过角度。2．答：方案a:结构简单、易实现。绳位移能够很大，但绳在滚筒方向会产生横向位移。需要采取制动器或止逆型减速器才能预防绳对电机反向驱动。方案b：结构较简单，成本和方案a相当。绳位移要受到丝杠长度限制。一般丝杠含有止逆功效，无需增加制动器即可预防绳对电机反向驱动。无横向位移。2．方案测量方法（1）电机轴安装编码器直接测量绳位移（2）滚筒轴安装编码器间接测量绳位移。形成性考评作业3参考答案一、判定题（正确打√，错误打×）1．√2．√3．√4．√5．×6．×7．×8．√9．×10．√11．×12．√二、单选题1．D2．B3．C4．D5．D6．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作用是什么？在系统实际运行前，也期望对项目标实施结果加以估计，方便选择正确、高效运行策略或提前消除设计中缺点，最大程度地提升实际系统运行水平，采取仿真技术能够省时省力省钱地达成上述目标。计算机仿真包含三个基础要素，即实际系统、数学模型和计算机，联络这三个要素则有三个基础活动：模型建立、仿真试验和结果分析。2．机电一体化系统仿真模型关键有哪多个？分别应用于系统设计哪个阶段？机电一体化系统仿真模型关键有：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。用已研制出来系统中实际部件或子系统替换部分数学模型所组成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控制算法中百分比、积分、微分部分各起何作用？答：P（百分比）I（积分）D（微分）调整器是将偏差百分比、积分、微分经过线性组合组成控制量。其中百分比调整起纠正偏差作用，其反应快速；积分调整能消除静差，改善系统静态特征；微分调整有利于降低超调，加紧系统过渡过程。此三部分作用配合适当，可使调整过程快速、平稳、正确，收到很好效果。4．系统采样周期选择时，关键考虑影响原因关键有哪些？应关键考虑以下几方面：从对调整品质要求来看，应将采样周期取得小些，这么，在按连续系统PID调整选择整定参数时，可得到很好控制效果；从实施元件要求来看，有时需要输出信号保持一定宽度。如：当经过数模转换带动步进电动机时，输出信号经过保持器达成所要求控制幅度需要一定时间，在这段时间内，要求计算机输出值不应改变，所以，采样周期必需大于这一时间；从控制系统随动和抗干扰性能要求来看，要求采样周期短些；从计算机工作量和每个调整回路计算成原来看，通常要求采样周期大些；从计算机精度来看，过短采样周期不适宜。所以，各方面原因对采样周期要求各不相同，有时相互矛盾，所以，确定采样周期时须依据具体情况和关键要求作出折中选择。图梯形图I0.0T0（）I0.1I0.图梯形图I0.0T0（）I0.1I0.2Q0.0I0.2Q0.1Q0.0T0（）3sT0答：I0.0、I0.1：两个常开触点开关；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闭合后开启定时器T0继电器延时3s后，闭合。当I0.2仍然闭合，T0继电器线圈带电，当它闭合绿灯亮。当I0.2断开时，小灯全灭。四、计算题1．解：方案1：高速端转角测量传感器和电机连接，经过对电机转角测量对工作台位移进行间接测量，测量原理以下图所表示。设传感器每转脉冲数为，则传感器每个脉冲对应工作台位移为方案2:低速端转角测量测量原理图所表示，传感和丝杠端部相连，传感器直接测量丝杠转角，和减速比无关。应选择n=1000增量式编码器。选择ns=500脉冲/转编码器不适用。2．解：由题可得：（1）当激磁磁场不变时，电机输出转矩T正比于电枢电流：T=KTi；（2）当电枢转动时，电枢中会感应反电势eb，其值正比于转动角速度：eb=KEω（3）电枢回路微分方程为：（4）电机轴上转矩平衡方程为：T=JM,（5）求拉氏变换及联立求解得：（Ls+R）I(s)+KE(s)=U(s)输出转速和输入电压之间传输函数：五、综合题1．答：信息变换电路在输入通道，误差低频分量会影响输出精度，所以对静态有较高要求；而误差高频分量对输出精度几乎没有影响，许可存在一定程度高频噪声。传感器在反馈通道上步骤，其对输出精度影响和在输入通道信号变换电路相同。丝杠螺母机构在闭环以后，其误差低频分量和高频分量全部会影响输出精度，所以要尽可能消除传动间隙和传动误差。2．解：设开启按钮为X1，停止按钮为X2，正转输出为Y1，反转输出为Y2（1）I/O分配表输入/输出X1X2Y1Y2I/O口I0.0I0.1Q0.0Q0.1（2）选择西门子S7-200型PLC（也可选择其它品牌和型号PLC），梯形图以下：I0.0I0.0K=3sI0.1Q0.0(S)T0T0Q0.1Q0.1(R)Q0.0(R)T1Q0.1(S)Q0.1I0.1K=3sT1正转反转形成性考评作业4参考答案一、判定题（正确打√，错误打×）1．√2．×3．√4．×5．√6．√7．×8．×9．×10．√11．√12．×二、单选题1．C2．B3．A4．D5．D6．D7．B．8．C三、简答题1．何谓概念设计？简述概念设计设计过程。概念设计：在确定任务以后，经过抽象化，确定功效结构，寻求合适作用原理及其组合等，确定出基础求解路径，得出求解方案。概念设计过程以下图所表示。求总功效总功效分解评价和决议功效逐层分解发明性方法、目录法、调查分析法求总功效总功效分解评价和决议功效逐层分解发明性方法、目录法、调查分析法形态学矩阵法黑箱法多种评价方法概念产品明确设计任务寻求子功效解原了解组合分析评价决议综合（2）依据系统总功效要求和组成系统功效要素进行总功效分解，划分出各功效模块，将总功效分解为子功效，直到分解到不能再分解功效元，形成功效树；确定它们之间逻辑关系；（3）对各功效模块输入/输出关系进行分析，确定功效模块技术参数和控制策略、系统外观造型和总体结构；（4）寻求子功效（功效元）解，并将原了解进行组合，形成多个原了解设计方案，（5）以技术文件形式交付设计组讨论、审定。因为表现同一功效产品能够有多个多样工作原理，（6）方案进行整体评价：对不一样方案进行整体评价，选择综合指标最优设计方案。最终选定最好方案形成概念产品2．怎样进行机电一体化系统可靠性设计？可靠性是指系统在要求条件下和要求时间内，完成要求功效能力。通常见“概率”表示“能力”来实现可靠性指标量化。可靠性评价指标体系关键包含五个方面：可靠性、维修性、有效性、耐久性和安全性。（1）机电一体化系统可靠性设计:现代机械系统可靠性设计包含缩短传动链，降低元件数；必需时增设备用元件或系统；简化结构；增加过载保护装置、自动停机装置；设置监控系统；合理要求维修期。（2）控制系统可靠性设计包含：采取自动控制使产品含有自适应、自调整、自诊疗甚至自修复功效；经过元器件合理选择提升可靠性；对功率接口采取降额设计提升可靠性；采取监视定时器提升可靠性；采取抗干扰方法提升可靠性。3．简述HRGP－1A喷漆机器人示教再现过程。示教：操作人员用手操纵操作机构关节和手腕，依据喷漆工件型面进行示教。此时，中央处理器经过旋转变压器将示教过程中检测到参数存入存放器，即把示教喷漆空间轨迹统计下来；再现：由计算机控制机器人运动，中央处理器将示教时统计空间轨迹信息取出，经过插补运算和采样得到位置数据进行比较，然后将其差值调整后输出，控制操作机按示教轨迹运动。4．简述数控设备中计算机数控装置组成和功效。在数控设备中，计算机数控装置是设备关键部分，通常由专用计算机（或通用计算机）输入输出接口和机床控制器等部分组成。计算机数控装置依据输入数据和程序，完成数据运算、逻辑判定