第一篇：0991机电一体化系统设计基础课件

试卷代号：0991 国家开放大学(中央广播电视大学)2015年春季学期“开放本科”期末考试

机电一体化系统设计基础

试题

2015年7月

一、单选题(每小题3分，共24分)

1．机电一体化技术是以（）技术为核心，强调各种技术的协同和集成的综合性技术。

A．自动化

B．电子

C．机械

D．软件

2．多级齿轮传动中，各级传动比相等的分配原则适用于按（）设计的传动链。

A.最小等效转动惯量原则

B．输出轴的转角误差最小原则

C.小功率装置的重量最轻原则

D．大功率装置的重量最轻原则

3．下列哪项指标是传感器的动特性?（）

A．量程

B．线性度

C．灵敏度

D.幅频特性

4．有一脉冲电源，通过环形分配器将脉冲分配给五相十拍通电的步进电机定子励磁绕组，已知转子有24个齿，步进电机的步距角是（）。

A．0.6o

B．1.2 o

C．1.5 o

D．2 o 5．计算机控制系统实际运行时，需要由用户自行编写（），具有实时性、针对性、灵活性和通用性。

A．应用软件

B．开发软件

C.系统软件

D．实时软件

6．PID控制算法中，微分调节器的主要作用是（）。

A．消除静差

B．加快响应

C.减小振荡

D．提高稳定性

7．含有微处理器，可进行程序编制或适应条件变化的接口是（）。

A.零接口

B．被动接口

C.主动接口

D．智能接口

8.HRGP—1A喷漆机器人中的旋转变压器属于系统中的（）。

A．能源部分

B．测试传感部分

C．控制器

D．执行机构

二、判断题(正确的打√，错误的打X，每题3分，共30分)

9．机电一体化产品不仅是人的肢体的延伸，还是人的感官与头脑功能的延伸，具有“智能化”的特征是机电一体化与机械电气化在功能上的本质差别。（）

10．采用偏心轴套调整法对齿轮传动的侧隙进行调整，结构简单，且可以自动补偿侧隙。

（）

11．伺服驱动系统在控制信息作用下提供动力，伺服驱动包括电动、气动、液压等各种类型的驱动装置。（）

12．永磁型步进电动机即使其定子绕组断电也能保持一定转矩，故具有记忆能力，可用于定位驱动。（）

13．直流伺服电动机的调速特性是电机转速与其输出转矩的关系。（）

14．自动控制是在人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定的规律运行。（）15．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。（）

16．PLC完善的自诊断功能，能及时诊断出PLC系统的软件、硬件故障，并能保护故障现场，保证了PLC控制系统的工作安全性。（）

17．现代嵌入式系统的设计方法是将系统划分为硬件和软件两个独立的部分，然后按各自的设计流程分别完成。（）

18．反求设计是建立在概率统计基础之上，主要任务是提高产品的可靠性，延长使用寿命，降低维修费用。（）

三、简答题(每小题8分，共24分)19．简述完善的机电一体化系统五大组成要素。20．什么是传感器的校准?并简述如何进行校准? 21．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?

四、计算题(10分)

五、综合题(12分)

23．假定你在设计一套典型的机电一体化系统，比如数控机床，请制订出概念设计的流程。

试卷代号：0991

国家开放大学(中央广播电视大学)2015年春季学期‘‘开放本科”期末考试

机电一体化系统设计基础

试题答案及评分标准

(供参考)

2015年7月

一、单选题(每题3分，共24分)

1．B

2．C

3．D

4．C

5.A

6．B

7．D

8．B

二、判断题(每题3分，共30分)

9．√

10．X

11．√

12．√

13．X

14．X

15．√

16．√

17．X

18．X

三、简答题(每小题8分，共24分)

19．答：机电——体化系统是由机械本体和动力系统，检测传感系统和执行部件，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。

20．答：传感器在使用前、使用中或搁置一段时间再使用时必须对其性能参数进行复测或做必要的调整和修正，以确保传感器的测量精度，这个复测调整过程称为校准。

为了对传感器有一个长期的、稳定的和高精度的基准，在一些测量仪器中特别是内部装有微处理器的测量仪器中，很容易实现自动校准功能。对传感器进行校准时，需要精度比它高的基准器，这种基准器受时间的推移和使用的磨损等因素的影响，参数会随之改变。因此对这种基准器还要用更高精度的基准器来定期校准。

21．答：在进行项目的设计和规划时，往往需要对项目的合理性、经济性等品质加以评价； 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。

四、计算题(10分)

22．解：左端外齿轮旋转一周，螺母轴向移动6mm，则每转一个齿，螺母的轴向移动6／100 ＝0.06mm；

右端外齿轮旋转一周，螺母轴向移动6mm，则每转—个齿，螺母的轴向移动6／98＝0.0612mm；

当两端转向相同时：一端的外齿轮相对于另一端的外齿轮转过1个齿时，相对移动的轴向距离为0.0612—0.06=0.012(mm)，所以当一端的外齿轮相对于另—端的外齿轮转过2个齿时相对移动的轴向距离为(0.0612—0.06)*2=0.0024(mm)。

五、综合题(12分)

23．解：产品概念设计决定性地影响产品创新过程中后续的产品详细设计、产品生产开发、产品市场开发以及企业经营战略目标的实现。产品概念设计包含以下流程：

(1)首先是将设计任务抽象化，确定出系统的总功能；(2分)

(2)根据系统的总功能要求和构成系统的功能要素进行总功能分解，划分出各功能模块，将总功能分解为子功能，直到分解到不能再分解的功能元，形成功能树；确定它们之间的逻辑关系；(2分)

(3)对各功能模块输入／输出关系进行分析，确定功能模块的技术参数和控制策略、系统的外观造型和总体结构；(2分)

(4)寻找子功能(功能元)的解，并将原理解进行组合，形成多种原理解设计方案；(2分)

(5)以技术文件的形式交付设计组讨论、审定。由于体现同——功能的产品可以有多种多样的工作原理；(2分)

(6)方案进行整体评价：对不同的方案进行整体评价，选择综合指标最优的设计方案。最终选定最佳方案形成概念产品。(2分)

(注：绘制出流程图或文字作答均可)

第二篇：机电一体化系统设计基础

（一）判断题

1．在机电一体化系统驱动装置中，反馈通道上环节的误差与输入通道上环节的误差对系统输出精度的影响是相同的。（＋）

2．通常，采用STD总线的工业控制机与外部设备的电气接口均为TTL电平接口。

（－）

（二）选择题

1．在机电一体化系统中，机械传动要满足伺服控制的三个主要要求是（A）。

A．传动精度、稳定性、快速响应性

B．传动精度、稳定性、低噪声C．传动精度、高可靠性、小型轻量化D．传动精度、高可靠性、低冲击振动

2．在机电一体化系统中，通过（B、C、E）可有效提高系统的稳定性。

A．提高驱动元件的驱动力

B．增大执行装置的固有频率 C．提高系统的阻尼能力

D．减小机构的传动误差 E．消除传动系统的回程误差

（三）简答题

例：试述机电一体化产品的定义和分类方法。

解答：机电一体化产品是新型机械与微电子器件，特别是与微处理器、微型计算机相接合而开发的新一代电子化机械产品。

按用途可分为信息机电一体化产品、产业机电一体化产品和家庭用机电一体化产品。

（四）分析题

例：已知数控机床控制系统如图所示，试说明图中的各个部分属于机电一体化系统中的哪个基本要素？

解：（1）依题意有两种测量方案 a.高速端测量方案：

传感器安装在电机的尾部，通过测量电机的转角实现工作台位移的间接测量。可选用光电编码器式传感器或者磁电式编码器。

b.低速端测量方案： 传感器安装在工作台上，直接测量工作台的位移。可选用光栅式位移传感器、感应同步器或者电位计式位移传感器。

(2)控制计算机和控制方案的选择

可以使用工业PC机及或者单片机完成系统的控制。具体可有以下三种方案： a．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：

b．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：

第三篇：机电一体化系统设计

机电一体化系统设计

1、动力系统（动力源）、传感检测系统（传感器）、执行元件系统（如电动机）等五个子系统组成。

2、系统必须具有以下三大“目的功能”：①变换（加工、处理）功能；②传递（移动、输送）功能；③储存（保持、积蓄、记录）功能。

3的变换、调整功能，可将接口分成四种：1）零接口；2）无源接口；3）有源接口；4）智能接口。

4、机电一体化系统设计的考虑方法通常有：机电互补法、结合（融合）法和结合法。

5擦、低惯量、高强度、高谐振频率、适当的阻尼比等要求。

6、为达到上述要求，主要从以下几个方面采取措施：

1）采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件，如采用滚珠丝杠副、滚动导向支承、动（静）压导向支承等。

2如用加预紧的方法提高滚珠丝杠副和滚动导轨副的传动和支承刚度；采用大扭矩、宽调速的直流或交流伺服电机直接与丝杠螺母副连接以减少中间传动机构；丝杠的支承设计中采用两端轴向预紧或预拉伸支承结构等。

3的等效动惯量，尽可能提高加速能力。

5如选用复合材料等来提高刚度和强度，减轻重量、缩小体积使结构紧密化，以确保系统的小型化、轻量化、高速化和高可靠性化。

第四篇：《机电一体化系统设计基础》期末复习小结

一、判断题

系统论、信息论、控制论是机电一体化技术的理论基础，是机电一体化技术的方法论。（√）

PLC采用扫描工作方式，扫描周期的长短决定了PLC的工作速度。（√）

PLC完善的自诊断功能，能及时诊断出PLC系统的软件、硬件故障，并能保护故障现场，保证了PLC控制系统的工作安全性。（√）

传动机构的转动惯量取决于机构中各部件的质量和转速。（×）

传感器在使用前、使用中或修理后，必须对其主要技术指标标定或校准，以确保传感器的性能指标达到要求。（√）电液伺服系统的过载能力强，在强力驱动和高精度定位时性能好，适合于重载的高加减速驱动。（√）

对直流伺服电动机来说，其机械特性越硬越好。（√）

感应同步器是一种应用电磁感应原理制造的高精度检测元件，有直线和圆盘式两种，分别用作检测直线位移和转角。（√）

工业机器人驱动部分在控制信息作用下提供动力，包括电动、气动、液压等各种类型的传动方式。（√）滚珠丝杠垂直传动时，必须在系统中附加自锁或制动装置。（√）

机电一体化系统的机械系统与一般的机械系统相比，应具有高精度、良好的稳定性、快速响应性的特性。（√）计算机控制系统的采样周期越小，其控制精度就越高。（√）

计算机控制系统设计完成后，首先需要对整个系统进行系统调试，然后分别进行硬件和软件的调试。（×）

进行机械系统结构设计时，由于阻尼对系统的精度和快速响应性均产生不利的影响，因此机械系统的阻尼比ξ取值越小越好。（×）

绿色设计是对已有的产品或技术进行分析研究，进而对该系统（产品）进行剖析、重构、再创造的设计。（×）脉冲分配器的作用是使电动机绕组的通电顺序按一定规律变化。（√）目前，大部分硬件接口和软件接口都已标准化或正在逐步标准化，设计时可以根据需要选择适当的接口，再配合接口编写相应的程序。（√）

气压式伺服驱动系统常用在定位精度较高的场合使用。（×）

驱动部分在控制信息作用下提供动力，伺服驱动包括电动、气动、液压等各种类型的驱动装置。（√）

数控机床中的计算机属于机电一体化系统的控制系统，而电机和主轴箱则属于系统的驱动部分。（×）数字化物理样机就是一种结构设计软件，强调结构上的设计。（×）

数字式位移传感器有光栅、磁栅、感应同步器等，它们的共同特点是利用自身的物理特征，制成直线型和圆形结构的位移传感器，输出信号都是脉冲信号，每一个脉冲代表输入的位移当量，通过计数脉冲就可以统计位移的尺寸。（√）

双螺母消除轴向间隙的结构形式结构紧凑，工作可靠，调整方便，能够精确调整。（×）

通常，步进电机的最高连续工作频率远大于它的最高启动频率。（√）

通用型计算机系大多工作在为特定用户群设计的系统中，通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点。（×）为减少机械传动部件的扭矩反馈对电机动态性能的影响，机械传动系统的基本固有频率应低于电气驱动部件的固有频率的2~3倍，同时，传动系统的固有频率应接近控制系统的工作频率，以免系统产生振荡而失去稳定性。（×）无论采用何种控制方案，系统的控制精度总是高于检测装置的精度。（×）

现场总线系统采用一对一的设备连线，按控制回路分别进行连接，打破了传统控制系统的结构形式。（×）现代嵌入式系统的设计方法是将系统划分为硬件和软件两个独立的部分，然后按各自的设计流程分别完成。（×）信息处理技术是指在机电一体化产品工作过程中，与工作过程各种参数和状态以及自动控制有关的信息输入、识别、变换、运算、存储、输出和决策分析等技术。（√）虚拟设计是在基于多媒体的、交互的、嵌入式的三维计算机辅助设计环境中进行实体建模和装配建模，生成精确的系统模型，并在同一环境中进行一些相关分析，从而满足工程设计和应用的需要。（√）

需求设计是指新产品开发的整个生命周期内，从分析用户需求到以详细技术说明书的形式来描述满足用户需求产品的过程。（√）

选择传感器时，如果测量的目的是进行定性分析，则选用绝对量值精度高的传感器，而不宜选用重复精度高的传感器。（×）

一般说来，全物理仿真较之计算机仿真在时间、费用和方便性上都具有明显的优点，是一种经济、快捷与实用的仿真方法。（×）

永磁型步进电动机即使其定子绕组断电也能保持一定转矩，故具有记忆能力，可用于定位驱动。（√）在闭环系统中，因齿轮副的啮合间隙而造成的传动死区能使系统以6~10倍的间隙角产生低频振荡，采用消隙装置，以提高传动精度和系统稳定性。（×）

直流伺服电动机的调速特性是电机转速与其输出转矩的关系。（×）

自动控制技术是机电一体化相关技术之一，直接影响系统的控制水平、精度、响应速度和稳定性。（√）自动控制是在人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定的规律运行。（×）

二、单选题

以下可对交流伺服电动机进行调速的方法是（改变电动机的供电频率）。

HRGP-1A喷漆机器人中的活塞式液压缸属于系统中的（驱动部分）。

HRGP-1A喷漆机器人中的手部属于系统中的（执行机构）。

闭环控制的驱动装置中，丝杠螺母机构位于闭环之外，所以它的（回程误差和传动误差都不会影响输出精度）。步进电机转动后，其输出转矩随着工作频率增高而（下降）。

采用脉宽调制（PWM）进行直流电动机调速驱动时，通过改变（脉冲的宽度）来改变电枢回路的平均电压，从而实现直流电动机的平滑调速。

齿轮传动的总等效惯量随传动级数(增加而减小)。传动系统的固有频率对传动精度有影响，（B）固有频率可减小系统地传动误差，（A）系统刚度可提高固有频率。A．提高，提高

导程L0=8mm的丝杠驱动总质量为60kg的工作台与工件，则其折算到丝杠上的等效转动惯量为（97）kg〃mm2。多级齿轮传动中，各级传动比“前小后大”的分配原则不适用于按（重量最轻原则）设计的传动链。

多级齿轮传动中，各级传动比相等的分配原则适用于按（重量最轻原则（小功率装置））设计的传动链。幅频特性和相频特性是模拟式传感器的（动态特性指标）。光栅传感器的光栅是在一块长条形的光学玻璃上密集等间距平行的刻线，刻线数为100线/mm，经四倍细分后，记数脉冲为400，光栅位移是（1）mm。（此光栅传感器测量分辨率是（0.01）mm。）含有微处理器，可进行程序编制或适应条件变化的接口是（智能接口）。

计算机控制系统实际运行时，需要由用户自行编写（应用软件），具有实时性、针对性、灵活性和通用性。检测环节能够对输出进行测量，并转换成比较环节所需要的量纲，一般包括传感器和（转换电路）。

某机电一体化系统需要消除齿轮传动的齿侧间隙，采取下列哪种方法使得调整过程中能自动补偿齿侧间隙？（轴向压簧错齿调整法）

受控变量是机械运动的一种反馈控制系统称(伺服系统)。数控机床进给系统的伺服电机属于设备的（驱动部分）。通常，数控精密镗铣床等高精度数控设备，其伺服系统的控制方式均采用（闭环控制）

为提高机电一体化机械传动系统的固有频率，应设法（增大系统刚度）。

下列哪个是传感器的动特性（幅频特性）。

下列哪种方法是采用单螺母预紧原理来消除滚珠丝杠副的间隙？（偏置导程法）

以下产品不属于机电一体化产品的是（电子计算机）。以下产品属于机电一体化产品的是（全自动洗衣机）。以下除了（继电器控制系统），均是由硬件和软件组成。以下抑制电磁干扰的措施，除了（软件抗干扰），其余都是从切断传播途径入手。

有一脉冲电源，通过环形分配器将脉冲分配给五相十拍通电的步进电机定子励磁绕组，已知转子有24个齿，步进电机的步距角是（1.5°）。a=360/(znk)=360/(24*5*2)在开环控制系统中,常用（步进电动机）做驱动元件。

二、简答题

滚珠丝杠副消除轴向间隙的调整预紧方法有哪些？

滚珠丝杠副消除轴向间隙的调整预紧方法有：螺纹预紧调整式、双螺母差齿预紧调整式、双螺母垫片预紧调整式、弹簧式自动调整预紧式、单螺母变位导程自预紧式。步进电动机的输入信号是什么？如何实现对其转速和旋转方向的控制？

步进电机的输入信号是脉冲序列。步进电机的步矩角α与运行拍数m、通电方式k（m=kN，单拍时k=1，双拍时k=2，N为定子绕组的相数）、转子的齿数z有关。步进电机定子绕组通电状态的改变速度越快，其转子旋转的速度越快，即通电状态的变化频率越高，转子的转速越高。改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之改变。

已知一个绳位移控制系统的两种驱动方案分别如图a和b

所示。

（1）试分析两种方案的特点；（2）画图说明方案（a）减速器滚筒驱动测量位移的方法。

（a）减速器滚筒驱动

（b）丝杠滑台驱动

解：（1）分析两种方案的特点：电机经减速器带动滚筒转动，使驱动绳产生位移；电机带动丝杠转动，丝杠上的螺母便产生直线运动，带动驱动绳产生位移。

（2）画图说明方案（a）减速器滚筒驱动测量位移的方法

分析下图调整齿侧间隙的原理。

1.锁紧螺母 2.圆螺母 3.带凸缘螺母 4.无凸缘螺母

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。

分析下图中传动大负载时消除齿侧间隙的原理。1、6－小齿轮 2、5－大齿轮 3－齿轮 4－预载装置

7－齿条

答：小齿轮1、6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，使齿轮2、5同时向相反方向移动，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

分析图中整体式PLC的各组成部分中CPU、存储器、电源、输入/出单元的功能。

答:(1)中央处理器CPU是PLC的运算和控制核心，控制其它所有部件的运行，功能相当于人的大脑。

(2)存储器用来存储数据和程序，包括随机存储器(RAM)和只读存储器〈ROM)，用于存储系统程序和周户程序。(3)输入/输出（I/O）单元是CPU与现场I/O设备或其它外部设备之间的连接部件。(4)电源包括系统电源和后备电池，其中后备电池可在停电时继续保持几十小时的供电。

五、计算题

某工作台采用如图所示的直流电机丝杠螺母机构驱动，已知工作台的行程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0.005mm（忽略齿轮和丝杠的传动误差）。

（1）若采用高速端测量方法，将旋转编码器安装在电机输出轴上，确定旋转编码器的每转脉冲数。

简述对滚珠丝杆副进行间隙调整和预紧方法

刻线为1024的增量式角编码器安装在机床的丝杠转轴上，已知丝杠的螺距为2mm，编码器在10秒内输出307200个脉冲，试求刀架的位移量和丝杠的转速分别是多少？ 解：（1）丝杠旋转一周有1024个脉冲，307200个脉冲对应于丝杠旋转307200/1024=300周，故刀架的位移量为300*2mm=600mm，（2）丝杠的转速为300*2π//10=60π

（弧度/ 秒）如图所示的电机驱动工作台系统，其中驱动x向工作台的三相双三拍步进电机，转子齿数z为100。滚珠丝杠的基本导程为l0=6mm。已知传动系统的横向(x向)脉冲当量δ为0.005mm/脉冲。试求：（1）步进电机的步距角α；（2）减速齿轮的传动比i。

解：（1）K=3相，N=3拍，z=100

步进电机的步距角α=360º/(z*m)= 360º/(z*K*N)= 360º/(100*3*3)=0.4 º

（2）由于一个脉冲，步进电机旋转0.4 º，工作台横向(x向)脉冲当量0.005mm，由于滚珠丝杠的基本导程为l0=6mm，对应于丝杠转动一周360 º，设一个脉冲丝杠转动的角度为x，则

6mm/360º=0.005/xº，得x=0.3º 故减速齿轮的传动比i=0.3/0.4=3/4 某工作台采用直流电机丝杠螺母机构驱动如图所示，已知电机轴的转动惯量Jm=4×10-4kg〃m3，与电机输出轴相连的小齿轮的转动惯量J1=1×10-4kg〃m3，大齿轮的转动惯量J2=1.8×10-4kg〃m3，丝杠的转动惯量Js=3.8×10-4kg〃m3。工作台的质量m=50kg，丝杠导程t=5mm，齿轮减速比为i=5。试求：

（1）工作台折算到丝杠的等效转动惯量JG；（2）传动件折算到电机轴的等效转动惯量Je；（3）电机轴上的总转动惯量J。

图 直流电机丝杠螺母机构驱动工作台 解：（1）JG=m（t/2π）2=50*1000*(0.005/2/3/14)2=0.03166(kg〃m3)(2)Je=(J2+Js+JG)/i2=（1.8×10-4+3.8×10-4+316.6×10-4）/52= 12.88×10-4

(kg〃m3)(3)J= J1+ Je =1×10-4 +12.88×10-4 =13.88(kg〃m3)已知某四级齿轮传动系统，各齿轮的转角误差为Δφ1=Δφ2=…=Δφ8=0.01弧度，各级减速比相同，即i1 = i2 =…= i4 =3，求该系统的最大转角误差Δφmax。解：Δφmax=Δφ1/(i1* i2* i3* i4)+(Δφ2+Δφ3)/(i2* i3* i4)+(Δφ4+Δφ5)/(i3* i4)+

(Δφ6+Δφ7/(i4)+ Δφ8=

=0.01/34+ 0.02/33+0.02/32+0.02/3+0.01

=0.01975（弧度）

（2）若采用低速端测量方法，将传感器与丝杠的端部直接相连，ns=500脉冲/转的旋转编码器是否合用？

图 直流电机丝杠螺母机构驱动工作台

解：（1）设工作台位移（测量精度）0.005mm时，丝杠转动的角度为X，则有

360X

4mm0.005mm 得：X0.45，若对应于电机轴的角度为Y，则

YiX2.25，安装在电机输出轴上的旋转编码器共

有360，故旋转编码器的每转脉冲数为360/2.2516（2）因为360/0.4580> ns=500，故不合用。图示为电枢控制式直流电动机的工作原理图。图中电机线圈的电流为i；L与R为线圈的电感与电阻；电机的输入电压为u；折算到电机转子轴上的等效负载转动惯量为JM；电机输出转矩和转速分别为T和ω；KE和KT分别为电枢的电势常数和转矩常数，试求输出转速与输入电压之间的传递函数。

解：

uiRLi'KE(1)KTiJM'(2)在零初始条件下进行拉氏变换：

U(s)I(s)RLsI(s)KE(s)(3)KTI(s)JMs(s)(4)

由（4）式得I(s)JMs(s)/KT，带入到（3）式，得输

出转速与输入电压之间的传递函数

(s)KU(s)TLJMs2RJMsKEKT

五、综合题

1．如图所示的系统，试分析齿轮减速器、丝杠螺母机构

及传感器的误差对输出精度的影响。

解：齿轮减速器存在两种误差：传动误差和回程误差。传动误差主要由温度或弹性导致的齿轮变形产生；回程误差主要是由齿轮间隙造成。为提高齿轮传动系统中传递运动的精度，各级传动比应按“先小后大”原则分配，设各级转角误差为

k、第k个齿轮到第n级输出轴的传动比为

ikn，设各级转角误差折算到末级输出轴上的总误差为

n/imaxmaxknk丝杠螺母机构传动误差主要由丝杠与螺母之间的间隙决

k1

定，通常可由其间的调整、预紧调整到最小程度，由于这个误差是在末级上，其大小直接影响输出精度。传感器的误差对输出精度的影响是通过控制产生的，由于传感的误差必然导致控制的误差。可以说，传感器的误差直接决定对输出精度的影响。2．用PLC实现对一台电动机的正反转控制。控制要求为：首先电动机正转起动，3秒后自动反转，反转2秒后自动又回到正转，如此循环；可以随时停车。（1）写出I/O分配表；

（2）选择PLC，画出梯形图。

解：（1）电动机正转起动开关I0.0，电动机正转Q0.0，电动机反转Q0.1，电动机停转开关I0.1。

已知数控机床控制系统如图所示，试说明图中的各个部分属于机电一体化系统中的哪一个基本要素？

解答：图中各部可分为：（1）控制及信息处理单元：

键盘、计算机、显示（2）测试传感部分：光电编码器、信号处理（3）

能源：电源（4）驱动部分：功放、电机（5）执行机构：联轴器、齿轮减速器、丝杠螺母机构、工作台 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？

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。

如图所示的系统，试分析传感器的误差对输出精度的影响。解答：

传感器位于闭环之内的反馈通道上，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。试分析图示传动系统中，信号变换电路及丝杠螺母机构的传动误差对工作台输出精度的影响。

解答：信号变换电路位于输入通道，误差的低频分量会影响输出精度，因此对静态精度有较高要求；而误差的高频分量对输出精度几乎没有影响，允许存在一定程度的高频噪声。丝杠螺母机构位于闭环之后，其误差的低频分量和高频分量都会影响输出精度，因此要尽量消除传动间隙和传动误差。

对比说明步进电机和直流伺服电机驱动的特点。（10分）解答：步进电机与直流电机驱动的主要有如下不同特点：（1）在工作原理方面，步进电机通过改变输入脉冲的数量、频率和顺序来控制电机；而直流电机主要是靠改变电枢两端的电压来调速，调速特性好，调速范围宽。（2）步进电机可以实现开环位置控制；而直流电机一般用于闭环位置控制。（3）步进电机具有自锁能力；而直流电机没有断电自锁能力。（4）步进电机的输出扭矩较小，而直流电机的输出扭矩可以很大。此外，步进电机的转速和转角不受电源电压波动的影响，但对电源的要求比较高。

如图所示电机驱动系统，已知工作台的质量为m=50Kg，负载力为

F,最大加速度为10m/s2,丝杠直径为

l1000Nd=16mm,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。

解：（1）计算负载力负载力由外负

载力、惯性负载力两部分构成外负载力 F惯性负

l1000N载力FmFmma5010500N（2）电机上的负载力矩

T1it2(F)1mlFm为

14103

52(1000500)10.3如图所示电机驱动系统，0.63Nm已知工作台的质量为m=200Kg，负载力为Fl1500N，最大加速度为a＝5m/s2,工作台与导轨之间的摩擦系数μ=0.1，丝杠直径为d=36mm,导程t=8mm,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。（重力加速度取g＝10m/s2）

解：（1）计算负载力负载力由外负载力、惯性负载力和摩擦力三部分构成外负载力F1500N

l惯性负载力Fmma20051000N

摩擦力

Ffmg0.120010200N

（2）电机上的负载力矩为

T1t1m

i2(FlFmFf)18103152(15001000200)0.32.29Nm

第五篇：机电一体化系统设计基础作业第二部分

2．为提高机电一体化机械传动系统的固有频率，应设法（A）。

A．增大系统刚度B．增大系统转动惯量

C．增大系统的驱动力矩D．减小系统的摩擦阻力

3．导程L0=8mm的丝杠驱动总质量为60kg的工作台与工件，则其折算到丝杠上的等效转动惯量为（B）kg·mm2。

A．48.5B．97

C．4.85D．9.7

4．传动系统的固有频率对传动精度有影响，（B）固有频率可减小系统地传动误差，（A）系统刚度可提高固有频率。A

A．提高，提高B．提高，减小

C．减小，提高D．减小，减小

5．下列哪种方法是采用单螺母预紧原理来消除滚珠丝杠副的间隙？（D）

A．螺纹调隙式B．双螺母垫片调隙式

C．齿差调隙式D．偏置导程法

6.齿轮传动的总等效惯量随传动级数(?A)。B

A.增加而减小B.增加而增加

C.减小而减小D.变化而不变

7．多级齿轮传动中，各级传动比“前小后大”的分配原则不适用于按（D）设计的传动链。

A．最小等效转动惯量原则（小功率传动装置）

B．最小等效转动惯量原则（大功率传动装置）

C．输出轴的转角误差最小原则

D．重量最轻原则

8．某机电一体化系统需要消除齿轮传动的齿侧间隙，采取下列哪种方法使得调整过程中能自动补偿齿侧间隙？（D）

A．偏心套调整法B．轴向垫片调整法

C．薄片错齿调整法D．轴向压簧错齿调整法

三、简答题

1．完善的机电一体化系统主要包括哪几部分？