机电一体化练习题

二、简答题

4、机电一体化系统由哪五大内部功能？各功能的具体作用是什么？p7

主功能：对物质、信息、能量及其相互结合进行变换、传递和存储；

动力功能：向系统提供动力，使系统得以运转功能；

计测功能和控制功能是根据系统内部信息和外部信息对整个系统进行控制，实现“目的功能”构造功能：使构成系统的子系统、元部件维持所定的时间和空间相互关系所必需的功能。5、设计机械传动部件时，为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，常提出哪些要求？

低摩擦、无间隙、低惯量、高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比等要求。P23

6、各级传动比的分配作用则是什么？输出轴转角误差最小原则是什么？

输出轴转角误差最小原则：为了提高机电一体化系统齿轮传动系统的传递运动的精度，各级传动比应按先小后大原则分配，一遍降低齿轮加工误差、安装误差以及回转误差对输出转角精度的影响。P39

7、简述滚动导轨副应满足的基本要求：导向精度、刚度、耐磨性和工艺性。P60

8、机电一体化系统对执行元件的基本要求是什么？

惯量小、动力大；体积小、重量轻；便于维修和安装；宜于微机控制。P92

9、简述步进电机工作原理？

如教材图例所示，如果先将电脉冲加到A相励磁绕组，定子A相磁极就产生磁通，并对转子产生磁拉力，使转子的1 3两个齿与定子的A相磁极对齐，而后再将电脉冲通入B相磁绕组，B相磁极便产生磁通，这时转子2 4两个齿与B相磁极靠的最近，于是转子便沿着逆时针方向转过30度角使转子2 4两个齿与定子B相磁极对齐。如果按照A→C→B→A……的顺序通电，步进电机讲沿顺时针方向一步步地转动。

10简述机电一体化系统对传感器检测的基本要求。

（1）体积小、重量轻、对整机适应性好；（2）精度和灵敏度高、响应快、稳定性好、信噪比高；（3）安全可靠，寿命长；（4）便于与计算机连接；（5）不易受被测对象影响，也不影响外部环境；（6）对环境适应性强；（7）现场处理简单、操控性好；（8）价格低廉。

12、比例调节、积分调节、比例积分调节、比例积分微分调节的优缺点有哪些？

比例调节：调节作用主要Kp的大小，Kp越大，调节作用越强，但是存在调节误差。而且Kp太大会引起系统不稳定。

积分调节：可以减少或消除误差，但是由于积分调节器反应慢，故很少单独使用

比例积分调节：克服了单纯比例调节有调节误差的特点，又避免了积分调节反应慢的弱点，既能改善系统稳定性能，又能改善其动态性能。

比例积分微分调节：不但能改善系统稳定性能，又能改善系统动态性能。但是由于含有微分作用，在噪声比较大或要求响应快的系统中不宜使用；PID调节器能使闭环系统更加稳定，其动态性能比PI更好。

13、什么是机电一体化系统的可靠性？保证机电一体化系统可靠性的方法有哪些？

可靠性是指系统在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。

方法：提高系统的设计和制造质量；冗余技术；诊断技术

14、用机电一体化技术将普通车床K52K改造为经济性数控机床，写出原理方案。P290 16、简述点亮显示器的静态显示与动态显示方法的主要区别有哪些？

答：静态显示就是当显示器显示某一个字符时，相应的发光二极管恒定地导通货截止。静态显示时，较小的电流能得到较高的亮度；动态显示就是一位一位地轮流点亮各位显示器。显示器的亮度既与导通电流有关，也和点亮时间与间隔时间的比例有关，调整电流和时间参数，可实现亮度较高较稳定的显示

三、分析题

1、试分析图一所示消除滚珠丝杠轴向间隙调整与预紧的工作原理与结构特点。

答：工作原理：采用双螺母垫片调整预紧，调整垫片的厚度，可使左右两螺母产生相对位移，以达到消除间隙、产生预紧拉力之目的。结构简单刚度高、预紧可靠，但使用中调整不方便。

2、试分析图2所示消除滚珠丝杠副轴向间隙调整与预紧的工作原理与结构特点

答：工作原理：采用双螺母螺纹预紧调整，右螺母的外端有凸缘，而左螺母的外端虽无凸缘，但制有螺纹，并通过两个圆螺母固定。调整时旋转右边圆螺母消除轴向间隙并产生一定预紧力，然后用锁紧螺母（左边圆螺母）锁紧。预紧后两个螺母中的滚珠相向受力，从而消除轴向间隙。

结构简单、刚度好、预紧可靠，使用中调整方便，但不能精确定量的进行调整。

4、试分析如图所示光电隔离的基本工作原理和特点，在本电路中各元器件的作用是什么？答：（1）基本工作原理

微机输出的控制信号经74LS04非门反相后，加到光电耦合器G的发光二极管正端。当控制信号为高电平时，经反相后，加到发光二极管正端的电平为低电平，因此，发光二极管不导通，没有光发出。这时光敏三极管截止，输出信号几乎等于加在光敏三极管集电极上的电源电压。当控

制信号为低电平时，发光二极管导通并发光，光敏三极管接收发光二极管发出的光而导通，于是输出端的电平几乎等于零。同样的道理，可以将光电耦合器用于信息的输入。

（2）特点：完成信号转换的同时，能隔离干扰。

（3）各元器件的作用

74LS04：将微机输出的控制信号经非门反相，加到光电耦合器G的发光二极管正端；

发光二极管：将电信号转换成光信号；

光敏三极管：将光信号转换成电信号。

桂林电子科技大学机电工程学院

5如图所示机电传动控制系统，在无外界干扰的假设条件下，试分析各组成部分的作用是什么？并写出该系统的传递函数数学模型。

答：

（1）各组成部分的作用：

G1——前置放大；G2——功率放大，驱动伺服电动机运转；

G3——伺服电动机，作为系统的执行元件，带动工作台运动；

G4——齿轮传动装置，将电动机转子的运动以传动比i1传递给丝杠；

G5——齿轮传动装置，将丝杆的运动以传动比i2传递给位置传感器的检测轴；

G6——位置传感器，检测滚珠丝杠的角位移量，并反馈回系统输入端；

G7——测速发电机，检测伺服电动机转子的转速，并反馈回功放输入端。

（2）系统的传递函数数学模型

6试分析论述机电一体化系统稳态设计、动态设计的目的，重点研究哪些重要指标参数？答：（1）稳态设计的目的及重点研究指标参数

目的是保证系统达到功能要求，包括使系统的输出参数、执行元件（如电动机）的参数、功率（或）转矩的匹配、过载能力等达到技术要求。重点研究的指标参数有负载的综合定量数值（如质量、转动惯量、力、转矩等）；执行元件的等效负载转矩、等效惯性负责转矩、电动机轴上的总负载转矩等；各级减速比；伺服系统放大器,输出级的输出阻抗、效率、时间常数，放大器的放大倍数等；系统各部分的传递函数；工作台进给系统的阻尼比、主谐振频率等。（2）动态设计的目的及重点研究指标参数

目的是设计校正补偿装置，使系统满足动态技术指标要求。

可以根据系统传递函数分析系统的稳定性、系统的过渡过程品质（响应的快速性和振荡）及系统的稳态精度，从而研究系统的动态特性。具体表征系统动态特性好坏的定量指标就是系统过渡过程的品质指标，在时域内，这种品质指标一般用单位阶跃响应曲线中的参数来表示，即： Ts—上升时间；Ty—延滞时间；Tt—调整时间；σ%—最大超调量。

7、在机电一体化系统的动态设计中，叙述所增加PID 调节器内各环节的调节特点，试分析控制系统中增加PID 调节器的主要作用是什么？

答：（1）PID 调节器各环节的调节特点:比例（P ）环节使一阶滞后的时间常数减小，加快系统响应速度，比例调节作用的大小主要取决于比例系数，比例系数愈大调节作用愈强，动态特性也愈好，但存在调节误差，而且比例系数太大，会引起系统不稳定； 积分（I ）环节可以减少或消除系统的稳态误差，因为只要存在偏差，它的积分所产生的控制量总是用来消除稳态误差的，直到积分的值为零，控制作用才停止。但它将使系统的动态过程变慢，而且过强的积分作用使系统的超调量增大，从而使系统的稳定性变坏； 微分（D ）环节有微分作用，微分的控制作用跟偏差的变化速度有关，微分控制能够预测偏差，产生超前的校正作用，它有助于减少超调，克服振荡，使系统趋于稳定，并能加快系统的响应速度，减少调整时间，从而改善了系统的动态性能。微分作用的不足之处是放大了噪声信号。（2）控制系统中增加PID 调节器的主要作用 作为系统的校正环节，主要起到改善系统的稳态性能和动态性能的

3、简述步进电机工作原理，并推导出步进当量的计算公式

答：（1）工作原理： 图示三相反应式步进电动机，定子有六个均匀分布的磁极，每两个相对磁极组成一相，即有A-A ′、B-B ′、C-C ′三相，磁极上绕有励磁绕组。转子具有均匀分布的四个齿，当A 、B 、C 三对磁极的绕组依次通电时，则A 、B 、C 三对磁极依次产生磁场吸引转子转动。 由环形分配器送来的信号脉冲电流，经功率放大器放大后，对定子绕组轮流通以单极性励磁电流。通电磁极产生磁通，磁通具有力图沿磁阻最小路径通过的特点，使转子齿在磁力作用下转动。 电脉冲加到A 相励磁绕组，定子A 相磁极就产生磁通，并对转子产生磁拉力，使转子1、3两个齿与定子的A 相磁极对齐。而后将电脉冲通入B 相励磁绕组，B 相磁极便产生磁通，转子2、4两个齿与B 相磁极靠得最近，于是转子便沿着逆时针方向转过30°角，使转子2、4两个齿与定子B 相磁极对齐。如果按A →B →C →A 的顺序通电，转子则沿逆时针方向一步步的转动，每步转过30°，这个角就叫做步距角。

（2）步距当量的计算公式

当A 相的定子齿和转子齿对齐时，B 相的定子齿应相对于转子齿逆时针方向错开1/3齿距，而C 相的定子齿又应相对于转子齿逆时针方向错开2/3齿距。也就是说，当某一相磁极下定子与转子的齿对齐时，下一相磁极下定子与转子齿的位置刚好错开τ/m 。其中，τ为齿距，m 为相数。再下一相磁极定子与转子齿则错开2τ/m 。依次类推，当定子绕组按A →B →C →A 顺序轮流通电时，转子就沿着逆时针方向一步步地转动，各相绕组轮流通电一次，转子就转过一个齿距。

设转子齿数为Z ，则齿距为

步距当量，即步距角α的大小

与通电方式和转子齿数有关，其大小可用下式计算：

式中：K ——状态系数（三拍时k=1；六拍时k=2）；

m ——电动机的绕组相数；

Z ——转子齿数

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