机械电子学试题参考答案

机械电子
一、
1、机械电子学的共性相关技术有六项，分别是 机器感知技术 ， 伺服驱动技术 ， 信息处理技术， 精密机械技术 自动控制技术 ， 系统总体技术
2、执行元件种类： 电动 、 液压 、 气压
3、精密机械技术主要实现机电一体化产品的 主功能 和 构造功能
4、机电一体化系统广泛使用 电传动方式 ，对于低速重负荷系统则采用 电液伺服传动系统 ，在某些自动线上则使用 气压传动 。

5、选用步进电机时应考虑的问题有 转矩与惯量的匹配条件 、 步距角的选择与精度 。

6、一个脉冲所产生的坐标轴移动量叫 脉冲当量
7、设计过程被描述成一种映射过程。

即通过选择适当的设计参数，将在功能域中的功能要求，映射到物理空间中的设计参数，这个映射过程需要遵循设计的两个基本公理，即 独立性公理 ， 信息公理 8、在串行通信中，一般通信速率越高，传输距离越 近
二、
1、步进电机具有哪些特点？ 答：步进电机的工作状态不易受各种干扰因素的影响，只要干扰的大小未引起“丢步”现象就不影响其正常工作；步进电机步距角有误差，转子转过一定步数以后会出现累积误差，但转子转过一转以后，其累积误差为“0”，不会长期积累；易于直接与微机系统接口，构成开环位置伺服系统。

2、步进电机的选用应注意哪些问题？ 答：（1）转矩和惯量的匹配，为了使步进电机具有良好的起动能力及较快的响应速度，通常推荐
5
.0max ≤T T el 及
4
≤m el J J 。

（2）步距角的选择和精度，因步距角的选择是由电脉冲当量等因素决定的，步进电机的步距角精度将会影响开环系统的精度。

3、同步带传动有哪些特点？
答：同步带传动的特点与分类
1）传动比准确，同步带是啮合传动，工作时无滑动。

2）传动效率高，效率可达98%。

与V 带相比，可节能10%以上。

3）传动平稳，能吸收振动，噪声小。

4）使用范围广，传动比可达10，且带轮直径比V 带小得多，也不需要 大的张紧力，结构紧凑。

高速还达50m/s ，传递功率达300kW 。

5）维护保养方便，能在高温、灰尘、水及腐蚀介质的恶劣环境中工作，不需润滑。

6）安装要求高。

要求二带轮轴线平行。

同步带在与二带轮轴线垂直的平面内运
行。

带轮中心距要求较严格。

安装不当易生干涉、爬齿、跳齿等现象。

7）带与带轮的制造工艺较复杂，成本受批量影响大。

4、滚珠丝杠在使用过程中有几种消隙方法，分别是什么？ 答：双螺母螺纹预紧调整
双螺垫片式预紧调整 双螺母齿差式预紧调整 弹簧式自动预紧调整 单螺母变导程预紧调整
5、简述公理化设计原理中的两个基本公理
答：独立性公理：保持功能需要的独立性。

另一种叙述是，在一个优秀设计内，DP 和FR 应满足，当调整一个DP 去满足对应的FR 时，不影响其他的FR ，即设计参数的非耦合性。

信息公理：使设计中的信息量最小，最好的设计是信息量最少的非耦合设计，信息量最大，意味着相对精度高，准确测量概率低，为了满足这个精度所需信息多，制造难度大。

三、
某一时域参数TP1的描述如下，直线运行，行程350mm ，分辨率mm 01.0=ε。

另一时域参数TP2描述如下，直线运行，行程700mm ，分辨率mm 06.0=ε。

利用二进制数据计算以上参数的信息量，并比较二者的复杂性。

答：时域参数TP1的信息量是：
15.10(bit)
)0.01
350(
log )s
log 22
y ===ε
（I （课件里给式子的是：
15.69(bit)
)0.01530(
log )s
log 22
y ===ε
（I ）
时域参数TP2的信息量是：
13.51(bit)
)0.06
700(
log )s
log 22
y ===ε
（I
对于TP1需要至少16位二进制数，TP2需要14位二进制数，TP2的控制的
复杂性小于TP1的复杂性。

四、
设有一进给系统如下图所示，已知移动平台总质量kg
M A
400=；沿运动方向的
负载力N
F L 800=（已包含摩擦阻力）；电机转子的转动惯量
2
5
10
4kgm
J m -⨯=，
转速为
m
n ；齿轮轴部件I （包含齿轮）的转动惯量
2
4
10
5kgm
J I -⨯=，齿轮轴部
件II （包含齿轮）的转动惯量
2
4
10
7kgm
J II -⨯=，轴II 的负载转矩Nm T L 4=；
齿轮1z 与齿轮2z 的齿数分别为20与40，模数为1 m 。

求等效到电机轴上的等效转动惯量
m
eq
J 和等效转矩
m
eq
T （图在下页）
五、
某伺服电机上安装的光电编码器发出的信号如图所示，试说明信号中A，B，Z的作用，并说明在其所带动的机械系统中，利用该信号和外加的点位信号如何
寻找机械零点。

答：1.A、B、Z的作用：
简单版：
光电编码器输出三组方波脉冲A、B和Z相，其中A , B 为相位差90°的方波信号，Z为过零脉冲信号。

光电编码器每旋转一周，A、B 相输出同样数量的脉冲，Z相输出一个脉冲，脉冲的个数和电机旋转角度、电机的运行距离成
正比关系。

如果A相脉冲超前B相90°，电机正转，反之，电机反转。

完整版：
光电编码器输出信号主要包括A、B、Z三路脉冲信号，其中A、B为相位互差90°的方波信号，Z为过零脉冲信号。

光电编码器每旋转一周，A、B信号输出相同数量的脉冲，同时A、B信号脉冲出现的先后顺序可以反映出传动设备旋转的正反转方向。

如果A信号脉冲超前B信号90°，说明设备正转，输出计数脉冲为正值；如果B信号脉冲超前A信号脉冲90°，说明设备反转，输出计数脉冲为负值。

可见光电编码器A、B输出脉冲的个数和传动设备旋转角度传动设备的运行距离成正比关系，因此可以通过计算脉冲数计算出传动设备在实际旋转中所运行的距离。

Z脉冲是光电编码器中的特殊脉冲，当光电编码器每旋转一周，Z脉冲信号输出一个脉冲，即Z脉冲相对于旋转编码器而言，是一圈一次的脉冲。

虽然Z 脉冲能够实现计数，但是它无法对光电编码器旋转方向进行判断，编程时需要结合A、B信号脉冲出现的先后顺序对Z脉冲进行正反转方向判断。

2. 利用该信号和外加的点位信号如何寻找机械零点。

（此问可能不准确，知道准确答案的通知一下）
图中信号A相超前，电机正转，保持电机正转，根据点位信号，若偏离机械零点，则控制电机反转，直到机械零点。

否则电机正转，直到机械零点。