[整理]《机电一体化技术与系统》各章作业答案.

第二部分各章作业答案第一章绪论1、机电一体化的基本概念和涵义是什么？机电一体化的英文名词如何拼合？(P1)【参考答案】机电一体化是从系统的观点出发，将机械技术、微电子技术、信息技术、控制技术等在系统工程基础上有机地加以综合，实现整个机械系统最佳化而建立起来的一门新的科学技术。

机电一体化在国外被称为Mechatronics 是日本人在20 世纪70 年代初提出来的，它是用英文Mechanics 的前半部分和Electronics 的后半部分结合在一起构成的一个新词，意思是机械技术和电子技术的有机结合。

2、机电一体化的发展趋势包括哪几个方面？(P2)【参考答案】机电一体化的发展趋势可概况为以下三个方面：(4-3-2)( 1)性能上，向高精度、高效率、高性能、智能化的方向发展；( 2 )功能上，向小型化、轻型化、多功能方向发展；( 3)层次上，向系统化、复合集成化的方向发展。

3、一个较完善的机电一体化系统包括哪几个基本要素？其核心部分是什么？( P4-P5)【参考答案】一个较完善的机电一体化系统应包括以下几个基本要素：机械本体、动力部分、检测部分、执行机构、控制器和接口。

其核心部分是控制器。

4、什么是接口？接口的功能有哪些？(P5)【参考答案】为实现各子系统或要素之间物质、能量或信息交换而进行的连接就是接口。

接口的基本功能有交换、放大、传递。

5、机电一体化的相关技术有哪些？(P2-P4)【参考答案】机械技术、检测传感技术、信息处理技术、自动控制技术、伺服传动技术、系统总体技术。

第二章机械传动与支承技术1、熟练掌握以数控机床进给传动为例说明机械传动系统建模的步骤、方法。

重点在传动惯量折算的推导过程。

(P13-P15)【举例说明】在图1 所示的数控机床进给传动系统中，电动机通过两级减速齿轮Z1、Z2、Z3、Z4及丝杠螺母副驱动工作台作直线运动。

设J l 为轴I 部件和电动机转子构成的转动惯量；J 2、J 3为轴Ⅱ、Ⅲ部件构成的转动惯量；K1、K2、K3分别为轴I 、Ⅱ、Ⅲ的扭转刚度系数；K为丝杠螺母副及螺母底座部分的轴向刚度系数；m 为工作台质量；C 为工作台导轨粘性阻尼系数：T1、T2、T3分别为轴I 、Ⅱ、Ⅲ的输入转矩。

求系统各环节的转动惯量(或质量)折算到轴I 上的总等效转动惯量J 。

I 轴 在工作台与丝杠间， T 3' 驱动丝杠使工作台运动。

根据动力平衡关系有 T 3'2 m( d d vt) L 式中 υ——工作台线速度；丝杠导程。

即丝杠转动一周所做的功等于工作台前进一个导程时其惯性力所做的功。

图 1 数控机床进给系统参考答案】 把轴 I 、Ⅱ、Ⅲ上的转动惯量和工作台的质量都折算到轴I 上，作为系统的 等效转动惯量。

设 T 1'、T 2'、 T 3'分别为轴 I 、Ⅱ、Ⅲ的负载转矩 ,ω1、ω2、 ω3 分别为轴 I 、Ⅱ、Ⅲ的角速度； υ为工作台位移时的线速度。

1)I 、 Ⅱ、Ⅲ轴转动惯量的折算 根据动力平衡原理， I 、Ⅱ、Ⅲ轴的力平衡方程分别是： T 1 J 1 d dt 1T 1' (2-8)T 2 J 2 d dt 2 T 2'2-9) d dt 3 T 3' 2-10)因为轴Ⅱ的输入转矩 T 2是由轴 I 上的负载转矩获得，且与它们的转速成反比，所以又根据传动关系有把 T 2 和ω2 值代入式 z z 12 T 1z 1 z 2 2-9，并将式 2-8 中的 T 1 也带入，整理得同理T 1T 2J 2 ( z z `21 )2 d dt 1 z z 12 T 2' J 3(z z 12)(z z 43)2 d dt 1 z 34 T 3' 2-11) 2-12) 2)工作台质量折算到又根据传动关系有把v 值代入上式整理后得' L 2 z1 z3 d 1T3 （2L）（z2z4）m dt （2-13）（3）折算到轴Ⅰ上的总转动惯量把式（2-11）、（２-12）、（２-13）代入式（２-8）（2-9）（2-10），消去中间变量并整理后求出电机输出的总转矩T1为T1 [J1 J2（z z12）2 J 3 （z z12 z z43）2 m（z z21z z43）2（2L）2]d dt1J d dt1（２-14）式中J ＝J1 J2（z12）2 J3（z12 z34）2 m（z21z34）2（2L）2（２-15）2、熟练掌握阻尼、摩擦、结构弹性变形、惯量及间隙对伺服系统性能的影响。

重点掌握当阻尼比0<ξ<1 时，系统为欠阻尼系统的性能指标情况以及摩擦力的分类和方向。

（P17-P21）【详细答案】1、阻尼的影响（以二阶系统单位阶跃响应曲线来说明）。

（1）当阻尼比ξ＝0 时，系统处于等幅持续振荡状态，因此系统不能无阻尼。

（2）当ξ≥ 1 时，系统为临界阻尼或过阻尼系统。

此时，过渡过程无震荡，但响应时间较长。

（3）当0<ξ<1 时，系统为欠阻尼系统，此时，系统在过渡过程中处于减幅震荡状态，其幅值衰减的快慢，取决于衰减系数ξn 。

在n 确定以后, ξ愈小，其震荡愈剧烈，过渡过程越长。

相反，ξ越大，则震荡越小，过渡过程越平稳，系统稳定性越好，但响应时间较长，系统灵敏度降低。

2、摩擦的影响摩擦力可分为粘性摩擦力、库仑摩擦力和静摩擦力三种，方向均与运动趋势方向相反。

摩擦对伺服系统的影响主要有：引起动态滞后，降低系统的响应速度，导致系统误差和低速爬行。

3、弹性变形的影响结构弹性变形对伺服系统的影响主要有：引起系统不稳定和产生动态滞后。

4、惯量的影响转动惯量对伺服系统的精度、稳定性、动态响应都有影响。

5、传动间隙的影响机械系统中存在着许多间隙，如齿轮传动间隙，螺旋传动间隙等。

这些间隙对系统稳定性、伺服精度都有影响。

3、机电一体化系统对机械传动有何要求？(P21)【参考答案】为了提高机械系统的伺服性能，要求机械传动部件转动惯量小、摩擦小、阻尼合理、刚度大、抗振性好、间隙小，并满足小型、轻量、高速、低噪声和高可靠性等要求。

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。

4、伺服系统中，通常采用什么原则选择总传动比，目的是什么？（P21）【参考答案】在伺服系统中，通常采用负载角加速度最大原则选择总传动比，目的是提高伺服系统的响应速度。

5、传动链的级数和各传动比的分配原则有哪些？在设计齿轮传动装置时，如何考虑各种原则的选择？（P22-P26）【参考答案】分配原则有三：1、等效转动惯量最小原则；2、质量最小原则；3、输出轴转角误差最小原则。

在设计齿轮传动装置时，上述三条原则应根据具体工作条件综合考虑。

（1）对于传动精度要求高的降速齿轮传动链，可按输出轴转角误差最小的原则设计。

若为增速传动，则应在开始几级就增速。

（2）对于要求运转平稳、启停频繁和动态性能好的降速传动链，可按等效转动惯量最小原则和输出轴转角误差最小的原则设计。

（3）对于要求质量尽可能小的降速传动链，可按质量最小原则设计。

6、机电一体化系统的机械传动装置应具有哪些特性？【参考答案】7、同步带轮的主要失效形式有哪几种？设计准则是什么？（P30）【参考答案】同步带传动的主要失效形式有三种：同步带的承载绳疲劳拉断；同步带的打滑和跳齿；同步带齿的磨损。

设计准则是在同步带不打滑的条件下，保证同步带的抗拉强度。

在灰尘杂质较多的条件下，则应保证带齿的一定耐磨性。

8、简述谐波齿轮的工作原理及特点。

（P34-P35）【参考答案】谐波齿轮传动是一种新型传动，其原理是依靠柔性齿轮所产生的可控制弹性变形波，引起齿间的相对位移来传递动力和运动的。

与一般齿轮传动相比，谐波齿轮传动具有如下优点：（1）传动比大单级谐波齿轮的传动比为70 ~500，多级和复式传动的传动比更大，可达30000 以上。

不仅用于减速，还可用于增速。

2）承载能力大谐波齿轮传动同时啮合的齿数多，可达柔轮或刚轮齿数的30% ~40 ％，因此能承受大的载荷。

（3）传动精度高由于啮合齿数较多，因而误差得到均化。

同时，通过调整，齿侧间隙较小，回差较小，因而传动精度高。

（4）可以向密封空间传递运动或动力当柔轮被固定后，它既可以作为密封传动装置的壳体，又可以产生弹性变形，即完成错齿运动，从而达到传递运动或动力的目的。

因此，它可以用来驱动在高真空、有原子辐射或其它有害介质的空间工作的传动机构。

这一特点是现有其它传动机构所无法比拟的。

（5）传动平稳基本上无冲击振动。

这是由于齿的啮入与啮出按正弦规律变化，无突变载荷和冲击，磨损小，无噪声。

（6）传动效率较高单级传动的效率一般在69% ~96%的范围内，寿命长。

（7）结构简单、体积小、质量小。

谐波齿轮传动的缺点：（1）柔轮承受较大的交变载荷，对柔轮材料的抗疲劳强度、加工和热处理要求较高，工艺复杂；（2）传动比下限值较高；（3）不能做成交叉轴和相交轴的结构。

9、机电一体化系统对支承部件的要求是什么？（P41）【参考答案】机电一体化系统对支承部件的要求是：精度高、刚度大、热变形小、抗振性好、可靠性高，并且有良好的摩擦特性和结构工艺性。

第三章伺服传动技术1、伺服系统的基本组成有哪几部分？各部分的主要任务是什么？（P58）【参考答案】伺服控制统的基本组成一般包括控制器、功率放大器、执行机构、检测装置等四大部分。

控制器的主要任务是根据输入信号和反馈信号决定控制策略；功率放大器的作用是将信号进行放大，并用来驱动执行机构完成某种操作；执行机构的作用是按控制信号的要求,将输入的各种形式的能量转化成机械能，驱动被控对象工作；检测装置的任务是测量被控制量（即输出量），实现反馈控制。

2、按不同的方式，伺服系统如何分类？（P59）【参考答案】按其驱动元件的性质划分，可分为液压（或气动）伺服系统和电气伺服系统。

电气伺服系统又包括直流伺服系统、交流伺服系统和步进伺服系统。

按控制方式划分，可分为开环伺服系统和闭环伺服系统。

【参考答案】1、具有宽广而平滑的调速范围。

2、具有较硬的机械特性和良好的调节特性。

3、具有快速响应特性。

4、空载始动电压小。

4、PWM功率放大器的基本原理是什么？简述PWM脉宽调速原理。

(P68-P69)【参考答案】PWM功率放大器的基本原理是：利用大功率器件的开关作用，将直流电压转换成一定频率的方波电压，通过对方波脉冲宽度的控制，改变输出电压的平均值。

将图中的开关S周期性地开关，在一个周期T 内闭合的时间为τ，则一个外加的固定直流电压U 被按一定的频率开闭的开关S 加到电动机的电枢上，电枢上的电压波形将是一列方波信号，其高度为U、宽度为，如图所3、伺服电动机应符合哪些基本要求？（P59）示。