机电一体化系统设计2
机电一体化系统设计教案2
（3）滚珠丝杠副的典型结构类型 主要按螺纹滚道截面形状、滚珠的 循环方式、消除轴向间隙的调整与预 紧方式三种形式进行分类。 1）按螺纹滚道截面形状分类： 分单圆弧型和双圆弧型两类。
b b
b
a) 单圆弧型滚道
b) 双圆弧型滚道
b
单圆弧滚道和双圆弧滚道的结构特点
单圆弧滚道：结构简单， 传递精度由加工质量保证， 轴向间隙小，无轴向间隙 调整和预紧能力，加工困 难，加工精度要求高，成 本高，一般在轻载条件下 工作。 双圆弧滚道：结构简单， 存在轴向间隙，加工质量 易于保证，在使用双螺母 结构的条件下，具有轴向 间隙调整和预紧能力，传 递精度高。
工 厚 励德 志达 勤理
机电一体化机械系统的特殊要求
机电一体化的机械系统与一般机械系统 相比，具有一定的特殊要求：
（1）较高的定位精度。
工 厚 励德 志达 勤理
（2）良好的动态响应特性。
——响应快、稳定性好。 （3）无间隙、低摩擦、低惯量、大刚度。 （4）高的谐振频率、合理的阻尼比。 这表明了机械系统部件选择与设计时的特 点和要求。
非接触盘式电磁离合器/制动器
工 厚 励德 志达 勤理
非接触式导轨式电磁制动器
工 厚 励德 志达 勤理
（5）滚珠丝杠副的润滑与密封 润滑：主要有脂润滑和滴油润滑。 密封：接触式密封（动或静密封） 和非接触式密封（迷宫式密封）。 防尘与防护：折叠式防尘套、伸缩 式防尘套、伸缩挡板防尘装置等。
工 厚 励德 志达 勤理
双圆弧螺纹滚道的双螺母丝杠副
——主要用于重载，以传递动力和运动 为主，对传递动力和运动的平稳性有较 高的要求，传递精度高、丝杠刚度大防 尘效果好的高精度机器设备上。
预拉方向 调整垫片 螺母A 螺母B 预拉方向
《机电一体化系统设计基础》形考作业2答案
机电一体化系统设计基础课程作业解答（二）一、填空题1．低频分量高频分量2．固有频率阻尼能力3．相对阻尼系数4．固有频率5．变频信号源脉冲分配器功率放大器6．最大动态转矩降低7．线性直流伺服放大器脉宽调制放大器8．电源频率磁极对数转差率9．电液比例阀电液伺服阀10．定位精度定位时间二、简答题1．如何提高伺服系统的响应速度？伺服系统的响应速度主要取决于系统的频率特性和系统的加速度。
（1）提高系统的固有频率，减小阻尼。
增加传动系统的刚度，减小折算的转动惯量，减小摩擦力均有利于提高系统的响应速度。
（2）提高驱动元件的驱动力可以提高系统的加速度，由此也可提高系统的响应速度。
2．步进电机是如何实现速度控制的？步进电机的运动是由输入的电脉冲信号控制的，每当电机绕组接收一个脉冲，转子就转过一个相应的角度。
其角位移量与输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步。
因而，只要控制输入脉冲的数量、频率和电机绕组的相序，即可得到所需转动的速度和方向。
3．试述直流电机伺服系统中脉宽调制放大器的基本工作原理。
脉宽调制放大器是直流伺服电机常用的晶体管驱动电路。
利用大功率晶体管的开关作用，将直流电源电压转换成一定频率的方波电压，施加于直流电机的电枢，通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压，使电机的转速得到调节。
4．交流伺服电机有哪些类型？交流伺服驱动的主要特点是什麽？交流伺服电机有永磁式交流同步电机和笼型异步电机两类。
交流伺服驱动的主要特点有：（1）调速范围大；（2）适合大、中功率伺服系统；（3）运行平稳，转速不受负载变化的影响；（4）输出转矩较大，而转矩脉动小。
三、分析题1．分析传感器的误差对输出精度的影响传感器位于反馈通道，误差的低频分量影响系统的输出精度和系统的稳定性，因此传感器应有较高的精度；而误差的高频分量不影响输出精度，可以允许传感器及放大电路有一定的高频噪声。
2．分析齿轮减速器的传动误差对工作台输出精度的影响。
机电一体化系统设计 第2章 机械系统设计
第 2 章 机械系统部件的选择与设计
§2-2 机械系统传动部件的选择与设计
三、滚珠丝杠副传动部件 滚珠丝杠副支撑方式 双推-自由式/简支式
如下图所示，一端安装推力轴承与圆柱滚子轴承的组合，另一端悬空呈 自由状态，故轴向刚度和承载能力低，多用于轻载、低速的垂直安装的 丝杠传动系统。
第 2 章 机械系统部件的选择与设计
§2-2 机械系统传动部件的选择与设计
机械传动部件及其功能要求
➢ 常用的机械传动部件有螺旋传动、齿轮传动、同步带传动、高速带传 动、各种非线性传动部件等。
➢ 主要功能是传递转矩和转速。因此，它实质上是一种转矩、转速变换 器，其目的是使执行元件与负载之间在转矩与转速方面得到最佳匹配。
➢ 机械传动部件对伺服系统的伺服特性有很大影响，特别是其传动类型、 传动方式、传动刚性以及传动的可靠性对机电一体化系统的精度、稳 定性和快速响应性有重大影响。因此，应设计和选择传动间隙小、精 度高、体积小、重量轻、运动平稳、传递转矩大的传动部件。
第 2 章 机械系统部件的选择与设计
§2-2 机械系统传动部件的选择与设计
三、滚珠丝杠副传动部件 滚珠丝杠副轴向间隙的调整与预紧
弹簧自动调整预紧式
如图所示，双螺母中， 一个活动，另一个固定， 用弹簧使其间始终具有 产生轴向位移的推动力， 从而获得预紧力。其特 点是能消除使用过程中 因磨损或弹性变形产生 的间隙，但其结构复杂、 轴向刚度低，适用于轻 载场合。
单螺母变位导程自预紧式 和单螺母滚珠过盈预紧式
第 2 章 机械系统部件的选择与设计
§2-2 机械系统传动部件的选择与设计
三、滚珠丝杠副传动部件 滚珠丝杠副支撑方式
典型支承方式
第 2 章 机械系统部件的选择与设计
机电一体化系统设计试题及答案 2
一、名词解释1、机电一体化：机电一体化技术综合应用了机械技术、微电子技术、信息处理技术、自动控制技术、检测技术、电力电子技术、接口技术及系统总体技术等群体技术，实现多种技术功能复合的最佳功能价值的系统工程技术。
2、柔性制造系统：柔性制造系统（Flexible Manufacturing System）是由两台或两台以上加工中心或数控机床组成，并在加工自动化的基础上实现物料流和信息流的自动化。
3、传感器：传感器适机电一体化系统中不可缺少的组成部分，能把各种不同的非电量转换成电量，对系统运行中所需的自身和外界环境参数及状态进行检测，将其变成系统可识别的电信号，传递给控制单元。
4、伺服电动机：伺服电动机又称控制电机，其起动停止、转速或转角随输入电压信号的大小及相位的改变而改变。
输入的电压信号又称控制信号或控制电压，改变控制信号可以改变电动机的转速及转向，驱动工作机构完成所要求的各种动作。
5、组合设计：就是选用各种标准功能模块像搭积木一样组合成各种机电一体化系统（产品。
）6、灵敏度：灵敏度指示器的相对于被测量变化的位移率，灵敏度是衡量物理仪器的一个标志。
7、传感器：传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的，便于应用的某种物理量的测量装置。
敏感元件、转换元件、基本电路。
8、线性度：所谓传感器的线性度是其输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度。
9、全闭环控制系统：直接检测工作台的位移来控制系统。
10、PWM技术：控制技术就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值）。
11、SPWM技术：是指脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形。
二、填空题1、工业控制计算机分为单片机、 PLC 和总线工控机2、滚珠丝杆中滚珠的循环方式有内循环、外循环两种。
3、机电一体化系统（产品）设计类型大致可分为开发性设计、适应性设计、变参数设计。
机电一体化系统设计最终版
2024/3/13
电力拖动
19
第二节 机电一体化系统设计 的目标与方法
组合法
这种方法就是选用各种标准模块，像积木 那样组合成各种机电一体化系统。
利用此方法可以缩短设计与研制周期、节 约工装设备费用，有利于生产管理、使用 和维修。
2024/3/13
电力拖动
20
第三节 机电一体化的相关技术
机械技术（精密机械技术） 传感检测技术 信息处理技术 自动控制技术 伺服驱动技术 系统总体技术
2024/3/13
电力拖动
12
第二节 机电一体化系统设计 的目标与方法
改善操作性和实用性 减轻劳动强度，改善劳动条件 简化结构，减轻重量 降低价格 增强柔性应用功能
2024/3/13
电力拖动
13
第二节 机电一体化系统设计
的目标与方法
机电一体化技术方向
在原有机械系统的基础上采用微型计算 机控制装置，使系统的性能提高，功能 增强
2四节 机电一体化系统的 基本功能要素
接口
将各要素或子系统连接成为一个有机整体， 使各个功能环节有目的地协调一致运动， 从而形成机电一体化的系统工程。
其基本功能主要有三个：变换、放大、传 递
2024/3/13
电力拖动
39
第五节 本课程的目的和要求
本课程的目的和要求
用电子装置局部代替机械传动装置和机 械控制装置，以简化结构，增强控制灵 活性
2024/3/13
电力拖动
14
第二节 机电一体化系统设计 的目标与方法
用电子装置完全代的原来执行信息处理功 能的机构，即减化了结构，又极大地丰富 了信息传输内容，提高了速度。
用电子装置替代机械的主要功能，形成特 殊的加工能力
机电一体化(第2章 机械系统)
与一般的机械系统设计要求相比，机电一体化系统 的机械系统要求定位精度高，动态响应特性好（即响应要 快，稳定性要好），为达到要求，在设计中常提出无间隙、 低摩擦、低惯量、高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比等 要求。为达到上述要求，主要从以下几方面采取措施：
（1）单推-单推式
可预拉伸安装，预紧力大， 轴向刚度较高。
简易单推-单推式支承
（2）双推-双推式
轴向刚度最高，适于高刚度、 高速、高精度的丝杠传动。 对丝杠热变形敏感。
（3）双推-简支式
预紧力小，寿命长，常用 于中速、高精度的长丝杠 传动系统。注意丝杠热变 形影响。
（4）双推-自由式
承载能力小，轴向刚度低，多用于 短程、轻载、低速的垂直安装。
4) 缩小反向死区误差，如采取消除传动间隙、减少支承变形的 措施； 5) 提高刚度 改进支承及架体的结构设计以提高刚性、减少振 动、降低噪声。选材上；结构轻型化、紧密化。
这些措施反映了机电一体化系统设计的基本特点。
二、机械传动部件的选择与设计
机械传动部件的主要功能是传递转矩和转速，它实质上 是一种转矩、转速变换器，其目的是使执行元件与负载之间在 转矩与转速方面得到最佳匹配。
（3）谐振频率 包括机械传动部件在内的弹性系统，若不计 阻尼，可简化为质量-弹簧系统，为多自由度系统，有第一谐振 频率和高阶谐振频率等。当外界传来的激振频率接近或等于系 统固有频率时，系统产生谐振，不能正常工作。
还有电气驱动部件的谐振频率。
（4）摩擦 摩擦分为粘性摩擦、库仑摩擦和静摩擦。
实际机械导轨的摩擦特性随材料和表面状态的不同有很 大的不同。
（一）机械传动部件的功能要求及常用的传动部件
机械传动部件的传动类型、传动方式、传动刚性以及传 动可靠性对机电一体化系统的精度、稳定性和快速响应性有重 要影响。机电一体化系统设计时，需要选择传动间隙小、精度 高、体积小、重量轻、运动平稳、传递转矩大的传动部件。
机电一体化系统设计试题-2答案
习题二答案2-1、如何保证机电一体化系统具有良好的伺服特性？ξ<0.8的欠阻尼系统，既能保证在系统设计时，应综合考其性能指标，阻尼比一般取0.5<振荡在一定的范围内，过渡过程较平稳，过渡过程时间较短，又具有较高的灵敏度。
设计机械系统时，应尽量减少静摩擦和降低动、静摩擦之差值，以提高系统的精度、稳定性和快速响应性。
机电一体化系统中，常常采用摩擦性能良好的塑料——金属滑动导轨、滚动导轨、滚珠丝杠、静、动压导轨；静、动压轴承、磁轴承等新型传动件和支承件，并进行良好的润滑。
转动惯量对伺服系统的精度、稳定性、动态响应都有影响。
惯量大，系统的机械常数大，响ξ值将减小，从而使系统的振荡增强，稳定性下降；惯量大，会使系统的固有应慢。
惯量大，频率下降，容易产生谐振，因而限制了伺服带宽，影响了伺服精度和响应速度。
惯量的适当增大只有在改善低速爬行时有利。
因此，机械设计时在不影响系统刚度的条件下，应尽量减小惯量。
应尽量减小或消除间隙，目前在机电一体化系统中，广泛采取各种机械消隙机构来消除齿轮副、螺旋副等传动副的间隙。
2-2、机电一体化对机械系统的基本要求是什么？机电一体化系统的机械系统与一般的机械系统相比，除要求较高的制造精度外，还应具有良好的动态响应特性，即快速响应和良好的稳定性。
2-3、机电一体化机械系统的三大主要机构是什么？〔1〕传动机构、〔2〕导向机构、〔3〕执行机构2-4 机械一体化系统中伺服机构的作用是什么？伺服控制系统是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作，从而获得精确的位置、速度及动力输出的自动控制系统。
机械传动是一种把动力机产生的运动和动力传递给执行机构的中间装置，是一种扭矩和转速的变换器，其目的是在动力机与负载之间使扭矩得到合理的匹配，并可通过机构变换实现对输出的速度调节。
在机电一体化系统中，伺服电动机的伺服变速功能在很大程度上代替了传统机械传动中的变速机构，只有当伺服电机的转速范围满足不了系统要求时，才通过传动装置变速。
机电一体化系统设计第二版课程设计
机电一体化系统设计第二版课程设计概述本课程设计旨在运用机电一体化的知识，完成一台具有完整机电一体化系统体系结构的机械及其控制系统。
通过本课程设计，希望学生们能够掌握机电一体化系统设计的方法和技能，以及掌握系统设计、机械设计和控制系统设计等方面的综合能力。
设计任务设计一台模拟生产线过程的机械并配备相应的控制系统，以完成自动化生产线上的生产任务。
设计的机械应能够具备多种功能特点，例如自动分拣、切割和堆垛等工作，同时具备跟踪控制，安全保护，维修与调试等多种功能。
设计原则1.设计应具备先进性和实用性，以最大限度地满足实际生产需求。
2.系统应保证运行的可靠性和稳定性，降低因意外故障导致的生产线停顿率。
3.应达到生产效率和质量的双重要求。
4.充分考虑机械、控制系统整体的设计与集成，确保实现机电一体化效果。
设计流程1.确定设计要求，明确机械和控制系统的功能需求及性能标准。
2.进行市场调研，确定可行的方案，考虑机械与控制系统的整体集成，保证机电一体化的效果。
3.进行机械结构设计，包括3D模型设计、零件图纸绘制与操作方案的设计等。
4.进行控制系统设计，涉及电气电子控制系统的设计、PLC控制器的编程、人机界面的设计等环节。
5.进行机械和控制系统的联调，调试并运行检测。
6.进行测试和试验，在实际生产环境下检验系统的性能和可靠性。
7.进行方案评估和效果分析，优化系统设计。
设计内容设计内容主要分为两个方面：机械部分和控制系统部分。
机械部分1.确定机械的结构设计方案。
2.设计机械的3D模型。
3.绘制机械零部件图纸。
4.设计机械操作方案。
控制系统部分1.设计电气电子控制系统方案，包括传感器、执行器、驱动器等控制元件的确定。
2.对PLC控制器进行编程。
3.设计和实现人机界面系统。
4.调试控制系统的各个部分，并进行系统集成测试。
设备说明机械设备清单序号设备名称规格型号数量1 传送带宽度1500mm，长度10000mm 12 自动分拣系统– 13 切割系统进口激光数控切割机 14 堆垛系统最大承载1000kg 1控制系统清单序号设备名称规格型号数量1 PLC控制器– 12 人机界面设备– 13 传感器–104 执行器–105 控制柜– 1序号设备名称规格型号数量6 电缆线–若干总结机电一体化系统设计是一个相当有挑战性的任务，需要综合运用机械、电气、电子、自动控制等多学科知识。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
绝密★启用前
2009年12月河南省高等教育自学考试助学统一命题考试
机电一体化系统设计 试卷
（课程代码 2245）
本试卷共9页，满分100分；考试时间150分钟
复查总分 总复查人（签名） 1． 主要用于系统中各级间的信息传递的模块称 【 】
A. 通信模块
B. 测量模块
C. 软件模块
D. 接口模块 2. 齿轮传动的总等效惯量随传动级数
【 】
A. 增加而减少
B. 增加而增加
C. 减少而减少
D. 变化而不变
3．.滚珠丝杠螺母副结构有两类：外循环插管式和 【 】
A. 内循环插管式
B. 外循环反向器式 C ．内、外双循环 D. 内循环反向器式
4．电荷放大器的输出电压与反馈电容 【 】 A ． .成正比 B ．成反比 C ．成曲线关系 D ．无关
5．感应同步器定尺绕组中感应的总电动势是滑尺上正弦组和余弦组所产生的感
应电动势的 【 】
A ．代数和
B ．代数差 C.．.矢量和 D ．矢量差
6．若要使长光栅能测出比栅距还小的位移量，则应利用 【 】
A ．莫尔条纹的作用
B ．细分技术
C ．计算机数字处理
D ．数显表
7．交流感应电动机，对应S=1的转矩称 【 】
一、单项选择题（本大题共10小题，每小题1.5分，共
15分）在每小题列出的四个备选项中只有一个是符合
题目要求的，请将其代码填写在题后的括号内。
选错、
多选或未选均无分。
A．.堵转转矩B．最大转矩C．.额定转矩D．负载转矩
8．某交流感应电动机，实际转速1350r/min，电源频率50Hz，则其极对数为【】A．1 B．2 C．3 D．4
9．某步进电动机，三相，转子40个齿，欲使其步矩1.5°，【】A．单拍制B．双拍制C．单双拍制D．细分电路
10．梯形图中程序开始的触点，采用的助记符指令为【】A．TMR B．UDC STR C．OR STR D．STR
二、简答题（本大题共6小题，每小题4分，共24分）
11．试简述”机电一体化”的涵义。
12．机电一体化系统结构中机械传动装置的作用是什么?
13．常用滚动摩擦支承轴承有哪几种主要结构类型？14．简述传感器有哪几方面的性能指标?
15．简述电荷放大器的特点和主要用途。
16．何为步进电动机的起动频率，哪些因素影响起动频率？
17．一直双波谐波齿轮的柔轮齿数Z1=200，刚轮齿数Z2=202，波发生器的转速n H ＝ 600r/min ，如图所示。
求：①柔轮固定时的刚轮转速n 2
②刚轮从动时的传动比i 。
三、计算题（本大题共5小题，每小题5分，共25分）
18．若某一光栅的条纹密度为100条/mm，现利用光栅莫尔条纹的放大作用，把莫尔条纹的宽度调成5mm，求光栅条纹间的夹角。
19．采用2000条刻线的增量编码器测电动机转速的
方法如图所示。
已知时钟脉冲为8MHz，在10
个编码器脉冲间隔的时间里计数器共计200000
个时间脉冲，试求电动机转速n。
20．三相变磁阻式步进电动机，转子80个齿。
试计算：①单拍制步距角；
②双拍制步距角；
③单双拍制步距角。
21．三相交流感应电动机，电源频率50Hz，空载转速为2920r/min。
试问
①电动机为几极，空载转差率是多少？
②空载时，定子、转子绕组电势频率各为多少？
③当电动机负载时，转子绕组电势频率较空载变化如何？
22．.已知：某机床x 向进给系统减速器的总速比要求为25：6，取两级减速，试设计确
定各齿轮的齿数。
23．电位器的测量位移原理如图所示，图示为一线性电位器。
若电位器 的总电阻R 为
2k Ω，电刷位移为X 时的相应电阻Rx=1 k Ω，电位器工作电压Vi=12V.R L 为负载电阻，求：
①已测得输出嗲呀V0=5.8V ，求R L 。
②已测得输出嗲呀V0=5.8V ，求R L 。
四、简单应用题 （本大题共4小题，每小题6分，共
24分）
24．.某直流电机电枢电阻50Ω，做电动机使用时电枢加110V电压，空载电枢电流0.1A,空载转速3000r/min。
（励磁保持额定状态）
（1）电机空载损耗功率为多少？
（2）电机的反电动势系数为多少？
（3）若电机做发电机用，转速保持2000r/min，外接300Ω负载电阻，则其电枢电流为多少？
25．某五相步进电动机转子有48个齿,采用二——三相运行，经一对齿轮减速（Z1=30,Z2=50）带动导程为8mm的滚珠丝杠驱动工作台移动。
工作台的最大移动速度Ｖmax＝1.5m/min
试问：步进电机的步距角＝？脉冲当量＝？最大工作频率f =?
+
五、综合应用题（本大题共1小题，共12分）26．设计采用PLC控制的机床主轴拖动系统，该主轴允许起动的条件是其润滑油泵必
须已在运行中，且主轴若在运行中，油泵不允许停止，操作功能要求如下：
①按钮X1主轴起动，按钮X2主轴停止（输出Y1）；
②按钮X2油泵起动，按钮X4油泵停止（输出Y2）;
③注意主轴起动条件；油泵停止条件。
试写出该控制系统的布尔方程，梯形图。