习题作业4及解答2014

一、简答题

1．如何提高伺服系统的响应速度？

2．步进电机是如何实现速度控制的？

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。

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？

二、分析题

1．如图所示的系统，试分析传感器的误差对输出精度的影响

图1电机驱动直线伺服系统

2．如图所示的伺服系统，试分析齿轮减速器的传动误差对工作台输出精度的影响

图2开环步进电机位置控制系统

三、计算题

1．如图1所示的电机驱动直线伺服系统，已知工作台的质量为50kg，工作台与导轨间的摩擦系数f

＝0.1，负载力为1000N，丝杠直径为16mm，导程为4mm，齿轮减速比为5，工作台的最大线速度为0.05m/s，试求：

（1）折算到电机轴上的负载力矩；

（2）电机轴的转速；

（3）电机所需功率。

2．如图2所示的开环步进电机位置控制系统，已知负载力F=2000N，工作台长L=400mm，往复精度为

mm，丝杠导程6mm，直径d＝32mm，步进电机的步距角为α＝，试确定齿轮减速比I

3．图示丝杠螺母驱动系统，已知工作台的质量m=200Kg，丝杠螺距t=5mm,丝杠长度

L=0.8m,中径为d=30mm,材料密度为

3

3/g

10

8.7m

K

?

=

ρ，齿轮齿数分别为z

1

＝20，z2

＝45，模数m＝2mm，齿宽b＝20mm。试求折算到电机轴上的总等效惯量J

e

？

机电一体化系统设作业解答（4）

一、简答题

1．叙述你对“机电一体化系统”的认识，包括其关键技术，并举例说明。

机电一体化是系统技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、伺服传动技术

和机械技术等多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程。

机电一体化综合利用各相关技术优势，扬长避短．取得系统优化比效果，有显著

的社会效益和技术、经济效益。

2．为什么采用机电一体化技术可以提高系统的精度？

机电一体化技术使机械动部分减少，因而使机械磨损，配合间隙及受力变形等所引起的误差大大减少，同时由于采用电子技术实现自动检测，控制，补偿和校正因各种干扰因素造成的误差，从而提高精度。

3.滚珠丝杠传动有什么特点？滚珠循环方式有哪几种？各有何优缺点？预紧方式又有哪几种？为什么要预紧？滚珠丝杠传动设计时应考虑哪些问题？

1.滚珠丝杠副是一种新型螺旋传动机构，其具有螺旋槽的丝杠与螺母之间装有中间传动原件滚珠。当丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动，为防止滚珠从滚道面掉出，在螺母的螺旋槽两端设有滚珠回程引导装置构成滚珠的循环返回通道，从而形成滚珠流动的闭合道路。除此之外滚珠丝杠副轴向刚度高，运动平稳，传动精度高，不易磨损，使用寿命长。但由于能自锁，具有传动的可逆性，在用做升降传动机构是，需要采取制动措施。

2.滚珠丝杠副的传动方式有内循环和外循环两种。内循环的优点是滚珠循环的回路短，流畅性好，效率高，螺母的径向尺寸也较小。缺点是反相器加工困难，装配调整也不方便。外循环有螺旋槽式，插管式，端盖式。螺旋槽式特点是工艺简单，径向尺寸小，易于制造，但是挡珠器刚性差，易磨损。插管式结构简单，容易制造，但是径向尺寸大，弯管端部用做挡珠器比较容易磨损。端盖式结构简单，工艺性好，但滚道吻接和弯曲处圆角不易准确制作而影响其他性能，故应用较少。

预警方式有1.双螺母螺纹预警调整式2双螺母齿差预警调整式3.双螺母垫片调整预警式4.弹簧式自动调整预警式5.单螺母变位导程预警式和单螺母滚珠过盈预警式

滚珠丝杠副在有负载时，滚珠与滚道面接触点处将产生弹性变形，换向时，其轴向间隙会引起空回。这种空回是非连续的，即影响传动精度，又影响系统的稳定性。单螺母丝杠副的间隙消除相当困难。

4.简述STD总线微机控制系统的主要特点。

STD总线微机控制系统的主要特点：

（1）采用小板结构，高度的模块化，其功能模板结构灵活，可靠性高，硬件冗余小，成本低。

（2）模板设计具有严格的标准和广泛的兼容性。

（3）面向I/O的设计，具有强大的I/O扩展能力，使控制系统非常适合工业控制的应用。

（4）高可靠性。

5.为减小机械系统的传动误差，可采用哪些结构措施？

减小机械系统的传动误差可采用的结构措施有：适当提高零部件本身的精度；合理设计传动链，减小零部件制造、装配误差对传动精度的影响；采用消隙机构，以减小或消除回程误差。

6.简述模拟量输入输出通道的工作过程。

模拟量输入输出通道的工作过程分析

7．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。8．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。9．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。

10．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。

11. 转动惯量对传动系统有哪些影响？

在传动系统中，转动惯量增大使机械负载增加，功率消耗大；使系统相应速度变慢，降低灵敏度；使系统固有频率下降，容易产生谐振。

12. 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。

13．A/D、D/A接口的功能是什麽？

在工业系统中，需要测量和控制的参数经常是连续变化的模拟信号，这些物理量经传感器变成连续变化的电压、电流等信号，A/D接口的功能是将这些模拟量再变换成数字量，以便计算机识别。D/A接口的功能则是将经计算机处理后的数字量转换成模拟电压或信号，输送到执行机构，达到控制过程的目的。

14．简述数控设备中计算机数控装置的组成和功能。

在数控设备中，计算机数控装置是设备的核心部分，一般由专用计算机（或通用计算机）、输入输出接口以及机床控制器等部分构成。

计算机数控装置根据输入的数据和程序，完成数据运算、逻辑判断、输入输出控制等功能；机床控制器主要用于机床的辅助功能，主轴转速的选择和换刀功能的控制。

二、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。

对于开环步进电机位置控制系统，由于无检测装置，不对位置进行检测和反馈，齿轮减速器的传动误差（误差的高频分量）和回程误差（误差的低频分量）将直接影响工作台的输出精度。

3．试分析比较闭环控制系统与半闭环控制系统的主要区别。

闭环控制系统的位置测量元件直接对工作台的实际位移量进行检测。如图所示，A为速度测量元件，C为位置测量元件，由A将速度反馈信号送到速度控制电路，由C将工作台实际位移量反馈至位置比较电路，系统通过与指令值比较后的差值进行控制。闭环控制系统可以消除包括工作台传动链在内的误差，定位精度高，调节速度快。但由于工作台惯量大,对系统稳定性不利，且系统较复杂、成本高。

半闭环控制系统通过测速发电机A和光电编码器B间接测量伺服电机的转角，推算出工作台的实际位移量。系统通过此值与指令值进行比较，以差值实现控制。半闭环控制系统没有把工作台传动链包括在控制回路内，这类系统的控制方式介于开环与闭环之间，精度没有闭环高，但成本较低，调试方便，因此得到了广泛的应用。

4．试分析比较液压马达和直流电机实现转动输出驱动的不同特点。

使用液压马达一般不需要中间传动机构，马达轴与负载轴直接连接，传动机构简单，结构紧凑；而直流电机驱动为得到合适的运动速度和负载能力，一般要使用较大传动比的减速器，传动机构的尺寸较大。在相同的负载条件下，液压马达比直流电机驱动的负载刚度大、快速性好；液压马达对环境条件要求不高，可在需要防水、防爆的条件下工作，需要使用电液伺服阀和专门的液压动力源，对环境有污染；而直流电机驱动要求有较好的工作环境，也不会污染环境。

5．试分析比较工业控制PC计算机与可编程序控制器的主要区别。

工业控制PC计算机与可编程序控制器以较强的输出带负载能力、良好的抗干扰能力和可靠性，在工业现场控制系统中得到了广泛的应用。但两者在系统组成、功能以及程序语言等方面有所不同。

工业控制PC计算机的基本系统与普通PC机大体相同，但备有各种控制模板，一般不需要再作硬件开发，在结构上进行了模块化；系统具备完整的控制功能，软件丰富，执行速度快，适用于需要作大量数据处理的测控系统。在程序语言方面，工业控制计算机以使用高级语言为主，也可使用汇编语言。

可编程序控制器（PLC）结构小巧，适应性强，可按照使用要求选购相应产品组成控制系统，可编程序控制器的控制功能以逻辑控制为主，小型PLC适用于实现各种逻辑控制和开关量控制，大中型的PLC为模块化结构，按用户所需的功能选配模块，可组成规模较大、精度较高的闭环控制系统。PLC的控制功能由软件实现，但信号的输入输出采用周期性的扫描方式，这一点与工业控制PC机存在重要的区别。此外，在程序语言方面PLC的编程语言多采用梯形图，大型PLC控制系统可使用高级语言。

三、计算题

1．如图所示的电机驱动直线伺服系统，已知工作台的质量为m ＝50kg ，工作台与导轨间的摩擦系数f ＝0.1，负载力为F W ＝1000N ，丝杠直径为D ＝16mm ，导程为t s ＝4mm ，齿轮减速比为i ＝5，工作台的最大线速度为v ＝0.04m/s ，试求：（1）折算到电机轴上的负载力矩；

（2）电机轴的转速；（3）电机所需功率。

解：（1）折算到电机轴上的负载力矩

摩擦负载力 F f ＝mgf ＝50×10×0.1＝50N

外负载力 F w ＝1000N

电机上的负载力矩为

Nm

F F t i T f W s m 191.07

.01)501000(2104511)(213=?+???=?+??=-πη

π （2）电机轴的转速

min /3000/50004

.004.05r s r t v i n s ==?=?= （3）电机所需功率

()LP LP m n T P 5.2~5.1=

取系数为2，则

W 120502191.0222=????=?=ππn T P m

2．如图所示的开环步进电机位置控制系统，已知负载力F =2000N ，工作台长L =400mm ，往复精度为02.0±mm ，丝杠导程6mm ，直径d ＝32mm ，步进电机的步距角为α＝?5.1，试确定齿轮减速比i 。

解：步进电机的每转脉冲数

2405

.1360360==?

=αs n 脉冲/转 根据工作台定位精度的要求，选用脉冲当量

δ=0.02mm/脉冲

设传动比为i ，每个脉冲对应工作台的位移为

s

s in t =

δ 则 25.1240

02.06=?==

s s n t i δ

3．图示丝杠螺母驱动系统，已知工作台的质量m =200Kg ，丝杠螺距t =5mm,丝杠长度L =0.8m,中径为d =30mm,材料密度为33/g 108.7m K ?=ρ，齿轮齿数分别为z 1＝20，z 2＝45，模数m ＝2mm ，齿宽b ＝20mm 。试求折算到电机轴上的总等效惯量J e ？

解：（1）计算各传动件的转动惯量

材料密度33/g 108.7m K ?=ρ，齿轮的计算直径按分度圆直径计算，丝杠的计算直径

取中径。

由

328142l d md J πρ==254311092.33202.004.0108.7m kg J z ??=????=-π23432100.13202.009.0108.7m kg J z ??=????=-π2

4431096.4328

.003.0108.7m kg J s ??=????=-π

工作台折算到丝杠上的转动惯量为

（2）折算到电机轴上的转动惯量

4.已知双波谐波齿轮的柔性齿数Z 1＝180，刚轮齿数Z 2=182，波发生器的转速n h ＝450 r/min 。如图。 试求：a.刚轮固定时柔轮的转速n 1； b. 柔轮固定时刚轮的转速n 2。 （a ）刚轮固定时：

902

180n1450-=-= )min /r (5904501-=-=n （b ）柔轮固定时

912

182n2450== 95(r/min).491450n2==

2422102.12005.02002m kg t m J G ??=??? ??=??? ??=-ππ()()4

4325221102.11096.4100.125

.211092.31----?+?+?+?=+++=G s z z e J J J i J J 241058.3m kg ??=

-