机电一体化课后答案

第一章

1-1. 试说明较为人们所接受的机电一体化的含义。

答：机电一体化乃是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。

1-7. 机电一体化系统由哪些基本要素组成？分别实现哪些功能？

答：①. 机电一体化系统由计算机、动力源、传感件、机构、执行元件系统五大要素组成。

②. 对应的五大功能为：控制、动力、计测、构造、操作功能。

1-17. 开发性设计、变异性设计、适应性设计有何异同？

答：1、开发性设计是没有参照产品的设计，仅仅是根据抽象的设计原理要求，设计出在质量和性能方面满足目的要求的产品。

2、变异性设计是在设计方案和功能结构不变的情况下，仅改变现有产品的规格尺寸使之适应于量的方面有所变更的需求。

3、适应性设计是在总的设计方案、原理基本保持不变的情况下，对现有产品进行局部更改，或用微电子技术代替原有的机械结构或为了进行微电子控制对机械结构进行局部适应性设计，以使产品在性能和质量上增加某些附加价值。

所有机电一体化系统的设计都是为了获得用来构成事物的有用信息。

1-20. 简述计算机辅助设计与并行工程、虚拟设计、快速响应设计、绿色设计、反求设计等的含义。

答：1、计算机辅助设计是设计机电一体化产品的有力工具，用来设计一般机械产品的CAD 的研究成果。

2、并行工程是把产品的设计、制造及其相关过程作为一个有机整体进行综合协调的一种工作模式。

3、虚拟设计是虚拟环境中的产品模型，是现实世界中的产品在虚拟环境中的映像，是基于虚拟现实技术的新一代计算机辅助设计。

4、快速响应设计是实现快速响应工程的重要环节，快速响应工程是企业面对瞬息万变的市场环境，不断迅速开发适应市场的新系统，快速响应设计的关键是有效开发和利用各种系统信息资源。

5、绿色设计是从并行工程思想发展而出现的一个新概念。绿色设计就是在新系统的开发阶段，就考虑其整个生命周期内对环境的影响，从而减少对环境的污染、资源的浪费、使用安全和人类健康等所产生的副作用。

反求设计是以现代设计理论、方法和技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验、知识和创新思维，对已有的系统进行剖析、重构、再创造的设计。

第二章

2-10. 现有一双螺母齿差调整预紧式滚珠丝杠，其基本导程λ0=6mm、一端的齿轮齿数为100、另一端的齿轮齿数为98，当其一端的外齿轮相对另一端的外齿轮转过2个齿时，试问：两个螺母之间相对移动了多大距离？

答：Z 1=100，Z 2=98，ΔS=（2/Z1）*λ0=0.02*6mm=0.12mm

2-16. 各级传动比的分配原则是什么？输出轴转角误差最小原则是什么？

答：（1）各级传动比的分配原则是：①重量最轻原则②输出轴转角误差最小原则③等小传动惯量最小原则

（2）输出轴传动误差最小原则是：为提高机电一体化系统齿轮传动的精度，各级传动比影按先小后大的原则分配，一边降低齿轮的加工误差、安装误差及回转误差对输出转角精度的影响。总转角误差主要取决于最末一级齿轮的转角误差和传动比的大小，在设计中最末两级的传动比应取大一些，并尽量提高最末一级齿轮副的加工精度。

2-19. 设有一谐波齿轮减速器，其减速比为100，柔齿轮数为100。当刚轮固定时，试求该谐波减速器的钢轮齿数及输出轴的传动方向（与输入轴的传向相比较）。

答：根据公式：iHr=Zr/(zr-zg) 可知：当iHr=100时，Zg=99，当iHr=-100时，Zg=101；故该谐波减速器的钢轮齿数为101，柔轮输出轴方向与波发生器输入轴转向相反。

2-21. 简述导轨的主要作用，导轨副的组成、种类及应满足的基本要求。 答：导轨的作用是支承和限制运动部件按给定的运动要求和规定的运动方向运动。

导轨副的组成：导轨副主要由承导件和运动件两大部分组成。

常用的导轨副种类很多，按其接触面积的摩擦性质可分为滑动导轨、滚动导轨、流体介质摩擦导轨等；按其结构特点可分为开式导轨和闭式导轨。

导轨副应满足的基本要求：导向精度高、刚性好、运动轻便平稳、耐磨性好温度变化影响小以及结构工艺性好等。

第三章

3-2 机电一体化系统对执行元件的基本要求是什么？

答：⒈惯量小、动力大 ⒉体积小、重量轻 ⒊便于维修、安装 ⒋易于微机控制

3-6 简述 PWM 直流驱动调速，换向的工作原理。

答：通过电源的通断来获得电压脉冲信号，控制通断的时间比来获得不同的电压脉冲，通的时间越长，获得的平均电压越大，电机转的就快，反之，电机转的就慢。电机的换向是通过桥式电路来实现的，它是由四个大功率的晶体管组成，通过在不同晶体管的基极加正负脉冲从而实现电机的转向控制。为使其实现双向调速，多采用桥式电路，其工作原理与线性放大桥式电路相似。 电桥由四个大功率的晶体管组成。如图，分别记作 1.2.3.4. 如果在 1 和 3 的基极上加以正脉冲的同时，在 2 和 4 的基级上加以负脉冲，这时 1 和 3 导通，2 和 4 导通。设此时的电动机转向为正；反之，则为负。电流的方向与前一情况相反，电动机转向，显然，如果改变加到 1 和 3，2 和 4这两组管子基极上控制脉冲的正负和导通率就可以改变电动机的转向和速。

3-11 简述步进电机步距角大小的计算方法？

答：a=360/（K*M）

式中：Z=转子齿数。M=运行拍数。通常等于相数或相数整数倍，即 M=K*N （N 为电动机的相数，单拍是 K=1，双拍时 K=2）。

第四章

4-2 试说明微型计算机的基本特点及选用要点。

答：较完善的中断系统，足够的储存容量，完备的输入/输出通道和实时时钟；字长，速度，指令。

4-15 键盘键值是如何确定？

答：将行、列线按二进制顺序排列，当某一键按下时，键盘扫描程序执行到给该列置0电平，读出各行状态为非1状态，这时的行、列数据组合成键值。

4-17 试说明光电耦合器的光电隔离原理。

答：光电隔离电路主要由光电耦合器的光电转换元件组成，如书本P168图 4.39。控制输出时，如图4.39a 所示可知，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。这时光敏晶体管截止，输出信号几乎等于加在光敏晶体管集电极上的电源电压，当控制信号为低电平时，法官二极管导通并发光，光敏晶体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，可将光电耦合器用于信息的输入，如图4.39b 所示。

4-19 试说明检测传感器的选用原则及注意事项。

答：首先要根据使用要求选择适合自己所需要的，此外还可以采取某些技术措施来改善传感器的性能如：平均技术，差分技术，稳定性处理，屏蔽和隔离。选用传感器时，要特别注意不同系列产品的应用环境、使用条件和维护要求。

第五章

5-1 回顾所学机械控制工程的相关知识，简述机电一体化系统设计与机械控制工程理论的关系。

答：随着机电一体化技术的发展，机械控制工程基础在机电一体化系统中的应用越来越广泛。 5-4 简述传递函数、系统的过渡过程、伺服系统的动态特性的含义。

答：线性定常系统传递函数定义为：在零初始值下，系统输出量拉氏变换与输入量拉氏变换之比。系统的过渡过程：当系统受到外部干扰时，其输出量必将发生变化，但由于系统总含有惯性或储能元件，其输出量不可能立即变化到与外部干扰相应的值，而需要有一个过程，这个过程就是系统的过渡过程。伺服系统的动态特性：1. 系统过渡过程品质，即系统响应的快速性和震荡性。2. 系统的稳定精度，即稳态误差e ss 的大小。

5-5 用所学机械控制工程基础对机电一体化系统元、部件的动态特性进行分析。 答：机械系统在传递运动的同时还将进行力的传递。因此，机械系统的各构成零部件必须具有承受其所受力的足够强度和刚度的尺寸。但尺寸一大，质量和转动惯量就大，系统的响应就慢。如书本P207图5.15a 所示，输入为力F x (t ) 时，其响应为F y (t ) 或y (t ) =f (x (t )) ，系统负载质量和惯量不同，其响应快慢也不同。含有机械负载的机械系统动态特性如图5.15b 所示。如果是齿轮减速器，其机构的运动变换函数y =f (x ) =() x 就是线性变换。如果只有机构的转动惯量J m ，则其动态特性为1t 1，如果只有负载转动惯量J L ，则其负载反(J m s 2)

力为J L s 2y 。包括负载在内的机械总体的动态特性，以传递函数形式可表示为X (s ) /F x (s ) =1/[(J m +J L /i 2) s 2]

第六章

6-4 简述数控机床坐标系的定义规则。

答：数控机床坐标系统采用右手直角笛卡儿坐标系，确定机床坐标系时，假定刀具相对工件做相对运动。该标准规定机床传递切削力的主轴轴线为Z 坐标。当机床有机个主轴时，则选一个垂直于工件装夹面的主轴为Z 轴。规定增大工件和刀具距离的方向为Z 的正方向。 X 坐标是水平的，它平行于工件的装夹面。对工件旋转的机床，取刀具远离工件的方向为X 的正方向。对于刀具旋转的机床则规定：当Z 轴为水平时，从刀具主轴后端向工件方向看，X 正方向为向右方向；当Z 轴为垂直时，对单立柱机床，面对刀具主轴向主轴方向看，右手方向为正方向。y 坐标按右手直角笛卡儿坐标系确定其正方向。

6-5 了解数控编程的辅助功能M 指令代码和数控G 指令代码。

答：M 指令代码：M00程序停机M01选择停机，按下“选择停”按钮后才起作用；M02程序结束，到下一程序的起点；M03主轴顺时针方向旋转；M04主轴逆时针方向旋转；M05主轴停转；M06换刀；M07开#号冷却液；M08开*号冷却液；M09关闭冷却液；M10夹紧；M11松开；M30程序终了，返回到程序起点。

G 指令代码：1. 坐标平面选择指令（G17、G18、G19）；2. 绝对值和增量值编程指令（G90、G91）；3. 快速点定位指令（G00）4. 直线插补指令（G01）；5. 圆弧插补指令（G01）；6. 刀具半径补偿指令（G40、G41、G42）

6-6 简述数控（CNC ）加工程序编制的主要内容。

答：数控（CNC ）程序编制分手工编程和自动编程。手工编程是指从分析零件图、制订工艺规程、计算刀具运动轨迹、编写零件加工程序单、制作程序介质直到程序效应，整个过程主要由人工来完成，这种人工制备零件加工程序的方法称手工编程。编制零件加工程序的全部过程主要由计算机来完成的编程方法称自动编程。

第七章

7-7 在闭环之外的动力传动链齿轮传动间隙对系统的稳定性有无影响？为什么 答：有。由于动力传动链存在齿轮传动间隙，当电动机在齿隙范围内运动时，被控对象不转动，没有反馈信号，系统暂时处于开环状态。当电动机转过齿隙后，主动轮于从动轮产生冲击接触，此时误差角大于无齿轮加你时的误差角，因此从动轮以较高的加速度转动。又因为系统具有惯量，当被控对象转角θc 等于输入转角θr 时，被控对象不会立即停下来，而靠惯性继续转动，使被控对象比无间隙时更多地冲过平衡点，这又使系统出现较大的方向误差。如果间隙不大，且系统中控制器设计得合理，那么被控对象摆动的振幅就越来越小，来回摆动几次就停止在θc =θr 平衡位置上。如间隙较大，且控制器设计得不好，那么被控对象就会反复摆动，即产生自激振荡。因此，闭环之内动力传动链中的间隙会影响伺服系统的稳定性。

7-8 何谓机电一体化系统的“可靠性”？

答：所谓的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。 7-9 机电一体化系统的“失效”与“故障”有何异同？

答：如果产品不能完成规定功能，就称为失效，对于可修复的系统也可称故障。 7-10 保证机电一体化系统可靠性的方法有哪些?

答：1. 提高系统的设计和制造质量；2. 冗余技术；3. 诊断技术。