第一篇：機電一體化系統設計基礎課程作業解答3

機電一體化系統設計基礎課程作業解答

（三）2003-12-08

一、填空題

1．數據總線

地址總線

控制總線

2．S－100 Multi（或STD、STE）

3．總線接口邏輯

I/O功能邏輯

I/O電氣接口

4．濾波

電平變換

光電隔離

功率驅動

5．多路開關

采樣保持器

轉換器

總線接口邏輯

6．采樣精度

采樣速度

成本

7．D/A轉換器

通道選擇器

8．信號調理

二、簡答題

1．試述可編程序控制器的功能和組成。

可編程序控制器可取代繼電器控制，完成順序和程序控制；可組成閉環系統，實現精確的位置和速度控制；可構成高速數據采集與分析系統，實現生產過程的完全自動化。

典型的可編程序控制器由電源、微處理器、存貯器、輸入輸出接口和編程器所組成。

2．開放式體系結構的主要特點是什麼？

開放式體系結構是近年來在電子工業和計算機工業中流行的一種設計思想，它使得當代計算機測控系統的設計方法與傳統方法有了很大區別。

開放式體系結構的主要特點是：向未來的VLSI開放；向不同用戶層次開放；向用戶的特殊要求開放；采用模塊化結構。

3．采用STD總線的工業控制機有哪幾種工作模式？

由于STD總線的高度模塊化和采用組合方法的特點，STD工業控制機可以靈活地組成各種系統。其工作模式有三種：

（1）獨立工作模式

即采用微機的基本系統與工業用I/O模板單獨構成控制系統。

（2）作為前端控制機 STD工業控制機可作為其它微機（工業PC機）的前端控制機，完成實時在線控制，并把采集的數據和執行結果傳送給上位機。

（3）構成分布式組合利用STD控制機的組合方法，可方便地進行各種分布式系統的組合。

4．簡述STD總線微機控制系統的主要特點。

STD總線微機控制系統的主要特點：

（1）采用小板結構，高度的模塊化，其功能模板結構靈活，可靠性高，硬件冗余小，成本低。

（2）模板設計具有嚴格的標準和廣泛的兼容性。

（3）面向I/O的設計，具有強大的I/O擴展能力，使控制系統非常適合工業控制的應用。

（4）高可靠性。

5．STD總線系統的I/O子系統有哪些主要功能？

在計算機工業過程控制系統中，I/O子系統是過程接口，其主要功能有：

（1）開關量的輸入輸出

用于I/O信號的測量與控制。

（2）模擬量的輸入輸出

用于外部模擬量的采樣及輸出模擬量的控制。

（3）脈沖量的輸入輸出

用于輸入脈沖信號的接收、輸出脈沖信號的控制；定時信號的產生及處理；伺服電機使用的運動控制接口。

6．A/D、D/A接口的功能是什麼？

在工業系統中，需要測量和控制的參數經常是連續變化的模擬信號，這些物理量經傳感器變成連續變化的電壓、電流等信號，A/D接口的功能是將這些模擬量再變換成數字量，以便計算機識別。D/A接口的功能則是將經計算機處理后的數字量轉換成模擬電壓或信號，輸送到執行機構，達到控制過程的目的。

三、分析題

1．畫圖說明工業PC機與普通信息處理計算機的主要區別是什么？

工業控制機與普通信息處理機的差別在于取消了普通信息處理機的大母板，將其改為功能插板，與普通信息處理機相比較,工業控制機有以下特點：

（1）具有豐富的過程輸入輸出功能。

（2）良好的時實性，能對生產過程工況變化實時地進行監控。

（3）可靠性高，故障率低，維修時間短，運行效率高。

（4）采用抗干擾電源，密封機箱，具有良好的環境適應性。

（5）豐富的應用軟件。

（6）具有良好的技術綜合性。

2．畫圖說明8路輸入、8路輸出STD總線開關量接口模板的組成原理。

如圖所示，STD總線的開關量輸入輸出模板的典型接口由STD總線接口邏輯、I/O功能邏輯（輸入緩沖器和輸出鎖存器）、I/O電氣接口等三部分組成。輸入模板的基本組成為：外部開關信號→輸入信號條理電路→輸入緩沖器→輸入端口譯碼控制→STD總線；輸出模板的基本組成為：STD總線信號→輸出端口譯碼控制→輸出鎖存器→輸出信號條理電路→負載。

3．試分析比較工業控制PC計算機與可編程序控制器的主要區別。

工業控制PC計算機與可編程序控制器以較強的輸出帶負載能力、良好的抗干擾能力和可靠性，在工業現場控制系統中得到了廣泛的應用。但兩者在系統組成、功能以及程序語言等方面有所不同。

工業控制PC計算機的基本系統與普通PC機大體相同，但備有各種控制模板，一般不需要再作硬件開發，在結構上進行了模塊化；系統具備完整的控制功能，軟件豐富，執行速度快，適用于需要作大量數據處理的測控系統。在程序語言方面，工業控制計算機以使用高級語言為主，也可使用匯編語言。

可編程序控制器（PLC）結構小巧，適應性強，可按照使用要求選購相應產品組成控制系統，可編程序控制器的控制功能以邏輯控制為主，小型PLC適用于實現各種邏輯控制和開關量控制，大中型的PLC為模塊化結構，按用戶所需的功能選配模塊，可組成規模較大、精度較高的閉環控制系統。PLC的控制功能由軟件實現，但信號的輸入輸出采用周期性的掃描方式，這一點與工業控制PC機存在重要的區別。此外，在程序語言方面PLC的編程語言多采用梯形圖，大型PLC控制系統可使用高級語言。

第二篇：機電一體化系統設計基礎課程作業解答(二)

機電一體化系統設計基礎課程作業解答

（二）一、填空題

1．低頻分量高頻分量

2．固有頻率阻尼能力

3．相對阻尼系數

4．固有頻率

5．變頻信號源脈沖分配器功率放大器

6．最大動態轉矩降低

7．線性直流伺服放大器脈寬調制放大器

8．電源頻率磁極對數轉差率

9．電液比例閥電液伺服閥

10．定位精度定位時間

二、簡答題

1．如何提高伺服系統的響應速度？

伺服系統的響應速度主要取決于系統的頻率特性和系統的加速度。

（1）提高系統的固有頻率，減小阻尼。增加傳動系統的剛度，減小折算的轉動慣量，減小摩擦力均有利于提高系統的響應速度。

（2）提高驅動元件的驅動力可以提高系統的加速度，由此也可提高系統的響應速度。

2．步進電機是如何實現速度控制的？

步進電機的運動是由輸入的電脈沖信號控制的，每當電機繞組接收一個脈沖，轉子就轉過一個相應的角度。其角位移量與輸入脈沖的個數嚴格成正比，在時間上與輸入脈沖同步。因而，只要控制輸入脈沖的數量、頻率和電機繞組的相序，即可得到所需轉動的速度和方向。

3．試述直流電機伺服系統中脈寬調制放大器的基本工作原理。

脈寬調制放大器是直流伺服電機常用的晶體管驅動電路。利用大功率晶體管的開關作用，將直流電源電壓轉換成一定頻率的方波電壓，施加于直流電機的電樞，通過對方波脈沖寬度的控制，改變電樞的平均電壓，使電機的轉速得到調節。

4．交流伺服電機有哪些類型？交流伺服驅動的主要特點是什麼？

交流伺服電機有永磁式交流同步電機和籠型異步電機兩類。

交流伺服驅動的主要特點有：（1）調速范圍大；（2）適合大、中功率伺服系統；（3）運行平

穩，轉速不受負載變化的影響；（4）輸出轉矩較大，而轉矩脈動小。

三、分析題

1．分析傳感器的誤差對輸出精度的影響

傳感器位于反饋通道，誤差的低頻分量影響系統的輸出精度和系統的穩定性，因此傳感器應有較高的精度；而誤差的高頻分量不影響輸出精度，可以允許傳感器及放大電路有一定的高頻噪聲。

2．分析齒輪減速器的傳動誤差對工作臺輸出精度的影響。

對于開環步進電機位置控制系統，由于無檢測裝置，不對位置進行檢測和反饋，齒輪減速器的傳動誤差（誤差的高頻分量）和回程誤差（誤差的低頻分量）將直接影響工作臺的輸出精度。

四、計算題

1．如圖所示的電機驅動直線伺服系統，已知工作臺的質量為m＝50kg，工作臺與導軌間的摩擦系數f＝0.1，負載力為FW＝1000N，絲杠直徑為D＝16mm，導程為ts＝4mm，齒輪減速比為i＝5，工作臺的最大線速度為v＝0.04m/s，試求：（1）折算到電機軸上的負載力矩；

（2）電機軸的轉速；（3）電機所需功率。

解：（1）折算到電機軸上的負載力矩

摩擦負載力Ff＝mgf＝50×10×0.1＝50N

外負載力Fw＝1000N

電機上的負載力矩為

1t1Tm??s?(FW?Ff)?i2??

14?10?31 ???(1000?50)?52?0.7

?0.191Nm

（2）電機軸的轉速

n?i?v0.04?5??50r/s?3000r/min ts0.004

（3）電機所需功率

Pm??1.5~2.5?TLPnLP

取系數為2，則

Pm?2T?2?n?2?0.191?2???50?120W

2．如圖所示的開環步進電機位置控制系統，已知負載力F=2000N，工作臺長L=400mm，往復精度為?0.02mm，絲杠導程6mm，直徑d＝32mm，步進電機的步距角為α＝1.5?，試確定齒輪減速比i。

解：步進電機的每轉脈沖數

ns?360?

??360?240脈沖/轉 1.5

根據工作臺定位精度的要求，選用脈沖當量

δ=0.02mm/脈沖

設傳動比為i，每個脈沖對應工作臺的位移為

??

則ts ins

i?

ts6??1.25 ?ns0.02?240

第三篇：機電一體化系統設計基礎

（一）判斷題

1．在機電一體化系統驅動裝置中，反饋通道上環節的誤差與輸入通道上環節的誤差對系統輸出精度的影響是相同的。（＋）

2．通常，采用STD總線的工業控制機與外部設備的電氣接口均為TTL電平接口。

（－）

（二）選擇題

1．在機電一體化系統中，機械傳動要滿足伺服控制的三個主要要求是（A）。

A．傳動精度、穩定性、快速響應性

B．傳動精度、穩定性、低噪聲C．傳動精度、高可靠性、小型輕量化D．傳動精度、高可靠性、低沖擊振動

2．在機電一體化系統中，通過（B、C、E）可有效提高系統的穩定性。

A．提高驅動元件的驅動力

B．增大執行裝置的固有頻率 C．提高系統的阻尼能力

D．減小機構的傳動誤差 E．消除傳動系統的回程誤差

（三）簡答題

例：試述機電一體化產品的定義和分類方法。

解答：機電一體化產品是新型機械與微電子器件，特別是與微處理器、微型計算機相接合而開發的新一代電子化機械產品。

按用途可分為信息機電一體化產品、產業機電一體化產品和家庭用機電一體化產品。

（四）分析題

例：已知數控機床控制系統如圖所示，試說明圖中的各個部分屬于機電一體化系統中的哪個基本要素？

解：（1）依題意有兩種測量方案 a.高速端測量方案：

傳感器安裝在電機的尾部，通過測量電機的轉角實現工作臺位移的間接測量。可選用光電編碼器式傳感器或者磁電式編碼器。

b.低速端測量方案： 傳感器安裝在工作臺上，直接測量工作臺的位移。可選用光柵式位移傳感器、感應同步器或者電位計式位移傳感器。

(2)控制計算機和控制方案的選擇

可以使用工業PC機及或者單片機完成系統的控制。具體可有以下三種方案： a．工業PC機集中控制方案：用一臺工業PC機對三個自由度實現集中控制，包括任務管理和三個自由度的伺服控制系統原理圖如下：

b．工業PC機、單片機分級控制方案：用一臺工業PC機與三個單片機通信，對三個單片機實現管理，每個單片機負責一個自由度的伺服控制，控制系統原理圖如下：

第四篇：機電一體化系統設計基礎作業第二部分

2．為提高機電一體化機械傳動系統的固有頻率，應設法（A）。

A．增大系統剛度B．增大系統轉動慣量

C．增大系統的驅動力矩D．減小系統的摩擦阻力

3．導程L0=8mm的絲杠驅動總質量為60kg的工作臺與工件，則其折算到絲杠上的等效轉動慣量為（B）kg·mm2。

A．48.5B．97

C．4.85D．9.7

4．傳動系統的固有頻率對傳動精度有影響，（B）固有頻率可減小系統地傳動誤差，（A）系統剛度可提高固有頻率。A

A．提高，提高B．提高，減小

C．減小，提高D．減小，減小

5．下列哪種方法是采用單螺母預緊原理來消除滾珠絲杠副的間隙？（D）

A．螺紋調隙式B．雙螺母墊片調隙式

C．齒差調隙式D．偏置導程法

6.齒輪傳動的總等效慣量隨傳動級數(?A)。B

A.增加而減小B.增加而增加

C.減小而減小D.變化而不變

7．多級齒輪傳動中，各級傳動比“前小后大”的分配原則不適用于按（D）設計的傳動鏈。

A．最小等效轉動慣量原則（小功率傳動裝置）

B．最小等效轉動慣量原則（大功率傳動裝置）

C．輸出軸的轉角誤差最小原則

D．重量最輕原則

8．某機電一體化系統需要消除齒輪傳動的齒側間隙，采取下列哪種方法使得調整過程中能自動補償齒側間隙？（D）

A．偏心套調整法B．軸向墊片調整法

C．薄片錯齒調整法D．軸向壓簧錯齒調整法

三、簡答題

1．完善的機電一體化系統主要包括哪幾部分？

第五篇：《機電一體化系統設計》課程教學大綱

《機電一體化系統設計》課程教學大綱 適用專業 機械設計制造及其自動化

課程類型 專業課程

學 時 數 44 學 分 數 2.5 一,編寫說明

(一)本課程的性質,地位和作用

本課程是面向機械制造及自動化專業開設的一門專業課.機電一體化系統技術是微電子技術和計算機技術像機械工業滲透的過程中逐漸形成并發展起來的一門新型綜合性學科,機電一體化技術的應用不盡提高和拓展了機電產品的性能和功能,而且使機械工業的技術結構,生產方式及管理體系發生了巨大的變化,極大提高生產系統的工作質量.通過本課程的學習,對于學生掌握機電一體化系統開發的基礎知識,拓寬學生的知識面是很有意義的.本課程是學生在學完技術基礎課,專業基礎課之后的專業技術課程內容的綜合應用,對于培養學生綜合應用基礎和專業知識,掌握以系統論,信息論和控制論為核心的機電一體化系統的設計基本原理和方法,掌握機電一體化技術的關鍵技術有著重要意義.(二)本大綱制定的依據

本大綱根據機械設計制造及其自動化專業的人才培養目標的基本理論和基本技能要求,本課程性質,跟蹤現代機電一體化系統技術的發展編寫.(三)大綱內容編寫原則

根據人才培養目標的要求,使學生了解,掌握機電一體化的系統設計的基本知識,特點和方法;結合機電一體化共性的關鍵技術,對其各子系統的設計原理及設計方法進行系統的分析和介紹;強調對學生綜合能力和工程能力的訓練和培養;通過本課程的學習,使學生了解,掌握機電一體化系統的內涵及機電一體化系統設計的理論和方法.(四)實踐環節

1.課程設計

(1)名稱:機械手控制系統編程與操作

(2)主要內容與要求:利用PLC實現機械手控制功能的要求編寫程序,安裝調試實驗臺.按照本課程實驗說明書要求完成,并通過實驗驗證程序的正確性.(3)學時分配:4(五)教學時數分配表

章節 序號

教 學 學 時 環 節 教學內容 講 授 討 論 見習實 驗 其 它 小計 一 緒論 4 4 二

機械系統設計 6 6 三 傳感器檢測及其接口電路 8 8 四

控制電機及其選擇計算 8 8 五

工業控制計算機及其接口技術 10 10 六

機電一體化系統設計及應用舉例 4 4 8 總 計 40 44(六)考核方法與要求

1.平時成績與期終成績:平時成績占30%,包括出勤,課堂提問,討論等;期終成績占60%.2.試卷成績與實踐成績:試卷成績占60%,實踐成績占10%(實驗報告5%,實驗過程考核5%).3.綜合考核成績的計算:平時成績20% 實踐成績占10% 試卷成績占70%=100%.(七)教材與主要參考書

1.教材:

姜培剛等.《機電一體化系統設計》.機械工業出版社,2006年1月.2.主要參考書:

李建勇.《機電一體化技術》.科學出版社,2004年4月.王孫安.《機械電子工程》.科學出版社,2003年8月.鄭堤.《機電一體化設計基礎》.機械工業出版社.2001年10月.二,教學內容綱要

第一章 緒論

一,教學目標:

1,了解機電一體化系統發展歷史,內涵,應用和發展前景.2,掌握機電一體化系統的基本功能和要素.二,教學內容:

第一節 機電一體化系統的定義

一,△機電一體化的內涵;

第二節 機電一體化系統的基本功能要素

一,△ ○機電一體化系統功能分析方法

△機電一體化系統的構成要素 第三節 機電一體化的相關技術

一,機電一體化技術的相關關鍵技術

第四節 機電一體化系統設計的目標與方法

一,機電一體化系統設計方法

第二章 機械系統設計

一,教學目標:

1,掌握機械系統數學建模方法.2,掌握機械傳動系統的特征及設計方法.3,了解常用的傳動系統

二,教學內容:

第一節 機械系統設計

一,△○ 機械系統建模方法 第二節 機械傳動系統的特征

一,△機械傳動裝置的特征參數及相應的調整方法

第三節 機械傳動裝置

一, △ ○傳動比的設計方法

第三章 傳感器檢測及及接口電路

一,教學目標:

1.了解常用參量檢測的傳感器原理;2.掌握檢測傳感器的接口電路原理以及相應的信號處理方法.二,教學內容:

第一節 傳感器

一,△○傳感器性能指標的內涵 二,△傳感器選擇的原則

第二節 位移測量傳感器 一,△大位移測量傳感器的原理.第三節 速度,加速度傳感器 一,△速度,加速度傳感器測量原理

第四節 位置傳感器 一,△位置測量原理.第五節 傳感器前期信號處理 一,△○信號調理線路常用模塊的原理

第六節 傳感器接口技術 一,△○采樣保持器原理及應用.第七節 傳感器非線性補償原理 一,△○軟件補償方法

第八節 數字濾波

一,△○隨機誤差的處理方法

第四章 控制電機及其選擇計算 一,教學目標: 1.了解常用伺服電機的工作原理;2.掌握常用伺服電機的控制調節方法;3.掌握伺服電機的主要性能參數內涵及電機的選擇方法.二,教學內容:

第一節 步進電動機及其控制 一,步進電機的工作原理 二,△步進電機的性能參數 三,△○步進電機的控制方法

第二節 直流伺服電動機及其控制 一,直流電機的工作原理 二,△○直流電機的控制方法

第三節 交流伺服電動機 一,交流電機的工作原理 二,△○交流電機的控制方法

第四節 直線電動機 一,直線電機的工作原理

第五節 控制電機的選擇和計算 一,△控制電機的選擇.第五章 工業控制計算機及其接口技術

一,教學目標: 1.了解常用的工業控制計算機種類 2.掌握各種工業計算機的區別;3.掌握各種信號接口原理.二,教學內容: 第一節 工業控制計算機 一,常用控制計算機的種類 二,△○各種控制計算機的區別

第二節 計算機的接口技術

一,△○開關量及數字兩的輸入/輸出接口電路;二,△○功率放大電路的原理

第三節 可編程控制器

一,PLC的原理及選擇方法,外圍電路設計的原則

第四節 數字控制器設計 一,△○數字控制器的設計方法.第五章 機電一體化系統設計及應用舉例

一,教學目標: 1.掌握機電一體化系統設計的要點

2.了解數控機床的設計過程及主要構成的設計方法.二,教學內容: 第一節 機電一體化產品的設計要點 一,△機電一體化產品的設計過程

第二節 機電一體化系統設計應用舉例

一,數控機床的設計過程及主要構成的設計方法 注:用“△”明確重點內容,用“○”明確難點;

編寫人:凌 杰 審核人:封士彩