机电一体化系统设计基础课程作业解答3

第一篇：机电一体化系统设计基础课程作业解答3

机电一体化系统设计基础课程作业解答

（三）2003-12-08

一、填空题

1．数据总线

地址总线

控制总线

2．S－100 Multi（或STD、STE）

3．总线接口逻辑

I/O功能逻辑

I/O电气接口

4．滤波

电平变换

光电隔离

功率驱动

5．多路开关

采样保持器

转换器

总线接口逻辑

6．采样精度

采样速度

成本

7．D/A转换器

通道选择器

8．信号调理

二、简答题

1．试述可编程序控制器的功能和组成。

可编程序控制器可取代继电器控制，完成顺序和程序控制；可组成闭环系统，实现精确的位置和速度控制；可构成高速数据采集与分析系统，实现生产过程的完全自动化。

典型的可编程序控制器由电源、微处理器、存贮器、输入输出接口和编程器所组成。

2．开放式体系结构的主要特点是什麽？

开放式体系结构是近年来在电子工业和计算机工业中流行的一种设计思想，它使得当代计算机测控系统的设计方法与传统方法有了很大区别。

开放式体系结构的主要特点是：向未来的VLSI开放；向不同用户层次开放；向用户的特殊要求开放；采用模块化结构。

3．采用STD总线的工业控制机有哪几种工作模式？

由于STD总线的高度模块化和采用组合方法的特点，STD工业控制机可以灵活地组成各种系统。其工作模式有三种：

（1）独立工作模式

即采用微机的基本系统与工业用I/O模板单独构成控制系统。

（2）作为前端控制机 STD工业控制机可作为其它微机（工业PC机）的前端控制机，完成实时在线控制，并把采集的数据和执行结果传送给上位机。

（3）构成分布式组合利用STD控制机的组合方法，可方便地进行各种分布式系统的组合。

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．STD总线系统的I/O子系统有哪些主要功能？

在计算机工业过程控制系统中，I/O子系统是过程接口，其主要功能有：

（1）开关量的输入输出

用于I/O信号的测量与控制。

（2）模拟量的输入输出

用于外部模拟量的采样及输出模拟量的控制。

（3）脉冲量的输入输出

用于输入脉冲信号的接收、输出脉冲信号的控制；定时信号的产生及处理；伺服电机使用的运动控制接口。

6．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。

三、分析题

1．画图说明工业PC机与普通信息处理计算机的主要区别是什么？

工业控制机与普通信息处理机的差别在于取消了普通信息处理机的大母板，将其改为功能插板，与普通信息处理机相比较,工业控制机有以下特点：

（1）具有丰富的过程输入输出功能。

（2）良好的时实性，能对生产过程工况变化实时地进行监控。

（3）可靠性高，故障率低，维修时间短，运行效率高。

（4）采用抗干扰电源，密封机箱，具有良好的环境适应性。

（5）丰富的应用软件。

（6）具有良好的技术综合性。

2．画图说明8路输入、8路输出STD总线开关量接口模板的组成原理。

如图所示，STD总线的开关量输入输出模板的典型接口由STD总线接口逻辑、I/O功能逻辑（输入缓冲器和输出锁存器）、I/O电气接口等三部分组成。输入模板的基本组成为：外部开关信号→输入信号条理电路→输入缓冲器→输入端口译码控制→STD总线；输出模板的基本组成为：STD总线信号→输出端口译码控制→输出锁存器→输出信号条理电路→负载。

3．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。

第二篇：机电一体化系统设计基础课程作业解答(二)

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。

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。

四、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FW＝1000N，丝杠直径为D＝16mm，导程为ts＝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Ff＝mgf＝50×10×0.1＝50N

外负载力Fw＝1000N

电机上的负载力矩为

1t1Tms(FWFf)i2

141031 (100050)520.7

0.191Nm

（2）电机轴的转速

niv0.04550r/s3000r/min ts0.004

（3）电机所需功率

Pm1.5~2.5TLPnLP

取系数为2，则

Pm2T2n20.191250120W

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0.02mm，丝杠导程6mm，直径d＝32mm，步进电机的步距角为α＝1.5，试确定齿轮减速比i。

解：步进电机的每转脉冲数

ns360

360240脉冲/转 1.5

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



则ts ins

i

ts61.25 ns0.02240

第三篇：机电一体化系统设计基础

（一）判断题

1．在机电一体化系统驱动装置中，反馈通道上环节的误差与输入通道上环节的误差对系统输出精度的影响是相同的。（＋）

2．通常，采用STD总线的工业控制机与外部设备的电气接口均为TTL电平接口。

（－）

（二）选择题

1．在机电一体化系统中，机械传动要满足伺服控制的三个主要要求是（A）。

A．传动精度、稳定性、快速响应性

B．传动精度、稳定性、低噪声C．传动精度、高可靠性、小型轻量化D．传动精度、高可靠性、低冲击振动

2．在机电一体化系统中，通过（B、C、E）可有效提高系统的稳定性。

A．提高驱动元件的驱动力

B．增大执行装置的固有频率 C．提高系统的阻尼能力

D．减小机构的传动误差 E．消除传动系统的回程误差

（三）简答题

例：试述机电一体化产品的定义和分类方法。

解答：机电一体化产品是新型机械与微电子器件，特别是与微处理器、微型计算机相接合而开发的新一代电子化机械产品。

按用途可分为信息机电一体化产品、产业机电一体化产品和家庭用机电一体化产品。

（四）分析题

例：已知数控机床控制系统如图所示，试说明图中的各个部分属于机电一体化系统中的哪个基本要素？

解：（1）依题意有两种测量方案 a.高速端测量方案：

传感器安装在电机的尾部，通过测量电机的转角实现工作台位移的间接测量。可选用光电编码器式传感器或者磁电式编码器。

b.低速端测量方案： 传感器安装在工作台上，直接测量工作台的位移。可选用光栅式位移传感器、感应同步器或者电位计式位移传感器。

(2)控制计算机和控制方案的选择

可以使用工业PC机及或者单片机完成系统的控制。具体可有以下三种方案： a．工业PC机集中控制方案：用一台工业PC机对三个自由度实现集中控制，包括任务管理和三个自由度的伺服控制系统原理图如下：

b．工业PC机、单片机分级控制方案：用一台工业PC机与三个单片机通信，对三个单片机实现管理，每个单片机负责一个自由度的伺服控制，控制系统原理图如下：

第四篇：机电一体化系统设计基础作业第二部分

2．为提高机电一体化机械传动系统的固有频率，应设法（A）。

A．增大系统刚度B．增大系统转动惯量

C．增大系统的驱动力矩D．减小系统的摩擦阻力

3．导程L0=8mm的丝杠驱动总质量为60kg的工作台与工件，则其折算到丝杠上的等效转动惯量为（B）kg·mm2。

A．48.5B．97

C．4.85D．9.7

4．传动系统的固有频率对传动精度有影响，（B）固有频率可减小系统地传动误差，（A）系统刚度可提高固有频率。A

A．提高，提高B．提高，减小

C．减小，提高D．减小，减小

5．下列哪种方法是采用单螺母预紧原理来消除滚珠丝杠副的间隙？（D）

A．螺纹调隙式B．双螺母垫片调隙式

C．齿差调隙式D．偏置导程法

6.齿轮传动的总等效惯量随传动级数(?A)。B

A.增加而减小B.增加而增加

C.减小而减小D.变化而不变

7．多级齿轮传动中，各级传动比“前小后大”的分配原则不适用于按（D）设计的传动链。

A．最小等效转动惯量原则（小功率传动装置）

B．最小等效转动惯量原则（大功率传动装置）

C．输出轴的转角误差最小原则

D．重量最轻原则

8．某机电一体化系统需要消除齿轮传动的齿侧间隙，采取下列哪种方法使得调整过程中能自动补偿齿侧间隙？（D）

A．偏心套调整法B．轴向垫片调整法

C．薄片错齿调整法D．轴向压簧错齿调整法

三、简答题

1．完善的机电一体化系统主要包括哪几部分？

第五篇：《机电一体化系统设计》课程教学大纲

《机电一体化系统设计》课程教学大纲 适用专业 机械设计制造及其自动化

课程类型 专业课程

学 时 数 44 学 分 数 2.5 一,编写说明

(一)本课程的性质,地位和作用

本课程是面向机械制造及自动化专业开设的一门专业课.机电一体化系统技术是微电子技术和计算机技术像机械工业渗透的过程中逐渐形成并发展起来的一门新型综合性学科,机电一体化技术的应用不尽提高和拓展了机电产品的性能和功能,而且使机械工业的技术结构,生产方式及管理体系发生了巨大的变化,极大提高生产系统的工作质量.通过本课程的学习,对于学生掌握机电一体化系统开发的基础知识,拓宽学生的知识面是很有意义的.本课程是学生在学完技术基础课,专业基础课之后的专业技术课程内容的综合应用,对于培养学生综合应用基础和专业知识,掌握以系统论,信息论和控制论为核心的机电一体化系统的设计基本原理和方法,掌握机电一体化技术的关键技术有着重要意义.(二)本大纲制定的依据

本大纲根据机械设计制造及其自动化专业的人才培养目标的基本理论和基本技能要求,本课程性质,跟踪现代机电一体化系统技术的发展编写.(三)大纲内容编写原则

根据人才培养目标的要求,使学生了解,掌握机电一体化的系统设计的基本知识,特点和方法;结合机电一体化共性的关键技术,对其各子系统的设计原理及设计方法进行系统的分析和介绍;强调对学生综合能力和工程能力的训练和培养;通过本课程的学习,使学生了解,掌握机电一体化系统的内涵及机电一体化系统设计的理论和方法.(四)实践环节

1.课程设计

(1)名称:机械手控制系统编程与操作

(2)主要内容与要求:利用PLC实现机械手控制功能的要求编写程序,安装调试实验台.按照本课程实验说明书要求完成,并通过实验验证程序的正确性.(3)学时分配:4(五)教学时数分配表

章节 序号

教 学 学 时 环 节 教学内容 讲 授 讨 论 见习实 验 其 它 小计 一 绪论 4 4 二

机械系统设计 6 6 三 传感器检测及其接口电路 8 8 四

控制电机及其选择计算 8 8 五

工业控制计算机及其接口技术 10 10 六

机电一体化系统设计及应用举例 4 4 8 总 计 40 44(六)考核方法与要求

1.平时成绩与期终成绩:平时成绩占30%,包括出勤,课堂提问,讨论等;期终成绩占60%.2.试卷成绩与实践成绩:试卷成绩占60%,实践成绩占10%(实验报告5%,实验过程考核5%).3.综合考核成绩的计算:平时成绩20% 实践成绩占10% 试卷成绩占70%=100%.(七)教材与主要参考书

1.教材:

姜培刚等.《机电一体化系统设计》.机械工业出版社,2006年1月.2.主要参考书:

李建勇.《机电一体化技术》.科学出版社,2004年4月.王孙安.《机械电子工程》.科学出版社,2003年8月.郑堤.《机电一体化设计基础》.机械工业出版社.2001年10月.二,教学内容纲要

第一章 绪论

一,教学目标:

1,了解机电一体化系统发展历史,内涵,应用和发展前景.2,掌握机电一体化系统的基本功能和要素.二,教学内容:

第一节 机电一体化系统的定义

一,△机电一体化的内涵;

第二节 机电一体化系统的基本功能要素

一,△ ○机电一体化系统功能分析方法

△机电一体化系统的构成要素 第三节 机电一体化的相关技术

一,机电一体化技术的相关关键技术

第四节 机电一体化系统设计的目标与方法

一,机电一体化系统设计方法

第二章 机械系统设计

一,教学目标:

1,掌握机械系统数学建模方法.2,掌握机械传动系统的特征及设计方法.3,了解常用的传动系统

二,教学内容:

第一节 机械系统设计

一,△○ 机械系统建模方法 第二节 机械传动系统的特征

一,△机械传动装置的特征参数及相应的调整方法

第三节 机械传动装置

一, △ ○传动比的设计方法

第三章 传感器检测及及接口电路

一,教学目标:

1.了解常用参量检测的传感器原理;2.掌握检测传感器的接口电路原理以及相应的信号处理方法.二,教学内容:

第一节 传感器

一,△○传感器性能指标的内涵 二,△传感器选择的原则

第二节 位移测量传感器 一,△大位移测量传感器的原理.第三节 速度,加速度传感器 一,△速度,加速度传感器测量原理

第四节 位置传感器 一,△位置测量原理.第五节 传感器前期信号处理 一,△○信号调理线路常用模块的原理

第六节 传感器接口技术 一,△○采样保持器原理及应用.第七节 传感器非线性补偿原理 一,△○软件补偿方法

第八节 数字滤波

一,△○随机误差的处理方法

第四章 控制电机及其选择计算 一,教学目标: 1.了解常用伺服电机的工作原理;2.掌握常用伺服电机的控制调节方法;3.掌握伺服电机的主要性能参数内涵及电机的选择方法.二,教学内容:

第一节 步进电动机及其控制 一,步进电机的工作原理 二,△步进电机的性能参数 三,△○步进电机的控制方法

第二节 直流伺服电动机及其控制 一,直流电机的工作原理 二,△○直流电机的控制方法

第三节 交流伺服电动机 一,交流电机的工作原理 二,△○交流电机的控制方法

第四节 直线电动机 一,直线电机的工作原理

第五节 控制电机的选择和计算 一,△控制电机的选择.第五章 工业控制计算机及其接口技术

一,教学目标: 1.了解常用的工业控制计算机种类 2.掌握各种工业计算机的区别;3.掌握各种信号接口原理.二,教学内容: 第一节 工业控制计算机 一,常用控制计算机的种类 二,△○各种控制计算机的区别

第二节 计算机的接口技术

一,△○开关量及数字两的输入/输出接口电路;二,△○功率放大电路的原理

第三节 可编程控制器

一,PLC的原理及选择方法,外围电路设计的原则

第四节 数字控制器设计 一,△○数字控制器的设计方法.第五章 机电一体化系统设计及应用举例

一,教学目标: 1.掌握机电一体化系统设计的要点

2.了解数控机床的设计过程及主要构成的设计方法.二,教学内容: 第一节 机电一体化产品的设计要点 一,△机电一体化产品的设计过程

第二节 机电一体化系统设计应用举例

一,数控机床的设计过程及主要构成的设计方法 注:用“△”明确重点内容,用“○”明确难点;

编写人:凌 杰 审核人:封士彩