期末考試機(jī)電一體化計(jì)算試題

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上如圖所示的伺服系統(tǒng)，試分析齒輪減速器的傳動(dòng)誤差對工作臺輸出精度的影響。對于開環(huán)步進(jìn)電機(jī)位置控制系統(tǒng)，由于無檢測裝置，不對位置進(jìn)行檢測和反饋，齒輪減速器的傳動(dòng)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(jì)算題 (24分)1（14分）已知圖示絲杠螺母驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，工作臺的質(zhì)量m=80Kg，絲杠螺距t=6mm，絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，齒輪傳動(dòng)比i2，兩齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為，。試求折算到電機(jī)軸上的總等效慣量J？等效慣量可以分為以下幾個(gè)部分來計(jì)算（1）電機(jī)軸上的元件（齒輪1）（2）中間軸上的元件（齒輪2）（3）負(fù)載軸上的元件（絲杠、工作臺）絲杠慣量：工作

2、臺折算到絲杠上的慣量：總的折算慣量為2（10分）如圖所示電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，已知工作臺的質(zhì)量為m=60Kg，負(fù)載力為,最大加速度為10m/s，絲杠直徑為d=16mm，導(dǎo)程t=4mm，齒輪減速比為i=5，總效率為，忽略絲杠慣量的影響，試計(jì)算電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩。（1）計(jì)算負(fù)載力負(fù)載力由外負(fù)載力、慣性負(fù)載力兩部分構(gòu)成外負(fù)載力 慣性負(fù)載力（2）電機(jī)上的負(fù)載力矩為五、綜合題（16分）已知某物料搬動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)與動(dòng)作過程如圖所示，要求機(jī)械手的操作方式分為手動(dòng)方式和自動(dòng)方式。機(jī)械手有升降、水平移動(dòng)、手爪夾持等3個(gè)自由度，采用電磁閥控制的氣缸驅(qū)動(dòng)，PLC控制。要求寫出物料搬動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)和產(chǎn)品開發(fā)的詳細(xì)工程路線。物料搬動(dòng)

3、機(jī)械手結(jié)構(gòu)原理圖解：系統(tǒng)設(shè)計(jì)的詳細(xì)工程路線：1）確定目標(biāo)及技術(shù)規(guī)范：機(jī)械手的用途:物料搬運(yùn)。工作方式：手動(dòng)、自動(dòng)方式。主要技術(shù)參數(shù)：3自由度。使用環(huán)境要求：生產(chǎn)線。2）可行性分析：收集資料、市場分析、可行性分析、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析。3）總體方案設(shè)計(jì)： 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，制定研制計(jì)劃；開發(fā)經(jīng)費(fèi)概算；開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)分析。4）總體方案的評審、評價(jià)：5）理論分析階段：機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、作業(yè)空間分析；機(jī)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算；驅(qū)動(dòng)元件的選擇、動(dòng)力計(jì)算；傳感器選擇、精度分析；建立控制模型、仿真分析。6）詳細(xì)設(shè)計(jì)：包括系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，業(yè)務(wù)的劃分；控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；程序設(shè)計(jì)；后備系統(tǒng)設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)說明書、使用說明書。7）詳細(xì)設(shè)計(jì)方案評

4、價(jià)8）試制樣機(jī)：機(jī)械本體、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、傳感器、檢測系統(tǒng)。9）機(jī)械手樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)測試：調(diào)試控制系統(tǒng)、控制性能測試、功能測試、精度、工作空間測試、動(dòng)態(tài)指標(biāo)測試、作業(yè)試驗(yàn)。10）技術(shù)評價(jià)與審定：對樣機(jī)及其性能進(jìn)行綜合評價(jià)，提供改進(jìn)意見，對不滿意的部分進(jìn)行修改，直至樣機(jī)合格后方可進(jìn)入下一步驟。11）小批量生產(chǎn)。12）試銷。13）正常生產(chǎn)。14）銷售。3試分析比較液壓馬達(dá)和直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)輸出驅(qū)動(dòng)的不同特點(diǎn)。1）使用液壓馬達(dá)一般不需要中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，馬達(dá)軸與負(fù)載軸直接連接，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡單，結(jié)構(gòu)緊湊；而直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)為得到合適的運(yùn)動(dòng)速度和負(fù)載能力，一般要使用較大傳動(dòng)比的減速器，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的尺寸

5、較大。（2）在相同的負(fù)載條件下，液壓馬達(dá)比直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的負(fù)載剛度大、快速性好；（3）液壓馬達(dá)對環(huán)境條件要求不高，可在需要防水、防爆的條件下工作，需要使用電液伺服閥和專門的液壓動(dòng)力源，對環(huán)境有污染；而直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)要求有較好的工作環(huán)境，也不會污染環(huán)境。1.已知數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)如圖所示，試說明圖中的各個(gè)部分屬于機(jī)電一體化系統(tǒng)中的哪一個(gè)基本要素？圖中各部可分為：（1）控制及信息處理單元： 鍵盤、計(jì)算機(jī)、顯示（2）測試傳感部分： 光電編碼器、信號處理（3）能源： 電源（4）驅(qū)動(dòng)部分： 功放、電機(jī)（5）執(zhí)行機(jī)構(gòu)：聯(lián)軸器、齒輪減速器、絲杠螺母機(jī)構(gòu)、工作臺2.試分析圖示傳動(dòng)系統(tǒng)中，齒輪減速器的傳動(dòng)誤差對工作臺

6、輸出精度的影響？齒輪傳動(dòng)鏈位于電機(jī)之后，前向通道的閉環(huán)之外，其傳動(dòng)誤差的低頻分量和高頻分量都不能通過閉環(huán)控制來消除，都會影響輸出精度。如圖所示的系統(tǒng)，試分析傳感器的誤差對輸出精度的影響傳感器位于閉環(huán)之內(nèi)的反饋通道上，其誤差的高頻分量（噪聲信號）因系統(tǒng)的低通作用得到校正，不影響輸出精度；傳感器誤差的低頻分量，如靜態(tài)精度（分辨率等）直接影響輸出精度，它決定了系統(tǒng)精度的上限。試分析圖示傳動(dòng)系統(tǒng)中，信號變換電路及絲杠螺母機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)誤差對工作臺輸出精度的影響。信號變換電路位于輸入通道，誤差的低頻分量會影響輸出精度，因此對靜態(tài)精度有較高要求；而誤差的高頻分量對輸出精度幾乎沒有影響，允許存在一定程度的高頻噪

7、聲。絲杠螺母機(jī)構(gòu)位于閉環(huán)之后，其誤差的低頻分量和高頻分量都會影響輸出精度，因此要盡量消除傳動(dòng)間隙和傳動(dòng)誤差。1 如圖所示電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，已知工作臺的質(zhì)量為m=50Kg，負(fù)載力為,最大加速度為10m/s,絲杠直徑為d=16mm,導(dǎo)程t=4mm,齒輪減速比為i=5,總效率為，忽略絲杠慣量的影響，試計(jì)算電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩。解： （1）計(jì)算負(fù)載力負(fù)載力由外負(fù)載力、慣性負(fù)載力兩部分構(gòu)成外負(fù)載力 慣性負(fù)載力（2）電機(jī)上的負(fù)載力矩為2已知某工作臺采用直流電機(jī)絲杠螺母機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，已知工作臺的行程L=250mm,絲杠導(dǎo)程t=4mm,齒輪減速比為i=5,要求工作臺位移的測量精度為0.005mm（忽略齒輪和絲杠的傳動(dòng)誤差）

8、。（1）試采用高速端測量方法，確定旋轉(zhuǎn)編碼器的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)。（2）若將傳感器與絲杠的端部直接相連，ns500脈沖/轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)編碼器是否合用。）解：（1）高速端測量設(shè)傳感器的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為n ，每個(gè)脈沖對應(yīng)工作臺的位移為由測量精度，L0.005mm，則 脈沖/轉(zhuǎn)選取n=200光電編碼器，則理論測量精度滿足題目要求。（2）低速端測量傳感器直接與絲杠連接，與減速比無關(guān) 脈沖/轉(zhuǎn)可知ns500 脈沖/轉(zhuǎn)的編碼器不合用。畫出工業(yè)PC機(jī)基本組成框圖，并說明工業(yè)PC機(jī)與普通信息處理計(jì)算機(jī)的主要區(qū)別。與普通信息處理機(jī)相比較,工業(yè)PC機(jī)有以下特點(diǎn)：（1）將普通信息處理機(jī)的大母板改為功能插板，具有豐富的過程輸入輸出功能

9、，以完成對各種設(shè)備和工藝裝置的控制。（2）良好的時(shí)實(shí)性，能夠?qū)ιa(chǎn)過程工況變化實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制。（3）抗干擾電源，密封機(jī)箱，具有良好的環(huán)境適應(yīng)性。（4）豐富的應(yīng)用軟件。試分析圖示傳動(dòng)系統(tǒng)中，信號變換電路、傳感器及絲杠螺母機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)誤差對工作臺輸出精度的影響。 信號變換電路位于輸入通道，誤差的低頻分量會影響輸出精度，因此對靜態(tài)精度有較高要求；而誤差的高頻分量對輸山精度幾乎沒有影響，允許存在定程度的高頻噪聲。 傳感器是位廠反饋通道上的環(huán)節(jié)，其對輸山精度的影響與位于輸入通道的信號變換電路相同。 絲杠螺母機(jī)構(gòu)位于閉環(huán)之后，其誤差的低頻分量和高頻分量都會影響輸出精度，因此要盡量消除傳動(dòng)間隙和傳動(dòng)誤差某車間

10、內(nèi)的兩條自動(dòng)生產(chǎn)線上需要款搬運(yùn)機(jī)器人，用于生產(chǎn)線間的產(chǎn)品搬運(yùn)，如果該款機(jī)器人需要進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，請制訂出概念設(shè)計(jì)的流程。 解：產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)決定性地影響產(chǎn)品創(chuàng)新過程中后續(xù)的產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品生產(chǎn)開發(fā)、產(chǎn)品市場開發(fā)以及企業(yè)經(jīng)營戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。包含以下流程： (1)首先是將設(shè)計(jì)任務(wù)抽象化，確定出系統(tǒng)的總功能； (2)根據(jù)系統(tǒng)的總功能要求和構(gòu)成系統(tǒng)的功能要素進(jìn)行總功能分解，劃分出各功能模塊，將總功能分解為子功能，直到分解到不能再分解的功能元，形成功能樹；確定它們之間的邏輯關(guān)系； (3)對各功能模塊輸入輸出關(guān)系進(jìn)行分析，確定功能模塊的技術(shù)參數(shù)和控制策略、系統(tǒng)的外觀造型和總體結(jié)構(gòu)； (4)尋找子功能(功能元

11、)的解，并將原理解進(jìn)行組合，形成多種原理解設(shè)計(jì)方案； (5)以技術(shù)文件的形式交付設(shè)計(jì)組討論、審定。由于體現(xiàn)同一功能的產(chǎn)品可以有多種多樣的工作原理； (6)方案進(jìn)行整體評價(jià)：對不同的方案進(jìn)行整體評價(jià)，選擇綜合指標(biāo)最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。最終選定最佳方案形成概念產(chǎn)品。根據(jù)圖示氣體壓力傳感器的原理圖，分析傳感檢測系統(tǒng)的組成及各部分的作用。氣體壓力傳感器的工作原理是膜盒2的下半部與殼體1固接，上半部通過連桿與磁心 4相連，磁心4置于兩個(gè)電感線圈3中，后者接人轉(zhuǎn)換電路5。氣體壓力傳感器由敏感元件、轉(zhuǎn) 換元件和基本轉(zhuǎn)換電路三部分組成： (1)敏感元件。膜盒2就是敏感元件，其外部與大氣壓P。相通，內(nèi)部感受被測壓力p

12、，當(dāng)p 變化時(shí)，引起膜盒上半部移動(dòng)，即輸出相應(yīng)的位移量。 (2)轉(zhuǎn)換元件?？勺冸姼?是轉(zhuǎn)化元件，它把輸入的位移量轉(zhuǎn)換成電感的變化。 (3)基本轉(zhuǎn)換電路。5即為轉(zhuǎn)換電路 解：由系統(tǒng)可知：則系統(tǒng)可能的最大誤差為：已知電機(jī)驅(qū)動(dòng)的三自由度位置控制系統(tǒng)，單個(gè)自由度的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖所示，確定整個(gè)系統(tǒng)的控制方案，畫出控制系統(tǒng)原理圖?？梢允褂霉I(yè)PC機(jī)或者單片機(jī)完成系統(tǒng)的控制。具體可以有下三種方案：（1） 工業(yè)PC機(jī)集中控制方案：用一臺工業(yè)PC機(jī)對三個(gè)自由度實(shí)現(xiàn)集中控制，包括任務(wù)管理和三個(gè)自由度的伺服控制系統(tǒng)原理圖如下。（2） 工業(yè)PC機(jī)、單片機(jī)分級控制方案：用一臺工業(yè)PC機(jī)與三個(gè)單片機(jī)通信，對三個(gè)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)管

13、理，每個(gè)單片機(jī)負(fù)責(zé)一個(gè)自由度的伺服控制，控制系統(tǒng)原理圖如下已知圖示絲杠螺母驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，工作臺的質(zhì)量m=100Kg，絲杠螺距t=8mm，絲杠長度L=0.5m,中徑為d=48mm,材料密度為，齒輪傳動(dòng)比i2，兩齒輪的傳動(dòng)慣量分別為，。試求折算到電機(jī)軸上的總等效慣量J？等效慣量可以分為以下幾個(gè)部分來計(jì)算（1）電機(jī)軸上的元件（齒輪1）（2）中間軸上的元件（齒輪2）（3）負(fù)載軸上的元件（絲杠、工作臺）絲杠慣量：工作臺折算到絲杠上的慣量：總的折算慣量為如圖所示的開環(huán)步進(jìn)電機(jī)位置控制系統(tǒng)，已知負(fù)載力F=1000N，工作臺長L=500mm，往復(fù)精度為mm，絲杠導(dǎo)程mm，直徑d20mm，步進(jìn)電機(jī)的步距角為，試確定

14、齒輪減速比i。步進(jìn)電機(jī)的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù) 脈沖/轉(zhuǎn)根據(jù)工作臺定位精度的要求，選用脈沖當(dāng)量=0.01mm/脈沖設(shè)傳動(dòng)比為i ，每個(gè)脈沖對應(yīng)工作臺的位移為則 已知電機(jī)驅(qū)動(dòng)的三自由度位置控制系統(tǒng)，單個(gè)自由度的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖所示，試確定單自由度驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的測量方案;（1）高速端測量方案： 傳感器安裝在電機(jī)的尾部，通過測量電機(jī)的轉(zhuǎn)角實(shí)現(xiàn)對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。如圖所示電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，已知工作臺的質(zhì)量為m=200Kg，負(fù)載力為，最大加速度為a5m/s,工作臺與導(dǎo)軌之間的摩擦系數(shù)=0.1，絲杠直徑為d=36mm,導(dǎo)程t=8mm,齒輪減速比為i=5,總效率為，忽略絲杠慣量的影響，

15、試計(jì)算電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩。（重力加速度取g10m/s2）1）計(jì)算負(fù)載力負(fù)載力由外負(fù)載力、慣性負(fù)載力和摩擦力三部分構(gòu)成外負(fù)載力 慣性負(fù)載力 摩擦力 （2）電機(jī)上的負(fù)載力矩為已知一個(gè)繩位移控制系統(tǒng)的兩種驅(qū)動(dòng)方案分別如圖a和b所示，試分析兩種方案的特點(diǎn)；并畫圖說明方案（a）減速器滾筒驅(qū)動(dòng)測量位移的方法。（a）減速器滾筒驅(qū)動(dòng) （b）絲杠滑臺驅(qū)動(dòng)1驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)：方案a 結(jié)構(gòu)簡單、易實(shí)現(xiàn)。繩的位移可以很大，但繩在滾筒方向會產(chǎn)生橫向位移。需要采用制動(dòng)器或者止逆型減速器才能防止繩對電機(jī)的反向驅(qū)動(dòng)。方案b結(jié)構(gòu)較簡單，成本與方案a相當(dāng)。繩的位移要受到絲杠長度的限制。普通絲杠具有止逆功能，無需增加制動(dòng)器即可防止繩對電機(jī)的反

16、向驅(qū)動(dòng)。無橫向位移。2方案a的測量方法(1)電機(jī)軸安裝編碼器間接測量繩的位移(2) 滾筒軸安裝編碼器間接測量繩的位移；(3) 通過對過輪轉(zhuǎn)角的測量實(shí)現(xiàn)間接測量繩的位移已知傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖所示，試計(jì)算電機(jī)軸上的總等效慣量。等效慣量可以分為以下幾個(gè)部分來計(jì)算（1）電機(jī)軸上的元件（2）中間軸上的元件（3）負(fù)載軸上的元件總的折算慣量為已知某傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量Jm=0.005Kg m2， 負(fù)載慣量J=0.04 Kg m2,試確定傳動(dòng)比i為何值時(shí)可使負(fù)載獲得最大加速度？由電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪系統(tǒng)和負(fù)載的計(jì)算模型可知,當(dāng)負(fù)載換算到電機(jī)軸上的慣量JL等于轉(zhuǎn)子慣量JM時(shí)，負(fù)載可獲得最大加速度，即由此得傳動(dòng)比 如圖所示的

17、開環(huán)步進(jìn)電機(jī)位置控制系統(tǒng)，已知負(fù)載力F=1000N，工作臺長L=500mm，往復(fù)精度為mm，絲杠導(dǎo)程mm，直徑d20mm，齒輪減速比i5，若所選步進(jìn)電機(jī)的步距角為，試確定是否滿足系統(tǒng)的精度要求。步進(jìn)電機(jī)的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù) 脈沖/轉(zhuǎn)由傳動(dòng)比為i5，絲杠導(dǎo)程ts8mm，每個(gè)脈沖對應(yīng)工作臺的位移為 mm/脈沖工作臺定位精度的要求為0.01mm，可知所選步進(jìn)電機(jī)滿足系統(tǒng)的精度要求。已知五自由度機(jī)器人，采用直流電機(jī)控制，關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的測量采用增量式編碼器，具有手動(dòng)示教和再現(xiàn)功能，試確定其控制計(jì)算機(jī)及控制方案。提示：畫出控制方案原理圖，并作簡要說明。手動(dòng)示教盒是一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)，它由單片機(jī)、RAM、串行通信口、鍵盤、

18、LED顯示器等組成。它承擔(dān)命令輸入、狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)存儲、通過與關(guān)節(jié)控制單片機(jī)通信給關(guān)節(jié)單片機(jī)發(fā)送控制命令等任務(wù)。每個(gè)關(guān)節(jié)控制單片機(jī)分別負(fù)責(zé)單個(gè)關(guān)節(jié)直流電機(jī)的位置伺服控制，由單片機(jī)、PWM驅(qū)動(dòng)接口、編碼器接口和串行通信口等組成。PC具有與手動(dòng)示教盒同樣的功能。不同的是，狀態(tài)顯示及命令輸入由顯示器和PC鍵盤來 如圖所示電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，已知工作臺的質(zhì)量為m60kg，負(fù)載力為F11200N，最大加速度為10ms2，絲杠直徑為d16mm，導(dǎo)程t=4mm，齒輪減速比為i5，總效率為v40，忽略絲杠慣量的影響，試計(jì)算電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩。解：(1)計(jì)算負(fù)載力 負(fù)載力由外負(fù)載力、慣性負(fù)載力兩部分構(gòu)成如圖所示步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠的高速定位系統(tǒng)。已知工作臺的重量為W2000N，工作負(fù)