【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 要包括五個(gè)方面：可靠性、維修性、有效性、耐久性和安全性。 （ 1）機(jī)電一體化系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì) :現(xiàn)代機(jī)械系統(tǒng) 可靠性設(shè)計(jì)包括縮短傳動(dòng)鏈，減少元件數(shù)；必要時(shí)增設(shè)備用元件或系統(tǒng)；簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)；增加過(guò)載保護(hù)裝置、自動(dòng)停機(jī)裝置；設(shè)置監(jiān)控系統(tǒng)；合理規(guī)定維修期。 （ 2）控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)包括： ? 采用自動(dòng)控制使產(chǎn)品具有自適應(yīng)、自調(diào)整、自診斷甚至自修復(fù)的功能； ? 通過(guò)元器件的合理選擇提高可靠性； ? 對(duì)功率接口采用降額設(shè)計(jì)提高可靠性； ? 采用監(jiān)視定時(shí)器提高可靠性； ? 采取抗干擾措施提高可靠性。 3．簡(jiǎn)述 HRGP－ 1A噴漆機(jī)器人的示教再現(xiàn)過(guò)程。 示教：操作人員用手操縱操作機(jī)構(gòu)的關(guān)節(jié)和手腕，根據(jù)噴漆工件的型面進(jìn)行示教。此時(shí)，中央處理器通過(guò)旋轉(zhuǎn)求總功能 總功能分解 評(píng)價(jià)與決策 功能逐級(jí)分解 創(chuàng)造性方法、目錄法、 調(diào)查分析法 形態(tài)學(xué)矩陣法 黑箱法 各種評(píng)價(jià)方法 概念產(chǎn)品 明確設(shè)計(jì)任務(wù) 尋找子功能解 原理解組合 分析 評(píng)價(jià) 決策 綜合 變壓器 將示教過(guò)程中檢測(cè)到的參數(shù)存入存儲(chǔ)器，即把示教噴漆的空間軌跡記錄下來(lái)；再現(xiàn)：由計(jì)算機(jī)控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，中央處理器將示教時(shí)記錄的空間軌跡信息取出，經(jīng)過(guò)插補(bǔ)運(yùn)算與采樣得到的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，然后將其差值調(diào)節(jié)后輸出，控制操作機(jī)按示教的軌跡運(yùn)動(dòng)。 4．簡(jiǎn)述數(shù)控設(shè)備中計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置的組成和功能。 在數(shù)控設(shè)備中，計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置是設(shè)備的核心部分，一般由專用計(jì)算機(jī)（或通用計(jì)算機(jī)）輸入輸出接口以及機(jī)床控制器等部分組成。 計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)和程序，完成數(shù)據(jù)運(yùn)算、邏輯判斷、輸入輸出控制等功能；機(jī)床控制器主要用于機(jī)床的輔助功 能，主軸轉(zhuǎn)速的選擇和換刀功能的控制。 1． 某物料搬動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)如圖所示，動(dòng)作過(guò)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(kāi)發(fā)的詳細(xì)工程路線。 物料搬動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)原理圖 1．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(chǎng)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(kāi)發(fā)經(jīng)費(fèi)概算；開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)分析。 （ 4）總體方案的評(píng)審、評(píng)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。 2. 某車間內(nèi)的兩條自動(dòng)生產(chǎn)線上需要一款搬運(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)器人采用概念設(shè)計(jì)，請(qǐng)制訂出概念設(shè)計(jì)的流程。 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(shù)；確定它們之間的邏輯關(guān)系； （ 3）對(duì)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）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(píng)價(jià)：對(duì)不同的方案進(jìn)行整體評(píng)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 。 1． 如圖所示的系統(tǒng)，試分析齒輪減速器、絲杠螺母機(jī)構(gòu)及傳感器的誤差對(duì)輸出精度的影響。 2． 用 PLC 實(shí)現(xiàn)對(duì)一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制?？刂埔鬄椋菏紫入妱?dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)起動(dòng)， 3 秒后自動(dòng)反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn) 2 秒后自動(dòng)又回到正轉(zhuǎn)，如此循環(huán)；可以隨時(shí)停車。 （ 1）寫出 I/O 分配表； （ 2）選擇 PLC，畫(huà)出梯形圖。 1． 答：信息變換電路位于輸入通道，誤差的低頻分量會(huì)影響輸出精度，因此對(duì)靜態(tài)有較高要求；而誤差的高頻分量對(duì)輸出精度幾乎沒(méi)有影響，允許存在一定程度的高頻噪聲。 傳感器位于反饋通道上的環(huán)節(jié)，其對(duì)輸出精度的影響與位于輸入通道的信 號(hào)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(huì)影響 輸出精度 ，因此要盡量消除傳動(dòng)間隙和傳動(dòng)誤差。 2．解：設(shè)啟動(dòng)按鈕為 X1，停止按鈕為 X2，正轉(zhuǎn)輸出為 Y1，反轉(zhuǎn)輸出為 Y2 （ 1） I/O分配表 輸入 /輸出 X1 X2 Y1 Y2 I/O口 I0.0 （ 2）選擇西門子 S7200型 PLC（也可選擇其它品牌和型號(hào)的 PLC），梯形圖如下： K =3s ( S ) T0 T0 ( R ) ( R ) T1 ( S ) K =3s T1 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 1． 某工作臺(tái)采用如圖所示的直流電機(jī)絲杠螺母機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，已知工作臺(tái)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(tái)位移的測(cè)量精度為 （忽略齒輪和絲杠的傳動(dòng)誤差）。 （ 1）若采用高速端測(cè)量方法， 將 旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在電機(jī)輸出軸上，確定旋轉(zhuǎn)編碼器的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)。 （ 2）若采用低速端測(cè)量方法， 將傳感器與絲杠的端部直接相連， ns=500 脈沖 /轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)編碼器是否合用？ 圖 直流電機(jī)絲杠螺母機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái) 方案 1：高速端轉(zhuǎn)角測(cè)量 傳感器與電機(jī)連接，通過(guò)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)角的測(cè)量對(duì)工作臺(tái)位移進(jìn)行間接測(cè)量，測(cè)量原理如下圖所示。 設(shè)傳感器的 每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為 ，則傳感器的每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)工作臺(tái)的位移為 方案 2:低速端轉(zhuǎn)角測(cè)量 測(cè)量原理如圖所示，傳感與絲杠的端部相連，傳感器直接測(cè)量絲杠的轉(zhuǎn)角，與減速比無(wú)關(guān)。 80 000 4??????issitnnt 應(yīng)選用 n=1000的增量式編碼器 。 選用 ns=500脈沖 /轉(zhuǎn) 編碼器不合用。 工作臺(tái) 絲杠 滾珠螺母 齒輪減速器 聯(lián)軸器 DC 伺服 電機(jī) i=5 4 ??????????issiitnnit2． 圖示為電樞控制式直流電動(dòng)機(jī)的工作原理圖。圖中電機(jī)線圈的電流為 i； L與 R為線圈的電感與電阻；電機(jī)的輸入電壓為 u；折算到電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 JM；電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速分別為 T 和 ω ； KE和 KT分別為電樞的電勢(shì)常數(shù)和轉(zhuǎn)矩常數(shù)，試求輸出轉(zhuǎn)速與輸入電壓之間的傳遞函數(shù)。 2． 解：由題可得： （ 1）當(dāng)激磁磁場(chǎng)不變時(shí)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩 T正比于電樞電流： T=KTi； （ 2）當(dāng)電樞轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電樞中會(huì)感應(yīng)反電勢(shì) eb，其 值正比于轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度： eb=KEω （ 3）電樞回路的微分方程為： ueRidtdiLb ??? （ 4）電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩平衡方程為： T=JM?? , （ 5）求拉氏變換及聯(lián)立求解得：（ Ls+R） I(s)+KE? (s)=U(s) 輸出轉(zhuǎn)速與輸入電壓之間的傳遞函數(shù)： sJRLsKKKsUsMETT )()( )( ???? 1． 刻線為 1024的增量式角編碼器安裝在機(jī)床的絲杠轉(zhuǎn)軸上，已知絲杠的螺距為 2mm，編碼器在 10 秒內(nèi)輸 出307200 個(gè)脈沖，試求刀架的位移量和絲杠的轉(zhuǎn)速分別是多少？ 2． 如圖所示的 電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)系統(tǒng) ，其中驅(qū)動(dòng) x向工作臺(tái)的三相雙三拍步進(jìn)電機(jī)，轉(zhuǎn)子齒數(shù) z 為 100。滾珠絲杠的基本導(dǎo)程為 l0=6mm。 已知傳動(dòng)系統(tǒng)的橫向 (x向 )脈沖當(dāng)量 δ為 。試求： （ 1）步進(jìn)電機(jī)的步距角 α； （ 2）減速齒輪的傳動(dòng)比 i。 1． 解： 307200247。 1024=30（轉(zhuǎn)） ∵ 每轉(zhuǎn)絲杠走 2mm，∴刀架位移量為 30 2=60mm 功功放放 電電 機(jī)機(jī) 滾滾 珠珠 絲絲 杠杠 工工 作作 臺(tái)臺(tái) i 圖 電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)示意圖 MJ?iu圖 直流電動(dòng)機(jī)的工作原理 N=30轉(zhuǎn) /10秒 =3轉(zhuǎn) /秒 2．解：（ 1）步進(jìn)電機(jī)的步距角 ???? ???? ?? 360360 NKz? （ 2）減速齒輪的傳動(dòng)比 5 ????????li 五、綜合題 1． 圖示直射式光電轉(zhuǎn)速傳感器是一種角位移傳感器，由裝在被測(cè)軸 (或與被測(cè)軸相連接的輸入軸 )上的帶縫隙圓盤、光源、光電器件和指示縫隙盤組成，光源發(fā)生的光通過(guò)縫隙圓盤和指示縫隙照射到光電器件上。試分析傳感器的測(cè)量原理。 答： 該傳感器為一種角位移式的光電傳感器，用于測(cè)量角位移，將傳感器的輸入軸接測(cè)量元件。當(dāng)測(cè)量元件轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)輸入軸上的開(kāi)空?qǐng)A盤。每個(gè)開(kāi)空?qǐng)A盤對(duì)應(yīng)一個(gè)角度?？蓪A盤均分最小單位為測(cè)量的最小角度。 圓盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，開(kāi)空與縫隙板對(duì)準(zhǔn)時(shí)，光源將光直射到光敏元件上，將得到一個(gè)光電信號(hào)（脈沖），將脈沖信號(hào)輸入計(jì)數(shù)器可記錄圓盤轉(zhuǎn)過(guò)的角度，也就是測(cè)量元件轉(zhuǎn)過(guò)角度。 2． 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。 （ 1）試分析兩種方案的特點(diǎn)； （ 2） 畫(huà)圖說(shuō)明方案（ a）減速器滾筒驅(qū)動(dòng)測(cè)量位移的方法。 （ a）減速器滾筒驅(qū)動(dòng) （ b）絲杠滑臺(tái)驅(qū)動(dòng)