【正文】 器的光電 轉換元件組成，如下 ，從上圖 a 可知，微機輸出的控 制信號經(jīng) 74LS04 非門 反相后，加到光電耦 合器 G 的發(fā)光二極管 正端。當控制信號為高電平時，經(jīng)反相后，加到發(fā)光二極管正端的電平為低電平，因此，發(fā)光二極管不導通，沒有光發(fā)出。這時光敏晶體管截止，輸出信號幾乎等于加在光敏晶體管集電極上的電源電 壓。當控制信號為低電平時，發(fā)光二極管導通并發(fā)光，光敏晶體管接收發(fā)光二極管發(fā)出的 光而導通，于是輸出端的電平幾乎等于零。同樣的道理，可將光電耦合器用于信息的輸 入，如上圖 b所示。420 試說明檢測傳感器的微機接口基本方式。答：①模擬量接口方式：傳感器輸出信號→放大→采樣/保持→模擬多路開關→A/D 轉換→ I/O 接口→微機②開關量接口方式：開關型傳感器輸出二值式信號(邏輯 1 或 0)→三態(tài)緩沖器→微機 10③數(shù)字量接口方式：數(shù)字型傳感器輸出數(shù)字量(二進制代碼、BCD 代碼、脈沖序列等)→計數(shù)器→三態(tài)緩沖器→微機 11機電一體化技術第 5章參考答案52 簡述采樣定理？如果 是有限帶寬信號，即| | 時，E（j）=0。而 是 e（t）的理想采樣信號，若采樣頻率 ,那么一定可以有采樣信號 唯一地決定出原始信號 e（t）。也就是說，若，則由 可以完全地恢復 e（t）。53 簡述數(shù)字控制系統(tǒng) A/D 轉換過程。模/數(shù)轉換裝置每隔 T 秒對輸入的連續(xù)信號 e（t）進行一次采樣，采樣信號為 e*（t），如 圖 a 所示。該采樣信號是時間上離散而幅值上連續(xù)的信號，它不能直接進入計算機進行運 算，必須經(jīng)量化后成為數(shù)字信號才能為計算機所接受。將采樣信號經(jīng)量化后成為數(shù)字信號 的過程是一個近似過程，稱量化過程?，F(xiàn)對量化過程作簡單的說明：將采樣信號 e*（t）的變化范圍分成若干層，每一層都用一個二進制數(shù)碼表示，這些數(shù)碼可表示幅值最接近它 的采樣信號。如圖 b 所示，采樣信號 A1為 ，則量化值 A1 ’為 2V，用數(shù)字 010 來代表； 采樣信號 A2為 ，則量化值 A2 ‘為 3V，用數(shù)字量 011 代表。這樣就把采樣信號變成了數(shù) 字信號。ab55 簡述多輸入多輸出系統(tǒng)的靜力學方程。答 ： 設 對 微 小 輸 入 位 移 有 微 小 的 輸 出 位 移，則輸入功的總和和輸出功的總和分別為：其中忽略機構內(nèi)部機械損失時，兩式相等。由于 相互獨立，則對第 i 個輸入有用 表示輸入力（或轉矩）時，寫成式中 ——力（或轉矩）的變換系數(shù)，是 n*m 矩陣。56 簡述兩自由度機器人逆動力學方程。答：首先利用逆運動學方法將軌跡｛x(t),y(t)｝變換成為關節(jié)運動φ1(t)、φ2(t)，然后從φ1和φ2導出計算關節(jié)力矩 TT2的計算公式。由平面幾何學知識，可得逆運動學解為==式中p=，q=。逆運動學解可由 Lagrange 公式解出。設計器人得負載只有各臂端部的質(zhì)量，則= ]*[ ]+式中第一項相當于慣性項，第二項相當于離心力與哥氏力。13機電一體化技術第 7章參考答案73 機電一體化系統(tǒng)中的典型負載有哪些？說明以下公式的含義：2 1 1 m n j k i cq i j i i k k v J m J答：典型負載是指慣性負載、外力負載、彈性負載、摩擦負載（滑動摩擦負載、粘性摩擦 負載、滾動摩擦負載等）。對具體系統(tǒng)而言，其負載可能是以上幾種典型負載的組合，不一 定均包含上述所有負載項目。第一式表示等效轉動慣量。該系統(tǒng)運動部件的動能總和為 2 2 1 1 1 1 2 2 m n i i j j i i設、等效到元件輸出軸上的總動能為 2 1 2 k k cq k，由能量守恒：E =E k故2 1 1 m n j k i cq i j i i k k v J m J用工程上常用單位時，可將上式改寫為 2 2 2 1 1 1 4 m n j k i cq i j i i k k n v J m J第二式表示等效負載轉矩。設上述系統(tǒng)在時間 t 內(nèi)克服負載所作的功德總和為： 1 1 m n i i j j i j，同 理，執(zhí) 行 元 件 輸 出 軸 在 時 間 t 內(nèi) 的 轉 角 為k k 則，執(zhí)行元件所作的功為 k K eq k，由 1 / / m n k eq i i k j j k i j，或 1 1 / / 2 m n k eq i i k j j k i j T Fv n T n n74 設有一工作臺 x 軸驅動系統(tǒng)，已知參數(shù)為下表中所列，已知 mA=400 ㎏，Ph=5mm,Fl 水平=800N，F(xiàn)l 垂直=600N，工作臺與導軌間為滑動摩擦，其摩 擦系數(shù)為 ，試求轉換到電動機軸上的等效轉動慣量和等效轉矩。答：（1）由公式：2 2 1 1 1 4 m n j k i cq i j i i k k得： n v J m J可得：v1=n 絲*Ph/1000（和轉速 n的單位要統(tǒng)一所以不必算出最終值）J k eq =1/4л2 ma(v1/nk)2 +JG1(nG1/ nk)2 +JG2(nG2/ nk)2 +JG3(nG3/ nk)2 +JG4(nG4/ nk)2 +JⅠ(nⅠ/ nk)2 +JⅡ(nⅡ/ 14nk)2 +J 絲（n 絲/ nk）2 +Jm=()（2）當工作臺向右時：F=F*uFL 水平=(FL 垂直+G)*uFL 水平=（600+400*）*=104（N）由 1 1 / / m n k eq i i k j j k i j得：TK= F*V/nk/（2*pi）=F*（n 絲*Ph/1000）/nk/（2*pi）=104*(180*5/1000)/*720/(2*)= （N*m）。（3）當工作臺向左時：F=(FL垂直+G)*u+ FL水平=（600+400*）*+800=1704（N）TK=(F*V/nk)/(2*pi)==（N*m）Matlab程序：n1=720。n2=360。n3=360。n4=180。n11=720。n22=360。ns=180。nd=720。ph=5。pi=。j1=.01。j2=.016。j3=.02。j4=.032。j11=.024。j22=.004。js=.012。jd=.004。v1=ns*ph*.001。a=400*(v1/nd)^2/(4*pi^2)b=j1c=j2*(n2/nd)^2 d=j3*(n3/nd)^2 e=j4*(n4/nd)^2 f=js*(ns/nd)^2 g=j11*(n11/nd)^2 h=j22*(n22/nd)^2J=400*(v1/nd)^2/(4*pi^2)+j1+j2*(n2/nd)^2+j3*(n3/nd)^2+j4*(n4/nd)^2+js*(ns/nd)^2+j11*(n11/ nd)^2+j22*(n22/nd)^2+jd fs=800。fc=600。ma=400。fiz=fs+(fc+ma*)*。fiy=fs+(fc+ma*)*。tiz=fiz*v1/nd /(2*pi)。tiy=fiy*v1/nd /(2*pi)。比例環(huán)節(jié)（P）、積分環(huán)節(jié)(I)、比例積分環(huán)節(jié)(PI)和比例積分微分調(diào)節(jié)(PID)各有何優(yōu)缺點？答：在穩(wěn)態(tài)設計的基礎上，利用所選元部件的有關參數(shù)，可以繪制出系統(tǒng)框圖，并根據(jù)自 動控制理論基礎課所學知識建立各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，進而激勵系統(tǒng)傳遞函數(shù)。以閉環(huán)控制方式為例：圖（1）為檢測傳感器裝在絲桿端部的半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)。它的系統(tǒng)框圖如圖（2）所 示。該圖的傳遞函數(shù)為 15G（s）= ===式中：K=(1)用滾珠絲杠傳動工作臺的伺服進給系統(tǒng)（2）系統(tǒng)框圖前置放大器增益；功率放大器增益；直流伺服電機增益；速度反饋增益；直流伺服電機時間常數(shù)；減速比；位置檢測傳感器增益；（s）輸入電壓的拉氏變換；絲杠輸出轉角的拉氏變換當系統(tǒng)受到外擾動轉矩 時，圖（2）就變?yōu)閳D（3）。為分析方便起見，見圖（3）改畫成 圖（4）所示，則傳遞函數(shù)為：G(s)= = 16（3）附加擾動力矩（以電壓 表示）的系統(tǒng)框圖直流伺服電機的轉矩常數(shù)；直流伺服電機轉子的繞組阻抗；功率放大器的輸出阻抗；對應于擾動力矩的等效擾動電壓的拉氏變換（4）附加擾動力矩的等效電壓后的框圖比例調(diào)節(jié)（P）、積分調(diào)節(jié)（I）、比例積分調(diào)節(jié)（PI）和比例積分微分調(diào)節(jié)（PID）各自 的優(yōu)缺點（1）比例（P）調(diào)節(jié)比例調(diào)節(jié)網(wǎng)絡圖如圖（a），其傳遞函數(shù)為Gc(s)=–Kp式中 Kp=R2/R1它的調(diào)節(jié)作用的大小主要取決于增益 Kp 的大小。Kp 越大，調(diào)節(jié)作用越強，但是存在調(diào) 節(jié)誤差。而且 Kp太大會引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。（2）積分（I）調(diào)節(jié)積分調(diào)節(jié)網(wǎng)絡圖如圖(b)，其傳遞函數(shù)為Gc(s)=1/（Tis）式中 Ti=RC。系統(tǒng)中采用積分環(huán)節(jié)可以減少或消除誤差，但由于積分環(huán)節(jié)效應慢，故很少單獨使 用。（3）比例積分（PI）調(diào)節(jié)其網(wǎng)絡如圖(c)。他的傳遞函數(shù)為Gc(s)=–[ KP（1+1/（Tis））] 式中 Kp=R2/R1；Ti=R2C。這種循環(huán)既克服了單純比例環(huán)節(jié)有調(diào)節(jié)誤差的缺點，又避免了積分環(huán)節(jié)響應慢的弱17點，既能改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性能能，又能改善其動態(tài)性能。（4）比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)這種調(diào)節(jié)網(wǎng)絡的組成如圖（d），其傳遞函數(shù)為Gc(s)=–Kp[1+1?（Tis）+Tds ]式中 Kp=（R1C1+R2C2）/(R1R2)；Ti=R1C1+R2C2。T=R1C1R2C2 ?(R1C1+R2C2)。這種校正環(huán)節(jié)不但能改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，也能改善其動態(tài)性能。但是，由于它含有微分作用，在噪聲比較大或要求響應快的系統(tǒng)中不宜采用；PID 調(diào)節(jié)器能使閉環(huán)系統(tǒng)更加 穩(wěn)定，其動態(tài)性能也比用 PI調(diào)節(jié)器時好。78 何謂機電一體化系統(tǒng)的“可靠性”？答：機電一體化可靠性是指，系統(tǒng)（產(chǎn)品）在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能 力。2 2 2 2 2 3 1 2 4 1 2 3 4 2 1 4 k si A cq A si D k k k k k k n n v n n n J m J J J J J J第五篇：機電一體化課后答案機電一體化（第二版）課后答案第一章。答：機電一體化乃是在機械的主功能、動力功能、信息功能和控制功能上引進微電子技術，并將機械裝置與電子裝置用相關軟件有機結合而構成系統(tǒng)的總稱。？分別實現(xiàn)哪些功能？答：①.機電一體化系統(tǒng)由計算機、動力源、傳感件、機構、執(zhí)行元件系統(tǒng)五大要素組成。②.對應的五大功能為：控制、動力、計測、構造、操作功能。、變異性設計、適應性設計有何異同？答：開發(fā)性設計是沒有參照產(chǎn)品的設計，僅僅是根據(jù)抽象的設計原理要求，設計出在質(zhì)量和性能方面滿足目的要求的產(chǎn)品。變異性設計是在設計方案和功能結構不變的情況下，僅改變現(xiàn)有產(chǎn)品的規(guī)格尺寸使之適應于量的方面有所變更的需求。適應性設計是在總的設計方案、原理基本保持不變的情況下，對現(xiàn)有產(chǎn)品進行局部更改，或用微電子技術代替原有的機械結構或為了進行微電子控制對機械結構進行局部適應性設計，以使產(chǎn)品在性能和質(zhì)量上增加某些附加價值。所有機電一體化系統(tǒng)的設計都是為了獲得用來構成事物的有用信息。、虛擬設計、快速響應設計、綠色設計、反求設計等的含義。答：計算機輔助設計是設計機電一體化產(chǎn)品的有力工具，用來設計一般機械產(chǎn)品的CAD的研究成果。并行工程是把產(chǎn)品的設計、制造及其相關過程作為一個有機整體進行綜合協(xié)調(diào)的一種工作模式。虛擬設計是虛擬環(huán)境中的產(chǎn)品模型，是現(xiàn)實世界中的產(chǎn)品在虛擬環(huán)境中的映像，是基于虛擬現(xiàn)實技術的新一代計算機輔助設計。快速響應設計是實現(xiàn)快速響應工程的重要環(huán)節(jié)，快速響應工程是企業(yè)面對瞬息萬變的市場環(huán)境，不斷迅速開發(fā)適應市場的新系統(tǒng)，快速響應設計的關鍵是有效開發(fā)和利用各種系統(tǒng)信息資源。綠色設計是從并行工程思想發(fā)展而出現(xiàn)的一個新概念。綠色設計就是在新系統(tǒng)的開發(fā)階段，就考慮其整個生命周期內(nèi)對環(huán)境的影響，從而減少對環(huán)境的污染、資源的浪費、使用安全和人類健康等所產(chǎn)生的副作用。反求設計是以現(xiàn)代設計理論、方法和技術為基礎，運用各種專業(yè)人員的工程設計經(jīng)驗、知識和創(chuàng)新思維，對已有的系統(tǒng)進行剖析、重構、再創(chuàng)造的設計。第二章，其基本導程λ0=6mm、一端的齒輪齒數(shù)為100、另一端的齒輪齒數(shù)為98，當其一端的外齒輪相對另一端的外齒輪轉過2個齒時，試問：兩個螺母之間相對移動了多大距離？答：Z1=100，Z2=98，ΔS=（2/Z1）*λ0=*6mm=？輸出軸轉角誤差最小原則是什么？答：（1）各級傳動比的分配原則是：①重量最輕原則②輸出軸轉角誤差最小原則③等小傳動慣量最小原則（2）輸出軸傳動誤差最小原則是：為提高機電一體化系統(tǒng)齒輪傳動的精度，各級傳動比影按先小后大的原則分配，一邊降低齒輪的加工誤差、安裝誤差及回轉誤差對輸出轉角精度的影響?？傓D角誤差主要取決于最末一級齒輪的轉角誤差和傳動比的大小，在設計中最末兩級的傳動比應取大一些，并盡量提高最末一級齒輪副的加工精度。，其減速比為100，柔齒輪數(shù)為100。當剛輪固定時，試求該諧波減速器的鋼輪齒數(shù)及輸出軸的傳動方向（與輸入軸的傳向相比較）。答：根據(jù)公式：iHr=Zr/(zrzg)可知：當iHr=100時，Zg=99，當iHr=100時，Zg=101；故該諧波減速器的鋼輪齒數(shù)為101，柔輪輸出軸方向與波發(fā)生器輸入軸轉向相反。，導軌副的組成、種類及應滿足的基本要求。答：導軌的作用是支承和限制運動部件按給定的運動要求和規(guī)定的運動方向運動。導軌副的組成：導軌副主要由承導件和運動件兩大部分組成。常用的導軌副種類很多，按其接觸面積的摩擦性質(zhì)可分為滑動導軌、滾動導軌、流體介質(zhì)摩擦導軌等；按其結構特點可分為開式導軌和閉式導軌。導軌副應滿足的基本要求：導向精度高、剛性好、運動輕便平穩(wěn)、耐磨性好溫度變化影響小以及結構工藝性好等。第三章32 機電一體化系統(tǒng)對執(zhí)行元件的基本要求是什么？答：