国家开放大学《机电一体化系统设计基础》形考作业1-3答案

形考作业1

形考作业2

形考作业3

1. 某工作台采用直流电机丝杠螺母机构驱动如图所示，已知电机轴的转动惯量J_m=4×10^-4kg·m²，与电机输出轴相连的小齿轮的转动惯量J₁=1×10^-4kg·m²，大齿轮的转动惯量J₂=1.8×10^-4kg·m²，丝杠的转动惯量J_s=3.8×10^-4kg·m²。工作台的质量m=50kg，丝杠导程t=5mm，齿轮减速比为i=5。试求：

（1）工作台折算到丝杠的等效转动惯量J_G；

（2）传动件折算到电机轴的等效转动惯量J_e；

（3）电机轴上的总转动惯量J。

简答题 (10 分) 8分

解:(1)JG=m(t/2π)2=501000(0.005/2/3/14)2=0.03166(kg·m3)

(2)Je=(J2+Js+JG)/i2=(1.8×104、+3.8×104、+316.6×104、)/52=12.88×104、(kg·m3)

(3)J=J1+Je=1×104、+12.88×104、=13.88(kg·m3)

1. 2.

已知某四级齿轮传动系统，各齿轮的转角误差为Δφ₁=Δφ₂=…=Δφ₈=0.004弧度，各级减速比相同，即i₁ = i₂ =…= i₄ =2，求该系统的最大转角误差Δφ_max。

简答题 (10 分) 6分

2.答转角误差为0.022

1. 3.

刻线为1024的增量式角编码器安装在机床的丝杠转轴上，已知丝杠的螺距为2mm，编码器在10秒内输出307200个脉冲，试求刀架的位移量和丝杠的转速分别是多少？

简答题 (10 分) 8分

解:(1)丝杠旋转一周有1024个脉冲,307200个脉冲相应于丝杠旋转307200/1024=300周,故刀架位移量为300*2mm=600mm,

(2)丝杠转速为300*2π//10=60π(弧度/秒)

1. 4.

一个四相八拍运行的步进电机，转子齿数为50，则其步距角为多少？如要求步进电机2秒钟转10圈，则每一步需要的时间T为多少？

简答题 (10 分) 8分

解:步距角:0=360°/mz=360°/8*50=0.9°。每一步需要的时间T=每圈时间/每圈的步数。T=2000/10mz=200/8*50=0.5ms。

1. 5.

如图所示的电机驱动工作台系统，其中驱动x向工作台的三相单三拍步进电机，转子齿数z为40。滚珠丝杠的基本导程为l₀=6mm。已知传动系统的横向(x向)脉冲当量δ为0.005mm/脉冲。试求：

（1）步进电机的步距角α；

（2）减速齿轮的传动比i。

5.解:(1)K=3相,N=3拍,z=100步进电机的步距角a=360o/(z*m)=360o/(z*K*N)=360o/(100*3*3)=0.4o(2)由于一个脉冲,步进电机旋转0.4o,工作台横向(x向)脉冲当量0.005mm,由于滚珠丝杠的基本导程为l°=6mm.对应于丝杠转动一周360o,设一个脉冲丝杠转动的角度为x,贝U6mm/360o=0.005/xo,得x=0.3o故减速齿轮的传动比i=0.3/0.4=3/4

1. 下图所示的机电一体化伺服驱动系统，当以步进电动机为驱动元件，其步距角α为1.8°，系统脉冲当量δ为控制器输出一个脉冲时执行机构的直线位移，大小为0.01mm，传动机构采用滚珠丝杠，其基本导程l₀为4mm，减速机构采用了齿轮减速，试求齿轮机构的传动比i。

简答题 (10 分) 6分

5.设β为控制器输出一个脉冲丝杆转过的角度，则。β=360°l°×δ°。(3分)齿轮机构的传动比i=αβ=αl0360°δ°(3分)则步进电机的步距角α=360°×δ×il0=360°×0.01×34=2.7°。(3分)因此为了保证系统脉冲当量小于0.01mm，步进电机的步距角必须小于2.7°

1. 7.

分析下图调整滚珠丝杠副轴向间隙的原理。

简答题 (10 分) 8分

解：图中所示的双螺母螺纹预紧调整齿侧间隙，双螺母中的一个外端有凸缘，一个外端无凸缘，但制有螺纹，它伸出套简外用两个螺母固定锁紧，并用键来防止两螺母相对转动。旋转圆螺母可调整消除间隙并产生预紧力，之后再用锁紧螺母锁紧。

1. 已知一个绳位移控制系统的两种驱动方案分别如图a和b所示。

（1）试分析两种方案的特点；

（2）画图说明方案（a）减速器滚筒驱动测量位移的方法。

简答题 (10 分) 8分

解:(1)分析两种方案的特点:

(a)电机经减速器带动滚筒转动使驱动绳产生位移(b)电机带动丝杠转动,丝杠上的螺母便产生直线运动带动驱动绳产生位移。2)画图说明方案(a)减速器滚筒驱动测量位移的方法

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1. 9.

某部门欲开发一款用于能在生产线上与人协作的机械手，请制订出该款机械手产品的开发设计流程。

简答题 (10 分) 8分

答:机电一体化系统的主要设计流程分为五个阶段:产品规划、概念设计、详细设计、设计实施和设计定型阶段。第一阶段:产品规划阶段:进行需求分析和需求设计,以明确设计任务。

机械手的用途:焊接芯片。

工作方式:手动、自动方式。

主要技术参数:3自由度。

使用环境要求;生产线。

第二阶段:概念设计阶段:在功能分析的基础上,优化筛选取得较理想的工作原理方案。

(2分)第三阶段:详细设计阶段。对各功能模块进行细部设计,绘制相应的工程图。该阶段的工作既包括机械、电气、电子、控制与计算机软件等系统的设计,又包括总装图和零件图的绘制。

第四阶段:设计实施阶段。首先根据机械、电气图纸和算法文件,制造、装配和编制各功能模块;然后进行模块的调试;最后进行系统整体的安装调试,复核系统的可靠性及抗干扰性。

第五阶段:设计定型阶段。对调试成功的系统进行工艺定型,整理设计资料。小批量生产,试销。

1. 10.

假定你在设计一套典型的机电一体化系统，比如智能工业机械手，请制订出概念设计的流程。

简答题 (10 分) 8分

产品概念设计决定性地影响产品创新过程中后续的产品详细设计、产品生产开发、产品市场开发以及企业经营战略目标的实现。产品概念设计包含以下流程:分析综合评价决年明确设计任务求总功能黑箱法总功能分解功能逐级分解创造性方法、口录法、寻找了功能解调查分析法形态学知阵法原理解组合各种评价方法评价与决策概念产品(1)首先是将设计任务抽象化,确定出系统的总功能;(2)根据系统的总功能要求和构成系统的功能要素进行总功能分解,划分出各功能模块将总功能分解为子功能，直到分解到不能再分解的功能元,形成功能树,确定它们之间的逻辑关系;(3)对各功能模块输人/输出关系进行分析,确定功能模块的技术参数和控制策略、系统的外观造型和总体结构;(4)寻找子功能(功能元)的解,并将原理解进行组合,形成多种原理解设计方案(5)以技术文件的形式交付设计组讨论,审定;(6)方案整体评价;对不同的方案进行整体评价,选择综合指标最优的设计方案,最终选定最佳方案形成概念产品。