三、分析論述題
1. 簡述如圖2所示絲槓螺母傳動機構的特點。
答：a：螺母本身起著支承作用，消除了絲杆軸承可能產生的附加軸向躥動，結構較簡單，可獲得較高的傳動精度但其軸向尺寸不宜太長，剛性較差。
b,需要限制螺母轉動，故需導向裝置，結構緊湊，絲杆剛性較好。c：需要限制螺母移動和絲杆轉動，結構較複雜，占用軸向空間較大。
d：結構簡單、緊湊，但使用極不方便，故很少使用。
2. 試分析單圓弧軌道和雙圓弧軌道的結構特點（設計、製造、使用與維護）
答：單圓弧形的螺紋滾道的接觸角隨軸向載荷大小的變化而變化，主要由軸向載荷所引起的接觸變形的大小而定。接觸角增大，傳動效率、軸向剛度以及承載能力也隨之增大。
由於單圓弧形滾道加工用砂輪成型較簡單，故容易得到較高的加工精度。單圓弧形面的滾道圓弧半徑r稍大於滾珠半徑。
雙圓弧形的螺紋滾道的接觸角在工作過程中基本保持不變。兩圓弧相交處有一小空隙，可使滾道底部與滾珠不接觸，並能儲存一定的潤滑油以減少摩擦磨損。由於加工其型面的砂輪修整和加工、檢驗均較困難，故加工成本較高。
3. 試分析圖示消除滾珠絲槓軸向間隙調整與預緊的工作原理與結構特點。（p31）
答：工作原理：採用雙螺母墊片調整預緊，調整墊片的厚度，可使左右兩螺母產生相對位移，以達到消除間隙、產生預緊拉力之目的。
結構特點：結構簡單剛度高、預緊可靠，但使用中調整不方便。
4. 試分析圖示消除滾珠絲槓副軸向間隙調整與預緊的工作原理與結構特點
答：工作原理：採用雙螺母螺紋預緊調整，右螺母的外端有凸緣，而左螺母的外端雖無凸緣，但製有螺紋，並通過兩個圓螺母固定。
調整時旋轉右邊圓螺母消除軸向間隙並產生一定預緊力，然後用鎖緊螺母（左邊圓螺母）鎖緊。預緊後兩個螺母中的滾珠相向受力，從而消除軸向間隙。
結構特點：結構簡單、剛度好、預緊可靠，使用中調整方便，但不能精確定量的進行調整。
5. 簡述燕尾形導軌組合的特點和間隙調整
答：（1）特點：採用整體式燕尾形導軌，磨損後不能自動補償間隙，需設調整間隙裝置；高度小，結構緊湊，可以承受傾覆力矩，但剛度較差，摩擦力較大，製造、檢驗和維修都不方便。
用於運動速度不高，受力不大，高度尺寸受到限制的場合。
間隙調整：兩燕尾面起壓板麵作用，用一根斜鑲條就可以調節水平與垂直方向的間隙。斜鑲條兩側面與導軌面全部接觸，故剛性好，斜鑲條必須加工成斜形，因此製造困難，但使用可靠，調整方便。
6、簡述雙三角形組合導軌組合的特點和間隙調整
答：（1）特點：兩條三角形導軌同時起支承和導向作用，結構對稱，驅動元件可以對稱地放在兩導軌中間。
但由於過定位，對加工要求較高，故工藝性差，對導軌的四個表面刮削或磨削也難以完全接觸，如果床身和運動部件熱變形不同，也很難保證四個面同時接觸。因此，多用於精度要求較高的工具機裝置。
（2）間隙調整：由於結構對稱，兩條導軌磨損均勻，磨損後相對位置不變，能自動補償垂直和水平方向的磨損，故導向性和精度保持性都高，接觸剛度好，無需間隙調整裝置。
7. 簡述步進電機的工作原理，並推導出步進當量的計算公式。
答：（1）工作原理：
圖示三相反應式步進電動機，定子有六個均勻分布的磁極，每兩個相對磁極組成一相，即有a-a、b-b、c-c三相，磁極上繞有勵磁繞組。轉子具有均勻分布的四個齒，當a、b、c三對磁極的繞組依次通電時，則a、b、c三對磁極依次產生磁場吸引轉子轉動。
由環形分配器送來的訊號脈衝電流，經功率放大器放大後，對定子繞組輪流通以單極性勵磁電流。通電磁極產生磁通，磁通具有力圖沿磁阻最小路徑通過的特點，使轉子齒在磁力作用下轉動。
電脈衝加到a相勵磁繞組，定子a相磁極就產生磁通，並對轉子產生磁拉力，使轉子1、3兩個齒與定子的a相磁極對齊。而後將電脈衝通入b相勵磁繞組，b相磁極便產生磁通，轉子2、4兩個齒與b相磁極靠得最近，於是轉子便沿著逆時針方向轉過30°角，使轉子2、4兩個齒與定子b相磁極對齊。如果按a→b→c→a的順序通電，轉子則沿逆時針方向一步步的轉動，每步轉過30°，這個角就叫做步距角。
（2）步距當量的計算公式
定子內圓和轉子外圓均有齒和槽，而且定子和轉子的齒寬和齒距相等。定子上有三對磁極，分別繞有三相繞組，定子極面小齒和轉子上的小齒位置要符合以下規律：當a相的定子齒和轉子齒對齊時，b相的定子齒應相對於轉子齒逆時針方向錯開1/3齒距，而c相的定子齒又應相對於轉子齒逆時針方向錯開2/3齒距。
也就是說，當某一相磁極下定子與轉子的齒對齊時，下一相磁極下定子與轉子齒的位置剛好錯開τ/m。其中，τ為齒距，m為相數。再下一相磁極定子與轉子齒則錯開2τ/m。
依次類推，當定子繞組按a→b→c→a順序輪流通電時，轉子就沿著逆時針方向一步步地轉動，各相繞組輪流通電一次，轉子就轉過乙個齒距。
設轉子齒數為z，則齒距為
步距當量，即步距角α的大小與通電方式和轉子齒數有關，其大小可用下式計算：
式中：k——狀態係數（三拍時k=1；六拍時k=2）；
m——電動機的繞組相數；
z——轉子齒數。
8. 試分析如圖所示步進電機驅動功率放大器的基本工作原理。
答：圖中a、b、c分別為步進電動機的三相，每相由一組放大器驅動。放大器輸入端與環形脈衝分配器相連。
在沒有脈衝輸入時，3dk4和3dd15功率放大器均截止，繞組中無電流通過，電動機不轉。當a相得電，電動機轉動一步，當脈衝依次加到a、b、c三個輸入端時，三組放大器分別驅動不同的繞組，使電動機一步步地轉動。
電路中與繞組併聯的二極體vd分別起續流作用，即在功放截止時，使儲存在繞組中的能量通過二極體形成續流迴路洩放，從而保護功放管。
與繞組w串聯的電阻r為限流電阻，限制通過繞組的電流不致超過其額定值，以免電動機發熱厲害被燒壞。
9. 試述如圖所示步進電機用功率開關細分驅動電路的基本工作原理（p107）
答：（1）細分驅動
為了讓步進電動機有更小的步距角或者為減小電動機振動、雜訊等原因，可以在每次輸入脈衝切換時，不是將繞組電流全部通入或切除，而是只改變相應繞組中額定電流的一部分，則電動機每步轉過的角度也只有步距角的一部分。繞組電流不是乙個方波，而是階梯波，額定電流是台階式地投入或切除，電流分成多少個台階，則轉子就以同樣的個數轉過乙個步距角。這樣將乙個步距角細分成若干步的驅動方法被稱為細分驅動。
細分驅動的特點是：在不改變電動機結構引數的情況下，能使步距角減小，能使步進電動機執行平穩、提高勻速性，並能減弱或消除振盪。但細分後的步距角精度不高，功率放大驅動電路也相應複雜。
（2）採用多路功率開關器件的細分驅動電路的基本工作原理
圖為五階梯細分電路，它利用五隻功率電晶體vtd1~vtd5作為開關器件，其基極開關電壓u1~u5的波形等幅寬度較小。在繞組電流上公升過程中，vtd1~vtd5按順序導通，每導通乙個，高壓管都要跟著導通一次，使繞組電流能快速上公升。在繞組電流下降過程中，vtd1~vtd5按順序關斷，了使每關斷乙個電晶體，電流都能快速下降乙個台階，在關斷任一低壓管前，可將剩下的全部關斷一段時間，使繞組通過洩放迴路放電，然後再重新開通。
功率電晶體工作在開關狀態，功耗很低，但器件多，體積大。
10. 試分析如圖所示光電隔離電路的基本工作原理和特點，在本電路中各元器件的作用是什麼？（p165）
答：（1）基本工作原理
微機輸出的控制訊號經74ls04非門反相後，加到光電耦合器g的發光二極體正端。當控制訊號為高電平時，經反相後，加到發光二極體正端的電平為低電平，因此，發光二極體不導通，沒有光發出。這時光敏三極體截止，輸出訊號幾乎等於加在光敏三極體集電極上的電源電壓。
當控制訊號為低電平時，發光二極體導通並發光，光敏三極體接收發光二極體發出的光而導通，於是輸出端的電平幾乎等於零。同樣的道理，可以將光電耦合器用於資訊的輸入。
（2）特點：完成訊號轉換的同時，能隔離干擾。
（3）各元器件的作用
74ls04：將微機輸出的控制訊號經非門反相，加到光電耦合器g的發光二極體正端；
發光二極體：將電訊號轉換成光訊號；
光敏三極體：將光訊號轉換成電訊號。
11. 如圖所示機電傳動控制系統，在無外界干擾的假設條件下，試分析各組成部分的作用是什麼？並寫出該系統的傳遞函式數學模型。（p223）
答：（1）各組成部分的作用：
g1——前置放大；g2——功率放大，驅動
伺服電動機運轉；
g3——伺服電動機，作為系統的執行元件，
帶動工作台運動；
g4——齒輪傳動裝置，將電動機轉子的運動以傳動比i1傳遞給絲槓；
g5——齒輪傳動裝置，將絲杆的運動以傳動比i2傳遞給位置感測器的檢測軸；
g6——位置感測器，檢測滾珠絲槓的角位移量，並反饋回系統輸入端；
g7——測速發電機，檢測伺服電動機轉子的轉速，並反饋回功放輸入端。
（2）系統的傳遞函式數學模型
g（s）=θi（s）/vi（s）=g1g2g3g4/(1+g2g3g7+g1g2g3g4g5g6)=
12. 試分析論述機電一體化系統穩態設計、動態設計的目的；重點研究哪些重要指標引數？
答：（1）穩態設計的目的及重點研究指標引數
目的是保證系統達到功能要求，包括使系統的輸出引數、執行元件（如電動機）的引數、功率（或）轉矩的匹配、過載能力等達到技術要求。
重點研究的指標引數有負載的綜合定量數值（如質量、轉動慣量、力、轉矩等）；執行元件的等效負載轉矩、等效慣性負責轉矩、電動機軸上的總負載轉矩等；各級減速比；伺服系統放大器輸出級的輸出阻抗、效率、時間常數，放大器的放大倍數等；系統各部分的傳遞函式；工作台進給系統的阻尼比、主諧振頻率等。
（2）動態設計的目的及重點研究指標引數
目的是設計校正補償裝置，使系統滿足動態技術指標要求。
可以根據系統傳遞函式分析系統的穩定性、系統的過渡過程品質（響應的快速性和振盪）及系統的穩態精度，從而研究系統的動態特性。具體表徵系統動態特性好壞的定量指標就是系統過渡過程的品質指標，在時域內，這種品質指標一般用單位階躍響應曲線中的引數來表示，即：
ts—上公升時間；ty—延滯時間；tt—調整時間；σ%—最大超調量。
13. 在機電一體化系統動態設計中，敘述所增加pid調節器內各環節的調節特點，試分析控制系統中增加pid調節器的主要作用是什麼？（p231）
答：（1）pid調節器各環節的調節特點
比例（p）環節使一階滯後的時間常數減小，加快系統響應速度，比例調節作用的大小主要取決於比例係數，比例係數愈大調節作用愈強，動態特性也愈好，但存在調節誤差，而且比例係數太大，會引起系統不穩定；
機電一體化課程複習
填空題1.機電一體化技術的內涵是微電子技術和機械技術滲透過程中形成的乙個新概念。2.機電一體化系統 產品 是機械技術和微電子技術的有機結合。3.工業三大要素是物質 能源 資訊 機電一體化工程研究所追求的三大目標是 省能源 省資源 智慧型化 4.機電一體化研究的核心技術是介面問題。5.機電一體化系統 ...
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《機電一體化技術》08機電一體化a
合肥財經職業學院 2010 2011學年度第一學期期末考試試卷 a 考試科目 機電一體化技術考試時間90分鐘得分 一 填空題 共22分，每空1分 1 機電一體化系統常用設計方法是 2 機電一體化產品按用途可分為三類。3 一般要求機械傳動系統的最低固有頻率是其他機械系統4 滾珠絲槓副中滾珠迴圈方式有兩...