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第1页共7页《机电一体化系统设计基础》课程作业讲评(4)重庆广播电视大学机械工程学院第5章自动控制技术1．考核知识点：机电一体化自动控制技术概述、计算机控制技术、PCL的组成。2．常见错误：PCL控制系统的设计。第6章机电一体化系统设计与综合1．考核知识点：机电一体化系统的设计流程、机电一体化系统的概念设计、机电一体化系统的现代设计方法。2．常见错误：机电一体化系统的现代设计方法。第7章机电一体化系统设计1．考核知识点：CNC数控设备概述、CNC机床分类。2．常见错误：CNC机床分类。以上问题提示答案和解题思路：以教材中的论述和计算方法为主。一、判断题（正确的打√，错误的打×）1．自动控制技术是机电一体化相关技术之一，直接影响系统的控制水平、精度、响应速度和稳定性。（√）[请见教材第135～136页5.1]2．计算机控制系统设计完成后，首先需要对整个系统进行系统调试，然后分别进行硬件和软件的调试。（×）[请见教材第160页(6)]说明：计算机控制系统设计完成以后，要对整个系统进行调试。调试步骤为硬件调试→软件调试→系统调试。故本题的论述时错误的，括号内应填入“×”。3．PLC完善的自诊断功能，能及时诊断出PLC系统的软件、硬件故障，并能保护故障现场，保证了PLC控制系统的工作安全性。（√）[请见教材第161页2.(1)中第5行～6行]4．现场总线系统采用一对一的设备连线，按控制回路分别进行连接，打破了传统控制系统的结构形式。（×）[请见教材第178～179页5.7.2第1自然段]5．需求设计是指新产品开发的整个生命周期内，从分析用户需求到以详细技术说明书的形式来描述满足用户需求产品的过程。（√）[请见教材第204页倒数第4行～3行]第2页共7页6．目前，大部分硬件接口和软件接口都已标准化或正在逐步标准化，设计时可以根据需要选择适当的接口，再配合接口编写相应的程序。（√）7．计算机控制系统的软件主要分为系统软件和应用软件，应用软件一般不需要用户设计，系统软件都要由用户自行编写，所以软件设计主要是系统软件设计。（×）[请见教材第159页(5)第1行～4行]8．反求设计是建立在概率统计基础之上，主要任务是提高产品的可靠性，延长使用寿命，降低维修费用。（×）[请见教材第232页6.6.3]说明：反求设计是对已有的产品或技术进行分析研究，进而对该系统（产品）进行剖析、重构、再创造的设计。故论述是错误的，括号内应填入“×”号。9．绿色设计是对已有的产品或技术进行分析研究，进而对该系统（产品）进行剖析、重构、再创造的设计。（×）[请见教材第235页第3行～5行]基本知识:绿色设计是在新产品（系统）的开发阶段，就考虑其整个生命周期内对环境的影响，从而减少对环境的污染、资源的浪费，消除在使用安全和人类健康等方面所产生的负作用。10．虚拟设计是在基于多媒体的、交互的、嵌入式的三维计算机辅助设计环境中进行实体建模和装配建模，生成精确的系统模型，并在同一环境中进行一些相关分析，从而满足工程设计和应用的需要。（√）[请见教材第238页第2行～6行]11．工业机器人驱动部分在控制信息作用下提供动力，包括电动、气动、液压等各种类型的传动方式。（√）[请见教材第243页(2)]12．数控机床中的计算机属于机电一体化系统的控制系统，而电机和主轴箱则属于系统的驱动部分。（×）[请见教材第101页4.4.1]说明：机电一体化系统主要是由机械本体、动力系统、检测传感系统、执行部件、信息处理及控制系统5个基本要素构成。数控机床中的计算机属于机电一体化系统信息处理及控制系统，电机属于动力驱动部分，主轴箱则属于机械本体。因此，本题的论述是错误的，括号内填入“×”。第3页共7页二、单选题1．有一脉冲电源，通过环形分配器将脉冲分配给五相十拍通电的步进电机定子励磁绕组，已知转子有24个齿，步进电机的步距角是（C）。A．0.6°B．1.2°C．1.5°D．2°说明：步进电机的步距角zm360，五相十拍运行拍数m=6，代入计算可知，1.523691024360。故括号内应填入“C”。基本知识：步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。2．步进电机转动后，其输出转矩随着工作频率增高而（×）。[请见教材第112页（5）第1行]A．上升B．下降C．不变D．前三种情况都有可能3．采用脉宽调制（PWM）进行直流电动机调速驱动时，通过改变（A）来改变电枢回路的平均电压，从而实现直流电动机的平滑调速。[请见教材第页121第9行]A．脉冲的宽度B．脉冲的频率C．脉冲的正负D．其他参数4．含有微处理器，可进行程序编制或适应条件变化的接口是（D）。[请见教材第165页第2行～3行]A．零接口B．被动接口C．主动接口D．智能接口说明：以控制微机（微电子系统）为出发点，将接口分为人机接口与机电接口两大类。机械系统与微第4页共7页电子系统之间的联系必须通过机电接口进行调整、匹配、缓冲，同时微电子系统的应用使机械系统具有“智能”，达到了较高的自动化程度，但该系统仍然离不开人的干预，必须在操作者的监控下进行。故括号内应填入“D”。5．HRGP-1A喷漆机器人中的活塞式液压缸属于系统中的（C）。[请见教材第252页第1行～2行]A．能源部分B．测试传感部分C．驱动部分D．执行机构说明：工业机器人一般由机械系统、驱动系统、控制系统、检测传感系统和人工智能系统等组成，对应上述论述，本题答案为“C”。6．HRGP-1A喷漆机器人中的手部属于系统中的（D）。[请见教材第243页第16行～17行]A．能源部分B．测试传感部分C．驱动部分D．执行机构7．通常，数控精密镗铣床等高精度数控设备，其伺服系统的控制方式均采用（B）。A．开环控制B．闭环控制C．半闭环控制D．混合控制[请见教材第255页第3行]说明：随着现代制造业的迅速发展，数控机床越来越多地被广泛应用，同时对数控机床定位精度、重复定位精度也日益提高，原来精密滚珠丝杠加编码器式的半闭环控制系统已无法满足用户的需求，因此精密镗铣床等高精度数控设备均采用闭环控制，以获得很好的精度。因此，本题答案为“B”。8．数控机床进给系统的伺服电机属于设备的（C）。A．能源部分B．测试传感部分C．驱动部分D．执行机构三、简答题1．何谓概念设计？简述概念设计的设计过程。答：概念设计：[请见教材第206页第8行～10行]概念设计的设计过程：[请见教材第208～218页]1.产品的功能设计(1)设计任务抽象化----确定总功能(2)总功能的分解第5页共7页①减少机械传动部件，使机械结构简单化，体积减小，提高系统的动态响应性能和运动精度。②注意选用标准、通用的功能模块，以避免功能模块在低水平上的重复设计，提高系统在模块级上的可靠性，加快设计开发速度。③充分运用硬件功能软件化原则，使硬件的组成最简化，使系统智能化。④以计算机系统为核心的设计策略。(3)确定功能结构①串联结构②并联结构③环形结构2.产品的原理方案设计3．设计方案的评价与筛选2．如何进行机电一体化系统的可靠性设计？答：[请见教材第228～230页6.6.11.](1)现代机械系统的可靠性设计①缩短传动链，减少元件数。②必要时增设备用元件或系统。③简化结构。标准化程度高、结构简单的零部件往往工艺性能好，制造和装配的质量易得到保证，故障的潜在因素易得到控制。④增加过载保护装置或自动停机装置。⑤设置监控系统。⑥合理地规定维修期。(2)控制系统的可靠性设计①自动控制②通过元器件的合理选择提高可靠性③对功率接口采用降额设计提高可靠性④采用监视定时器提高可靠性⑤采取抗干扰措施提高可靠性3．简述HRGP－1A喷漆机器人的示教再现过程。答：[请见教材第249页倒数第5行～7行]4．简述数控设备中计算机数控装置的组成和功能。答：数控装置是数控机床的核心，主要是将输入的数据信号进行处理运算，判断。并发出执行命令分配给伺服系统，伺服系统根据命令信号发出执行信号给各个驱动电机，电机带动工作台动作。数控装置的组成：数控装置接受来自信息载体的控制信息并转换成数控设备的操作(指令)信号。数控装置由输入接口、控制器、运算器、存储器和输出接口等五大部分组成。数控设备中计算机数控装置的功能是，读入数控加工程序，将其转换成控制机床运动和辅助功能要求的格式，分别送给进给电机控制单元、主轴电机控制单元和PLC，具有内置PLC功能的数控装置本身具有逻辑量解算功能，直接将解算结果送给机床强电控制系统。具有闭环控制功能的数控系统还会读入机床位置检测装置发出的实际位置信号，与指令位置比较后，用其差值控制机床的移动，可以获得较高的位置控第6页共7页制精度。具有闭环控制功能的数控系统还会读入机床位置检测装置发出的实际位置信号，与指令位置比较后，用其差值控制机床的移动，可以获得较高的位置控制精度。参考：数控装置的基本功能是：读入零件加工程序，根据加工程序所指定的零件形状，计算出刀具中心的移动轨迹，并按照程序指定的进给速度，求出每个微小的时间段（插补周期）内刀具应该移动的距离，把下一个时间段内刀具应该移动的距离送给伺服单元。主要是将输入的数据信号进行处理运算、判断，并发出执行命令分配给伺服系统，伺服系统根据命令信号发出执行信号给各个驱动电机，电机带动工作台、刀具或者旋转主轴等动作（这些动作包括主轴运动、进给运动或者辅助运动）。五、综合题1．某物料搬动机械手的结构如图所示，动作过程如图所示，要求机械手的操作方式分为手动方式和自动方式。机械手有升降、水平移动、手爪夹持等3个自由度，采用电磁阀控制的气缸驱动，PLC控制。要求写出物料搬动机械手设计和产品开发的详细工程路线。物料搬动机械手结构原理图第五阶段：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。2.某车间内的两条自动生产线上需要一款搬运机器人，用于生产线间的产品搬运，如果该款机器人解：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:物料搬运。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。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。该阶段的工作量既包括机械、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7页共7页采用概念设计，请制订出概念设计的流程。[请参见教材第208页6.3.2]答：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。包含以下流程：（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）对各功能模块输入/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。由于体现同