1、机电一体化技术参考答案课后练习0 参考答案0-1什么是机电一体化？答：“机电一体化”一词的英文名词是“Mechatronics”，它是取Mechanics（机械学）的前半部分和Electronics（电子学）的后半部分拼合而成。机电一体化是在以机械、电子技术和计算机科学为主的多门学科相互渗透、相互结合过程中逐渐形成和发展起来的一门新兴边缘技术学科，而机电一体化产品是在机械产品的基础上，采用微电子技术和计算机技术生产出来的新一代产品。机电一体化技术同时也是工程领域不同种类技术的综合及集合，它是建立在机械技术、微电子技术、计算机和信息处理技术、自动控制技术、电力电子技术、伺服驱动技术以及系统总体技
2、术基础之上的一种高新技术。0-2试分析机电一体化技术的组成及相关关系。答：机电一体化是多学科技术的综合应用，是技术密集型的系统工程。这些技术主要体现在以下六个方面：1）精密机械技术（基础）；2）检测传感技术（感官）关键技术；3）信息处理技术（计算机）；4）自动控制技术（最佳化）；5）伺服传动技术（传动，分液压和电气）；6）系统总体技术（整体）等。机电一体化实际上是机、电、液、气、光、磁一体化的统称。0-3试简述机电一体化系统的设计方法。答：（1）取代法取代法就是用电气控制取代原系统中的机械控制机构。该方法是改造旧产品、开发新产品或对原系统进行技术改造常用的方法，也是改造传统机械产品的常用方法。
3、 （2）整体设计法整体设计法主要用于新产品的开发设计。在设计时完全从系统的整体目标出发，考虑各子系统的设计。 （3）组合法组合法就是选用各种标准功能模块组合设计成机电一体化系统。0-4机电一体化系统中的接口的作用。答：接口主要完成电平转换、信号隔离、放大、滤波、速度匹配等。0-5试分析机电一体化技术在打印机中的应用。答：打印机是典型的机电光一体化产品，机械、电子、光学、材料等领域的新技术大量地应用在打印机产品中，并推动打印机向自动化、人性化、多样化及更好地满足用户多种需求的方向发展。平推式走纸通道技术减少了由于纸张弯曲、卡纸造成的打印偏差，也使打印存折等复杂介质成为可能；平推式走纸还使纸张的进
4、退纸速度加快，提高了柜台业务处理速度；而利用传感器判断纸张边界的纸张定位技术使打印内容的定位更加准确，使用户只需将纸张放入打印机即可，不必再调整纸张进纸位置这些技术促进了平推式票据打印机的发展。 引入LCD显示技术使打印机面板不再单调，液晶屏可以显示打印机状态、版本信息等内容，便于进行参数设置，使人机交流更加轻松，操作更加简单；Flash下载技术使打印机可以直接通过主机下载升级程序，改变了以往需要专业工程师拆机更换芯片的麻烦，升级更加方便、快捷，甚至用户都可以自己动手过一把“下载升级”的瘾；一些打印机厂商还根据用户的需要开发出了双用户模式，使打印机可以同时使用串口和并口进行打印，达到一机多用、
5、一机多联的功能；部分高档的存折打印机还配备有磁条读写模块，使打印机不仅能够打印，还具有自动读取存折磁条信息的功能存折进入打印机后，读写磁条信息、打印存折内容一气呵成，使柜台打印业务处理更高效，且保密性更好。 借助磁码打印技术（需特殊色带和打印装置）可使打印输出既具有可读性，又具有防伪、机读等特性，加强了系统的安全性、保密性、高效性。 安装了网卡的打印机可以实现多机共享、远程控制、远程管理、远程诊断功能；安装了无线网卡就可实现无线操作；再加上自动翻页装置就可实现自助补登功能。 安装了扫描头的打印机可以同时进行扫描工作，使打印机具有了输入设备的功能，而配备IC卡读写器的打印机还可以同时进行IC卡的
6、读写工作，这就大大节省了柜台的宝贵空间。0-6试分析家用洗衣机脱水系统的工作原理，如何体现机电一体化技术的。答：自动洗衣机工作原理：家用洗衣机工作主要有洗涤和脱水。双桶洗衣机虽然方便，但仍需人力将衣物从洗衣桶中捞入脱水桶中。全自动洗衣机作为将人们从繁复的家务劳动中解放出来的好助手，愈来愈受到消费者的喜爱。全自动洗衣机综综合运用了大量力学、电学、光学等知识。全自动洗衣机的最大特点就是洗涤、漂洗、脱水过程全部自动化，无需人为的照料，因此这种机型引起更多用户的兴趣。洗涤和脱水属于机械运转，但自动洗衣机的机械运转靠微电脑控制，它不是单纯的机械运转，所以说自动洗衣机是机电一体化产品。洗涤过程：A制动，B
7、放开，运动经电机、带传动、中心齿轮、行星轮、行星架、波轮；脱水过程：A放开，B制动，运动经电机、带传动、内齿圈（脱水桶）；中心齿轮、行星架、波轮与脱水桶等速旋转。家用自动洗衣机依靠波轮与脱水桶的旋转完成洗涤、脱水工序。智能控制的全自动洗衣机还可以自动判断水温、水位、衣质衣量、衣物的脏污情况，决定投放适量的洗涤剂和最佳的洗涤程序。当洗衣桶内衣物的多少和质地不同，而注入水使其达到相同的水位时，其总重量是不同的。利用这一点，通过对洗衣电动机低速转动后的惯性测量，可以判断衣质和衣量。模糊控制全自动洗衣机：由盛水桶、脱水桶、传动机构、模糊控制器等组成的，是典型的机电一体化产品。0-7列举各行业机电一体化
8、产品的应用实例，并分析各产品中相关技术应用情况。答：机电一体化产品涉及工业生产、科学研究、人民生活、医疗卫生等各个领域，如集成电路自动生产线、激光切割设备、印刷设备、家用电器、汽车电子化、微型机械、飞机、雷达、医学仪器、环境监测等。以制造业为例，机电一体化技术在制造业的应用从一般的数控机床、加工中心和机械手发展到智能机器人、柔性制造系统（FMS）、无人生产车间和将设计、制造、销售、管理集于一体的计算机集成制造系统（CIMS）。综合应用了精密机械技术、计算机技术、控制技术、信息处理技术、伺服传动技术、系统总体技术等。如智能机器人中行走机构就应用了机械技术，伺服传动技术；其智能控制部分则要用到传感
9、检测技术、控制技术以及计算机技术等。课后练习1 参考答案1-1简述滚珠丝杠副的特点。答：1.传动效率高；2.传动精度高；3.可微量进给；4.同步性好；5.高可靠性。1-2滚珠丝杠副的轴向间隙对系统有何影响？如何处理？答：滚珠丝杠副在使用过程中，除了要求本身单一方向的传动精度较高以外，还对其轴向间隙有着严格的要求，从而保证其反向的传动精度，滚珠丝杠副的轴向间隙是承载时在滚珠与滚道型面接触点的弹性变形所引起的螺母位移量和螺母原有间隙的总和。在滚珠丝杠机构中，一般采取双螺母预紧的方法，将弹性变形控制在最小限度内，从而减小或部分消除轴向间隙，从而可以提高滚珠丝杠副的刚度。1-3直线导轨机构的特点有哪些
10、？答：1具有良好的自动调心能力；2具有良好的互换性；3所有方向都具有高刚性。1-4直线导轨在选用时要注意哪些问题？答：1）精度不干涉原则：导轨的各项精度不管是在制造过程中，还是在使用过程中都不能互相影响，这样才能获得较高的精度。2）动摩擦系数相近的原则：在选用滚动直线导轨或者塑料直线导轨时，由于其摩擦系数都比较小，所以应尽量将动摩擦系数相近，从而获得较低的运动速度和较高的重复定位精度。3）导轨自动贴合原则：直线导轨需要较高的精度，就必须使得相互结合的导轨有自动贴合的性能。直线导轨如果水平安装，需能依靠自身的重力来进行贴合，其他布置方式时，能依靠附加的弹簧力或者其他压力来进行贴合。1-5谐波齿轮
11、减速器有哪几种结构类型？答1.按变形波数可分为：单波传动；双波传动；三波传动；2. 按传动级数可分为：单级谐波齿轮传动；双级谐波齿轮传动；封闭谐波齿轮传动（复波传动）。1-6谐波齿轮减速器如何计算传动比？答：谐波齿轮传动机构中，只有波发生器、刚轮和柔轮这三个基本构件。假设波发生器相当于行星轮系的转臂H，柔轮相当于行星轮R，刚轮相当于中心轮G，则课后练习2 参考答案2-1 衣物的多少、面料的软硬、脏污程度等相关信息洗衣机如何获取？答：根据传感器接收的信息，洗衣机判断出衣物多少，面料软硬和脏污程度、脏污性质，推理作出模糊决策。2-2 模糊洗衣机控制器的输入、输出控制系统由哪几部分组成？答：模糊洗衣
12、机的控制器是一个多输入、多输出的控制系统。输入变量有布质、布量、脏污程度、脏污性质、温度。输出变量有水位、水流、洗涤时间、脱水时间、洗涤剂投放量、漂洗方式和次数6种结果。2-3 未来洗衣机的发展趋势有哪几个方面？ 答：第一,今后的洗衣机将更加注重水和洗衣剂之间的比例。第二，今后的洗衣机将在杀菌功能上继续创新。第三，未来，更多的洗衣机将加入自动烘干功能。2-4什么是机器视觉检测技术？答：机器视觉是一项综合技术，其中包括数字图像处理、机械工程、自动控制、电光源照明、光学成像、传感器、模拟与数字视频，计算机软硬件，人机接口等。这些技术在机器视觉中是并列关系，相互协调应用才能构成一个成功的机器视觉应用
13、系统。它是采用各种成像系统代替视觉器官作为输入信息手段，由计算机来代替大脑完成处理和分析，分析结果被用来报告售息（探测结果）、控制生产过程或移动产品。2-5 机器视觉检测技术中：光源的种类有哪些？不同光源的特点是什么？光照方式有几种？不同光照方式的用途是什么？答：有日光灯、白炽灯和LED等。种类 名称成本亮度稳定度使用寿命复杂设计温度影响荧光灯低差差一般低一般白炽灯低好一般一般一般差LED光源一般一般好好高低（1） 直前光照明：光源直接照射物体，光主要集中在被照明区域中心，经物体反射后的光传递给摄像头，可能产生照明不匀。（2）扩散光照明：散色光照射到物体正面，光线没有方向性，可以利用不同的角度
14、的扩散光使得到的图像更平衡。（3）背景照明：光源位于物体背面，这种照明方法是将被测物放在光源和摄像头之间，它的优点是能获得比较清晰精确的边缘。（4）暗场照明：低角度的光源（水平角度大约为10-15度）能够影射出表面的轮廓。（5）轴线照明：可以得到均匀的，高亮度的光，比较适合检测反射比较厉害的表面缺陷。2-6 综合机器视觉检测技术课程内容，在设计一个机器视觉检测系统时，设计 过程应如何进行，需重点考虑什么问题？答：1）选取合理的光源； 2）选取合适的镜头； 3）选取合适的信息处理系统； 4）设计合理的检测控制系统； 5）针对用户需求根据软件设计相对应的程序。应该重点考虑光照的方式和图像提取的方法
15、，合理的光照可以让采集系统得到高质量的图像，简化软件算法，提高检测速度。合适的提取方法可以是任务完成的更轻松出色。同时，由于机器视觉是一种比较复杂的系统，大多数系统检测对象都是运动的物体，系统与运动物体的匹配和协调动作尤为重要，所以系统给各部分的动作时间和处理速度带来了严格的要求。2-7 简述偏心转动式传感器的组成与结构。答：偏心转动式传感器由偏心转动质量的转动平板、旋转触点与固定触点、螺旋弹簧构成。当汽车正常行驶时，转动平板利用螺旋弹簧阿回复力被拉回，处于平衡状态，此时转子上安装的旋转触点与固定触点不接触。当车辆受到正面碰撞且速度达到设定位时，偏心转动质量带动转子板旋转，使旋转触点与固定触点
16、接触，从面向ECU发出闭合电路信号。2-8 安全气囊检修注意事项有哪些？答：（1）非安全气囊专业维修人员不得进行安全气囊的检查、维修。 （2）在开始检修前，应将时钟、防盗与音响系统的内容记录下来，有电动倾斜和伸缩转向系统、电动车外后视镜、电动座椅及电动肩带系统装置的车辆，维修后应重新调整和设置存储。禁止使用车外备用电源。 （3）对安全气囊进行检修作业时，先将点火开关置于锁止位置，然后再断开蓄电池负极，等待3min。 （4）气囊拆下放置时，应将缓冲垫（软面）朝上，且要远离水、机油、油脂、清洁剂等物。 （5）对不同车型的安全气囊系统故障码的读取与消除方法应加以区别。 （6）禁止对安全气囊或点火器进
17、行加热或企图用工具打开。 （7）拆卸时应注意保护安全气囊组件，特别是连接器。电焊作业前，应拔出转向柱下多功能开关附近的连接器，对安全气囊系统进行安全保护。 （8）拆卸已经起爆的安全气囊后，应洗手，如有杂质进入眼睛内，应立刻用清水冲洗以防受到损伤。 （9）安全气囊的元器件要保证使用原厂包装，牌号必须一破。传感器安装架已经变形时，不论安全气囊是否爆开都必须更换新倍感器，同时对传感器安装部位进行修复，使传感器外壳方向标记朝向汽车前方。对于已经爆开的安全气囊，必须全部更换新件。 （10）安装时必须按规定拧紧力矩将控制装置安装牢固。安装线束时，注意线束不要教其他零部件挤压，也不要交叉穿越其他零部件。 （
18、11）安装好安全气囊系统后方可测试电气，禁止使用模拟式万用表测试，只能使用数字式万用表测试。 （12）安装前应关闭点火开关，接通蓄电池后打开点火开关，务必注意头不要在安全气囊打开的轨迹之内活动。 （13）应妥善处理安全气囊系统的废旧器件，在引爆废旧安全气囊时，需注意自身和周围人的安全，尽量避开居民区和人多的地方，选择个通风场所，并采取安全措施。引爆完毕，待气囊冷却、烟尘散尽后( 10min )，人才可靠近。 （14）严禁分解已引爆的气囊，因气囊中没有任何可维护的零部件，更不能修理和再次使用已引爆的气囊。 （15）对于不能被引爆的气囊应妥善保管，并及时进行处理。2-9 安全气囊系统使用与维护中的
19、注意事项有哪些？答： （1）安全气囊必须和安全带配合使用。（2）注意日常检查。（3）及时排除安全气囊的故障，否则会产生严重后果。（4）避免高温。（5）避免意外碰撞和震动。（6）不要擅自改变安全气囊系统及其周边布置。（7）乘员尽量坐后排。（8）严格按照规范保管安全气囊系统元器件。课后练习3参考答案3-1、单片机在控制步进电动机时，转速如何控制？答：转速通过改变脉冲的周期来实现：脉冲周期=通电时间+断电时间。通电时，单片机输出高电平使开关闭合；断电时，单片机输出低电平使开关断开。通电和断电时间的控制，可以用定时器，也可以用软件延时。周期决定了步进电机的转速，占空比决定了功率，脉冲高度决定了元器件。
20、转向控制上可以改变相序可以实现正反转。旋转方向与内部绕组的通电顺序有关，步进电机方向信号指定各相导通的先后次序，用以改变步进电机旋转方向。 3-2、激光熔覆自动送粉器的时间常数如何确定？答：由于定时/计数器以加1方式计数，假定计数值为X，则装入定时/计数器的初值为,取决于定时/计数器的工作方式。每个机器周期（设为）包括12个振荡周期，控制系统的晶振频率先为12。则定时时间为：应装入定时/计数器的初值为：3-3、火花机在建立伺服控制系统时应注意哪几个环节？答：1、给定值的采样。2、角度值的读取。3、控制量的计算。课后练习4参考答案4-1 什么是PLC ？答：PLC是可编程逻辑控制器的简称，PLC
21、是在电器控制技术和计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成为以微处理器为核心，将自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业控制装置。4-2 一般情况下为什么不允许双线圈输出？答：对于“双线圈输出”，有些PLC将其视为语法错误，绝对不允许；有些PLC则将前面的输出视为无效，只有最后一次输出有效；而有些PLC在含有跳转、步进等指令的梯形图中允许双线圈输出，所以一般情况下不允许双线圈输出。4-3 在PLC的外部输入电路中，为什么要尽量少用常闭触点？答：这主要是为了保持梯形图和继电器电路图中触点类型的一致性。PLC实际上只能识别输入端外接电路的通、断，并不知道外接的是常开触点还是常闭触点，或
22、者是多个触点组成的复杂电路。4-4 接通延时定时器和保持型接通延时定时器有何区别？答：接通延时定时器用于单一间隔的定时，而保持型接通延时定时器用于多次间隔的累积定时，其构成和工作原理与接通延时定时器类似，不同之处在于保持型接通延时定时器在使能端为0时，当前值将被保存；当使能端有效时，在原保持值上继续递增。4-5 设计满足图4-53所示时序的梯形图。a) b)图4-52 时序图答： a) b)4-6 设计周期为10s、占空比为30%的方波输出信号程序。答：4-7 设计一由定时器组成的振荡电路。答：4-8 根据图4-53所给程序结构图，分析程序执行情况，并将分析结果填入表格。图4-53 程序结构图
23、及分析结果答：4-9 有3台电动机M1M3，在手动操作方式下分别用每个电动机各自的启停按钮控制它们的启停状态；在自动操作方式下按下启动按钮，M1M3每隔5s依次启动；按下停止按钮，M1M3同时停止。试采用跳转/标号指令的程序结构实现PLC程序控制。答：4-10 送料车运行如图4-54所示，该车由电动机拖动，电动机正转，车子前进，电动机反转，车子后退。对送料车的控制要求如下：（1）单周工作方式：每按动送料按钮，预先装满料的车子便自动前进，到达卸料处（SQ2）自动停下来卸料，经延时t1时间后，卸料完毕，车子自动返回装料处（SQ1），装满料待命。再按动送料按钮，重复上述过程。（2）自动循环方式：要求
24、车子在装料处装满料后就自动前进送料，即延时t2装满料后，不需等按动送料按钮，车子再次前进，重复上述过程，实现送料车自动送料。 试采用多种程序结构编制满足要求的PLC程序。图4-54 运料车运行答：主程序:子程序0：子程序1：课后练习5参考答案5-1. 试说明三坐标测量机与数控机床的区别？答：数控机床（NC Machine）就是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。它是一种综合应用计算机技术、自动控制技术、精密测量技术、通信技术和精密机械技术等先进技术的典型的机电一体化产品。三坐标测量机(Coordinate Measuring Machine, CMM) 是指在一个六面体的空间范
25、围内，能够表现几何形状、长度及圆周分度等测量能力的仪器，通常配有计算机进行数据处理和控制操作，又称为三坐标测量仪或三次元。三坐标测量机是以精密机械为基础，综合应用电子技术、计算机技术、光栅与激光干涉技术等先进技术的检测仪器。数控机床和三坐标测量机两者都必须具有高精度的机械系统（X、Y、Z轴）,用于加工或测量工件。现代高性能激光测量系统更是用于数控机床以及三坐标测量机等高档设备。三坐标测量机在现代设计制造流程中，可将实物转变为CAD模型相关的数字化信息，借助绘图设备和绘图软件得到复杂零件的设计图样，即生成各种CAD数据；或应用软件生成CNC加工程序，并与数控机床配合使用。数控机床也可加以辅助测量
26、装置改造成三坐标测量机床。5-2. 试举出几例生活中你所碰到的典型机电一体化系统，并说明其机电控制原理？答：激光打印机是典型机、电、光一体化产品，激光打印机是由激光器、声光调制器、高频驱动、扫描器、同步器及光偏转器等组成，其作用是把接口电路送来的二进制点阵信息调制在激光束上，之后扫描到感光体上。感光体与照相机构组成电子照相转印系统，把射到感光鼓上的图文映像转印到打印纸上，其原理与复印机相同。激光打印机是将激光扫描技术和电子显像技术相结合的非击打输出设备。5-3. 谈谈你设想的3D打印机的发展未来。答：3D打印是未来的科技趋势，将从各种方面改变人类的生活。当然从目前来看，它还局限于诸如医学、设计
27、、建筑等专业领域，但不能否认的一个现象是，低成本的3D打印机越来越多，厂商也有意将其消费化，那么对于普通用户来说，3D打印便可能成为一种低成本的家庭生产工具。尽管3D打印技术是一项高速发展的新科技，但仅仅是迈出了第一步。目前，大部分的3D打印机仍仅仅局限于打印ABS等塑料材质，由于需要热溶解并再造成形，一些用户也对产生的气体是否安全而产生质疑。值得注意的是，一些使用木材、石头甚至是盐的新型3D打印机也正在研发中，包括美国加州奥克兰的Emerging Objects和位于德国相关公司，都推出了能够兼容其他材质的3D打印机。5-4. 参观绘图仪工作现场，并试操作完成绘图输出。（任课老师带领学生去实
28、验室或实习单位参观绘图仪工作现场，并试操作完成绘图输出）5-5. 参观或观看3D打印机工作视频。（任课老师带领学生参观或观看3D打印机工作视频）5-6. 试设计简单的机电一体化系统产品，画出其原理图、说明其功能及创新之处？（学生在任课老师指导下完成设计、画图）课后练习6参考答案6-1. 工业机器人主要由哪几部分组成?各组成部分起什么作用?答：机器人系统可以分成四大部分：机器人执行机构、驱动装置、控制系统、感知反馈系统。执行机构是机器人完成作业的机械实体，具有和手臂相似的动作功能，是可在空间抓放物体或进行其它操作的机械装置。驱动装置由驱动器、减速器和内部检测元件等组成，用来为操作机各运动部件提供
29、动力和运动。控制系统是机器人的核心，包括机器人主控制器和关节伺服控制器两部分，其主要任务是根据机器人的作业指令程序以及从传感器反馈回来的信号支配机器人的执行机构去完成规定的运动和功能。感知系统主要由内部传感器模块和外部传感器模块组成，获取内部和外部环境状态中有意义的信息。6-2. 按操作机坐标形式、控制方式、几何结构类型、驱动方式，工业机器人各分为那些类?答：按操作机坐标形式，工业机器人可分为：直角坐标式机器人、圆柱坐标式机器人、球坐标式机器人、关节坐标式机器人、平面关节式机器人。按控制方式，工业机器人可分为：点位控制、连续轨迹控制。按几何结构类型，工业机器人可分为：开环机构和闭环机构。按驱动
30、方式，工业机器人可分为：气力驱动式、液力驱动式、电力驱动式、新型驱动方式。6-3. 工业机器人操作机的主要组成部分有哪些?工业机器人的自由度数取决于什么?答：工业机器人操作机主要包括机座、立柱、手臂、手腕和手部等部分。工业机器人的自由度数取决于作业目标所要求的动作。6-4. 并联机器人机构的种类有哪些？答：并联机器人机构可具有26个自由度。其中2自由度的占有10.5%，3、6自由度的各占40%，4自由度的占6%，5自由度的占3.5%。6-5. 常见管道检测机器人检测方式有哪些？答：管道检测机器人常见检测方式有漏磁检测、远场涡流检测及磁记忆检测。6-6. 一般工业机器人采用几级计算机控制?各为什
31、么级?各级主要由哪些部分组成?其功能是什么?答：目前大部分工业机器人都采用二级计算机控制，第一级为主控制级，第二级为伺服控制级。主控制级由主控制计算机及示教盒等外围设备组成，主要用于接受作业指令，协调关节运动，控制运动轨迹，完成作业操作。伺服控制级为一组伺服控制系统，其主体亦为计算机，每一伺服控制系统对应一定关节，用于接收主控制计算机向各关节发出的位置、速度等运动指令信号，以实时控制操作机各关节的运行。课后练习7参考答案7-1 THMSRX-2型柔性系统由哪几个单元构成？答：主要由上料检测单元、搬运单元、加工与检测单元、安装单元、安装搬运单元、分类单元和主控单元构成。7-2 柔性制造系统有哪些优点？答：（1）设备利用率高（2）减少设备投资（3）减少直接工时费用（4）减少了工序中在制品量，缩短了生产准备时间（5）改进生产要求有快速应变能力（6）维持生产的能力（7）产品质量高（8） 运行的灵活性（9） 产量的灵活性7-3 加工系统主要由哪部分组成？答：加工系统主要由数控机床、加工中心等加工设备（有的还带有工件清洗、在线检测等辅助与检
