5.答：1）机械本体；2）动力源；3）检测与传感装置；4）控制与信息处理装置；5）执行机构。

6.答：1）物流系统；2）能量流系统；3）信息流系统。

7.答：1）机电互补原则；2）功能优化原则；3）自动化、省力化原则；4）效益最大原则；5）开放性原则。

8.答：1）开发性设计；2）适应性设计；3）变异性设计。

第1章 机械系统设计

一、选择题

1.Ｃ；2.Ｂ；3.A；4.D；5.A；6.B；7.A；8.A；9.B；10.B；11.B；12.B；13.B；14.D；15.B；16.A；17.C；18.C；19.A；20.D；21.B；22.D；23.C；24.B；25.C；26.B；27.C；28.A；29.C；30.B；31.D 二、名词解释题

1.失动量：指启动或反向时，系统的输入运动与输出运动之间的差值。

2.等效负载转矩：将机电传动系统中各运动件的负载力矩或负载力在单位时间内所做的功折算到电动机轴上的等效总功所需要的负载转矩。

3.死区误差：指启动或反向时，系统的输入运动与输出运动之间的差值。 4.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。

5.载荷的类比法：是参照同类或相近的机械，根据经验或简单的计算确定所设计机械载荷的方法。

6.载荷的计算法：根据机械的功率和结构特点运用各种力学原理、经验公式或图表等计算确定载荷的方法。

7.等效负载转动惯量：是将机电传动系统中各运动件的转动惯量按动能折算到电动机轴上的等效转动惯量。

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8.滚珠丝杆螺母副的传动刚度：是丝杠本身的拉压刚度、丝杠螺母间的接触刚度以及轴承和轴承座的支承刚度组成的综合刚度。

9.峰值综合：若各种负载为非随机性负载，将各负载的峰值取代数和，折算到电动机轴上，称为等效峰值综合负载转矩

10.方和根综合：若各种负载为随机性负载，取各负载的方和根折算到电动机轴上，称为等效方和根综合负载转矩。

11.最佳总传动比：为了达到使系统响应快、精度高的要求，在设计时寻求使等效负载转矩值最小或负载加速度最大的齿轮传动副的总传动比，称为最佳总传动比。 12.压电晶体的逆压电效应：是指当对压电晶体施加激励电场，晶体介质将产生微小的弹性变形。 三、简述题

1.答：1）转动惯量：在不影响机械系统刚度的前提下，传动机构的质量和转动惯量应尽量减小，可提高系统的固有频率，增大响应速度，转动惯量大系统的负载力越大。2）刚度 ：刚度大系统固有频率高，系统响应快。 3）阻尼 ：阻尼越大，其最大振幅就越小且衰减也越快，阻尼大使系统的稳态误差增大、精度降低。 2.答：1）加预紧提高滚珠丝杠副和滚动导轨副的传动与支承刚度；2）采用大扭矩、宽调速的直流或交流伺服电机直接与丝杠螺母副连接以减少中间传动机构；3）在丝杠的支承设计中采用两端轴向预紧或预拉伸支承结构等。

3.答：转动惯量小：在不影响机械系统刚度的前提下，传动机构的质量和转动惯量应尽量减小。

1)转动惯量大会对系统造成不良影响，机械负载增大；2)转动惯量大系统响应速度降低，灵敏度下降；3)转动惯量大系统固有频率减小，容易产生谐振。

4.答：1）采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件。2）缩短传动链，提高传动与支承刚度。3）选用最佳传动比。4）缩小反向死区误差。5）改进支承及支架的结构设计以提高刚性、减少振动、降低噪声。

机电一体化系统设计习题集 第 42 页

5.答：1）轴向消隙法；2）径向消隙法；3）周向消隙法。 6.答：刚度是使弹性体产生单位变形量所需的作用力。

①伺服系统刚度越大则动力损失随之减小； ②刚度越大机构固有频率越高，超出机构的频带宽度，使之不易产生共振；③刚度越大闭环伺服系统的稳定性越高。 7.答：在传动系统中，转动惯量增大使机械负载增加，功率消耗大；使系统相应速度变慢，降低灵敏度；使系统固有频率下降，容易产生谐振。

8.答：减小机械系统的传动误差可采用的结构措施有：适当提高零部件本身的精度；合理设计传动链，减小零部件制造、装配误差对传动精度的影响；采用消隙机构，以减小或消除回程误差。 四、综合应用题

1.解：（1）计算各传动件的转动惯量

材料密度??7.8?103Kg/m3，齿轮的计算直径按分度圆直径计算，丝杠的计算直径取中径。

1??d4l2由 J?md?

832Jz1???7.8?103?0.044?0.0232?3.92?10?5kg?m2

Jz2???7.8?103?0.094?0.0232?1.0?10?3kg?m2

Js???7.8?103?0.034?0.832?4.96?10?4kg?m2

工作台折算到丝杠上的转动惯量为

?P??0.005??42JG?m?h??200???1.2?10kg?m

?2???2??机电一体化系统设计习题集 第 43 页

22（2）折算到电机轴上的转动惯量

1?Jz2?Js?JG?i21?3.92?10?5?1.0?10?3?4.96?10?4?1.2?10?422.25Je?Jz1????3.58?10?4kg?m2

2.解：（1）求计算载荷

由题设条件，查题2表取：KF＝1.2，KH＝1.0，KA＝1.0 则计算载荷 Fc＝KFKHKAFm＝1.2×1.0×1.0×3600＝4320 N （2）计算所要求的额定动载荷Ca′

预期使用寿命 Lh′＝6×250×10＝15000h 并代入 nm＝120r/min，FC＝4320N ?nmLh??4320?3120?15000?20563N 41.67?10Ca?Fc31.67?104

3.解：系统中伺服电动机的每转脉冲数

m?360???360?24 脉冲/转 15由图可知，该传动系统是两级齿轮减速传动，根据开环步进数控系统的传动比计算公式计算系统总传动比得：

3600??360??0.005u???0.02；i?1u?50 ???Ph15?6按最小惯量条件，总传动比与各级传动比之间的关系为

i1?(2i2)将系统的传动比代入计算得

12?(2i2)6

1机电一体化系统设计习题集 第 44 页