2025年機電工程課程體系試題及答案一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.某平面機構中，活動構件數(shù)為5，低副數(shù)為7，高副數(shù)為2，則該機構的自由度為（）。A.0B.1C.2D.32.三相異步電動機的旋轉磁場轉速與（）無關。A.電源頻率B.磁極對數(shù)C.轉差率D.電網(wǎng)電壓3.在PID控制器中，“I”參數(shù)的主要作用是（）。A.減小穩(wěn)態(tài)誤差B.加快響應速度C.抑制超調D.提高抗干擾能力4.以下哪種傳感器適用于非接觸式測量金屬表面的微小位移？（）A.電阻應變片B.電渦流傳感器C.熱電偶D.光電編碼器5.機械加工中，定位基準與工序基準不重合時產(chǎn)生的誤差屬于（）。A.基準不重合誤差B.基準位移誤差C.安裝誤差D.測量誤差6.下列哪項不是機電一體化系統(tǒng)的五大組成要素？（）A.機械本體B.動力系統(tǒng)C.網(wǎng)絡通信D.傳感檢測7.同步帶傳動與普通V帶傳動相比，最顯著的優(yōu)點是（）。A.傳動效率高B.允許線速度大C.無滑動、傳動比準確D.耐溫性好8.在PLC編程中，若需要實現(xiàn)“當按鈕SB1按下且溫度傳感器T1檢測值大于80℃時，啟動電機M1”，梯形圖應使用（）。A.串聯(lián)常開觸點B.并聯(lián)常開觸點C.串聯(lián)常閉觸點D.并聯(lián)常閉觸點9.某二階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為G(s)=4/(s2+2s+4)，其阻尼比ζ和無阻尼自然頻率ω?分別為（）。A.ζ=0.5，ω?=2B.ζ=1，ω?=4C.ζ=2，ω?=2D.ζ=0.5，ω?=410.工業(yè)機器人的重復定位精度主要反映（）。A.多次定位到同一點的位置分散程度B.定位到目標點的絕對誤差C.末端執(zhí)行器的最大工作范圍D.關節(jié)運動的速度穩(wěn)定性二、填空題（每題2分，共20分）1.機械零件的強度分為________強度和________強度，其中________強度是指零件在交變應力作用下抵抗破壞的能力。2.三相交流電路中，線電壓與相電壓的關系為________（星形連接且負載對稱時），線電流與相電流的關系為________（三角形連接且負載對稱時）。3.步進電動機的步距角θ=360°/(mzk)，其中m為________，z為________，k為________。4.金屬切削過程中，三個變形區(qū)分別是________、________和________，其中________是產(chǎn)生切削熱的主要區(qū)域。5.機電系統(tǒng)可靠性設計的常用方法包括________、________和________（至少答三種）。6.直流電動機的調速方法有________、________和________，其中________調速會導致轉速降低但機械特性變硬。7.齒輪傳動的主要失效形式有________、________、________、________和齒面塑性變形。8.傳感器的靜態(tài)特性指標包括________、________、________和________（至少答四種）。9.機械制造工藝規(guī)程的主要文件有________、________和________，其中________是最基本的工藝文件。10.工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）在機電系統(tǒng)中的典型應用包括________、________和________（至少答三種）。三、簡答題（每題8分，共40分）1.簡述機電一體化系統(tǒng)設計的基本步驟，并說明各步驟的核心任務。2.對比分析交流伺服電動機與步進電動機的特點及適用場景。3.說明機械加工工藝路線設計中“先基準后其他”“先主后次”“先粗后精”原則的具體含義及原因。4.列舉三種常見的機電系統(tǒng)抗干擾措施，并解釋其工作原理。5.簡述PID控制器中比例（P）、積分（I）、微分（D）環(huán)節(jié)的作用，以及參數(shù)整定的基本原則。四、計算題（每題15分，共30分）1.某機械軸類零件受對稱循環(huán)彎曲應力作用，材料為45鋼，σb=600MPa，σ1=275MPa，尺寸系數(shù)εσ=0.85，表面質量系數(shù)β=0.9，應力集中系數(shù)Kσ=1.5，許用安全系數(shù)[n]=1.8。已知該軸危險截面的最大彎曲應力σmax=120MPa，試校核其疲勞強度是否滿足要求（需寫出計算公式及關鍵步驟）。2.如圖1所示電路中，已知R1=10Ω，R2=20Ω，R3=30Ω，Us1=20V，Us2=10V，試用基爾霍夫定律求各支路電流I1、I2、I3（需標注電流參考方向并列出方程）。五、綜合分析題（20分）某企業(yè)需設計一套自動分揀系統(tǒng)，用于將不同材質（金屬、塑料、玻璃）、尺寸（長50200mm，寬30150mm）的工件按材質分揀至3個料箱。要求系統(tǒng)具備實時監(jiān)控、故障報警及與上位機通信功能。請從機械結構、傳感檢測、控制單元、執(zhí)行機構、通信模塊五個方面，分析系統(tǒng)設計的關鍵技術及解決方案。答案一、單項選擇題1.B2.C3.A4.B5.A6.C7.C8.A9.A10.A二、填空題1.靜；疲勞；疲勞2.U線=√3U相；I線=√3I相3.相數(shù)；轉子齒數(shù)；通電方式系數(shù)4.第一變形區(qū)（剪切滑移區(qū)）；第二變形區(qū)（前刀面摩擦區(qū)）；第三變形區(qū)（后刀面摩擦區(qū)）；第二變形區(qū)5.冗余設計；降額設計；熱設計（或環(huán)境防護設計、故障樹分析等）6.電樞回路串電阻；改變電樞電壓；改變勵磁磁通；改變電樞電壓7.齒面磨損；齒面接觸疲勞（點蝕）；齒根彎曲疲勞折斷；齒面膠合8.靈敏度；線性度；遲滯；重復性（或精度、分辨力等）9.工藝過程卡；工序卡；檢驗卡；工藝過程卡10.設備狀態(tài)監(jiān)測；預測性維護；生產(chǎn)數(shù)據(jù)可視化（或智能排產(chǎn)、能耗優(yōu)化等）三、簡答題1.機電一體化系統(tǒng)設計步驟及核心任務：①需求分析：明確系統(tǒng)功能、性能指標（如精度、速度、可靠性）及約束條件（成本、體積等）。②方案設計：確定系統(tǒng)總體結構（機械、電子、控制模塊劃分），選擇關鍵技術（如驅動方式、傳感器類型）。③詳細設計：完成機械結構（強度、剛度計算）、電路設計（硬件選型、PCB布局）、控制算法（PID、模糊控制等）的具體參數(shù)確定。④仿真與優(yōu)化：通過MATLAB、ADAMS等工具對機械動力學、控制系統(tǒng)穩(wěn)定性進行仿真，優(yōu)化參數(shù)。⑤樣機試制與測試：制造樣機并進行性能測試（如定位精度、響應時間），驗證是否滿足設計要求。⑥改進與定型：根據(jù)測試結果修正設計，最終完成系統(tǒng)定型。2.交流伺服電動機與步進電動機對比：特點：交流伺服電動機：閉環(huán)控制，調速范圍寬（可達1:10000），響應快（毫秒級），過載能力強（23倍額定轉矩），無失步現(xiàn)象，但結構復雜、成本高。步進電動機：開環(huán)控制，步距角固定（如1.8°），調速范圍較窄（1:100），低速轉矩大，控制簡單（脈沖信號驅動），但存在失步風險，高速轉矩下降明顯。適用場景：交流伺服：高精度、高動態(tài)響應場合（如數(shù)控機床、工業(yè)機器人）。步進電動機：低精度、低成本、低速定位場合（如3D打印機、小型自動化設備）。3.機械加工工藝路線設計原則：先基準后其他：首先加工定位基準面（如軸類零件的中心孔、箱體的底面），為后續(xù)工序提供精確的定位，保證加工精度。先主后次：優(yōu)先加工主要表面（如軸的配合面、齒輪的齒面），再加工次要表面（如鍵槽、螺紋孔），避免次要表面加工影響主要表面精度。先粗后精：先進行粗加工（去除大部分余量），再進行半精加工、精加工（保證尺寸、表面粗糙度），減少粗加工應力變形對精加工的影響，提高效率和精度。4.機電系統(tǒng)抗干擾措施及原理：①屏蔽技術：用金屬屏蔽罩包裹敏感電路（如傳感器信號線），通過靜電感應或電磁感應將干擾信號導入地，阻斷電磁場耦合干擾。②接地設計：采用單點接地（低頻）或多點接地（高頻），減少地環(huán)路電流，避免不同電路間的地電位差引起干擾。③濾波電路：在電源輸入側加LC濾波器或開關電源EMI濾波器，抑制高頻噪聲；在信號傳輸線加RC濾波器，濾除高頻干擾成分。④軟件抗干擾：通過數(shù)字濾波（如均值濾波、中值濾波）、冗余校驗（CRC校驗）等算法，剔除信號中的隨機干擾。5.PID環(huán)節(jié)作用及參數(shù)整定原則：P（比例）：成比例反映誤差，誤差越大，控制作用越強，加快響應速度；但過大易引起超調甚至震蕩。I（積分）：消除穩(wěn)態(tài)誤差，積分作用隨時間累積，適用于有靜差的系統(tǒng)；但過大易導致積分飽和，延長調節(jié)時間。D（微分）：預測誤差變化趨勢，提前抑制誤差增長，減小超調，改善動態(tài)性能；但對噪聲敏感，需配合濾波使用。整定原則：先比例后積分最后微分；比例系數(shù)由大到小調整至臨界震蕩，再根據(jù)經(jīng)驗公式（如ZieglerNichols法）確定I、D參數(shù)；實際中需結合系統(tǒng)響應曲線（超調量、調節(jié)時間）微調。四、計算題1.疲勞強度校核：計算當量應力幅：σa=σmax=120MPa（對稱循環(huán)，平均應力σm=0）計算綜合影響系數(shù)：Kσ總=Kσ/(εσβ)=1.5/(0.85×0.9)≈1.967計算許用應力幅：[σ1]=σ1/(Kσ總[n])=275/(1.967×1.8)≈77.6MPa比較：σa=120MPa>[σ1]=77.6MPa，故疲勞強度不滿足要求。2.基爾霍夫定律求解：設電流參考方向：I1從Us1正極流出，I2從Us2正極流出，I3從R3上端流向下端（節(jié)點a）。節(jié)點電流方程（節(jié)點a）：I1+I2=I3回路1（Us1R1R3）：Us1=I1R1+I3R3→20=10I1+30I3回路2（Us2R2R3）：Us2=I2R2+I3R3→10=20I2+30I3聯(lián)立方程：由I3=I1+I2代入回路1：20=10I1+30(I1+I2)=40I1+30I2回路2：10=20I2+30(I1+I2)=30I1+50I2解得：I1=0.5A，I2=0.1A，I3=0.6A五、綜合分析題系統(tǒng)設計關鍵技術及解決方案：1.機械結構：關鍵技術：工件輸送機構（需適應不同尺寸）、分揀執(zhí)行機構（快速準確推料）。方案：采用帶式輸送機（帶寬250mm，速度可調0.10.5m/s），通過可調擋板限制工件姿態(tài)；分揀執(zhí)行機構選用直線氣缸（行程200mm，響應時間<50ms），配柔性推板避免工件損傷。2.傳感檢測：關鍵技術：材質識別（金屬/塑料/玻璃）、尺寸測量。方案：金屬檢測用渦流式傳感器（檢測距離510mm），塑料/玻璃用近紅外光譜傳感器（分析反射光譜特征）；尺寸測量用激光位移傳感器（精度±0.1mm），安裝于輸送機兩側，通過三角測距原理檢測長、寬。3.控制單元：關鍵技術：多傳感器數(shù)據(jù)融合、分揀邏輯決策。方案：采用PLC（如西門子S71200）作為主控制器，通過ModbusRTU協(xié)議采集傳感器數(shù)據(jù)；建立材質尺寸數(shù)據(jù)庫，編程實現(xiàn)“先材質后尺寸”的分揀邏輯（如金屬件優(yōu)先，超過150mm的玻璃件單獨分揀）。4.執(zhí)行機構：關鍵技術：精確動作控制、防碰撞。方