2025年注冊(cè)自動(dòng)化設(shè)備工程師考試自動(dòng)化設(shè)備設(shè)計(jì)專項(xiàng)訓(xùn)練試卷考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)述自動(dòng)化設(shè)備設(shè)計(jì)過(guò)程中，系統(tǒng)分析階段的主要任務(wù)和目標(biāo)。說(shuō)明在確定設(shè)備總體方案時(shí)，需要綜合考慮哪些關(guān)鍵因素。二、某自動(dòng)化設(shè)備選用三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)功率為1.5kW，額定轉(zhuǎn)速1500rpm，滾珠絲杠導(dǎo)程為10mm。假設(shè)傳動(dòng)系統(tǒng)總效率為80%，負(fù)載在啟動(dòng)和運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦力等效為持續(xù)靜載荷F=200N。請(qǐng)計(jì)算：1.電動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下的輸出轉(zhuǎn)矩。2.考慮摩擦力，等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩是多少？3.若選用安全系數(shù)為3的滾動(dòng)直線導(dǎo)軌，請(qǐng)估算所需導(dǎo)軌的基本額定動(dòng)載荷C0a（需說(shuō)明計(jì)算所依據(jù)的簡(jiǎn)化假設(shè)）。三、在設(shè)計(jì)自動(dòng)化設(shè)備的電氣控制柜時(shí)，需要選用斷路器作為電源總開(kāi)關(guān)。請(qǐng)說(shuō)明選擇斷路器時(shí)需要考慮的主要參數(shù)，并簡(jiǎn)述斷路器在電路中起到的作用。若某設(shè)備主電路額定電流為22A，負(fù)載為感性負(fù)載，請(qǐng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)原則，初步選擇一個(gè)合適的斷路器額定電流和額定電壓，并說(shuō)明理由。四、請(qǐng)闡述在設(shè)計(jì)自動(dòng)化設(shè)備控制系統(tǒng)時(shí)，進(jìn)行I/O點(diǎn)分配的基本原則。以一個(gè)包含送料、加工、檢測(cè)、輸送四個(gè)工位的簡(jiǎn)單自動(dòng)化生產(chǎn)線為例，說(shuō)明如何為PLC系統(tǒng)的輸入輸出點(diǎn)進(jìn)行初步分配（至少列出5個(gè)輸入點(diǎn)和5個(gè)輸出點(diǎn)，并說(shuō)明其功能）。五、在設(shè)計(jì)自動(dòng)化設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)時(shí)，為何要進(jìn)行強(qiáng)度和剛度校核？簡(jiǎn)述進(jìn)行靜力強(qiáng)度校核的基本思路和方法。若某設(shè)備結(jié)構(gòu)件在承受工作載荷時(shí)，其應(yīng)力分布不均勻，可能出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，請(qǐng)列舉三種常見(jiàn)的導(dǎo)致應(yīng)力集中的因素，并簡(jiǎn)述至少一種減小應(yīng)力集中的設(shè)計(jì)措施。六、選用傳感器時(shí)，請(qǐng)說(shuō)明“量程范圍”、“分辨率”、“精度”、“線性度”這四個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)的含義及其對(duì)設(shè)備性能的影響。在自動(dòng)化設(shè)備中，常使用接近開(kāi)關(guān)進(jìn)行物體檢測(cè)，請(qǐng)列舉至少三種不同的接近開(kāi)關(guān)類型，并簡(jiǎn)述它們的工作原理區(qū)別。七、請(qǐng)簡(jiǎn)述在自動(dòng)化設(shè)備設(shè)計(jì)中，安全設(shè)計(jì)需要遵循的基本原則。針對(duì)自動(dòng)化設(shè)備中常見(jiàn)的機(jī)械傷害（如擠壓、剪切、碰撞）和電氣危險(xiǎn)（如觸電、短路），分別提出至少兩種有效的防護(hù)措施。八、PLC程序是自動(dòng)化設(shè)備控制的核心。請(qǐng)說(shuō)明在PLC程序設(shè)計(jì)中，使用“啟保?！彪娐穼?shí)現(xiàn)電機(jī)啟動(dòng)、連續(xù)運(yùn)行和停止控制的邏輯思路。請(qǐng)用文字描述（或繪制簡(jiǎn)潔的邏輯框圖，無(wú)具體編程語(yǔ)言）實(shí)現(xiàn)該功能的梯形圖邏輯要點(diǎn)。九、某自動(dòng)化設(shè)備需要實(shí)現(xiàn)物料在兩個(gè)工位之間的精確傳送，要求從啟動(dòng)到停止全程平穩(wěn)，且定位精度較高。請(qǐng)分析采用伺服電機(jī)+滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)相對(duì)于采用步進(jìn)電機(jī)+齒輪齒條傳動(dòng)系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)該功能時(shí)的主要優(yōu)缺點(diǎn)。十、在自動(dòng)化設(shè)備設(shè)計(jì)完成后，需要進(jìn)行性能測(cè)試與驗(yàn)證。請(qǐng)列舉至少五項(xiàng)常見(jiàn)的性能測(cè)試指標(biāo)，并簡(jiǎn)述選擇這些指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試的原因。如果在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)設(shè)備實(shí)際性能未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，請(qǐng)簡(jiǎn)述可能的原因分析步驟。試卷答案一、自動(dòng)化設(shè)備設(shè)計(jì)過(guò)程中的系統(tǒng)分析階段，主要任務(wù)是深入理解用戶需求、生產(chǎn)工藝要求，分析設(shè)備要解決的核心問(wèn)題，明確設(shè)備應(yīng)具備的功能、性能指標(biāo)、工作環(huán)境、操作方式等。目標(biāo)是確定設(shè)備的總體技術(shù)路線、基本結(jié)構(gòu)形式和關(guān)鍵技術(shù)方案，為后續(xù)的詳細(xì)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。確定設(shè)備總體方案時(shí)，需要綜合考慮的因素包括：功能實(shí)現(xiàn)與性能指標(biāo)、生產(chǎn)工藝匹配度、設(shè)備成本（初始投資、運(yùn)行維護(hù)成本）、可靠性、安全性、可維護(hù)性、人機(jī)工程學(xué)、場(chǎng)地限制、能源消耗、技術(shù)成熟度、標(biāo)準(zhǔn)符合性、預(yù)期使用壽命等。二、1.電動(dòng)機(jī)額定輸出轉(zhuǎn)矩T_e=9550*P_n/n_n=9550*1.5kW/1500rpm=9.525N·m。2.考慮摩擦力，等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩T_L=F*d/(2*η*π)=200N*10mm/(2*80%*π)=15.92N·m。（假設(shè)摩擦力作用于絲杠中點(diǎn)，并簡(jiǎn)化為純摩擦阻力）3.所需導(dǎo)軌基本額定動(dòng)載荷C0a需滿足C0a≥K_f*T_L/f=K_f*15.92N·m/f。（其中K_f為載荷系數(shù)，f為基本動(dòng)載荷系數(shù)，通常查閱導(dǎo)軌手冊(cè)獲?。?。假設(shè)K_f=1.2（靜態(tài)負(fù)載），f=5.6（根據(jù)導(dǎo)軌尺寸和精度等級(jí)查表），則C0a≥1.2*15.92/5.6≈3.44kN。需選擇基本額定動(dòng)載荷C0a≥3.44kN的滾動(dòng)直線導(dǎo)軌，并考慮安全系數(shù)3，則C0a≥3.44*3≈10.32kN。選擇時(shí)需查閱導(dǎo)軌手冊(cè)，選擇標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)，如C0a≥12kN的導(dǎo)軌。計(jì)算假設(shè)了負(fù)載為靜態(tài)，作用在絲杠中點(diǎn)，未考慮動(dòng)態(tài)沖擊和絲杠預(yù)緊力的影響。三、選擇斷路器時(shí)需要考慮的主要參數(shù)有：額定電壓（應(yīng)等于或高于電路工作電壓）、額定電流（包括額定工作電流和額定短路分?jǐn)嗄芰Γ?、分?jǐn)嗄芰Γ↖cu）、額定短路關(guān)合電流（Ics）、動(dòng)作特性（如脫扣器類型：瞬時(shí)、短延時(shí)、長(zhǎng)延時(shí)）、極數(shù)（單極、雙極、三極、四極）等。斷路器在電路中起到過(guò)電流保護(hù)（防止設(shè)備過(guò)載和短路損壞）和欠電壓保護(hù)的作用，是電源的總開(kāi)關(guān)，用于隔離電路，便于維護(hù)檢修，并能在故障發(fā)生時(shí)快速切斷電源。初步選擇斷路器額定電流In≥I_n設(shè)備額定電流=22A?？紤]到為感性負(fù)載，可能需要一定的過(guò)載能力或選擇帶長(zhǎng)延時(shí)脫扣器的斷路器。初步選擇In=25A或32A。若選In=25A，額定電壓應(yīng)≥AC400V。理由：選擇的額定電流需大于設(shè)備正常工作的最大電流，并留有一定余量。25A或32A能滿足22A的需求，且常見(jiàn)產(chǎn)品規(guī)格。額定電壓選擇400V適用于工業(yè)交流電源。四、進(jìn)行PLC系統(tǒng)I/O點(diǎn)分配的基本原則包括：功能明確性、邏輯獨(dú)立性、電氣兼容性、安全隔離、減少干擾、方便維護(hù)、經(jīng)濟(jì)性等。輸入點(diǎn)分配需考慮信號(hào)類型（數(shù)字量、模擬量）、信號(hào)來(lái)源（傳感器、按鈕、開(kāi)關(guān)、設(shè)備狀態(tài)信號(hào)等）、信號(hào)電平與類型（有源/無(wú)源、常開(kāi)/常閉）、信號(hào)傳輸距離與干擾情況。輸出點(diǎn)分配需考慮負(fù)載類型（交流/直流、阻性/感性）、負(fù)載功率、驅(qū)動(dòng)方式（繼電器輸出、晶閘管輸出、晶體管輸出）、邏輯控制需求。例如：輸入點(diǎn)：I0.0：?jiǎn)?dòng)按鈕（常開(kāi)，有源）I0.1：急停按鈕（常閉，有源）I0.2：物料到位傳感器（常開(kāi)，有源）I0.3：加工完成信號(hào)（常開(kāi)，有源）I0.4：輸送到位傳感器（常開(kāi)，有源）輸出點(diǎn)：Q0.0：電機(jī)啟動(dòng)接觸器線圈（交流，常開(kāi)，有源）Q0.1：加工指令信號(hào)（常開(kāi)，有源）Q0.2：輸送指令信號(hào)（常開(kāi)，有源）Q0.3：指示燈（電源指示，交流，常亮）Q0.4：故障指示燈（常亮）五、進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核是為了確保結(jié)構(gòu)件在承受預(yù)期的最大工作載荷（靜態(tài)或動(dòng)態(tài)）時(shí)，其內(nèi)部應(yīng)力不超過(guò)材料的許用應(yīng)力，從而避免發(fā)生破壞或永久變形，保證設(shè)備的安全可靠運(yùn)行。剛度校核是為了確保結(jié)構(gòu)件在承受載荷時(shí)，其變形量（如撓度、位移）在允許的范圍內(nèi)，以保證設(shè)備的精度和正常工作?；舅悸肥牵河?jì)算或分析結(jié)構(gòu)件在載荷作用下的應(yīng)力分布和變形情況，將其最大值與材料的許用應(yīng)力、許用變形進(jìn)行比較。方法包括理論計(jì)算（如材料力學(xué)公式）、實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析（如應(yīng)變片測(cè)量）、有限元分析（FEA）等。導(dǎo)致應(yīng)力集中的因素主要有：零件外形突變處（如孔洞、缺口、臺(tái)階、溝槽）、材料不均勻或存在缺陷（夾雜物、裂紋）、載荷集中（如尖銳沖擊、接觸應(yīng)力）等。減小應(yīng)力集中的設(shè)計(jì)措施包括：在應(yīng)力集中處采用光滑過(guò)渡（如增大圓角半徑）、避免帶尖角的孔或缺口、采用卸載槽或加強(qiáng)筋、改善連接方式（如采用過(guò)渡配合）、選用塑性好的材料等。六、量程范圍是指?jìng)鞲衅髂軌驕y(cè)量物理量的最小值和最大值之間的范圍，決定了傳感器的適用場(chǎng)合。分辨率是指?jìng)鞲衅髂軌驒z測(cè)到的被測(cè)量的最小變化量，反映了傳感器的精細(xì)程度。精度是指?jìng)鞲衅鳒y(cè)量結(jié)果與真實(shí)值之間的接近程度，通常用絕對(duì)誤差或相對(duì)誤差表示。線性度是指?jìng)鞲衅鬏敵隽颗c輸入量之間關(guān)系的線性程度，即實(shí)際特性曲線與理想直線之間的最大偏差。這四個(gè)指標(biāo)都直接影響設(shè)備的測(cè)量準(zhǔn)確性和控制精度。量程選小了可能超量程損壞，選大了降低分辨率；精度低則測(cè)量結(jié)果不可靠；線性差會(huì)導(dǎo)致控制誤差隨量變化。接近開(kāi)關(guān)類型主要有：電感式（檢測(cè)金屬）、電容式（檢測(cè)各種物體）、光電式（分為對(duì)射式、反射式、穿透式）、超聲波式、霍爾效應(yīng)式等。工作原理區(qū)別：*電感式：利用高頻電磁場(chǎng)感應(yīng)金屬物體產(chǎn)生的渦流，導(dǎo)致振蕩電路阻抗變化，從而檢測(cè)金屬。*電容式：利用物體接近時(shí)改變傳感器與目標(biāo)之間電容的大小，導(dǎo)致振蕩電路頻率變化而檢測(cè)各種非金屬物體及金屬。*光電式：利用發(fā)射器和接收器之間的光線被物體阻擋或反射而改變，檢測(cè)物體。對(duì)射式適用于遠(yuǎn)距離檢測(cè)，反射式檢測(cè)靠近發(fā)射器的物體，穿透式利用光纖傳輸光線。*超聲波式：利用發(fā)射超聲波信號(hào)，經(jīng)物體反射后被接收器接收，根據(jù)時(shí)間差測(cè)量距離或檢測(cè)物體。*霍爾效應(yīng)式：利用霍爾元件在磁場(chǎng)變化時(shí)產(chǎn)生霍爾電壓的原理，檢測(cè)磁性物體或通過(guò)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)檢測(cè)物體。七、自動(dòng)化設(shè)備設(shè)計(jì)中，安全設(shè)計(jì)需要遵循的原則包括：安全優(yōu)先原則（安全是設(shè)計(jì)的首要考慮）、本質(zhì)安全原則（從源頭消除或減少危險(xiǎn)）、故障安全原則（系統(tǒng)故障時(shí)處于安全狀態(tài)）、標(biāo)準(zhǔn)符合性原則（滿足相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)）、可操作性原則（安全措施易于理解和執(zhí)行）、可檢查性原則（安全裝置易于檢查和維護(hù)）、冗余設(shè)計(jì)原則（關(guān)鍵安全功能多重保障）。針對(duì)機(jī)械傷害，防護(hù)措施包括：設(shè)置堅(jiān)固的防護(hù)罩、安全圍欄或光柵安全門(mén)，確保防護(hù)裝置的有效閉合和互鎖；采用急停按鈕，易于操作且能可靠停止設(shè)備；對(duì)運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行限位，防止超程碰撞；提供清晰的危險(xiǎn)區(qū)域警示標(biāo)識(shí)。針對(duì)電氣危險(xiǎn)，防護(hù)措施包括：采用TN-S等安全接地系統(tǒng)；保證設(shè)備外殼等正常不帶電部分良好接地；選用合適額定電壓和絕緣等級(jí)的電氣元件；設(shè)置漏電保護(hù)器（RCD/GFCI）；對(duì)高壓或特殊危險(xiǎn)區(qū)域采取更高級(jí)別的隔離和安全措施（如等電位連接、隔離變壓器）；進(jìn)行電氣安全檢查和認(rèn)證。八、使用“啟保停”電路實(shí)現(xiàn)電機(jī)啟動(dòng)、連續(xù)運(yùn)行和停止控制的邏輯思路是：?jiǎn)?dòng)時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，使控制電路接通，接觸器線圈得電吸合，主觸點(diǎn)閉合，電機(jī)啟動(dòng)。同時(shí)，接觸器輔助常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，實(shí)現(xiàn)自鎖，即使松開(kāi)啟動(dòng)按鈕，控制電路仍通過(guò)輔助常開(kāi)觸點(diǎn)保持接通狀態(tài)，電機(jī)持續(xù)運(yùn)行。停止時(shí)，按下停止按鈕，使控制電路斷開(kāi)，接觸器線圈失電釋放，主觸點(diǎn)斷開(kāi)，電機(jī)停止。同時(shí)，輔助常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，解除自鎖。梯形圖邏輯要點(diǎn)是：?jiǎn)?dòng)按鈕（SB1）常開(kāi)觸點(diǎn)串聯(lián)在停止按鈕（SB2）常閉觸點(diǎn)與接觸器線圈（KM）之間；接觸器線圈（KM）的輔助常開(kāi)觸點(diǎn)與停止按鈕（SB2）常閉觸點(diǎn)并聯(lián)；停止按鈕（SB2）常開(kāi)觸點(diǎn)用于手動(dòng)復(fù)位自鎖電路。九、伺服電機(jī)+滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)相對(duì)于步進(jìn)電機(jī)+齒輪齒條傳動(dòng)系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)精確傳送時(shí)的主要優(yōu)點(diǎn)包括：更高的定位精度和重復(fù)定位精度，因?yàn)樗欧到y(tǒng)是閉環(huán)控制，反饋精確；更寬的調(diào)速范圍和更平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)，伺服電機(jī)響應(yīng)快，無(wú)步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)丟失和共振問(wèn)題；更高的傳動(dòng)效率，滾珠絲杠效率通常高于齒輪齒條；更小的傳動(dòng)間隙，滾珠絲杠通常具有更低的軸向間隙。主要缺點(diǎn)可能包括：成本較高，伺服電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器及滾珠絲杠價(jià)格通常高于步進(jìn)電機(jī)和齒輪齒條；系統(tǒng)調(diào)試相對(duì)復(fù)雜，需要整定增益等參數(shù)；對(duì)安裝精度要求較高。十、常見(jiàn)的性能測(cè)試指標(biāo)包括：定位精度（終點(diǎn)定位誤差、軌跡精度）、重復(fù)定位精度、速度、加速度、運(yùn)行平穩(wěn)性（如jerk分析）、節(jié)拍時(shí)間（生產(chǎn)效率）、能耗、噪音水平、可靠性（如平均無(wú)故障時(shí)間MTBF）、安全性（符合標(biāo)準(zhǔn)要求）等。選擇這些指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試的原因是它們直接反映了設(shè)備能否滿足設(shè)計(jì)要求、性能是否優(yōu)良、運(yùn)行是否穩(wěn)定可靠、是否符合用戶需求和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)試結(jié)果可用于驗(yàn)證設(shè)計(jì)、評(píng)估不同方案優(yōu)劣、指導(dǎo)產(chǎn)品改進(jìn)和確定產(chǎn)品規(guī)格。如果在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)設(shè)備實(shí)際性能未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可