機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)考試試題及答案考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在括號(hào)內(nèi)）1.下列哪個(gè)不是機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)的核心課程？（A）機(jī)械制圖（B）電路分析基礎(chǔ)（C）機(jī)械設(shè)計(jì)（D）控制工程基礎(chǔ)2.在進(jìn)行材料力學(xué)性能分析時(shí)，衡量材料抵抗永久變形能力的指標(biāo)是？（A）彈性模量（B）屈服強(qiáng)度（C）疲勞極限（D）硬度3.平面四桿機(jī)構(gòu)中，若存在一個(gè)曲柄和一個(gè)搖桿，則該機(jī)構(gòu)屬于？（A）雙曲柄機(jī)構(gòu)（B）雙搖桿機(jī)構(gòu)（C）曲柄搖桿機(jī)構(gòu)（D）導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)4.在機(jī)械設(shè)計(jì)中，零件的標(biāo)準(zhǔn)化主要目的是？（A）提高加工精度（B）降低制造成本（C）增強(qiáng)零件剛度（D）減小零件重量5.靜態(tài)強(qiáng)度校核中，通常將材料的許用應(yīng)力取為？（A）屈服極限（B）強(qiáng)度極限（C）屈服極限的一半（D）強(qiáng)度極限的一半6.液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中，用于控制液壓缸運(yùn)動(dòng)方向的壓力控制閥是？（A）節(jié)流閥（B）溢流閥（C）換向閥（D）順序閥7.在電動(dòng)機(jī)控制線路中，實(shí)現(xiàn)互鎖功能，防止設(shè)備意外啟動(dòng)的電器是？（A）接觸器（B）繼電器（C）熱繼電器（D）按鈕8.數(shù)控加工中，G代碼主要用于？（A）定義刀具路徑（B）控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)（C）設(shè)定加工參數(shù)（D）選擇刀具9.傳感器按信號(hào)轉(zhuǎn)換原理分類，不包括下列哪種類型？（A）電阻式（B）電容式（C）感應(yīng)式（D）邏輯式10.機(jī)械系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的核心是？（A）執(zhí)行機(jī)構(gòu)（B）傳感器（C）控制器（D）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)二、填空題（每空1分，共15分。請(qǐng)將答案填在橫線上）1.機(jī)械原理主要研究機(jī)構(gòu)的________、運(yùn)動(dòng)分析和設(shè)計(jì)。2.材料力學(xué)的核心任務(wù)是解決機(jī)械零件的________和________問題。3.機(jī)構(gòu)自由度是指機(jī)構(gòu)相對(duì)于確定位置的________。4.機(jī)械設(shè)計(jì)中，選擇材料時(shí)，除了強(qiáng)度要求，還應(yīng)考慮剛度、耐磨性、______、______等性能。5.互換性是指機(jī)器零件在裝配時(shí)，不經(jīng)任何________就能________的性質(zhì)。6.液壓傳動(dòng)系統(tǒng)一般由________、______、______和控制元件組成。7.PLC（可編程邏輯控制器）是工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中常用的________。8.CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）技術(shù)廣泛應(yīng)用于機(jī)械的________、分析、制造等環(huán)節(jié)。三、判斷題（每題1分，共10分。請(qǐng)將正確打“√”，錯(cuò)誤打“×”）1.理論力學(xué)只研究物體的運(yùn)動(dòng)，不涉及力。（×）2.任何四桿機(jī)構(gòu)都能實(shí)現(xiàn)急回運(yùn)動(dòng)。（×）3.機(jī)械效率總是小于1的。（√）4.疲勞極限是指材料在循環(huán)載荷作用下不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力。（√）5.機(jī)械設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是盡可能減輕零件的重量。（×）6.氣壓傳動(dòng)比液壓傳動(dòng)更容易實(shí)現(xiàn)自鎖。（×）7.伺服系統(tǒng)是一種精度高、響應(yīng)快的自動(dòng)控制系統(tǒng)。（√）8.傳感器是將非電物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置。（√）9.數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)系分為XYZ三個(gè)基本坐標(biāo)和一個(gè)輔助坐標(biāo)。（×）（通常還包括旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)如A,B,C）10.單片機(jī)是一個(gè)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，包含CPU、內(nèi)存、輸入輸出接口等。（√）四、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，曲柄存在條件。2.簡述機(jī)械設(shè)計(jì)中，進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核的必要性。3.簡述液壓傳動(dòng)相比機(jī)械傳動(dòng)的主要優(yōu)缺點(diǎn)。4.簡述PLC在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的主要作用。五、計(jì)算題（每題10分，共30分）1.如圖所示（此處無圖，請(qǐng)自行想象一個(gè)簡單的受拉或受壓桿件示意圖），一鋼制桿件AB，長L=2m，橫截面面積A=100mm2，受到軸向拉力F=30kN的作用。已知鋼的彈性模量E=200GPa，泊松比ν=0.3。試求：（1）桿件的伸長量ΔL；（2）桿件在垂直于拉力方向的截面上的正應(yīng)力；（3）桿件體積的變化量（假設(shè)材料密度ρ=7850kg/m3）。（注意：此題為假設(shè)題，需自行計(jì)算）2.某凸輪機(jī)構(gòu)，凸輪輪廓為簡諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律，推程h=20mm，推程角φ=120°，基圓半徑r?=20mm。試求：（1）推桿在推程角為60°時(shí)的位移s和速度v。（2）推桿在回程起始位置時(shí)的加速度a。（注意：此題為假設(shè)題，需自行設(shè)定參數(shù)或根據(jù)簡諧運(yùn)動(dòng)公式推導(dǎo)）3.一臺(tái)額定功率P=5kW，額定電壓U=220V的三相異步電動(dòng)機(jī)，其功率因數(shù)cosφ=0.85，效率η=90%。試求：（1）電動(dòng)機(jī)的額定電流I；（2）電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)吸收的有功功率P?。（注意：此題為假設(shè)題，需自行計(jì)算）六、分析題（每題15分，共30分）1.分析一個(gè)簡單的機(jī)械手（如二自由度機(jī)械臂）實(shí)現(xiàn)抓取物體任務(wù)，需要哪些傳感器？分別說明其作用。2.分析一個(gè)基于PLC的液體自動(dòng)控制系統(tǒng)，當(dāng)需要控制液體流量時(shí)，可以采用哪些控制策略？簡述其工作原理。---試卷答案一、選擇題1.B2.B3.C4.B5.D6.C7.C8.B9.D10.C二、填空題1.運(yùn)動(dòng)規(guī)律2.強(qiáng)度，剛度3.運(yùn)動(dòng)自由度4.成本，工藝性5.修整，正常配合6.動(dòng)力元件，執(zhí)行元件，控制元件7.控制裝置8.設(shè)計(jì)三、判斷題1.×2.×3.√4.√5.×6.×7.√8.√9.×10.√四、簡答題1.簡述鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，曲柄存在條件。解析思路：判斷四桿機(jī)構(gòu)是否包含曲柄，需要根據(jù)格拉曉夫定理及其推論。核心是看最短桿與最長桿長度之和是否大于其余兩桿長度之和。如果大于，則根據(jù)機(jī)架是哪條桿，可能形成曲柄搖桿、雙曲柄或雙搖桿機(jī)構(gòu)。形成曲柄搖桿的條件是：最短桿為機(jī)架或最短桿與最長桿長度之和大于其余兩桿長度之和，且最短桿相鄰的桿為機(jī)架。答案要點(diǎn)：格拉曉夫定理；最短桿與最長桿長度之和大于其余兩桿長度之和；最短桿為機(jī)架或與機(jī)架相鄰的桿為機(jī)架時(shí)，可得到曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。2.簡述機(jī)械設(shè)計(jì)中，進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核的必要性。解析思路：機(jī)械零件在實(shí)際工作中往往承受循環(huán)載荷或交變應(yīng)力，即使應(yīng)力低于材料的靜態(tài)強(qiáng)度極限，經(jīng)過長期反復(fù)作用也可能發(fā)生疲勞破壞。疲勞破壞具有突發(fā)性和危險(xiǎn)性。因此，必須進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核，以確保零件在預(yù)期壽命內(nèi)不發(fā)生疲勞斷裂，保證設(shè)備的安全可靠運(yùn)行。答案要點(diǎn)：零件承受循環(huán)或交變應(yīng)力；可能發(fā)生疲勞破壞；低于靜態(tài)強(qiáng)度極限也可能斷裂；保證安全可靠；延長使用壽命。3.簡述液壓傳動(dòng)相比機(jī)械傳動(dòng)的主要優(yōu)缺點(diǎn)。解析思路：從力/力矩放大、速度調(diào)節(jié)、功率密度、過載保護(hù)、傳遞介質(zhì)等方面比較液壓傳動(dòng)與機(jī)械傳動(dòng)的特點(diǎn)。液壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)通常是其體積小、重量輕、功率密度大、速度調(diào)節(jié)方便、能自鎖或易實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速、承載能力強(qiáng)、可方便實(shí)現(xiàn)直線或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)等。缺點(diǎn)則可能包括傳動(dòng)效率相對(duì)較低、存在泄漏、對(duì)油液污染敏感、對(duì)溫度變化較敏感、噪音較大、需要液壓源等。答案要點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)（體積小、重量輕、功率密度大、調(diào)速方便、易實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)、承載能力強(qiáng)、過載保護(hù)）；缺點(diǎn)（效率低、泄漏、污染敏感、溫漂、噪音、需液壓源）。4.簡述PLC在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的主要作用。解析思路：PLC（可編程邏輯控制器）是現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的核心控制器。其主要作用是接收來自傳感器和操作面板的輸入信號(hào)，按照用戶編寫的程序邏輯進(jìn)行處理和判斷，然后輸出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如接觸器、電磁閥、電機(jī)等），實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制、監(jiān)測和管理。它具有編程簡單、可靠性高、功能豐富、擴(kuò)展靈活、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。答案要點(diǎn)：接收輸入信號(hào)（傳感器、操作面板）；根據(jù)程序邏輯處理判斷；輸出控制信號(hào)（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）；實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、監(jiān)測、管理；核心控制裝置。五、計(jì)算題1.如圖所示（此處無圖，請(qǐng)自行想象一個(gè)簡單的受拉或受壓桿件示意圖），一鋼制桿件AB，長L=2m，橫截面面積A=100mm2，受到軸向拉力F=30kN的作用。已知鋼的彈性模量E=200GPa，泊松比ν=0.3。試求：（1）桿件的伸長量ΔL；（2）桿件在垂直于拉力方向的截面上的正應(yīng)力；（3）桿件體積的變化量（假設(shè)材料密度ρ=7850kg/m3）。解析思路：(1)計(jì)算伸長量ΔL：使用胡克定律，ΔL=(F*L)/(E*A)。(2)計(jì)算垂直方向的正應(yīng)力：由泊松比定義，垂直方向的應(yīng)變?chǔ)臺(tái)perpendicular=-ν*ε_(tái)parallel=-ν*(ΔL/L)。垂直方向的應(yīng)力σ_perpendicular=E*ε_(tái)perpendicular=-ν*(E*ΔL/L)=-ν*σ_parallel。其中σ_parallel=F/A。(3)計(jì)算體積變化量ΔV：先計(jì)算原體積V?=A*L。體積應(yīng)變?chǔ)臺(tái)V=1+ε_(tái)x+ε_(tái)y=1+(ΔL/L)+(-ν*ΔL/L)=1+(1-ν)*(ΔL/L)。體積變化量ΔV=V?*ε_(tái)V=V?*(1+(1-ν)*(ΔL/L))。注意：這里假設(shè)桿件初始體積為V?=A*L，對(duì)于細(xì)長桿件，沿長度方向的變形遠(yuǎn)大于橫向變形，體積變化量通常很小，但按公式計(jì)算即可。答案要點(diǎn)：(1)ΔL=(30*103N*2m)/(200*10?Pa*100*10??m2)=0.003m=3mm(2)σ_parallel=30*103N/100*10??m2=300MPa;σ_perpendicular=-0.3*300MPa=-90MPa(3)ε_(tái)V=1+(1-0.3)*(3*10?3m/2m)=1+0.7*0.0015=1.00105;ΔV=(100*10??m2*2m)*1.00105=2.002*10??m3(體積微增)2.某凸輪機(jī)構(gòu)，凸輪輪廓為簡諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律，推程h=20mm，推程角φ=120°，基圓半徑r?=20mm。試求：（1）推桿在推程角為60°時(shí)的位移s和速度v。（2）推桿在回程起始位置時(shí)的加速度a。（注意：此題為假設(shè)題，需自行設(shè)定參數(shù)或根據(jù)簡諧運(yùn)動(dòng)公式推導(dǎo)）解析思路：(1)簡諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律：s=h/2*(1-cos(θ))，其中θ=φ*(α/φ)=φ*(φ/φ)=φ(在推程段)。速度v=ds/dα=(h/2)*sin(θ)*(dθ/dα)=(h/2)*sin(θ)*(φ/φ)=(h/2)*sin(θ)。加速度a=dv/dα=(h/2)*cos(θ)*(φ/φ)=(h/2)*cos(θ)。當(dāng)推程角α=60°=π/3弧度時(shí)：s=20mm/2*(1-cos(π/3))=10mm*(1-0.5)=5mmv=(20mm/2)*sin(π/3)=10mm*(√3/2)=5√3mm/sa=(20mm/2)*cos(π/3)=10mm*(1/2)=5mm/s2(2)回程起始位置：指推程結(jié)束，即將開始回程的位置，此時(shí)α=φ=120°=2π/3弧度。加速度a=(h/2)*cos(θ)=(20mm/2)*cos(2π/3)=10mm*(-1/2)=-5mm/s2。負(fù)號(hào)表示加速度方向與推程方向相反，即回程加速度。答案要點(diǎn)：(1)α=60°時(shí)，s=h/2*(1-cos(60°))=10*(1-0.5)=5mm;v=h/2*sin(60°)=10*(√3/2)=5√3mm/s;a=h/2*cos(60°)=10*(1/2)=5mm/s2(2)回程起始位置(α=120°)，a=h/2*cos(120°)=10*(-1/2)=-5mm/s23.一臺(tái)額定功率P=5kW，額定電壓U=220V的三相異步電動(dòng)機(jī)，其功率因數(shù)cosφ=0.85，效率η=90%。試求：（1）電動(dòng)機(jī)的額定電流I；（2）電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)吸收的有功功率P?。（注意：此題為假設(shè)題，需自行計(jì)算）解析思路：(1)計(jì)算額定電流I：首先計(jì)算額定輸入功率P?=P/η=5kW/0.9=5.56kW=5560W。然后使用公式P?=√3*U*I*cosφ，解出I=P?/(√3*U*cosφ)。(2)計(jì)算從電網(wǎng)吸收的有功功率P?：已在(1)中計(jì)算，P?=P/η。答案要點(diǎn)：(1)P?=P/η=5000W/0.9=5555.56W≈5560WI=P?/(√3*U*cosφ)=5560W/(1.732*220V*0.85)≈5560/323.64≈17.19A(2)P?=5560W(或5.56kW)六、分析題1.分析一個(gè)簡單的機(jī)械手（如二自由度機(jī)械臂）實(shí)現(xiàn)抓取物體任務(wù)，需要哪些傳感器？分別說明其作用。解析思路：實(shí)現(xiàn)抓取任務(wù)需要確保機(jī)械手能準(zhǔn)確到達(dá)目標(biāo)位置并以合適的姿態(tài)抓取物體。這需要感知目標(biāo)、自身狀態(tài)以及環(huán)境信息。常見的傳感器包括：(1)位置/姿態(tài)傳感器（編碼器）：安裝在機(jī)械臂的關(guān)節(jié)處（關(guān)節(jié)編碼器）或末端執(zhí)行器上（末端編碼器），用于測量關(guān)節(jié)角度、旋轉(zhuǎn)角度或末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)，確保機(jī)械臂能精確運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)點(diǎn)。(2)力/力矩傳感器：安裝在機(jī)械臂的腕部或手指上，用于測量抓取物體時(shí)施加的力或力矩，防止抓取過緊損壞物體或抓取過松導(dǎo)致物體滑落。(3)接近傳感器/光電傳感器：安裝在機(jī)械手手指或臂端，用于檢測目標(biāo)物體是否在抓取范圍內(nèi)，發(fā)出信號(hào)提示或控制抓取動(dòng)作的啟動(dòng)。(4)視覺傳感器（相機(jī)）：用于識(shí)別目標(biāo)物體的位置、大小、形狀、顏色等信息，甚至可以引導(dǎo)機(jī)械臂精確地定位和抓取。(5)觸覺傳感器：安裝在機(jī)械手指尖，用于感知物體表面紋理、形狀、硬度等，提供更精細(xì)的抓取反饋，適應(yīng)不同表面物體的抓取。答案要點(diǎn)：需要傳感器類型（位置/姿態(tài)、力/力矩、接近、視覺、觸覺）；分別說明作用（測量位置姿態(tài)確保精度、測量力/力矩防止損壞/滑落、檢測目標(biāo)存在、識(shí)別目標(biāo)引導(dǎo)抓取、感知表面精細(xì)抓取）。2.分析一個(gè)基于PLC的液體自動(dòng)控制系統(tǒng)，當(dāng)需要控制液體流量時(shí)，可以采用哪些控制策略？簡述其工作原理。解析思路：流量控制