2025年機(jī)電一體化專業(yè)考試及答案（滿分150分，時(shí)間180分鐘）一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分。每題只有一個(gè)正確答案，請將正確選項(xiàng)字母填在括號內(nèi)）1.在PLC梯形圖中，常閉觸點(diǎn)與常開觸點(diǎn)并聯(lián)后，其邏輯關(guān)系相當(dāng)于（）。A.與門??B.或門??C.非門??D.異或門答案：B2.某步進(jìn)電機(jī)步距角為1.8°，驅(qū)動(dòng)器設(shè)置為8細(xì)分，則每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為（）。A.200??B.400??C.800??D.1600答案：D3.在PID調(diào)節(jié)中，若系統(tǒng)響應(yīng)超調(diào)量大，應(yīng)優(yōu)先調(diào)整（）。A.比例系數(shù)Kp??B.積分時(shí)間Ti??C.微分時(shí)間Td??D.采樣周期T答案：C4.下列哪種傳感器最適合用于檢測透明塑料瓶的有無（）。A.對射式光電??B.電容式??C.電感式??D.超聲波答案：A5.在SolidWorks裝配體中，欲使兩圓柱面保持同心，應(yīng)添加（）配合。A.重合??B.同軸心??C.距離??D.角度答案：B6.某三相異步電機(jī)額定轉(zhuǎn)速1450r/min，電源頻率50Hz，其同步轉(zhuǎn)速為（）。A.1000r/min??B.1500r/min??C.1800r/min??D.3000r/min答案：B7.在CAN總線中，標(biāo)識(shí)符ID越小，則報(bào)文優(yōu)先級（）。A.越高??B.越低??C.與ID無關(guān)??D.隨機(jī)答案：A8.使用霍爾傳感器測速時(shí)，若齒輪齒數(shù)為60，測得每秒脈沖數(shù)為300，則轉(zhuǎn)速為（）r/min。A.300??B.180??C.3000??D.1800答案：C9.在氣動(dòng)回路中，快速排氣閥應(yīng)安裝在（）附近，以提高氣缸回程速度。A.氣源處理元件??B.換向閥??C.氣缸入口??D.氣缸出口答案：D10.某伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)“電子齒輪比”設(shè)為4:1，電機(jī)編碼器分辨率為20bit，則電機(jī)每轉(zhuǎn)對應(yīng)指令脈沖數(shù)為（）。A.2^20/4??B.2^20×4??C.2^18??D.2^22答案：A二、多項(xiàng)選擇題（每題3分，共15分。每題有兩個(gè)或兩個(gè)以上正確答案，多選、少選、錯(cuò)選均不得分）11.關(guān)于機(jī)電系統(tǒng)慣量匹配，下列說法正確的是（）。A.負(fù)載慣量與電機(jī)慣量比建議控制在3:1以內(nèi)B.慣量比越大，系統(tǒng)響應(yīng)越快C.大慣量負(fù)載需提高電機(jī)扭矩裕量D.可通過減速機(jī)降低等效負(fù)載慣量答案：ACD12.下列哪些措施可有效抑制變頻器對PLC模擬量模塊的干擾（）。A.信號線采用雙絞屏蔽電纜B.屏蔽層兩端接地C.變頻器與電機(jī)間加裝輸出電抗器D.將模擬量模塊供電與變頻器供電分開答案：ACD13.在RobotStudio中，創(chuàng)建虛擬示教點(diǎn)時(shí)，可使用的坐標(biāo)系有（）。A.世界坐標(biāo)系??B.基坐標(biāo)系??C.工具坐標(biāo)系??D.工件坐標(biāo)系答案：ABCD14.關(guān)于直線電機(jī)特性，下列描述正確的是（）。A.無機(jī)械傳動(dòng)間隙??B.可實(shí)現(xiàn)高加速度??C.需光柵或磁柵做位置反饋??D.推力波動(dòng)與繞組方式無關(guān)答案：ABC15.在工業(yè)視覺系統(tǒng)中，影響景深的主要因素有（）。A.鏡頭焦距??B.光圈大小??C.工作距離??D.相機(jī)分辨率答案：ABC三、判斷題（每題1分，共10分。正確打“√”，錯(cuò)誤打“×”）16.步進(jìn)電機(jī)在斷電后仍能保持原有位置，因此無需剎車機(jī)構(gòu)。??（×）17.采用絕對式編碼器的伺服系統(tǒng)重新上電后無需回零。??（√）18.在梯形圖中，線圈可以重復(fù)輸出，以最后一次刷新為準(zhǔn)。??（√）19.氣動(dòng)三聯(lián)件安裝順序?yàn)椋哼^濾器→減壓閥→油霧器。??（√）20.工業(yè)相機(jī)像素越高，則單位像素對應(yīng)的物理尺寸越小，測量精度一定越高。??（×）21.采用RS-485通信時(shí)，終端電阻一般只在網(wǎng)絡(luò)兩端接入。??（√）22.在SolidWorksSimulation中，網(wǎng)格劃分越細(xì)，計(jì)算結(jié)果一定越準(zhǔn)確。??（×）23.伺服電機(jī)的“三閉環(huán)”指位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)。??（√）24.使用變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，電纜越長，越容易產(chǎn)生軸電流腐蝕軸承。??（√）25.在機(jī)電系統(tǒng)中，阻尼比ζ=1時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)最快。??（×）四、填空題（每空2分，共20分）26.某氣缸理論輸出力F=πD2P/4，其中D為缸徑，P為氣壓。若D=50mm，P=0.6MPa，則理論推力為________N（保留整數(shù)）。答案：117827.在PLC中，模擬量輸入4–20mA對應(yīng)數(shù)字量0–32767，則12mA對應(yīng)的數(shù)字量為________。答案：1638328.某減速機(jī)減速比為1:10，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速3000r/min，則輸出軸轉(zhuǎn)速為________r/min。答案：30029.工業(yè)以太網(wǎng)ProfinetRT的刷新周期最短可達(dá)________μs。答案：25030.在PID控制器中，積分作用可消除系統(tǒng)的________誤差。答案：穩(wěn)態(tài)31.某編碼器線數(shù)為2500，四倍頻后，每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為________。答案：1000032.在氣動(dòng)回路中，節(jié)流閥安裝在排氣口側(cè)稱為________控制，可獲得較平穩(wěn)速度。答案：出口33.工業(yè)機(jī)械臂的奇異點(diǎn)分為腕部奇異、肩部奇異和________奇異。答案：肘部34.在SolidWorks中，使用________功能可快速生成齒輪嚙合運(yùn)動(dòng)仿真。答案：MotionStudy35.某電容式傳感器檢測距離為1–15mm，其輸出特性為________曲線。答案：反比五、簡答題（每題8分，共24分）36.簡述機(jī)電一體化系統(tǒng)中“機(jī)械—電氣—軟件”協(xié)同設(shè)計(jì)流程，并指出各階段關(guān)鍵驗(yàn)證指標(biāo)。答案：（1）需求分析階段：明確功能、性能、法規(guī)、環(huán)境約束，輸出需求規(guī)格書；關(guān)鍵指標(biāo)為功能完整度、風(fēng)險(xiǎn)清單覆蓋率。（2）機(jī)械概念設(shè)計(jì)：完成機(jī)構(gòu)拓?fù)溥x型、運(yùn)動(dòng)學(xué)/動(dòng)力學(xué)仿真；關(guān)鍵指標(biāo)為工作空間、速度、加速度、剛度、固有頻率。（3）電氣硬件設(shè)計(jì)：完成電機(jī)、驅(qū)動(dòng)、傳感器、PLC選型及原理圖；關(guān)鍵指標(biāo)為功率裕量、采樣精度、EMC預(yù)兼容測試通過率。（4）軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)：劃分實(shí)時(shí)任務(wù)、通信協(xié)議、狀態(tài)機(jī)；關(guān)鍵指標(biāo)為最壞情況響應(yīng)時(shí)間、CPU負(fù)載率、內(nèi)存占用。（5）機(jī)電聯(lián)合仿真：利用AMESim-MATLAB/Simulink或SolidWorks+LabVIEW聯(lián)合模型，驗(yàn)證力矩波動(dòng)、能耗、軌跡跟蹤誤差<0.1mm。（6）原型調(diào)試：分硬件在環(huán)、軟件在環(huán)、整機(jī)聯(lián)調(diào)三步；關(guān)鍵指標(biāo)為定位精度、重復(fù)精度、溫升、噪聲<65dB。（7）優(yōu)化與固化：通過DOE實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化PID、結(jié)構(gòu)參數(shù)；輸出凍結(jié)BOM、3D模型、源代碼版本；關(guān)鍵指標(biāo)為CPK≥1.67、MTBF≥20000h。37.某伺服系統(tǒng)采用位置環(huán)PID+速度環(huán)PI+電流環(huán)PI控制，現(xiàn)場出現(xiàn)高速抖動(dòng)。請給出系統(tǒng)診斷與排除步驟。答案：①示波器檢測電機(jī)三相電流波形，若出現(xiàn)高頻振蕩>5kHz，則電流環(huán)增益過高，降低Kp_i30%。②監(jiān)測速度環(huán)階躍響應(yīng)，若超調(diào)>15%，將速度環(huán)Kp_v減半，Ti_v增大1.5倍。③檢查機(jī)械聯(lián)軸器同心度<0.02mm，排除機(jī)械諧振；使用錘擊法測得軸系固有頻率為450Hz，與抖動(dòng)頻率一致，確認(rèn)為機(jī)械諧振。④在速度環(huán)輸出端加二階低通濾波器，截止頻率設(shè)為400Hz，抖動(dòng)幅值下降70%。⑤檢查編碼器屏蔽層單端接地，發(fā)現(xiàn)兩端接地形成環(huán)流，改為單端接地后噪聲由±8cnt降至±1cnt。⑥重新整定位置環(huán)：Kp_p由2000降至1200，加入前饋系數(shù)0.85，定位時(shí)間延長5ms但抖動(dòng)消除。⑦全程記錄Bode圖，相位裕度由28°提升至52°，系統(tǒng)穩(wěn)定。38.說明工業(yè)相機(jī)與鏡頭選型的完整計(jì)算流程，并給出案例：檢測手機(jī)屏上0.05mm裂縫，視野80mm×60mm，工作距離200mm。答案：①計(jì)算所需像素分辨率：裂縫最小特征0.05mm，取3像素覆蓋，則像素當(dāng)量=0.05/3=0.0167mm/pixel。②單方向像素?cái)?shù)=視野/像素當(dāng)量：水平方向80/0.0167≈4790pixel，垂直方向60/0.0167≈3593pixel。③選擇相機(jī)：選用500萬像素（2592×1944）不足以覆蓋，故選用2000萬像素（5472×3648）相機(jī)，像素當(dāng)量實(shí)測0.0146mm/pixel，滿足要求。④計(jì)算鏡頭放大倍率β=像高/物高=傳感器高度/mm÷視野高度=13.1mm÷60mm≈0.218。⑤計(jì)算焦距f=工作距離×β/(1+β)=200×0.218/1.218≈35.8mm，選用標(biāo)準(zhǔn)35mm定焦鏡頭。⑥校驗(yàn)景深：光圈F=8，容許彌散圓直徑0.02mm，景深≈±6mm，滿足手機(jī)屏平面度±1mm。⑦最終配置：2000萬像素相機(jī)+35mm鏡頭+藍(lán)色環(huán)形光源，檢測準(zhǔn)確率>99.5%。六、計(jì)算題（共31分）39.（11分）某XY平臺(tái)采用兩臺(tái)永磁同步直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，參數(shù)如下：動(dòng)子質(zhì)量m=2kg，負(fù)載質(zhì)量mL=8kg，摩擦系數(shù)μ=0.01，重力加速度g=9.81m/s2，最大加速度a=5m/s2，最大速度v=2m/s，行程S=400mm，往返周期T=1.2s，停頓時(shí)間t0=0.1s。（1）計(jì)算電機(jī)峰值推力Fmax；（2）計(jì)算電機(jī)持續(xù)推力Frms；（3）若電機(jī)推力常數(shù)Kt=48N/A，母線電壓Udc=48V，電機(jī)電阻R=0.8Ω，電感L=1.2mH，求峰值電流Ip、持續(xù)電流Irms及母線最大功率Pmax。答案：（1）Fmax=(m+mL)a+μ(m+mL)g=(2+8)×5+0.01×10×9.81≈50+0.98=50.98N（2）運(yùn)動(dòng)段含加減速+勻速，總時(shí)間1.1s。加速時(shí)間ta=v/a=2/5=0.4s，減速時(shí)間td=0.4s，勻速時(shí)間tc=1.1?0.8=0.3s加速段位移Sa=0.5×5×0.42=0.4m=400mm，等于行程，故無勻速段，重新計(jì)算：由S=0.5×a×ta2→ta=√(2×0.4/5)=0.4s，與v=a×ta=2m/s吻合，tc=0，td=0.4s，總運(yùn)動(dòng)時(shí)間0.8s，停頓0.4s。Frms=√[(Fmax2×ta+Fmax2×td)/T]=√[(2×50.982×0.4)/1.2]=√1732.8≈41.6N（3）Ip=Fmax/Kt=50.98/48≈1.06AIrms=Frms/Kt≈41.6/48≈0.87A反電勢E=Kt×v=48×2=96V，遠(yuǎn)大于48V，故需降低速度或提高電壓；題目給定電壓48V不足，實(shí)際無法達(dá)到2m/s。修正：最大允許速度vmax=Udc/Kt=48/48=1m/s，重新計(jì)算：ta=1/5=0.2s，Sa=0.5×5×0.22=0.1m，需勻速段=0.4?0.2=0.2m，勻速時(shí)間tc=0.2/1=0.2s，總運(yùn)動(dòng)時(shí)間0.6s，停頓0.6s。Frms=√[(50.982×0.2×2)/1.2]=√867.3≈29.4NIrms=29.4/48≈0.61APmax=Udc×Ip=48×1.06≈51W40.（10分）某齒輪齒條機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)升降臺(tái)，齒輪分度圓直徑d=60mm，電機(jī)經(jīng)行星減速機(jī)i=10:1驅(qū)動(dòng)齒輪，負(fù)載重量mg=500N，要求以1m/s勻速上升，效率η=0.9，計(jì)算：（1）電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速n；（2）電機(jī)輸出扭矩T；（3）若電機(jī)額定轉(zhuǎn)速3000r/min，額定扭矩2N·m，是否滿足？答案：（1）齒輪圓周速度v=1m/s→齒輪轉(zhuǎn)速ng=v/(πd)=1/(π×0.06)=5.305r/s=318.3r/min電機(jī)轉(zhuǎn)速n=ng×i=318.3×10=3183r/min>3000，不滿足，需降低速度或減小減速比。（2）負(fù)載扭矩TL=mg×d/2=500×0.03=15N·m電機(jī)扭矩T=TL/(i×η)=15/(10×0.9)=1.67N·m<2N·m，扭矩滿足。結(jié)論：轉(zhuǎn)速超限，需重新選型或降低速度要求。41.（10分）某溫度控制系統(tǒng)采用PWM驅(qū)動(dòng)加熱棒，參數(shù)：目標(biāo)溫度Tset=80℃，環(huán)境溫度Ta=20℃，熱阻Rth=1.2℃/W，熱容Cth=500J/℃，加熱棒功率P=100W，PWM頻率f=1kHz，采樣周期Ts=0.1s。（1）建立一階慣性模型，求傳遞函數(shù)；（2）若采用PI控制器，要求閉環(huán)時(shí)間常數(shù)τcl=6s，求Kp、Ti；（3）計(jì)算穩(wěn)態(tài)誤差ess。答案：（1）τ=Rth×Cth=1.2×500=600s，增益K=Rth=1.2℃/W傳遞函數(shù)G(s)=K/(τs+1)=1.2/(600s+1)（2）PI控制器Gc(s)=Kp(1+1/(Tis))閉環(huán)時(shí)間常數(shù)τcl=600/(1+Kp×1.2)=6→1+1.2Kp=100→Kp=99/1.2=82.5Ti=τ=600s（3）系統(tǒng)為I型，對階躍輸入ess=0。七、綜合設(shè)計(jì)題（共30分）42.設(shè)計(jì)一條全自動(dòng)小型零件分揀線，要求：①零件種類：A（φ10mm×5mm）、B（方8mm×8mm×3mm），材質(zhì)為鋁合金，來料隨機(jī)混合；②產(chǎn)量：≥60件/min；③分揀錯(cuò)誤率<0.1%；④占地面積≤1.5m×0.8m；⑤具備MES接口，上傳分揀數(shù)據(jù)。請完成：（1）系統(tǒng)總體布局簡圖（文字描述即可）；（2）關(guān)鍵元器件選型清單（含型號、數(shù)量、主要參數(shù)）；（3）控制流程圖（文字描述）；（4）視覺算法思路及偽代碼；（5）估算節(jié)拍并驗(yàn)證產(chǎn)能。答案：（1）布局：一字型，長1.5m，寬0.8m。上游為直徑300mm圓振盤，出口接80mm寬皮帶線，線長1.2m，線速度0.4m/s。皮帶中段上方裝工業(yè)相機(jī)，下游接雙通道氣動(dòng)分揀口，分別滑入A、B收料盒。收料盒底部裝壓力傳感器，滿料報(bào)警。（2）選型清單：圓振盤：Rhein-NadelPFL-250，不銹鋼，振幅0–0.8mm，頻率100Hz，1套。皮帶線：Dorner2200系列，寬80mm，長1.2m，24VDC減速電機(jī)，最大速度0.6m/s，1套。相機(jī)：BasleracA2040-90μm，2000pixel×1500pixel，全局快門，90fps，1臺(tái)。鏡頭：ComputarM3514-MP，35mm，F(xiàn)1.4–16，1只。光源：CCSLDR2-100×100藍(lán)色方形背光，24V，1片。PLC：SiemensS7-1214CDC/DC/DC，1臺(tái)。伺服閥：SMCSY3120-5G-C8，24V，2只。氣缸：SMCCDQ2B20-15，行程15mm，2只。壓力傳感器：Honeywell24PC01，2只。MES接口：通過PLC自帶OPCUA，以太網(wǎng)上傳。（3）控制流程：上電