2025年機(jī)電工程課程設(shè)計(jì)試題及答案一、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)題（40分）某企業(yè)擬開發(fā)一款小型自動(dòng)物料搬運(yùn)裝置，用于3C電子車間內(nèi)小尺寸元件（重量≤2kg，尺寸≤150mm×100mm×50mm）的短距離（≤5m）水平搬運(yùn)，要求搬運(yùn)速度0.3~0.8m/s可調(diào)，定位精度±0.5mm，每日工作8小時(shí)，連續(xù)運(yùn)行3年無重大故障。請(qǐng)完成以下設(shè)計(jì)任務(wù)：1.機(jī)械結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)（10分）（1）確定執(zhí)行機(jī)構(gòu)類型（直線移動(dòng)機(jī)構(gòu)），并說明選型依據(jù)；（2）設(shè)計(jì)導(dǎo)向支撐結(jié)構(gòu)，需滿足定位精度要求；（3）繪制簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)示意圖（文字描述關(guān)鍵部件布局）。2.驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)（15分）（1）計(jì)算負(fù)載參數(shù)（包括慣性負(fù)載、摩擦力負(fù)載）；（2）選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)類型（步進(jìn)/伺服），說明選型依據(jù)；（3）設(shè)計(jì)傳動(dòng)鏈（減速裝置/直接驅(qū)動(dòng)），確定傳動(dòng)比或?qū)С?，?jì)算電機(jī)輸出扭矩需求。3.控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（15分）（1）選擇控制器類型（PLC/單片機(jī)/運(yùn)動(dòng)控制器），說明選型依據(jù)；（2）設(shè)計(jì)傳感器配置方案（位置檢測(cè)、安全防護(hù)），列出傳感器類型及安裝位置；（3）繪制控制系統(tǒng)硬件連接框圖（文字描述信號(hào)流向）。答案：1.機(jī)械結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)（1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)選用滾珠絲杠螺母副直線移動(dòng)機(jī)構(gòu)。依據(jù)：滾珠絲杠傳動(dòng)效率高（η≈0.92~0.96），軸向剛度大，傳動(dòng)間隙?。赏ㄟ^預(yù)緊消除），能滿足±0.5mm定位精度要求；相較于同步帶傳動(dòng)，其定位精度更高，適合短距離精密搬運(yùn)。（2）導(dǎo)向支撐結(jié)構(gòu)采用雙導(dǎo)軌副（直線滾動(dòng)導(dǎo)軌），對(duì)稱布置于絲杠兩側(cè)。導(dǎo)軌選用HGH15CA型（滑塊寬度15mm，額定動(dòng)載荷10.2kN），單個(gè)滑塊承載≥50N（元件重量2kg×9.8=19.6N，加上機(jī)構(gòu)自重約3kg，總負(fù)載≤50N），滿足負(fù)載要求；導(dǎo)軌直線度≤0.02mm/m（5m行程總誤差≤0.1mm），配合絲杠定位精度（滾珠絲杠螺距誤差≤0.01mm/300mm，5m行程累積誤差≤0.17mm），總定位誤差≤0.27mm，滿足±0.5mm要求。（3）結(jié)構(gòu)布局：底座為鋁合金型材（6063T5，厚度8mm），長(zhǎng)度5.2m；滾珠絲杠（導(dǎo)程5mm，直徑20mm）平行安裝于兩直線導(dǎo)軌之間，兩端通過角接觸球軸承（7004C型，成對(duì)反向安裝）固定；螺母座與滑塊連接板剛性連接，連接板上方設(shè)置氣動(dòng)夾爪（用于夾持元件）；電機(jī)通過彈性聯(lián)軸器與絲杠輸入端連接。2.驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)（1）負(fù)載參數(shù)計(jì)算：元件重量m1=2kg，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)部件（螺母座、連接板、夾爪）重量m2≈3kg，總質(zhì)量m=5kg；最大加速度a=（v_max^2）/(2s)，取加速距離s=0.5m，v_max=0.8m/s，則a=(0.8^2)/(2×0.5)=0.64m/s2；慣性力F_in=m×a=5×0.64=3.2N；摩擦力F_f=μ×m×g，導(dǎo)軌摩擦系數(shù)μ≈0.005（滾動(dòng)導(dǎo)軌），則F_f=0.005×5×9.8=0.245N；總負(fù)載力F_total=F_in+F_f=3.445N（勻速時(shí)僅F_f）。（2）驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇交流伺服電機(jī)。依據(jù)：需實(shí)現(xiàn)速度可調(diào)（0.3~0.8m/s）和精密定位（±0.5mm），伺服電機(jī)閉環(huán)控制（內(nèi)置編碼器反饋）可抑制系統(tǒng)誤差，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快（響應(yīng)頻率≥50Hz），適合頻繁啟停的搬運(yùn)場(chǎng)景；步進(jìn)電機(jī)雖成本低，但存在失步風(fēng)險(xiǎn)，無法滿足長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行的可靠性要求。（3）傳動(dòng)鏈設(shè)計(jì)：采用直接驅(qū)動(dòng)（電機(jī)與絲杠直連，傳動(dòng)比i=1）。絲杠導(dǎo)程P=5mm，電機(jī)轉(zhuǎn)速n與線速度v關(guān)系為v=(P×n)/60→n=(v×60)/P。當(dāng)v=0.8m/s=48m/min時(shí)，n=(48×1000×60)/(5×1000)=576r/min（電機(jī)最高轉(zhuǎn)速需≥600r/min）；當(dāng)v=0.3m/s=18m/min時(shí)，n=(18×1000×60)/(5×1000)=216r/min。電機(jī)輸出扭矩計(jì)算：加速階段扭矩T1=(F_total×P)/(2π×η)+T0，η=0.9（絲杠效率），T0為空載扭矩（軸承摩擦，取0.05N·m）；T1=(3.445×0.005)/(2π×0.9)+0.05≈(0.017225)/(5.655)+0.05≈0.00305+0.05=0.053N·m；勻速階段扭矩T2=(F_f×P)/(2π×η)+T0=(0.245×0.005)/(5.655)+0.05≈0.000217+0.05=0.0502N·m；選取伺服電機(jī)額定扭矩≥0.1N·m（預(yù)留50%裕量），如松下MINASA6系列MSMA022A1G（額定扭矩0.2N·m，最高轉(zhuǎn)速3000r/min，編碼器分辨率23位=8,388,608脈沖/轉(zhuǎn)）。3.控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（1）控制器選擇運(yùn)動(dòng)控制器（如固高GUC系列）。依據(jù)：需同時(shí)控制電機(jī)速度、位置，并支持多軸擴(kuò)展（后續(xù)可增加上下料軸），運(yùn)動(dòng)控制器集成PID調(diào)節(jié)、電子齒輪等功能，編程接口（如C++/Python）靈活，相較于PLC（梯形圖編程復(fù)雜）和單片機(jī)（資源有限），更適合高精度運(yùn)動(dòng)控制場(chǎng)景。（2）傳感器配置：位置檢測(cè)：伺服電機(jī)內(nèi)置23位絕對(duì)值編碼器（反饋精度=導(dǎo)程/編碼器分辨率=5mm/8,388,608≈0.0006mm/脈沖），滿足定位精度要求；原點(diǎn)檢測(cè)：在絲杠末端安裝光電接近開關(guān)（E3ZD61型，檢測(cè)距離2m，輸出NPN信號(hào)），用于初始化位置校準(zhǔn)；安全防護(hù)：在裝置兩側(cè)安裝紅外對(duì)射傳感器（E3FDS30C4型，檢測(cè)距離30m），當(dāng)檢測(cè)到障礙物時(shí)觸發(fā)急停；負(fù)載檢測(cè)：在夾爪處安裝壓力傳感器（HoneywellSS495A，量程0~50N），防止過載損壞元件。（3）控制系統(tǒng)硬件連接：運(yùn)動(dòng)控制器（GUC400）通過EtherCAT總線連接伺服驅(qū)動(dòng)器（MINASA6），接收編碼器反饋信號(hào)；光電接近開關(guān)、紅外對(duì)射傳感器、壓力傳感器信號(hào)經(jīng)I/O模塊（GT400SV）轉(zhuǎn)換為數(shù)字量/模擬量輸入控制器；控制器輸出脈沖+方向信號(hào)至伺服驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)通過RS485接口連接人機(jī)界面（HMI）用于參數(shù)設(shè)置（速度、定位坐標(biāo)）。二、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)計(jì)算分析題（30分）某機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步帶傳動(dòng)，已知：主動(dòng)輪直徑d1=60mm，從動(dòng)輪直徑d2=120mm，中心距a=500mm，同步帶型號(hào)為H型（節(jié)距p=12.7mm），許用工作拉力F_p=400N/根，帶與帶輪的摩擦系數(shù)μ=0.5，包角系數(shù)Kα=0.8（小帶輪包角α1=150°），安全系數(shù)n=1.5。1.計(jì)算同步帶的基本參數(shù)（節(jié)線長(zhǎng)度L_p、齒數(shù)z1/z2）；（8分）2.校核單根同步帶的傳動(dòng)能力（計(jì)算最大有效拉力F_e）；（10分）3.若實(shí)際傳遞功率P=2kW，轉(zhuǎn)速n1=1500r/min，計(jì)算所需同步帶根數(shù)z；（12分）答案：1.基本參數(shù)計(jì)算節(jié)線長(zhǎng)度L_p≈2a+π(d1+d2)/2+(d2d1)2/(4a)=2×500+π×(60+120)/2+(12060)2/(4×500)=1000+282.74+3600/2000=1000+282.74+1.8=1284.54mm，取標(biāo)準(zhǔn)節(jié)線長(zhǎng)度L_p=1270mm（H型標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度系列）；主動(dòng)輪齒數(shù)z1=πd1/p=π×60/12.7≈14.8，取z1=15（H型最小齒數(shù)z_min=14，滿足要求）；從動(dòng)輪齒數(shù)z2=z1×(d2/d1)=15×(120/60)=30。2.傳動(dòng)能力校核同步帶最大有效拉力F_e=Kα×F_p=0.8×400=320N（單根）。3.所需同步帶根數(shù)計(jì)算圓周力F=1000P/(v)，線速度v=πd1n1/(60×1000)=π×60×1500/(60×1000)=4.712m/s；F=1000×2/4.712≈424.5N；考慮安全系數(shù)，實(shí)際需要拉力F_total=n×F=1.5×424.5≈636.75N；所需根數(shù)z=F_total/F_e=636.75/320≈1.99，取z=2根。三、控制系統(tǒng)調(diào)試與故障診斷題（30分）某學(xué)生在調(diào)試步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的直線定位系統(tǒng)時(shí)，出現(xiàn)以下問題：（1）電機(jī)啟動(dòng)時(shí)抖動(dòng)，無法平滑加速；（2）定位時(shí)實(shí)際位置比目標(biāo)位置偏后約2mm（重復(fù)出現(xiàn)）；（3）長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后電機(jī)溫升超過60℃（環(huán)境溫度25℃）。1.分析問題（1）的可能原因及解決措施；（10分）2.分析問題（2）的可能原因及解決措施；（10分）3.分析問題（3）的可能原因及解決措施。（10分）答案：1.問題（1）：?jiǎn)?dòng)抖動(dòng)，無法平滑加速可能原因：步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖頻率過高，超過啟動(dòng)頻率（矩頻特性中低頻段扭矩不足）；加減速曲線設(shè)置不合理（如采用梯形加速，階躍式頻率變化導(dǎo)致慣性沖擊）；電機(jī)與負(fù)載慣量不匹配（負(fù)載慣量遠(yuǎn)大于電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量，啟動(dòng)時(shí)扭矩不足）。解決措施：降低初始脈沖頻率（如從2000Hz降至500Hz），待電機(jī)啟動(dòng)后再按S型曲線逐步加速；修改控制器加減速參數(shù)，采用S型加減速曲線（加速度平滑變化），減少?zèng)_擊；校核慣量比（負(fù)載慣量J_L=mL2/2，電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量J_m，要求J_L≤3J_m），若不滿足則更換小慣量電機(jī)或增加減速裝置。2.問題（2）：定位偏后2mm（重復(fù)誤差）可能原因：步進(jìn)電機(jī)失步（長(zhǎng)期運(yùn)行后驅(qū)動(dòng)電流衰減，扭矩不足）；傳動(dòng)鏈間隙（如同步帶松弛、絲杠螺母副間隙未預(yù)緊）；編碼器反饋錯(cuò)誤（若為閉環(huán)系統(tǒng)，可能編碼器信號(hào)丟失或接線松動(dòng)）。解決措施：檢測(cè)驅(qū)動(dòng)電流（應(yīng)等于電機(jī)額定電流），若不足則調(diào)高驅(qū)動(dòng)器電流設(shè)置（不超過電機(jī)允許值）；檢查同步帶張緊力（用張力計(jì)測(cè)量，H型帶張緊力建議值F0=50~80N），調(diào)整張緊輪；檢查絲杠螺母副預(yù)緊力（用千分表測(cè)量反向間隙，應(yīng)≤0.02mm），若過大則重新預(yù)緊螺母；若為閉環(huán)系統(tǒng)，用示波器檢測(cè)編碼器A/B相脈沖，確認(rèn)無丟脈沖現(xiàn)象，檢查接線端子是否松動(dòng)。3.問題（3）：電機(jī)溫升過高可能原因：驅(qū)動(dòng)電流過大（超過電機(jī)額定電流，