2025年機電工程綜合實踐體驗試題及答案一、基礎(chǔ)理論分析與應用（共30分）1.（10分）某機電系統(tǒng)采用三相異步電動機驅(qū)動，額定功率15kW，額定電壓380V，額定轉(zhuǎn)速1460r/min，功率因數(shù)0.85，效率0.92。若系統(tǒng)需在負載轉(zhuǎn)矩恒定為100N·m的工況下長期運行，試分析：（1）此時電動機的實際輸入功率是多少？（2）若電網(wǎng)電壓突然下降10%（即342V），電動機的電磁轉(zhuǎn)矩如何變化？是否會出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)風險？（需給出計算過程，已知電動機臨界轉(zhuǎn)差率s_m=0.15，額定轉(zhuǎn)差率s_N=0.027）2.（10分）某帶式輸送機傳動系統(tǒng)采用V帶傳動+一級圓柱齒輪減速器組合。已知電動機轉(zhuǎn)速n_m=1440r/min，輸送機滾筒轉(zhuǎn)速n_w=60r/min，傳遞功率P=7.5kW，工作環(huán)境有輕微振動，每天運行16h。試確定：（1）V帶傳動的合理傳動比范圍（需考慮帶輪直徑最小限制）；（2）齒輪減速器的傳動比及齒輪模數(shù)（提示：齒輪材料為45鋼調(diào)質(zhì)，小齒輪齒數(shù)z1=24，齒寬系數(shù)φ_d=0.8，許用接觸應力[σ_H]=600MPa，載荷系數(shù)K=1.2）。3.（10分）某數(shù)控銑床進給系統(tǒng)采用交流伺服電機+滾珠絲杠傳動，已知伺服電機額定轉(zhuǎn)矩T_n=8N·m，額定轉(zhuǎn)速n_n=3000r/min，滾珠絲杠導程p=10mm，系統(tǒng)定位精度要求±0.005mm。試分析：（1）伺服系統(tǒng)的脈沖當量（即每個指令脈沖對應的位移量）應如何設置？（2）若實測定位誤差為±0.01mm，可能的原因有哪些？（至少列出3項）二、系統(tǒng)設計與計算（共40分）題目：設計一套自動分揀裝置的機電控制系統(tǒng)裝置功能：將傳送帶上不同材質(zhì)（金屬/非金屬）的工件按類別分揀至兩個料槽，要求分揀速度≥30件/分鐘，定位精度±1mm，工件最大質(zhì)量2kg，傳送帶速度0.5m/s。設計要求：（1）機械部分：確定傳送機構(gòu)、分揀執(zhí)行機構(gòu)的形式（需說明選型依據(jù)）；（2）電氣部分：選擇傳感器類型及安裝位置，設計PLC控制邏輯（輸入輸出點分配、程序流程圖）；（3）驅(qū)動部分：計算分揀氣缸的驅(qū)動力（氣缸行程50mm，動作時間≤0.3s，摩擦系數(shù)μ=0.15），并選擇氣缸型號（氣壓源壓力0.6MPa）；（4）安全保護：提出至少2項電氣與機械安全措施。三、實踐操作與調(diào)試（共20分）題目：基于西門子S71200PLC的送料小車控制系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)組成：送料小車由步進電機驅(qū)動（步距角1.8°，細分數(shù)10），軌道長度1.5m，設置3個工位（A、B、C），定位精度±2mm；配置接近開關(guān)（檢測工位位置）、急停按鈕、啟動/停止按鈕；要求實現(xiàn)“自動循環(huán)”模式（A→B→C→A）和“手動”模式（單步移動）。調(diào)試任務：（1）繪制步進電機驅(qū)動器與PLC的接線圖（需標注脈沖、方向、使能信號）；（2）編寫自動循環(huán)模式的梯形圖程序（要求：到達工位后暫停2s，檢測無異常后繼續(xù)運行）；（3）若調(diào)試中出現(xiàn)“小車無法啟動”故障，列出可能的電氣故障點及排查方法（至少4項）。四、綜合故障診斷（共10分）某數(shù)控車床在加工軸類零件時出現(xiàn)以下異常：現(xiàn)象1：主軸啟動后轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，顯示轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速偏差≥10%；現(xiàn)象2：進給軸在快速移動時發(fā)出異響，且定位超差（誤差±0.05mm）。要求：結(jié)合機電系統(tǒng)組成，分析可能的故障原因（機械、電氣各至少2項），并給出對應的排查步驟。答案一、基礎(chǔ)理論分析與應用1.（1）實際輸入功率計算：負載轉(zhuǎn)矩T_L=100N·m，電動機軸上輸出功率P_out=T_L·n/(9550)=100×1460/9550≈15.29kW（因負載轉(zhuǎn)矩恒定，實際轉(zhuǎn)速接近額定轉(zhuǎn)速）。輸入功率P_in=P_out/η=15.29/0.92≈16.62kW。（2）電壓下降10%時，電磁轉(zhuǎn)矩T∝U2，故T’=T_N×(0.9)2=0.81T_N。額定轉(zhuǎn)矩T_N=9550×P_N/n_N=9550×15/1460≈98.3N·m，實際負載轉(zhuǎn)矩T_L=100N·m＞T’≈79.6N·m，此時電動機轉(zhuǎn)速下降，轉(zhuǎn)差率s增大。當s=s_m時，電磁轉(zhuǎn)矩達最大值T_max=2T_N/(s_m/s_N+s_N/s_m)=2×98.3/(0.15/0.027+0.027/0.15)≈2×98.3/(5.556+0.18)=34.4N·m＜T_L，故會堵轉(zhuǎn)。2.（1）V帶傳動傳動比i1范圍：帶輪最小直徑d1_min=100mm（普通V帶），滾筒轉(zhuǎn)速n_w=60r/min，總傳動比i總=1440/60=24。若齒輪減速器傳動比i2=3~5（避免齒輪直徑過大），則i1=i總/i2=24/5~24/3=4.8~8，故V帶傳動比取5~7（兼顧帶輪直徑和包角）。（2）齒輪傳動比i2=24/i1，取i1=6，則i2=4。齒輪轉(zhuǎn)矩T=9550×P/n_m=9550×7.5/1440≈49.7N·m。接觸疲勞強度公式：d1≥√[(2KT1(u+1))/(φ_du[σ_H]2)]×103，其中u=i2=4，T1=49.7N·m=49700N·mm，代入得d1≥√[(2×1.2×49700×5)/(0.8×4×6002)]×103≈√(596400/1152000)×103≈√0.517×103≈71.9mm。模數(shù)m=d1/z1=71.9/24≈3mm（取標準值m=3mm），驗證齒寬b=φ_d×d1=0.8×71.9≈57.5mm（合理）。3.（1）脈沖當量δ=導程p/(步距角×細分數(shù)×360°/步距角)=p/(360°×細分數(shù))=10mm/(360°×10)=0.00278mm/脈沖（或通過伺服系統(tǒng)電子齒輪比設置，通常δ=0.001mm/脈沖，需調(diào)整電子齒輪比分子/分母=δ×360°/(p×1脈沖)=0.001×360/(10×1)=0.036，取整數(shù)比如9/250）。（2）定位誤差超差可能原因：滾珠絲杠螺距誤差累積；伺服系統(tǒng)增益設置過低（動態(tài)響應慢）；聯(lián)軸器松動導致傳動間隙；光柵尺或編碼器信號干擾；導軌潤滑不良摩擦阻力不均。二、系統(tǒng)設計與計算（1）機械部分：傳送機構(gòu)：選用帶式輸送機（平皮帶，寬度≥工件最大尺寸+50mm，電機+減速器驅(qū)動，保證速度0.5m/s）；分揀執(zhí)行機構(gòu)：氣動推料裝置（氣缸+推板，響應快、成本低，適合高速分揀）。（2）電氣部分：傳感器：金屬檢測用電感式接近開關(guān)（安裝于傳送帶上方10mm處，檢測距離8mm）；非金屬檢測用光電傳感器（對射式，安裝于傳送帶兩側(cè)）；PLC輸入點：啟動/停止（I0.0/I0.1）、金屬檢測（I0.2）、非金屬檢測（I0.3）、急停（I0.4）；輸出點：傳送帶電機（Q0.0）、金屬氣缸（Q0.1）、非金屬氣缸（Q0.2）、報警燈（Q0.3）；程序流程：啟動→傳送帶運行→檢測工件→判斷材質(zhì)→觸發(fā)對應氣缸（延時0.1s推料）→循環(huán)。（3）驅(qū)動部分：工件質(zhì)量m=2kg，加速度a=2s/t2=2×0.05m/(0.3s)2≈1.11m/s2（s=50mm=0.05m）；驅(qū)動力F=m(a+gμ)=2×(1.11+9.8×0.15)=2×(1.11+1.47)=5.16N；氣缸推力F=πD2p/4≥5.16N×安全系數(shù)1.5≈7.74N，解得D≥√(4×7.74/(π×0.6×10^6))≈√(16.4×10^6)≈4mm，選標準氣缸型號SC6×50（缸徑6mm，行程50mm，理論推力π×32×0.6×10^6/4≈84.8N＞7.74N）。（4）安全保護：電氣：急停按鈕串聯(lián)于控制回路，氣缸電磁閥帶手動泄壓功能；機械：傳送帶兩側(cè)加防護欄，推板邊緣倒圓角防劃傷。三、實踐操作與調(diào)試（1）接線圖：PLC（S71200）脈沖輸出Q0.0接驅(qū)動器PUL+，方向Q0.1接DIR+，使能Q0.2接EN+；驅(qū)動器PUL、DIR、EN接PLC公共端M；電機相線按順序接入驅(qū)動器U/V/W。（2）梯形圖程序邏輯：自動模式觸發(fā)（M0.0置1）→讀取工位信號（I0.0=A，I0.1=B，I0.2=C）；當前工位為A時，發(fā)送脈沖至B（距離=500mm，脈沖數(shù)=500mm/(1.8°/360°×10細分×導程假設5mm？需修正：步距角1.8°，細分數(shù)10，每脈沖角度=1.8°/10=0.18°，導程假設p=5mm（常見絲杠導程），則每脈沖位移=0.18°/360°×p=0.18/360×5=0.0025mm/脈沖，500mm需500/0.0025=200000脈沖）；到達B（I0.1=1）→暫停2s（T37=2000ms）→繼續(xù)發(fā)脈沖至C→暫?！祷谹，循環(huán)。（3）無法啟動故障排查：急停按鈕未復位（檢查I0.4是否為1）；步進驅(qū)動器電源未接通（測驅(qū)動器24V輸入）；脈沖信號未輸出（用示波器測Q0.0是否有脈沖）；電機相線接反（交換兩相線測試）；程序中自動模式未使能（檢查M0.0線圈）。四、綜合故障診斷現(xiàn)象1（主軸轉(zhuǎn)速不穩(wěn)）：機械原因：主軸軸承磨損（檢查振動值，拆卸后測量游隙）；皮帶傳動打滑（觀察皮帶張緊力，測量實際傳動比）；