2025年高职第二学年（机电一体化技术）机电一体化系统设计试题及答案.doc

2025年高职第二学年（机电一体化技术）机电一体化系统设计试题及答案

（考试时间：90分钟 满分100分）
班级______ 姓名______

第I卷（选择题 共40分）

本卷共20小题，每题2分。在每题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的。

1. 机电一体化系统的核心是（ ）
A. 机械本体 B. 电子控制系统 C. 动力部分 D. 执行机构
2. 以下不属于机电一体化系统中传感器作用的是（ ）
A. 检测信息 B. 转换信息 C. 处理信息 D. 传递信息
3. 机电一体化系统设计中，可靠性设计主要考虑的因素不包括（ ）
A. 环境适应性 B. 抗干扰能力 C. 成本控制 D. 维修性
4. 滚珠丝杠副的传动效率一般在（ ）
A. 50% - 60% B. 60% - 70% C. 70% - 80% D. 85% - 95%
5. 步进电机的步距角精度主要取决于（ ）
A. 电机的制造精度 B. 驱动电源的性能 C. 负载大小 D. 运行环境温度
6. 机电一体化系统中，PID控制器的三个参数分别是（ ）
A. 比例、积分、微分 B. 比例、积分、增益 C. 比例、微分、增益 D. 积分、微分、增益
7. 以下哪种传动方式适合高速、高精度的机电一体化系统（ ）
A. 带传动 B. 链传动 C. 齿轮传动 D. 谐波齿轮传动
8. 机电一体化系统的接口不包括（ ）
A. 人机接口 B. 机电接口 C. 机械接口 D. 电气接口
9. 工业机器人的手部通常采用（ ）
A. 气动手指 B. 电动手指 C. 液压手指 D. 以上都有
10. 机电一体化系统设计的总体方案设计阶段不包括（ ）
A. 功能分析 B. 原理方案设计 C. 详细设计 D. 可行性分析
11. 传感器的静态特性指标不包括（ ）
A. 线性度 B. 灵敏度 C. 响应时间 D. 重复性
12. 直流伺服电机的调速方法不包括（ ）
A. 改变电枢电压 B. 改变励磁电流 C. 改变负载大小 D. 改变电枢回路电阻
13. 机电一体化系统中，用于能量转换的部分是（ ）
A. 动力部分 B. 执行机构 C. 控制部分 D. 检测部分
14. 以下哪种联轴器具有补偿两轴相对位移的能力（ ）
A. 刚性联轴器 B. 弹性联轴器 C. 安全联轴器 D. 万向联轴器
15. 机电一体化系统设计中，优化设计主要是对（ ）进行优化。
A. 性能指标 B. 结构尺寸 C. 材料选择 D. 以上都是
16. 光栅尺是一种用于测量（ ）的传感器。
A. 角度 B. 长度 C. 速度 D. 加速度
17. 机电一体化系统中，PLC主要用于（ ）
A. 逻辑控制 B. 运动控制 C. 过程控制 D. 以上都是
18. 以下哪种电机适合作为数控机床的进给驱动电机（ ）
A. 步进电机 B. 直流伺服电机 C. 交流伺服电机 D. 以上都可以
19. 机电一体化系统的机械结构应具有良好的（ ）
A. 刚性和稳定性 B. 柔性和适应性 C. 美观性和舒适性 D. 轻便性和灵活性
20. 机电一体化系统设计中，系统建模的方法不包括（ ）
A. 物理建模 B. 数学建模 C. 图形建模 D. 经验建模

第II卷（非选择题 共60分）

二、填空题（每题2分，共10分）

1. 机电一体化系统的五大组成要素是机械本体、电子控制系统、动力部分、______和______。
2. 传感器的输出信号通常有______信号和______信号两种。
3. 机电一体化系统设计的基本原则包括______、______、______、______。
4. 工业机器人的主要技术参数包括______、______、______、______等。
5. 滚珠丝杠副的基本导程越大，在同样的转速下，负载的移动速度越______。

三、简答题（每题10分，共30分）

1. 简述机电一体化系统中电子控制系统的主要功能。
2. 说明步进电机的工作原理及特点。
3. 机电一体化系统设计中，如何进行系统的可靠性设计？

四、分析题（15分）

材料：某机电一体化系统采用直流伺服电机作为驱动元件，通过滚珠丝杠副带动工作台运动。已知工作台质量为500kg，滚珠丝杠副的传动效率为85%，电机的额定转矩为10N·m。要求工作台能够以0.5m/s的速度匀速运动。

问题：计算电机所需的输出功率，并分析该系统在运行过程中可能存在的问题及解决措施。

五、设计题（15分）

设计一个简单的机电一体化系统，用于自动控制窗帘的开合。要求：
1. 描述系统的功能需求和工作原理。
2. 画出系统的组成框图，并说明各部分的作用。
3. 选择合适的传感器、控制器和执行机构，并说明理由。

答案：
1. B
2. C
3. C
4. D
5. A
6. A
7. D
8. C
9. D
10. C
11. C
12. C
13. A
14. B
15. D
16. B
17. D
18. C
19. A
20. C

二、
1. 执行机构、检测部分
2. 模拟量、数字量
3. 机电互补原则、功能优化原则、自动化、省力化原则、效益最大原则
4. 自由度、定位精度、重复定位精度、工作范围
5. 快

三、
1. 电子控制系统的主要功能包括：控制机电一体化系统中各部分的运行，实现系统的自动化；对传感器检测到的信息进行处理和分析，以实现系统的智能控制；与其他系统或设备进行通信和协调，实现系统的集成化；对系统的运行状态进行监测和诊断，及时发现故障并采取相应的措施。
2. 步进电机的工作原理是：当步进驱动器接收到脉冲信号时，驱动步进电机转子转动一个固定的角度（即步距角）。其特点包括：控制精度高；转速与脉冲频率成正比；无累积误差；停止时具有自锁能力；响应速度快等。
3. 进行系统的可靠性设计可从以下方面入手：选用高可靠性的元器件；采用冗余设计，提高系统的容错能力；进行降额设计，降低元器件的工作应力；优化系统结构，提高系统的稳定性；加强系统的散热、防潮、防尘等防护措施；建立完善的故障诊断和预警机制；进行可靠性试验和验证，不断改进系统设计。

四、
首先计算电机所需的输出功率。工作台匀速运动，其所需的力F = mgv/η，其中m = 500kg，g = 9.8m/s²，v = 0.5m/s，η = 85%。则F = 500×9.8×0.5/0.85 ≈ 2882.4N。电机所需的输出功率P = Fv = 2882.4×0.5 = 1441.2W。

该系统在运行过程中可能存在的问题及解决措施：滚珠丝杠副可能存在磨损，定期检查和更换滚珠丝杠副；电机可能发热，加强电机散热措施；系统可能存在振动，优化系统结构，增加减震装置；传动效率可能降低，定期维护和调整传动部件。

五、
1. 系统功能需求：能够根据光线强度或时间自动控制窗帘的开合。工作原理：通过光线传感器检测环境光线强度，将信号传送给控制器，控制器根据设定的阈值判断是否需要开合窗帘，然后驱动电机带动窗帘轨道上的滑块移动，实现窗帘的开合。
2. 系统组成框图：包括光线传感器、控制器、电机、传动机构和窗帘。光线传感器用于检测光线强度；控制器接收传感器信号并进行处理和判断；电机提供动力；传动机构将电机的动力传递给窗帘；窗帘实现开合动作。
3. 传感器选择光电传感器，能准确检测光线强度。控制器选择单片机，可灵活编程实现控制逻辑。执行机构选择小型直流电机，通过齿轮传动带动窗帘，结构简单且能满足要求。