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2025年机电工程综合实践体验试题及答案

一、基础理论分析与应用（共30分）

1.（10分）某机电系统采用三相异步电动机驱动，额定功率15kW，额定电压380V，额定转速1460r/min，功率因数0.85，效率0.92。若系统需在负载转矩恒定为100N·m的工况下长期运行，试分析：

（1）此时电动机的实际输入功率是多少？

（2）若电网电压突然下降10%（即342V），电动机的电磁转矩如何变化？是否会出现堵转风险？（需给出计算过程，已知电动机临界转差率s_m=0.15，额定转差率s_N=0.027）

2.（10分）某带式输送机传动系统采用V带传动+一级圆柱齿轮减速器组合。已知电动机转速n_m=1440r/min，输送机滚筒转速n_w=60r/min，传递功率P=7.5kW，工作环境有轻微振动，每天运行16h。试确定：

（1）V带传动的合理传动比范围（需考虑带轮直径最小限制）；

（2）齿轮减速器的传动比及齿轮模数（提示：齿轮材料为45钢调质，小齿轮齿数z1=24，齿宽系数φ_d=0.8，许用接触应力[σ_H]=600MPa，载荷系数K=1.2）。

3.（10分）某数控铣床进给系统采用交流伺服电机+滚珠丝杠传动，已知伺服电机额定转矩T_n=8N·m，额定转速n_n=3000r/min，滚珠丝杠导程p=10mm，系统定位精度要求±0.005mm。试分析：

（1）伺服系统的脉冲当量（即每个指令脉冲对应的位移量）应如何设置？

（2）若实测定位误差为±0.01mm，可能的原因有哪些？（至少列出3项）

二、系统设计与计算（共40分）

题目：设计一套自动分拣装置的机电控制系统

装置功能：将传送带上不同材质（金属/非金属）的工件按类别分拣至两个料槽，要求分拣速度≥30件/分钟，定位精度±1mm，工件最大质量2kg，传送带速度0.5m/s。

设计要求：

（1）机械部分：确定传送机构、分拣执行机构的形式（需说明选型依据）；

（2）电气部分：选择传感器类型及安装位置，设计PLC控制逻辑（输入输出点分配、程序流程图）；

（3）驱动部分：计算分拣气缸的驱动力（气缸行程50mm，动作时间≤0.3s，摩擦系数μ=0.15），并选择气缸型号（气压源压力0.6MPa）；

（4）安全保护：提出至少2项电气与机械安全措施。

三、实践操作与调试（共20分）

题目：基于西门子S71200PLC的送料小车控制系统调试

系统组成：送料小车由步进电机驱动（步距角1.8°，细分数10），轨道长度1.5m，设置3个工位（A、B、C），定位精度±2mm；配置接近开关（检测工位位置）、急停按钮、启动/停止按钮；要求实现“自动循环”模式（A→B→C→A）和“手动”模式（单步移动）。

调试任务：

（1）绘制步进电机驱动器与PLC的接线图（需标注脉冲、方向、使能信号）；

（2）编写自动循环模式的梯形图程序（要求：到达工位后暂停2s，检测无异常后继续运行）；

（3）若调试中出现“小车无法启动”故障，列出可能的电气故障点及排查方法（至少4项）。

四、综合故障诊断（共10分）

某数控车床在加工轴类零件时出现以下异常：

现象1：主轴启动后转速不稳定，显示转速与实际转速偏差≥10%；

现象2：进给轴在快速移动时发出异响，且定位超差（误差±0.05mm）。

要求：结合机电系统组成，分析可能的故障原因（机械、电气各至少2项），并给出对应的排查步骤。

答案

一、基础理论分析与应用

1.（1）实际输入功率计算：

负载转矩T_L=100N·m，电动机轴上输出功率P_out=T_L·n/(9550)=100×1460/9550≈15.29kW（因负载转矩恒定，实际转速接近额定转速）。

输入功率P_in=P_out/η=15.29/0.92≈16.62kW。

（2）电压下降10%时，电磁转矩T∝U2，故T’=T_N×(0.9)2=0.81T_N。

额定转矩T_N=9550×P_N/n_N=9550×15/1460≈98.3N·m，实际负载转矩T_L=100N·m＞T’≈79.6N·m，此时电动机转速下降，转差率s增大。当s=s_m时，电磁转矩达最大值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，故会堵转。

2.（1）V带传动传动比i1范围：带轮最小直径d1_min=100mm（普通V带），滚筒转速n_w=60r/min，总传动比i总=1440/60=24。若齿轮减速器传动比i2=3~5（避免齿轮直径过大），