2025年机械设计与自动化测试题及答案

2025年机械设计与自动化测试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.机械设计中，“等强度设计”原则的核心是（）A.各零件材料强度相同B.关键部位强度高于非关键部位C.零件各截面危险点的安全系数相等D.整体结构重量最轻答案：C2.某轴用45钢制造，经调质处理后硬度为220HBS，其疲劳极限σ-1=300MPa，若零件表面经磨削加工（表面质量系数β=1.2），尺寸系数εσ=0.85，应力集中系数Kσ=1.5，则该轴的计算疲劳极限为（）A.300×1.2/(0.85×1.5)B.300×0.85×1.2/1.5C.300×1.5/(0.85×1.2)D.300×0.85×1.5/1.2答案：B3.标准直齿圆柱齿轮传动中，若中心距a=100mm，齿数z1=20，z2=60，模数m=（）A.2.5mmB.3mmC.3.5mmD.4mm答案：A（计算：a=m(z1+z2)/2→m=2a/(z1+z2)=200/80=2.5）4.以下哪种传感器可用于非接触式测量旋转轴的转速？（）A.应变片式力传感器B.电涡流传感器C.热电偶D.电感式位移传感器答案：B5.伺服系统中，位置环的主要作用是（）A.抑制负载扰动对速度的影响B.保证输出位置与输入指令一致C.提高系统响应速度D.降低系统噪声答案：B6.带传动中，弹性滑动的本质是（）A.带与带轮间的摩擦力不足B.带的弹性变形导致的局部滑动C.过载引起的全面滑动D.带轮直径不一致答案：B7.液压系统中，溢流阀的主要功能是（）A.调节流量B.控制方向C.稳定系统压力D.防止过载答案：C（溢流阀常态关闭，用于维持系统压力恒定）8.步进电机的步距角θ=360°/(mzk)，其中m为相数，z为转子齿数，k为（）A.通电方式系数（1或2）B.驱动电压倍数C.负载系数D.细分倍数答案：A9.机械零件的失效形式中，不属于表面损伤的是（）A.点蚀B.磨损C.疲劳断裂D.胶合答案：C（疲劳断裂属于体积破坏）10.工业机器人中，RV减速器主要用于（）A.末端执行器B.大臂与机身连接关节C.手腕旋转关节D.控制柜动力传输答案：B（RV减速器承载大，用于重载关节）二、填空题（每题2分，共20分）1.机械设计的“三化”原则是标准化、系列化和________。答案：通用化2.材料的许用应力[σ]=σlim/S，其中σlim为________，S为安全系数。答案：极限应力（或材料的失效应力）3.齿轮传动中，模数m的定义是________与齿数z的比值。答案：分度圆直径d4.滚动轴承的基本额定寿命是指一批相同轴承在相同条件下运转，________%不发生点蚀破坏的寿命。答案：905.PID控制器中，I代表________控制，主要用于消除稳态误差。答案：积分6.带传动的主要失效形式是打滑和________。答案：带的疲劳破坏（或疲劳断裂）7.传感器的静态特性指标包括灵敏度、线性度、迟滞和________。答案：重复性（或精度、分辨力等）8.液压系统中，执行元件将液压能转换为________能。答案：机械9.机电一体化系统的五大组成要素是机械本体、动力系统、传感检测部分、________和执行机构。答案：信息处理与控制系统10.工业机器人的位姿包括位置和________。答案：姿态（或方位）三、简答题（每题6分，共30分）1.简述螺纹连接防松的主要方法及原理。答案：螺纹连接防松方法分为摩擦防松、机械防松和永久防松三类。摩擦防松通过增大螺纹副间的摩擦力（如弹簧垫圈、双螺母）；机械防松通过约束螺纹副相对转动（如开口销与槽形螺母、止动垫圈）；永久防松通过破坏螺纹副运动可能性（如胶接、焊接）。2.比较齿轮传动与带传动的优缺点（各列举3点）。答案：齿轮传动优点：传动比准确、效率高（≥98%）、承载能力大；缺点：制造安装精度要求高、无过载保护、不适用于大中心距。带传动优点：缓冲吸振、过载打滑保护、中心距适应范围大；缺点：传动比不准确、效率较低（约90-95%）、需张紧装置。3.简述机电一体化系统中传感器的选型原则。答案：选型原则包括：①测量范围与精度匹配（覆盖被测参数范围且满足精度要求）；②响应特性符合系统动态要求（频率响应、时间常数）；③环境适应性（温度、湿度、振动等）；④输出信号类型与后续处理电路兼容（模拟/数字、电压/电流）；⑤可靠性与成本平衡（长期稳定工作且性价比高）。4.说明PLC梯形图设计的“左重右轻”原则及其原因。答案：“左重右轻”指梯形图中逻辑运算的输入条件（触点）尽量放在左侧，输出线圈尽量放在右侧。原因：PLC采用循环扫描工作方式，程序执行顺序为从左到右、从上到下，左侧触点先处理可确保逻辑关系符合电气控制原理，避免因顺序错误导致输出状态异常。5.工业机器人常用的坐标系有哪些？各适用于什么场景？答案：常用坐标系包括：①基坐标系（固定于机器人底座），用于机器人整体运动规划；②关节坐标系（各关节自身角度），用于单关节调试；③工具坐标系（固定于末端执行器），用于工具姿态控制；④工件坐标系（固定于工件），便于编程时以工件为参考。四、计算题（每题10分，共30分）1.某传动轴传递功率P=15kW，转速n=960r/min，轴材料为45钢，许用切应力[τ]=30MPa。试设计实心圆轴的直径d（取π≈3.14）。解：轴传递的扭矩T=9550×P/n=9550×15/960≈149.2N·m扭转切应力公式τ=16T/(πd³)≤[τ]代入得d³≥16×149.2/(3.14×30)≈25.4→d≥2.94cm≈30mm（取标准值）2.一对标准直齿圆柱齿轮传动，z1=20，z2=60，m=4mm，α=20°，小齿轮转速n1=1440r/min，许用接触应力[σH1]=600MPa，[σH2]=550MPa，载荷系数K=1.2。试校核其接触疲劳强度（接触疲劳强度公式：σH=ZEZH√(KFt/(bd1))×√(u+1)/(u)，其中ZE=189.8√(MPa)，ZH=2.5，b=50mm，u=z2/z1）。解：d1=mz1=80mm，Ft=2T1/d1=2×(9550×P/n1)/d1（假设P=10kW，则T1=9550×10/1440≈66.3N·m）Ft=2×66.3×10³/80≈1657.5Nu=60/20=3，b=50mmσH=189.8×2.5×√(1.2×1657.5/(50×80))×√(4/3)≈474.5×√(0.497)×1.154≈474.5×0.705×1.154≈388MPa因[σH2]=550MPa＞388MPa，故接触疲劳强度安全。3.某步进电机参数：相数m=4，转子齿数z=50，通电方式为四相八拍（k=2），驱动脉冲频率f=2000Hz。求：①步距角θ；②电机转速n（r/min）。解：①θ=360°/(mzk)=360/(4×50×2)=0.9°②转速n=60f/(mzk×360/360)=60×2000/(4×50×2)=60×2000/400=300r/min五、综合分析题（20分）某企业需设计一条自动化生产线，用于加工直径Φ50±0.05mm、长度200±0.1mm的轴类零件，要求生产节拍≤15秒/件。请从机械传动、检测控制、执行机构三方面设计方案，并分析关键技术点。答案：1.机械传动方案：采用伺服电机+滚珠丝杠副驱动的直线进给系统。伺服电机（如松下MINASA6系列）提供高精度动力，滚珠丝杠（导程10mm，精度C5级）将旋转运动转换为直线运动，配合弹性联轴器（补偿安装误差）和导轨（直线滚动导轨，重复定位精度±0.005mm），确保进给精度。2.检测控制系统：①检测部分：采用激光位移传感器（如KEYENCELK-G150，精度±0.5μm）在线测量轴径，光栅尺（分辨率0.001mm）检测进给位置；②控制部分：PLC（西门子S7-1500）作为主控制器，接收传感器信号，通过Profinet总线与伺服驱动器通信，实现闭环控制；③人机界面（HMI）用于参数设置和状态监控。3.执行机构：①上料机构：气动机械抓手（带力传感器防过载）从料仓取料，通过直线模组（重复定位精度±0.02mm）送至加工位；②加工机构：数控车床（主轴转速3000r/min，刀架定位精度±0.01m