14年计算机数控理论与技术试题.docx

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14年计算机数控理论与技术试题

2014年研究生计算机数控理论与技术试题

一、正误题

1．数控机床开机时，一般要进行回参考点操作，目的是建立工件坐标系。

（X）--应该是机床原点。

2．加工箱体类零件平面时，应选择数控车床进行加工。

（X）--应选择加工中心加工箱体类零件。

3．数控机床刀具补偿指刀具半径补偿与长度补偿。

（√）

4．数控机床坐标轴定义顺序是先Z轴，然后确定X轴，最后按右手定律确定Y轴。

（√）

5．闭环控制伺服进给系统的检测元件一般安装在工作台上。

（√）

二、简述题

1．试比较ISO代码和EIA代码的特点和它们之间的区别。

答：

代码是表示信息的符号体系，数控用的信息，如字母、字符和数字等，用二进制数编码，也可用穿孔纸带上的一行孔来表示，穿孔纸带是数控系统中专用的一种程序的载体，纸带上孔的排列与字符一一对应，每排孔也称为一个代码，代码是数控系统中传递信息的语言，有孔表示“1”，无孔表示“0”。

国际上数控机床常用代码有ISO（国际标准化协会）代码和EIA（美国电子工业）代码。

ISO代码主要在计算机和数据通信中使用。

ISO代码特点是每一排孔数必须是偶数，故称ISO代码为偶数码。

ISO代码中数字需在第五列和第六列穿孔，字母需在第七列穿孔，若每排孔数目为奇数，则由第八列孔补偶以保证每排孔均为偶数。

EIA代码的特殊性是除CR字符外，其它各字符不使用第八孔，其次它的每一排空都要凑成奇数，故也称EIA代码为奇数码，并由第五列孔为补奇孔。

ISO标准代码为七位二进制，ISO代码中数字、字母和字符最多可得到2^7=128个字符，而EIA代码为六位二进制数，最多得到2^6=64个字符，ISO代码数比EIA代码数多一位，ISO代码和计算机通用信息交换代码ASCⅡ码一致，适合和计算机作信息交换，给读带和数控系统设计带来方便，数控机床的输入系统中有专门奇偶校验电路，当输入的代码一旦违反ISO或EIA代码标准规定的奇偶位数，控制系统会发出错信息并命令停机。

2．什么叫脉冲当量？

数控机床常用的脉冲当量有哪些？

答：

脉冲当量是相当于每一脉冲信号机床的运动部件的位移量，又称作最小设定单位，它的大小视机床加工精度而定，一般普通精度机床取脉冲当量为0.01mm，较精密的机床取0.001mm或0.005mm，脉冲当量影响数控机床的加工精度，它的取值越小，加工精度越高。

3．数控机床的特点有哪些？

数控机床主要由哪几部分组成？

加工中心与普通数控机床的主要区别是什么？

答：

（1）对加工对象的适应性强：

可适应不同品种和尺寸规格工件的自动加工，当加工对象改变时，只要重新编制零件程序就能够实现对新零件的自动化生产，为复杂结构的单件、小批量生产以及试制新产品提供了极大的方便。

（2）高的可靠性和精度保持性：

机床工作过程一般不需要人工干预，消除了操作者人工产生的误差，数控装置的脉冲当量可达0.001mm~0.0001mm，同时通过实时检测反馈获得更高精度。

（3）自动化程度高、减轻操作者劳动强度和生产效率高：

由于数控机床是按所编程序自动完成零件加工的，一般操作者只需装卸工件和更换刀具，大大减轻了操作者的劳动强度，改善了生产条件，能够减少零件加工所需的机动时间和辅助时间。

由于采用了自动换刀、和自动交换工作台，还可在同一台机床（加工中心）上同时进行车、铣、钻、镗、磨等各种粗、精加工，即一台机床上实现多道工序的连续加工。

（4）可加工复杂零件和利于现代化生产管理：

数控机床由于采用了计算机插补技术和多坐标联动控制，可以实现几乎是任意轨迹的运动和加工任何形状的空间曲线。

而且采用数控机床加工适宜与计算机联网，实现计算机辅助设计、制造及管理一体化，即实现CIMS技术的基础。

数控机床一般由数控系统（机床实现自动加工的核心，主要有操作系统，主控制系统，可编程控制器，各类输入输出接口等组成），伺服系统（数控系统与机床本体之间的电传动联系环节。

主要由伺服电动机、驱动控制系统及位置检测反馈装置组成）、主传动系统（一般分为齿轮有级变速和电气无极调速两种类型）、强电控制柜（其功能除了提供数控、伺服等一类弱电控制系统的输入电源，以及各种短路、过载、欠压等电气保护外，还控制机床辅助装置的各种交流电动机、液压系统电磁阀或电磁离合器等，主要起到扩展接点数和扩大触点容量等作用）、各类辅助装置和机床本体组成。

加工中心与普通数控机床相比带有刀库和自动换刀装置，它将数控铣床、数控钻床、数控镗床的功能组合在一起，零件一次装夹后，可以将其大部分加工面进行铣、镗、钻、扩、铰及攻螺纹等多工序加工。

4.数控技术中NC、CNC、MC、FMC、FMS、CIMS各代表什么含义？

答：

NC（NumericalControl，数字控制）,CNC（ComputerNumericalControl，计算机数控系统）,MC（MachiningCenter，加工中心）,FMC（FlexibleManufacturingCell，柔性制造单元）,FMS（FlexibleManufacturingSystem，柔性制造系统）,CIMS（ComputerIntegratedManufacturingSystem，计算机集成制造系统）。

5．数控机床检测装置的作用是什么？

常用的检测元件有哪些？

答：

位置检测装置是数控机床伺服系统的重要组成部分。

数控机床检测装置的作用是检测位移和速度，发送反馈信号，构成闭环控制，闭环数控机床的加工精度主要取决于检测系统的精度。

常用的检测元件有脉冲编码器、旋转变压器、光栅、磁尺和感应同步器等。

三、用逐点比较法对圆弧进行插补，圆弧起点（6，0），终点

（0，6），逆时针插补，要求：

1、导出递推公式。

2、列出插补过程。

3、画出插补轨迹。

公式推导：

若点P（ 

）正好落在圆弧上，则下式成立：

若加工点P（ 

）在圆弧外侧，则 

>R，即：

若加工点P（ 

）在圆弧内侧，则 

将上面各式分别改写为下列形式：

（加工点在圆弧上）

（加工点在圆弧外侧）

（加工点在圆弧内侧）

取加工偏差判别式为：

若P（ 

）在圆弧外或圆弧上，即满足 

≥0的条件时，应向x轴发一个负向运动的进给脉冲，即向圆内走一步。

若P（ 

）在圆弧内侧，即满足 

<0的条件，则向y轴发一个正向运动的进给脉冲，即向圆弧外走一步。

为了简化偏差判别式的运算，仍用递推法来推算下一步新的加工偏差。

设加工点P（ 

）在圆弧外侧或圆弧上，则加工偏差为

x坐标需向负方向进给一步，移到新的加工点P（ 

）位置，此时新加工点的x坐标值为 

，y坐标值仍为 

，新加工点P（ 

）的加工偏差为：

展开并整理得：

设加工点P（ 

）在圆弧的内侧，则：

<0

那么，y坐标需向正方向进给一步（+Δy），移到新加工点P（ 

），此时新加工点的x坐标值仍为 

，y坐标值则改为 

，新加工点P（ 

）的加工偏差为:

，展开上式，并整理得:

综上所述可知：

当 

≥0时，应走—Δx，新偏差为 

，动点（加工点）坐标为 

， 

；当 

<0时，应走+Δy，新偏差为 

，动点坐标为 

。

Fi≥0，Fi+1=Fi-2xi+1;

Fi＜0，Fi+1=Fi+2yi+1。

∑=|6-0|+|0-6|=12，起点在圆弧上，F0=0，X0=0，Y0=0

序号

偏差判别

进给方向

偏差计算

终点判别

0

F0=0（6,0）

∑=12

1

F0=0

-X

F1=-11（5,0）

∑=11

2

F1=-11

+Y

F2=-10（5,1）

∑=10

3

F2=-10

+Y

F3=-7（5,2）

∑=9

4

F3=-7

+Y

F4=-2（5,3）

∑=8

5

F4=-2

+Y

F5=5（5,4）

∑=7

6

F5=5

-X

F6=-4（4,4）

∑=6

7

F6=-4

+Y

F7=5（4,5）

∑=5

8

F7=5

-X

F8=-2（3,5）

∑=4

9

F8=-2

+Y

F9=9（3,6）

∑=3

10

F9=9

-X

F10=4（2,6）

∑=2

11

F10=4

-X

F11=1（1,6）

∑=1

12

F11=1

-X

F12=0（0,6）

∑=0

上图即为插补轨迹

四、数控机床伺服系统应满足哪些要求？

简述步进电机工作原理？

步距角的含义？

当齿数Z=40时，三相六拍步进电机的步距角为多少？

答:

1.自身具有较高的定位精度和轮廓切削精度，定位误差特别是重复定位误差小，跟随误差小，达到um，高的要求达到±0.01~±0.001um。

2.快速响应，无超调，无振荡，加工过程中为了提高生产率和保证加工质量，要求加、减速度足够大以便缩短伺服系统过渡过程时间。

3.电机调速范围宽至少达到1:

1000，有些高性能系统已经达到1:

100000，而且通常是无级调速，主轴由伺服系统主要是速度控制，低速恒转矩调速具有1:

100~1:

1000的调速范围，高速（额定转速以上）恒功率调速具有1:

10以上的调速范围。

4.低速大转矩，机床加工大多是低速时切削，即在低速时进给驱动要有大的转矩输出。

5.对环境（如温度、湿度、粉尘、油污、振动、电磁干扰等）的适应性强，性能稳定，使用寿命长，平均故障间隔时间（MBTF）长。

6.具有足够的传动刚性和高的速度稳定性。

步进电机的工作原理：

三相反应式步进电动机的结构示意图

1——定子 2——转子 3——定子绕组

　　上图是最常见的三相反应式步进电动机的剖面示意图。

电机的定子上有六个均布的磁极，其夹角是60º。

各磁极上套有线圈，按图连成A、B、C三相绕组。

转子上均布40个小齿。

所以每个齿的齿距为θE=360º/40=9º，而定子每个磁极的极弧上也有5个小齿，且定子和转子的齿距和齿宽均相同。

由于定子和转子的小齿数目分别是30和40，其比值是一分数，这就产生了所谓的齿错位的情况。

若以A相磁极小齿和转子的小齿对齐，如图，那么B相和C相磁极的齿就会分别和转子齿相错三分之一的齿距，即3º。

因此，B、C极下的磁阻比A磁极下的磁阻大。

若给B相通电，B相绕组产生定子磁场，其磁力线穿越B相磁极，并力图按磁阻最小的路径闭合，这就使转子受到反应转矩（磁阻转矩）的作用而转动，直到B磁极上的齿与转子齿对齐，恰好转子转过3º；此时A、C磁极下的齿又分别与转子齿错开三分之一齿距。

接着停止对B相绕组通电，而改为C相绕组通电，同理受反应转矩的作用，转子按顺时针方向再转过3º。

依次类推，当三相绕组按A→B→C→A顺序循环通电时，转子会按顺时针方向，以每个通电脉冲转动3º的规律步进式转动起来。

若改变通电顺序，按A→C→B→A顺序循环通电，则转子就按逆时针方向以每个通电脉冲转动3º的规律转动。

因为每一瞬间只有一相绕组通电，并且按三种通电状态循环通电，故称为单三拍运行方式。

单三拍运行时的步矩角θb为30º。

三相步进电动机还有两种通电方式，它们分别是双三拍运行，即按AB→BC→CA→AB顺序循环通电的方式，以及单、双六拍运行，即按A→AB→B→BC→C→CA→A顺序循环通电的方式。

六拍运行时的步矩角将减小一半。

反应式步进电动机的步距角可按下式计算：

                         θb=360º/NEr          

式中  Er——转子齿数；N——运行拍数，N=km，m为步进电动机的绕组相数，k=1或2。

步距角θb:

步进电动机定子绕组通电状态每改变一次转子转过的角度，它取决于电动机的结构和控制方式。

三相六拍步进电机的步距角θb=360º/NEr=360º/（40*18）=0.5º。

五、手工编制加工《科大》的NC程序，要求：

1.直线和圆弧均有；2.G90、R方式.

O0001

N0010G92X0Y0Z15.0*

N0020G90G00X6.29Y0F100*

N0030M03S500*

N0040M08*

N0050G00Z-0.5*

N0060G00X6.29Y0.83F120*

N0070G01Y7.41*

N0080G02X3.52Y3.57R4.69*

N0090G01X3.24Y3.80*

N0100G03X6.02Y9.65R11.20*

N0110G01X3.41Y9.65*

N0120X3.24Y10.41*

N0130X6.28*

N0140Y12.81*

N0150X3.69Y12.50*

N0160G02X3.58Y12.97R0.25*

N0170G01X8.81Y14.70*

N0180X9.61Y13.21*

N0190X7.28Y12.93*

N0200X7.28Y10.40*

N0210X9.88*

N0220G02X10.07Y9.65R1.21*

N0230G01X7.30*

N0240Y8.65*

N0250G02X9.31Y7.12R2.09*

N0260G02X8.55Y6.36R0.65*

N0270G01X7.30Y8.01*

N0280Y1.27*

N0290X6.29Y0.83*

N0300Z10.0*

N0310G00X10.58Y11.01*

N0320G01Z-0.5*

N0330X11.76Y12.02*

N0340X12.61Y10.34*

N0350X12.18Y9.55*

N0360X10.57Y11.01*

N0370Z10*

N0380G00X11.36Y8.80*

N0390G01Z-0.5*

N0400X12.56Y7.91*

N0410X11.94Y6.77*

N0420X10.55Y7.77*

N0430X11.36Y8.80*

N0440Z10*

N0450G00X8.08Y5.13*

N0460G01Z-0.5*

N0470X13.39Y6.62*

N0480Y15.09*

N0490X14.66Y14.49*

N0500G02X14.66Y13.41R0.65*

N0510G01X14.66Y6.98*

N0520X17.72Y7.84*

N0530Y6.55*

N0540X14.64Y5.88*

N0550Y0*

N0560X13.36*

N0570Y5.61*

N0580X8.67Y4.58*

N0590G02X8.08Y5.13R0.50*

N0600Z10*

N0610G00X19.92Y9.96*

N0620G01Z-0.5*

N0630X24.80*

N0640Y15.41*

N0650X27.26Y13.65*

N0660X26.26*

N0670Y9.96*

N0680X31.37*

N0690X31.95Y9.09*

N0700X26.90*

N0710G03X32.17Y2.94R7.78*

N0720G01X30.79Y1.42*

N0730G02X25.85Y8.36R9.39*

N0740G02X19.54Y0.97R7.78*

N0750G01X19.25Y1.45*

N0760G03X24.81Y9.09R9.39*

N0770G01X20.31Y9.09*

N0780X19.92Y9.96*

N0790Z10*

N0800G00X0Y0Z15*

N0810M03*

六、下图为橡胶密封圈凸模简图

要求：

1.编制加工图示（橡胶凸模）的数控铣床NC程序（G90,G41，I，J方式）

数控铣床NC程序：

O0001

NOO10G92X0Y0Z20*

N0020G90G00X0Y44.3F100*

N0030G00Z0*

N0040M03S500*

N0050M08*

N0060G41G00X0Y14.3D01F120*

N0070G01X45.35Y14.3*

N0080G02X59.328Y3.019I0J-14.3*

N0090G01X62.978Y-13.881*

N0100G02X55.743Y-29.510I-13.978J-3.019*

N0110G01X46.181Y-34.623*

N0120G02X27.353Y-36.086I-11.081J20.723*

N0130G01X5.374Y-28.411*

N0140G03X-5.374Y-28.411I-5.374J-15.389*

N0150G01X-27.353Y-36.086*

N0160G02X-46.181Y-34.623I-7.747J22.186*

N0170G01X-55.743Y-29.510*

N0180G02X-62.978Y-13.881I6.743J12.61*

N0190G01X-59.328Y3.019*

N0200G02X-45.35Y14.3I13.978J-3.019*

N0210G01X0Y14.3*

N0220G40G00X0Y44.3M09*

N0230G00Z20*

N0240M30*

2.编制加工该凸模的数控线切割3B程序（不考虑钼丝直径及火花间隙）

加工顺序：

A→B→C→D→E→F→G→H→I→J→K→M→N→A

序号

B

X

B

Y

B

J

G

Z

1

B

90700

B

0

B

90700

Gx

L1

2

B

0

B

14300

B

11281

Gy

SR1

3

B

3650

B

16900

B

16900

Gy

L4

4

B

13978

B

3019

B

7235

Gx

SR4

5

B

9562

B

5113

B

9562

Gx

L3

6

B

11081

B

20723

B

18828

Gx

SR4

7

B

21979

B

7675

B

21979

Gx

L2

8

B

5374

B

15389

B

10748

Gx

NR1

9

B

21979

B

7675

B

21979

Gx

L3

10

B

7747

B

22186

B

18828

Gx

SR4

11

B

9562

B

5113

B

9562

Gx

L2

12

B

6743

B

12610

B

15629

Gy

SR3

13

B

3650

B

16900

B

16900

Gy

L1

14

B

13978

B

3019

B

13978

Gx

SR2

七、用PRO/E对给定图形（黑板给定图形）进行3D建模，并进行数控加工模拟。

（1）

三维造型：

数控加工的刀具路径：

（2）推杆的运动规律：

S=T-[1/（2*π）]sin2πT

三维造型:

八、常用的数控系统有哪些？

各自的特点？

答:

日本的FANUC公司，德国的Simens公司和美国的Allen-Brandley（简称A-B公司），其数控系统的研制和生产在世界上占领先地位，我国引进他们的技术和设备也较多。

广州数控，北京凯恩帝数控系统，南京华兴数控系统，华中数控，成都广泰数控，深圳众为兴数控等。

一、FANUC数控系统简介

1976年FANUC公司研制成功数控系统5，随后又与Siemens公司联合研制了具有相当先进水平的数控系统7，FANUC公司逐步发展成为世界上最大的专业数控系统生产厂家。

1979年，FANUC公司推出数控系统6，它是具备一般功能和部分高级功能的中级型CNC系统，6M适用于铣床和加工中心，6T适用于车床。

与过去的机型比较，使用了大容量磁泡存储器和专用大规模集成电路，元件总数减少约30%，适用于高精度、高效率加工。

最小脉冲当量为1um或0.001in,有提高加工精度的间隙补偿和丝杠螺距误差补偿，有自动监视和自动补偿伺服系统漂移的功能，有自动监视误差寄存器的静态误差与动态误差的功能，备有高效率的随机选择自动换刀机构和纯电气式的主轴快速定向控制系统，它还具备由用户自己制作的特有变量型子程序的用户宏功能。

1980年，在系统6的基础上向低档和高档拓展，研制成功系统3和系统9。

系统3是在系统9的基础上简化而成的，体积小，成本低，容易组成机电一体化系统，适用于小型、廉价的机床。

系统9是在系统6的基础上强化而成，并具备有高级性能的可变软件型CNC系统，通过变更其软件能适应任何不同用途，尤其适用于加工复杂的航空部件，要求高度可靠的多轴联动重型数控机床。

1984年，FANUC公司又推出新型系列产品数控系统10，数控系统11和数控系统12.该系列产品在硬件方面做了较大的改进，凡是能够集成的都做成了大规模集成电路。

其中：

包含8000个门电路的专用大规模集成电路有3种，其引出脚多达179个；专用大规模集成电路有4种；厚膜电路有22种；还有32位的高速处理器，4Mbit的磁泡存储器等等。

元件数比前期同类产品又减少30%。

由于该系列产品采用光导纤维，使数控装置与机床以及操作面板之间的电缆数大幅度减少，提高了抗干扰性和可靠性。

该系统在工厂自动化DNC方面能够实现主计算机与机床、工作台、机械手、搬运车之间各种数据的双向传递。

它的PC装置使用了独特的无触点、无极性输出和大电流、高电压输出电路，能够促使强电柜的半导体化。

此外PC的编程不仅可以使用梯形图语言，还可使用PASCAL语言，便于用户自己开发软件。

数控10、11、12还充实了专用宏功能、自动计划功能、自动刀具补偿功能、刀具寿命管理，彩色图形显示CRT等。

1985年，FANUC公司推出数控系统0，它的主要目标是体积小、价格低、适用于机电一体化的小型机床，因此它适用于中、大型机床的系统10、11、12一起组成了这一时期的全新系列产品。

在硬件上采用了最新型高速高集成的微处理器，共有专用大规模集成电路6种（其中4种为低功耗CMOS专用大规模集成电路），专用厚膜电路9种。

1987年，FANUC公司又研制成功数控系统15。

该系统采用了模块式多主总线（FANUCBUS）结构，应用了MMC（ManMachineControl）、CNC、PMC（ProgrammableMachineControl）的新概念，被称之为划时代的AI-CNC（人工智能数控系统）。

它采用了高速度、高精度、高效率加工的数字伺服单元，数字主轴单元和纯电子式绝对位置检出器，还增加了MAP（ManufacturingAutomaticProtocol）窗口功能。

二、SIEMENS数控系统简介

德国SIEMENS公司生产的SINUMERIK数控装置从最简单到最复杂都可按图纸直接编程，操作方便。

20世纪70年代，SIEMENS公司生产出SINUMERIK6T、6M、7T、7M系统；20世纪80年代初期又推出了SINUMERIK8T、