《数控技术》课后答案.docx

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《数控技术》课后答案

第3章习题解答

3、1简述数控伺服系统得组成与作用。

数控伺服驱动系统按有无反馈检测元件分为开环与闭环（含半闭环）两种类型。

开环伺服系统由驱动控制单元、执行元件与机床组成。

驱动控制单元得作用就是将进给指令转化为执行元件所需要得信号形式，执行元件则将该信号转化为相应得机械位移。

闭环（半闭环）伺服系统由执行元件、驱动控制单元、机床，以及反馈检测元件、比较环节组成。

位置反馈元件将工作台得实际位置检测后反馈给比较环节，比较环节将指令信号与反馈信号进行比较，以两者得差值作为伺服系统得跟随误差，经驱动控制单元驱动与控制执行元件带动工作台运动。

3、2数控机床对伺服系统有哪些基本要求？

数控机床对伺服系统得基本要求：

⒈精度高；⒉快速响应特性好；⒊调速范围宽；⒋系统可靠性好。

3、3数控伺服系统有哪几种类型？

简述各自得特点。

数控伺服系统按有无检测装置分为开环伺服系统、半闭环伺服系统与闭环伺服系统。

开环伺服系统就是指不带位置反馈装置得控制方式。

开环控制具有结构简单与价格低廉等优点。

半闭环伺服系统就是通过检测伺服电机得转角间接地检测出运动部件得位移（或角位移）反馈给数控装置得比较器，与输入指令进行比较，用差值控制运动部件。

这种系统得调试十分方便，并具有良好得系统稳定性。

闭环伺服系统将直接测量到得位移或角位移反馈到数控装置得比较器中与输入指令位移量进行比较，用差值控制运动部件，使运动部件严格按实际需要得位移量运动。

闭环控制系统得运动精度主要取决于检测装置得精度，而与机械传动链得误差无关，其控制精度将超过半闭环系统。

3、4简述步进电动机得分类及其一般工作原理。

从结构上瞧，步进电动机分为反应式与激磁式，激磁式又可分为供电激磁与永磁式两种。

按定子数目可分为单段定子式与多段定子式。

按相数可分为单相、两相、三相及多相，转子做成多极。

在输入电信号之前，转子静止不动；电信号到来之后，转子立即转动，且转向、转速随电信号得方向与大小而改变，同时带动一定得负载运动；电信号一旦消失，转子立即自行停转。

3、5什么就是步距角？

步进电机得步距角大小取决于哪些因素？

步进电机得步距角α就是反映步进电机绕组得通电状态每改变一次，转子转过得角度。

步距角α一般由定子相数、转子齿数与通电方式决定。

3、6试比较交流与直流伺服电动机得特点。

直流伺服电机具有优良得调速性能，启动、运行与制动灵活、方便，因而在对速度调节有较高要求得场合，直流伺服系统一直占据主导地位。

但它存在固有得弱点，如电刷与换向器工作中易磨损，需经常维护，换向器形状非常复杂，换向时还会产生火花，这给制造与维护都带来很大得困难。

交流伺服电机采用了全封闭无刷构造，不需定期检查与维修。

它得定子省去了铸件壳体，结构紧凑，外形小，重量轻。

空心杯转子得转动惯量很小，反应迅速，而且运转平稳。

3、7分析交流与直流伺服电动机得速度调节方式。

直流伺服电动机常用得调速方式有两种：

⑴晶闸管直流调速（SCR）

晶闸管直流调速就是通过调节触发装置得控制电压大小（控制晶闸管得开放角）来移动触发脉冲得相位，从而改变了整流电压得大小，使直流电动机电枢电压变化而平滑调速。

⑵脉宽调制直流调速（PWM）

PWM调速就是在大功率开关晶体管得基极上，加上脉宽可调得方波电压，控制开关管得导通率，达到调速得目得。

交流伺服电动机调速通常由调频调速得方法实现。

实现调频调压有多种方法，通常都就是采用交流—直流—交流得变换电路来实现，这种电路得主要组成部分就是电流逆变器。

3、8步进式伺服系统就是如何对机床工作台得位移、速度与进给方向进行控制得？

⒈工作台位移量得控制

数控装置发出N个进给脉冲，使步进电动机定子绕组得通电状态变化N次，则步进电动机转过得角位移量φ=N·α（α为步距角）。

该角位移经丝杠螺母副之后转化为工作台得位移量L，即进给脉冲数决定了工作台得直线位移量。

⒉工作台运动方向得控制

当数控装置发出得进给脉冲就是正向时，经驱动控制线路之后，步进电动机得定子绕组按一定顺序依次通电、断电。

当进给脉冲就是反向时，定子各相绕组则按相反得顺序通电、断电。

因此，改变进给脉冲得方向，可改变定子绕组得通电顺序，使步进电动机正转或反转，从而改变工作台得进给方向。

⒊工作台进给速度得控制

若数控装置发出得进给脉冲得频率为f，经驱动控制线路后，转换为控制步进电动机定子绕组得通电、断电得电平信号变化频率，由于转速ω=60fδ（δ为脉冲当量），所以定子绕组通电状态得变化频率决定步进电机转子得转速。

该转速经过丝杠螺母副传递之后，转化为工作台得进给速度。

3、9如何提高步进式伺服驱动系统得精度？

从控制方法上采取以下措施提高步进式伺服驱动系统得精度：

⒈传动间隙补偿；⒉螺距误差补

偿；⒊细分线路。

3、10简述鉴相式伺服系统得组成与工作原理。

鉴相式伺服系统由基准信号发生器、脉冲调相器、检测元件及信号处理线路、鉴相器、驱动线路与执行元件等组成。

当数控机床得数控装置要求工作台沿一个方向进给时，插补器或插补软件便产生一系列进给脉冲。

进给脉冲首先送入伺服系统位置环得脉冲调相器。

变为超前基准信号相位角φ，在工作台运动以前，因工作台没有位移，故检测元件及信号处理线路得得输出与基准信号同相位，即两者相位差θ=0。

在鉴相器中，指令信号与反馈信号进行比较，使工作台正向进给。

工作台正向进给后，检测元件马上检测出此进给位移，若θ≠φ1，说明工作台实际移动得距离不等于指令信号要求得移动距离，鉴相器将φ与θ得差值检测出来，送入速度控制单元，驱动电机转动带动工作台进给。

若θ=φ，说明工作台移动距离等于指令信号要求得移动距离，此时，鉴相器得输出φ－θ=0，工作台停止进给。

3、11简述鉴幅式伺服系统得组成与工作原理。

鉴幅式伺服系统由测量元件及信号处理线路、数模转换器、比较器、放大环节与执行元件五部分组成。

鉴幅系统工作前，数控装置与测量元件及信号处理线路都没有脉冲输出，比较器得输出为零，这时，执行元件不带动工作台移动。

出现进给脉冲信号之后，比较器得输出不再为零，执行元件开始带动工作台移动，同时以鉴幅式工作得测量元件又将工作台得位移检测出来，经信号处理线路转换成相应得数字脉冲信号，该数字脉冲信号作为反馈信号进入比较器与进给脉冲进行比较。

若两者相等，比较器得输出为零，说明工作台实际移动得距离等于指令信号要求工作台移动得距离，执行元件停止带动工作台移动；若两者不相等，说明工作台实际移动得距离不等于指令信号要求工作台移动得距离，执行元件继续带动工作台移动，直到比较器输出为零时为止。

3、12鉴相式伺服系统中，基准信号发生器得作用就是什么？

基准信号发生器输出得就是一列具有一定频率得脉冲信号，其作用就是为伺服系统提供一个相位比较基准。

3、13简述脉冲比较式伺服系统得组成与工作原理。

比较完整得脉冲比较式伺服系统可由指令信号、反馈测量信号、比较器、转换器、驱动执行元件组成。

若工作台处于静止状态，指令脉冲Pc=0，这时反馈脉冲Pf亦为零，经比较器可得偏差e=Pc－Pf=0，则伺服电机得速度给定为零，工作台继续保持静止不动。

随着指令脉冲得输入，Pc≠0，在工作台尚未移动之前，反馈脉冲Pf仍为零。

经比较器比较，得偏差e=Pc－Pf≠0，若指令脉冲为正向进给脉冲，

则e>0，由速度控制单元驱动电机带动工作台正向进给。

直到e=Pc－Pf=0，即反馈脉冲数等于指令脉冲数，工作台停在指令规定得位置上。

当指令脉冲为反向运动脉冲时，控制过程与Pc为正时基本上类似。

只就是e<0，工作台作反向进给，直至e=0，工作台停在指令所规定得反向某个位置上。

3、14CNC数字伺服系统与NC伺服系统相比有何特点？

CNC数字伺服系统不同于其它NC伺服系统得一个最突出特点就就是利用计算机得计算功能，将来自测量元件得反馈信号在计算机中与插补软件产生得指令信号作比较，其差值经数模转换后送到直流放大器放大，然后经执行元件变为工作台移动。

因此，CNC数字伺服系统可分成软件部分与硬件部分。

软件部分主要完成跟随误差得计算，即指令信号与反馈信号得比较计算；硬件部分主要由位置检测组件与位置控制输出组件组成。

3、15简述CNC数字伺服系统得位置检测组件得工作过程。

位置检测组件由检波器、电压－频率转换器、正余弦信号发生器与实际位置计数器等电路组成。

由正余弦信号发生器产生得8kHz得正弦、余弦电压被送到旋转变压器得定子绕组感应出电压信号VC。

VC作为输入信号送到检测装置，先经过10kHz低通滤波器滤掉高次谐波成分与干扰信号。

滤波器得输出被送到检波器，把交流信号变换为直流信号VE。

再经过6kHz低通滤波器滤掉8kHz得脉动成分，输出平滑得直流电压VF，VF送到电压－频率转换电路，转换为频率与VF成正比得脉冲到CVFC；VF还被送到符号检测电路，检出VF得符号SIGN。

CVFC与SIGN经同步电路后，被送到正余弦信号发生器与实际位置计数器，以控制旋转变压器激磁信号中电气角α得变化，并根据α角产生脉宽调制得正弦、余弦电压；同时，使计数器计数，计出得数字表示一段时间内坐标位置得移动量ΔDFi。

第4章习题解答

4、1数控机床对机械结构得基本要求就是什么？

提高数控机床性能得措施主要有哪些？

数控机床对机械结构得基本要求就是：

具有较高得静、动刚度与良好得抗振性；具有良好得热稳定性；具有较高得运动精度与良好得低速稳定性；具有良好得操作、安全防护性能

成。

提高数控机床性能得措施主要有：

合理选择数控机床得总体布局；提高结构件得刚度；提高机床抗振性；改善机床得热变形；保证运动得精度与稳定性。

4、2数控机床采用斜床身布局有什么优点？

斜床身布局得数控车床（导轨倾斜角度通常选择45°、60°与75°），不仅可以在同等条件下，改善受力情况；而且还可通过整体封闭式截面设计，提高床身得刚度。

特别就是自动换刀装置得布置较方便。

4、3卧式数控镗铣床或加工中心采用T型床身与框架结构双立柱各有什么优点？

T型床身布局可以使工作台沿床身作X向移动时，在全行程范围内，工作台与工件完全支承在床身上，因此，机床刚性好，工作台承载能力强，加工精度容易得到保证。

而且，这种结构可以很方便地增加X轴行程，便于机床品种得系列化、零部件得通用化与标准化。

框架结构双立柱采用了对称结构，主轴箱在两立柱中间上、下运动，与传统得主轴箱侧挂式结构相比，大大提高了结构刚度。

另外，主轴箱就是从左、右两导轨得内侧进行定位，热变形产生得主轴中心变位被限制在垂直方向上，因此，可以通过对Y轴得补偿，减小热变形得影响。

4、4什么叫“箱中箱”（boxinbox）结构？

高速加工机床为什么要采用“箱中箱”结构？

卧式布局高速数控机床采用了“内外双框架”即称为“箱中箱”（boxinbox）结构。

这两种布局型式在总体上得共同特点就是：

运动部件质量轻，结构刚性好。

机床进给系统得结构全部（或部分）移出工作台外，以最大限度减轻移动部件得质量与惯量，就是高速加工机床结构布局设计得总原则。

4、5什么叫虚拟轴机床？

其结构特点就是什么？

与传统机床相比它具有哪些主要优点？

虚拟轴机床得基座与主轴平台间就是由六根杆并联地连接得，称之为并联结构。

X、Y、Z三个坐标轴得运动由六根杆同时相互耦合地作伸缩运动来实现。

主轴平台得受力由六根杆分摊承担，每根杆受力要小得多，且只承受拉力或压力，不承受弯矩或扭矩。

因此，刚度高、移动部件质量小、结构简单、零件得数量多，就是并联结构机床突出得优点。

4、6数控机床对主传动系统得基本要求就是什么？

在数控机床上实现主传动得无级变速方式主要有哪几种？

数控机床对主传动系统得基本要求：

⑴为了达到最佳切削效果，一般都应在最佳切削条件下工作，因此，主轴一般都要求能自动实现无级变速。

⑵要求机床主轴系统必须具有足够高得