计算机数控系统复习题.docx
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计算机数控系统复习题
“计算机数控系统”复习题
一、填空：
1、数控技术的发展方向是高精度、高速度、高可靠性、多功能和小型化、智能化、数控网络化和（开放式）等方向。
开放式的数控系统应是一个（模块化）、（可重构）和（可扩充）的数控系统。
（P7，P8）
2、DNC是（直接数字控制或分布式数控）的缩写，MAP是（制造自动化协议）的缩写，FMC是（柔性制造单元）的缩写,MDI是（手工数据输入）的缩写，RS-232C是数控机床上应用比较广泛的（串行通讯接口）。
3、根据数控机床伺服进给驱动系统的控制方式，数控机床可分（开环控制系统）、（闭环控制系统）和（半闭环控制系统）三种类型，其中，大多数数控机床采用（半闭环控制系统）控制，（开环控制系统）用于步进电机驱动的数控机床，交流伺服电机用于（闭环和半闭环控制系统）的控制。
4、根据运动轨迹,数控机床可分为（点位控制）、（直线控制）和（轮廓控制）三种类型。
5、数控机床的缺点是（价格高）、（对操作人员和维护人员的技术水平要求高）。
6、数控加工编程方法主要有（手动编程）和（自动编程）两大类。
数控加工的自动编程有（程序语言系统）和图形交互自动编程。
图形交互自动编程又称为（CAD/CAM一体化编程），其主要步骤可概括为（几何造型）、（刀具中心轨迹的计算与生成）和（后置处理）等。
7、根据数控机床轮廓加工中联动控制的轴数，数控机床的加工可分为（2轴），（2.5轴），（3轴），（4轴）和五轴联动等五种类型，其中，五轴联动有3个（直线）坐标轴和2个（转动）坐标轴。
8、数控加工程序编制的主要步骤为（分析零件图纸）、（工艺处理）、（数值处理）、（数学处理）、（编写加工程序单）、（传输程序）、（校核程序）等。
9、在数控机床上使用刀具半径补偿功能进行加工时，刀具中心的轨迹是编程轨迹的（等距线）。
程序段转接的刀具中心的轨迹的类型有（缩短型）、（插入型）和（延长型）三种类型。
对插入型程序段转接也可插入圆弧,该方法计算简单,但（工艺性）不如插入直线型.
10、数控加工程序编制中数值计算的主要任务可概括为计算零件的（基点），计算（非圆）的（节点），将列表曲线拟合成（样条曲线），对不具备刀具半径补偿功能的系统，还要计算（刀具中心轨迹）
11、常用基准脉冲插补方法有（逐点比较法）和（数字积分法），其插补精度是（小于或等于一个脉冲当量），主要用于（开环系统），也用于（闭环和半环系统）的（精插补）。
12、常用的数据采样插补方法有（直线函数法）、（扩展数字积分法）和（二阶递归算法），其中（扩展数字积分法）和（二阶递归算法）的结果一致。
递归函数法可分为（一阶递归插补）、（二阶递归插补）两种方法.
13、CNC装置的硬件结构有（单微处理器）和（多微处理器）两种类型。
多微处理器CNC装置大多采用（模块化）结构，软硬件模块形成一个具有特定功能的单元，称为（功能模块），其典型功能模块是（CNC管理）、（CNC插补）、（位置控制）、（PLC）、（数字输入、输出和显示）和（存储器）。
多微处理器的CNC装置一般采用（总线）互联方式，典型的结构有（共享总线型）、（共享存储器型）和（混合型）等。
14、微型计算机系统的基本结构是（微处理器）、存储器、（总线）和（I/O接口）。
存储器一般包括（只读存储器）和（随机存储器）两大类，（ROM）用于存储系统程序和数据，（RAM）用于存储（用户程序和数据）。
总线包括（控制）、（数据）和（地址）三总线。
15、CNC系统的中断类型有（外部中断）、内部定时中断、（硬件故障中断）和（程序型中断），内部定时中断主要有（插补周期定时中断）和（位置采样定时中断）。
16、现代数控机床应用PLC的（逻辑运算）功能实现各种（开关控制）；数控机床上的PLC一般分为（内装型）和（外部独立型）两大类；一般采用（梯形图）进行编程。
17、CNC系统软件的结构主要是（前后台型）和（多重中断型）两大类型。
18、CNC装置的位置控制单元的主要任务是在伺服进给系统的每个（位置采样）周期内，将精插补计算出的（理论位置）与（检测反馈位置）进行比较生成（差值），同时还要完成位置回路的（增益）调整，将二者相乘的结果作为伺服电机的（速度控制输入），此外还要完成各坐标的（螺距间隙补偿）和（反向间隙补偿）。
所谓反向间隙补偿，是在电机（改变方向时）多转一个角度，然后才正式计算坐标运动的值。
19、CNC装置的（加工控制）功能，字符显示功能和自诊断功能等属于基本功能，此外还有（选择）功能，包括（图形显示）、（人机对话编程）、（通信功能）等。
20、CNC装置中设置了各种诊断程序，用以防止（故障的发生和扩大），并能迅速查明故障的（类型）和（部位），其主要类型有（运行中诊断），（停机诊断）和（通讯诊断）等三种方式，停机诊断是在系统（发生故障时）和（开机前），利用诊断程序进行诊断。
21、数据在设备间的传送可采用串行方式和（并行方式），串行传送又分为（同步协议）方式和（异步协议）方式，其中，在数控机床上R232C接口主要采用（异步协议）方式，计算机网络通信一般采用（同步协议）方式。
22、ISO的开放式互连系统参考模型是（七）层结构的计算机通信协议的模型，它们依次是（物理层），数据链路层，网络层，传输层，会话层，表示层和（应用层）。
23、按工作条件和测量要求不同，数控机床的位置测量方式可分为（数字式测量）和（模拟式测量），（增量式测量）、（绝对式测量），（直接测量）和（间接测量）。
增量式（或绝对式）光电编码器（或光栅尺，直线感应同步器等）属于（数字式）、（增量时）、（间接测量）。
24、单频激光干涉议是利用光的（光的折、反射原理）工作，双频激光干涉仪是利用（光的干涉原理）和（多普勒效应产生频差的原理）进行位置检测。
25、数控机床上常用的位移检测装置有（光栅尺），（脉冲编码器）,（感应同步器）,（旋转变压器）和（激光干涉仪）。
闭环控制采用的位移检测装置是（光栅尺）（感应同步器）、（磁栅）。
磁栅（或直线感应同步器）由（磁性标尺）、（读数磁头）、（检测电路）等几部分构成.
26、直流电机PWM速度控制单元的核心由（主回路）和（脉宽调制器）两大部分构成，其中脉宽调制器由（调制脉冲发生器）和（比较放大器）组成，调制脉冲发生器有（三角波发生器）和（锯形波发生器）两种类型。
27、目前数控机床的伺服进给电机主要采用（永磁式）交流电机，其输出的（转矩）恒定，一般采用（恒压频比或基频以下）变频调速；主轴采用（感应式）交流电机，在（基频以上）变频调速时，输出（功率）恒定，在（基频以下）变频调速时，输出（转矩）恒定。
28、在直流伺服电机调速系统中，（PI）调节器可实现伺服电机的闭环（稳态无静差调速），其中，（比例）部分的（放大）作用加快系统的调节过程，积分部分发挥其（叠加性）和（保持性）作用。
29、在转速、电流双环调速系统中，速度调节器的主导作用是防止（负载）变化首先引起的（转速）变化；电流调节器的主导作用是防止（电网）波动首先引起的（电流）变化，保证电机的（转矩）输出。
30、应用较多的步进电机的驱动电路是（恒流斩波驱动）和（调频调压驱动）。
此外还有（单电压驱动）、（高低压驱动）、（细分驱动）等多种类型，其中，细分驱动能将步进电机的（步距角）分成若干步。
31、步进电机的主要技术参数是（步距角及步距精度）、（最大静转矩Tmax）、（最大起动转矩Tq）、（起动频率）和（连续运行频率）等项。
32、对于直流电机，可分别控制（励磁）电流和（电枢）电流。
在交流感应电动机的矢量控制中要进行矢量变换，该变换是首先将三相交流电机变为等效的（两相交流电机），然后还需将其变换为等效的（直流电机），转换条件是保证（合成磁通）不变。
33、对于闭环和半闭环位置控制系统，根据位置检测装置和比较器的工作方式，可分为（相位比较伺服系统）、（幅值比较伺服系统）和（脉冲比较伺服系统）三种类型，其中，（脉冲比较伺服系统）类型应用比较普遍。
二、用逐点比较法插补第一象限的直线，起点在坐标原点，终点坐标Xa=5，Ya=3。
写出插补计算过程，并画出刀具插补运动轨迹图。
步数
偏差判别
坐标进给
偏差计算
终点判别
0
F0=0
N=8
1
F0=0
+X
F1=F0-Ye=0-3=-3
N=8-1=7
2
F1<0
+Y
F2=F1+Xe=-3+5=2
N=7-1=6
3
F2>0
+X
F3=F2-Ye=2-3=-1
N=6-1=5
4
F3<0
+Y
F4=F3+Xe=-1+5=4
N=5-1=4
5
F4>0
+X
F5=F4-Ye=4-3=1
N=4-1=3
6
F5>0
+X
F6=F5-Ye=1-3=-2
N=3-1=2
7
F6<0
+Y
F7=F6+Xe=-2+5=3
N=2-1=1
8
F7>0
+X
F8=F7-Ye=3-3=0
N=1-1=0
三、简述CNC装置的系统软件的功能特点和结构类型。
CNC装置的系统软件是一个专用的实时多任务系统，具有多任务并行处理和多重实时中断的特点。
主要有两种结构：
前后台软件结构：
前台程序是一个中断服务程序，完成全部的加工控制的实时功能。
后台程序是一个循环运行程序，完成管理任务和插补准备工作。
在后台程序运行中，实时中断程序不断插入，与后台程序相配合，共同完成加工任务。
多重中断结构：
除了初始化程序外，整个系统软件的各种任务模块分别安排在不通级别的中断服务程序中，整个软件系统就是一个大的中断系统，其管理功能主要通过各级中断服务程序之间的相互通讯来解决。
四、绘简图说明粗光栅的莫尔条纹形成原理和主要特点。
粗光栅莫尔条纹的生成原理是挡光积分效应，原理如图所示。
标尺光栅条纹与指示光栅条纹之间有一微小夹角
，线纹相交叉处，挡光效应减弱，形成亮带，相反，离交叉点远的地方，挡光效应较强，形成暗带，因而形成横向莫尔条纹。
莫尔条纹有以下特点：
1．
放大作用。
夹角
很小时，栅距d与莫尔条纹间距W之间有以下关系：
W=（d/2）/SIN（θ/2）≈d/θ,由于栅距d很小（小于10′），节距W比栅距d放大了很多倍。
2．（误差）平均效应。
由于莫尔条纹是由众多线纹形成，因而个别栅线的间距误差（或缺陷）会被均化，在很大程度上消除了短周期误差的影响。
3．莫尔条纹的移动与栅距之间的移动成比例，及光栅左右移动一个栅距d，莫尔条纹上下移动一个节距W.
五、什么是交流电机的SPWM变频调速?
绘出三相SPWM控制电路原理图和三相交流电机的双极性SPWM通用型功率放大器主回路，并简述各部分的功能。
SPWM调制器主要由正弦波发生器、三角波发生器和调制器组成，用频率和幅值可调的相位差为120°的三个正弦波对三角波分别进行调制，获得脉宽按三相正弦交流电变化的三种信号，反相后变成六种三组，分别控制主回路中逆变器的三组功率三极管使其按可调频的三相交流电的规律导通和截至；主回路主要由整流器，滤波器和逆变器组成，三相交流电经全波整流后，经滤波器进一步滤除交流成分，经逆变器后再变成频率和幅值可调的三相交流电，驱动三相交流电机按规定转速运转。
六、写出DDA法直线插补和圆弧插补的积分表达式，并简要分析其插补原理。
DDA直线插补的积分表达式如下：
设置两个N位积分累加器分别对直线的终点坐标
和
进行累加，并分别对X和Y方向的进给进行控制。
一旦某个积分累加器有溢出，则在相应进给方向进给一步。
DDA圆弧插补的积分表达式如下：
与直线插补不同，圆弧插补用两个N位积分累加器分别对动点坐标
和
进行累加，并分别对Y和X方向的进给进行控制。
一旦某个积分累加器有溢出，则在相应方向进给一步，同时要对动点坐标进行修改。
七、绘出CNC装置的数据转换流程图。
八、简述绝对值式脉冲编码器的工作原理。
绝对值脉冲编码器主要由光源，光电元件和随被测对象一起旋转的绝对值编码盘构成。
其中绝对值编码盘是将圆盘用同心圆环和等分扇形进行分割，然后对被分割的区域形成透光和不透光两种状态，形成编码图案，如4位2进制码盘，有4个圆环称为码道，由里向外，分别对应
；每个扇区代表一个码位，由0000，0001，直到1111，共16个，光电元件读出的码值、即二进制数便代表被测对象的一个位置。
与增量式光电编码器比较，其结构复杂，大于一转时，需要特别处理，要求制作精度高；但能读出绝对坐标值，不会产生累计误差，断电后，位置值还能直接读出。
主要有二进制编码盘和葛莱编码盘两大类。
九、与直流电机相比，交流电机的主要优点是什么？
数控机床上采用的交流电机有哪几种类型？
作何种应用?
写出它们的转速表达式，并分析其变频调速特性。
与直流电机相比，交流电机无换向器和电刷，结构简单，维护简单，转速不受限制，节省材料，成本较低。
数控机床上采用的交流电机类型为：
1、永磁式交流伺服电机，用于进给伺服驱动，
，式中f1—供电频率，p—定子绕组磁极对数；采用基频以下恒压频比变频调速，输出转矩保持恒定；
2、交流感应式异步电机，用于机床主轴驱动，
，式中f1—供电频率，p—定子绕组磁极对数，s—转差率；采用两种变频调速：
基频以下恒压频比变频调速，输出转矩恒定；基频以上恒电压变频调速，随着电机转速升高输出转矩下降，但输出可保持功率恒定。
十、步进电机经减速齿轮和滚珠丝杠驱动的机床工作台，请回答下列问题：
（1）、若步进电机的转子齿数Z=80，采用三相六拍工作方式，求该步进电机的步距角；
（2）、若减速齿轮的齿数Z1=18,Z2=45，滚珠丝杠的导程L=6mm，求工作台的脉冲当量；
（3）、若工作台移动速度4m/min，求输入该步进电机的脉冲频率；
（4）、若作用在工作台上的切削进给力为500N,求该力在电机轴上引起的转矩。
（见电控教材）
（5）、若工作台质量为800N，求该质量在电机轴上引起的转动惯量。
（见电控教材）
（1）、步进电机步矩角θ＝360/（mZk）=360/（3×80×2）=0.75（度）
（2）、脉冲当量δ＝ΘL/（360i）=0.6×6/360/（45/18）=0.005（mm）
（3）、脉冲频率f=1000v/（60δ）=1000×4/（60×0.005）=13333.33（Hz）
（4）、
（5）、
十一、简要系统分析数控机床的特点。
（1）、柔性自动化，能适应不同零件的自动化加工；
（2）、加工精度高，质量稳定；
（3）、生产效率高；
（4）、能完成复杂型面的加工；
（5）、减轻劳动强度，改善劳动条件；
（6）、促进企业采用CAD/CAM技术和实现计算机生产管理；
（7）、机床价格高；
（8）、对操作、维修和管理人员的技术水平要求高
十二、数控车床编程的特点是什么？
1、X方向采用直径编程；
2、绝对坐标编程用X和Z,增量编程采用U和W，不采用G90和G91;
3、为保证端面车削质量，应采用恒切速编程；
4、由于车加工余量较大，应采用粗加工固定循环功能
5、为提高刀具寿命和加工质量，刀尖有小圆弧，对于圆锥和圆弧精加工，应采取刀尖圆弧半径补偿加工功能或人工处理。
数控车削固定循环功能类型很多，有单一加工固定循环，如纵向车削固定循环，端面车削固定循环，螺纹车削固定循环等；有粗加工循环功能有纵向粗车循环G71，横向粗车循环G72,和平行于零件轮廓的粗车循环G73等。
十三、绘简图并说明增量式编码器的结构和工作原理。
增量式光电编码器原理如图所示。
E为等节距的辐射状透光窄缝圆盘，Q1,Q2为光源，DA、DB、DC为光电元件，DA,DB错开90度相位角安装。
当圆盘旋转时，在光源照射下，产生A、B、C三相脉冲信号。
A相和B相脉冲为检测计数脉冲，A、B信号有90度相位差，还可用于辨别运转方向，C相信号为基准脉冲，又称为零点脉冲，只在圆盘旋转一周时在固定位置处产生一个脉冲。
十四、什么是固定循环？
写出FANUC系统孔加工固定循环的一般格式，说明各功能子的含义。
固定循环是一种用于特定加工过程的子程序。
有些加工操作的工艺顺序是固定不变的，变化的只是坐标尺寸和切削用量等参数，如孔加工，螺纹加工等，这些工艺过程可以用固定循环调用，调用时要按规定指定若干参数。
FANUC系统孔加工固定循环的一般格式如下：
G90/G91G98/G99G73~G89X__Y__Z__R__Q__P__F__L____;
（1）G90/G91：
绝对坐标或增量坐标编程。
（2）G98/G99：
刀具返回初始平面或R点平面；
（3）X__Y__：
被加工孔的位置；
（4）Z__：
孔底平面位置：
（5）R__：
R平面位置，一般位于工件表面以上3～5mm处；
（6）Q__：
深孔加工时每次加工的深度：
（7）P__：
刀具在孔底暂停时间，单位ms;
（8）F__：
切削进给速度：
（9）L__：
指令孔的加工次数，G90方式时，刀具在原来位置重复加工，G91方式时，可实现多个等距孔加工。
十五、什么是数据采样插补？
有哪些主要方法？
其插补精度如何？
数据采样插补由粗插补和精插补两个步骤组成，一般指粗插补，是采用时间分割思想，根据编程规定的进给速度F和插补周期T，将廓形曲线分割成一段段的轮廓步长l，l=FT,然后计算出每个插补周期的坐标增量⊿X和⊿Y，进而计算出插补点（即动点）的位置坐标。
数据采样插补方法很多，如直线函数法、扩展数字积分法、递归函数法等。
直线插补时，由于坐标轴的脉冲当量很小，再加上位置检测反馈的补偿，可以认为轮廓步长l与被加工直线重合，不会造成轨迹误差。
圆弧插补时，一般轮廓步长l作为弦线对圆弧进行逼近，因此存在最大半径误差:
，式中r—被加工圆弧的半径。
十七、简述直线感应同步器的结构，分析其鉴相测量的工作原理。
直线感应同步器由平行安装的定尺和滑尺组成，滑尺上有相差四分之一的两个绕组，称为正、余弦绕组，通以励磁交流电压，在定尺绕组中产生感生电压，作为位移检测信号。
鉴相测量时，滑尺正、余弦绕组的励磁信号分别为：
则滑尺二绕组在定尺绕组中分别产生的感应电动势为：
根据叠加原理，定尺上输出的感应电压为：
式中，K为电磁耦合系数，通常小于1，随定尺与滑尺绕组平面间的间隙减小而增大；
－激磁电压幅值；
－滑尺相对定尺的空间相位角，与滑尺相对于定尺位移
的关系为
。
由此可见，只要检测出定尺输出电压的相位，即可测量出滑尺相对于定尺的位移。
十八、绘图并说明直流电机H型双极模式PWM功率转换电路。
所谓PWM、即脉宽调速，是利用脉宽调制器对大功率晶体管的开关时间进行控制，将直流电压转换成某一频率的方波电压，加到直流电机电枢两端，改变电枢两端的平均电压，达到调节电机转速的目的。
图中的大功率晶体管可分为T1,T4和T2,T3两组，它们的控制方波正好相反。
以T1,T4组为例当方波电压的正负宽度相等时，电机不转，，若正脉宽大于负脉宽，电机正转，反之，则反之。
十九、数控机床对主轴驱动的要求是什么？
为什么选用交流异步电机？
其机构特点如何？
1、调速范围宽，且尽可能宽的恒功率调速范围；
2、为实现螺纹加工，主轴驱动应与进给驱动实现同步控制；
3、为保证端面车削质量，主轴驱动应具有恒线速切削功能；
4、为保证加工中心自动换刀，主轴驱动要实现主轴的高精度准停控制；
5、高档数控机床要求主轴驱动能实现角度分度，甚至伺服控制功能。
数控机床主轴电机功率较大，若采用永磁式，会使成本急剧升高，而采用感应式异步电机加矢量控制，能满足要求。
一般是专门设计的笼型异步电机，定子铁心直接外露，且有轴向通风孔，有利于冷却，外形多为多边形。
二十、什么是工件坐标系？
试分别分析数控铣床和数控车床的加工编程中选择工件坐标系是的注意事项。
机床坐标系是机床固有的坐标系，其原点有设计与制造厂家确定，不同机床的机床坐标原点的位置不同，一般在启动机床时操纵机床返回参考点来建立。
工件坐标系是为确定工件几何形状葛要素的位置、以方便编程而设置的坐标系，其原点由编程人员根据零件特点选定：
1）对于对称零件，其原点应设在对称中心上；2）对于非对称零件，其原点应设在工件外轮廓的某一角上；3）Z轴原点一般设在工件表面上。
在数控铣床上，一般有两种方法建立工件坐标系：
1）根据刀具位置，用G92指令设定，格式为：
G92X__Y__Z__；
事先用参数设定若干工件坐标系，编程时用G54~G59等进行选择。
二十二、绘出他励式直流电动机的工作原理图，分析其调速原理、特点和方法。
电磁电枢回路的电压平衡方程式为：
式中：
－电动机电枢回路的总电阻;
－电动机电枢的端电压，V；
－电动机电枢的电流，A；
－电枢绕组的感应电动势，V。
当磁通ϕ恒定时，电枢绕组的感应电动势与转速成正，则
式中：
－电动势常数，表示单位转速时所产生的电动势V/r.min-1；
－电动机转速，r/min。
电动机的电磁转矩为：
式中：
－电动机电磁转矩，Nm。
－转矩常数，表示单位电流所产生的转距，N.m/A。
因此有：
。
可见有三种调速方法：
1．调节电枢电压，由额定值向下调，转速下降，属恒转矩调速，能满足机床伺服进给要求；
2．减少励磁电流，降低磁通，转速升高，输出转矩下降，但功率恒定，能满足机床主轴恒功率驱动。
3．改变电阻，但不能满足机床驱动要求。
二十三、有板状零件，零件厚度为10mm，形状如下图所示。
编写数控加工程序，绘出刀具中心轨迹，并说明对刀具尺寸的限制。
应用刀具半径和长度补偿，正确确定加工路线。
（编程题要点：
建立并绘出工件坐标系（不必与参考答案中一致!
!
），绘出刀具起始点和结束点，绘出刀具中心或刀尖的运动轨迹，铣削加工要应用刀具半径和长度补偿！
！
）
1.
N01O0001；
N02G92X0Y0Z50;
N03G90G00G43Z3H01;
N05S100M03;
N07G01Z-10F80;
N09G41X10Y10D01;
N11Y20;
N13X30Y30;
N15G03X40Y20R10;
N17G02X30Y10R10;
N19G01X10;
N20X50
N21G00G40X0Y0Z50.;
N23M05;
N25M30;
刀具半径小于10mm
2.
N01O0002
N02G92X0Y0Z50;
N03G90G00G43Z5H01S100M03;
N05G01Z-12F80;
N07G42X15Y15D01；
N09X45;
N11G03X65Y35R20;
N13G01Y50;
N15G02X50Y65R15;
N17G01X5;
N19X15Y15;
N20G00G40X0Y0Z50;
N21M05;
N25M30;
刀具半径r<15mm
3.有槽形零件，槽深为10mm，形状如下图所示。
编写数控加工程序，绘出刀具中心轨迹，应用刀具半径和长度补偿，正确确定加工路线。
N01O0003;
N02G92X0Y-25Z50;
N02G90G43H01Z5S100M03;
N03G01Z-10F100;
N05G42X25D01;
N07G02X0Y-50R25;
N09G01X-50;
N11X-70Y50;
N13X20;
N15G03X50
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