数控技术与数控机床习题

第一章 概述

 

1-1 名词解释

（1）数字控制

      是一种借助数字、字符或其它符号对某工作过程（如加工测量、装配等）进行可编程控制的自动化方法。

（2）数控机床

       采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的一类机床。

（3）点位控制系统

      刀具相对于工件移动过程中，不进行切削加工，它对运动的轨迹没有严格要求，只要实现从一点坐标到另一点坐标位置的准确移动，几个坐标轴之间运动没有任何联系。

（4）轮廓控制系统

       能够对两个或两个以上的坐标轴进行连续的切削加工控制，不仅能控制机床移动部件的起点和终点坐标，而且能控制需要严格控制刀具移动的轨迹，以加工出任意斜率的直线，圆弧、抛物线及其他函数关系的曲线或曲面。

（5）开环伺服系统

      运动部件的位移没有检测反馈装置，数控装置发出的信号是单向的，通常采用功率步进电机作位移的伺服机构。

（6）闭环伺服系统

       运动部件上安装由直线位移测量装置，将测出的实际位移值反馈到数控装置中与输入的指令位移值相比较，用差值进行控制，直到差值之零。

（7）半闭环伺服系统

机床的位置反馈采用转角检测装置，如：光栅，光电编码器及旋转感应同步器等，直接安装在伺服电机或丝杆端部，通过检测丝杆转角，间接测量工作台位移量，再反馈给数控装置。

 

1-2 NC机床有哪几部分组成？使用框图表示各部分之间联系，并简述各部分功能。

答：NC机床由：控制介质、数控装置、伺服系统，机床本体组成。

 

（1）控制介质：存储加工零件所需要全部操作信息和刀具相对工件的移动信息，控制介质因数控装置类型而异。

（2）数控装置：是数控机床的中枢，接受并处理输入介质信息，并将代码加以识别、存储、运算、并输出相应的命令脉冲，经功率放大驱动伺服系统，使机床按规定要求动作。

（3）伺服系统：包括驱动部分和执行机构，它把数控装置输出的脉冲信号通过放大和驱动元件，使机床移动部件或执行机构动作，以加工出符合要求的零件

（4）机床本体：亦称主机，包括机床主运动部件，进给运动部件、执行部件和基础部件。

1-3 试从控制精度、系统稳定性及经济性方面，比较开环、闭环、半闭环系统的的优劣？

答：开环数控系统:工作稳定、调试方便、维修简单、成本较低，由于没有补偿，精度较低；经济型数控车床一般采用开环系统。

          闭环数控系统：位移精度高，但调试、维修较复杂，成本较高、机床结构刚性等要求高，工作稳定性很高。

半闭环控制系统：系统结构简单、安装调试比较方便，经济性较一般，有较稳定的控制特性；采用较多定值补偿的方法可提高精度。

 第二章

 

2-1 NC机床零件加工程序的编制方法有几种？试简述它们的特点？

答：（1）手工编程：这种方法比较简单，很容易掌握，适应性较大，适用于简单零件。

　    （2）自动编程：效率高，可靠性好，适用于曲线轮廓、三维曲面等复杂型面的零件加工。

　    （3）CAD/CAM编程：适应面广，效率高，程序质量好，但掌握起来需要一定时间。

 2-2 名词解释：

       （1）对刀点：在数控机床上加工零件时，刀具相对于工件运动的起始点。

       （2）刀位点：是指车刀、镗刀的刀尖；钻头的钻尖；立铣刀，端铣刀刀头底面的中心，球头铣刀的球头中心，是标志刀具所处不同位置的坐标点。

       （3）坐标轴：按ISO标准规定是一个右手直角笛卡尔坐标系统，大拇指指向为X轴的正方向，食指指向为Ｙ轴正方向，中指指向为Z轴的正方向，用A、B、C分别表示绕X、Y、Z轴的旋转运动，其运动正方向按右手螺旋定则确定。

       （4）坐标系：在数控机床上加工零件，机床的动作是由数控系统发出的指令来控制的，为了确定机床的运动方向，移动的距离，而在机床上建立的一个坐标系。

      （5）机床原点：机床坐标系的原点称为原点，它是机床上的一个固定点，亦是其他所有坐标系的基准点，由机床制造T确定。

      （6）工件原点：工件坐标系的原点即是工件原点。

      （7）模态指令：一经在一个程序中应用，便保持有效到以后的程序段中出现同组的另一代码时才失效。

      （8）非模态指令：其功能仅在所出现的程序段内有效。

      （9）联动：控制机床对两个或两个以上的运动坐标的位移和速度同时进行控制从而使两个或两个以上轴联动。

      （10）行切法：刀具与零件轮廓的切点轨迹是一行一行的，而行间的距离是按零件加工精度的要求确定的。

 2-3试解释下列指令意义：

G00：快速定位　　　　　　G01：直线插补　　　　　G02：顺时针圆弧插补　　　　　

G03：逆时针直线插补　　　G40：刀具半径补偿取消　G41：刀具半径左补偿

G42：刀具半径右补偿　　　G04：暂停　　　　　　　G90：绝对尺寸编程

G91：相对尺寸编程　　　　G92：工件坐标系设定　　G54：原点沿Ｘ轴直线偏移

G55：原点沿Ｙ轴直线偏移　G17：Ｘ、Ｙ平面选择　　G18：Ｚ、Ｘ平面选择

G19：Ｙ、Ｚ平面选择　　　M02：程序结束　　　　　M03：主轴正转

M04：主轴反转　　　　　　M05：主轴停止　　　　　M07：冷却液开

M08：冷却液关

 

2-4 试说明机床坐标系与工件坐标系各自的功用，以及它们的相互关系和如何确定它们的相互关系。

答：机床坐标系是为了准确地描述机床的运动，简化程序的编制并使所编程序具有互换性，它用于确定被加工零件在机床中的坐标、机床运动部件的特征位置以及运动范围。工件坐标系用于确定工件几何图形上各几何要素的位置。工件坐标系是根据机床坐标系确定的，工件安装在机床上后，测量工件原点与机床原点的距离，此方法叫工件原点偏置，加工时原点偏置自动加工到工件坐标系上，使数控系统按机床坐标系确定的工件的坐标值进行加工，从而在编程时不用考虑工件在机床上的安装位置和安装精度。

 2-5 按照ISO标准判别数控机床的坐标系，并说明各坐标轴运动方向的确定原则。

答 ：按ISO标准规定是一个右手直角笛卡尔坐标系统，它确定了直角坐标X、Y、Z三者的关系及其方向，并规定围绕X、Y、Z各轴的回转运动的名称及方向，X、Y、Z坐标轴的相互关系用右手定则确定，大拇指指向为X轴正方向，食指指向为Y轴正方向，中指指向为Z轴正向，用A、B、C分别表示绕X、Y、Z轴的旋转运动，其运动的正方向可按右手螺旋定则确定，以大拇指指向+X、+Y、+Z方向，则食指、中指的指向就是圆周进给运动的+A、+B、+C方向，在编程时，为方便统一，不论在加工中是刀具移动，还是被加工件移动，一般都假定工件相对静止不动，而刀具移动。

 2-6 加工程序编制中零件试切的作用是什么？

答：检验零件的加工精度，发现误差可及时修正。

 2-7 编程：自选零件形状编制零件的加工程序。

 

N010 G54

N020 G90 G23

N030 M3

N040 G94

N050 T1 D1

N060 G00 Z130 X000

N070 X50

N080 G01 X30 Z120 F100

N090 X32

N100 G03 X40 Z116 I0 K-4

N110 G01 Z104.142

N120 G02 X45.858 Z97.071 I10 K0

N130 G01 X78.243 Z80.879

N140 G03 X80 Z78.757 I-2.121 K-2.121

N150 G01 X80 Z59

N160 G00 X100 Z58

N170 T1 D0

N180 G00 X200

N190 Z200

N200 G55

N210 T2 D1

N220 G00 Z-5

N230 X50

N240 G01 X30 Z0 F100

N250 X32

N260 G02 X40 Z4 I0 K4

N270 G01 Z15.858

N280 G03 X45.858 Z22.929 I10 K0

N290 G01 X78.243 Z39.121

N300 G02 X80 Z41.243 I-2.121 K2.121

N310 G01 X80 Z61

N320 G00 X100 Z62

N330 T2 D0

N340 G00 X200

N350 Z200

N360 M05

N370 M02

  第三章

3-1 数控机床对位置检测装置有何要求。

答：（1）满足数控机床的精度和速度要求；

 （2）高可靠性和高抗干扰性；

 （3）使用维护方便，适合机床运行环境；

 （4）成本低。

3-2 从指令控制角度看，开环伺服系统控制精度低的基本原因是什么？半闭环控制系统中，位置反馈信号不能包含哪一部分的位置误差？

答：开环控制系统，无检测反馈装置，数控装置发出信号单向的，通常采用功率步进电机做位移的伺服机构，数控装置发出的指令脉冲信号，通过环形分配器和驱动电路控制步进电机转过相应的角度，再经过减速器带动丝杠转动，从而使工作台移动。位移的精度主要决定于该系统各有关零件的制造精度。但伺服机构的误差没有补偿和校正，所以精度很低。

半闭环控制系统控制机床位置反馈采用转角检测装置，如圆光栅、光电编码器和旋转式感应同步器等，直接安装在伺服电机或丝杠转角，间接测量工作台位移量，再反馈给数控装置，所以不能包含工作台位移误差。

3-3 试述感应同步器工作原理，并说明相位工作方式。

答：工作原理：使滑尺与定尺相互平行，并保持一定的间距，向滑尺通以交流激磁电压，则在滑尺绕组中产生激磁电流，绕组周围产生的按正弦规律变化的磁场，由电磁感应，在定尺上感应出感应电压，当滑尺与定尺间产生相对位移时，由于电磁耦合的变化，使定尺上感应电压随位移的变化而变化。

相位工作方式：

     

当滑尺移动X距离时，定尺绕组中感应电压为：

 

3-4 试述旋转变化器的工作原理及其应用。

答：定子上的两个绕组分别为正弦绕组（激磁电压Uis）和余弦绕组（激磁电压Uic），转子绕组中的一个绕组为输出电压U2，另一个绕组接高阻抗作为补偿，θ为转子偏转角。定子绕组通入不同的激磁电压，可得到两种不同的工作方式：相位工作方式和幅值工作方式。

应用：可用于角位移测量，可单独和滚珠丝杠相连也可与伺服电动机组成体。

 3-5试述光栅的工作原理及其应用。

答：标尺光栅和指示光栅的平行度和间隙（0.05~0.1mm）是非常严格的，且其线纹相互偏斜一个很小的角度，而光栅线纹相交，当光栅通过时，由于光的衍射作用，在相交处出现黑色条纹，叫莫尔条纹，指示光栅与标尺光栅之间相对移动了一个栅距时，莫尔条纹也移动一个莫尔条纹间距，且其移动方向几乎与光栅移动方向垂直。设莫尔条纹的节距为w，则w=P/sinθ，由于θ很小，sinθ≈θ，因而，w=P/θ，可见莫尔条纹具有放大作用。若P=0.01mm，θ=0.001rad，则w=10mm。莫尔条纹的节距相对于光栅距放大了1000倍。这样，利用光的干涉，无需复杂的光学系统，可大大提高光栅测量装置的分辨率，虽然光栅栅距很小，但莫尔条纹却清晰可见，便于测量应用，物理光栅用于光谱分析和光波波长测定。计量光栅用于数字检测系统，用于检测高精度的直线位移和角位移。

 3-6 在逐点比较圆弧插补中，若偏差函数小于零，则刀具在（A）

A 圆内    B 圆外    C 圆上    D 圆心

3-7数控机床采用刀具补偿的优点有（A、 B）等。

A 可减少刀具磨损对加工精度的影响；

B 方便编程和选择刀具；

C 方便机床操作；

D 提高加工精度。

 第四章

4-1. 欲用逐点比较法插补直线OE，起点O（0，0），终点E（9，5），写出插补过程并绘制插补轨迹。

解： 起点：Fm=0,Xe=9,Ye=5

 

 

 4-2 利用比较逐点法插补圆弧PQ，起点P（0，0），终点Q（0，8），试写插补过程并绘制插补轨迹。

解：当Fm≥0

Xm+1=Xm-1，Ym+1=Ym，Fm+1=Fm-2Xm+1

当Fm<0

Xm+1=Xm，Ym+1=Ym≠1，Fm+1=Fm+2Ym+1

 

 

 4-7 三相步进电机为什么常采用三相六拍驱动方式，而很少采用三相三拍驱动方式？

答：三相三拍驱动时，三相绕组是按A->B->C->A...或A->C->B->A->...的顺序通电，而三相六拍驱动方式是按A->AB->B->BC->C->CA->A->...顺序通电（或相反方向）。由于三相六拍制在转换时始终保持有一相线圈通电，故其工作稳定性好，而且步距角比三相三拍驱动方式缩小了一半可以提高位置精度。

 4-8 常用步进电动机的性能指标有哪些？

答：1）静态距—角特性和最大静态转距

2）启动转距

3）空载启动频率

4）矩频特性

4-9 为什么步进电动机的输出转距随其运行频率的增高而减小？

答：因为步进电动机的绕组是感性负载，在通电或断电时，绕组电流不能突变而是按指数规律变化。在绕组通电时，电流逐渐上升，从而有效转距较小。绕组断电时，电流亦逐渐下降，残余电流产生与转动方向相反的力矩。这些都使电机产生的平均转距下降。另外，由于运行频率的提高，磁力线变化加剧，使涡流损耗增加，也造成输出转距的下降。

 4-10 已知脉冲当量0.005mm，步进动机步距角为0.75·，滚动丝杠基本导程为4mm，求减速机的传动比。

解：    

第五章

 5-1 什么是步距角？步进动机步距角由那些因素决定？

答：电动机定子绕组每改变一次通电方式，此时电动机转子转过的空间角度称为步距角α。由定子激磁绕组相数m,转子齿数z，状态系数k决定。

 5-2 试简述步进电机的工作原理和基本特点。

答：步进电机上有6个极，每极上都装有控制绕组，每两个相对的极组成一相，转子是4个均匀分布的齿，上面没有绕组，当A相绕组通电时，因磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合，将使转子齿1，3和定子极A，A′对齐。A相断电 ，B相绕组通电时，转子将在空间转过角αs，αs =30°使转子齿2，4和定子极B，B′对齐。如果再使B相断电，C相绕组通电时，转子又将在空间转过30°，使转子齿1，3和定子极C,C′对齐。如此循环往复，并按A->B->C->A顺序通电，电动机便按一定的方向转动，结构简单，工作可靠，运行频高。

 5-3 数控机床的进给伺服系统是由哪几部分构成的？试叙述其作用。

答：数控机床的进给伺服系统是一个双闭环系统，内环是速度环，外环是位置环。速度环中用作速度反馈的检测装置为测速发电机，脉冲编码器等，速度控制单元是一个独立的单元部件。它由速度调节器，电流调节器及功率驱动放大器等各部分组成。位置环是由CNC装置中的位置控制模块速度控制单元，位置检测及反馈控制元件等部分组成。位置控制主要是对机床运动坐标进行控制，轴控制是要求最高的位置控制。

 5-4 试分别论述开环，闭环和半闭环进给系统的伺服驱动装置的组成及各自应用场合。

答：开环伺服系统的伺服驱动装置主要是步进电机，功率步进电机，电液脉冲电机等。没有反馈元件。开环伺服系统结构简单，调试、维修方便，成本低廉，但精度差，用于经济型数控机床。

闭环伺服系统所用的伺服驱动装置主要是直流或交流伺服电机以及电液伺服阀—液压电机。

半闭环同闭环相同，它们应用广泛。

 5-5 何谓直流伺服电机和交流伺服电机？其各有何特点？

答：直流伺服电机是机械能和直流电能相互转换的旋转机械装置。直流伺服电机具有良好启动、制动和调速特性，可以方便地在宽范围内实现平滑无级调速。

 交流伺服电机就是两相异步电动机，其特点：具有转子惯量小，动态响应好，质量小，容量大，转速高等特点，可以实现良好的调速性能。

 第六章

6-1 提高机床的静刚度有哪些措施？请具体说明。

答：1）合理设计构件形式；

①正确选择截面的形状和尺寸

②合理选择和布置筋板

 

③提高构件的局部刚度

 

④采用焊接结构

2）采用合理的结构布局；

3）补偿构件的变形；

4）提高机床部件的接触刚度。

6-2 如何提高机床结构的抗振性？有哪些措施？

答： 1）减少机床的内部振源；

 2）提高静刚度；

 3）提高阻尼比；

 4）采用新型材料制造基础构件。

6-3 减小机床热变形有哪些方法？

答： 1）控制热源和发热量；

 2）加强冷却和润滑；

 3）改进机床布局和机构设计；

 4）控制环境温度；

 5）采用热变形补偿装置。