数控原理及数控系统数控原理及数控系统习题及答案

1、 数控原理及数控系统练习与思考题答案第1章练习与思考题1（见书21页）1简述数字控制系统的基本原理。数控系统是一种控制系统，它自动输入载体上事先给定的数字量，并将其译码，再进行必要的信息处理和运算后，控制机床动作和加工零件。2数控机床由哪几部分组成？数控机床是典型的数控化设备，它一般由输入/输出设备、计算机数控装置、伺服系统（驱动控制装置、机床电器逻辑控制装置）、辅助控制装置和机床本体五部分组成。3数控机床的加工特点是什么？（1）具有充分的柔性，只需编制零件程序就能加工零件。（2）在切削速度和进给行程的全范围内均可保持精度，且一致性好。（3）生产周期较短。（4）可以加工复杂形状的零件。（5）易

2、于调整机床，与其它制造方法（如自动机床、自动生产线）相比，所需调整时间较少。（6）操作者有空闲时间，可照料其它加工。4简述数控机床的发展史。1947年美国的帕森（JohnC.Parson）提出了用电子装置控制坐标镗床的方案。1952年第一代数控系统电子管数控系统诞生。1959年完全由固定布线的晶体管元器件电路所组成的第二代数控系统晶体管数控系统被研制成功。1965年随着集成电路技术的发展，出现了第三代数控系统集成电路数控系统后。1970年，在美国芝加哥国际机床展览会上，首次展出了第四代数控系统小型计算机数控系统。1974年，第五代数控系统微型计算机数控系统也出现了。随着微电子技术和微处理技术的

3、飞速发展，特别是32位微处理器的问世，又出现了以32位微机为核心部件的高性能CNC系统。5简述数控技术的发展趋势。数控系统正朝着高精度、高速度、高可靠性、多功能、智能化、集成化、网络化及其开放性等方向发展。练习与思考题2（见书51页）1何谓手工编程和自动编程？简述数控机床程序编制的内容与步骤。参考答案：手工编程是指主要由人工来完成数控机床程序编制各个阶段的工作（如分析零件图纸、制定工艺规程、计算刀具运动轨迹、编写零件加工程序、制作控制介质直到程序校核）。自动编程是用计算机代替手工进行数控机床的程序编制工作。如自动地进行数值计算、编写零件加工程序单，自动地输出打印加工程序单和制备控制介质等。数控

4、机床程序编制的内容与步骤：分析零件图样、确定工艺过程、数学处理、编写加工程序单、制备控制介质、程序校验和首件试切。2数控机床坐标轴与运动方向是怎样规定的？何谓数控机床坐标系？何谓工件坐标系？坐标系与加工程序编制有何关系？参考答案：标准规定编程时确定数控机床坐标系和运动方向的两个前提：1）不论机床在实际加工时是工件运动还是刀具运动，在确定编程坐标时，一般看作工件相对静止，刀具产生运动，即假定刀具相对于静止的工件运动。2）标准中规定，机床某一运动的正方向，是指增大工件和刀具之间距离的方向。机床坐标系是机床固有的坐标系，机床坐标系的原点也称为机床原点或机床零点。这个原点在机床一经设计和制造调整后，便

5、被确定下来，它是固定的点。工件坐标系是在数控编程和加工时用于确定工件几何图形上各几何要素（点、直线和圆弧）的形状、位置和刀具相对工件运动而建立的坐标系。机床原点又称机械原点是机床坐标系的原点，是机床的最基本点，是所有其他坐标（工件坐标系、编程坐标系、机床参考点等）的基准点。3何谓数控机床的机床零点、工件零点、编程零点？参考答案：机床零点：机床坐标系的原点，也称为机床原点。这个点在机床一经设计和制造调整后，便被确定下来，它是固定的点。工件零点：工件坐标系的原点，或称为工件原点。这个点在工件上的位置虽可任意选择，但最好设置在工件图尺寸能够方便地转换成坐标值的地方。编程零点：为了编制程序方便而在图样

6、上选择的一个适当的点，这种根据加工零件图样及加工工艺要求选定的编程坐标系的原点，也称为程序原点或程序零点。4数控铣床的程序编制有何特点？参考答案：数控铣床具有以下功能：1）点位控制功能：此功能可以实现对相互位置精度要求很高的孔系加工。2）连续轮廓控制功能：数控铣床一般应具有三坐标以上联动功能，此功能可以实现直线、圆弧的插补功能及非圆曲线的逼近加工，自动控制旋转的铣刀相对于工件运动进行铣削加工。坐标联动轴数越多，对工件的装夹要求就越低，加工工艺范围越大。3）刀具半径补偿功能此功能可以根据零件图样的标注尺寸来编程，而不必考虑所用刀具的实际半径尺寸，从而减少编程时的复杂数值计算。一般包括刀具半径左补

7、偿功能和刀具半径右补偿功能。4）刀具长度补偿功能此功能可以自动补偿刀具的长短，以适应加工中对刀具长度尺寸调整的要求。5）比例及镜像加工功能比例功能可将编好的加工程序按指定比例改变坐标值来执行。镜像加工又称轴对称加工如果一个零件关于坐标轴对称，那么只要编出一个或两个象限的程序，其余象限的轮廓就可以通过镜像加工来实现。6）旋转功能该功能可将编好的加工程序在加工平面内旋转任意角度来执行。7）子程序调用功能5数控车床的程序编制有何特点？参考答案：1）在一个程序段中，根据图纸标注尺寸，可以是绝对值或增量值编程，也可以是二者的混合编程。2）由于图纸尺寸的测量都是直径值，因比，为了提高径向尺寸精度和便于编程

8、与测量，X向脉冲当量取为Z向的一半，故直径方向用绝对值编程时，X以直径值表示。用增量编程时，以径向实际位移量的2倍编程，并附上方向符号（正向省略）。3）由于毛坯常用棒料或铸锻件，加工余量较大，所以数控车床常具备不同形式的固定循环功能，可进行多次重复循环切削。4）为了提高刀具的使用寿命和降低表面粗糙度，车刀刀尖常磨成半径较小的圆弧，为此当编制圆头车刀程序时需要对刀具半径进行补偿。对具备、自动补偿功能的机床，可直接按轮廓尺寸进行编程；对不具备以上功能的机床编程时需要人工计算补偿量，这种计算比较复杂，有时是相当繁琐的。5）X、Z和U、W分别为绝对坐标指令和增量坐标指令，其后的数值为刀尖在程序段中终点

9、的坐标位置，x（）方向的脉冲当量为Z（）方向的一半。6）第三坐标指令I、K在不同的程序中作用也不相同。I、K在圆弧切削时表示圆心相对圆弧起点的坐标位置，此时I、K方向的脉冲当量与Z向一致；而在有自动循环的指令中，I、K坐标则用来表示每次循环的进刀量，此时I方向的脉冲当量与x方向的脉冲当量一样，为Z方向的一半（即I以2倍值编程），而K方向的脉冲当量与Z方向一致。6在什么条件下数控机床可以按零件廓形编程？参考答案：在机床具有刀具半径补偿功能时。7常用准备功能G有哪几种功能？参考答案：准备性工艺指令一一G指令。这类指令是在数控系统插补运算之前或进行加工之前需要预先规定，为插补运算或某种加工方式作好准

10、备的工艺指令，如刀具沿哪个坐标平面运动，是直线插补还是圆弧插补，是在直角坐标系下还是在极坐标系下等。2-8常用辅助功能M主要有哪几种功能？参考答案：辅助性工艺指令一一M指令。这类指令与数控系统插补运算无关，而是根据操作机床的需要予以规定的工艺指令。常用来指令数控机床辅助装置的接通和断开（即开关动作），表示机床各种辅助动作及其状态，如主轴的起停、计划中停、主轴定向等。2-9何谓模态代码和非模态代码？试举例说明。参考答案：模态指令：表示该指令在程序中一经被应用（如a组中的G01）,直到出现同组（a组）其他任一G指令（如G02）时才失效，否则该指令继续有效，直到被同组指令取代为止，也称为续效指令。模

11、态指令可以在其后的程序段语句中省略不写。非模态指令只在本程序段中有效，下一程序段需要时要重新指明，也称为非续效指令。表中“不指定”代码，在未指定新的定义之前，由机床设计者根据需要定义新的功2-10用固定循环指令加工如图2-14所示零件，试完成如下加工程序。图2-14N1G50X200Z350T0101M03S1000N5G00X60Z2N10G73U9.5WOR4N15G73P20Q80U1N17W0.5F0.2N20GOOX41.9Z292M08N25G01X47.9Z289F0.1N30Z227N35X50N40X62W-60N45Z155N50X78N55X80W-1N60W-19N65

12、G02W-60I3.25K_-30N70G01Z65N80X90N85GOOX200Z350N90TO2O2N95MO3S315N1OOGOOX51Z227N1O5GO1X45FO.15N11OGOOX51N115X2OOZ35ON12OTO3O3N125GOOZ292X52N130G76P01260Q0.1R0.1N135G76X_46.038Z_231.5Pl.299Q0.8F1.5N140G00X200Z350N145M302-11如图2-15、2-16所示为平面曲线零件，试用直线插补指令和圆弧插补指令，按绝对坐标编程与增量坐标编程方式分别编写其数控铣削加工程序。312.5图2-15（工

13、件坐标原点在右图中标注）参考程序：绝对坐标编程增量坐标编程00001oOOOlG90G54G90G54T01M06S1000M03M08T01M06S1000M03M08G00X-370.Y-80.Z30.G00X-370.Y-80.Z30.Z-30.Z-30.G01G42X-370.Y-50.F250G91G01G42Y30.F250X0.X370.G03X42.34Y26.59R50.G03X42.34Y76.59I0.J50.G01X-29.88Y141.59G01X-72.22Y115.G03X-87.5Y125.R31.2G03X-57.62Y-16.59I-26.42J-16.59

14、G02X-162.5Y50.R75.G02X-75.Y-75.I-75.J0.G01X-312.5Y50.G01X-150.G03X-312.5Y-50.R50.G03X0.Y-100.I0.J-50.G00G40Z100.M05M09G00G40Z100.M05M09X0.Y0.X0.Y0.M30M30图2-16（工件坐标原点在右图中标注）参考程序：绝对坐标编程增量坐标编程0000200002G90G54G90G54T01M06S1000M03M08T01M06S1000M03M08G00X-50.Y0.Z30.G00X-50.Y0.Z30.Z-30.Z-30.G01G42X214.F250

15、G91G01G42X264.F250G02X234.Y-20.I0.J-20.G02X20.Y-20.I0.J-20.G01Y-67.G01Y-47.G03X254.Y-87.I20.J0.G03X20.Y-20.I20.J0.G01X308.G01X54.G03X326.03Y-75.67I0.J20.G03X18.03Y11.33I0.J20.G01X432.28Y145.33G01X106.25Y221.G03X414.25Y174.I-18.03J8.67G03X-18.03Y28.671-18.03J8.67G01X254.G01X-160.25G03X234.Y154.I0.J-2

16、0.G03X-20.Y-20.I0.J-20.G01Y107.G01Y-50.G02X214.Y87.I-20.J0.G02X-20.Y-20.I-20.J0.G01X20.G01X-194.G03X0.Y67.I0.J-20.G03X-20.Y-20.I0.J-20.G01Y-50.G01Y-117.G00G40Z100.M05M09G00G40Z100.M05M09X0.Y0.X0.Y0.M30M302-12如图2-17、2-18所示为平面曲线零件，试编写其数控加工程序。图2-17（工件坐标系的原点在工件对称中心）参考程序：o0003G90G54T01M06S1000M03M08G00X-

17、200Y19Z30Z-30G01G42X-75F250G02X-75Y-19I0J-19G01X-148.79G03X-118.65Y-91.78I148.79J19G01X-66.47Y-39.60G02X-39.60Y-66.47I13.44J-13.43G01X-91.78Y-118.65G03X-19Y-148.79I91.78J118.65G01Y-75G02X19Y-75I19J0G01Y-148.79G03X91.78Y-118.65I-19J148.79G01X39.6Y-66.47G02X66.47Y-39.6I13.43J13.41G01X118.65Y-91.78G03X

18、148.79Y-19I-118.65J91.78G01X75Y-19G02X75Y19I0J19G01X148.79Y19G03X118.65Y91.78I-148.79J-19G01X66.47Y39.6G02X39.6Y66.47I-13.43J13.43G01X91.78Y118.65G03X19Y148.79I-91.78J-118.65G01Y75G02X-19Y75I-19J0G01Y148.79G03X-91.78Y118.65I19J-148.79G01X-39.6Y66.47G02X-66.47Y39.6I-13.43J-13.44G01X-118.65Y91.78G03X-

19、150Y0I118.65J-91.78G00G40Z100M05M09X0Y0M30图2-18（工件坐标原点在右图中标注）参考程序：o0004G90G54T01M06S1000M03M08G00X-409.53Y-38.36Z30Z-30G01G42X-18.51Y-106.40F250G03X82.51Y-69.69I18.51J106.40G02X147.08Y-59.47I38.20J-32.26G03X254Y0I36.92J59.47G03X194.58Y163.27I-254J0G03X85.93Y161.54I-53.63J-45G02X-7.36Y164.41I-45.59J3

20、5.86G03X-120.12Y149.95I-52.64J-36.41G02X-271.49Y59.39I-131.5J48.03G03X-290.29Y-59.11I-8.51J-59.39GOOG40Z1OOM05M09X0Y0M302-13在图2-19所示的零件上，钻削5个eiOmm的孔。试选用合适的刀具，并编写加工程序。图2-21零件图样1u选用10的钻头参考程序：OOOO5G90G54T01M06S1000M03M08GOOX0Y0Z30G01Z-20F250Z30X25Y25Z-20Z30Y-25Z-20Z30X-25Z-20Z30Y25Z-20Z30G00G40Z100M05M

21、09X0Y0M30第3章练习与思考题3（见书100页）1什么是刀具半径补偿，简述其执行过程。答：加工零件的外轮廓时，刀具有一定的半径（如铣刀的半径或切割机的铜丝半径等）另外在粗加工或半精加工时，还需要留有一定的加工余量，因此刀具中心的运动轨迹和被加工零件的轨廓轨迹并不重合，而是有一定的偏移距离。在加工内轮廓时，刀具中心要向零件的内侧偏移一定的距离，在加工轮廓时，刀具中心要向外偏移一定的距离，通常把这种偏移称为刀具半径补偿。在零件轮廓加工过程中，刀具半径补偿过程分为以下三个步骤：（1）刀具半径补偿的建立。在刀具补偿接近工件的过程中，在编程轨迹的基础上，刀具中心轨迹向左或向右偏移一个刀具半径（向左

22、或向右由G41或G42确定），刀具半径补偿只能用G00或G01的程序段中建立。（2）刀具半径补偿进行。刀具半径补偿一旦建立，便一直维持补偿状态，直到刀具半径补偿被撤销为止。在刀具补偿期间，刀具中心运动轨迹始终偏离编程轨迹一个刀具半径的距离。（3）刀具半径补偿注销。在刀具撤离工件返回原点的过程中，用G40指令撤销刀具半径补偿。刀具半径补偿注销只能在G00或G01的程序段中进行。2B刀具补偿与C刀具补偿有何区别？答：B功能刀具补偿在处理刀具中心轨迹时，采用读一段，算一段，再走过一段的方法，这样不能预计由于刀具半径补偿所造成的下一段加工轨迹对本段加工轨迹的影响因此在加工内轮廓时，为了避免过切现象，就

23、不得不依赖编程人员进行处理。C功能刀具补偿采用一次对零件的两段轮廓进行处理的方法，即预处理本段，然后根据下一段的方向，来确定刀具中心轨迹的段间过渡状态，从而完成本段刀补的运行处理，然后从程序段缓冲中再读一段，用于计算第二段的刀具补偿轨迹，以后按这种方法进行下去，直到程序结束为止。3直线与直线转接分类中的缩短型转接、伸长型转接和插入型转接如何判别？答：C刀补根据前后两段程序及刀补的左右情况，首先判断是缩短型转接、伸长型转接或是插入型转接。如第三章图3-30为G41直线转接的情况。图a和b为缩短型转接，c和e为插入型转接，d为伸长型转接。对于缩短型转接，需要算出前后两段程序刀具中心轨迹的交点。插入

24、型转接可插入一段直线，如图3-30c；也可插入一段圆弧，如图3-30e。插入直线段的转接情况，要计算出插入段直线的起点和终点。插入圆弧的计算要简单一些，与B刀补有些相似，只要插入一段圆心在轮廓交点，半径为刀具半径的圆弧就行了。插入圆弧的方式虽计算较简单，但在插补过渡圆弧时刀具始终在轮廓交点处切削，尖点处的工艺性不如插入直线的方式好。图3-31为G42直线转接情况。表1列出了直线与直线转接的转接类型判别条件（“1”表示是，“0”表示否）。表1直线与直线转接形式的判别条件编程轨迹的连接刀具补偿方向sina0cosa0象限转接类型对应图号G41G01/G41G01G4111I缩短3-30a10II缩

25、短3-30b00III插入3-30c01W伸长3-30dG42G01/G42G01G4211I伸长3-31a10II插入3-31b00III缩短3-31c01W缩短331d3略4何谓插补？有哪两大类插补算法？答：何谓插补，就是指数据密化过程，对输入数控系统的有限坐标点（例如起点终点）计算机根据曲线的特征，运用一定的计算方法，自动地在有限坐标点之间生成一系列的坐标数据，以满足加工精度的要求。根据插补运算所采用的基本原理和计算机方法不同，通常分为基准脉冲插补和数据采样插补两大类。5设欲加工第四象限直线0E,终点坐标为Xe=4,Ye=-4,用逐点比较法加工出直线0E。答：用第一种终点判别法插补完成这

26、段直线，刀具沿X,Y轴应走的总步数为工N=X+Y=4+4=8（计算时终点坐标X、Y和加工点坐标取绝对值），插补运算过程如表2所示，插补轨迹如图1所示：表2逐点比较插补运算表偏差判别进给方向新偏差计算终点判别F0=1+XF1=F0-YE=0-4=-4工N=8-1=7F1=-40-YF2=F1+XE=-4+4=0EN=7-1=6F2=0+XF3=F2-YE=0-4=-4EN=6-1=5F3=-4-YF4=F3+XE=-4+4=0EN=5-1=4F4=0+XF5=F4-YE=0-4=-4EN=4-1=3F5=-40-YF6=F5+XE=-4+4=0EN=3-1=2F6=0+XF7=F6-YE=0-4

27、=-4工N=2-1=1F7=-40-YF8=F7+XE=-4+4=0EN=1-1=0图1插补轨迹3-6讲述DDA(数字积分法)插补的原理。答:数字积分插补，又称为数字微分分析法(DDA,DIGITALDIFFERENTIALANALYZER)它是利用数字积分的方法确定刀具沿各坐标的位移，使的刀具沿着所设定的曲线进行加工。函数Y=F(X)与X轴在区间a.b所围的面积可用积分求得，即S=町卩心=limy(xt+ix/，若把自变量的积分区间a.b等分成许多有限的小区间，X=(XI+1-XI),这样求面积S可以转化成有限个小区间面积之和，即S=Y書1的=况才乙朋，计算时，若取AX为基本单位1时，即一个

28、脉冲当量，则是s%!%。由此。可得将函数的积分运算变成了变量求和的运算，当X选取的时，用求和运算代替积分运算所引起的误差可不超过允许误差。7数据采样插补是如何实现的？答:数据采样插补是将加工零件的轮廓曲线分割插补采样周期的进给步长。差不算法由两部分组成，一部分是精插补，用硬件实现:另一部分是粗插补，用软件来实现。每一插补周期中，调用一次插补程序。用软件粗插补计算出各坐标轴在下一插补周期内的位移增量(而不是单个脉冲)，然后送到硬件插补内，经过硬件插补精插补后，再控制电动机驱动运动部件达到相应的位置。3-8设欲加工第三象限的直线0A,终点坐标为X=-5、Y=-7，累加器和寄存器的位数为3,用数字积

29、分法加工出直线0A。答：解：XE=-5、Y=-7,采用3位寄存。取N=-3。累加次数N=8插补计算过程如表3，插补轨迹如图2所示：表3DDA直线插补过程累加次数X积分器Y积分器备注JVX(XE)JRX溢出AXJVY(YE)JRY溢出AY初始状态05070第一次迭代15577XAY溢出脉冲2521761Y溢出357751XAY溢出4541741XAY溢出5511731Y溢出656721XAY溢出7531711XAY溢出8501701XY溢出终点计算器为0,插补结束。图2插补轨迹3-9设欲加工第二象限的圆弧AB,圆弧圆心在坐标点原点0起点坐标为X=0,Y=6,终点坐标为X=-6、Y=0,累加器和寄

30、存器的位数为3,用数字积分法加工出圆弧线。答：第二象限，圆弧AB，起X=0,Y=0终X=-6,Y=0逆时针圆弧。因为XA=0.YA=-6,XB=-6,YB=0,所以用三位寄存器即可，即N=3,计算过程如表4,插补轨迹如图3所示。表4DDA圆弧插补过程累加次数X积分器X终占八k、八、寄存器Y积分器Y终占丄k、八、寄存器备注JVX(YI)TRX(EYI)XJVY(XI)JRY(EXI)Y第一次迭代060060006产牛AX修正XI166060006产牛AX修正XI264150006产牛AX修正XI-136214-1-106产牛AX修正XI-246013-2-306产牛AX修正XI56603-3-6

31、0666412-3-1-15产牛AXY修正XI,YI5-475111-4-505产牛AX修正XI85601-5-2-14产牛AY修正YI494210-5-704产牛AX修正XI,X到终点-6104200-6-5-13产牛AY修正YI3-6113200-6-3-12产牛AY修正YI2-6122200-6-1-11产牛AY修正YI1-6131200-6-701141200-6-5-10产牛AY修正YI,Y到终点，插补结束0第4章练习与思考题4（见152页）1CNC装置由哪几部分组成？各有什么作用？答:CNC装置与通用计算机一样，是由中央处理器（CPU）及存储数据与程序的存储器等组成。中央处理器（C

32、PU）是用来执行系统程序、读取加工程序，经过加工程序段译码、预处理计算，然后根据加工程序段指令，进行实时插补与机床位置伺服控制，同时将辅助动作指令通过可编程序控制器（PLC）发往机床，并接收通过可编程序控制器返回的机床各部分信息，以决定下一步操作。存储器分为系统控制软件程序存储器（ROM），加工程序存储器（RAM）及工作区存储器（RAM）。ROM用来存储完成CNC系统各项功能的系统控制软件程序；加工程序存储器（RAM）用于存储操作者编制的加工程序；工作区存储器是系统程序执行过程中的活动场所，用于堆栈，参数保存、中间运算结果保存等。2模块化结构的多微处理器CNC装置的基本功能模块包括哪些功能模块

33、？模块化结构的多微处理器CNC装置中的基本功能模块包括下列功能模块：CNC管理模块CNC插补模块位置控制模块存储器模块PLC模块指令、数据的输入输出及显示模块3CNC装置的硬件结构可分为哪几类？其各自特点是什么？答：CNC装置的硬件结构按CNC装置中各印刷电路板的插接方式可以分为大板式结构和功能模板式结构；按CNC装置中微处理器的个数可以分为单微处理器和多微处理器结构；按CNC装置硬件的制造方式，可以分为专用型结构和个人计算机式结构；按CNC装置的开放程度又可分为封闭式结构、PC嵌入NC式结构、NC嵌入PC式结构和软件型开放式结构。其各自特点为：1大板式结构和功能模块式结构大板式结构大板式结构

34、CNC系统的CNC装置可由主电路板、位置控制板、PLC板、图形控制板和电源单元等组成。主电路板是大印刷电路板，其它电路是小印刷电路板，它们插在大印刷电路板上的插槽内而共同构成CNC装置。功能模块式结构在采用功能模块式结构的CNC装置中，将整个CNC装置按功能划分为模块，硬件和软件的设计都采用模块化设计方法，用户只要按需要选用各种控制单元母板及所需功能模板，将各功能模板插入控制单元母板的槽内，就搭成了自己需要CNC系统的控制装置。2单微处理器结构和多微处理器结构单微处理器结构在单微处理器结构中，只有一个微处理器，以集中控制，分时处理数控的各个任务。其特点如下：CNC系统内只有一个微处理器，对存储

35、、插补运算、输入输出控制、CRT显示等功能都由它集中控制分时处理。微处理器通过总线与存储、输入输出控制等各种接口相连，构成CNC系统。结构简单，容易实现。单微处理器因为只有一个微处理器集中控制，其功能将受到微处理器字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素限制。由于插补等功能由软件来实现，因此数控功能的实现与处理速度成为一对矛盾。多微处理器结构若在一个系统中有两个或两个以上微处理器，则该系统称多微处理器型结构。多微处理器CNC装置多采用模块化结构，可以采取积木方式组成CNC装置，因此具有良好的适应性和扩展性，且结构紧凑。由于插件模块更换方便，因此可使故障对系统的影响降到最低程度。与单微处理器CN

36、C装置相比，多微处理器CNC装置的运算速度有了很大的提高，它更适合于多轴控制、高进给速度、高精度、高效率的数控要求。3共享总线和共享存储器共享总线结构系统配置灵活，结构简单，容易实现，无源总线造价低，因此经常被采用。该种结构的缺点是各主模块使用总线时会引起“竞争”而使信息传输效率降低，总线一旦出现故障会影响全局。共享存储器结构采用多端口存储器来实现各微处理器之间的互连和通信，每个端口都配有一套数据、地址、控制线，以供端口访问。由专门的多端口控制逻辑电路解决访问的冲突问题。当微处理器数量增多时，往往会由于争用共享而造成信息传输的阻塞，降低系统效率，因此这种结构功能扩展比较困难。4专用型结构和个人

37、计算机式结构专用型结构这类CNC装置的硬件由各制造厂专门设计和制造，布局合理，结构紧凑，专用性强，但硬件之间彼此不能交换和替代，没有通用性。个人计算机式结构这类CNC系统是以工业PC机作为CNC装置的支撑平台，再由各数控机床制造厂根据数控的需要，插入自己的控制卡和数控软件构成相应CNC装置。由于工业标准计算机的生产数以百万计，其生产成本很低，继而也就降低了CNC系统的成本。若工业PC机出故障，修理及更换均很容易。5.封闭式结构、PC嵌入NC式结构、NC嵌入PC式结构和软件型开放式结构封闭式结构各个厂家的产品之间以及与通用计算机之间不兼容，维修、升级困难，维修费用高。由于开放体系结构数控系统的发

38、展，传统数控系统的市场正在受到挑战，已逐渐减小。“PC嵌入NC”式结构系统其体系结构是不开放。用户无法介入数控系统的核心。这类系统结构复杂、功能强大，但价格昂贵。“NC嵌入PC”式结构它由开放体系结构运动控制卡+PC机构成。这种运动控制卡通常选用高速DSP作为CPU,具有很强的运动控制和PLC控制能力。它本身就是一个数控系统，可以单独使用。这种开放结构运动控制卡被广泛应用于制造业自动化控制各个领域。软件型开放式结构这是一种最新开放体系结构的数控系统。它提供给用户最大的选择和灵活性，具有最高的性能价格比，因而最有生命力。4CNC装置的软件包括哪些内容？各有什么作用？答：CNC装置的软件包括CNC

39、管理软件和CNC控制软件两部分。系统的管理部分包括输入、I/O处理、显示和诊断。系统的控制部分包括译码、刀具补偿、速度处理、插补和位置控制。5单微处理器与多微处理器结构有什么区别？答：单微处理器结构和多微处理器结构的区别归纳如下：单微处理器结构CNC装置只有一个微处理器，而多微处理器结构中有两个或两个以上微处理器。单微处理器结构CNC装置只有一个微处理器能够控制总线，占有总线资源，而多微处理器结构中各微处理器之间采用紧耦合，资源共享，有集中的操作系统。单微处理器结构CNC装置有大板和模块两种结构形式，而多微处理器结构CNC装置都采用模块化结构形式。单微处理器因为只有一个微处理器集中控制，其功能

40、将受到微处理器字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素限制。由于插补等功能由软件来实现，因此数控功能的实现与处理速度成为一对矛盾，用于控制功能不十分复杂的数控机床中，与单微处理器CNC装置相比，多微处理器CNC装置的运算速度有了很大的提高，它更适合于多轴控制、高进给速度、高精度、高效率的数控要求。单微处理器结构简单，容易实现，而多微处理器结构CNC装置具有更好的适应性和扩展性且结构紧凑。由于插件模块更换方便，因此可使故障对系统的影响降到最低程度。6CNC装置的软件分为哪几类？简述其各自的工作原理。答：CNC装置的软件分为两类：一是前后台型结构；二是多重中断型结构。其工作原理如下：前后台型软件结

41、构将CNC系统整个控制软件分为前台程序和后台程序。前台程序是一个实时中断服务程序，实现插补、位置控制及机床开关逻辑控制等实时功能；后台程序又称背景程序，是一个循环运行程序，实现数控加工程序的输入和预处理及管理的各项任务。前台程序和后台程序相互配合完成整个控制任务。工作过程大致是，系统启动后，经过系统初始化，进入背景程序循环中。在背景程序的循环过程中，实时中断程序不断插入完成各项实时控制任务。多重中断型软件结构没有前后台之分，除了初始化程序外，把控制程序安排成不同级别的中断服务程序，整个软件是一个大的多重中断系统。系统的管理功能主要通过各级中断服务程序之间的通信来实现。7简述CNC装置的软件设计

42、中资源分时共享和资源重叠流水技术的原理和作用。答：资源分时共享主要用于解决单CPU的CNC系统中多任务同时运行的问题。具体方法是，首先确定各任务何时占用CPU和占用时间的长短。在具体执行时，对各任务使用CPU采用循环轮流和中断优先相结合的原则来处理。系统在完成初始化后自动进入时间分配环中，在环中依次轮流处理各任务。而对于系统中一些实时性很强的任务则按优先级排队，分别放在不同中断优先级上，环外的任务可以随时中断环内各任务的执行。资源重叠的流水线处理技术是指在一段时间间隔内不是处理一个子过程，而是处理两个或更多的子过程。资源重叠流水处理技术，其时间空间关系如下图所示。流水处理要求每个处理子过程的运

43、算时间相等。而实际上每个子程序所需时间都是不相同的，一般取最长的子程序处理时间为流水处理间隔。这样当处理时间较短的子过程时，处理完成之后就进入等待状态。在单CPU的CNC装置中，流水处理的时间重叠只有宏观的意义，即在一段时间内，CPU处理多个子程序，但从微观上看，各子过程是分时占用CPU时间。第5章练习与思考题5(见书205页)1数控机床的伺服系统的组成包括哪些部分？对数控机床的进给伺服系统的基本要求是什么？数控机床伺服系统的一般是一个双闭环系统，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

44、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等各部分组成。由于各种数控机床所完成的加工任务不同，它们对进给伺服系统的要求也不尽相同但通常可概括为以下几方面。1可逆运行2速度范围宽3具有足够的传动刚性和高的速度稳定性4快速响应并无超调5高精度6低速大转矩7伺服系统对伺服电机的要求从最低速到最高速电机都能平滑运转，转矩波动要小电机应具有大的较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并具有尽可能小的时间常数和启动电压。电机应能承受频繁启动、制动和反转。2伺服系统的分类有哪些？按伺服系统调节理论分类可分为开环、闭环

45、和半闭环系统。按使用的驱动元件分类（1）电液伺服系统（2）电气伺服系统按使用直流伺服电机和交流伺服电机分类（1）直流伺服系统（2）交流伺服系统按进给驱动和主轴驱动分类（1）进给伺服系统（2）主轴伺服系统按反馈比较控制方式分类（1）脉冲、数字比较伺服系统（2）相位比较伺服系统（3）幅值比较伺服系统（4）全数字伺服系统3简述步进电动机的工作原理和调速方法。步进电动机的工作原理是：当某相定子激磁后，它吸引转子，使转子的齿与该相定子磁极上的齿对齐。因此，步进电机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移的执行器。其角位移量与电脉冲数成正比

46、，其转速与电脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率就可以调节电动机的转速。4简述永磁式直流伺服电机的结构及工作原理。1）定子定子磁极是个永久磁体。2）转子又称电枢。3）电刷与换向片保证所产生的电磁转矩保持方向恒定。图5-10直流伺服电机5-5直流伺服电动机的调速原理是什么？有几种调速方法？改变电枢电压、励磁电流或电枢回路电阻即可改变电机的转速。工作原理：由于电刷和换向器的作用，使得转子绕组中的任何一根导体，只要一转过中性线，由定子S极下的范围进入了定子N极下的范围，那么这根导体上的电流一定要反向；反之由定子N极下的范围进入定子S极下的范围时，导体上的电流也要发生反向。因此转子的总磁势正交。转子磁场与

47、定子磁场相互作用产生了电动机的电磁转矩从而使电动机转动。n=n-I0Cde由式（工7）可以看出，改变电枢电压、励磁电流或电枢回路电阻即可改-I0Cde变电机的转速。数控机床的速度控制单元常采用前两种方法，特别是第一种方法，用来实现伺服电机或主轴电机的调速。现具体分析如下。（1）改变电枢供电电压U当改变电枢电压U调速时，励磁电流保持在额定值，即二。电机转速为nomTOC o 1-5 h zURTn=1CCdenomenom若再将恒定值归算到C中去，上式还可表示成为nome HYPERLINK l bookmark66 URT.n=I=nAnCCd0ee此式表明，改变电枢电压U时，理想空载转速n0

48、将改变。由于U始终只能小于电枢额定电压U，故n，也就是说，此时电机转速一定小于额定值n。这就表nom0nom0nom明改变U只能实现向基速以下的调速。特性曲线斜率0与电压U无关，可见随着U的降低，特性曲线平行下移（见图5-17）。这种方法简称调压调速。图5-17调压调速时的转速特性又电磁转矩T与电流匚的关系可表示如下：edT=CIeMd在调速过程中，若保持电枢电流/不变，而亦不变，则转矩T为恒定值，可见de改变电枢电压U的调速方法属于恒转矩调速。（2）改变励磁磁通当改变励磁电流即改变磁通调速时，通常保持电枢电压U=U不变。而励磁nom电流总是向减小一方调整，即0，工作台应作反向进给。最后，也应

49、在该指令所规定的反向某个位置e=0，伺服电机停止转动，工作台准确地停在该位置上。相位比较伺服系统相位比较伺服系统中，位置检测装置采取相位工作方式，指令信号与反馈信号都变成某个载波的相位，然后通过两者相位的比较，获得实际位置与指令位置的偏差，实现闭环控制。图5-56是一个采用感应同步器作为位置检测元件的相位伺服系统原理框图。图5-56相位比较伺服系统原理框图在该系统中，感应同步器取相位工作状态，以定尺的相位检测信号经整形放大后所得的PB(9)作为位置反馈信号。指令脉冲F经脉冲调相后，转换成重复频率为f0的脉冲信号PA(9)。PA(9)和PB(9)为两个同频的脉冲信号，它们的相位差A9反映了指令位

50、置与实际位置的偏差，由鉴相器判别检测。伺服放大器和伺服电机构成的调速系统，接受相位差A9信号以驱动工作台朝指令位置进给，实现位置跟踪。该伺服系统的工作原理概述如下：当指令脉冲F=0且工作台处于静止时，PA(9)和PB(9)应为两个同频同相的脉冲信号，经鉴相器进行相位比较判别，输出的相位差A9=0。此时，伺服放大器的速度给定为0，它输出到伺服电机的电枢电压亦为0，工作台维持在静止状态。当指令脉冲FHO时，工作台将从静止状态向指令位置移动。这时若设F为正，经过脉冲调相器，PA(9)产生正的相移+9，亦即在鉴相器的输出将产生A9=+90。因此，伺服驱动部分应按指令脉冲的方向使工作台作正向移动，以消除

51、PA(9)和PB(9)的相位差。反之，若设F为负，则P(9)产生负的相移-9，在A9=-90。在此，数字脉冲的比较，可采用上一节中脉冲比较伺服系统的可逆计数器方法，所以偏差e也是一个数字量。该值经数-模变换就可以变成后续调速系统的速度给定信号(模拟量)。于是，伺服电机向指令位置(正向)转动，并带动旋转变压器的转子作相应旋转。从此，转子位移角6超前于激磁信号的屮角，转子感应电势幅值E00，经鉴幅0m器和电压-频率变换器，转换成相应的反馈脉冲Pf。按照负反馈的原则，随着Pf的出现，偏差e逐渐减小，直至F=Pf后，偏差为零，系统在新的指令位置达到平衡。但是，必须指出：由于转子的转动使6角发生了变化，

52、若甲角不跟随作相应变化，虽然工作台在向指令位置靠近，但6-屮的差值反而进一步扩大了，这不先例系统设计要求。为此，应把反馈脉冲同时也输入到定子激磁电路中，以修改电气角屮的设定输入，使屮角跟随6变化。一旦指令脉冲F重新为零，反馈脉冲Pf方面应使比较环节的可逆计数器减到零，令偏差e-O；另一方面也应使屮角增大，令0-屮一0,以便在新的平衡位置上转子电势的幅值E-0。0m若指令脉冲F为负时，整个系统的检测，比较判别以及控制过程与上述F为正时基本上类似，只是工作台应向反向进给，转子位移角0减小，屮也必须跟随减小，直至在负向的指令位置达到平衡。从上述过程可以看出，在幅值系统中，激磁信号中的电气角屮由系统设

53、定，并跟随工作台的进给作被动的变化。可以利用这个屮值，作为工作台实际位置的测量值，并通过数显装置将其显示出来。当工作台在进给后到达指令所规定的平衡位置并稳定下来数显装置所显示的是指令位置的实测值。第6章练习与思考题6（见书236页）1位置检测装置有哪几类？常用的位置检测装置有哪些？作用是什么？答：位置检测装置按测量方式可分为（1）增量式和绝对式（2）数字式和模拟式常用的位置检测装置有旋转变压器、感应同步器、光栅、磁栅和脉冲编码器。其各自的作用为：旋转变压器：将旋转变压器装在数控机床的丝杠上，通过测量丝杠的转角间接地测量丝杠的直线位移（螺距）的大小。感应同步器：直线型感应同步器一般装在数控机床的工作台上，测量工作台的直线位移。圆形感应同步器装在数控机床的丝杠上，通过测量角位移从而