《机床数控技术》-许德章 习题及答案 第六章答案

第六章数控机床伺服系统6-1试对开环、半闭环、闭环伺服系统进行综合比较，说明它们的机构特点和应用场合。答：开环控制：只有输出信号，没有反馈信号来校正误差。适用于对精度不高、负载变化和干扰影响小的应用。闭环控制：通过实时比较反馈信号和指令信号来校正输出，具有高精度、稳定性好、能抵御负载变化和干扰的特点。适用于对精度要求高、稳定性和抗干扰能力要求强的应用。半闭环控制：结合了开环和闭环控制的特点，引入反馈信号但不直接用于调整输出。适用于对精度要求较高、负载变化和干扰影响较小的应用。6-2伺服系统由哪些部分组成，数控机床对伺服系统的要求有哪些？答：数控机床伺服系统一般由4部分组成：驱动控制器、伺服电动机（M）、数控机床机械装置和反馈检测装置。数控机床对伺服系统的要求为调速范围要宽，低速能输出大转矩；快速响应且无超调；稳定性要好，可靠性要高。6-3简述反应式步进电动机的工作原理，并说明开环步进伺服系统如何进行移动部件的位移量、速度和方向控制的。答：反应式步进电动机工作原理为：基于定子产生的电磁力吸引转子偏转而进行转矩输出。开环步进伺服系统进行移动部件的位移量、速度和方向控制，通常包含以下几个关键步骤：

1、位置控制：首先，确定所需的目标位置和相对位移量。通过控制信号，将脉冲序列发送给步进电机驱动器，驱动器会将脉冲转换为电流信号，控制步进电机的旋转。每个脉冲都会使步进电机转动一个固定的角度，从而实现位置的微小变化。2、速度控制：为了控制部件的移动速度，可以通过调整脉冲序列的频率来改变步进电机的转速。增加脉冲频率可以增加转动速度，减小脉冲频率则会降低转动速度。3、方向控制：在开环步进伺服系统中，改变正反转方向可以通过改变脉冲序列的顺序来实现。根据脉冲序列的不同排列方式，可以使步进电机以不同的方向旋转。6-4什么是步距角，反应式步进电动机的步距角与哪些因素有关，步距角与脉冲当量之间的关系是什么？答：步进电动机每走一步所转过的角度称为步距角，其大小等于错齿的角度。错齿角度的大小取决于转子上的齿数和磁极数；转子齿数和磁极数越多，步距角越小，步进电动机的位置精度越高，其结构也越复杂。步距角与脉冲当量之间的关系是，脉冲当量是控制器输出的每个脉冲所对应的角度，通常以度或弧度表示。可以通过调整脉冲当量大小来控制电机的运动，从而实现更精细的位置控制。具体而言，脉冲当量越小，则每个脉冲所转动的角度越小，步进电机的控制精度和分辨率就会更高；反之，如果脉冲当量越大，则步进电机的运动将更快，但控制精度可能会降低。6-5若数控机床的脉冲当量δ=0.05mm，快进时步进电动机的工作频率f=2500Hz，请计算快速进给速度。答：快速进给速度为6-6步进电动机的环形脉冲分配器和功率放大器分别有哪些形式，各自有何特点？答：环形脉冲分配器分为硬件式和软件式两种。硬件式使用门电路和逻辑电路构成，根据步进电动机的相数和控制方式设计。软件式由计算机软件控制。功率放大器分为单电压功率放大器、高低电压功率放大器、斩波恒流功率放大器和调频调压功率放大器。其中，单电压功率放大器只需一个电源电压供给，适用于低功率、低速度、低精度的步进电机应用。高低电压功率放大器具备高压和低压两个输出电压，可根据需求切换使用。斩波恒流功率放大器能够保持稳定的电流输出，在高负载和高速度应用中性能良好。调频调压功率放大器是高级类型，可以根据步进电机特性调整输出频率和电压，实现最佳驱动效果。6-7提高步进伺服系统精度的措施有哪些？分别说明它们的工作原理。答：要提高步进伺服系统精度，可以采取以下措施：使用微步驱动器：将步进脉冲细分为更小的微步，增加分辨率和平滑度。使用闭环控制系统：引入编码器反馈装置，实时校正位置，提高控制精度。增加驱动电流和电压：提高输出力矩和动态响应能力。优化机械结构：加强刚性、减少传动间隙，降低振动和变形。优化控制算法：选择和调整合适的算法，实现精确的位置和速度控制。6-8直流伺服电动机有哪几种？试说明它们的工作原理。答：永磁式直流伺服电动机的工作原理：永磁式直流伺服电动机是使用永磁体作为励磁源的直流电动机。它的转子上安装有永磁体，可以产生稳定的磁场。当电机通电时，电流通过定子绕组产生旋转磁场，与永磁体的磁场相互作用，使得电机产生转矩。控制器根据反馈信号监测和调整电机的位置和速度，通过调节驱动电流的大小和方向来控制电机的运动。励磁式直流伺服电动机的工作原理：励磁式直流伺服电动机在转子上添加一个励磁绕组。这个励磁绕组通过外部电源提供励磁电流，产生一个额外的磁场。当电机通电时，电流通过定子绕组产生旋转磁场，与励磁绕组的磁场叠加，从而产生转矩。控制器根据反馈信号监测和调整电机的位置和速度，通过调节励磁电流和驱动电流的大小和方向来控制电机的运动。无论是永磁式直流伺服电动机还是励磁式直流伺服电动机，它们都利用电流和磁场之间的相互作用产生转矩，通过控制器根据反馈信号调整电流和磁场的大小和方向，实现对电机运动的精确控制。6-9直流伺服电动机的调速方法有哪些？说明它们的实现原理，数控直流伺服系统主要采用哪种方法？答：电枢控制：电枢控制是一种通过改变电机电枢电压来控制电机转速的方法。电枢控制可分为手动电压控制和自动电压控制两种方式，前者采用手动方式调整电枢电压来改变电机转速；后者根据控制系统的反馈信号自动调整电枢电压，实现闭环控制。磁通控制：磁通控制是一种通过改变电机磁通来控制转速的方法。它通过控制电机励磁电流或外加电势来改变电机磁通，从而实现对电机转速的控制。磁通控制具有良好的静态特性，但响应速度较慢。脉宽调制（PWM）控制：PWM控制是最常用的一种调速方法。它通过对电机供电电压进行快速的开关控制，实现对电机输出功率的精确控制。PWM控制可以提供良好的动态特性和高效率，适用于各种复杂的运动控制需求。数控直流伺服系统主要采用PWM控制方法。PWM控制通过快速的开关控制，实现对电机输出功率的精确控制，同时还可以利用反馈信号实现闭环控制，提高转速和转矩的精度和稳定性。在数控机床、自动化生产线和机器人等领域，PWM控制已成为最为广泛应用的直流伺服调速技术。6-10直流进给运动的PWM和晶闸管调速原理分别是什么？请比较它们的优缺点。答：PWM控制的优点：高精度、稳定性好，适用于高要求场合。响应速度快，噪音小。PWM控制的缺点：系统结构复杂，需要专门的控制器。计算处理需要一定时间，影响实时性能。晶闸管调速的优点：结构简单，成本低，控制方便。晶闸管调速的缺点：精度较低，控制范围有限。稳定性差，噪音大。根据具体要求选择适合的调速方式。需要高精度、稳定性好的转速控制可以采用PWM控制；而在负载轻、速度要求不高的应用场合，可以选择晶闸管调速。6-11交流伺服电动机有哪几种？试说明永磁交流伺服电动机工作原理。答：交流伺服电动机主要有感应式交流伺服电动机和永磁同步交流伺服电动机两种类型。感应式交流伺服电动机通过变频调速实现转速和转矩的控制，结构简单、可靠性高。永磁同步交流伺服电动机利用永磁体作为励磁源，具有高性能和高精度的特点。它们都可以通过控制器实现闭环控制，实现精确的转速和转矩控制。6-12交流伺服电动机的调速方法有哪些？说明它们的实现原理，数控交流伺服系统主要采用哪种方法？答：交流伺服电动机的调速方法包括变频调速、矢量控制和直接转矩控制。数控交流伺服系统主要采用矢量控制方法，通过计算电流和电压指令实现对电机转速和转矩的精确控制。6-13在交流伺服电动机变频调速中，为什么要将电源电压和频率同时调整？答：在交流伺服电动机的变频调速中，电机的转速与供给电源的频率和电压成正比关系。为了保持恒定的转矩输出，需要同时调整电源电压和频率。这样可以实现对电机转速的精确调控，提高系统的控制性能和适应性。6-14简述SPWM调制原理，分析SPWM变频器的功率放大电路和SPWM变频调速系统工作原理。答：SPWM是正弦PWM调制，通过将一条正弦波分成若干个区间，并用不同占空比的脉冲来表示，实现对输出电压的精确控制。SPWM变频调速系统通过控制脉冲宽度，实现对电机转速和转矩的精确控制。6-15试说明主轴交流伺服系统的矢量控制调速基本思想并分析矢量变换控制原理。答：主轴交流伺服系统的矢量控制调速基本思想是通过对电机电流进行合理控制，实现对电机转速和转矩的准确控制。其中，矢量变换控制原理是将电流和位置信息转换到旋转坐标系中进行处理，并使用闭环控制算法实现精确控制。通过矢量控制，可以获得高性能的转速和转矩控制效果。6-16试说明直线电动机的类型、结构和工作原理，直线电动机有何特点？答：直线电动机是将电动机的旋转运动转换为直线运动的装置。它有几种类型，包括传统型、线性感应和线性同步电动机。直线电动机的工作原理是利用电流、磁场和电磁力的相互作用实现直线运动。直线电动机具有高速响应、高精度、高效能和无传动装置等特点，并广泛应用于自动化设备和机械系统中。6-17简述编码器和光栅的工作原理？答：编码器是用于测量位移或位置的装置，由光栅和传感器组成。光栅可以是光学、磁性或电容类型。工作原理是通过光栅上的特征和传感器检测光栅变化，将其转换为电信号或数字信号，实现位移测量和运动控制。6-18思考实现伺服系统精确位置控制需要调控的变量有哪些？需要控制哪些回路？答：实现伺服系统精确位置控制需要调控目标位置和实际位置反馈，并控制位置、速度和加速度回路。控制系统根据位置误差信号调整输出信号驱动执行器移动至目标位置。6-19思考实现伺服系统精确位置控制可用的控制算法有哪些？答：实现伺服系统精确位置控制可采用PID、二阶系统、最优控制、模型预测和自适应控制等算法。具体算法的选择取决于系统特性、性能需求和应用环境。6-20对比直流进给伺服系统和直流主轴伺服系统的调速原理，分析控制原理的异同。答：直流进给伺服系统和直流主轴伺服系统在调速原理上有一些异同。相同之处是它们都使用闭环控制和PID控制算法。不同之处在于控制目标、反馈信号和机械传动方式。6-21对比交