智能数控机床与编程 思考题及答案汇 于杰 第1-8章 绪论-柔性制造应用

第1章思考题1.简要说明智能制造的三种范式及其主要特征。参考答案：智能制造的演进发展可以归纳为三种基本范式，分别为：数字化制造、数字化网络化制造、数字化网络化智能化制造。数字化制造的主要特征表现为：在产品方面，数字技术在产品中得到广泛应用；在制造方面，大量应用数字化装备；生产过程方面，集成和优化运行成为突出特点。数字化网络化制造的主要特征表现为：在产品方面，在数字技术应用的基础上，网络技术得到普遍应用，产品设计、研发等环节实现协同与共享；在制造方面，在实现厂内集成基础上，进一步实现制造的供应链、价值链集成和端到端集成，制造系统的数据流、信息流实现连通；在服务方面，设计、制造、物流、销售与维护等产品全生命周期业务与用户、企业等主体通过网络平台实现连接和交互，制造模式从以产品为中心走向以用户为中心。2.智能制造的应用意义有哪些？参考答案：智能制造面向产品全生命周期，以新一代信息技术为基础，以制造系统为载体，通过动态适应制造环境的变化，实现质量、成本及交货期等目标优化，在不同类型的工业生产中，利于优化制造系统结构，提高生产效率与制造质量。智能制造是装备行业、终端用户和科研院所改革创新、研发新产品、突破新技术的有效支撑，将在国民经济市场需求和国家战略发展需求中发挥重要作用。3.举例说明数控系统的数字化技术、网络化技术、智能化技术在应用中的体现。参考答案：数控系统的数字化技术主要体现于利用高速高精、多轴多通道等数控系统高级功能保证零件加工的精度和效率。网络化数控系统可以把孤岛式的加工单元集成到同一个系统中，可实现各种加工设备、子系统、应用软件等的集成，通过互联和互操作实现资源的集中利用。网络化数控技术不仅可以提高数控设备的生产效率及加工质量，还可以对设备进行远程监控和诊断，并通过制造资源共享，缩短产品研发制造周期，提高企业快速响应市场变化的能力。数控系统的智能化应用水平和效果还处于初级阶段，利用人工智能、物联网、大数据等新一代信息技术，实现了智能化监控与诊断、智能化误差补偿和智能化信息管理等功能。通过开发功能强大的软硬件设备与平台，有助于实现数控加工全生命周期的智能化技术支持与服务。4.智能数控机床相比传统数控机床有哪些不同？参考答案：对比传统数控机床，智能数控机床是能够对制造过程作出决定的机床。智能数控机床借助温度、加速度和位移等传感器监测机床和环境的变化，实时进行调节和控制，优化切削用量，抑制或消除振动，补偿热变形，是基于模型的闭环加工系统。智能数控机床能够处理各类信息，对各类信息进行储存、分析、处理、判断、调节、优化、控制，可自行分析众多与机床、加工状态、环境有关的信息及其他因素，并能够自行采取应对措施来保证最优化加工。智能数控机床能够监控、诊断和修正在生产过程中出现的各类偏差，并且能为生产的优化提供方案。智能数控机床通过自动抑制振动、减少热变形、防止干涉、自动调节润滑油量、减少噪声等，可提高机床的加工精度、效率，大大减少人在管理机床方面的工作量。5.智能数控机床的主要特征有哪些？参考答案：智能数控机床的特征主要表现在智能化加工技术、智能化状态监控与维护技术、智能化驱动技术、智能化误差补偿技术和网络通讯技术等几个方面。6.举例说明智能机床的智能化表现。参考答案：智能化表现包括：1）操作智能化2）在线加工仿真3）智能诊断4）智能车间管理第2章思考题1.智能数控系统需要满足哪些基本需求？参考答案：（1）系统需满足开放性要求；（2）系统需满足实时性要求；（3）系统需满足数据接口及信息传递要求；（4）系统需满足人工智能与加工知识模型融合要求。2.数控系统的智能化涵盖哪些功能特征？参考答案：数控系统的智能化涵盖四个方面的功能特征：自主感知与连接、自主学习与建模、自主优化与决策、自主控制与执行。3.智能数控系统主要的两种数据访问方式是什么？参考答案：智能数控系统主要通过两种数据访问方式，满足数控系统的实时控制及外部数据访问需求。4.i5智能数控系统的智能化功能有哪些？参考答案：具有丰富的人机界面功能、三维图形辅助编程、加工仿真模拟等功能。第3章思考题1.数控机床HCPS1.0模型有哪些特点？参考答案：1）制造系统的自动化程度、工作效率、质量与稳定性以及解决复杂问题的能力等各方面均得以显著提升；2）人类的都分脑力劳动也可由信息系统完成，知识的传播利用以及传承效率都得以有效提高。2.“互联网+”数控机床HCPS1.5模型的主要特征是什么？参考答案：1）互联网和云平台成为信息系统的重要组成部分，既连接信息系统各部分，又连接物理系统各部分，还连接人，使得信息系统成为系统集成的工具；2）信息互通与协同集成优化成为信息系统的重要内容；3）HCPS1.5中的人已经延伸成为由网络连接起来的共同进行价值创造的群体，包括企业内部、供应链、销售服务链和客户，使制造业的产业模式从以产品为中心向以客户为中心转变，产业形态从生产型制造向生产服务型制造转变。3.为什么说“互联网+”机床具有一定的智能化水平？参考答案：与传统数控机床相比，“互联网十”机床增加了传感器，增强了对加工状态的感知能力；应用工业互联网进行设备的连接互通，实现机床状态数据的采集和汇聚；对采集的数据进行分析与处理，实现对机床加工过程的实时或非实时的反馈控制。所以说“互联网+”机床具有一定的智能化水平4.智能机床HCPS2.0模型主要特征有哪些？参考答案：利用自主感知与连接获取机床、加工、工况、环境有关的信息，通过自主学习与建模生成知识，并能应用这些知识进行自主优化与决策，完成自主控制与执行，实现加工制造过程的优质、高效、安全、可靠和低耗的多目标优化运行。5.智能数控机床的三类基本功能分别有哪些？参考答案：智能数控机床三类基本功能：执行阶段的智能、准备阶段的智能和维护阶段的智能。6.本章介绍的智能数控机床结构配置创新案例，分别体现了哪些结构配置原则？参考答案：1）轻量化原则2）重心驱动原则3）对称原则4）短悬臂原则5）近路程原则6）力闭环原则7.什么是电主轴？相比普通主轴，电主轴有哪些优良性能？参考答案：电主轴是将电动机的转子和主轴做成一体。中空的、直径较大的电动机转子轴，同时也是机床的主轴。8.主轴轴承系统常用的配置方式有哪些？参考答案：主轴轴承系统常用的配置方式有：圆锥滚子轴承、圆柱滚子轴承加双列轴向球轴承、角接触球轴承加圆柱滚子轴承、角接触球轴承、角接触球轴承、是角接触球轴承加圆柱滚子轴承9.主轴轴承系统常用的预紧方法有哪些？参考答案：预紧方法主要包括两种：刚性的定位预紧和弹性的定压预紧。10.刀具自动夹紧机构是如何工作的？参考答案：松开刀具时滑套向右移动，夹紧扇形块松开，中间拉杆在弹簧作用下向左移动，从而使夹紧爪（深黄色）向内缩，即可取出或放入刀柄。当滑套右腔充油，滑套向左移动，则扇形块内缩，锥面使拉紧杆向右移动。此时，杆端的夹紧锥斜面使夹紧爪外胀，压紧HSK刀柄的内表面，形成封闭的夹紧力作用线，使主轴内孔与刀柄的锥面和端面同时压紧。11.主轴工况监控的主要方法有哪些？参考答案：主轴的工况监控主要方法有：振动/颤振检测、温度检测和变形检测。12.主轴主动补偿是如何实现的？参考答案：主轴主动补偿是通过刀具变形主动补偿、主动阻尼、主动安全来实现的。13.智能数控机床的进给驱动有哪些形式？参考答案：按照运动的形式，可以分为直线进给驱动和回转进给驱动两大类；按照驱动动力和执行部件之间是否有机械传动环节，可分为间接驱动和直接驱动。14.数控机床常用的直线进给机构有哪些？参考答案：普遍应用的直线进给机构有：丝杠螺母副、齿轮齿条副、蜗杆齿条副和直线电动机。15.智能数控机床圆周进给采用的蜗轮蜗杆副机构有什么特点？参考答案：蜗轮蜗杆副是传统的分度和圆周进给机构，广泛用于镗铣床和齿轮加工机床，用于数控回转工作台的蜗轮蜗杆传动副中的蜗杆通常需要经过热处理，以减少高转速和高加减速带来的磨损。蜗轮蜗杆传动存在背隙，影响了回转工作台的精度。消除蜗轮蜗杆副背隙的常用方法包括双螺距蜗杆驱动和双蜗杆驱动。第4章思考题1.简述数控机床的主要误差。参考答案：数控机床的主要误差有：在无负荷或精加工条件下机床的几何/运动误差；由机床内部热源和环境温度变化而造成的热误差；由切削力和惯性力引起的动态误差；与夹具和装夹有关的误差。2.简述数控机床的热误差测量方法。参考答案：误差测量包括温度测量和热变形测量。温度测量是在机床上布置一定数量的测温点，通过数据处理和计算，找到与机床热变形相关性好的测温点进行温度测量，最终用于热误差建模。热变形测量是测量关键点的响应（位移变形），具体测量方法的选择取决于热误差的来源和机床的类型。3.简述数控机床的热误差补偿方法。参考答案：热误差补偿的实施方法主要有：基于FDEM（FEM+FDM）模型的热误差补偿；基于神经网络的热误差补偿；基于传递函数的热误差补偿；基于控制系统内部数据的热误差补偿。4.举例说明数控机床的高性能热误差补偿功能。参考答案：数控机床的高性能热误差补偿功能有：（1）马扎克的智能热补偿功能（ITS）；（2)大隈的热误差测量与补偿功能；（3）西门子数控系统基于PLC的热变形误差补偿功能。5.数控机床的几何误差来源有哪些？参考答案：数控机床的几何误差来源有四类：（1）导向机构（导轨）的几何误差，导轨的制造精度和配合间隙，导致被其约束的运动部件产生几何误差；（2）部件的运动误差，如丝杠的螺距误差、传动机构的反向间隙等，导致运动部件产生位置误差和定位误差；（3）结构件的连接误差，如立柱在滑座上的固定形式、螺栓分布等，影响结构件之间的垂直度误差；（4）加工空间误差，刀具中心点的实际空间位置与理论位置的差异，即工件的加工误差。6.数控机床的几何误差的补偿方式有哪些？参考答案：几何误差补偿分为实时补偿和非实时补偿两种方式。7.举例说明高性能数控系统的几何误差补偿功能。参考答案：高性能数控系统的几何误差补偿功能有：（1）西门子840D系统几何误差补偿－VCS；（2）发那科的三维误差补偿和三维机床位置补偿；（3）大隈OKUMA的几何误差测量与补偿功能。8.简述数控机床的力误差补偿方法。参考答案：利用数控系统中存储的各轴的负载状态信息，在无需添加额外测量装置的情况下，通过TCP/IP网络获取各轴的负载信息。根据对主轴负载信息的分析，将进给倍率的调节控制信息通过网络发送到PMC端，实现对进给速度的调节。结合FANUC二次开发工具FOCAS程序库，通过以太网访问数控系统，获得各轴相应的负载信息，不用添加传感器等设备，更加方便、快捷、有效。9.简述数控机床的振动测试方法。参考答案：数控机床的振动测试方法：首先需要采取一定的方法对机床施加动态变化的力进行激励，使机床产生振动。首选的激振点是刀具中心点，以模拟切削过程。激振的方法可以使用力锤敲击，也可以采用电动、电磁、电液和压电晶体等激振器加以激励。与此同时，需要借助测力元件（应变片或压电晶体等）将激振力的大小和变化转换成电信号，作为多通道数据采集和分析系统的输入。机床部件在激振力的作用下，将产生一定响应（微小的位移和相位变化）。利用电容或电感拾振器、加速度计等将此位移和相位变化转换成电信号，输入数据采集和分析系统。在数据采集和分析系统中，经过信号放大和A/D转换以及借助快速傅里叶函数变换等分析软件获得机床动态性能的频率响应函数、相位特性、相干性和相幅特性。10.数控机床主轴振动的形成原因有哪些？参考答案：数控机床配套使用的高速电主轴发生振动的原因有很多，主要有三类原因：（1)电主轴的共振；（2）电主轴的电磁振荡；（3）电主轴的机械振动。11.简述数控机床常用的主轴振动抑制措施。参考答案：数控机床常用的主轴振动抑制措施：（1）变速切削技术；（2）主轴轴承预紧力控制；（3）主轴系统自平衡控制。12.数控机床进给轴振动的形成原因有哪些？参考答案：导致数控机床进给轴产生振动的原因有很多，大致可分为四类：（1）机械传动方面的故障；（2）数控机床电气元件的故障；（3）数控系统参数设置不当；（4）机床共振。13.简述数控机床常用的进给轴振动抑制措施。参考答案：数控机床常用的进给轴振动抑制措施有：（1）在机械传动方面，可通过改善机械传动部件结构进行抑制；（2）在电气元件方面，可通过选用新型直线电机、采用电气电柜的电磁屏蔽等措施来避免对进给轴运动产生影响；（3）在伺服系统参数方面，可对伺服控制系统进行伺服优化，或者通过控制系统校正，抑制进给轴的振动。14.简述刀具切削振颤的两种控制方法（被动控制和主动控制）。参考答案：被动控制具体实施方法有：（1）刀具振动控制；（2）工件振动控制；（3）调整工艺参数。主动控制可以在机床系统的固有频率处增加额外的阻尼，增大整体刚度和阻尼，从而使整个系统稳定。15.数控机床内部感知数据有哪些？参考答案：数控机床内部感知数据包括：零件加工的插补实时数据（插补位置、跟随误差等）、伺服和电机反馈的内部电控数据，以及从G代码中提取的加工工艺数据（如切宽、切深、材料去除率等）。16.数控机床外部数据的感知手段有哪些？参考答案：传感器可将从数控机床获取的变量转换为可测量的信号，并提供给测控系统，是获取数控机床外部数据的有效手段，主要有：（1）温度传感器；（2）振动传感器；（3）声发射传威器；（4）RFID传感器；（5）条码/二维码传感器。17.数控机床主要的数据传输方式有哪些？参考答案：数据传输是数据从感知到应用的必需环节，主要表现为以通信技术为主的各种网络，依赖于物理设备的硬件互联和通信网络的协议互通，主要有：（1）数控机床的RS-232/422/485互联；（2）数控机床的USB互联；（3）数控机床的RJ-45互联；（4）窄带物联网；（5）5G移动网络。18.简述数控机床的大数据处理方式。参考答案：数控机床大数据的处理方式一般有两种：云端数据处理和边缘数据处理。云端数据处理是指各种底层设备（如数控机床、机器人、AGV小车等）通过网络连接将数据上传至云端，并在云端对数据进行存储和分析；边缘数据处理是指各种底层设备通过网络连接直接把数据存储于边缘端，以低延迟的方式对数据进行就近处理，从而及时向控制设备反馈处理结果。19.常用的数控系统互联通讯协议有哪些？参考答案：数控机床互联通讯协议可分为三个层次：感知层、通信层、语义层。感知层互联通讯协议解决的是数控系统对以传感器件为代表的各类数据的采集与管理，主要以各类现场总线协议为主，常见的现场总线协议包括Profibus、EtherCAT、TwinCAT、CANope、ControlNet、Ethernet、PROFINET、Modbus、RS232/RS485、CC-Link等40余种。通信层互联通讯协议负责实现从数控系统到应用系统之间的数据传输主要以各类以太网协议为主，常用的以太网协议包括CoAP（ConstrainedApplicationProtocol）、MQTT（MessageQueuingTelemetryTransport）、DDS（DataDistributionServiceforReal-TimeSystems）、AMQP（AdvancedMessageQueuingProtocol）、OPC、UA等。语义层互联通讯协议具备面向应用集成的对机床模型含义的数据解释能力，主要指包含模型设计和数据字典的协议。当前，常用的语义层协议包MTConnect、umati以及NC-Link等。20.简述NC-Link协议的特点。参考答案：主要具备以下特点：（1）独特的数控装备信息模型；（2）支持自定义的组合数据；（3）轻量级数据交换格式；（4）对异构设备或平台高度兼容；（5）独特的安全性设计。21.简要说明NC-Link协议的体系架构。参考答案：NC-Link标准的体系结构包括：设备层、NC-Link层、应用层。22.NC-Link协议的接口交互流程是怎样的？参考答案：NC-Link协议的接口交互流程：①从适配器到应用系统的模型文件交互流程：适配器向应用系统发布设备注册指令，完成设备向代理器的注册→适配器向应用系统发布设备当前模型版本号，应用系统判断设备当前模型版本号与历史版本号（若存在）是否一致→若版本号不一致（或不存在），应用系统向适配器请求订阅当前模型文件→适配器向应用系统发布设备当前模型文件→应用系统接收设备当前模型文件并解析。②从适配器到应用系统的采样数据交互流程：应用系统向适配器订阅采样数据→适配器定时向应用系统发布采样数据→应用系统接收到采样数据，必要时根据设备当前模型文件的解析结果解析采样数据。③从适配器到应用系统的数据查询流程：应用系统向适配器订阅指定数据查询响应→应用系统向适配器发布数据查询指令→适配器向应用系统发布数据查询结果→应用系统接收到数据查询结果。④应用系统向适配器设置模型：应用系统向适配器发布模型文件→适配器接收到模型文件→应用系统根据模型设置响应判断是否设置成功。⑤应用系统向适配器设置数据：应用系统向适配器发布数据设置指令→适配器接收到数据设置信息，向应用系统发布数据设置响应→应用系统根据数据设置响应判断是否设置成功。第5章思考题简述机械加工精度的主要内容。参考答案：加工精度主要包括三方面内容：（1）尺寸精度；（2）形状精度；（3）位置精度。机械加工表面质量包括哪些内容？参考答案：机械加工表面质量的含义有两方面的内容：一方面是表面的几何特性，另一方面是表面层的物理力学性能。面的几何特性主要有：（1）表面粗糙度；（2）表面波度；（3）表面纹理方向；（4）伤痕。表面层的物理力学性能主要有：（1）加工表面的冷作硬化；（2）表面层金相组织变化；（3）表面层产生残余应力或造成原有残余应力的变化。提高机械加工表面质量的工艺措施有哪些？参考答案：提高机械加工表面质量的工艺措施：（1）选择合理的切削用量；（2）选择适当的刀具几何参数；（3）改善工件材料的性能；（4）选择合适的切削液；（5）选择合理的刀具材料；（6）防止或减小工艺系统的振动。简述数控加工工艺分析的主要内容。参考答案：数控加工工艺分析的主要内容有：（1）数控加工的零件图分析；（2）数控加工零件的结构工艺性分析。什么是定位基准？简述粗基准、精基准的选择原则。参考答案：定位基准属于工艺基准，是指工件在机床上或夹具中占据正确位置所依据的基准。精基准的选择：（1）基准重合原则；（2）基准统一原则；（3）自为基准原则；（4）互为基准反复加工原则；（5）便于装夹原则。粗基准的选择原则：（1）重要表面原则；（2）相互位置要求原则；（3）加工余量合理分配原则；（4）不重复使用原则；（5）便于装夹原则。如何安排数控加工的切削加工顺序、热处理工序和辅助工序？参考答案：切削加工顺序的安排原则：（1）先粗后精原则；（2）基面先行原则；（3）先主后次原则；（4）先面后孔原则。热处理工序的安排：（1）预备热处理，常用的方法有退火、正火、时效和调质等；（2）最终热处理，常用的方法有表面淬火、渗碳、渗氮。辅助工序的安排：辅助工序的种类较多，如检验、去毛刺、倒棱、去磁、清洗、平衡、涂防锈漆和包装等。辅助工序也是保证产品质量所必要的工序，对辅助工序的安排应给予充分重视。检验工序是主要的辅助工序，在每道工序进行中、粗加工之后精加工之前、重要工序之后、全部加工完毕进库之前，一般要安排检验工序。确定加工余量的方法有哪些？参考答案：确定加工余量的方法通常有以下三种：（1）查表修正法；（2）经验估计法；（3）分析计算法。简述切削用量的选择原则。参考答案：选择切削用量的基本原则是：粗加工时，一般以提高生产率为主，但也应考虑经济性和加工成本；半精加工和精加工时，应在保证加工质量的前提下，兼顾切削效率、经济性和加工成本。简述工件定位的基本原理。参考答案：一个在空间处于自由状态的工件有六个自由度，要完全确定工件的位置（定位），就需要按一定的要求合理布置六个支承点（即定位元件）来限制工件的六个自由度，这就是工件定位的“六点定位原理”。工件加工定位的主要形式有哪些？参考答案：工件加工定位的主要形式有：（1）工件以平面定位；（2）工件以圆孔定位；（3）工件以外圆柱面定位；（4）工件以一面两孔定位。简述夹具的基本组成。参考答案：夹具的基本组成：（1）定位装置；（2）夹紧装置；（3）夹具体；（4）其他元件及装置。常用的数控车床夹具有哪些？参考答案：常用的数控车床夹具有：（1）四爪卡盘；（2）三爪卡盘；（3）两顶尖间装夹工件；（4）一夹一顶装夹工件；（5）软爪；（6）自动卡盘；（7）弹簧夹头；（8）中心架；（9）跟刀架。常用的数控铣床与加工中心夹具有哪些？参考答案：常用的数控铣床与加工中心夹具有：（1）通用夹具；（2）专用夹具；（3）组合夹具；（4）成组夹具；（5）气动或液压夹具；（6）真空夹具。简述数控加工常用刀具材料及性能。参考答案：（1）高速钢，高速钢的强度高、韧度好、性能比较稳定、工艺性好；（2）硬质合金，硬质合金具有高速钢的韧性，高切削速度下的耐磨性与红硬性，特别是涂层技术的应用，使涂层硬质合金成为机夹刀片的首选；（3）陶瓷，陶瓷刀具材料具有高硬度、高耐磨性、优良的化学稳定性和低摩擦系数，尤其是其优良的红硬性（在790°C高温下，仍保持较高硬度），适用于高速切削和高速重切削，但其缺点是抗弯强度和冲击韧性较差；（4）立方氮化硼，立方氮化硼的硬度仅次于金刚石，是高硬度、高耐磨性和高热硬性的刀具材料；（5）人造金刚石，人造金刚石是目前最硬的刀具材料，耐磨性很高。典型的孔加工刀具有哪些？参考答案：典型孔加工刀具有：（1）钻孔加工；（2）扩孔加工；（3）镗孔加工；（4）铰孔加工。简述曲面加工工艺优化方法。参考答案：曲面加工工艺优化方法主要包括：（1）曲面加工轨迹平滑方法；（2）曲面加工速度优化方法；（3）高性能数控系统曲面加工优化功能。举例说明高性能数控系统的曲面加工优化功能。参考答案：高性能数控系统曲面加工优化功能：（1）西门子曲面加工优化功能；（2）FANUC曲面加工优化功能；（3）海德汉曲面加工优化功能；（4）华中8型曲面加工优化功能。第6章思考题1.简述数控机床加工程序编制的一般步骤。参考答案：数控编程是从零件图纸到获得数控加工程序的全过程，编程的一般步骤包括：分析零件图纸首先要分析零件图纸，根据零件的材料、形状、尺寸、精度、毛坯形状和热处理要求等确定加工方案，选择合适的数控机床。工艺处理工艺处理涉及问题较多，包括确定加工方案、选择刀具和夹具、确定加工路线、确定切削用量等。数学处理工艺处理工作完成后，根据零件的几何尺寸和加工路线，计算数控机床所需的输入数据。编写零件加工程序单完成工艺处理和数值计算工作后，编程人员根据所使用数控系统的指令、程序段格式，逐段编写零件加工程序。程序输入及校验程序编好后，通过U盘或网络传输，输入数控机床。编写好的程序需要经过校验后，才可用于正式加工。2.简述基于CAD/CAM进行数控自动编程的基本步骤。参考答案：应用CAD/CAM软件已经成为自动编程的主要手段，其基本步骤包括：几何造型利用CAD/CAM系统的几何建模功能，将零件被加工部位的几何图形准确地绘制在计算机屏幕上，同时在计算机内自动形成零件图形的数据文件。加工工艺分析这是自动编程的基础。通过分析零件的加工部位，确定装夹位置、工件坐标系、刀具类型及其几何参数、加工路线及切削工艺参数等。刀具轨迹生成刀具轨迹的生成是基于屏幕图形以人机交互方式进行的。用户根据屏幕提示通过光标选择相应的图形目标，确定待加工的零件表面及限制边界，输入切削加工的对刀点，选择切入方式和走刀方式。软件系统将自动地从图形文件中提取所需的几何信息，进行分析判断，计算节点数据，生成走刀路线，并将其转换为刀具位置数据，存入指定的刀位文件。刀位验证及刀具轨迹的编辑对所生成的刀位文件进行加工过程仿真，验证走刀路线是否正确合理，是否有碰撞干涉或过切现象，对已生成的刀具轨迹进行编辑修改、优化处理，以得到正确的走刀轨迹。后置处理后置处理的作用是形成具体机床的数控加工文件。由于各机床所使用的数控系统不同，其数控代码及其格式不尽相同，为此需要通过后置处理，将刀位文件转换成具体数控机床所需的加工程序。数控程序的输出生成的数控加工程序可以通过计算机的各种外部设备输出，若数控机床附有标准的DNC接口，还可由计算机将加工程序直接输送给机床控制系统。3.简述数控机床坐标系的判定方法。参考答案：在确定机床坐标轴时，一般先确定Z轴，然后确定X轴和Y轴，最后确定其它轴。机床运动的正方向，是指增大工件和刀具之间距离的方向。Z轴：Z坐标的运动是由传递切削力的主轴决定的，规定与机床主轴轴线平行的坐标轴为Z轴。刀具远离工件的方向为Z轴的正向，如果机床上有多个主轴，则选一个垂直于工件装夹平面的主轴为Z轴。X轴：X轴与Z轴垂直，并位于水平面内，一般与工件的装夹平面平行。确定X轴的正方向时，分两种情况：①如果工件做旋转运动，则刀具离开工件的方向为X坐标的正方向。②如果刀具做旋转运动，则分为两种情况：Z坐标水平时，沿刀具主轴向工件看时，+X方向指向右方；Z坐标垂直时，观察者面对刀具主轴向立柱看时，+X指向右方。Y轴：在确定X、Z轴后，根据X和Z坐标的正方向，按照右手直角笛卡儿坐标系来确定Y坐标的正方向。回转轴：围绕坐标轴X、Y、Z旋转的运动，分别用A、B、C表示。它们的正方向用右手螺旋法则判定。附加轴：如果在X、Y、Z主要坐标轴以外，还有平行于它们的坐标轴，则用附加坐标轴U、V、W分别表示平行于X、Y、Z三个坐标轴的第二组直线运动；如还有平行于X、Y、Z轴的第三组直线运动，则附加坐标轴可分别指定为P、Q及R轴。如果在第一组回转运动A、B、C之外还有平行或不平行A、B、C的第二组回转运动，可分别指定为D、E及F。4.G指令和M指令的基本功能是什么？参考答案：G指令又称为准备功能字，是用于建立机床或控制系统工作方式的一种指令，如直线插补、圆弧插补、刀具补偿、建立坐标系等等。M指令又称为辅助功能字，用来指定主轴的旋转方向、启动、停止、冷却液的开关、工件或刀具的夹紧或松开、刀具的更换等辅助动作及其状态。5.刀具补偿的意义是什么？参考答案：刀具补偿的意义是，在编程时可以不必考虑刀具几何尺寸，只需根据零件图样编程即可。刀具补偿包括刀具偏置(几何)补偿、刀具磨耗补偿和刀尖半径补偿。由于刀具的几何形状和安装位置不同产生的刀具补偿称为刀具偏置补偿；由刀尖磨损产生的刀具补偿称为刀具磨耗补偿；由于车刀刀尖半径的存在而产生的刀具补偿称为刀尖半径补偿。6.简述ShopTurn的编程步骤。参考答案：ShopTurn编程步骤主要包括：程序创建，完成程序开始部分信息填写；调入刀具；输入移动路径；创建各个加工步骤的轮廓。7.简述ShopMill的编程步骤。ShopMill编程步骤主要包括：创建新程序并定义毛坯；编写程序段，即在各程序段中定义加工操作、进给率和位置；编写刀具、偏置值和主轴速度。8.完成如图6-73所示零件的粗加工循环。图6-73参考程序如下：O6073；N5G50X100.0Z100.0；N10M03S640T0101；N15G00X105.0Z2.0；N20G71U5.0R1.0；N25G71P30Q65U2.0W1.0F0.3；N30G00X35.0；N35G01Z-30.0；N40X55.0Z-50.0；N45Z-65.0；N50G02X85.0Z-80.0R15.0；N55G01X100.0Z-100.0；N60Z-120.0；N65X110.0；N70G00X100.0Z100.0T0100M05；N75M30；9.图6-74所示零件的毛坯为φ80mm×150mm，试编写其粗、精加工程序。图6-74参考程序如下：（以工件右端面中心点为工件坐标系原点）O6074；T0101；M03S800；G00X85.0Z2.0；G71U1.0R1.0；G71P10Q20U0.5W0.1F100.0；N10G00G42X0.0；G01Z0.0F60.0；G50S2000.0；G96S100.0；G03X20.0Z-10.0R10.0；G01W-20.0；G03X60.0W-35.0R40.0；G01W-20.0；X80.0W-10.0；G97S1200.0；N20W-30.0；G00X100.0Z100.0；T0202；G00X85.0Z2.0；G70P10Q20；G00G40X100.0；Z100.0；M30；10.编写如图6-75所示零件的车削加工程序。加工内容包括粗精车端面、倒角、外圆、锥角、圆角、退刀槽和螺纹加工等。毛坯为ф85mm×300mm棒料，精加工余量为0.2mm。图6-75本题分析：本零件加工选用4把刀，分别为：1号刀——外圆车刀；2号刀——切槽刀；3号刀——螺纹车刀；4号刀——切断刀切削用量如下表素切削用量背吃刀量mm进给速度Fmm/min主轴转速Sr/min工件端面0.580800外圆表面粗加工2100800外圆表明精加工0.5601200螺纹退刀槽加工——30800螺纹加工背吃刀量递减1.25mm/r800工件切断——30800参考程序如下：O6075；T0101；//外圆表面加工M03S800；G00X90.0Z2.0；G71U2.0R0.5；G71P10Q20U0.4W0.2F100.0；N10G00G42X42.0；G01X48.0Z-1.0F60.0S1200；Z-30.0；X50.0；W-20.0；X60.0W-30.0；X65.0；W-20.0；G02X75.0W-5.0R5.0；G01X85.0；N20W-30.0；G70P10Q20；G00G40X100.0Z100.0；T0202；//切槽M03S800.0；G00X60.0Z-30.0；G01X45.0F30.0；G04X4.0；G01X60.0；G00X100.0Z100.0；T0303；//螺纹加工M03S1000.0；G00X52.0Z3.0；G92X47.1Z-28.0F2.0；X46.5；X45.9；X45.5；X45.4；G00X100.0Z100.0；T0404；//切断M03S800.0；G00X90.0Z-133.0；G01X0.2F30.0；X90.0；G00X100.0Z100.0；M30；11.编制图6-76、图6-77所示零件的加工程序，零件材料为中碳钢。图6-77图6-76图6-76参考程序如下：O6076；T0101；M03S400；G00X20.0Z5.0；G71U1.5R1.0；G71P10Q20U-0.4W0.1F100；N10G00G41X90.0；G01Z0.0F60.0；X60.0Z-12.0；W-10.0；G02X35.0W-10.0R10.0；G01W-5.0；X25.0；N20Z-50.0；M03S1000；G70P10Q20；G00G40Z100.0；X100.0；M30；图6-77参考程序如下：本例零件加工顺序为：车端面——粗车外圆——钻中心孔——粗车内轮廓，留0.5mm精加工余量——精车内轮廓至图纸尺寸——内沟槽加工——精车外圆至图纸尺寸——工件切断刀具选择：T1——外圆车刀；T2——内孔车刀；T3——内切槽刀；T4——切断刀；T5——中心钻；T6——钻头；切削用量见下表：素切削用量背吃刀量mm进给速度Fmm/min主轴转速Sr/min工件端面0.580800外圆表面粗加工1.580800外圆表面精加工0.5601200内轮廓粗加工150800内轮廓精加工0.5301200内沟槽加工——30800工件切断——30800零件程序：O6077；T0101；//外圆及端面粗加工M03S800；G00X70.0Z2.0；G94X-1.0Z0.0F80.0；G71U1.5R0.5；G71P10Q20U0.4W0.1F80.0；N10G00G42X65.0S1200；G01Z-28.0F60；X45.0；N20Z-48.0；G00X100.0Z100.0；M00；//程序暂停，手工钻孔（中心钻定位；钻φ24mm孔，孔深48mm）T0202；//内轮廓加工G00X22.0Z1.0；G71U1.0R0.5；G71P30Q40U-0.5W0.1F50.0；N30G00G41X52.0；G01Z-20.0F30.0S1200；X40.0;X30.0W-5.0;Z-48.0;N40X22.0；G70P30Q40；G00G40Z100.0；X100.0；T0303；//内沟槽加工G00X40.0Z2.0S800；G01Z-6.0F30.0；X56.0;X40.0;Z-7.0;X56.0;X40.0;Z-6.0F30.0S1200;X56.0;X40.0;Z-7.0;X56.0;X40.0;G00Z100.0；X100.0；T0101；//外圆精加工G00X70.0Z2.0；G70P10Q20；G00G40Z100.0；X100.0；T0404；//工件切断M03S800.0；G00X70.0Z-47.0；G01X24.0F30.0；G00X100.0；Z100.0；M30；12.图6-78所示零件毛坯尺寸为102mm×102mm×20mm，材料为45钢，完成该零件编程。图6-78图6-78参考程序如下：本例零件主要加工内容及切削参数如下表加工内容刀具主轴转速(r/min)进给速度(mm/min)切削深度(mm)铣上表面立铣刀4002000.5粗铣100mm×100mm×10mm矩形立铣刀50020010mm/刀精铣100mm×100mm×10mm矩形立铣刀80010010mm/刀粗铣六方立铣刀5002002mm/刀精铣六方立铣刀8001000.5mm/刀粗铣腰形槽立铣刀5002002mm/刀精铣腰形槽立铣刀8001000.5mm/刀本例工件坐标系原点设在工件上表面中心。铣削上表面和100mm×100mm×10mm矩形的程序略，铣六方和腰形槽各编一个子程序。铣削六方和腰形槽程序如下：主程序O6078；G54M03S800；M08；G00G41X70Y-40D1；左刀补，D1=23mmG01Z-5F15；M98P0002；第一次粗铣六方G00G41X70Y-40D2；左刀补，D2=8.5mmG01Z-5F15；M98P0002；第二次粗铣六方G00G41X70Y-40D3；左刀补，D3=8mmG01Z-5F15；M98P0002；精铣六方G00Z5；G41X25Y-12D2；左刀补，D2=8.5mmG01X23Z-4F15；下刀深度4mmM98P0003；第一次粗铣腰形槽G00Z5；G41X25Y12D2；左刀补，D2=8.5mmG01X23Z-8F15;M98P0003;第二次粗铣腰形槽G00Z5；G41X25Y12D3；左刀补，D3=8mmG01X23Z-8F15；M98P0003；精铣腰形槽G01Z5；G00Z50M09；M30；子程序（加工六方）O0002；G01X-23.095Y-40F100；X-46.189Y0；X-23.089Y40；X23.095Y40；X46.189Y0；X23.095Y-40；X-70Y-40；Z10；G00G40X0Y0；M99；子程序（加工腰型槽）O0003；G03X35Y0R12；X19Y16R16；G01X-19Y16；G03X-19Y-16I0J-16；G01X19Y-16；G03X35Y0R16；X23Y12R12；G01Z10；G00G40X0Y0；M99；13.编写图6-79～图6-82所示零件的加工程序，零件材料为中碳钢。图6-79本零件使用刀具及切削用量如下表刀具号加工内容主轴转速r/min进给量mm/minT01（面铣刀φ60）铣平面400200T02（立铣刀φ16）铣轮廓、铣圆孔60080T03（键槽铣刀φ12）铣矩形槽500100T04（钻头）钻孔500100O6079；T01M06；G54G90G00X0Y20；M03S400；G43Z10H01；G01Z-1F200；X100；Y40；X0；Y60；X100；Y80；X0；G00Z100G49；G91G28Z0；T02M06；M03S600；G00G41X0Y-10D02；G43Z10H02；G01Z-8F200；M98P1000；调用铣外形子程序G00X0Y-10；G01Z-15F200；M98P1000；调用铣外形子程序X-10G40；G00Z100G49；G91G28Z0；T03M06；M03S500；G00X-16Y-16；G43Z10H03；G01Z-5F100；X24；Y26；X16；Y44；G00Z100G49；G91G28Z0；T04M06；M03S500；G00G43Z100H04；G82G99X50Y60Z-2R3P1000F100；G73X80Y40Z-8R3Q1F100；X60Y30；G98X80Y20；G80；G91G49G28Z0；T02M06；M03S600；G00X57Y60；G43Z10H02；G01Z-2F80；G03I-7J0；G00Z100G49；X0Y0；M30；O1000；铣外形子程序G01Y60F80；X30；G02X70Y60R20；G01X100；Y20；G02X80Y0R20；G01X12；X-3Y25；M99；图6-80本例零件采用T01—φ40面铣刀铣上表面，T02—φ20立铣刀铣四侧面和A、B面，T03—φ6钻头钻6个小孔，T04—φ14钻头钻中间2个大孔。参考程序如下：O6080；T01M06；G54G90G00X0Y0；M03S300；G43Z20H01；X60Y15；毛坯右侧外部G01Z15F100；X-60；Y-15；X60；G00Z100G49；G91G28Z0；T02M06；M03S200；G00X60Y25；Z-12G43H02；G01G42X36D02F80；X-36；Y-25；X36；Y30；G00Y40G40；Z0；G01Y-40F80；X21；Y40；X-21；Y-40；X-36；Y40；G00Z100G49；G91G28Z0；T03M06；M03S600；G00Z100G43H03；G73G99X-18Y40Z-36R-12Q1F100；Y25；Y10；X18；Y25；G98Y40；G80；G91G28G49Z0；T04M06；M03S600；G00Z100G43H04；G73G99X0Y33Z-36R3Q1F100；G98Y17；G80；G91G28G49Z0；G00X0Y0；M30；图6-81参考程序如下：O6081；T01M06；//铣轮廓G54G90G00X0Y90；M03S800；G43Z20H01；G01Y75G41D01F100；Z-6F80；X55F100；X70Y70；G03X80Y60R10；G01X107；G02Y35R10；G01X66；G03X58Y27R8；G01X66Y10.58；G0218Y75R-40；G01Y90G40；G00Z100G49；G91G28Z0；T02M06；//加工槽M03S500；G00X105Y10；G43Z10H02；G01Z-11F100；X99.12Y22.74；G00Z10；X80Y10；G01Z-11F100；X74.12Y22.74；G00Z10；X26Y26；G01Z-7.5F100；X44；Y64；X26；Y26；G00Z10；Y45；G01Z-2；X0；G00Z10；G91G28Z0G49；T03M06；//钻孔M03S1000；G00G43Z100H03；G81X35Y45Z-16R-4.5F80；X100Y72.5Z-16R-3；G80；G91G28Z0G49；T04M06；//扩孔M03S400；G00G43Z100H04；G81X100Y72.5Z-16R-3F60；G80；G91G28Z0G49；T01M06；//铣孔M03S800；G00X100Y72.5；G43Z20H01；G01Z-16F80；X110G41D01；G03I-10J0；G01X100G40；Z10；G91G28Z0G49；T05M06；//螺纹加工，螺距1.25M03S100；G00G43Z100H05；G84X35Y45Z-16R-4.5F125；G91G28Z0G49；X0Y0；M30；图6-82图6-82所示零件加工所用刀具及切削用量如下表：刀具号刀具类型加工内容主轴转速r/min进给速度mm/minT01A2中心钻定位孔1800120T02φ10.3麻花钻钻孔80080T03M12丝锥攻螺纹30030T04φ35麻花钻钻孔30030T05镗刀镗孔30020图6-82参考程序如下：O6082；T01M06；//钻中心孔G54G90G00X0Y0；M03S1800；G43Z30H01；G99G81X0Y0Z-2R5F120；X35Y0；X0Y35；X-35Y0；G98X0Y-35；G80；G00Z30；G91G28Z0G49；T02M06；//麻花钻钻孔M03S800；G00G43Z30H02；G99G81X35Y0Z-25R5F80；X0Y35；X-35Y0；G98X0Y-35；G80；G00Z30；G91G28Z0G49；T03M06；//M12丝锥M03S300；G00G43Z30H03；G99G84X35Y0Z-25R5F30；X0Y35；X-35Y0；G98X0Y-35；G80；G00Z30；G91G28Z0G49；T04M06；//φ35麻花钻M03S300；G00G43Z30H04；G98G73X0Y0Z-25Q5R5F30；G80；G00Z30；G91G28Z0G49；T05M06；//φ40镗刀M03S300；G00G43Z30H05；G98G85X0Y0Z-25R5F20；G80；G00Z30；G91G28Z0G49；G00X0Y0；M30；第7章思考题1.简要说明加工过程的监测内容。参考答案：根据采用的传感器、控制方法和控制目标的不同，加工过程监控主要集中在以下方面：通过对刀具磨损的研究，实现加工状态监控；通过测力仪或测量电机电流等方式间接获得切削力情况，对加工过程状态进行改进；对CAM领域的参数进行离线优化。2.加工过程监测的意义是什么？参考答案：加工过程并非一直处于理想状态，而是伴随着材料的去除出现多种复杂的物理现象，如加工几何误差、热变形、弹性变形及系统振动等，导致产品质量不能满足要求。因此对加工过程参数实施监测并通过主被动控制的方法对影响产品质量的因素进行干预，是智能制造的广泛做法。加工过程监测可实现加工过程的仿真与优化，通过对加工过程模型的仿真，进行参数的预测和优化选取，进而生成优化的加工过程控制指令。加工过程监测还可实现过程监控与误差补偿，通过对加工过程中的振动、切削温度、刀具磨损、加工变形以及设备的运行状态与健康状况进行监测，根据预先建立的系统控制模型，实时调整加工参数，并对加工过程中产生的误差进行实时补偿。3.传感器的功能有哪些？参考答案：传感器位于被测对象之中，是监测系统的前端，为系统提供处理和控制所需的原始信息。某个具体过程、物态的动态监测或控制能否实现，归根结底为能否找到一些恰当的传感器可真实地、迅速地、全面地反映该物态或过程的特征，并将其变换成便于识别、传输、接收、处理和控制的信号。传感器在监测系统中是联系非电子部件与电子部件的桥梁，是实现制造过程监测、诊断与控制的重要环节。4.传感器按照输出电信号形式分为几类？参考答案：传感器按照输出电信号形式分为三类。1）开关式传感器开关式传感器工作特性为：当输入物理量高于某一阈值时，传感器处于接通状态，以低电平（或高电平）输出；当输入物理量低于某一阈值时，传感器工作在另一种开断状态，输出高电平（或低电平）。例如限位开关传感器，输出是以高、低电平形式变化。2）数字式传感器数字式传感器共同的特点是精度较高且便于与微机接口。这类传感器可分为直接数字传感器、频率式传感器和脉冲传感器。直接数字传感器输出经过编码的数字量，例如光电编码盘；频率式传感器输出的信号反映频率变化，可以直接用数字频率计来测量；脉冲式传感器，输出信息反映在脉冲的个数或参数的变化上。3）模拟式传感器模拟式传感器输出的量以各种连续量的形式出现，可以是电压、电流、电阻、电容、电感等。这种连续变化量需通过模数转换，以与数字系统连接。5.智能传感器的智能作用表现在哪些方面？参考答案：智能传感器是一种带有微处理器的敏感探头，是兼有信息检测和信息处理功能的传感器。以集成化为特点，这类传感器将敏感检测、信息处理及微处理器集成在一块芯片上。智能传感器的智能作用表现为以下几个方面：1）提高传感器的性能智能传感器集成微机信息处理技术，可以实现自动校正和补偿。可以对集成于一片的多个传感元件零位自动补偿；自动选择合适滤波参数，消除干扰与噪声；自动计算期望值、平均值和相关值；根据传感器模型可以作动态校正，以实现高精度、高速度、高灵敏度范围的检测。2）自检与自诊断自检是通过合适的测试信号或监测程序来确定传感器是否完成自身的任务。自诊断是在传感器损坏前，在正常测量的间隔，通过检测一些特征量，判断与分析其是否接近损坏。3）多功能化智能传感器为了对工况做出优化处理，需要同时检测多个量以便做出相关分析与处理。智能传感器多功能化的一个方面是形成多元传感系统，在一块智能传感器芯片上检测多个参数。多功能化的另一方面是使智能传感器可对多个测量值作静动态处理、运算，进而实现简单的调节与控制。6.加工过程中刀具振动监测的内容有哪些？参考答案：刀具振动是刀具在切削过程中，因主轴-刀具-工件系统在内外力或系统刚性动态变化下在三维空间内所发生的不稳定运动。监测的内容包括：刀具刀尖平面到工件表面纵向的垂直位移；刀具刀尖在平行于工件表面的平面内所产生的横向位移；因刀具扭转振动所产生的刀尖平面与工件表面的夹角。7.简述加工过程中刀具磨损监测的基本思路。参考答案：刀具磨损监测，主要是一个模式识别过程。一个刀具监测系统由研究对象（具体某类型加工过程）、传感器信号采集、信号处理、特征提取及选择、模式识别等模块组成。其中，传感器模块主要完成信号的预处理（放大、滤波等）和信号采集；信号处理模块通过时域、频域或者时频域信号分析技术对传感器信号进行处理，分析出与刀具磨损密切相关的特征；特征提取和选择模块包括信号特征的计算，利用合适的数学方法选择能够反映刀具状态变化的敏感特征；模式识别模块主要通过建立信号特征和刀具磨损之间的数学模型，实现对刀具状态的分类或刀具磨损量的精确计算。监测系统的基本思路是：将从传感器信号中提取出的特征量，加上具体加工条件作为一个方面，将加工状态作为另一方面，对于两方面之间存在的非线性相关关系采用各种数学方法和工具进行建模分析。首先确定研究对象，如车刀的磨损监测、钻头的磨损监测或铣刀的磨损监测等；其次决定监测系统的实际应用范围，如工件改变、刀具改变或加工要素改变下的刀具磨损状态检测。8.加工过程的热特性检测有何意义？参考答案：机床热变形是影响加工精度的重要因素。大量实践表明，加工设备内部热源和外部环境引起的热变形是精密加工设备的最大误差源，占总制造误差的40%-70%。为了减小热变形对加工精度及其稳定性的影响，需要从加工设备的设计、制造和运行等方面进行综合分析与优化。对加工设备热特性进行精确检测和准确辨识是减少加工设备热误差的前提和基础，通过热特性的检测与辨识，采用适当的手段控制温升，降低热变形，可为加工设备提供良好的热环境，使其能按设计要求可靠地工作。9.加工过程的热特性检测中，如何布置测温点？参考答案：由于数控机床热源的复杂性、多样性以及出于成本考虑，对机床温度传感器测点的布置要求是：传感器要尽可能少；传感器要能够尽可能准确地反映机床总体热特性变化；各个传感器测得的温度数据要尽可能独立，和其他传感器测得的温度数据耦合度要小；为了最大限度提高后续热变形计算的准确性，要求传感器测得的位置温度相对于热变形比较敏感，以降低测量误差对热变形的影响。为了方便对后续温度场监控，可采用如下方法进行测点的优选：1）通过数控机床热特性数值模拟分析方法获得机床的温度场及热变形；2）计算待考察的测点之间温度相关性系数，根据相关性系数进行分组；3）求出待考察测点的热敏感度，根据热敏感度选择每组中热敏感度最大的位置作为热特性