数控原理与系统 郑晓峰第2版 习题及答案

习题数控系统由哪几部分组成各部分有何作用？答案：数控系统一般由输入/输出装置、数控装置、伺服驱动装置、和辅助控制装置四部分组成，有些数控系统还有位置检测装置。作用：1、输入输出装置：将数控加工程序、机床参数等进行输入输出实现人机交互。2、数控装置：将输入输出装置输入程序参数生成位置指令（X、Y、Z）、速度指令（S、F）、辅助控制信息（M）进行速度的预处理、译码、插补计算。3、伺服驱动装置：将数控装置发出的位置指令、速度指令转换成机床运动部件的运动。4、辅助控制装置;介于数控装置与机床的液压电磁阀之间，通过PLC（可编程控制器）实现工件的夹紧、自动换刀、冷却液开关、主轴正反转、换挡等。5、位置检测装置：将机床运动部件的实际运动位移量检测出来反馈给CNC装置与程序理论值进行比较，直至差值为零为止。点位、直线、轮廓控制系统各有哪些特点？答案：点位控制系统：仅仅控制刀具由一点向另外一点的准确定位，在运动过程中不切削。直线控制系统：沿着机床坐标轴方向对工件进行切削加工，同时控制刀具由一点向另一点的准确定位。轮廓控制系统：也称为连续控制系统，能够同时控制两个或两个以上机床坐标轴联动，进而加工出复杂的轮廓零件。开环、半闭环、闭环控制系统有何区别与联系？答案：1、开环控制系统：从CNC发出指令开始，到零件加工结束为止，无任何检测装置；加工精度比半闭环、闭环控制系统低；采用步进电动机驱动。2、半闭环控制系统：从CNC发出指令开始，到零件加工结束为止，在电机轴或丝杠末端安装了角位移检测装置；加工精度比开环控制系统高，比闭环控制系统低；采用伺服电动机驱动。3、闭环控制系统：从CNC发出指令开始，到零件加工结束为止，在机床工作台上安装直线位移检测装置；加工精度比开环半闭环控制系统都高；采用伺服电动机驱动。开放式数控系统有哪些特点？答案：1.模块化：开放式数控系统采用模块化设计，各个功能模块之间相对独立，可以根据需要进行裁剪和组合，提高了系统的灵活性和可扩展性。2.标准化：开放式数控系统遵循国际标准，采用标准化接口和协议，使得不同厂商的设备可以互联互通，提高了系统的兼容性和可移植性。3.分布式控制：开放式数控系统采用分布式控制方式，各个微处理器之间可以通过网络进行通信和协作，实现了多任务并行处理，提高了系统的效率和可靠性。4.智能化：开放式数控系统具有智能化特点，可以通过人工智能技术实现自适应控制、智能诊断和优化决策等功能，提高了系统的智能化水平和自动化程度。5.可编程性：开放式数控系统具有可编程性特点，用户可以通过编程实现对系统的控制和操作，提高了系统的灵活性和适应性。6.开放性：开放式数控系统具有开放性特点，用户可以方便地对其进行二次开发和扩展，提高了系统的可扩展性和可维护性。5.请结合新型工业化发展，简述数控技术的发展趋势。答案：1、高速化：提高数控系统的处理速度，缩短计算时间；提高切削速度和进给速度，减少辅助时间。采用电主轴和直线电动机等技术，提高机床的最高转速和最大进给速度。2、高精度化：采用高速插补技术和高分辨率位置检测装置，提高数控系统的分辨率和位置检测精度；采用前馈控制和非线性控制等方法，提高位置控制精度。采用误差补偿技术，抵消原始误差，减小加工误差，提高零件加工精度。3、高可靠性：提高数控系统硬件的可靠性，延长平均无故障时间4、复合化：随着市场需求的不断变化，机械化生产变得更个性化要满足不能只进行单件大批量生产还要能完成小批量多品种的生产。在未来发展中，这种机床定会占据主导地位。5、加工过程绿色化：干切削、半干切削的节能环保机床不断出现并在不断发展当中绿色制造的大趋势将使各种节能环保机床加速发展。习题试述CNC系统的工作过程。答案：1、输入：通过键盘U盘上位计算机将程序、机床参数、补偿量等输入进去。2、译码处理：译码处理程序对零件程序以程序段为单位进行处理将数控语言转换成二进制代码存储在存储器中。3、数据处理：对零件加工程序中的速度、刀具半径补偿及辅助功能处理。4、插补运算与位置控制：通过计算生成机床运动轨迹，控制机床个各坐标轴运动根据程序理论值与实际位置进行比较利用差值实现。5、输入、输出（I/O）处理：处理CNC系统与机床之间往来信号的输入输出控制，他们之间必须通过光电隔离电路进行隔离，以确保CNC系统稳定运行。6、显示：零件的加工程序、机床的加工位置、加工刀具轨迹、机床参数、报警信息7、诊断：实时诊断与监控系统运行状态可以进行故障诊断，主要有启动诊断和在线诊断。简述单微处理器的硬件结构与特点。答案：1.结构简单：单微处理器系统只有一个中央处理单元（CPU），结构简单，易于设计和实现。2.成本低：由于只有一个处理器，单微处理器系统的成本相对较低。3.可靠性较高：单微处理器系统的故障点相对较少，系统的可靠性较高。4.易于维护：单微处理器系统的结构简单，易于维护和升级。5.适合单任务处理：单微处理器系统适合处理单一任务，对于多任务处理能力相对较弱。6.性能有限：由于只有一个处理器，单微处理器系统的性能相对有限，不适合处理大规模的数据和复杂的任务。简述多微处理器的结构与特点。答案：一、性价比高;采用多CPU完成各自特定的功能，适用于多轴控制、高精度、高进给速度、高效率的要求，同时因单个低规格CPU的价格较为便宜，因此多微处理器结构的性能价格比较高。二、模块化结构：采用模块化结构具有良好的舒适性与扩展性。其结构紧凑，调试、维修方便。三、具有较强的通讯功能，便于实现计算机集成制造等。简述大板式结构和功能模块结构的特点。答案：大板式结构的特点1.结构紧凑：大板式结构的设计使得各个部件紧密地连接在一起，从而减少了整体结构的占用空间，提高了空间利用率。2.可靠性高：由于大板式结构中的部件连接紧密，减少了因部件松动或错位导致的故障，因此具有较高的可靠性。3.承载力强：大板式结构能够有效地承受较大的荷载，适用于需要承受大荷载的场合。然而，大板式结构也存在一些局限性，例如其硬件功能不易变动，柔性较低，即一旦设计完成，对其进行功能上的修改或升级可能会比较困难。功能模块结构的特点：1.标准化：功能模块结构遵循标准化的设计理念，使得每个模块都具有统一的接口和规格，便于模块之间的互换和组合。2.集成化：功能模块结构将不同的功能集成到各个模块中，使得每个模块都具备独立且完整的功能，提高了系统的整体性能。3.层次化：功能模块结构通常按照功能层次进行划分，使得系统结构清晰，便于管理和维护。4.灵活性：由于功能模块结构的独立性和可替换性，使得系统具有很高的灵活性，可以根据需要添加、删除或替换模块，以满足不同的应用需求。简述开放式数控系统的典型结构。答案：1.控制器：它是数控系统的核心部分，通常由计算机和软件组成。控制器负责实现数控系统的各项功能，通过安装数控软件来驱动和控制整个系统。2.运动控制卡：这是一种专用硬件，用于实时控制数控机床的运动。运动控制卡可以插入计算机的标准插槽中，通过接收控制器的指令来精确控制机床的坐标轴运动。3.IO卡：IO卡负责数控系统与外部设备之间的输入输出接口，实现数据的传输和通信。4.驱动器：驱动器接收来自运动控制卡的信号，并驱动电机等执行机构进行运动。5.人机界面：这是数控系统与操作人员之间的交互界面，通过显示屏、键盘、鼠标等设备，操作人员可以输入指令、监控运行状态、查看诊断信息等。此外，开放式数控系统还具有开放的层次结构，包括系统层的开放、用户操作界面的开放以及CNC内核的深层次开放。这种开放性使得系统能够兼容各种应用软件，改善图形显示、动态仿真、编程和诊断功能，并提供更加友好的用户接口和远程诊断功能。总的来说，开放式数控系统的典型结构是一个高度模块化、可配置和可扩展的系统，能够适应不同的应用需求和场景。CNC装置的软件结构与特点。答案：1.多任务与并行处理：CNC软件装置可以同时完成多个任务，并采用了并行处理技术。这意味着在管理和控制两大任务中，软件可以同时进行不同的工作，例如管理软件中的显示模块与控制软件同时运行，以满足数控机床工作的特殊要求。并行处理主要通过资源分时共享和资源重叠的流水线处理技术来实现。2.实时性：CNC软件装置必须能够快速响应和处理实时数据，以保证数控机床的稳定和高效运行。此外，优先抢占调度机制确保在多个任务中，优先级高的任务能够优先得到处理。3.软件结构模式多样：CNC软件装置具有多种典型的软件结构模式，如前后台型、中断型以及基于RTOS的结构。这些结构模式根据具体的系统需求和应用场景来选择，以满足不同的功能和性能要求。4.丰富的功能：CNC软件装置具备多种功能，如轴控制功能、准备功能、固定循环加工功能、主轴功能以及自诊断功能等。这些功能使得CNC软件装置能够全面控制和管理数控机床的运行，实现各种复杂的加工任务。何谓插补？常用的插补方法有哪些？答案：一、插补就是在被加工曲线（直线、圆弧）起点和终点之间插入一系列中间点进行数据密化的过程；常用的插补方法；脉冲增量插补、数据采样插补、逐点比较法。试用逐点比较法对直线OA，起点O（0，0），终点A（3，7）进行插补计算，并画出刀具插补轨迹。答案：一、∑=Xa+Ya=3+7=10二、插补计算.循环次数偏差判别进给偏差计算终点判别0F0＝∑0=101F0＝0+XF1＝F0-Ya=0-7=-7∑1=∑0-1=92F1＝-7<0+YF2＝F1+Xa=-7+3=-4∑2=∑1-1=83F2＝-4<0+YF3=F2+Xa=-4+3=-1∑3=∑2-1=74F3＝-1<0+YF4＝F3+Xa=-1+3=2∑4=∑3-1=65F4＝2>0+XF5＝F4-Ya=2-7=-5∑5=∑4-1=56F5＝-5<0+YF6＝F5+Xa=-5+3=-2∑6=∑5-1=47F6＝-2<0+YF7＝F6+Xa=-2+3=1∑7=∑6-1=38F7＝1>0+XF8＝F7-Ya=1-7=-6∑8=∑7-1=29F8＝-6<0+YF9＝F8+Xa=-6+3=-3∑9=∑8-1=110F9＝-3<0+YF10＝F9+Xa=-3+3=-0∑10=∑9-1=0XXB(3,7)B(3,7)OYX试用逐点比较法对圆弧AB，起点A（4，6），终点B（6，4）进行插补计算，并画出刀具插补轨迹。答案：一、∑=|Xb-Xa|+|Yb-Ya|＝4二、插补计算循环次数偏差判别进给偏差计算坐标计算终点0F0=0X0=4.Y0=6∑0=41F0=0-YF1=F0-2*Y0+1=-11X1=4Y1=5∑1=∑0-1=32F1=-1<0+XF2=F1+2*X1+1=-2X2=5Y2=5∑2=∑1-1=23F2=-2<0+XF3=F2+2*X2+1=9X3=6Y3=5∑3=∑2-1=14F3=9>0-YF4=F3-2*Y3+1=0X4=6Y4=4∑4=∑3-1=0A(4,6)A(4,6)OYXB(6,4)B(6,4)数据采样插补法插补周期如何选择？答案：1.考虑插补误差、进给速度和曲率半径的关系：在插补曲线时，插补误差（δ）、插补周期（T）、进给速度（F）以及曲线的曲率半径（ρ）之间存在相互关系。当进给速度和曲率半径一定时，插补周期越小，插补误差越小。而当插补误差和曲率半径一定时，插补周期越小，进给速度越大。因此，理论上插补周期越小越好。然而，实际选择时还需要考虑插补运算时间和位置控制周期的限制。2.确定插补运算的最长时间：在系统各线形的插补算法设计完毕后，系统插补运算的最长时间就确定了。插补周期必须大于插补运算的最长时间，以确保插补运算能够在一个周期内完成。对于分时共享的CNC系统，插补周期一般应为最长插补运算时间的两倍以上。3.考虑实际应用需求：除了上述因素外，还应考虑实际应用需求，如加工精度、生产效率等。例如，在某些需要高精度加工的应用中，可能需要选择较小的插补周期来减小插补误差。而在需要高效率加工的应用中，可能需要在满足精度要求的前提下选择较大的插补周期以提高生效率。简述FANUC0i-TD系统参数备份的主要方法？答案：1、使用CF卡,在引导系统画面进行数据备份;(1)、将存储卡插入存储卡接口上(NC单元上,或者是显示器旁边);(2)、进入引导系统画面;(按下显示器下端最右面两个键,);(3)、解除急停(4)、在机床操作面板上选择EDIT方式(5)、按下功能键SYSTEM再按参数，显示“参数”页面(6)、依次按操作、F输出、全部、执行，输出CNC参数。2、使用RS-232C接口与计算机连接进行数据传输与备份。习题数控机床对伺服系统有哪些要求？答案：精度高低速大转矩稳定性高快速响应性调速范围宽较强的过载能力简述反应式步进电动机的工作原理。答案：反应式步进电动机由定子和转子两部分构成，定子内包含若干个电磁线圈，而转子则是带有永久磁铁的转动部分。当电流通过定子中的某一电磁线圈时，该线圈会产生一个磁场。而转子上的永久磁铁会受到这个磁场的作用，从而使转子产生一个力矩，试图将其旋转以对齐磁场。这样，电磁线圈和永久磁铁之间就形成了一种相互作用力，驱动转子旋转。要实现电机的步进运动，就需要将各个电磁线圈按照一定的顺序依次通电。通过依次激活这些线圈，可以使得转子按照精确的步进角度进行旋转，从而实现位置控制。反应式步进电动机通过不同相的电磁线圈交替通电，利用电磁力驱动转子旋转，从而实现精确的步进运动。某五相步进电动机转子有48个齿，试计算单拍制和双拍制的步距角。答案：单拍制：双拍制：如何控制步进电动机的转速及输出转角？答案：调整输出脉冲的频率就能调整转速，但只能在一定的范围内调，频率太高就不行。输出转角调整输出脉冲的个数就行，步进电机每个脉冲为一步，每步转动的角度是固定的，每步转动的角度×步数就得到输出角度。什么是反应式步进电动机的启动矩频特性和运行矩频特性？答案：启动矩频特性：是指步进电机在有外加负载转矩时，不失步地正常启动所能接受的最大启动频率与负载转矩的对应关系。对于反应式步进电动机，启动矩频特性体现在一定的频率范围内，电机的启动矩与电压频率成正比。运行矩频特性：是指步进电动机运行时输出转矩与输入脉冲频率的关系。当控制脉冲频率达到一定数值之后，若继续增加频率，由于电感的作用会使动态转矩减少，涡流作用会进一步减小动态转矩。步进电动机的控制电源由哪几部分组成？各有什么作用？答案：由变频信号源、脉冲分配器和功率放大器等几部分组成。变频信号源：这是一个能够产生频率可变的脉冲信号的装置，其频率可以从几赫兹连续变化到几十千赫兹。脉冲分配器：是将输入的电脉冲信号根据需要循环地分配到驱动电路上进行功率放大，从而使步进电动机按照选定的运行方式工作。功率放大器（驱动电路）：是将脉冲分配器发出的电脉冲信号放大至几安培到几十安培的电流，然后送至步进电动机各绕组。每一相绕组分别有一组功率放大电路。试比较高低压、恒流斩波驱动电源的特点。答案：高低压驱动电源：在较宽的频率范围内有较大的平均电流，能产生较大而且较稳定的电磁转矩恒流斩波驱动电源：绕组的脉冲电流上升沿和下降沿较陡，快速反应性好。电路功耗小，效率高。电路能输出恒定转矩。交流伺服电动机的调速方法有几种？哪种应用最广泛？答案：改变磁极对数、改变转差率、变频调速等变频调速应用最广泛习题简述主轴伺服系统的作用？答案：主轴伺服系统是一种用于控制机械设备运动的系统，它在现代工业生产中起着至关重要的作用。主轴伺服系统通过控制电机的转速和位置，实现对机械设备的精确控制和运动。主轴伺服系统可以提高机械设备的精度和稳定性、生产效率、可靠性和安全性、灵活性和多功能性。简述模拟主轴的特点。答案：模拟主轴是一种传输模拟信号接口，通过其传输的信号是连续的波形信号，其传输速度一般较慢，传输距离也比较短，它对设备的兼容性和要求性较高，但传输的信号质量相对较高稳定优点：传输的信号质量较为稳定，信号精度高，能够适应各种设备的传输需要缺点：传输速度比较慢，传输距离较短，要求设备兼容性高，受外界干扰影响较大简述模拟主轴变频器的应用。答案：模拟主轴变频器是一种用于控制机床主轴转速的设备，它通过调整电源的频率来控制电机的转速，从而实现无级调速。在机床加工过程中，模拟主轴变频器的应用可以带来以下好处：提高生产效率和精度：通过精确控制主轴转速，可以实现更高效的加工过程，同时提高零件的加工精度。实现无级调速：模拟主轴变频器提供连续可调的速度控制，适应不同加工需求。快速启停：能够快速响应加工需求，减少非生产时间。减少噪音和振动：通过平滑调节速度，降低机床运行时的噪音和振动水平。简述伺服主轴的应用。答案：伺服主轴由伺服主轴驱动器、主轴伺服电动机和检测主轴速度与位置的旋转编码器三部分组成，主要完成主轴的闭环速度控制。伺服主轴是一种高精度定位系统，主要应用于需要精确控制位置、速度和力矩的场合。以下是伺服主轴的一些典型应用：数控机床：在数控机床的主轴驱动中，伺服主轴可以通过精确控制实现高速切削和高效加工，提高加工精度和表面质量。纺织机械：伺服主轴在纺织机械中用于控制纱线的张力，确保纺织过程的稳定性和纱线质量的均匀性。注塑机：伺服主轴在注塑机中的应用可以提高注射速度和注射精度的控制，优化塑料制品的成型质量。医疗设备：伺服主轴的高精度控制特性使其适用于需要高精度运动的医疗设备，如手术机器人和诊断仪器。精密测量设备：在精密测量领域，伺服主轴可以提供高精度的定位和测量功能，确保测量结果的准确性和可靠性。习题位置检测装置的基本要求有哪些？答案：1：在机床工作台移动范围内，能满足精度和速度的要求；2：工作可靠，抗干扰能力强，并能长期保持精度；3:使用、维护简单方便，成本低。位置检测装置在数控机床控制中起什么作用？答案：数控机床加工中的位置精度，主要取决于数控机床驱动元件和位置检测装置的精度。位置检测装置是闭环、半闭环伺服系统的重要组成部分，是数控机床的关键部件之一，其作用是检测位移和速度，发送反馈信号，构成闭环控制。他对提高数控机床的加工精度有决定性的作用。位置检测装置有哪些种类？各有何特点？答案：位置检测装置：绝对值测量方式、增量测量方式、数字式测量、模拟式测量、直接测量、间接测量。特点：绝对值测量方式：是指被测的量可以从仪器上直接读出数值的测量方式，其特点是被测量可以直接和标准量进行比较。增量测量方式:所测得是相对位移量，是终点相对于起点的位置坐标增量，因而检测装置比较简单。数字式测量：①被测量量化成脉冲个数，便于显示和处理;②测量精度取决于测量单位，与量程基本无关(当然也有累积误差);③测量装置比较简单，脉冲信号抗干扰能力强。模拟式测量：①直接测量被测量，无须进行信号转换;②在小量程内可以实现高精度测量，如用旋转变压器、感应同步器等测量。直接测量：其优点是直接反映工作台的直线位移量;缺点是检测装置要和工作台行程等长，这对大型数控机床而言是一个很大的限制。间接测量：间接测量是通过对与工作台运动相关联的伺服电动机输出轴式丝杠回转运动的测量，间接地反映工作台位移。何谓绝对式测量和增量式测量，间接测量和直接测量？答案：绝对值测量方式下，任一被测量点的位置都是从一个固定的测量基准(即坐标原点)算起，每个被测量点都对应一个相对于原点的绝对测量值。绝对值测量装置的结构较增量式的复杂，且精度和分辨率要求越高，量程越大，结构越复杂。增量测量方式下，所测得的是相对位移量，是终点相对于起点的位置坐标增量，而任何一个对中点都可作为测量起点，因而检测装置比较简单，在轮廓控制数控机床上大都采用这种测量方式。直接测量的精度主要取决于测量元件的精度，检测装置直接安装在执行元件上。间接测量是通过对与工作台运动相关联的伺服电动机输出轴式丝杠回转运动的测量，间接地反映工作台位移。什么是细分？什么是辨向？它们各有什么用途？答案：细分技术是在不增加光栅刻线数的情况下,光栅移动一个W,等间距地输出若干个 计数脉冲,从而提高光栅的分辨力。辩向：在光栅数字传感器的测量中，辨向是指对周期性信号极性的判断。辨向电路实现对周期性信号极性的判断，无论测量直线位移还是测量角位移，都必须能够根据传感器的输出信号判别移动的方向，即判断是正向移动还是反向移动，是顺时针旋转还是逆时针旋转。光栅尺细分的用途是：光栅尺辩向的用途是:辨别移动部件的方向试说明莫尔条纹的放大作用。没光栅栅距为0.02mm，两光栅尺夹角为0.057°莫尔条纹的宽度为多少？答案：摩尔条纹的放大作用是指在光栅尺位移传感器中，当指示光栅相对固定光栅运动时，形成摩尔条纹。摩尔条纹的节距比光栅的栅距大很多倍，即摩尔条纹将微小的指示光栅的运动距离放大，便于检测。莫尔条纹的宽度为20mm光电编码器是如何对它的输出信号进行辨向和细分的？答案：光电编码器是一种传感器，它通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量。它主要由光源、光码盘和光敏元件组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号。通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。为了判断旋转方向，码盘提供相位相差90°的两路脉冲信号。当编码盘旋转时，光电检测器会输出两组相位差90度的正弦波信号，这些信号可以被转化为脉冲数。而根据脉冲发生的先后顺序，就能够判断旋转的方向。设一绝对编码盘有8个道，求其能分辨的最小角度是多少？普通二进制在码10110101对应的角度是多少？若要检测出0.005°的角位移，应选用多少条码道的编码盘？答案：其能分辨的最小角度是：1.401普通二进制在码10110101对应的角度是：255.28应选用条码道的编码盘感应同步器各由哪些部件组成？判别相位工作方式和幅值工作方式的依据是什么？答案：感应同步器各由哪些部件组成：直线式由定尺和滑尺组成旋转式由转子和定子组成习题简述数控系统中PLC的结构与特点。答案：数控系统PLC的结构由中央处理单元（CPU）、存储器（RAM/ROM）单元、输入/输出（I/O）单元、编程单元、电源单元等组成。数控系统PLC的特点是可靠性高、灵活性好、编程简单、与现场信号直接连接、安装简单，维修方便、网络通信。简述数控系统中PLC的工作过程。答案：PLC接通电源,CPU即对用户存储器内的程序进行扫描,每扫描一次,CPU进行输入／输出状态采集、用户程序的逻辑解算、相应输出状态的更新和I/O执行,接入编程单元时,也对编程单元的输入产生响应，并更新其显示.然后CPU对自身的硬件进行快速自检，并对监视扫描用定时器进行复位,完成自检后,CPU又从存储器的开头地址重新开始扫描运行,通过编辑单元将用户程序顺序输入用户存储器，CPU对用户程序循环扫描并顺序执行,这就是P