数控应用技术一~六练习题.doc

第一章
1、计算机数字控制（CNC，computer numerical control）
通过计算机对数字化信息进行自动控制的技术，即数控技术。
两个性质： 1）广泛性 2）专一性
2、机床数控技术
定义：用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法。
组成：数控系统、机床本体、外围技术。
3、数控系统（CNC system） ：实现数控技术的机电控制设备。
由数控装置、I/O装置、驱动控制装置和机床电器逻辑控制装置组成。
运算和控制部分，是数控系统的核心,称为数控装置NCU
4、数控机床 装备了数控系统的机床
5、数控机床的一般加工过程：首先由编程人员按照零件的几何形状和加工工艺要求将加工过程编成加工程序。数控系统读入加工程序后，将其翻译成机器能够理解的控制指令，再由伺服系统将其变换和放大后驱动机床上的主轴电机和进给伺服电机转动，并带动机床的工作台移动，实现加工过程。
6、数控机床加工的特点
7、数控机床的组成
8、控制介质：a）磁盘 b）磁盘驱动器 c）串行通信卡 d）网卡 e）移动硬盘f）U盘
9、程序介质：包括几何轨迹信息（X,Y,Z；R)、工艺信息（F,S,T）、辅助信息（M）
10、数控机床的分类
（1）按运动控制轨迹分类
（2）按伺服系统的类型分类
（3）按功能水平分类
（4）按工艺用途分类
（5）按数控装置分类
（6）按加工方式
11、点位控制机床 刀具与工件相对移动时，只控制从一点运动到另一点的准确性，而不考虑两点之间的路径和方向。
直线控制机床 刀具与工件相对移动时，除控制从起点刀终点的准确定位外，还要保证平行于坐标轴的直线切削运动。
轮廓控制机床 刀具与工件相对运动时，能对两个或两个以上坐标轴的运动同时进行控制。

11、试画出开环、闭环、半闭环控制系统框图并完成以下表格内容。（李梦）
①作图
②填表

开环
闭环
半闭环
有无反馈装置

检测信号种类

检测元件的位置

控制精度高低

应用场合

第二章
CNC计算机数字控制出现的年代： 1974年以后
程序先存入程序缓冲存储区，插补准备程序先从程序缓冲存储区读入一个程序段进入译码缓冲存储区，进行译码、刀补、速度处理，并将结果放在插补缓冲存储区，插补程序把插补缓冲存储区的内容读入插补工作存储区，并用此数据进行插补计算，将结果送到插补输出寄存器

实现CNC 系统模块化设计的条件是总线 (BUS) 标准化
各种功能模板的尺寸相同
CPU（主板）及BUS总线（母板）
三总线结构: 地址总线(DB) 数据总线(AB) 控制总线(CB)
RAM(随机存储器)
既可读入也可写出,用来存放① 程序 ② 参数 ③中间结果
ROM（只读存储器）
专门存放系统软件，其存储单元的内容不可改变，即只能读出，不可写入，断电不会丢失。
通过面板上的键盘按下键的信号时，就将数据送入RAM寄存器，
I/O控制器传送的信息形式有三种——数字量、开关量、模拟量
位置控制模块是实现轨迹控制时， CNC 装置与伺服驱动系统连接的接口模块
单微处理器结构的 CNC 装置只有一个CPU， 通过分时处理的方式来实现各种 NC 功能
多微处理器结构有两个或两个以上的 CPU 部件，通过总线仲裁器 ( 由硬件和软件组成) 来解决总线争用问题，通过公共存储器来进行信息交换。
各微处理器之间通过一条外部通信链连接在一起通过网络技术实现相互联系及资源共享的是分布式结构
当多个主模块争用总线时，必须有仲裁机制判别优先级别的高低
绘出程序输入的工作方式框图
MDI模式
EDIT模式

译码程序：进行代码的识别，及功能代码的处理
译码结果缓冲器的GA组中可同时存放00及01
CNC软件结构具有1、多任务性; 2、实时性的特点
CPU运行当前优先级较高的任务
单处理器系统的软件结构的模式有1 、前后台型结构2 、中断型结构
多处理器系统的软件结构的模式有功能模块型结构
前台程序：是一个实时中断服务程序，实现与机床动作相关的功能，如插补、监控等
后台程序：称背景程序，是一个循环执行程序，承担如译码、数据处理等工作，
背景程序与实时中断服务程序的关系

两次中断之间的时间正是用来执行背景程序的。
背景程序的工作方式四个：编辑、单段、自动、手动
如果前一次中断尚未完成，又发生新的中断，系统进入急停状态。
开机后，系统首先进入初始化程序
中断第一级，进行CRT显示及ROM检查。
二级中断程序是操作员通过机床操作面板或键盘选择各种工作方式
PLC控制程序属于第三级中断程序
插补的任务是完成轮廓起点和终点之间的中间点坐标值计算
脉冲当量δ：每发一个脉冲，工作台移动一个最小距离。
脉冲当量决定了加工精度，普通数控机床一般取0.01mm
脉冲当量0.001mm，实现算法时间需40μs，则可得单个运动坐标轴的进给速度F约1.5m/min。
基准脉冲增量插补适用于进给速度不高及以步进电机驱动的开环系统中
数字增量插补（数据采样插补）适用于以直流或交流伺服电动机作为执行元件的闭环或半闭环系统中
例 设加工第一象限直线，起点为坐标原点，终点坐标xe=3，ye=2，试采用逐点比较法进行插补计算，并画出进给轨迹图。
例 设加工第一象限逆圆弧AB，已知起点A（0，3），终点B（3，0）。试进行插补计算并画出进给轨迹。

把加工一段直线或圆弧的时间分割为许多相等的时间间隔，称为单位时间间隔或插补周期。

对于FANUC系统采用时间分割插补法对圆弧用玄线来逼近进行插补时，当圆弧半径R为50mm，为了使δ不超过1µm，对程序中给定的进给速度F应不超过？

采用时间分割插补法对圆弧进行插补时，实际进给速度F一般小于指令所给的进给速度F原因是什么？（绘图说明）影响大吗？，

数据采样插补的终点判别方法是当瞬时点P离终点Pe的距离Si小于一个进给步长f时，即认为到达了该程序段的终点。

直线起点O（0,0），，经过一个插补周期T（为8ms），到达终点A（8.66,5），指令给定的进给速度F为50mm/min，刀补值为5，计算刀具补偿后直线O1A1的终点坐标A1（x1,y1）
O
A
O1
A1
X
Y

说明EIA RS-232C的意义 EIA在1969年公布的数据通信标准，RS-表示推荐标准，232为标识号码，C表示该推荐标准被修改过的次数。

常见的数据传输方式有： 1、异步（串行）传输2、同步（并行）传输。
计算机与打印机的连通多采用同步（并行）传输，可通过电话线进行长距离传输的是异步（串行）传输
起始位处于高电平1，无数据传输
连续的停止位”1“称为传号，连续的”0“称为空号
请将数控机床所用的顺序控制装置按发展先后顺序进行排列：RLC PLC PC(PLC)
内装型PLC多用于单微处理器的CNC中，独立式ＰＬＣ主要用于多微处理器的CNC中
试对图说明CNC、PLC、机床之间的信息交换过程（CNC系统至机床）

CNC系统的RAM
PC的RAM
PLC逻辑运算
机床
内装型
PC
独立型
CNC系统

第三章
主轴运动、伺服进给运动是机床的基本成型运动
主轴运动一般均为旋转运动，要求驱动动力源的功率大，控制要求较低；
进给运动驱动动力源的功率较小，控制上的要求较高。
伺服系统：
以机床移动部件的位移和速度为控制对象的自动控制系统
是数控装置与机床机械传动部件间的联系环节
CNC功能取决于数控装置，性能取决于伺服驱动系统
进给伺服系统的定位精度一般为0.01-0.001mm
电机调速范围指最高转速与最低转速之比
安装在移动部件上，安装在伺服电机轴上或滚珠丝杆上
检测到的直线位移量，检测到的角位移量
进给直流驱动根据速度指令，输出相当的直流电压，加到直流电机的电枢上，来改变电机的转速。电机为恒磁式（励磁为永磁铁）
进给交流驱动根据速度指令，通过调节输出的f即可改变电机的转速。电机为交流同步电机，转子为永磁铁
伺服系统发展的趋势是交流伺服驱动系统逐渐取代了直流伺服驱动系统。
步进电机
主要用于速度与精度要求不高的经济型及旧机床设备的改造
试写出三相三拍；三相六拍；三相双三拍的通电顺序
实际应用中不采用的是单三拍工作方式
步距角越小，控制精度越高。常见的反应式步进电机的步距角一般为0.5°~3°
如果外加负载转矩大于最大启动转矩，电机就不能启动
相数、拍数增加，会使最大启动转矩增加；
步进电机连续运行频率是启动频率的4~10倍
当步进电机正常运行时，若输入脉冲频率逐渐增加，则电动机所能带动负载转矩将逐渐下降。
时间常数Ta、Td
由静止到工作频率，由工作频率到静止的加减速过程中，

【例1】如图示，一台反应式步进电动机，通过一对减速齿轮，滚珠丝杠副带动工作台移动。步进电动机转子有48个齿，采用五相十拍通电方式；并设定步进电动机每走一步，工作台移动5μm。当丝杠导程L0=4mm，齿轮1的齿数选定为Z1=21时，试求齿轮2的齿数Z2。
【例2】步进电动机转子有80个齿，采用五相五拍驱动方式，丝杠导程为2mm，工作台最大速度为0.36m/min，求：①步距角；②脉冲当量；③步进电机的最高工作频率。
直流电机的工作原理是电流切割磁力线，产生电磁转矩。
直流电机的调速可有三种方法① 改变电枢电压② 改变磁通 ③改变电枢电路的电阻
交流伺服电机取代直流伺服电机是由于直流电机存在机械换向，需定期进行维护。
交流伺服电机分为永磁式交流同步伺服电机和感应式交流异步伺服电机
交流伺服电机给定子通过三相交流电流，由定子产生旋转磁场
用于主轴驱动的直流、交流伺服电机分别为励磁式、感应式；用于进给系统的直流、交流伺服电机分别为永磁式、同步式

第四章
试各举一例说明数控机床机械结构具有高的刚度、热变形小的特点1、支承件截面形状尽量选用抗弯的方截面和抗扭的圆截面或采用封闭型床身是提高刚度的措施之一主运动采用直流或交流调速电动机进行无级调速是为了减少发热—将热源从主机中分离出去
合理布置支承件隔板的筋条
对中心距超过1500mm的长床身，能较大地提高水平面上的抗弯抗扭刚度的是 “W”形隔板“T”形隔板连接“Õ”形隔板斜向拉筋
对滚动轴承进行预紧是为了增加结合面之间的接触刚度和承载能力
试绘图说明数控机床主传动的配置方式1、主轴电动机直接驱动（一体化主轴，电主轴）
2、主轴由调速电动机直接驱动3、电动机经同步齿形带传动主轴4、电动机经齿轮变速传动主轴
电主轴的冷却装置位于 之间。主轴与转子，转子与定子，定子与外壳
主轴的测速、测角位移的传感器一般装在主轴的后端
对主轴角度进行插补定位控制时，是指主轴具备Ｃ轴功能
如图，说明主轴驱动及换挡的路线，若齿轮变速比为1:1及1:2，电机最高转速为3000r/min，则粗加工时，主轴最高转速可选？精加工时，主轴最高转速可选？

（CNC系统输出相应M41~M42令给PLC，控制换挡；
CNC装置输出0~10V的模拟电压进行主轴驱动。）
加工中心上进行换刀和镗背孔时必须具有主轴准停功能
可通过指令来指令其停止角度的属于数控系统准停、编码器准停、磁传感器准停、机械准停
机床爬行现象一般发生在低速度、重载荷的运动情况下
滚珠丝杠副不自锁。如果滚珠丝杠副驱动升降运动（如主轴箱或升降台的升降），则必须有制动装置。
滚珠在循环过程中始终与丝杠保持接触的成为内循环
液体静压导轨主要用于大型、重型数控机床上滚动导轨滑动导轨
自动换刀装置的组成刀库机械手

第五章
检测装置是数控机床闭环和半闭环伺服系统的重要组成部分
作用是检测位移（线位移或角位移）和速度，并反馈至数控装置，
闭环或半闭环控制的数控机床的加工精度主要由检测系统的精度决定。
位置检测装置的精度主要包括系统精度和分辨率
分辨率：测量元件所能检测的最小位移量。数控机床检测装置的分辨率一般为直线位移1~0.1µm，角位移2”.
大型机床以满足速度要求为主。
对中、小型机床和高精度机床以满足精度为主
就精度和可靠性来讲，光电式脉冲编码器优于其它两种，数控机床上主要使用光电式。
接触式、光电式和电磁式三种
说明光电式（增量式）脉冲编码器型号的含义：是用脉冲数/转（p/r）来区分，数控机床常用2000、2500、3000p/r等，现在已有每转发10万个脉冲的脉冲编码器。
用于数控机床检测系统物理光栅\计量光栅
计量光栅利用光的衍射、透射和反射原理
长光栅主要用于测量直线位移；圆光栅主要用于测量角位移
透射光栅的基体为光学玻璃，反射光栅的基体为不锈钢带。
若栅距W为0.01mm，光栅线纹之间的夹角θ为0.01rad，则莫尔条纹的宽度B为？放大比k为？

将二进制码1101转换成对应的格雷码为1011，

第六章
1、试分别按B、C两种刀补，绘出刀位点的走刀路径图，并说明对于轮廓交接处两种刀补分别如何过渡？对于B刀补，采取的过渡方式是圆角过渡，即在尖角过渡处总使刀具中心轨迹以小于180的圆弧连接。
C刀补采取的过渡方式是尖角过渡，即采用直线作为轮廓之间的过渡，直接求出刀具中心轨迹的转接交点，再对原来的刀具中心轨迹作伸长或缩短修正。

2、如图，分析主、子程序，，工件原点取上表面的中心，铣刀直径Φ8，分粗、精铣，正确确定刀补值D01~D03，并绘出XOY面内的刀具路径图
%（子程序）
G41G00X30
G03X0Y-22R30
G02J22
G03X-30Y-52R30
G40G00X0
M99
%
%（主程序）
G54G90G00X0Y0Z100
S800M3
Y-52
Z10
G01Z-5F50
M98P100D01F120
M98P100D02F120
M00
S1200M03
M98P100D03F120
G00Z100
M30
%

3、试绘图说明钻孔循环的六个固定动作
1.A→B为刀具快速定位到孔位坐标（X,Y）（即循环起点B）Z值进至起始高度。
2.B→R为刀具沿Z轴方向快速进至安全平面（即R点平面）
3.R→E为孔加工过程此时进给为进给速度。
4.E点为孔底动作
5.E→R为刀具快速返回R点平面。
6.R→B为刀具快速退至起始高度。

4、试按下面的描述，绘出背镗孔的路径图
刀具运动到起始点B后，主轴准停，刀具沿刀尖的反方向偏移q值，然后快速运动到孔底位置，主轴正转刀具沿偏移值q正向返回，刀具向上进给运动到R点，再主轴准停，刀具沿刀尖的反方向偏移q值，快退，沿着刀尖正方向偏移到B点，主轴正转，本加工循环结束，继续执行下一段程序。G87 X__Y__ Z__ F__ R__ P__Q__
• X__Y__为孔的位置，可以放在G81指令后面，也可以放在G81指令的前面；
• Z__为攻丝Z向终点坐标；
• F__为进给速度(mm/min)；
• R__为参考平面位置高度；
• Q__为刀具在孔底的偏移值。
• P__用于孔底动作有暂停的固定循环中指定暂停时间，单位为秒。
• 该指令只有G98方式。