常熟理工 数控机床与加工 题库

2014年考试题库

《机床数控技术》总复习提要

一、基本理论

1）位置控制理论

数控机床是高速和高精度的加工设备，是机械和电子技术相结合的产物，应用于机械加工的实质是位置控制。

位置控制的理论，包含了自然科学和应用科学的研究成果，也包含了重要基础件的设计制造及应用过程中形成的经验。

从理论的组成，可归纳为位置的检测、运动参数的确定、指令位置的反馈、目标位置的控制等四大部分；

对应数控机床实际，从主轴系统的位置控制反映在对主轴定向的要求；从进给系统看，反映在对各坐标轴位置的精确控制，从而实现尺寸精度和形位精度及粗糙度要求。

从机械结构看就有主传动系统、进给传动系统、基础支撑件、刀架和自动换刀装置、辅助装置；从控制系统看就有数控系统、检测系统和伺服驱动系统等。

随着位置控制理论的发展，对数控机床提出了更高的要求。这包括了高精度机械基础件的设计制造、控制方法和控制元件及线路的研究与开发等等。

从控制系统构成，就有开环、半闭环和闭环系统的概念。

从伺服系统类型，就有鉴相式、鉴幅式和脉冲比较式。

从控制原理，位控需要解决位移、速度和方向的自动控制。

（1）位移控制：

从数控检测装置的使用特征，有

鉴相式：

鉴幅式：

脉冲比较式：由插补方法确定的指令脉冲与检测装置的反馈

脉冲信号叠加产生位置环信号。（φ=Nα)

（2）调速原理：由转角检测产生速度信号进入速度环控制，转

化为对执行元件电气参量的控制。

步进电机：进给脉冲频率由RC振荡器将D/A转换器输出的电

压信号进行压-频（V-F）转换为定子绕组电平信号变化频率；

直流伺服电机：由SCR或PWM调速改变电枢直流电压；

交流伺服电机：定子绕组采用交-交或交-直-交变频变速；

（3）方向控制：依据不同的执行元件及控制原理有：

步进电机：根据进给脉冲的方向改变定子通电顺序，采用

环形分配器实现。

直流伺服电机：采用可控桥式电路改变电枢电流的流动

方向；

交流伺服电机：改变定子绕组通电电源的相序。

主轴电机的控制

主轴性能控制要求：低速恒转矩、高速恒功率；范围宽；

主轴的位置控制：定向控制和旋转进给（C）轴控制。

主轴的速度控制：

（1）直流电机—两个回路的调速（低速调Ua,高速调If）。

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（2）交流电机—变频器（两种变频方式）

◆矢量变换控制：在确保产生等量同向旋转磁场的条件下通

过绕组等效来实现φ、I2、cosψ2等转子参量的变换。

进给控制中直线电机的直接驱动

满足高速加工的要求（100m/min，2-10g，0.1-0.01μm）

2）数控编程中的数值计算与误差分析

描述零件轮廓中的基点和节点的概念。

基点计算—几何关系或联立方程组，计算机辅助编程。

节点计算—算法模型（等间距、等弦长、等误差、迭代）

编程中的误差：

其中：逼近误差针对列表曲线表示的零件轮廓。

当逼近方程式与插补功能曲线相同时无插补误差。

圆整误差≦脉冲当量的1/2

数控加工中的误差构成：程编误差、控制误差、进给误

差、零件定位误差、对刀误差等。 —综合误差；

其中：允许的程编误差为数控加工误差的（1/5 —1/10) 。

缩小该项误差的方法—增加插补段密化数据点。

3）插补与刀补理论

插补理论-脉冲增量和数据采样两大类。

刀补理论-刀具补偿的概念，零件轮廓与刀心轨迹。

相关知识点：B刀补与C刀补，刀补过程三个阶段；编程时

的路径考虑→用G00/G01在直线段建立和撤销刀补；刀补与

插补的次序→先刀补后插补；

逐点比较法

偏差函数： ，

比较过程：(以第一象限直线、逆圆为例）

数字积分法（DDA法）

迭代函数（直线与圆弧）：

比较积分法

判别函数：

一般算法：

脉冲增量法的速度分析

1、进给速度与插补轨迹的关系

2、DDA法均匀插补速度的措施（左移规格化）

研究对象：被积函数寄存器；

操作方法：直线插补时最高位为1；圆弧插补时次高位为1；

3、DDA法提高插补精度的措施（预置数—半加载法）

研究对象：余数寄存器（积分累加器）；

操作方法：最高有效为1，其余为0；2 →容量1/2；

2、数据采样插补：

时间分割插补算法——把加工一段直线或圆弧的整段时间分为许多相等的时间间隔，该单位时间间隔T称为插补周期。插补周期T内的合成进给量l称为一次插补进给量。 时间分割法：

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直线插补时

圆弧插补时：

后加减速控制（各进给轴分别控制）

5）CNC系统设计的相关理论

硬件结构设计：依据功能，考虑了单、多微处理器结构；

由制造方式；考虑了专用和通用计算机结构；按开放程度，

考虑了封闭式、PC嵌入NC、NC嵌入PC及软件型开放式结构。

软件设计理论：多任务性和实时性、并行处理（资源分时

共享、时间重叠流水处理）、实时中断处理（优先抢占调度

机制）；结构模式（中断型、前后台型）

接口与通信的理论：I/O接口电路实质是满足两端电气特

性的电路，包括了电平、电流及功率的转换；CNC的数据通

信包含了加工过程中程序及状态信息的传送，其方式有串行

及并行、而在串行方式中又有异步（字符内同步、字符间异

步）与同步（按照固定时钟以字符块发送，用于大量数据传

送）协议。

6）机械系统设计的相关理论

总体布局：体现数控机床特点（高效,高速,高精度,自动化）

主传动系统设计：无级变速、功率转矩特性、主传动配置方

式及主轴组件构成、主轴准停、自动装夹及除屑；

传动系统设计：传动精度与刚度分析、预紧与消隙、摩擦与

润滑、多轴联动过程中的误差分析、分度及回转运动分析；

二、基本方法

数控加工程序编程方法

要点：零件图分析、工艺设计、指令功能的理解、基点节点

坐标的计算、刀具轨迹设计与优化、工装参数确定、

检验方法的考虑等。

分类：数控车床和加工中心编程（二轴和三轴）

重点：坐标系建立、轮廓坐标计算、刀具补偿功能的应用。

PLC程序设计方法

要点：数控机床PLC的主要功能、工作方式、指令系统、梯形

图、语句表。

程序设计步骤：确定I/O信号、选用PLC类型、制作PLC地址

表、设计梯形图并转换为语句表、编写及写入顺序程

序（EPROM）。

伺服驱动中的调速方法

从数控算法上看，调速方法表现在伺服驱动系统接受CNC

指令信号（脉冲频率或每插补周期的进给量），实现进给速

度的变化。

从主轴控制上看，对于直流电机，调速方法表现为调磁或

调压调速，通常有双域调速系统，其中转子绕组控制回路采用

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双环（电流和速度）调节系统。励磁回路采用PI控制调节励磁

电流。对于交流电机，则采用矢量变换控制方法。

从进给控制上看，直流伺服电机电枢回路的晶闸管直流调

速、脉宽调制PWM调速而交流伺服电机通常采用变频方法，

如交—交，交—直—交、 PWM型变频器等。

三、基本部件

电气元件—检测元件、执行元件

检测元件：旋转变压器、感应同步器—相位或幅值信号；

光栅、磁栅、光电编码器—脉冲信号；

执行元件：步进电机（α=360°/mzk、直流、交流伺服电

机、主轴电机；

相关知识点：系统精度、分辨率；工作原理（电磁原理、光电

原理、机械特性方程、n=60f/p）、工作方式（注意应用场

合）；典型电路（信号变换电路—鉴相电路、鉴幅信号处理电

路、光栅位移数字变换、光电脉冲编码器加减计数电路等）。

机械部件—主轴组件、滚珠丝杠螺母副（消隙装置、导轨,

换刀装置、回转工作台）

相关知识点：

主传动配置方式（无级调速）、主轴组件（主轴轴承、配

置形式；自动装夹和切屑清除；准停装置；）

进给传动；

滚珠丝杠螺母副的支承、预紧、消隙、制动、润滑；

导轨的要求、特性和选择；

换刀机构及动作过程；刀库选刀方式；

工作台分度和连续圆周进给运动的区别。结构与动作过

程。

接口元件—串行接口RS-232C、RS-422/RS-449;其中RS-

232C的电气特性为：

1）逻辑“0”及“1”至少为3V- -3V；

2）电源为±12V或+15V；

3）最大传输距离30m；

4）通常9芯插口，一对一通信。

四、习题举例

名词解释：

关于数控系统：控制类别（点位、直线、轮廓）；控制系统

（开环、闭环、半闭环）；控制轴数和联动轴数；

关于数控编程：续效指令、三点二系（对刀点、起刀点、换

刀点、机床坐标系及工件坐标系）、基点与节点、自动编

程、B刀补及C刀补；

关于CNC结构：DNC、并行处理、资源分时共享、时间重

叠流水、优先抢占调度、实时性；

关于数控检测：系统精度、分辨率；直接、间接测量；

判断题：

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1）反应式步进电机定子转子均有励磁绕组，由电磁转矩实现步进运动。（×）

2）励磁式步进电机定子转子均有绕组，由电磁转矩实现步进运动。（ √ ）

3）在CNC系统的前后台型软件结构中，位置控制的程序一般为后台程序。（×）

4）采用DDA法插补时，在积分累加器内预置数可以提高插补精度。（√）

5）CNC软件采用中断型结构模式时，其管理通常采用优先抢占调度机制。（√） 选择题：

1）CNC装置中实时性要求最高的任务是（C ）。

A）I/O接口 B）显示与诊断 C）插补和位置控制

2）数控机床进给伺服控制为（ A ）。

A）恒转矩控制 B）恒功率控制 C）高速恒功率低速恒转矩

3）手摇脉冲发生器一般每转产生的脉冲数为（ A ）：

A）1000 B）4096 C）3000

4）在NC嵌入PC结构的数控系统中，

运动控制器主要完成（B ）。

A）非实时控制任务 B）实时控制任务 C）系统的管理任务

5）在考虑切削进给或手动进给时，后加减速控制常采用的算法是（ B ）。

A）直线加减速控制 B）指数加减速控制 C）软件延时法

6）某数控系统采用脉冲增量插补，其进给速度控制是基于（ C ）的原理。

A）通过软件设置控制点 B）根据采样周期来运算 C）通

过控制输出脉冲频率

7）若三相步进电动机三相三拍运行时步距角为1.5°，则三相六拍运行时步距角为（ A）。

A. 0.75 ° B. 1.5 ° C. 1.75 ° D. 3°

8）若数控冲床的快速进给速度v=15m/min，快进时步进电动机的工作频率f=5000Hz，则脉冲当量δ为（ B ）。

A 0.01mm B 0.05mm C 0.02mm D 0.1mm

答案：

例1: 加工如图第一象限直线OA，起点为

坐标原点，终点坐标为E（3，2）。试用逐点比较法对该段

直线进行插补，并画出插补轨迹。

解：1）起点为O（0,0），总步数n=3+2=5；

2）插补过程如下表。

3）插补轨迹如图所示。

脉冲数 偏差判别 坐标进给 偏差计算 终点判别

起点 F0=0 n=5

1 F0=0 ＋△X F1= F0-Ye =-2 n=5-1=4

2 F1=-2<0 ＋△Y F2= F1+X e =1 n=4-1=3

3 F2=1>0 ＋△X F3= F2-Ye =-1 n=3-1=2

4 F3=-1<0 ＋△Y F4= F3+X e =2 n=2-1=1

5 F4=2>0 ＋△X F5= F4-Ye =0 n=1-1=0

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例2：现欲加工如图第一象限顺圆弧AB，起点

A（0，4），终点B（4，0），试用逐点比较法进行插补并

画出插补轨迹。

解:1)起点A（0，4），总步数n=4+4=8

2插补轨迹如下表

：

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例3：编写图1所示零件的车削精加工程序，要求：

（1）建立合适的坐标系，说明起刀点位置。

（2）计算编程所需的基点坐标。

（3）写出程序并给予适当说明。

解：（1）如图坐标系，起刀点位置T（80, 15）。

（2）编程所需的基点坐标

1（28，-14）；2（40，-44）

3（40，-59）；4（50，-64）

5（50,-128）

（3）程序如下：

设图中数据为已经考虑装夹后

的零件尺寸。

3）程序如下：

%

N01 G92 X80 Z15 ；起刀点距工件原点

N03 G90 G00 X0 Z2 T0101 ；快进至原点附近

N05 S500 M03

N07 G01 X0 Z0 F100 ；圆弧起点位置

N09 G03 X28 Z-14 R14 F50 ；圆弧加工

N11 G01 X40 Z-44 ；1→2

N13 Z-59 ； 2→3

N15 G02 X50 Z-64 R5 ； R5倒角

N17 G01 X50 Z-128 ； 4→5

N19 G00 X80 Z10 M05 ；快退至起刀点

N21 M30

例4：编写如图2零件的外轮廓铣削精加工程序，零件厚度6mm。要求：

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（1）给出所建立的坐标系，在图上标出起刀点位置。

（2）在图上标出走刀路径，说明刀具半径补偿建立及撤销的路径。

（3）写出程序并给出适当说明。 解：（1）如图坐标系及起刀点位置（0,0,20）

（2）各基点坐标如下： 1（20，-20，6）；2（-40，-20，6）

3（-40，20，6）；4（ 0，40，6） 5（40，0，6） ； 走刀路径如图， ①→② →③ →④ →⑤ →⑥ →⑦ 其中： 1、建立刀补为：路径③ 2、撤销刀补为：路径⑥ 相关路径点的坐标有：

6（50，-30,15）

7（20，-25, 6）

%

N01 G92 X0 Y0 Z20 ；起刀点距工件原点

N03 G90 G00 X50 Y-30 Z6 T0101 ；快进至6点(50,-30,6)

N05 S500 M03 T0101

N06 Z-1 ; 下刀

N07 G17 G01 G41 X20 Y-20 F100 ;建立刀补至1点

N09 G01 X-40 Y-20 ；1→2

N11 Y20 ；2→3

N13 X0,Y40 ；3→4

N15 G02 X40 Y0 I0 J-40 F50 ；圆弧4→5

N17 G02 X20 Y-20 I-20 J0 ；圆弧5→1

N19 G01 X20 Y-25 ；退至7点；

N21 G01 G40 X50 Y-30 F100 ;撤销刀补至6点

N23 G01 Z20 M05

N24 G00 X0 Y0 ;快退至起刀点

N25 M30

问答题：

1、试阐述数控机床进给传动误差产生的原因和实施传动间隙补偿的思路。

答：在进给传动结构中不可避免地会有间隙存在。因此在执行元件接收反向进给指令时，最初的若干指令只能产生消除间隙的作用而工作台未有运动。实施传动间隙补偿的思路是，当执行元件接收反向指令时，先由控制系统产生一定的间隙补偿脉冲，然后再使执行部件执行位移指令脉冲，从而保证位移的准确性。

2、主轴位置脉冲编码器的作用是什么？

答：主轴位置脉冲编码器的作用是自动换刀时主轴准停和车削螺纹时的进刀和退刀点的定位。

3、数控机床的主传动有哪些配置形式？

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答：数控机床的主传动的配置形式有：无级调速电动机+皮带+变速齿轮；无级调速电动机+带传动；主轴电机直接驱动；电主轴驱动；

4、简述用数控机床进行零件加工的一般过程？

答：用数控机床加工工件时，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NC程序并输入NC系统；数控系统读入NC程序后，将其翻译成机器能够理解的控制指令；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，从而完成零件的加工。

5、在数控机床进给系统中消除圆柱齿轮传动间隙一般采用哪些方法，试简述其特点。 答：数控机床进给系统中消除圆柱齿轮传动间隙采用的方法有：偏心轴套调整法、锥度齿轮调整法和双向薄齿轮错齿调整法。其中前二种方法齿侧间隙调整后不能自动补偿。

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