《数控技术》课后答案

第 3 章习题解答3.1简述数控伺服系统的组成和作用。

数控伺服驱动系统按有无反馈检测元件分为开环和闭环（含半闭环）两种类型。

开环伺服系统由驱动控制单元、执行元件和机床组成。

驱动控制单元的作用是将进给指令转化为执行元件所需要的信号形式，执行元件则将该信号转化为相应的机械位移。

闭环（半闭环）伺服系统由执行元件、驱动控制单元、机床，以及反馈检测元件、比较环节组成。

位置反馈元件将工作台的实际位置检测后反馈给比较环节，比较环节将指令信号和反馈信号进行比较，以两者的差值作为伺服系统的跟随误差，经驱动控制单元驱动和控制执行元件带动工作台运动。

3.2数控机床对伺服系统有哪些基本要求？数控机床对伺服系统的基本要求：⒈精度高；⒉快速响应特性好；⒊调速范围宽；⒋系统可靠性好。

3.3数控伺服系统有哪几种类型？简述各自的特点。

数控伺服系统按有无检测装置分为开环伺服系统、半闭环伺服系统和闭环伺服系统。

开环伺服系统是指不带位置反馈装置的控制方式。

开环控制具有结构简单和价格低廉等优点。

半闭环伺服系统是通过检测伺服电机的转角间接地检测出运动部件的位移（或角位移）反馈给数控装置的比较器，与输入指令进行比较，用差值控制运动部件。

这种系统的调试十分方便，并具有良好的系统稳定性。

闭环伺服系统将直接测量到的位移或角位移反馈到数控装置的比较器中与输入指令位移量进行比较，用差值控制运动部件，使运动部件严格按实际需要的位移量运动。

闭环控制系统的运动精度主要取决于检测装置的精度，而与机械传动链的误差无关，其控制精度将超过半闭环系统。

3.4简述步进电动机的分类及其一般工作原理。

从结构上看，步进电动机分为反应式与激磁式，激磁式又可分为供电激磁和永磁式两种。

按定子数目可分为单段定子式与多段定子式。

按相数可分为单相、两相、三相及多相，转子做成多极。

在输入电信号之前，转子静止不动；电信号到来之后，转子立即转动，且转向、转速随电信号的方向和大小而改变，同时带动一定的负载运动；电信号一旦消失，转子立即自行停转。

3.5什么是步距角？步进电机的步距角大小取决于哪些因素？步进电机的步距角α是反映步进电机绕组的通电状态每改变一次，转子转过的角度。

步距角α一般由定子相数、转子齿数和通电方式决定。

3.6试比较交流和直流伺服电动机的特点。

直流伺服电机具有优良的调速性能，启动、运行和制动灵活、方便，因而在对速度调节有较高要求的场合，直流伺服系统一直占据主导地位。

但它存在固有的弱点，如电刷和换向器工作中易磨损，需经常维护，换向器形状非常复杂，换向时还会产生火花，这给制造和维护都带来很大的困难。

交流伺服电机采用了全封闭无刷构造，不需定期检查和维修。

它的定子省去了铸件壳体，结构紧凑，外形小，重量轻。

空心杯转子的转动惯量很小，反应迅速，而且运转平稳。

3.7分析交流和直流伺服电动机的速度调节方式。

直流伺服电动机常用的调速方式有两种：⑴晶闸管直流调速（SCR）晶闸管直流调速是通过调节触发装置的控制电压大小（控制晶闸管的开放角）来移动触发脉冲的相位，从而改变了整流电压的大小，使直流电动机电枢电压变化而平滑调速。

⑵脉宽调制直流调速（PWM）PWM 调速是在大功率开关晶体管的基极上，加上脉宽可调的方波电压，控制开关管的导通率，达到调速的目的。

交流伺服电动机调速通常由调频调速的方法实现。

实现调频调压有多种方法，通常都是采用交流—直流—交流的变换电路来实现，这种电路的主要组成部分是电流逆变器。

3.8步进式伺服系统是如何对机床工作台的位移、速度和进给方向进行控制的？⒈工作台位移量的控制数控装置发出 N 个进给脉冲，使步进电动机定子绕组的通电状态变化 N 次，则步进电动机转过的角位移量φ=N·α（α为步距角）。

该角位移经丝杠螺母副之后转化为工作台的位移量 L，即进给脉冲数决定了工作台的直线位移量。

⒉工作台运动方向的控制当数控装置发出的进给脉冲是正向时，经驱动控制线路之后，步进电动机的定子绕组按一定顺序依次通电、断电。

当进给脉冲是反向时，定子各相绕组则按相反的顺序通电、断电。

因此，改变进给脉冲的方向，可改变定子绕组的通电顺序，使步进电动机正转或反转，从而改变工作台的进给方向。

⒊工作台进给速度的控制若数控装置发出的进给脉冲的频率为 f，经驱动控制线路后，转换为控制步进电动机定子绕组的通电、断电的电平信号变化频率，由于转速ω=60fδ（δ为脉冲当量），所以定子绕组通电状态的变化频率决定步进电机转子的转速。

该转速经过丝杠螺母副传递之后，转化为工作台的进给速度。

3.9如何提高步进式伺服驱动系统的精度？从控制方法上采取以下措施提高步进式伺服驱动系统的精度：⒈传动间隙补偿；⒉螺距误差补偿；⒊细分线路。

3.10简述鉴相式伺服系统的组成和工作原理。

鉴相式伺服系统由基准信号发生器、脉冲调相器、检测元件及信号处理线路、鉴相器、驱动线路和执行元件等组成。

当数控机床的数控装置要求工作台沿一个方向进给时，插补器或插补软件便产生一系列进给脉冲。

进给脉冲首先送入伺服系统位置环的脉冲调相器。

变为超前基准信号相位角φ，在工作台运动以前，因工作台没有位移，故检测元件及信号处理线路的的输出与基准信号同相位，即两者相位差θ=0。

在鉴相器中，指令信号与反馈信号进行比较，使工作台正向进给。

工作台正向进给后，检测元件马上检测出此进给位移，若θ≠φ1，说明工作台实际移动的距离不等于指令信号要求的移动距离，鉴相器将φ和θ的差值检测出来，送入速度控制单元，驱动电机转动带动工作台进给。

若θ=φ，说明工作台移动距离等于指令信号要求的移动距离，此时，鉴相器的输出φ－θ=0，工作台停止进给。

3.11简述鉴幅式伺服系统的组成和工作原理。

鉴幅式伺服系统由测量元件及信号处理线路、数模转换器、比较器、放大环节和执行元件五部分组成。

鉴幅系统工作前，数控装置和测量元件及信号处理线路都没有脉冲输出，比较器的输出为零，这时，执行元件不带动工作台移动。

出现进给脉冲信号之后，比较器的输出不再为零，执行元件开始带动工作台移动，同时以鉴幅式工作的测量元件又将工作台的位移检测出来，经信号处理线路转换成相应的数字脉冲信号，该数字脉冲信号作为反馈信号进入比较器与进给脉冲进行比较。

若两者相等，比较器的输出为零，说明工作台实际移动的距离等于指令信号要求工作台移动的距离，执行元件停止带动工作台移动；若两者不相等，说明工作台实际移动的距离不等于指令信号要求工作台移动的距离，执行元件继续带动工作台移动，直到比较器输出为零时为止。

3.12鉴相式伺服系统中，基准信号发生器的作用是什么？基准信号发生器输出的是一列具有一定频率的脉冲信号，其作用是为伺服系统提供一个相位比较基准。

3.13简述脉冲比较式伺服系统的组成和工作原理。

比较完整的脉冲比较式伺服系统可由指令信号、反馈测量信号、比较器、转换器、驱动执行元件组成。

若工作台处于静止状态，指令脉冲 Pc=0，这时反馈脉冲 Pf 亦为零，经比较器可得偏差e=Pc－Pf=0，则伺服电机的速度给定为零，工作台继续保持静止不动。

随着指令脉冲的输入，Pc≠0，在工作台尚未移动之前，反馈脉冲 Pf 仍为零。

经比较器比较，得偏差e=Pc－Pf≠0，若指令脉冲为正向进给脉冲，则 e>0，由速度控制单元驱动电机带动工作台正向进给。

直到 e=Pc－Pf=0，即反馈脉冲数等于指令脉冲数，工作台停在指令规定的位置上。

当指令脉冲为反向运动脉冲时，控制过程与 Pc 为正时基本上类似。

只是 e<0，工作台作反向进给，直至 e=0，工作台停在指令所规定的反向某个位置上。

3.14 CNC 数字伺服系统与 NC 伺服系统相比有何特点？CNC 数字伺服系统不同于其它 NC 伺服系统的一个最突出特点就是利用计算机的计算功能，将来自测量元件的反馈信号在计算机中与插补软件产生的指令信号作比较，其差值经数模转换后送到直流放大器放大，然后经执行元件变为工作台移动。

因此，CNC 数字伺服系统可分成软件部分和硬件部分。

软件部分主要完成跟随误差的计算，即指令信号和反馈信号的比较计算；硬件部分主要由位置检测组件和位置控制输出组件组成。

3.15简述 CNC 数字伺服系统的位置检测组件的工作过程。

位置检测组件由检波器、电压－频率转换器、正余弦信号发生器和实际位置计数器等电路组成。

由正余弦信号发生器产生的 8kHz 的正弦、余弦电压被送到旋转变压器的定子绕组感应出电压信号 VC。

VC 作为输入信号送到检测装置，先经过 10kHz 低通滤波器滤掉高次谐波成分和干扰信号。

滤波器的输出被送到检波器，把交流信号变换为直流信号 VE。

再经过6kHz 低通滤波器滤掉 8kHz 的脉动成分，输出平滑的直流电压 VF，VF 送到电压－频率转换电路，转换为频率与 VF 成正比的脉冲到 CVFC；VF 还被送到符号检测电路，检出 VF 的符号 SIGN。

CVFC 和 SIGN 经同步电路后，被送到正余弦信号发生器和实际位置计数器，以控制旋转变压器激磁信号中电气角α的变化，并根据α角产生脉宽调制的正弦、余弦电压；同时，使计数器计数，计出的数字表示一段时间内坐标位置的移动量ΔDFi。

第 4 章习题解答4.1数控机床对机械结构的基本要求是什么？提高数控机床性能的措施主要有哪些？数控机床对机械结构的基本要求是：具有较高的静、动刚度和良好的抗振性；具有良好的热稳定性；具有较高的运动精度与良好的低速稳定性；具有良好的操作、安全防护性能成。

提高数控机床性能的措施主要有：合理选择数控机床的总体布局；提高结构件的刚度；提高机床抗振性；改善机床的热变形；保证运动的精度和稳定性。

4.2数控机床采用斜床身布局有什么优点？斜床身布局的数控车床（导轨倾斜角度通常选择 45°、60°和 75°），不仅可以在同等条件下，改善受力情况；而且还可通过整体封闭式截面设计，提高床身的刚度。

特别是自动换刀装置的布置较方便。

4.3卧式数控镗铣床或加工中心采用 T 型床身和框架结构双立柱各有什么优点？T 型床身布局可以使工作台沿床身作 X 向移动时，在全行程范围内，工作台和工件完全支承在床身上，因此，机床刚性好，工作台承载能力强，加工精度容易得到保证。

而且，这种结构可以很方便地增加 X 轴行程，便于机床品种的系列化、零部件的通用化和标准化。

框架结构双立柱采用了对称结构，主轴箱在两立柱中间上、下运动，与传统的主轴箱侧挂式结构相比，大大提高了结构刚度。

另外，主轴箱是从左、右两导轨的内侧进行定位，热变形产生的主轴中心变位被限制在垂直方向上，因此，可以通过对 Y 轴的补偿，减小热变形的影响。

4.4什么叫“箱中箱”（box in box）结构？高速加工机床为什么要采用“箱中箱”结构？卧式布局高速数控机床采用了“内外双框架”即称为“箱中箱”（box in box）结构。