计算机数控系统复习题参考答案

与直流电机相比，交流电机无换向器和电刷，结构简单，维护简单，转速不受限制，节省材料，成 本较低。
数控机床上采用的交流电机类型为：
60 f
1、永磁式交流伺服电机，用于进给伺服驱动， n
1 ，式中 f1—供电频率，p—定子绕组磁极
p
对数；采用基频以下恒压频比变频调速，输出转矩保持恒定；
60 f
2、交流感应式异步电机，用于机床主轴驱动， n
粗光栅莫尔条纹的生成原理是挡光积分效应，原理如图所示。标尺光栅条纹与指示光栅条纹之间
有一微小夹角 ，线纹相交叉处，挡光效应减弱，形成亮带，相反，离交叉点远的地方，挡光效应较
强，形成暗带，因而形成明暗相间的横向莫尔条纹。 莫尔条纹有以下特点：放大作用、（误差）平均效应、莫尔条纹的移动与栅距之间的移动成比例 5、什么是交流电机的 SPWM 变频调速? 绘出三相 SPWM 控制电路原理图和三相交流电机的双极性 SPWM 通用型功率放大器主回路，并简述各部分的功能。
数控机床主轴电机功率较大，若采用永磁式，会使成本急剧升高，而采用感应式异步电机加矢量 控制，能满足要求。一般是专门设计的笼型异步电机，定子铁心直接外露，且有轴向通风孔，有利于 冷却，外形多为多边形。 20、什么是工件坐标系？分析数控铣床和数控车床的加工编程中选择工件坐标系是的注意事项。
机床坐标系是机床固有的坐标系，其原点由设计与制造厂家确定，不同机床的机床坐标原点的位 置不同，一般在启动 机床时操纵机床返回参考点来建立。
17、简述直线感应同步器的结构，分析其鉴相测量的工作原理。
直线感应同步器由平行安装的定尺和滑尺组成，滑尺上有相差四分之一节距的两个绕组，称为
正、余弦绕组，通以励磁交流电压，在定尺绕组中产生感生电压，作为位移检测信号。
鉴相测量时，滑尺正、余弦绕组的励磁信号分别为：VS Vm sint VC Vm cost
16、什么是数据采样插补？有哪些主要方法？其插补精度如何？ 数据采样插补由粗插补和精插补两个步骤组成，一般指粗插补，是采用时间分割思想，根据编程
规定的进给速度 F 和插补周期 T，将廓形曲线分割成一段段的轮廓步长 l，l.=FT,然后计算出每个插补 周期的坐标增量⊿X 和⊿Y，进而计算出插补点(即动点)的位置坐标。
2 2 2 2 0 , 1, 2 , 3；每个扇区代表一个码位，由 0000，0001，直到 1111，共 16 个，光电元件读出的码
值、即二进制数便代表被测对象的一个位置。 与增量式光电编码器比较，其结构复杂，大于一转时，需要特别处理，要求制作精度高；但能读
出绝对坐标值，不会产生累计误差，断电后，位置值还能直接读出。 主要有二进制编码盘和葛莱编码盘两大类。 9、与直流电机相比，交流电机的主要优点是什么？数控机床上采用的交流电机有哪几种类型？作何 种应用?写出它们的转速表达式，并分析其变频调速特性。
(2) 加工精度高，质量稳定；
(3) 生产效率高；
(4) 能完成复杂型面的加工；
(5) 减轻劳动强度，改善劳动条件；
(6) 促进企业采用 CAD/CAM 技术和实现计算机生产管理；
(7) 机床价格高；
(8) 对操作、维修和管理人员的技术水平要求高.
13、绘简图并说明增量式编码器的结构和工作原理。
增量式光电编码器原理如图所示。E 为等节距的辐射状透光窄缝圆盘，Q1,Q2 为光源，DA、 DB、DC 为光电元件，DA,DB 错开 90 度相位角安装。当圆盘旋转时，在光源照射下，产生 A、B、C 三相脉冲信号。A 相和 B 相脉冲为检测计数脉冲，A、B 信号有 90 度相位差，还可用于辨别运转方 向，C 相信号为基准脉冲，又称为零点脉.冲，只在圆盘旋转一周时在固定位置处产生一个脉冲。
工件坐标系是为确定工件几何形状各要素的位置、以方便编程而设置的坐标系，其原点由编程人 员根据零件特点选定：1）对于对称零件，其原点应设在对称中心上；2）对于非对称零件，其原点应 设在工件外轮廓的某一角上；3）Z 轴原点一般设在工件表面上。
在数控铣床上，一般有两种方法建立工件坐标系： 1、根据刀具位置，用 G92 指令设定，格式为：G92 X__Y__Z__； 2、事先用参数设定若干工件坐标系，编程时用 G54~G59 等进行选择。 绘出逐点比较法对第一象限逆时针圆弧插补的流程图。
6、写出 DDA 法直线插补和圆弧插补的积分表达式，并简要分析其插补原理。DDA 直线插补的 积分表达式如下：
X X 1 m
2N i 1
e
Y Y 1 m
2N
e
i 1
X Y 设置两个 N 位积分累加器分别对直线的终点坐标
和
e
e 进行累加，并分别对 X 和 Y 方向的
进给进行控制。一旦某个积分累加器有溢出，则在相应进给方向进给一步。
一个循环运行程序，完成管理任务和插补准备工作。在后台程序运行中，实时中断程序不断插入，与 后台程序相配合，共同完成加工任务。
多重中断结构：除了初始化程序外，整个系统软件的各种任务模块分别安排在不通级别的中断服 务程序中，整个软件系统就是一个大的中断系统，其管理功能主要通过各级中断服务程序之间的相互 通讯来解决。 4、绘简图说明粗光栅的莫尔条纹形成原理和主要特点。
SPWM 调制器主要由正弦波发生器、三角波发生器和调制器组成，用频率和幅值可调的相位差为 120°的三个正弦波对三角波分别进行调制，获得脉宽按三相正弦交流电变化的三种信号，反相后变 成六种三组，分别控制主回路中逆变器的三组功率三极管使其按可调频的三相交流电的规律导通和截 至；主回路主要由整流器，滤波器和逆变器组成，三相交流电经全波整流后，经滤波器进一步滤除交 流成分，经逆变器后再变成频率和幅值可调的三相交流电，驱动三相交流电机按规定转速运转。
转换成某一频率的方波电压，加到直流电机电枢两端，改变电枢两端的平均电压，达到调节电机转速 的目的。
图中的大功率晶体管可分为 T1,T4 和 T2,T3 两组，它们的控制方波正好相反。以 T1,T4 组为例 ， 当方波电压的正负宽度相等时，电机不转，，若正脉宽大于负脉宽，电机正转，反之，则反之。 19、数控机床对主轴驱动的要求是什么？为什么选用交流异步电机？其机构特点如何？ 1、调速范围宽，且尽可能宽的恒功率调速范围； 2、为实现螺纹加工，主轴驱动应与进给驱动实现同步控制； 3、为保证端面车削质量，主轴驱动应具有恒线速切削功能； 4、为保证加工中心自动换刀，主轴驱动要实现主轴的高精度准停控制； 5、高档数控机床要求主轴驱动能实现角度分度，甚至伺服控制功能。
21、绘出他励式直流电动机的工作原理图，分析调速原理、特点方法。
if
ia
Ra
La
Uf
(4) 若工作台质量为 800N，求该质量在电机轴上引起的转动惯量。
Jm

m
V2 2
,
V f f L , 360i
f 180
Jm

m
L
2
2i

800
0.006 2
2 3.1416 2

0.000182(N
M
2)
Vm －激磁电压幅值；
－滑尺相对定尺的空间相位角，与滑尺相对于定尺位移 x 的关系为 x 2 。 2
由此可见，只要检测出定尺输出电压的相位，即可测量出滑尺相对于定尺的位移。
18、绘图并说明直流电机 H 型双极模式 PWM 功率转换电路。 所谓 PWM、即脉宽调速，是利用脉宽调制器对大功率晶体管的开关时间进行控制，将直流电压
(5)若作用在工作台上的切削进给力为 500N, 求该力在电机轴上引起的转矩。
T
F

F
V
,
V f f L , 360i
f 180
T
F

F
L 2 i

500
0.006 2 3.1416 2

0.2387( N

M)
Leabharlann Baidu
11、简要系统分析数控机床的特点。
(1) 柔性自动化，能适应不同零件的自动化加工；
15、什么是固定循环？写出 FANUC 系统孔加工固定循环的一般格式，说明各功能子的含义。 固定循环是一种用于特定加工过程的子程序。 有些加工操作的工艺顺序是固定不变的，变化的只
是坐标尺寸和切削用量等参数，如孔加工，螺纹加工等，这些工艺过程可以用固定循环调用，调用时
要按规定指定若干参数。
FANUC 系统孔加工固定循环的一般格式如下：
数据采样插补方法很多，如直线函数法、扩展数字积分法、递归函数法等。
直线插补时，由于坐标轴的脉冲当量很小，再加上位置检测反馈的补偿，可以认为轮廓步长 l 与被 加工直线重合，不会造成轨迹误差。
圆弧插补时，一般轮廓步长 l 作为弦线对圆弧进行逼近，因此存在最大半径 误差:
l 2 (FT)2 ，式中 r—被加工圆弧的半径。 er 8r 8r
2、用逐点比较法插补第一象限的直线，起点在坐标原点，终点坐标 Xa=5，Ya=3。写出插补计算过 程，并画出刀具插补运动轨迹图。
3、简述 CNC 装置的系统软件的功能特点和结构类型。（P107） CNC 装置的系统软件是一个专用的实时多任务系统，具有多任务并行处理和多重实时中断的特
点。主要有两种结构： 前后台软件结构：前台程序是一个中断服务程序，完成全部的加工控制的实时功能。后台程序是
则滑尺二绕组在定尺绕组中分别产生的感应电动势为：
ES KVm sint cos
EC

KVm
cost cos( 2
)
KVm
cost sin
根据叠加原理，定尺上输出的感应电压为：
ud EC ES

KVm
sin(t
)

KVm
sin(t

x 2
2 )
式中，K 为电磁耦合系数，通常小于 1，随定尺与滑尺绕组平面间的间隙减小而增大；
步进电机步矩角θ ＝360/(m k Z)=360/(3×2×100)=0.6(度)
（2）若减速齿轮的齿数 Z1=18, Z2=36，滚珠丝杠的导程 L=6mm，求工作台的脉冲当量； 脉冲当量δ ＝Θ L/(360i)=0.6×6/360/(40/20)=0.005(mm)
（3）若工作台移动速度 4m/min，求输入该步进电机的脉冲频率； 脉冲频率 f=1000v/(60δ )=1000×4/(60×0.005)=13333.33(Hz)
7、绘出 CNC 装置的数据转换流程图。
MDI DNC
串口通信
程
刀速
速度控制
序
译
具度
插位
存 储
码
补处 偿理
补控 位移反馈
8、简述绝对值式脉冲编码器的工作原理。 绝对值脉冲编码器主要由光源，光电元件和随被测对象一起旋转的绝对值编码盘构成。其中绝对
值编码盘是将圆盘用同心圆环和等分扇形进行分割，然后对被分割的区域形成透光和不透光两种状 态，形成编码图案，如 4 位 2 进制码盘，有 4 个圆环称为码道，由里向外，分别对应
1 (1 s) ，式中 f1—供电频率，p—定子绕
p
组磁极对数，s—转差率；采用两种变频调速：基频以下恒压频比变频调速，输出转矩恒定；基频以
上恒电压变频调速，随着电机转速升高输出转矩下降，但输出可保持功率恒定。
10、步进电机经减速齿轮和滚珠丝杠驱动的机床工作台，请回答下列问题：
（1）若步进电机的转子齿数 Z=100，采用三相六拍工作方式，求该步进电机的步距角；
DDA 圆弧插补的积分表达式如下：
X Y 1 m
2N i 1
i
Y X 1 m
2N
i
i 1
X Y 与直线插补不同，圆弧插补用两个 N 位积分累加器分别对动点坐标
和 进行累加，并分
i
i
别对 Y 和 X 方向的进给进行控制。一旦某个积分累加器有溢出，则在相应方向进给一步，同时要对
动点坐标进行修改。
G90/G91 G98/G99 G73~G89 X__ Y__ Z__ R__ Q__ P__ F__ L____; (1) G90/G91： 绝对坐标或增量坐标编程。 (2) G98/G99：刀具返回初始平面或 R 点平面； (3) X__Y__：被加工孔的位置； (4) Z__：孔底平面位置： (5) R__：R 平面位置，一般位于工件表面以上 3～5mm 处； (6) Q__：深孔加工时每次加工的深度： (7)P__：刀具在孔底暂停时间，单位 ms; (8) F__：切削进给速度： (9) L__：指令孔的加工次数，G90 方式时，刀具在原来位置重复加工，G91 方式时，可实现多个等距 孔加工。