1、第 1 页 共 19 页 思考题 1.数控机床的产生？ 科学技术的不断发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求。机械加工工艺过程的自动化是实现上述要求的最主要的措施之一。它不仅提高产品的质量、提高生产效率、降低生产成本、还能够大大改善工人的劳动条件。大批量的自动化生产广泛采用自动机床、组合机床和专用机床以及专用自动生产线，实行多刀、多工位多面同时加工，以达到高效率和高自动化。但这些都属于刚性自动化，在面对小批量生产时并不是适用，因 为小批量生产需要经常变化产品的种类，这就要求生产线具有柔性。而从某种程度上说，数控机床的出现 正是很 地满足了这一要求。 1952年，美国麻省理工学院成功
2、地研制出一套三坐标联动，利用脉冲乘法器原理的试验性数控系统，并把 它装在一台立式铣床上。当时用的电子元件是电子管，这就是第一代世界上的第一台数控机床。我国是从 1958年开始研究数控技术，一直到 60年代中期处于研制、开发时期。当时，一些高等院校、科研单位研制出试验样机，开发也是从电子管开始的。 1965年国内开始研制晶体管数控系统。从 70年代开始，数控技术在车、铣、钻、镗、磨、齿轮加工、点加工等领域全面展开，数控加工中心在上海、北京研制成功。在这一时期，数控线切割 机床由于结构简单，使用方便、价格低廉，在模具加工中得到了推广。80年代，我国从日本发那科公司引进了 5、 7、 3等系列的数控
3、系统和交流伺服电机、交流主轴电机技术以及从美国、德国引进一些新技术。这使我国的数控机床在性能和质量上产生了一个质的飞跃。 1985年，我国数控机床品种有了新的发展。 90年代以及接下来主要是向高档数控机床发展。 2.数字控制技术的概念？ 数字控制技术是指用 数字信号形成 的控制程序对一台或多台机械设备进行控制的一门技术。 3.数控机床的组成 ? 编程及程序载体、输入装置、 CNC装置及强电控制装置、伺服驱 动系统及位置检测装置、机床的机械部件 （程序介质、数控装置、伺服系统、机床主体） 第 2 页 共 19 页 4.点位控制数控机床，轮廓控制数控机床的概念？ 点位控制数控机床 :这类数控机床仅
4、能控制在加工平面内的两个坐标轴带动刀具与工件相对运动，从一个坐标位置快速移动到下一个坐标位置，然后控制第三个坐标轴进行钻镗切削加工。在整个移动过程中不进行切削加工，因此对运动轨迹没有任何要求，但要求坐标位置有较高的定位精度。点位控制的数控机床用于加工平面内的孔系，这类机床主要有数控钻床、印刷电路板钻孔机、数控镗床、数控冲床、三坐标测量机等。 轮廓控制 数控机床 : 轮廓控制数控机床能够对 两个或两个以上运动的位移 及速度进行连续相关的控制，使合成的平面或空间的运动轨迹能满足零件轮廓的要求。 它不仅能控制机床移动部件的起点与终点坐标，而且能控制整个加工轮廓每一点的速度和位移，将工件加工成要求的轮
5、廓形状。 1.点位控制 ： 是指只定位， 不需要插补或插补精度够低 。 （ 经济型机床 、数控钻床 ） 刀具移动过程不加工。 2.直线控制是指直线插补，相对来说只是一些简单的插补运动， （ 机加工机床 、数控车床 ） 。 移动时加工。 3.轮廓控制 ： 是指多轴插补，含圆弧，曲面，空间几何，复杂 插动。 （ 模具类型机床 、加工中心 ） 。相对于直线控制，走到路线不一定是直线，有可能是曲线（平面或者空间）。 5.开环控制数控机床、半闭环控制数控机床及闭环控制数控机床的概念及特点？ 开 环伺服系统 由步进电动机和步进电动机驱动线路组成。数控装置根据输入指令，经过运算发出脉冲指令给步进电动机驱动线
6、路，从而驱动工作台移动一定距离。这种伺服系统比较简单，工作稳定，容易掌握使用，但精度和速度的提高受到限制。只用于经济型数控机床。 闭环伺服系统 由伺服电动机、比较线路、伺服放大线路、速度检测器和安装在工作台上的位置检测器组成。这 种系统对工作台实际位移量进行自动检测并与指令第 3 页 共 19 页 值进行比较，用差值进行控制。这种系统定位精度高，但系统复杂，调试和维修困难，价格较贵，主要用于高精度和大型数控机床。 半闭环伺服系统 的工作原理和闭环伺服系统相似，只是位置检测器不是安装在工作台上，而是安装在伺服电动机的轴上。这种伺服系统所能达以的精度、速度和动太特性优于开环伺服系统，其复杂性和成本
7、低于闭环伺系统，主要用于大多数中小型数控机床。 6.数控机床的加工特点？ 1适应性强 数控机床上加工新工件时，只需重新编制新工件的加工程序，就能实现新工件的加工。 数控机 床加工工件时，只需要简单的夹具，不需要制作成批的工装夹具，更不需要反复调整机床，因此，特别适合单件、 小批量及试制新产品的工件加工。对于普通机床很难加工的精密复杂零件，数控机床也能实现自动化加工。 2加工精度高 数控机床是按数字指令进行加工的，目前数控机床的脉冲当量普遍达到了 0.001mm， 而且进给传动链的反向间隙与丝杠螺距误差等均可由数控装置进行补偿， 因此，数控机床能达到很高的加工精度。对于中、小型数控机床，定位精度
8、普遍可达 0.03mm，重复定位精度为 0.0lmm。此外，数控 机 床的传动系统与机床结构都具有 很高的刚度和热稳定性，制造精度高， 数控机床的自动加工方式避免了人为的干扰因素， 同一批零件的尺寸一致性好，产品合格率高，加工质量十分稳定。 3 生产效率高 工件加工所需时间包括机动时间和辅助时间、数控机床能有效地减少这两部分时间。数控机床的主油转速和进给量的调整范围都比普通机床设备的范围大，因此数控机床每一道工序都可选用最有利的切削用量；从快速移动到停止采用了加速、减速措施，既提高运动速度，又保证定位精度，有效地降低机动时间。数控设备更换工件时 不需要调整机床， 同一批工件加工质量稳定，无需停
9、机检第 4 页 共 19 页 验，辅助时间大大 缩短。特别是使用自动换刀装置的数控加工中心，可以在同一台机床上实现多道工序连续加工，生产效率的提高更加明显。 4劳动强度低 数控设备的工作是按照预先编制好的加工程序自动连续完成的操作者除输入加工程序 或操作键盘、 装卸工件、 关键工序的中间测量及观看设备的运行之外， 不需要进行繁琐、重复手工的操作，这使工人的劳动条件大为改善， 5良好的经济效益 虽然数控设备的价格昂贵，分摊到每个工件上的设备费用较大，但是使用数控设备会节省许多其它费用。 特别是不需要设计制造专用工装夹具， 加 工 精 度 稳 定 ， 废品率低，减少调度环节等 ，所以整体成本下降，
10、可获得良好的经济效益。 6 有利于生产管理的现代化 采用数控机床能准确地计算产品单个工时，合理安排生产。数控机床使用数字信息与标准代码处理、控制加工， 为实现生产过程自动化创造了条件。 并有效地 简 化 了检验、 工夹具和半成品之间的信息传递。 7.数控机床常用的输入方法有几种？各有何特点？ 手工输入，优盘输入，网线输入， PCMCIA 卡输入， DNC 输入，有些系统有示教输入 8.可编程逻辑控制器（ PLC）与传统的继电器逻辑控制器（ RLC）相比有什么区别？它的主要功能有哪些？ 1）区别： 1、 传统继电器的控制系 统只能完成既定的逻辑控制、定时、计数等功能，控制功能的改变必须通过修改控
11、制器件和接线来实现。 2、 PLC 应用了微电子技术和计算机技术，各种控制功能都是通过软件来实现的，只要改变程序并改动少量的接线端子，就可改变其控制功能。 2)主要功能： 1、逻辑控制 2、定时控制 3、计数控制 4、步进 (顺序 )控制 5、 PID 控制 6、第 5 页 共 19 页 数据控制 ： PLC 具有数据处理能力。 7、通信和联网 8、其它： PLC 还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如：定位控制模块， CRT 模块。 9.试述逐点比较法的四个节拍 偏 差判别、坐标进给、新偏差计算和终点比较 逐点比较法，顾名思义，就是每走一步都要将加工点的瞬时坐标同规定的图形轨迹相
12、比较，判断其偏差，然后决定下一步的走向，如果加工点走到图形外面去了，那么下一步就要向图形里面走；如果加工点在图形里面，那么下一步就要向图形外面走，以缩小偏差。这样就能得出一个非常接近规定图形的轨迹，最大偏差不超过一个脉冲当量。 逐点比较法是以折线逼近直线或圆弧曲线，它与给定的直线或圆弧 之间的最大误差不超过一个 脉冲当量 10.利用逐点比较法插补直线 AB，起点为 A(0,0),终点为 B(4,5)，试写出 插补计算过程并画出插补执迹。 11.逐点比较法插补圆弧 AB，起点为 A(4,0)，终点为 B(0,4)，试写出插补计算过程并画出插补执迹。 12.设有一直线 AB，起点在坐标原点，终点的
13、坐标为 A(3,5)，试用 DDA 法插补此直线。 13.何谓刀具半径补偿？其执行过程如何？ CNC 装置能够根据零件轮廓信息和刀具半径自动计算中心轨迹， 使其自动偏移零件一 个刀具半径值，种偏移计算称为刀具半径补偿。 执行过程 1.刀补建立，刀具从起刀点出发沿直线接近加工零件，依据 G41或 G42使刀具中心在原来的编程零件轨迹的基础上延伸或缩短一个刀具半 径； 2.刀补进行； 3.刀补撤销，刀 具撤离工件，回到起刀点。 第 6 页 共 19 页 14.B 刀具补偿与 C 刀具补偿有何区别？ B机能刀具补偿方法的特点是刀具中心轨迹的段间连接都是以圆弧进行的。 C 机能刀具补偿方法的特点是相邻
14、两段轮廓的刀具中心轨迹之间用直线进行连接，由数控系统根据工件轮廓的编程轨迹和刀具偏置量直接算出刀具中心轨迹的转接交点 C 和 C” 。 区别： B 刀补采用读一段，算一段，走一段的处理方法。故无法预计刀具半径造成的下一段轨迹对本段轨迹的影响。 C 刀补采用一次对两段进行处理的方法。先处理本段，再根据下一段来确定刀具中心轨迹 的段间过渡状态，从而完成本段刀补运算处理。 15.什么是绝对式测量和增量式测量，间接测量和直接测量 ? 增量式测量方式只测量位移增量，并用数字脉冲的个数来表示单位位移（即最小设定单位）的数量，每移动一个测量单位发出一个测量信号， 绝对式测量方式测出的事被测部件在某一绝对坐标
15、系中的绝对坐标位置值，并且以二进制或十进制数码信号表示出来，一般都要经过转换成脉冲数子信号以后，才能送去进行比较和显示。 直接测量：位置测量安装在执行部件（即末端件）上直接测量执行部件的末端件的直线位移或角度位移 间接测量：位置检测安装在执行部 件前面的传动元件或驱动电动机轴上，测量其角度位移、经过传动比变换以后才能得到执行部件的直线位移量 16.光栅传感器在数控机床中的作用是什么？ 光栅尺 其实起到的作用是对刀具和工件的坐标起一个检测的作用 ,在数控机床中常用来观察其是否走刀有误差 ,以起到一个补偿刀具的运动的误差的补偿作用 17.光电脉冲编码器在数控机床中的作用是什么？ 光电编码器的作用是
16、可以发出一个角度位置的信号。一般应用于回转机构中对回转角度的准确定位。如数控机床的主轴转动角度，精密测量仪器的轴系转动角度，简单的还应用在电机控制方面，对电机转速测速等。 18.步 进电动机的工作原理是什么？如何将其分类？步进电动机的主要性能指第 7 页 共 19 页 标是什么？ 步进电机是一种 感应电机 ，它的工作原理是利用 电子 电路， 将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器 . 分类： 步进电机在构造上有三种主要类 型： 步进电机（图 2） 反应式（ Variable Reluctance，
17、 VR）、永磁式（ Permanent Magnet,PM）和混合式（ Hybrid Stepping,HS）。 步进电动机的主要性能指标有： （ 1）步距精度。我国生产的步进电动机的步距精度一般在 10 30 分的范围，有些可达 2 5 分。 （ 2）最大静转矩。用以衡量步进电动机带负载的能力。 （ 3）起动频率。是使步进电动机能够由静止定位状态不失步地起动，并进入正常运行的控制脉冲最高频率。在电动机空载情况下，称为空载起动频率。在有负载情况下，不失步起动所允许的最高频率将大大降低。 （ 4）连续运行频率。步进电动机起动后，其转速将跟随控制脉冲频率连续上升而不失步的控制脉冲的最高频率称为连续
18、运行频率的最高工作频率。步进电动机的连续运行频率随负载的增大而下降，但步进电动机连续运行频率远高于其起动频 （ 5） 矩频特性。矩频特性是描述步进电动机连续稳定运行时输出的最大 转矩与第 8 页 共 19 页 连续运行频率之间的关系曲线。 （ 6） 加 /减速特性 步进电动机的加 /减特性用于描述步进电动机由静止到工作频率或由工作频率到静止的加 /减速过程中，定子绕组通电状态的频率变化与时间的关系。 19.反应式步进电动机的步距角大小与哪些因素有关？如何控制步进电动机的输出角位移量和转速？ 每输入一个控制脉冲信号转子转过的角度，称为反应式步进电动机的步距角。步距角的大小与转子齿数和运行拍数成正
19、比。 步距角如果用电角度表示，则它只与运行拍数成反比，即六相 12 极步进电动机在单六拍、双六拍时其步距角电角度为 60 ，而在单、双十二 拍时其步距角电角度为 30 . 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）。 可以通过 PLC 或者单片机来控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 最简单的方法是通过步进电机驱动器，可以用方向 +脉冲信号控制电机的转速跟方向 20.在数控机床的改造过程中，步进电动机的步距角、滚珠丝
20、杠的导程、变速箱的速比、脉冲当量之间的相互关系的计算。 步距角： Q 360 MZK 以步进电机带动滚珠丝杆为例简单讲一下脉冲当量与步距角的关系。 首先假设丝杆螺距 h=5mm，步进电机为两相电机，步距角 =1.8 。 在电机整步运行状态下，接收 200 个脉冲（ 200X1.8=360 ）转一圈。 由于丝杆螺距 h=5mm，也就是说电机转一圈转换成直线位移是 5mm，这样就可以算出脉冲当量 =5mm200 个脉冲 =0.025mm/脉冲。相当于现在的定位精度是0.025mm. 你的题目是给定的定位精度是 0.1mm（相当与脉冲当量 =0.1 ），要确定电机的第 9 页 共 19 页 步距角。
21、 根据上面的例子， 我们可以有通过选择不同的丝杆螺距或不同步距角的步进电机来实现。 比如丝杆螺距 h=5,=0.1 可以得出 50.1=50 个脉冲电机转一圈。 电机步距角 =36050=7.2 步进电动机的步距角（ ）； 脉冲当量（ mm/脉冲）； h 丝杠螺距（ mm） 21.数控机床对主轴驱动的要求是什么？ (1)调速范围宽并实现无级调速为保证加工时选用合适的切削用量，以获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。 特别对于具有自动换刀功能的数控加工中心，为适应各种刀具、工序和各种材料的加工要求，对主轴的调速范围要求更 高，要求主轴能在较宽的转速范围内根据数控系统的指令自动实现无级调速，并减少
22、中间传动环节，简化主轴箱。目前主轴驱动装置的恒转矩调速范围已可达 1100 ，恒功率调速范围也可达 130 ，一般过载 1.5 倍时可持续工作达到 30min。主轴变速分为有级变速、无级变速和分段无级变速三种形式，其中有级变速仅用于经济型数控机床，大多数数控机床均采用无级变速或分段无级变速。在无级变速中，变频调速主轴一般用于普及型数控机床，交流伺服主轴则用于中、高档数控机床。 (2)恒功率范围要宽。 主轴在全速范围内均能提供切削所需功率，并尽可能 在全速范围内提供主轴 电动机 的最大功率。由于主轴电动机与驱动装置的限制，主轴在低速段均为恒转矩输出。为满足数控机床低速、强力切削的需要，常采用分级
23、无级变速的方法 (即在低速段采用机械减速装置 )，以扩大输出转矩。 (3)具有四象限驱动能力：要求主轴在正、反向转动时均可进行自动加、减速控制，并且加、减速时间要短。 目前一般伺服主轴可以在 1 秒内从静止加速到6000r/min。 (4)具有位置控制能力 ：即进 给功能 (C 轴功能 )和定向功能 (准停功能 )，以满足加工中心自动换刀、刚性攻丝、螺纹切削以及车削中心的某些加工工艺的需要。 第 10 页 共 19 页 (5)具有较高的精度与刚度， 传动平稳，噪音低。数控机床加工精度的提高与主轴系统的精度密切相关。为了提高传动件的制造精度与刚度，采用齿轮传动时齿轮齿面应采用高频感应加热淬火工艺
24、以增加耐磨性。最后一级一般用斜齿轮传动，使传动平稳。采用带传动时应采用齿型带。应采用精度高的轴承及合理的支撑跨距，以提高主轴的组件的刚性。在结构允许的条件下，应适当增加齿轮宽度，提高齿轮的重叠 系数。变速滑移齿轮一般都用花键传动，采用内径定心。侧面定心的花键对降低噪声更为有利，因为这种定心方式传动间隙小，接触面大，但加工需要专门的刀具和花键磨床。 (6)良好的抗振性和热稳定性。 数控机床加工时，可能由于持续切削、加工余量不均匀、运动部件不平衡以及切削过程中的自振等原因引起冲击力和交变力，使主轴产生振动，影响加工精度和表面粗糙度，严重时甚至可能损坏刀具和主轴系统中的零件，使其无法工作。主轴系统的
25、发热使其中的零部件产生热变形，降低传动效率，影响零部件之间的相对位置精度和运动精度，从而造成加工误差。因此， 主轴组件要有较高的固有频率，较好的动平衡，且要保持合适的配合间隙，并要进行循环润滑 22.主轴传动变速有几种方式？各有何特点？ 无级变速和有级变速两种方式： 23.主轴为何需要“准停”如何实现“准停” 自动换刀的数控镗床或铣床，切削转矩通常通过主轴上的键位和刀柄上的键槽；来传递的，因此每一次自动换刀时，都必须使刀柄上的键槽对准主轴的键位，因此要求有准停功能。 在加工精密孔系时，若每次都能在主轴固定圆周位置上换刀，就能保证刀尖与主轴相对位置的一致性，从而减少被加工孔的尺寸分散度。 主轴准停装置： 即刹车（阶段 1） 、匀减速 1（阶段 2）、匀减速 2（阶段 24.什么叫主轴分段无级变速？为什么要采用主轴分段无级变速？ 原因： 数控机床在实际使用过程中并不需要在整个变速范围内均为恒功率。一般
