1、省级精品课程数控加工技术习题解答第一章 数控加工技术概论1.1 数控加工技术的概念是什么?其主要发展历程经过哪几个阶段?答:1）数控加工技术是集传统的机械制造、计算机、现代控制、传感控制、信息处理、光机电技术于一体，在数控机床上进行工件切削加工的一种工艺方法，是根据工件图样和工艺要求等原始条件编制的工件数控加工程序输入数控系统，控制机床刀具与工件的相对运动，从而实现工件的加工。2）数控加工技术主要发展历程经过了二个阶段 6 个时代。第一阶段：数控（NC）阶段，又称为硬件数控阶段，从 1952 年1970 年。第一代数控（1952-1959 年）：采用电子管构成的硬件数控系统；第二代数控（195
2、9-1965 年）：采用晶体管电路为主的硬件数控系统；第三代数控（1965 年开始）：采用小、中规模集成电路的硬件数控系统；第二阶段：计算机数控（CNC）阶段：又称为软件数控阶段，从 1970 年现在。第四代数控（1970 年开始）：采用大规模集成电路的小型通用电子计算机数控系统；第五代数控（1974 年开始）：采用微型计算机控制的数控系统；第六代数控（1990 年开始）：采用工控 PC 机的通用 CNC 系统。 1.2 数控机床的工作原理是什么？数控加工的特点有哪能些？答：1）将被加工零件图纸上的几何信息和工艺信息用规定的代码和格式编写成加工程序，并输入数控装置，经过信息处理、分配，控制机床
3、各坐标轴以最小位移量(通常只有0.001mm)为单位进行移动，其合成运动实现了刀具与工件的相对运动，完成零件的加工。数控机床的加工，实质是应用了“微分”原理。2)数控加工的特点有：1)自动化程度高，能减轻工人的劳动强度和改善劳动条件；2)零件加工精度高、加工质量稳定；3)加工生产率高；4)良好的经济效益； 5)复杂产品加工能力强；6)适应性强，适合加工单件或小批量复杂工件；7）有利于生产管理的现代化。1.3 数控机床由哪能几个部分组成?各个部分的基本功能是什么?答:1)数控机床由控制介质、数控装置、伺服系统、检测系统和机床本体五部分组成。2）各部分的基本功能是；（1）控制介质：是信息的载体，通
4、常也称为输入、输出设备。输入设备的主要功能是将工件加工程序、机床参数及刀补值、间补值等数据输入到机床计算机数控装置。输出设备主要是将工件加工过程和机床运行状态等打印或显示输出，以便于工作人员 操作。（2）数控装置是数控机床的控制核心，主要功能是接收输入设备输入的加工信息，完成数据的存储、计算、逻辑判断、输入输出控制等，并向机床各驱动机构发出运动指令，指挥机床各部件协调、准确地执行工件加工程序。（3）伺服系统：包括驱动装置和执行机构两大部分。伺服系统是指数控机床的电气驱动部分，它接收计算机数控装置发来的各种动作命令，并精确地驱动机床进给轴或主轴运动。（4）位置检测装置：作用主要是对机床的转速及进
5、给实际位置进行检测并反馈回计算机数控装置，进行补偿处理。运动部分通过传感器，将角位移或直线位移转换成电信号，输送给计算机数控装置，与给定位置进行比较，并由计算机数控装置通过计算，继续向伺服机构发出运动指令，对产生的误差进行补偿，使机床工作台精确地移动到要求的位置。（5）机床本体：是数控机床的主体，是用来完成各种切削加工的机械部分。数控机床的机械结构，除了主运动系统、进给系统以及辅助部分，如液压、气动、冷却和润滑部分等一般部件外，还有些特殊部件，如刀库、自动换刀装置（Automatic ToolChange，A TC） 、自动托盘交换装置等。它与普通机床的差别，主要是机械传动结构及功能性部件。1
6、.4 数控机床按工艺用途分有哪些类型？答：有：金属切削类数控机床；金属成型类数控机床；特种加工类数控机床；其它类型数控机床。1.5 点位控制方式与轮廓控制方式有什么不同？各适用于什么场合？答：点位控制方式需严格控制点到点的距离，不严格要求路径，运动中不加工。轮廓控制方式它能够对两个或两个以上的坐标轴同时进行联动控制，不仅能够控制机床移动部件的起点与终点坐标位置，而且能控制整个加工过程中每一点的速度与位移量，将工件加工成要求的轮廓形状。1.6 简述开环、半闭环、闭环控制数控机床的区别？答：开环控制数控机床的控制系统没有位置检测反馈装置，伺服驱动部件通常为反应式步进电动机或混合式伺服步进电动机。闭
7、环控制数控机床是在机床最终的运动部件的相应位置上直接安装直线位移检测装置，将直接测量到的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，最终实现运动部件的精确运动和定位。半闭环控制数控机床是在伺服电动机的轴或数控机床的传动丝杠上装有角位移检测装置，测出伺服电动机或丝杠的转角，推算出移动部件的实际位移量，然后反馈到数控装置中去，并对误差进行修正。1.7 数控机床的主要性能指标有哪能些？答：数控机床的性能指标一般包括坐标轴指标（可控轴数、联动轴数） 、精度指标（定位精度、重复定位精度、分度精度、分辩率、脉冲当量） 、运动性能指标（主
8、轴转速、进给速度、坐标行程、摆角范围、刀库容量、换刀时间）及加工能力指标（每分钟最大金属切除量）等。1.8 什么是直接数字控制系统？答：直接数字控制（Direct Numerical Control，DNC）又称为分布式数字控制（ Distributed Numerical Control，DNC） ，DNC 的基本功能是传送 NC 程序。它指的是用一台通用计算机直接控制和管理若干台数控机床进行零件加工或装配的系统，所以又称为计算机群控，还具有系统信息收集、系统状态监视及系统控制等功能。1.9 什么是柔性制造系统？它由哪能些基本部分组成？答：柔性制造系统（Flexible Manufactur
9、ing System，FMS）是由一组数控机床组成，它能随机地加工一组具有不同加工顺序及加工循环的零件，实行自动运送材料及计算机控制，以便动态地平衡资源的供应，从而使系统自动地适应零件生产混合的变化及生产量的变化。一般认为，柔性制造系统由加工系统、物料储运系统和信息控制系统组成。1.10 计算机集成制造系统由哪能些基本部分组成？答：计算机集成制造系统（Computer-Integrated Manufacturing System，CIMS） ，是指用计算机网络和数据库技术，从产品的定货、设计、工艺、制造到销售的全过程集成为一个整体，以保证企业信息的共享性、可靠性和及时性，实现生产的自动化和柔
10、性化。CIMS 通常由管理信息分系统、设计自动化分系统、制造自动化分系统、质量保证分系统、计算机网络分系统和数据库分系统六个部分组成。1.11 数控加工技术的发展趋势是什么？答：数控加工技术的发展趋势是：运行高速化；加工高精化；功能复合化；控制智能化；驱动并联化；交互网络化。补充:数控机床的故障:由于现代数控系统的可靠性越来越高，数控系统本身的故障越来越低，而大部分故障的发生则是非系统本身原因引起的。系统外部的故障主要指由于检测开关、液压元件、气动元件、电气执行元件、机械装置等出现问题而引起的。数控设备的外部故障可以分为软故障和外部硬件损坏引起的硬故障。软故障是指由于操作、调整处理不当引起的，
11、这类故障多发生在设备使用前期或设备使用人员调整时期。对于数控系统来说，另一个易出故障的地方为伺服单元。由于各轴的运动是靠伺服单元控制伺服电机带动滚珠丝杠来实现的。用旋转编码器作速度反馈，用光栅尺作位置反馈。一般易出故障的地方为旋转编码器与伺服单元的驱动模块。也有个别的是由于电源原因而引起的系统混乱。特别是对那些带计算机硬盘保存数据的系统。1.按故障发生的部位分类 主机故障 数控机床的主机通常指组成数控机床的机械、润滑、冷却、排屑、液压、气动与防护等部分。主机常见的故障主要有： 1） 因机械部件安装、调试、操作使用不当等原因引起的机械传动故障 2） 因导轨、主轴等运动部件的干涉、摩擦过大等原因引
12、起的故障 3） 因机械零件的损坏、联结不良等原因引起的故障，等等 主机故障主要表现为传动噪声大、加工精度差、运行阻力大、机械部件动作不进行、机械部件损坏等等。润滑不良、液压、气动系统的管路堵塞和密封不良，是主机发生故障的常见原因。数控机床的定期维护、保养控制和根除“三漏”现象发生是减少主机部分故障的重要措施 电气控制系统故障 从所使用的元器件类型上根据通常习惯，电气控制系统故障通常分为“弱电”故障和“强电”故障两大类， “弱电”部分是指控制系统中以电子元器件、集成电路为主的控制部分。数控机床的弱电部分包括 CNC、PLC、MDI/C RT 以及伺服驱动单元、输为输出单元等。 “弱电”故障又有硬
13、件故障与软件故障之分硬件故障是指上述各部分的集成电路芯片、分立电子元件、接插件以及外部连接组件等发生的故障。软件故障是指在硬件正常情况下所出现的动作出锗、数据丢失等故障，常见的有加工程序出错，系统程序和参数的改变或丢失，计算机运算出错等。 “强电”部分是指控制系统中的主回路或高压、大功率回路中的继电器、接触器、开关、熔断器、电源变压器、电动机、电磁铁、行程开关等电气元器件及其所组成的控制电路。这部分的故障虽然维修、诊断较为方便，但由于它处于高压、大电流工作状态，发生故障的几率要高于“弱电”部分必须引起维修人员的足够的重视。 2按故障的性质分类 确定性故障 确定性故障是指控制系统主机中的硬件损坏
14、或只要满足一定的条件，数控机床必然会发生的故障。这一类故障现象在数控机床上最为常见，但由于它具有一定的规律，因此也给维修带来了方便 确定性故障具有不可恢复性，故障一旦发生，如不对其进行维修处理，机床不会自动恢复正常但只要找出发生故障的根本原因，维修完成后机床立即可以恢复正常。正确的使用与精心维护是杜绝或避免故障发生的重要措施。 随机性故障 随机性故障是指数控机床在工作过程中偶然发生的故障此类故障的发生原因较隐蔽，很难找出其规律性，故常称之为“软故障”，随机性故障的原因分析与故障诊断比较困难，一般而言，故障的发生往往与部件的安装质量、参数的设定、元器件的品质、软件设计不完善、工作环境的影响等诸多
15、因素有关第二章 数控加工手工编程2.1 试述手工编程的内容与方法。答；手工编程的内容：（）分析零件图样和制定工艺方案；（）数学处理；（）编写零件加工程序；（）程序检验。手工编程是由人工来完成数控编程中各个阶段的工作，要求编程人员应对具体的数控机床的功能、程序指令及代码十分熟悉，一般情况下，对几何形状不太复杂、所需的加工程序不长、计算较简单的零件，用手工编程比较合适。2.2 机床坐标确定的原则是什么？什么叫机床原点和零点？答：1）机床坐标系确定的原则是：（1）采用笛卡尔直角坐标系；（2）假定：工件不动，刀具移动；（3）规定：刀具远离工件的方向作为机床各坐标轴的正方向；（4）选定：机床坐标系的 Z
16、 轴与数控机床的主轴重合或平行。2）机床原点是机床制造厂在机床上设置的一个固定点，又叫做数控机床的零点。它在机床的装配、调试时就已确定下来，是数控机床进行加工运动的基准点。2.3 什么叫编程原点和工件原点？它们之间有何关系？答：编程坐标系是编程人员根据零件图纸及加工工艺等建立的坐标系，其原点是编写数控加工程序的基准点。加工原点是指零件被装夹好后，考虑工件毛坯的加工余量后相应的编程原点在机床坐标系中的相对位置。编程原点和加工原点重合。2.4 数控程序和程序段的格式是什么？包括哪几类指令？答：数控程序和程序段的格式见教材 P27 和 P29。包括的指令有：准备功能字，坐标尺寸字，进给功能字，主轴转
17、速功能字，刀具功能字，辅助功能字等指令。2.5 什么叫准备功能指令和辅助功能指令？它们的作用如何？答：准备功能指令是用来规定刀具和工件的相对运动轨迹（即插补功能） 、机床坐标系、坐标平面、刀具补偿和坐标偏置等多种加工操作的命令。辅助功能指令用于指定数控机床辅助装置的开关动作。2.6 试述 G00、G01、G02、G03 使用特点。答：1）G00 指令使刀具以点位控制方式从刀具当前位置按数控系统中设定的最快速度移动到下一个目标位置。它只是快速到位，实际运动轨迹一般不是一条直线，而是折线。G00是续效指令，其运动速度不受进给速度 F 指令限制，但可用机床控制面板上的进给速度倍率修调旋钮进行调节。2
18、）G01 直线插补指令使刀具以两个坐标（或三个坐标）联动的方式，依程序段给定的合成进给速度 F 插补加工出任意斜率的直线。G01 是模态指令。G01 指令的进给速度同时由 F 指令速度和倍率修进给倍率控制。3）G02 是顺时针插补指令， G03 是逆时针插补指令，分别用于顺时针和逆时针圆弧插补加工。在使用 G02 或 G03 指令之前需要判别刀具在加工零件时的走刀方向， G02、G03 是模态指令，其进给速度也是 X、Y 和 Z 轴进给速度的合成速度，并同时由 F 指令速度和倍率修调旋钮设定的进给倍率控制。当用绝对值编程时，X、Y 、Z 后面的数值是圆弧终点的绝对坐标值，当用增量值编程时，U
19、、V 、W 后面的数值表示圆弧终点相对于圆弧起点的增量值。2.7 M00、M02、M30 的区别是什么？答：M00 是指程序暂停，执行时将中断程序的执行，切断机床所有动作，如停止主轴转动、关闭冷却液等，重按“循环启 动”键，便可继续执行后续的程序。M02 是程序停止。执行 M02 指令时，CNC 系统认为该程序已经结束，停止程序的运行并发出一个复位信号使机床复位。因此，M02 的功能比 M00 多一项“复位”。该指令必须写在程序的最后一个程序段中。M30 除了起到与 M02 同样的作用外，还使程序指针返回到程序头。2.8 数控加工编程时为什么设置工件坐标系？数控车床设置工件坐标系有几种？它们有
20、何区别？答：1）工件坐标系是编程时使用的坐标系，所以又称为编程坐标系。编程坐标系是编程人员根据零件图纸及加工工艺等建立的坐标系，在数控编程时，为了描述机床的运动、简化程序编制的方法及保证纪录数据的互换性，必须建立工件坐标系。2）数控车床设置工件坐标系有三种方法，一是用 G50 指令，二是用 G54G59，三是用刀偏法的偏置值来设定。3）区别：G50 指令是将工件坐标系的原点设定在相对于刀具起始点的某一空间点上。它只起预置寄存作用，执行该指令时机床不产生运动。一般作为第一条指令放在整个程序的前面。用 G50 设定坐标系，对刀后需将刀具移动到 G50 设定的位置才能加工。为保证重复加工不乱刀，起点
21、和终点必须一致。G50 与 G54G59 的区别在于 G50 指令是通过程序来设定、选用加工坐标系的，它所设定的加工坐标系原点与当前刀具所在的位置有关，这一加工原点在机床坐标系中的位置是随当前刀具位置的不同而改变的。而 G54G59 指令是通过 CRTMDI 的参数设置方式下设定工件加工坐标系的，一旦设定，加工原点在机床坐标系中的位置是不变的，它与刀具的当前位置无关，除非再通过 MDI 方式修改。用刀偏法与用 G54G59 建立工件坐标系类似，它是对刀时，先将刀具的刀尖点移至工件原点位置（或已知的工件原点的相对位置） ，然后测量出机床原点到工件坐标原点的距离，将其作为刀具补正值，而在加工程序中
22、不再使用任何工件坐标系设置指令。2.10 数控车床刀具半径补偿功能指令有哪些？使用这些指令时应注意的问题是什么？答：1）数控车床刀具半径补偿功能指令有 G41、G42 、G40。2）在使用 G41、G42 时应注意：（）只能在 G00G01 程序段内建立或撤销刀具补偿功能。（）不能重复使用。即在程序中已指定了 G41 或 G42 指令，就不能再直接使用 G42或 G41 指令。若想使用，则必须先用 G40 指令取消原 G41 或 G42 指令，否则，补偿就不正常。（）当刀具路径发生变化时，应根据工件的位置，重新指令刀偏补偿。2.15 编写如图 2.78 如示零件的粗、精车加工程序，加工 ABC
23、DEFG 部位的外轮廓，直径设定如图示。-55-70-85 -40 -26 -12R4880 60 50 20 1200000000000000000 0 0 0 工 程 0 0 090+Z+XGF ED CB A0图 2.78程序如下：O0001；N10 T0101; /建立工件坐标系及刀补，调用 1 号车刀N20 G00 X120. Z90.;/刀具快移到运动起始点N30 X85. Z2.; /刀具移到循环起点N40 M03 S600 M08; /主轴正转,600 r/min,开冷却液N50 G71 U2. R1.; /粗车循环，每次车削深度 2mm,每次退刀 1mmN60 G71 P70
24、 Q135 U0.4 W0.2 F0.3;/留粗车余量 X 向 0.4mm,Z 向 0.2mm,进给率 0.3mm/rN70 G01 G42 X20.S800 F0.1;/精车轮廓程序开始,精车时主轴转速 800r/min,进给率 0.1mm/r,刀尖圆弧半径右补偿N80 Z-12.; /车20 外圆N90 G02 X50. Z-26. R20.;/车 BC 段圆弧N100 G01 Z-40.; /车50 外圆N110 X60. Z-55.; /车 DE 段圆锥N120 Z-70.; /车60 外圆N130 G03 X80.Z-85. R48.;/车 FG 段圆弧N135 G01 Z90.;
25、/Z 方向切线退刀,并避免在 Z85 处产生刀尖圆弧段N140 G70 P70 Q135; /粗车后精车N150 G01 G40 X85.; /X 向退刀,并取消右刀补N160 G00 X120.; /X 向快速退刀N170 Z90.; /退刀至运动起始点N180 M05 M09; /主轴停,冷却液关N190 M30; /程序结束第五章 数控机床的伺服系统5.10 位置检测装置有哪几种分类方法?感应同步器、脉冲编码器在这些分类方法中属于哪种方法？答：1）位置检测装置分类方法有：直接测量式和间接测量式；2）增量式和绝对式；3）数字式和模拟式。2）感应同步器属于模拟式及增量式测量装置；脉冲编码器属
26、于数字式及增量式测量装置。5.11 简述莫尔条纹的形成原理及特点。答：当指示光栅上的线纹和标尺光栅上的线纹呈一小角度 放置时，造成两光栅尺上的线纹交叉，在光源的照射下，交叉点附近的小区域内黑线重叠形成明暗相间的条纹，这种条纹称为“莫尔条纹” ， “莫尔条纹 ”与光栅的线纹几乎成垂直方向排列。特点是：1）两片光栅相对移过一个栅距，莫尔条纹移过一个条纹间距。由于光的衍射与干涉作用，莫尔条纹的变化规律近似正（余）弦函数，变化周期数与两光栅相对移过的栅距数同步。2）放大作用。W P/，莫尔条纹的节距为光栅栅距的 倍，由于 很小，因此节距比栅距放大了很多倍，光栅的放大作用非常大。3）平均误差作用。莫尔条
27、纹是由若干光栅线纹干涉形成的，即使单个栅线存在间距误差或缺陷，但在由几百条甚至上千条栅线干涉形成的等亮带中，这样栅距之间的相邻误差被平均化了，消除了栅距不均匀造成的误差。4）莫尔条纹的移动与栅距之间的移动成比例。当干涉条纹移动一个栅距 P 时，莫尔条纹也移动一个莫尔条纹宽度 W，若光栅移动方向相反，则莫尔条纹移动的方向也相反。莫尔条纹的移动方向与光栅移动方向相垂直。这样测量光栅水平方向移动的微小距离就用检测垂直方向上放大了的莫尔条纹的变化来代替。5.12 在光栅检测中采用细分电路有什么作用？答：提高光栅检测装置的精度。5.13 简述接触式码盘的结构和工作原理。答：略5.14 增量式光电码盘如何
28、判断轴的旋转方向和测量轴的转速？答：在增量式光电码盘的一个圆盘的圆周上刻有相等间距的线纹，分为透明和不透明部分，称为圆光栅，圆光栅和工作轴一起旋转。与圆光栅相对平行地放置一个固定的扇形薄片，称为指示光栅，上面制有相差节距的两个狭缝，称为辩向狭缝。此外，还有一个零位狭缝（一转发出一个脉冲） 。脉冲编码器与伺服电动机相连，它的法兰盘固定在伺服电动机的端面上，构成一个完整的检测装置。当圆光栅旋转时，光线透过两个光栅的线纹部分，形成明暗条纹，光电元件接受这些明暗相间的光信号，经放大整形后变成方波形成光栅的信号，经过频率电压变换进行转速测量的。5.15 在绝对编码器中，二进制编码与葛菜码编码盘各有何优缺
29、点？答：二进制编码盘结构简单，缺点是图案转移点不明确，即：相邻两个二进制数可能有多位二进制码不同，当数码切换时有多个数值要进行切换，在使用时容易产生误读。葛莱编码盘，其特点是相邻两个二进制数码只有一个数位不同，因此两数切换时只在一位进行，提高了读数的可靠性。5.16 设有一绝对编码器有个码道，其能分辨的最小角度是多少？若该编码器采用二进制编码，那么，11001101 所对应的角度在哪个范围内？答：1）8 个码道的绝对编码器的分辩率为 3600/28=1.4060；2）二进制数 11001101 换算为十进制后为 205，故,角度为：205*1.406 0=287.12305.17 简述感应同步
30、器的结构特点和工作原理。答：1）结构特点：可以看成是多极旋转变压器的展开形式。主要包括定尺和滑尺，定尺安装在机床床身上，滑尺则安装于移动部件上，随工作台一起移动。定尺和滑尺平行放置，两者保持.2.3mm 的间隙；2）工作原理：感应同步器的工作原理与旋转变压器的工作原理相似。当励磁绕组与感应绕组间发生相对位移时，由于电磁耦合的变化，感应绕组中的感应电压随位移的变化而变化，测量感应绕组中的电压变化就可以得到位移的变化。滑尺在移动一个节距的过程中 ， 感应电压为一个余弦波形。由此可见，在励磁绕组中加上一定的交变励磁电压，感应绕组中会感应出相同频率的感应电压，其幅值大小随着滑尺移动作余弦规律变化。滑尺
31、移动一个节距，感应电压变化一个周期。感应同步器利用感应电压的变化进行位置检测。5.18 感应同步器有几种工作方式？每种工作方式的激磁电压有何特点？它们的哪些参数对测量精度有影响？为什么？答：感应同步器有二种工作方式，即：鉴相式和鉴幅式。在鉴相工作方式下，是给滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通上幅值、频率相同，相位差为 90的激磁交流电压，通过定尺上感应电压的相位，就可以求得定尺与滑尺之间的相对位移。因此，定尺上感应电压的相位参数对测量精度会有影响；在鉴幅工作方式下，是将滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通以频率相同、相位相同，但幅值不同的交流电压，根据电角度，测出幅值，便可求得定尺与滑尺之间的相对位移，
32、因此，定尺上的感应电压的幅值会影响测量精度。5.19 简述旋转变压器的结构特点和工作原理。答：旋转变压器是一种控制用的微电动机或小型交流电动机，其用途是测量转角。它由定子和转子组成。旋转变压器是根据互感原理工作的。其定子与转子之间的空气隙内的磁通分布呈正（余）弦规律，当定子绕组加上交流励磁电压时，由于互感作用，在转子绕组中产生感应电动势，其输出电压的大小取决于定子与转子两个绕组轴线在空间的相对位置 角。两绕组平行时互感最大，感应电动势也最大；两者垂直时互感为零，感应电动势也为零。感应电势随着转子偏转的角度呈正（余）弦变化。5.20 简述脉冲比较式伺服系统的组成和工作原理。答：略5.21 简述 CNC 数字伺服系统的位置检测组件的工作过程。答：略
