郑州大学机床数控技术期末考试题总结.doc

第一章 机床数控技术概述机床数控技术是由编程技术、程序载体、人机交换装置、数控系统和机床本体组成。人机交互装置的作用是将程序载体的数控代码输送到数控系统的内存器，对加工程序进行编辑和调试，显示数控机床的运行状态、机床参数及坐标轴位置。CNC系统是数控系统的核心。数控编程方法主要有：手动编程、自动编程伺服系统是CNC系统和机床本体的联系环节。数控机床的特点：适应性、灵活性好质量稳定、精度高生产效率高劳动强度低、劳动条件好有利于现代化生产与管理具有监控功能和故障诊断能力使用、维护技术要求。数控机床的分类：按运动控制方式分类：点位控制数控机床、直线控制数控机床、轮廓控制数控机床按伺服系统类型分类：开环、半闭环、闭环私服系统控制数控机床按功能水平分类:低、中、高档数控机床按工艺方法分类：金属切削数控机床、金属成形数控机床、特种加工数控机床。数控机床按照伺服系统的分类及其特点：开环伺服系统控制数控机床：没有位置测量反馈装置，控制指令通过驱动装置控制电动机的运转，经机械传动系统转化为刀具或者工作台的位移。结构简单，制造成本低，价格便宜，位移精度一般不高半闭伺服系统控制数控机床：用安装在进给丝杆轴端或电动机轴端的角位移测量元件检测伺服电动机或丝杆的角位移，间接计算出工作台等执行部件的实际位置值，并与指令位置进行比较，进行差值控制。有稳定的控制特性，相当高的精度且调试比较方便，价格比全闭环系统便宜，广泛应用闭环伺服系统控制数控机床：用直接安装在机床刀架或工作台等执行部件上的位置反馈测量装置检测它们的实际位置，并与插补得到的指令位置比较，经放大和变换，驱动执行部件减少误差，直到消除。位置精度高、调节速度快、系统复杂不稳定和成本高，适用于精度要求高的数控机床。9、机床数控技术的发展趋势：向高速度、高精度方向发展想柔性化、功能集成化方向发展向智能化方向发展向高可靠性方向发展向网络化方向发展向造型宜人化方向发展。10、数控机床的控制原理：数控车床是用数字化的信息来实现自动化控制的，将与加工零件有关的信息工件与刀具相对运动轨迹的尺寸参数，切削加工的工艺参数，以及各种辅助操作等加工信息用规定的文字、数字和符号组成的代码，按一定的格式编写成加工程序单，将加工程序通过控制介质输入到数控装置中，由数控装置经过分析处理后，发出各种与加工程序相对应的信号和指令控制机床进行自动加工。第二章 数控机床的插补原理及道具补偿所谓插补就是根据所给定的进给速度和轮廓形状的要求，在轮廓已知点之间，确定一些中间点的方法，这种方法称为插补方法或插补原理。插补的实质是轮廓线上起点和终点等有限信息，完成起点和终点间的数据点密化。目前常用的插补方法可分为脉冲增量插补和数据采样插补。脉冲增量插补：逐点比较法、数字积分法；数据采样插补：直线函数法、扩展数字积分法。逼近误差与进给速度F、插补周期T的平方成正比，与圆弧半径R成反比。逐点比较法插补原理：基本原理是每次仅向一个坐标轴输出一个进给脉冲，每走一步将增加工点的瞬时坐标与理论的加工轨迹相比较，判断实际加工点与理论加工轨迹的偏差位置，通过偏差函数计算二者之间的偏差，从而决定下一步的进给方向。每进给一步都要完成偏差判断、坐标进给、新偏差计算、终点判别四个工作节拍。扩张DDA插补原理：数字积分法又称为数字微分分析器，是利用数字积分的原理，计算刀具沿坐标轴的位移，使刀具沿着所加工的轨迹运动。扩展DDA算法是在DDA积分法的基础上发展起来的，将时间T1用采样周期T分割为n个子区间，n取最接近大于等于T1/T的整数，从而由起点、终点、速度、时间可计算出在每个采样周期T内的坐标增量，进而计算出每个动点的位置坐标值。数据采样插补法终点判别的作用：使插补运算在插补到轨迹终点时停止插补。插补的速度取决于插补方法和终点判别方法。刀具半径补偿：轮廓加工过程中，由于刀具总具有一定的半径，刀具中心的运动轨迹并不等于所加工零件的轮廓，在进行轮廓加工时，使刀具中心偏离零件的轮廓表面一个刀具半径值。执行过程分为三个部分：刀具补偿建立、刀具补偿进行、刀具补偿撤销。刀具半径补偿类型：缩短型、伸长型、插入型C刀补偿的方法：CNC系统工作后，第一段程序首先被读入BS，在BS中算得第一段程序编程的轨迹送到CS中暂存，又将第二段程序读入BS，算出第二段的编程轨迹，然后对第一段、二段编程轨迹的连接方式进行判别，根据判别结果对第一段编程轨迹做相应的修正，修正结束后，顺序的将修正后的第一段程序轨迹有CS送到AS，第二段轨迹有BS送到CS，随后，由CPU将AS中的内容送到OS进行初步运算，运算结果送到伺服机构以完成驱动动作。当修正了第一段轨迹程序开始执行时，利用插补间隙，CPU有命令读入第三段程序读入BS，随后根据第二、第三段的连接方式对第二段进行修正。如此往复，可见C刀补工作状态下，CNC系统内总是同时存在着三个程序段的信息。 机床坐标系与工件坐标系有何区别和联系：机床坐标系是机床上固定的坐标系，用于确定被加工零件在机床中的坐标、机床运动部件的位置以及运动范围。机床坐标系的原点是机床上的固定点，亦是工件坐标系、机床参考系的基准点，有机床制造厂确定。工件坐标系是编程人员在编制零件加工程序时使用的坐标系，可根据零件图纸自行确定，用于确定工件几何图形上的点、直线、圆弧等各几何要素的位置。工件坐标系原点可用程序指令来改变。加工时，工件随家具安装在机床上后，测量工件原点与机床原点的相对距离，可以得到工件原点的偏置值。该值在加工前需要输入到数控系统，加工时工件原点偏置值便能自动加到工件坐标系上，是数控系统按机床坐标系确定的工件坐标值进行加工。第三章 数控机床的控制伺服系统机床的主轴运动和伺服进给运动是机床的基本形成运动。数控系统的位置控制是伺服系统的重要组成部分。闭环或者半闭环的数控机床的加工精度主要由检测系统的精度决定。位置检测装置的精度主要包括系统精度和分辨率。常用的位置测量装置有：脉冲编码器、感应同步器、光栅。脉冲编码器：根据输出信号形式不同，分为绝对式编码器、脉冲增量式编码器。根据内部结构和检测方式分为：接触式、光电式、电磁式。工作原理：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，转换为交替变化的电信号，该信号为两组近似于正弦的电流信号A和B、A非和B非的相位差90。经放大整形后变成方波形成两个光栅的信号。光电编码器还有一个“一转脉冲”，称为Z相脉冲，每转产生一个，用来产生机床的基准点。脉冲编码器的输出信号作为位移测量脉冲以及经过频率/电压变换作为速度反馈信号，进行速度调节。应用：位移测量、主轴控制、测速、零脉冲用于回参考点控制感应同步器：分为直线型、旋转型。工作原理：利用电磁耦合原理，将位移或者转角变成电信号。即使滑尺与定尺相互平行，并保持一定的距离。向滑尺通以交流激磁电压，则在滑尺中产生激磁电流，绕组周围产生按正弦规律变化的磁场，由电磁感应原理，在定尺上产生感应电压，当滑尺与定尺间产生相对位移是，由于电磁耦合的变化，使定尺上感应电压随位移的变化而变化。滑尺每移动一个节距，感应电压变化一个周期。按工作方式不同，感应同步器分为：定尺激励，滑尺输出；滑尺激励，定尺输出。特点：精度高、测量长度不受限制、工作可靠、抗干扰性强、维护简单、寿命长、输出信号比较弱，需要放大倍数较高的前置放大器。光栅传感器：光栅由标尺光栅和指示光栅两部分组成。标尺光栅一般按装在机床活动部件上，光栅读数头安装在机床固定部件上。指示光栅装在光栅读数头中。当光栅读数头相对于标尺光栅移动时，指示光栅便在标尺光栅上相对移动。光栅检测装置由：电源、透镜、标尺光栅、指示光栅、光电转换元件（读数头）和测量电路组成。若标尺光栅和指示光栅的栅距相等，指示光栅在其自身平面内相对于标尺光栅倾斜一个很小的角度，两块光栅的刻线就会相交。当灯光通过聚光镜呈平行光线垂直照射在标尺光栅上，在两块光栅线相交的钝角平分线上，出现明暗交替、间隔相等的粗短条纹，称之为莫尔条纹。当光栅移动一个栅距d时，莫尔条纹也相应移动一个莫尔条纹宽度w；若光栅移动方向相反，则莫尔条纹移动方向也相反。莫尔条纹移动方向与两光栅夹角的平分线平行。这样，测量光栅水平方向的移动的微小距离就可以用检测莫尔条纹移动的变化代替。光栅读数头又叫光栅转换器，它把光栅莫尔条纹变成电信号。莫尔条纹的特点：具有放大作用、具有误差均化作用、利用莫尔条纹测量位移。鉴向倍频电路不仅可以起到辨别方向的作用，还可以起到细分的作用，以提高光栅的分辨率。调速范围是指数控机床要求电动机提供的最高转速和最低转速之比。数控机床伺服驱动系统是以机床移动部件的位置和速度为控制量的自动控制系统。伺服系统的基本要求：高精度、稳定性好、响应速度快，无超调、电动机调速范围宽、低速大转矩、可靠性高。稳定性是直接影响数控加工精度和表面粗糙度的重要指标。步进电机是一种用电脉冲信号进行控制、并将电脉冲信号转化成响应的角位移的执行器，也成为脉冲电机。角位移量与脉冲数成正比，起转速与脉冲信号输入的频率成正比，通过改变频率就可以调节电动机转速。反应式步进式电动机的工作原理是电磁吸引。步进角：是指每给一个脉冲信号，电动机转子应转过角度的理论值。其中m为定子相数；z为转子齿数；k为通电系数步进电动机的环形分配器的功能：步进电动机额驱动控制由环形分配器和功率放大器组成。将数控系统送来的一串指令脉冲，按步进电动机要求的通电顺序 分配给步进电动机的驱动电源的各组绕组输入端，以控制励磁绕组的通断，实现步进电动机的运行及转向。当步进电动机在一个方向上连续运行时，其各相通、断的脉冲分配是一个循环，因此称为环形分配器。环形分配器的输出不仅是周期性的，又是可逆的。直流伺服电动机的调速原理与方法：工作原理是建立在电流切割磁力线产生电磁转矩基础上。直流电动机的调速方法：改变电枢电压（调速范围较宽的恒转矩特性，常用）；改变磁通量（恒功率特性）；改变电枢电路的电阻（特性较软，不能无极调速）直流伺服电动机的调速（脉宽调制）：是功率晶体管工作于开关状态，开关频率保持恒定，用改变开关导通时间的方法来调整晶体管的输出，使电动机两端得到宽度随时间变化的电压脉冲。当开关在每一周期内的导通时间随时间发生连续地变化是时，电动机电枢得到的电压平均值也随着时间连续变化，而由于内部的连续电流和电枢电感的滤波作用，电枢上的电流则连续的改变，从而达到调节电机转速的目的。永磁式交流同步伺服电动机异步式交流伺服电动机直流电机的原理：设想把一台旋转运动的感应电动机沿着半径的方向剖开，并且展平，这就成了一台直流感应电机。在直线电机中，相当于旋转电机定子的，叫初级；相当于旋转电机转子的叫次级。当初级绕组通入交流电源时，便在气隙中产生行波磁场，次级在磁场切割下，将感应出电动势并产生电流，该电流与气隙中得到磁场相互作用就产生电磁推力。如果初级固定，则次级在推力作用下做直线运动，反之，则初级做直线运动。直流电动机的特点：高速响应性、高精度性、速度快，加减速过程短、高效率、运行时噪声低、动态刚度高、推力平稳、行程长度不受限制、采用全闭环控制系统。数控机床的进给伺服系统和主轴伺服系统都是由：数控系统（CNC）、伺服驱动系统（驱动器）、执行元件（伺服电机）组成。数控机床的机械结构数控机床机械结构特点：支撑件的高度化传动结构简约化传动元件精密化辅助操作自动化数控机床的传动方式：二级齿轮变速的主传动方式定比传动带的主传动方式主轴电动机直接驱动的主传动方式电主轴滚珠丝杆螺母副的原理：与普通丝杆螺母副基本相同，即利用螺旋面的升角使螺旋运动转变为直线运动，但普通丝杆螺母副中螺母和丝杆之间为滑动摩擦，而滚珠丝杆螺母副中，由于在螺母和丝杆的运动面之间的滚珠而变为滚动摩擦。滚珠丝杆螺母副的特点：效率高精度高微进给高刚度无间隙进给速度高。滚珠丝杆螺母副按照螺母结构分为：反向管型、导向管型、法兰盘型滚珠丝杆螺母副的预紧：双螺母预紧、偏移预紧、常用力预紧。现代数控机床采用的导轨主要有：熟料滑动导轨、滚动导轨、静压导轨选刀方法有顺序选刀和任意选刀。目前大多数采用任意选刀方式，其分为刀套编码、刀具编码和记忆式。数控机床编程刀具在机床上的位置是由刀位点的位置表示的。刀位点就是表示刀具特征的点。基点：各几何元素的连接点。节点：逼近线段的交点或切点。用直线逼近非圆曲线可以采用：弦线逼近法、割线逼近法、切线逼近法：编程题：认真看课本数控机床的加工操作在进行加工前，首先要完成：准备工件、准备刀具、准备夹具、装夹工件。其次在数控机床加工工件前的工作还包括：侧量和设定工件的原点，测量和设定刀具的数据，必要时选择和设定用户参数，通过各种方式编辑和输入加工程序，并对程序进行检查、修改、调试知道程序达到了能在自动运行方式下正确加