《数控技术》课后答案

第三章练习题的解答3.1简要叙述NC伺服系统的构成和作用。NC伺服驱动系统根据反馈检测元件的有无分为开环和闭环(包括半闭环)两种。 开环伺服系统由驱动控制单元、致动器、机床构成。 驱动控制单元的作用是，将进给指令转换为执行元件所需的信号形式，执行元件将该信号转换为对应的机械位移。 闭环(半闭环)伺服系统由致动器、驱动控制单元、机床、反馈检测元件、比较环节组成。 位置反馈元件检测表的实际位置并反馈给比较环，比较环将指令信号和反馈信号进行比较，将两者的差作为伺服系统的跟踪误差，通过驱动控制单元驱动控制致动器来移动表。3.2数控机床对伺服系统有什么基本要求？对数控机床伺服系统的基本要求：精度高迅速响应特性好调速范围宽，系统的可靠性高。3.3NC伺服系统有哪些类型？简要叙述各自的特征。NC伺服系统根据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，不具有位置反馈装置的控制方式。 开环控制具有结构简单、价格低廉等优点。半闭环伺服系统通过检测伺服电动机的旋转角来间接地检测运动部件的位移(或角位移)，在反馈到数值控制装置的比较器中，与输入指令进行比较，以差分值控制运动部件。 此类系统调试非常方便，具有良好的系统稳定性。闭环伺服系统将直接测量的位移和角位移反馈到数值控制装置的比较器，与输入的指令位移量进行比较，用差控制运动部件，使运动部件以实际需要的位移量正确运动。 闭环控制系统的运动精度主要取决于检测装置的精度，与机械传动链的误差无关地，其控制精度超过半闭环系统。3.4简要叙述步进电机的分类和一般工作原理。从结构上看，步进电机分为反应式和励磁式，励磁式分为供电励磁和永久磁铁式。 根据定子的数量可以分为单级定子式和多级定子式。 根据相数分为单相、二相、三相和多相，转子多极了。输入电信号之前转子不动的电信号到来后，转子马上旋转，旋转速度根据电信号的方向和大小而变化，同时，如果推进一定负荷运动的电信号没有，转子马上停止旋转。什么是3.5步角？ 步进电动机的步进角的大小取决于什么因素呢？步进电动机的步进角反映了每当步进电动机的线圈的通电状态变化时转子旋转的角度。 步进角一般由定子相数、转子齿数、通电方式决定。3.6比较交流和直流伺服电机的特征。直流伺服电动机具有优异的调速性能，启动、运行和制动灵活方便，在速度调节要求高的情况下，直流伺服系统一直占主导地位。 但是，由于电刷和换向器工作时容易磨损，需要维护，换向器的形状非常复杂，具有转换方向时产生火花等固有弱点，给制造和维护带来了很大的困难。交流伺服电机采用全封闭无刷结构，无需定期检查和维护。 其定子丢了铸件外壳，紧凑，外形小，重量轻。 空心杯转子的惯性力矩小，反应快，运转顺畅。3.7分析了交流和直流伺服电机的速度调节方式。直流伺服电机常用的调速方式有以下两种晶闸管直流调速(SCR )晶闸管直流调速通过调节触发装置的控制电压的大小(控制晶闸管的开放角)，使触发脉冲的相位移动，改变整流电压的大小，通过改变直流电机的电枢电压来进行平滑调速。脉宽调制直流调速(PWM )PWM调速是在功率开关晶体管的基极上施加脉冲宽度可调整的方波电压，以控制开关管的导通率，从而实现调速的目的。交流伺服电机调速通常用调频调速的方法实现。 实现调频调压有多种方法，通常采用交流-直流-交流转换电路实现，该电路的主要组成部分是电流逆变器。3.8步进伺服系统是如何控制机床工作台的位移、速度和进给方向的？工作台位移量的控制当NC装置输出n个进给脉冲，使步进电动机的定子线圈的通电状态变化n次时，步进电动机旋转的角位移量=N(为步进角)。 该角位移经由导螺母对，由工作台的位移量l，即进给脉冲数决定工作台的直线位移量。工作台运动方向的控制当来自NC装置的进给脉冲为正方向时，驱动控制线后，步进电机的定子线圈以一定的顺序依次被切断通电。 进给脉冲为相反方向时，定子各相的线圈以相反的顺序通电、切断。 因此，可以改变进给脉冲的方向，改变定子线圈的通电顺序，使步进电机正转或反转，改变工作台的进给方向。工作台进给速度的控制如果设来自NC装置的进给脉冲的频率为f，则在驱动控制线后，转换成控制步进电机的定子线圈的通电切断的电平信号的变化频率，由于转速=60f(为脉冲当量)，所以定子线圈的通电状态的变化频率是步进电机的转子的旋转该旋转速度在通过引导螺母子传递后，被转换为工作台的进给速度。如何提高3.9步进伺服驱动系统的精度呢？从控制方法出发，采取措施提高步进伺服驱动系统的精度音调误差校正补偿的细分线。3.10简述鉴定式伺服系统的构成和工作原理。鉴定式伺服系统由基准信号发生器、脉冲相位调制器、检测元件和信号处理线路、鉴定器、驱动线路和致动器等构成。如果数控机床的数控装置要求将工作台单向传送，内插器和内插软件就会产生一系列的进给脉冲。 进给脉冲首先被发送到伺服系统的位置环的脉冲相位调制器。 超前基准信号的相位角，在表移动前，表没有位移，所以检测元件及信号处理线的输出与基准信号为同相位，即两者的相位差=0。 鉴识器比较指令信号和反馈信号，向正方向传送表。 如果工作台正进给，检测元件马上检测出该进给位移，如果1，则说明工作台实际移动的距离与指令信号要求的移动距离不相等，相位器检测出和的差，发送给速度控制单元，使电动机旋转，输送工作台。 =时，如果说明工作台的移动距离与指令信号所要求的移动距离相等，则通过移相器的输出-=0停止工作台的进给。3.11简述错宽式伺服系统的构成和工作原理。镜宽式伺服系统由测量元件和信号处理线路、数模转换器、比较器、放大环节和执行元件五部分组成。在纸币系统工作前，数控装置、测量元件和信号处理电路没有脉冲输出，比较器的输出为零，这时，执行元件不移动工作台。 输出进给脉冲信号后，比较器的输出不为零，致动器开始移动表的同时，以镜子方式工作的测量元件检测表的位移，通过信号处理线路转换成对应的数字脉冲信号，该数字脉冲信号作为反馈信号进行比较当两者相等时，比较器的输出为零，表实际移动的距离表示指令信号等于表的移动要求的距离，致动器停止表的移动若两者不相等，则表实际移动的距离不等于指令信号要求表的移动的距离，致动器3.12鉴识式伺服系统中，基准信号发生器的作用是什么？参考信号发生器输出具有一定频率的脉冲信号，且为伺服系统提供相位比较基准。简述3.13脉冲比较式伺服系统的结构和工作原理。比较完整的脉冲比较式伺服系统可以由指令信号、反馈测量信号、比较器、转换器、驱动致动器构成。在工作台静止的状态下指令脉冲Pc=0时，反馈脉冲Pf也为零，通过比较器得到偏差e=Pc-Pf=0后，伺服电机的速度为零，工作台保持静止状态。 随着指令脉冲的输入，Pc0，在工作台不移动之前，反馈脉冲Pf保持为零。 通过比较器进行比较，得到偏差e=Pc-Pf0，如果指令脉冲是正进给脉冲e0时，通过速度控制单元的驱动电机正进给工作台。 e=Pc-Pf=0，即反馈脉冲数与指令脉冲数相等，表停止在指令规定的位置。 指令脉冲为反向运动脉冲时，控制过程与Pc为正时大致相同。 只有e0，表反向进给直到e=0，表停止在指令规定的反向的某个位置。3.14 CNC数字伺服系统和NC伺服系统的特征是什么？CNC数字伺服系统与其他NC伺服系统不同的最突出的特征之一是，利用计算机的计算功能，用计算机将来自测量元件的反馈信号与来自插值软件的指令信号进行比较，将其差进行数模转换放大到直流放大器，并通过驱动器放大到表格中因此，CNC数字伺服系统分为软件部分和硬件部分。 软件部分主要由跟踪误差计算，即完成指令信号和反馈信号比较计算的硬件部分主要由位置检测组件和位置控制输出组件组成。简述3.15CNC数字伺服系统的位置检测组件的工作过程。位置检测单元由检波器、电压-频率转换器、正弦波信号发生器、实际位置计数器等电路构成。 正弦波信号发生器产生的8kHz的正弦波馀弦电压在解算器的定子线圈上感应出电压信号VC。 VC作为输入信号发送到检测装置，首先通过10kHz低通滤波器对高次谐波分量和噪声信号进行滤波。 滤波器的输出被发送到检波器，将交流信号转换为直流信号VE。 而且，经由6kHz低通滤波器除去8kHz的脉动成分，输出平滑的直流电压VF，VF被发送到电压-频率变换电路，被变换成与VF成比例的频率的脉冲的VF也被发送到符号检测电路，从而检测VF的符号SIGN。 CVFC和SIGN经同步电路发送给正弦波信号发生器和实际的位置计数器，控制解算器励磁信号的电角的变化，产生根据角调制的正弦波、馀弦电压，另外，对计数器进行计数，计数出的数字表示一定时间内的坐标位置的移动量DFi第四章练习题的解答4.1对数控机床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是什么？数控机床对机械结构的基本要求是具有高静、动刚度和良好的抗振性，具有良好的热稳定性，高运动精度和良好的低速稳定性，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是合理选择数控机床整体布局，提高结构构件的刚性，提高机床的抗振性，改善机床热变形，保证运动的精度和稳定性。4.2数控机床采用斜床体布局的优点是什么？斜床布局的数控车床(轨道的倾斜角度通常选择45、60和75 )，不仅能改善在同等条件下受力的状况，而且还能通过整体的密闭型截面设计，提高床的刚性。 自动刀更换装置的配置特别方便。4.3卧式数控镗床和加工中心采用t型床和框架结构两个柱的优点是什么t型床的布局在能够使工作台沿着床在x方向上移动的情况下，在整个行程范围内，工作台和工件被床完全支承，因此，机床的刚性好，工作台的装载能力强，容易保证加工精度。 此外，该结构可简单增加x轴行程，便于机床品种的系列化、零件通用化和标准化。框架结构的两柱采用对称结构，主轴箱在两柱中间上下运动，与传统的主轴箱侧挂式结构相比，结构刚性大幅提高。 并且，主轴台从左右两导轨的内侧被定位，热变形引起的主轴中心位移被限制在垂直方向，因此，通过y轴的修正，能够减小热变形的影响。4.4什么是“box inbox”构造？高速加工机为什么采用“箱中箱”构造？卧式布局的高速数控机床采用了“内外双层框架”称为“箱中箱”的结构。 这两种布局风格的总体共同特点是，运动零件重量轻，结构刚度好。 机床进给系统的结构全部走出(或部分)工作台，最大限度地减轻移动零件的质量和惯性，是高速加工机床结构布局设计的总原则。4.5什么是虚拟轴机床？它的结构特征是什么？与传统机床相比，它有什么主要优点？虚拟轴机床的底座和主轴台之间用6根棒并联连接，称为并联结构。 x、y、z三个坐标轴的运动是通过六根棒同时结合进行伸缩运动来实现的。 主轴箱的受力由六根棒分担负担，一根棒的受力相当小，只承受拉伸力和压力，不承受弯矩和扭矩。 因此具有刚性高、移动部件质量小、结构简单、部件数量多、并联结构机床突出的优点。4.6对数控机床主传动系统的基本要求是什么？数控机床中实现主传动的无级变速方式主要有几种？数控机床主传动系统的基本要求：为了达到最佳切削效果，一般必须在最佳切削条件下工作，所以主轴要求能自动地实现无级变速。机床主轴系统需要足够高的转速和足够的功率，以满足高速高效的加工需求。为了降低噪音、减轻发热、减少振动，主传动系统简化结构，减少传动部件。在加工中心，为了安装工具和工具更换，需要自动夹紧装置和主轴的方向对准停止装置，保证工具和主轴、工具库、机器人的正确啮合。为了扩大机床的功能，实现c轴位置(主轴旋转角度)的控制，需要在主轴上设置位置检测装置来实现主轴位置的控制。实现主传动的无级变速方式主要有：使用交流主轴驱动系统实现无级变速传动；使用带逆变器的逆变器电机和一般交流电机实现无级变速的方式；在高速加工机床中，广泛使用主轴和电机一体化的新功能部件电主轴。 主轴电机转子与主轴一体，不需要动力传递部件，可以使主轴高速旋转数万圈，甚至十数万圈。4.7数控机床主传动增加辅助机械变速装置的作用是什么？大中型数控机床为了在主轴低速时获得大扭矩，扩大定功率调速范围，通常在使用无级变速传动的基础上，还追加补充二级或三级辅助机械变速机构。 采用分段变速方式，确保低速时的大扭矩，扩大定功率调速范围，满足机床重切削时扭矩的要求。4.8什么是电主轴？数控机床采用电主轴的优点是什么？与电主轴外形各不相同，但实质上是转子的中空电动机。 在高速加工机床中，多使用电动机转子和主轴一体化的电主轴，主轴能达到数万转，更能达到十数万转的高速，主轴传动系统结构更简单，刚性更好。4.9常用的主轴承有几种？性能的差异是什么？常用的主轴承如下所示锥孔双列圆柱