数控机床电气控制试题库及答案

数控机床电气控制试题库及答案一、填空题1.数控机床的电气控制系统主要由______、______、______、______及______等部分组成。2.数控系统（CNC）的核心功能是进行______和______。3.伺服驱动系统根据控制对象的不同，可分为______伺服系统和______伺服系统。4.在数控机床中，用于检测工作台或刀具实际位置的装置称为______，其反馈信号与指令信号比较后产生的偏差信号用于控制______，构成______控制。5.数控机床常用的低压电器中，用于频繁接通和分断主电路，并能实现过载、短路、欠压保护的电器是______。6.步进电动机是一种将______信号转换成______信号的执行元件，其转速与______成正比，转向取决于______。7.交流伺服电动机通常采用______控制方式，通过改变______的幅值和相位来控制其转速和转矩。8.可编程逻辑控制器（PLC）在数控机床中主要用于实现______控制，其程序执行采用______的工作方式。9.数控机床的电磁兼容性（EMC）设计主要包括______和______两个方面。10.数控系统的急停控制回路必须采用______触点，并符合______安全标准。二、单项选择题1.下列哪项不属于数控机床电气控制的基本要求？（）A.高可靠性B.高精度C.良好的经济性D.复杂的操作界面2.数控机床主轴驱动系统中，为了实现宽范围的无级调速，现代数控机床普遍采用（）。A.普通三相异步电动机B.直流调速电动机C.交流变频调速电动机D.步进电动机3.下列检测元件中，属于直接测量元件的是（）。A.旋转变压器B.光电编码器（安装在丝杠端）C.光栅尺D.感应同步器（直线式）4.数控机床的PLC信息交换中，从CNC到机床的信号称为（）。A.M、S、T功能代码B.G功能代码C.机床操作面板的输入信号D.机床侧的开关量状态信号5.关于步进电动机的细分驱动技术，其主要目的是（）。A.提高电动机的输出功率B.提高电动机的转速C.提高步距角的分辨率，使运行更平稳D.降低驱动电路的功耗6.在数控机床电气原理图中，图形符号“”通常表示（）。A.常开触点B.常闭触点C.线圈D.熔断器7.数控系统实现刀具半径补偿功能，主要是为了（）。A.简化编程，直接按零件轮廓编程B.提高主轴转速C.提高进给速度D.自动换刀8.下列哪种电动机的调速性能最好，且机械特性硬？（）A.三相鼠笼式异步电动机B.三相绕线式异步电动机C.永磁同步伺服电动机D.反应式步进电动机9.数控机床接地系统中的“保护接地”主要目的是（）。A.防止静电积累B.为系统提供零电位参考点C.防止因绝缘损坏导致设备外壳带电而引发触电事故D.抑制电磁干扰10.FANUC等数控系统中，用于设定机床坐标系原点的指令是（）。A.G90B.G91C.G92D.G54三、多项选择题1.数控机床对进给伺服系统的主要要求包括（）。A.调速范围宽B.定位精度高C.响应速度快D.足够的输出转矩E.低速大转矩，高速恒功率2.下列属于数控机床常用位置检测装置的有（）。A.测速发电机B.绝对式光电编码器C.增量式光电编码器D.磁栅尺E.电流互感器3.数控机床中，PLC可以处理的控制信号包括（）。A.主轴正反转启停B.冷却液开关C.刀库选刀及换刀D.直线插补运算E.工作台夹紧与松开4.交流伺服驱动系统相比于直流伺服驱动系统的优点有（）。A.结构简单，维护方便B.转子惯量小，动态响应好C.调速范围更宽D.不存在电刷磨损问题，寿命长E.制造成本更低5.数控机床电气故障的常用诊断方法有（）。A.直观检查法B.系统自诊断法C.参数检查法D.备件置换法E.测量比较法四、判断题1.数控机床的电气控制柜可以与强电磁干扰源放置在一起，只要线路连接牢固即可。（）2.增量式光电编码器在断电后能记忆当前位置，重新上电无需回零。（）3.伺服驱动器的“使能”信号有效是伺服电机能够正常运行的前提条件之一。（）4.数控机床的急停按钮被按下后，仅切断伺服驱动器的电源，主轴和冷却泵应继续运行。（）5.G代码是准备功能代码，用于指定机床的运动方式；M代码是辅助功能代码，用于控制机床的辅助动作。（）6.数控系统的插补功能是指在已知曲线的起点和终点之间，进行“数据点的密化”工作。（）7.开环控制的数控机床没有位置检测反馈装置，其精度主要取决于步进电机和传动机构的性能。（）8.PLC的输入模块用于接收来自机床侧的开关量信号，如按钮、行程开关的状态。（）9.数控机床的主轴定向控制功能，是为了实现自动换刀时保证刀柄的键槽与主轴上的键对准。（）10.在数控车床中，X轴的脉冲当量通常设定为Z轴脉冲当量的一半。（）五、简答题1.简述数控机床闭环控制系统与半闭环控制系统在结构组成、精度及适用场合上的主要区别。2.说明在数控机床电气控制中，采用PLC进行逻辑控制相比传统继电器-接触器控制有哪些优势。3.列举并简要说明数控机床进给传动中对伺服电动机的三大基本要求。4.什么是数控系统的“回参考点”操作？其目的是什么？5.简述数控机床主轴驱动系统应满足的要求。六、分析计算题1.某数控车床采用半闭环控制系统，其X轴滚珠丝杠的导程为6mm，与伺服电机直联，伺服电机内置增量式光电编码器，编码器每转脉冲数为2500p/r。伺服驱动器采用4倍频电路。请计算：(1)该编码器经倍频后，电机每转的反馈脉冲数是多少？(2)该轴的系统脉冲当量（即一个指令脉冲对应的工作台移动距离）是多少mm？(3)若CNC发出10000个脉冲指令，工作台在理论上移动多少毫米？2.一台加工中心的换刀装置（刀库）由PLC控制。换刀过程的一个子步骤是“主轴准停”。请根据以下I/O信号，用梯形图或语句表的形式描述“主轴准停”的控制逻辑。输入信号：准停启动按钮I0.0(常开)，主轴准停到位传感器I0.1(常闭触点，到位时断开)。输出信号：主轴定向控制Q0.0(得电有效)，准停完成指示灯Q0.1。控制要求：按下准停启动按钮I0.0后，PLC输出Q0.0有效，控制主轴进行定向。当主轴准停到位传感器I0.1检测到到位信号（其常闭触点断开）时，PLC断开Q0.0，停止定向控制，同时点亮准停完成指示灯Q0.1。指示灯需保持点亮直至下一次启动准停。七、综合应用题某立式数控铣床，在自动加工过程中突然出现X轴剧烈抖动、尖叫并伴随超差报警的故障。作为维修人员，请根据故障现象，系统分析可能导致此故障的电气原因（至少列出5种），并简述相应的排查思路。答案与解析一、填空题1.数控系统（CNC）、伺服驱动系统、检测反馈系统、机床强电控制柜、操作面板。解析：这是数控机床电气控制系统的五大核心组成部分。2.轨迹插补、逻辑控制。解析：CNC的核心一是根据程序计算刀具运动轨迹（插补），二是协调机床各部件动作（逻辑控制，常由内置PLC完成）。3.进给、主轴。解析：伺服驱动系统包括控制各坐标轴运动的进给伺服系统和控制主轴旋转的主轴伺服系统。4.检测反馈装置、伺服驱动器、闭环。解析：这是闭环（含半闭环）伺服系统的基本工作原理：检测实际位置，与指令比较形成偏差，驱动执行元件消除偏差。5.低压断路器（或空气开关）。解析：低压断路器具备所述多种保护功能，用于电源总开关或主回路保护。6.电脉冲、角位移（或直线位移）、脉冲频率、脉冲的顺序。解析：步进电机是典型的数字控制电机，每输入一个脉冲，转过一个固定的角度。7.矢量控制（或磁场定向控制）、定子电流。解析：现代交流伺服电机普遍采用矢量控制，通过解耦控制定子电流的转矩分量和励磁分量来实现高性能控制。8.顺序逻辑（或开关量）、循环扫描。解析：PLC擅长处理开关量逻辑，其程序按顺序循环扫描执行。9.抑制干扰发射、提高抗干扰能力。解析：EMC包括设备不对外产生过大干扰（EMI）和能抵抗外界干扰（EMS）。10.常闭、安全回路（或冗余、强制断开）。解析：急停回路必须采用常闭触点，确保线路断开时触发急停，符合安全回路设计原则，如ISO13849。二、单项选择题1.D。解析：数控机床追求高可靠性、高精度和良好的经济性，操作界面应友好、易用，而非复杂。2.C。解析：交流变频调速电动机具有调速范围宽、性能好、维护简单等优点，已成为主流。3.C。解析：光栅尺直接安装在工作台上，测量工作台的实际直线位移，属于直接测量。B选项安装在丝杠端为间接测量。4.A。解析：CNC到PLC的信号主要是控制机床动作的辅助功能代码，如M（辅助）、S（主轴转速）、T（刀具）代码。5.C。解析：细分驱动通过改变各相绕组电流的波形，将一个步距角细分成若干步，主要目的是减小步距角，提高分辨率和平稳性。6.B。解析：在电气原理图中，此符号通常代表常闭触点。7.A。解析：刀具半径补偿使编程者无需计算刀具中心轨迹，直接按零件轮廓编程，由系统自动计算偏移轨迹。8.C。解析：永磁同步伺服电动机具有优异的调速性能，机械特性很硬，低速性能好，是高性能进给驱动的首选。9.C。解析：保护接地是将电气设备金属外壳接地，防止绝缘损坏时外壳带电造成触电事故。10.D。解析：G54~G59是用于选择预先设定的工件坐标系（零点偏置）。G92是设定当前点坐标值，但现代系统多用G54系列。三、多项选择题1.ABCD。解析：进给伺服要求调速范围宽、精度高、响应快、转矩足。E选项“低速大转矩，高速恒功率”是主轴驱动的典型要求。2.BCD。解析：A测速发电机用于速度检测，E电流互感器用于电流检测，均非直接位置检测。B、C、D均为常用位置检测元件。3.ABCE。解析：PLC处理开关量逻辑控制。D选项“直线插补运算”是CNC的核心计算功能，由CNC的插补器完成。4.ABD。解析：交流伺服电机无电刷，结构简单耐用，维护量小，转子惯量小。C选项两者均可做到很宽调速范围；E选项高性能交流伺服成本并不低。5.ABCDE。解析：所有选项都是数控机床电气故障诊断的常用有效方法。四、判断题1.错。解析：强电磁干扰会严重影响数控系统的稳定性，控制柜应远离干扰源并采取屏蔽措施。2.错。解析：增量式编码器断电后失去位置记忆，上电后必须通过“回参考点”操作建立坐标系原点。3.对。解析：“使能”信号是伺服驱动器工作的软件开关，通常由CNC或PLC控制，有效时驱动器才响应指令。4.错。解析：急停按钮按下后，应切断所有可能引起危险的运动部件动力源，包括伺服轴、主轴、冷却泵等。5.对。解析：这是G代码和M代码的基本定义。6.对。解析：插补就是在轮廓起点和终点之间，计算出若干中间点的坐标，控制刀具沿这些点运动。7.对。解析：开环系统无反馈，精度取决于步进电机步距角精度和机械传动间隙、误差等。8.对。解析：PLC输入模块接收外部开关信号，将其转换为PLC内部可处理的电平信号。9.对。解析：主轴定向（准停）是自动换刀的关键步骤，确保刀柄键槽与主轴驱动键对准，实现准确换刀。10.对。解析：在数控车床中，X轴为直径方向，其移动量反映在工件上是直径变化。为使编程直观（按直径编程），常将X轴脉冲当量设为Z轴（径向）的一半。五、简答题1.答：结构组成：闭环系统在机床移动部件（工作台）上安装直线检测元件（如光栅尺），直接检测实际位移并反馈。半闭环系统在伺服电机轴或丝杠端安装角检测元件（如编码器），间接检测位移并反馈。精度：闭环系统直接检测最终输出，能补偿丝杠螺距误差、反向间隙及热变形等机械误差，理论上精度更高。半闭环系统无法检测和补偿丝杠与工作台之间的机械传动误差。适用场合：闭环系统用于高精度、大型数控机床。半闭环系统结构简单、稳定性好、成本较低，广泛应用于大多数中、高档数控机床。2.答：可靠性高：PLC采用半导体集成电路，无机械触点，寿命长，抗干扰能力强。灵活性强：通过修改程序即可改变控制逻辑，无需改变硬件接线，适应工艺变更。功能强大：除基本逻辑控制外，具备计时、计数、数据处理、通信联网等功能。体积小，维护方便：结构紧凑，配有自诊断功能，故障易查找。开发周期短：采用梯形图等直观语言编程，设计、调试简便。3.答：调速范围宽：能在低速切削（如0.1mm/min）和快速移动（如24m/min）时都能平稳工作，满足各种工艺要求。输出转矩大：特别是低速时要有足够大的转矩，以克服切削力、摩擦力等负载。动态响应快：对指令信号能快速跟踪响应，保证系统的灵敏度和轮廓加工精度。4.答：“回参考点”操作：是数控机床上电后，通过手动或自动方式，令各数控轴移动至机床坐标系中一个固定点的过程。该固定点由机床制造厂通过物理限位开关或编码器的“零脉冲”信号确定。目的：①建立机床坐标系。机床坐标系是其他所有坐标系的基准。②对于使用增量式检测元件的系统，在断电后失去位置记忆，回参考点是重新确立坐标原点的必要操作。③消除多次操作后可能积累的误差。5.答：输出功率大：能提供足够的切削功率。调速范围宽：实现无级调速，满足不同材料、刀具、工序对转速的要求。恒功率范围宽：在高速段能保持恒定功率输出，提高加工效率。具有四象限驱动能力：能正反转，并能实现电动和制动运行。具有准停功能：为自动换刀提供位置控制。具有恒线速切削控制功能：车削时保持工件表面切削速度恒定。可靠性高，振动、噪声小。六、分析计算题1.解：(1)编码器倍频后每转脉冲数：2500(2)系统脉冲当量（δ）：电机每转对应工作台移动一个导程（6mm）。因此，δ(3)工作台移动距离：S答：(1)10000p/r；(2)0.0006mm/p；(3)6mm。2.解：（采用梯形图描述）```Network1:启动主轴定向并自锁I0.0(常开)Q0.0(常开)-----------/----------------(Q0.0)+-------+Q0.0Network2:到位检测及指示灯输出I0.1(常闭)Q0.0|/|------------|/|------------(Q0.1)```（采用语句表描述）```LDI0.0//加载准停启动按钮信号ANI0.1//与“非”准停到位信号（常闭触点，到位时为0）ANQ0.0//与“非”Q0.0自身状态（实现停止）=Q0.0//输出给主轴定向控制LDNI0.1//加载“非”准停到位信号（到位时I0.1=0，则本行条件为1）ANQ0.0//且定向控制已停止（Q0.0=0）=Q0.1//输出准停完成指示灯```解析：Network1中，I0.0按下，且主轴未到位（I0.1常闭触点初始闭合），则Q0.0得电并自锁，启动定向。当定向到位，I0.1断开，其常闭触点断开，切断Q0.0自锁回路，Q0.0失电，定向停止。Network2中，当到位（I0.1断开）且定向已停止（Q0.0失电）时，Q0.1得电，指示灯亮。该指示灯将一直保持，直到下一次I0.0按下，Q0.0重新得电，其常闭触点断开，才会熄灭Q0.1。七、综合应用题答：可能导致X轴剧烈抖动、尖叫并超差的电气原因及排查思路如下：1.伺服驱动器参数设置不当：原因：增益参数（位置环增益、速度环增益）设置过高，导致系统振荡；或积分时间常数等参数不匹配。排查：检查驱动器相关参数，与出厂值或备份值对比。可尝试适当降低速度环增益，或重新进行伺服参数优化、自适应调整。2.伺服电机或编码器连接故障：原因：编码器反馈电缆接触不良、断线或受到干扰，导致反馈信号异常，使系统工作在不稳定状态。排查：检查编码器反馈电缆的插头、插座是否紧固，屏蔽层是否完好。可测量电缆通断，或使用示波器观察反馈信号波形。尝试