1绪论
1.1课题研究的背景及意义
数控技术是先进制造技术的关键技术之一，随着制造自动化水平和加工精度的提高，数控技术必将在未来的现代制造中起着非常重要的作用。
伺服系统（Servo System）是自动控制系统的一个分支，通常应用闭环控制结构来控制被控制对象的某种状态，使其能自动、连续、精确的复现输入信号的变化规律。伺服控制技术伴随着电力电子技术、计算机技术和控制理论的发展而发展。在主流的电机伺服系统中，电机控制技术是伺服控制的核心。
交流电机的控制方法一直是研究的热点。20世纪70年代产生的矢量控制技术，对交流电机的控制产生了划时代的影响。矢量控制在理论上解决了交流电机的转矩控制问题，实现了交流电机模型的解耦，使其控制性能发生了质的飞越。随着多年的发展，交流伺服系统正逐步取代直流系统成为运动控制系统的主流。目前，矢量控制是交流电机应用最广泛、最有效的控制方法。
数控机床的伺服系统是数控机床关键功能部件，是机床运动的最终执行件。伺服系统的特性一直是影响系统加工性能的重要指标，其性能对加工精度与加工效率都起着重要的作用，在整个数控机床的成本构成中伺服系统也占有相当大的比例。所以，一个高精度，高性能的数控机床必须配置与之相适应的高性能的伺服驱动系统，才能充分发挥整个数控机床的性能与优势。
随着交流伺服技术的发展，交流伺服已逐步占据数控机床伺服系统的主导地位。由于通过采用矢量控制等先进的控制方法，交流伺服性能迅速提高，目前无论是数控系统的进给伺服驱动，还是主轴驱动，交流伺服系统都处于主流地位，正逐步淘汰直流伺服系统。现在国内外的数控产品的伺服系统绝大多数采用交流系统。因此，从数控加工特点出发，以矢量控制为着眼点，研究交流伺服系统的控制技术，紧跟其它学科先进技术的发展，消化吸收前沿技术，进一步推进数控技术，制造技术的完善和发展，有着十分重要的意义。
同时，作为现代伺服系统主流的交流伺服技术，是研制开发各种先进的机电一体化设备，如数控机床、加工中心、工业机器人等的关键性技术。目前，高性能数控机床和工业机器人所采用的电机伺服系统仍然主要依靠进口，这种现状限制了我国相关产业的发展。同时，矢量控制技术是目前交流伺服系统运用最多，最适宜实用化的交流伺服系统控制技术。因此，通过借鉴国外研究工作的先进经验，以交流电机控制为研究对象，从矢量控制技术着眼，以数控加工技术为结合点，对交流伺服系统的控制进行研究和仿真，开发高性能的交流伺服系统，对于
促进我国数控机床工业，制造自动化领域及工业自动化等领域的发展，有着非常重要的意义。
1.2国内外的研究现状及分析
1.2.1数控机床伺服系统的发展现状及分析
数控机床的伺服系统在经历了开环的步进电机系统、直流伺服系统两个阶段之后，目前已进入交流伺服系统阶段。随着电力电子技术、计算机技术及控制理论的迅速发展，目前交流伺服系统已经处于主导地位。
交流伺服系统控制可分为感应电机（IM）控制和永磁同步电机（PMSM）控制两大类。目前，由这两类电机组成的高性能交流伺服驱动装置已占据了主导地位。永磁同步交流电机体积小，力矩惯量比大，过载能力强，通过运用矢量控制，控制精度高，性能好，但造价相对较贵，容量相对较小。因此，采用矢量控制永磁同步电机主要应用在高精度，高性能，但功率不大的场合。目前，采用矢量控制的永磁同步电机在高精度、高性能的中小功率伺服领域（如数控机床进给伺服，机器人等）占有不可动摇的地位，永磁交流同步电机已经成为数控机床进给伺服系统的主流。异步电机结构简单，成本低廉，可靠性高，且容易实现大容量，但其参数易受温度影响，控制精度不稳定。所以，采用矢量控制的异步电机多用在功率较大、精度要求不太高的场合。而数控机床的主轴驱动要求提供很大的功率，若使用永磁同步电机，则容量受到限制不易做到大容量。而采用矢量控制的异步电机作为主轴驱动，可提高主轴定位控制的刚性和精度，完全能满足高性能的数控装备主轴驱动的要求。目前，异步电机在主轴驱动系统中处于主导地位，国内外的数控产品中，主轴的驱动大多是采用矢量控制的交流异步电机。
作为数控机床的重要功能部件，伺服系统的特性一直是影响系统加工性能的重要指标。围绕伺服系统动态特性与静态特性的提高，近年来发展了多种伺服驱动技术。可以预见随着超高速切削、超精密加工、网络制造等先进制造技术的发展，具有网络接口的全数字伺服系统、直线电机及高速电主轴等将成为数控机床行业的关注的热点，并成为伺服系统的发展方向。总的来说其发展趋势主要有以下几个方面：
(1)交流系统将完全取代直流系统
伺服技术将迅速的由DC伺服系统转向AC伺服系统。从目前国际市场的情况来看，几乎所有的新产品都是AC伺服系统。在工业发达国家，AC伺服电机在运动控制市场占主导地位，国内的AC伺服电机产量也是迅速上升，技术进步很快，性能也日益提高。
(2)全数字化
采用新型高速微处理器和专用数字信号处理器（DSP）的伺服控制单元将全面代替以模拟电子器件为主的伺服控制单元，从而实现完全数字化的交流伺服系统。全数字化的实现，将原有的硬件伺服控制变成了软件伺服控制，从而使在交流伺服系统中应用现代控制理论的先进算法（如最优控制，人工智能，模糊控制，神经网络等）成为可能。
(3)高度集成化
新的交流伺服系统改变了划分为速度伺服单元与位置服单元两个模块的做法，而是用单一的，高度集成化，多功能的控制单元。
(4)智能化
最新数字化的伺服控制单元的智能化主要是应用专家系统、模糊逻辑及神经网络理论来实现自学习或自组织控制，具有故障自诊断与分析功能[；具有参数自整定等。
(5)模块化和网络化
目前，在工厂自动化技术迅速发展的基础上，伺服系统都配置了标准的通信接口和专用的总线接口（如西门子的ProfiBus）这些接口显著的增强了伺服系统与CNC之间的互联，而且若干台伺服单元与上位机，以及PLC等连成功能网络，从而大大提高了自动化水平。
1.2.2交流伺服系统的发展及现状
综观文献，为了获得高性能交流伺服驱动控制系统，提升伺服运动控制性能，国内外的相关研究工作正围绕以下几个方面展开：
(1)应用矢量变换控制技术及现代控制理论
交流电机是一个多变量、非线性的被控制对象，过去的电压/频率恒定控制是从电机稳态方程出发研究其控制特性，以标量控制的手段去控制电机，动态控制效果均不理想。而矢量控制用矢量变换的方法研究电机的动态控制过程，不但控制各变量的幅值，同时控制其相位，实现了交流电机磁通和转矩的解耦控制，从而促进了交流电机控制系统走向实用化。此外，为解决系统复杂性和控制精度之间的矛盾，又提出了一些新的控制方法，如直接转矩控制，电压定向控制和定子磁场定向控制等。特别是计算机应用于实时控制后，使得模糊控制，神经控制，自学习专家系统等智能控制理论得到了应用。
(2)采用新型电力电子器件和脉宽调制控制技术
变频传动系统的性能与电力半导体器件的电气性能有直接关系。目前，电力电子器件正在向高压、大功率、高频化、组合化和智能化方向发展。新的可关断器件的实用化，使得高频化PWM技术成为可能。另外集驱动、保护、功率变换于一体的智能功率模块IPM广泛应用，从而为高性能的交流伺服控制系统的发展提
供了物质保证。
(3)广泛应用计算机技术
随着微电子技术的发展，数字式控制处理芯片的规模，运算能力和可靠性得到了很大提高，使得以数字信号处理器（DSP，Digital Signal Processor）和高性能的单片机为核心的全数字化控制系统广泛的应用于高性能伺服控制系统中，取代了以前的模拟器件控制系统。同时，计算机在交流伺服系统的设计和仿真上的应用，使得伺服系统的设计进入了一个新的时期。
综上所述，交流电机控制系统正向集成化、数字化、智能化、模块化方向发展，从软件设计方面，采用微处理器和先进的数字信号处理器，使得先进的控制理论、现代控制理论、智能控制理论等新理论、新方法能够用于交流调速系统的实时在线控制中，从而大大提高系统控制性能。
1.3本论文的主要的研究内容
本论文主要是在研究交流电机的数学模型的基础上，根据交流伺服电机矢量控制理论，针对数控机床的进给伺服和主轴驱动，分别对交流永磁同步电机和异步感应电机的矢量控制系统进行了设计，并进行了系统的仿真研究，其次编制了矢量控制算法的软件程序。本论文主要围绕以下几个方面展开工作：
(1)分析交流电机矢量控制的基本原理和方法，并在理论分析的基础上对交流电机矢量控制的等效数学模型进行推导，得出其控制基本方程；
(2)基于矢量控制理论，分别建立永磁同步电机和异步电机的矢量控制系统模型，并对系统主要功能模块进行重点设计和分析；
(3)采用Matlab/Simulink对建立的异步电机的矢量控制系统进行仿真研究，以验证系统设计的正确性和有效性，并验证矢量控制系统的性能。
2交流伺服系统矢量控制的原理
2.1矢量控制的技术背景
直流电机控制简单且性能优异，但是由于有电刷，它存在着不可克服的弱点，易磨损，产生火花，维护困难，可靠性低。而交流电机结构简单，容易制造，价格便宜，坚固耐用、运行可靠，正好弥补了直流电机的缺陷。但是，交流电机的控制却比较复杂。所以一直以来，人们在寻找一种控制方法来模拟直流电机的理论和方法去控制交流电机。这就是矢量控制产生的技术背景。直到1971年，德国学者F.Blaschke等提出“感应电机磁场定向控制原理”，矢量控制理论被正式提出，使交流电机控制理论获得了一次质的飞跃。它从理论上证明了异步电机传动系统的动态特性可以得到极大的改善。矢量控制采用矢量变换的方法，通过把交流电机的磁通与转矩控制解耦，得出交流电机新的等效模型，使交流电机的控制等效于简单且技术成熟的直流电机来控制，大大提高了交流电机的控制性能，成为交流传动控制的基本方法。
2.2矢量控制的基本原理
2.2.1交流电机系统的特点
交流电机最有代表性且应用最广泛的有永磁同步电机（PMSM）和三相异步电机两类。从矢量控制角度，二者的矢量控制原理是一样的，只是异步电机的控制更复杂一些，且永磁同步电机是它的一个特例。因此，本章以三相异步电机为例来论述交流电机的矢量控制原理。
人类的认识规律总是由已知理论推导未知理论的，矢量控制正是通过等效模拟直流电机控制去控制交流电机。我们很容易控制直流电机的转速，并且得到优良的静、动态特性，用同样的理论和方法去控制三相鼠笼式异步电机却达不到预期的目的。这是因为直流电机数学模型简单，主要物理量之间关系解耦，电机的转速便于控制。可以应用经典的线性控制理论和工程设计方法进行分析和设计，并且能得到优良的静、动态特性。
但是，同样的理论和方法来分析、设计交流调速系统却不行，因为交流电机的数学模型十分复杂，主要物理量之间存在着很强的耦合关系。交流电机的数学模型和直流电机模型有着本质的区别。三相异步电动机模型的特点：
(1)多输入多输出系统
输入量有电压（或电流）,,
U a U b U c和频率f共四个；输出量有两个，主磁通ψ和转速n；
(2)强耦合系统
输入量和输出量相互关联，是一个强耦合系统；
(3)非线性系统
磁通乘电流产生转矩，转速乘磁通得感应电势，由于磁通、电流、转速都是时变的，数学模型中含有两个变量的乘积项，即使不考虑饱和等其他因素，系统也是非线性的；
(4)高阶系统
电感矩阵是6×6，再考虑机电时间常数，即使忽略变频装置的滞后因素，系统至少也是一个7阶系统。
2.2.2矢量控制的基本原理
由电机学理论可知，任何电动机的电磁转矩都是由主磁场和电枢磁场相互作用而产生的。矢量控制原理正是从交流和直流电机的磁场关系的等效中产生的。首先将交流异步电机和直流电机的磁场情况作一下比较：
(1)直流电机的励磁电路和电枢电路是相互独立的；而交流电机的励磁电流和转矩电流都在定子电路内部，而且是耦合在一起的，无法分开；
(2)直流电机的主磁场和电枢磁场在空间上互差90度；而交流异步电机的主磁场与转子电流磁场间的夹角与功率因数有关；
(3)直流电机是通过分别独立的调节励磁磁场和转矩磁场来进行调速的；交流电机因为二者耦合则不能。
所以，在交流电机的控制中，如果也能够对转矩电流和励磁电流分别进行独立的控制，并使它们的磁场在空间位置上也能互差90?，则交流电机的调速性能就可与直流电机相媲美了。矢量控制实际就是从磁场角度将交流电机通过等效变换去模拟直流电机进行控制的控制方法。
矢量控制通过磁场等效变换，实现转矩电流和励磁电流的独立控制，并使它们产生的磁场在空间上相差90?。由电机学电磁理论可知，任意多相绕组通以多相平衡电流，都能产生旋转磁场。下面是产生旋转磁场的三种方法
(1)三相交流电流产生的旋转磁场
如图2-1a所示，三相固定绕组A,B,C，它们在空间上相差120°，在绕组上通以三相平衡的交流电流，三相电流在相位上也互相差120°。对三相绕组通入三相交流电后，其合成磁场（ωt=0状态时）如图2-1b所示。
(a) 三相固定磁场（b）合成磁场（c）两相固定磁场（b）合成磁场
图2-1 三相绕组图2-2 两相绕组
(2)两相交流产生的旋转磁场
如图2-2a，两相固定绕组α,β。这两相绕组在空间上相差90°，通以两相平衡电流,i iαβ在相位上相差90°。两相绕组通入两相电流后，其合成磁场（ωt=0状态时）如图2-2b所示，由电磁理论可知，两相合成磁场与三相旋转磁场的合成磁场完全等效。
(3)旋转的直流绕组产生的旋转磁场
在如图2-3a所示的旋转体上，放置一个直流绕组M。M内通入直流电流，这样它将产生一个恒定磁场。这个恒定磁场不是旋转的，但当直流绕组旋转时，恒定磁场也随之旋转，在空间形成一个旋转磁场。同理，如果在旋转体上放置两个互相垂直的直流绕组M、T，则当给这两个绕组分别通入直流电流时，它们的合成磁场仍然是恒定磁场，而当旋转体旋转时，该合成磁场也随之旋转，称为旋转直流合成磁场。显然，此时M，T两个直流绕组是互相独立的，可以分别调节它们。这也就是实现了对励磁电流和转矩电流的分别控制，而且如果调节两路直流电流中的任何一个，直流合成磁场的感应强度也得到了调整。
(a) 旋转直流绕组产生的磁场（b）两个旋转直流绕组产生的磁场
图2-3 两相旋转绕组
假设，如果用上述三种方法产生的旋转磁场完全相同（磁极对数相同，磁感应强度相同，磁场旋转速度相同），则这时的三相磁场，两相磁场，以及旋转直
流绕组产生的磁场系统是等效的。也就是说，在一定条件下，在磁场的坐标空间变换中，这三种旋转磁场之间可以相互进行等效转换。也就是说一个交流耦合量，在一定条件下可以通过上述两个变换变换为直流量。将交流耦合量经过等效变换为解耦的直流量，这就是交流电机矢量控制的基本思想所在。
对于上面三种系统，通常第一种称为三相交流系统，第二种称为两相交流系统，第三种称为旋转的直流系统。它们之间可以作等效变换，其中两相系统起变换中介过渡的作用。通常，把三相交流系统向两相交流系统的转换称为Clarke 变换，或称为3/2变换；两相系统向三相系统得转换称为Clarke逆变换，或2/3变换；把两相交流系统向旋转的直流系统得转换称为Park变换，或称为交/直变换，旋转的直流系统向两相交流系统的转换称为Park逆变换，或称为直/交变换。
正是这两个变换及其逆变换，使得原来耦合复杂的交流电机系统数学模型实现了解耦，能够实现对转矩电流和励磁电流的独立控制，从而去控制交流电机，实现交流电机良好的控制性能。
矢量控制的基本原理可以用图2-4来说明，给定信号分解为两个互相垂直且独立的直流信号,d q
i i它们通过控制器的调节控制，成为了基本的控制信号，然后经过Park逆变换和Clarke逆变换得到等效的三相交流信号,,
i i i，从而通过
A B C
控制逆变电路实现对交流电机的控制。
同样，在运行过程中实时检测的三相交流信号的反馈,,
i i i，又等效变换
A B C
成两个互相垂直的直流信号，反馈到控制端，用来修正基本的控制信,d q
i i从而实现交流电机的控制，这就是矢量控制的基本原理。
2.3矢量控制中坐标变换的推导
交流电机内的磁场是由定子、转子三相绕组的磁势产生的，由电机旋转磁场理论可知，向对称的三相绕组中通以对称的三相正弦电流，产生合成磁势，它是一个在空间旋转的空间矢量。如果用磁势矢量或电流空间矢量来描述前文所述的三种磁场，并在它们之间进行坐标变换，就成为矢量坐标变换。
交流电机矢量控制之所以控制性能优异，关键是通过了等效变换，这也是矢量控制理论的核心。下面进行矢量控制中的坐标变换的推导。
由物理学和电机学知识，矢量变换必须遵循以下原则：1)变换前后电流产生的旋转磁场等效，即总磁势相等；2)变换前后系统的总功率相等。
2.3.1静止三相坐标系到静止二相坐标系的变换
静止三相坐标系A、B、C和静止二相坐标系α,β之间的变换为Clarke变换其坐标系如图2-5所示。假设α轴和A轴重合，三相绕组每相有效匝数3
N，二相绕组每相有效匝数2
N。32s s
C为Clarke变换矩阵，以电流为例，则
32=A s
s B
C i i C i i i αβ????
????????
????
（2-1）
为了便于推导变换矩阵，在不影响变换结果的前提下，增加一个假想的零轴电流o i ，(+)0
o
A B C i k i i i =+=为待定常数。利用变换前后总磁势相等的原则，则
静止二相和三相绕组的总磁势在α轴和β轴上投影应相等，即
图2-5 静止坐标系
图
2-6 二相旋转与静止坐标系间变换
23332333C cos 60cos 600sin 60sin 602()A B C B C o A B N i N i N i N i N i N i N i N i N k i i i αα?=--?
=+-??
=++?
（2-2）
将式(2-2)化简并写成矩阵形式，有
1
1
2
23322
10.A A B s B s
o C C i i i N i i C i
N i k k
k i i αβ-
-????
????????????==??????
??????????????
??
?
? （2-3）
所以，有
O
A
B C α β θ
α
d
q
β
11
2
23322
10s
s
N C N k k
k -
-????=
?????
?
（2-4） 然后，利用变换前后总功率相等的原则，假设某系统变换前的电压向量u ，电流向量i ，变换后的电压向量u ′，电流向量i ′，它们都为N 维列向量，
'
'
i c i
u c u
?=??=?? （2-5） 式中c 为变换矩阵，由于不同坐标系变换前后的总功率相等，即必须满足
''
T T i u i u = （2-6）
将式(2-5)带入式(2-6)则有
'''
'
()T
T
T T
i u ci cu i c cu = （2-7）
比较式(2-6)与式(2-7)，可得，
T
c c E
=
其中，E 为单位矩阵，从数学上有1c c
E
-=，所以1
T
c c
-=，即有
3322.s s s s T
C C E = （2-8）
将式(2-4)代入式(2-8)，解得
32
k N N ?=?
?
?
?=?? （2-9） 将式(2-9)代入式(2-4)，再代入式(2-3)，有
（2-10）
2.3.2静止二相坐标系到静止三相坐标系的变换
设静止二相坐标系电流为
2T
i i i α
β??=?? （2-11）
静止三相坐标系电流
[]3T
A
B
C
i i i i = （2-12）
则由式(2-1)，有322
3
s s
i C i =将其左乘321
s s
C -，则得
321
32.s
s
i C i -= （2-13）
设为32s
s
C
为Clarke 逆变换矩阵，比较式(2-13)与式(2-1)，有
23321
s s s s
C C -= （2-14）
所以
12212
2A B C i i i ??
????
??
-??=?????
????
?--
???? （2-15） 2.3.3旋转二相坐标系到静止二相坐标系的变换
旋转二相坐标系用d 轴、q 轴表示，d 轴与q 轴互相垂直，d 轴与α轴夹角为θ，d -q 轴旋转速度为ω，d d t
θ
ω
=，坐标系如图2-6所示，22r s
C 为Park
逆变换矩阵，则旋转二相坐标系变换到静止二相坐标系表达式为
22.d r s
q i i C i i αβ????
=????????
（2-16）
根据变换前后的总磁势瞬时值相等的原则，由于各绕组的匝数是相等，所以可以消去磁势中的匝数，并用电流来表示磁势，同样向α,β轴投影，则有
co s sin sin co s d q d q i i i i i i αβθθ
θθ
=-???=+?? （2-17）
写成矩阵形式，即
c o s s i n .s i n
c o s
d q i i i i αβθθθθ-
??
????=?????
???????
（2-18）
所以，逆Park 逆变换矩阵为
22co s sin sin co s r
s
C
θ
θθθ-??
=?
???
（2-19）
2.3.4静止二相坐标系到旋转二相坐标系的变换 由图2-6，同理，根据磁势瞬时值相等，则有
co s sin sin co s d q
i i i i i i αβαβθθ
θθ=+???=-+??
（2-20）
写成矩阵形式，有
co s sin .sin co s d q i i i i αβθθθ
θ????
??=?????
?-????
?? （2-21）
设Park 变换矩阵为22s
r
C
，则有
22co s sin sin co s s
r
C θθθ
θ??
=?
?-??
（2-22）
比较式(2-19)和式(2-22)，可得
2222s
r
s
r
T
C
C = （2-23）
综上，经过数学模型的推导，得出了矢量控制中两个重要的变换矩阵Park 矩阵、Clarke 矩阵及其相应的逆矩阵，总结如下
Park 变换矩阵为
co s sin .sin co s d q i i i i αβθ
θθ
θ????
??=?????
?-????
?? （2-24）
Park 逆变换矩阵为
co s sin .sin co s d q i i i i αβθθθ
θ-??
????=?????
???????
（2-25） Clarke 变换矩阵为
1
12212
2i i αβ??
??
??
-=?????
?--
???? （2-26）
Clarke 逆变换矩阵为
12212
2A B C i i i ??
??????
-??=?????
????
?--
????
i i αβ??
????
（2-27）
2.4异步电机矢量控制数学模型的推导
2.4.1异步电机在三相坐标系下的数学模型
矢量控制系统是建立在异步电动机的动态数学模型基础之上的，因此必须首先分析交流电动机的动态数学模型。
交流异步电机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。在研究异步电机的数学模型时，为了研究方便，在不影响被研究要素的情况下，作如下假设：1)电机定子、转子三相绕组完全对称；2)电机定子，转子表面光滑，无齿槽效益；3)电机气隙磁动势在空间呈正弦分布；4)铁芯的涡流及磁滞损耗忽略不计。在以上假设条件下，异步电机在三相静止坐标下的基本方程为 1) 三相坐标系下的电压方程
U=Ri+pψ （2-28）
式中
[]sa
sb
sc ra rb rc i i i i i i i = []
T
s
s
s
r
r
r R diag R R R R R R =
sa
u 、sb u 、sc u 、ra u 、rb u 、rc u —为三相电机定子，转子绕组电压；
s a i 、s b i 、s c
i 、r a i 、r b i 、r c i —为三相电机定子，转子绕组电流；
s R 、r R —为定子，转子绕组的阻抗；
p —为微分算子，代替d
d t
。
2) 三相坐标系下的磁链方程
.ss
sr s s rs rr r r L L i L L i θψψθ
ψ??????
==?
?????????
?? （2-29）
式中，L 为电机电感矩阵
ss
sr rs rr L L L
L L θθ??
=????
（2-30）
s s
s ss
s
s s
s
s
s L M M L M L M M M
L ??
??=??????
r
r
r rr
r
r r
r
r
r L M M L M L M M M
L ??
??=??????
（2-31）
243
3
42332
433
cos cos()cos()cos()cos cos()cos()
cos()cos T
sr rs
L L θθπθπθπθθπθπθπθ++?
??
?
==++?
???++??
（2-32）
[]
T
s sa
sb
sc ψ
ψ
ψ
ψ
= ，[]
T
r
sr
sr
sr ψψ
ψ
ψ
= （2-33） []T
s sa
sb
sc i i i i =，[]
T
r ra
rb
rc i i i i =
式中
sa
ψ、sb ψ、sc ψ、ra ψ、rb ψ、rc ψ——为三相电机定子，转子磁链； s
M
、r M —为三相电机各定子绕组间互感、各转子绕组间互感；
s L 、r L —为各定子，转子绕组自感；
ss L 、rr L —为三相电机定子，转子绕组自感矩阵；
sr
M —为三相电机定转子间互感；
sr
L —为随转子位置变化的三相定转子互感矩阵。
由以上数学模型可知，L 电感矩阵是一个6乘6的矩阵，有36个元素，且
每个元素大小都不可能为零。 3) 三相坐标系下的转矩方程
)11...(22
T
T
T
sr rs e p p s
r s r L L L T n i
i n i i i i θ
θ
θ
???=
=
+???
(2-34)
式中e T —为电磁转矩； θ—为转子空间角位移；
p n —为电机极对数。
4) 三相坐标系下的运动方程
e L d T T J
d t
ω-= (2-35)
式中L T —为转矩负载； J —电机转动惯量； ω—机械角速度，d d t
θω
=。
由运动方程可知，对于电机调速系统而言，从转矩到转速近似为一个积分环节，其积分时间常数由电机和负载的机械惯量决定，为不可控量。因此，转矩控制直接关系到速度控制的动静态特性。
由以上三相坐标系下的数学模型可知，异步电机的强耦合性主要表现在磁链和转矩方程式中，既有三相绕组之间的耦合，又有定、转子绕组之间的耦合，还存在转矩方程式中磁场与定、转子电流之间的相互影响。而其根源在于它有一个
很复杂的电感矩阵。为了实现对电机的精确控制，需要通过矢量坐标变换，最后得出与三相异步电机等效的直流电机模型。 2.4.2异步电机在两相旋转坐标系下的数学模型
为了系统解耦和简化，对三相坐标系下的异步电机模型进行等效变换。通过Park 变换，Clarke 变换将电机模型等效到两相旋转坐标系下。由于篇幅所限，这里直接给出两相旋转坐标系下的数学模型，省略了在两相静止坐标系α-β下过渡变换的数学模型，也省略具体的数学推导过程。 (1)磁链方程
0000000
sm s m st s m
rm m r rt m
r L L L L L L L L ψψψψ????
????????=????????????
(2-36) (2)电压方程
11111.sm s s s m m sm
st s s s m
m st
rm m s r r s r rm
rt s m
m s r
r r rt
u R L p L L p
L i u L R L p L L p i
u L p L R L p
L i u L L p
L R L p i ωωωωωωωω+--???????????
?+???
???=??????-+-?????
?+??????
(2-37)
(3)转矩方程
()
e p m st rm sm rt T n L i i i i =- (2-38)
(4)运动方程
e L p J d T T n d t
ω-=
(2-39)
式中m L —为定子与转子绕组间的互感；
1ω—为同步角速度。
2.4.3异步电机按转子磁场定向解耦的数学模型
为了进一步解耦、简化模型，引入一个新的坐标系。如图2-7在d-q 坐标系中，令d 轴和转子磁链矢量r ψ方向重合，并改名为M(Magnetization)轴，而q 轴垂直于转子磁链矢量，改称为T(Torque)轴。并令M-T 坐标轴以同步速度ω旋转。这就是在矢量控制中非常重要的一步—转子磁场定向(FieldOrientation)。将此时两相旋转坐标系改称为M-T 坐标系，它是定向在转子磁链矢量r ψ上的坐标系，也称为矢量控制中磁场定向的两相旋转坐标系。
M-T 坐标系实际上是进行矢量控制算法研究的虚拟坐标系，对交流电机矢量
控制的研究探讨都是基于M-T 坐标系上的数学模型。在M-T 坐标系中，M-T 轴上绕组通入的都是直流电流，产生恒定的磁场，因为M-T 坐标轴的旋转而使其产生的合成磁势F 也是旋转的，且等效于电机产生的磁势。
(1)磁链方程由于磁场定向
r
ψ
与M 轴重合，则r ψ=rm ψ，而0
rt
ψ=，
r m m s m r r m
r
m m s m r r m
r
L i L i L i L i ψψψ
ψ=+=??=+=? (2-40)
所以，st i 与rt i 不会引起rt ψ，反映到电感矩阵L 中，磁链方程式(2-36)变为
0000.000
0sm sm s
m st st s m
rm rm m r rt rt i L L i L L i L L i ψψψψ????
??????
????????=??????????????????
(2-41)
由式(2-41)可见，电感矩阵16个元素中有10个元素是零，这就说明，模型已经很大程度上解耦了。
(2)电压方程由于磁场定向，将式(2-41)代入式(2-37)中，电压方程简化为
1111
.00
sm s s s m m sm st s s s m
m st rm m r r rm rt s m
s r
r r rt u R L p L L p
L i u L R L p
L L p i
u L p R L p
i u L L R L p i ωωωωωω+--??????
??????
+??????=??????+???
???
+??????
(2-42)
(3)转矩方程磁场定向后，电机的转矩方程不变，为
()
e p m st rm sm rt T n L i i i i =- (2-43)
(4)运动方程磁场定向后，电机的运动方程也保持不变，为
e L p J d T T n d t
ω-=
(2-44)
2.5异步电机矢量控制的基本方程
矢量控制最终是通过解耦控制转矩电流和励磁电流实现电机控制的，为此必须在解耦数学模型的基础上进一步推导电流控制的基本方程。
由异步电机在M-T 坐标下的模型式(2-42)，并考虑电机笼型转子具体结构，
因转子绕组短路，故有
rm rt u u ==，即
0r
m
m
s m
r r m
r r m u L
p i R i L P i =++=
(2-45)
()rt s m sm s r rm r rt s m sm r rm r rt u L i L i R i L i L i R i ωωω=++=++ (2-46)
由式(2-45)得
()
m sm r rm r
rm r
r
p L i L i i R R ψ
-+=
=-
(2-47)
将式(2-47)与式(2-40)联立，有
2
2
()r
m sm r p L i L R ψψ=+-
(2-48)
将r r
r
L T R =
定义为转子励磁时间常数，则得r
r r
m sm
T p L i ψψ
+=，所以
1r s m
r
m
T p i L ψ
+= (2-49) 式(2-49)即为定子电流励磁分量的基本方程。写成磁链形式为
1m r
s m
r L i
T p
ψ=
+ (2-50)
同理，联立式(2-46)与式(2-40)，得0s r r rt R i ωψ+= 所以
s r
rt r
i R ωψ=-
(2-51)
又由式(2-40)，可得
m r t s t
r
L i i
L =-
(2-52)
比较式(2-51)及式(2-52)，并考虑转子励磁时间常数，有
r r st r m m s st r r T i L L i T ψωωψ?
=???
?=??
(2-53)
式(2-53)即为定子电流转矩分量的基本方程。
而将式(2-40)代入式(2-43)，则有
().e p m r r st T n L L i ψ= (2-54)
式(2-54)即为矢量控制中转矩控制的基本方程。
至此，得到了矢量控制系统的基本方程，式(2-49)，式(2-53)及式(2-54)。
由式(2-50)可知，转子磁链r ψ仅由sm i 产生，与st i 无关，也正因为如此， sm
i 被称为定子电流励磁分量。r ψ与sm i 之间的传递函数是一阶惯性环节，这与直流电机的励磁特性是相似的。其含义是：当励磁分量sm i 突变时，r ψ的变化要受到
励磁惯性的阻扰。当r ψ达到稳定时，0
r
p ψ=，因而r
m sm
L i ψ=，所以
r
sm m
i L ψ
=
(2-55)
式(2-55)说明，若转子磁链r ψ为常量时，定子励磁电流与电感成线性关系。而由式(2-53)可以看出，若r ψ为常量时，电磁转矩正比于st i ，也就是说控制st i 就可以控制电磁转矩了。
这些矢量控制基本方程，是我们进行矢量控变换的目标，是进行矢量控制的数学基础，在后续的控制研究中，都是基于这些基本方程的。当然，这里是以异步电机为例进行论述的，实际上永磁同步电机是异步电机的一个特例，相对简单一些，二者在模型上是统一的，在控制原理上也是统一的。
由此，经过矢量控制技术的坐标变换处理后，异步电机模型已经实现了与直流电机等效，各物理量有很好的解耦关系，矢量变换已经在理论上实现了交流电机的解耦控制。
2.6本章小结
本章通过对交流电机的特点进行分析，从其控制难点出发，对比结合直流电机控制的特点，分析论述了交流电机矢量控制的原理和方法，详细分析了为什么要进行矢量控制，怎样进行矢量控制。同时以异步交流电机为例，推导了其在各坐标系下的数学模型。通过转子磁场定向控制，使异步电机的数学模型得到了解耦化简，得到了类似直流电机的等效数学模型，得出了异步电机矢量控制的基本方程。通过矢量变换，实现了交流电机数学模型的解耦。
3 永磁同步电机矢量控制系统的研究及仿真
永磁同步电机结构简单紧凑、体积小、重量轻、损耗小、效率高，永磁同步电机矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制，因此永磁同步电机矢量控制系统引起了国内外学者的广泛关注。永磁同步电机矢量控制系统广泛应用于柔性制造系统，机器人，数控机床等领域，特别是随着矢量控制技术的日渐成熟，永磁同步电机的伺服系统已经成为高精度、高动态性和小体积中小功率伺服系统的主流。
3.1永磁同步电机矢量控制的数学模型
3.1.1永磁同步电机的数学模型
基于交流电机的矢量控制理论，结合永磁同步电机的特性，对其数学模型进行分析。这里主要研究在矢量控制中有重要意义的两相旋转dq 坐标系下的数学模型。将永磁同步电机的数学模型，通过Clarke 变换到两相静止坐标系（α,β轴系）上，再经过Park 变换到两相旋转坐标系，并考虑PMSM 永磁转子不存在阻尼绕组且三相对称，得出永磁同步电动机在两相旋转坐标系（dq 坐标系）下的数学模型。 (1)电压方程
..d d
q
d q q d
q
u p
R i u p
R i ψωψψωψ
=-+???
=++?? (3-1)
(2)磁链方程
d d d r
q
q q
L i L i ψ
ψψ
=+???=?? (3-2)
(3)转矩方程
3()
2e n d d
d q T p i i ψ
ψ=
- (3-3)
将式(3-3)等效变换为
3[()]2
e n r q d q d q T p i L L i i ψ=
+- (3-4) (4)运动方程
.e L p
J d T T n d t
ω-=
(3-5)
式中d u 、q u —d,q 轴电压；
d ψ、q
ψ
—d 轴磁链，q 轴磁链；
d L 、q L —定子绕组的
d,q 轴电感；
d i 、q i —转子绕组的轴电流分量； R
—定子电阻；
3.1.2永磁同步电机磁场定向的解耦模型
由于永磁同步电机d 、q 轴的电感相等，即d
q
L L =，将其代入式(3-4)，此
时，永磁同步电机的转矩方程变为
32
e n r q T p i ψ=
(3-6)
由式(3-6)可知，转矩电流分量q i 和电磁转矩e T 呈线性关系，励磁电流分量id 与e T 无关。此时的磁场是定子励磁电流分量id 电流产生的磁场和转子永磁体产生的磁场的“合磁场”，其矢量方向与转子位置方向存在一个夹角。为了便于获得磁链位置，同样进行转子磁场定向，如图2-7，将旋转坐标系定向在转子磁链矢量r ψ上，并与其同步旋转，即转子磁链矢量方向与d 轴重合，并将d-q 坐标系改称为MT 坐标系，即MT 坐标系以同步速度随转子旋转。由于是同步电机，通过磁链定向后，PMSM 转子磁链位置与转子机械位置相同，这样通过检测转子实际位置就可以得知电机转子磁通位置。
在交流调速系统，速度控制的关键是转矩的控制。而转矩的控制最终是通过控制电流来实现的。转矩电流分量iq 的控制直接与转矩相关，由转矩的变化去控制iq 。而关于励磁电流id 的控制，具体对于PMSM 系统，大多采取id=0的控制策略。因为永磁同步电机中，电机参数Ld 和Lq 相等，此时，将定子电流矢量始终控制在T 轴（q 轴）上，即id=0，iq=i ，定子电流无M 轴（d 轴）分量。经过推导可以得出，保证id=0，使定子电流全部产生电磁转矩，可以保证用最小的电流幅值得到最大的输出转矩值。
通过磁场定向，并采取id=0的控制方式能实现PMSM 系统的解耦，且具良好的控制性能。id=0的矢量控制方式应用广泛，适用于高性能的数控机床、机器人等场合[9,13]。所以本文采用id=0控制方式。PMSM 通过采用磁场定向控制，并始终令id=0，此时其数学模型如下 (1)电压方程
d d
q d
r
q
u u P R i ωψψ
ωψ
=-=++ (3-7)
填空题 1、数控机床坐标系采用的是右手笛卡尔直角坐标系。 2、数控机床坐标系的正方向规定为增大刀刀具与工件距离的方向。 3、数控机床坐标系中Z轴的方向指的是与主轴平行的方向，其正方向是刀具远离工件的方向。 4、数控机床中旋转坐标有 A 轴、B 轴、C轴，其正方向的判断是用右手螺旋定则。 5、数控车床中X轴的方向是工件的径向，其正方向是远离工件的方向。 6、数控机床坐标系一般可分为机床坐标系和工件坐标系两大类。 7、数控机床坐标系按坐标值的读法不同可分为绝对坐标系和增量坐标系。 8、在绝对坐标系中所有刀具运动轨迹的坐标值都以坐标原点为计算基准，而增量坐标系中所有运动轨迹的坐标值都相对前一位置 进行计算的。 9、数控系统的插补是指根据给定的数学函数，在理想的轨迹和轮廓上的已知点之间进行数据密化处理的过程。 10、大多数数控系统都具有的插补功能有直线插补和圆弧插补。 11、插补的精度是以脉冲当量的数值来衡量的。 12、所谓脉冲当量是指数控装置发出一个脉冲信号机床执行部件的位移量。 13、数控机床插补过程中的四个节拍是：偏差差别、坐标进给、偏差计算、终点差别。 14、插补过程中终点判别的具体方法有：单向计数、双向计数、分别计数。 15、数控编程是从零件图样到获得数控机床所能识别的数控加工程序的全过程。 16、数控编程的步骤有工艺分析、数值计算、编写程序单、程序输入、程序检验和首件加工。 17、数控机床程序段的格式有固定程序段格式和可变程序段格式。 18、数控机床的编程方法有手动编程和自动编程。 19、以下指令的含义：G00快速点定位；G01直线插补；G02顺时针圆弧插补；G03逆时针圆弧插补。 20、准备功能G代码有模态代码和非模态代码两大类。 二、判断题 1、数控加工程序是由若干程序段组成，而且一般常采用可变程序进行编程。（√） 2、只需根据零件图样进行编程，而不必考虑是刀具运动还是工件运动。（×） 3、进给路线的确定一是要考虑加工精度，二是要实现最短的进给路线。（√） 4、刀位点是刀具上代表刀具在工件坐标系的一个点，对刀时，应使刀位点与对刀点重合。（√） 5、绝对值方式是指控制位置的坐标值均以机床某一固定点为原点来计算计数长度。（√） 6、增量值方式是指控制位置的坐标是以上一个控制点为原点的坐标值。（√） 7、编制程序时一般以机床坐标系作为编程依据。（×） 8、数控加工的插补过程，实际上是用微小的直线段来逼近曲线的过程。（√） 9、数控加工路线的选择，尽量使加工路线缩短，以减少程序段，又可减少空走刀时间。（√） 10、G代码可以分为模态G代码和非模态G代码。（√） 11、一个主程序中只能有一个子程序。（×） 12、数控铣床规定Z轴正方向为刀具接近工件方向。（×） 13、非模态G04代码只在本程序段有效。（√） 14、用G04指令可达到提高加工表面粗糙度精度的目的。（×） 15确定机床坐标系时，一般先确定X轴，然后确定Y轴，再根据右手定则法确定Z轴。（×） 16、数控铣加工中，进退刀位置应选在合适的位置，以保证加工质量。（√） 17、工作坐标系是编程时使用的坐标系，故又称为编程坐标系。（√） 18、数控机床坐标系是机床固有的坐标系，一般情况下不允许用户改动。（√） 19、机床参考点是数控机床上固有的机械原点，该点到机床坐标原点在进给坐标轴方向上的距离可以在机床出厂时设定。（√） 20、对于既有铣面，又有镗孔的工件，一般先铣面后镗孔。（√） 三、简答题
数控机床的伺服系统发展应用 20世纪50年代出现数控机床以来，作为数控机床重要组成部分的伺服系统，随着新材料、电子电力、控制理论等相关技术的发展，经历了从步进伺服系统到直流伺服系统再到今天的交流伺服系统的过程。交流伺服技术的日益发展，交流伺服系统将逐步全面取代直流伺服系统。 数控（Numerical Control）是数控技术的简称。它是利用数字化的信息对机床及加工过程进行控制的一种方法。数控系统是数控机床的重要部分，它随着计算机技术的发展而发展。现在的数控系统都是由计算机完成以前硬件数控所做的工作，为特别强调，有时也称为计算机数字控制系统。计算机数字控制CNC（Computer Numerical Control）系统是以微处理器技术为特征,并随着电子技术、计算机技术、数控技术、通讯技术以及精密测量技术的发展而不断发展完善的一种先进加工制造系统。CNC系统框图见图1所示，它由数控程序、输入输出设备、操作面板、CNC装备、可编程控制器（PLC）、主轴伺服系统、进给伺服系统、检测装备和一些电气辅助装置等组成。 伺服系统是以驱动装置—电机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统，它包括伺服驱动器和伺服电机。数控机床伺服系统的作用在于接受来自数控装置的指令信号，驱动机床移动部件跟随指令脉冲运动，并保证动作的快速和准确，这就要求高质量的速度和位置伺服。数控机床的精度和速度等技术指标往往主要取决于伺服系统。 数控机床的伺服系统发展与分类 数控机床的伺服系统应满足以下基本要求: 精度高 数控机床不可能像传统机床那样用手动操作来调整和补偿各种误差，因此它要求很高的定位精度和重复定位精度。 图1 CNC系统框图 快速响应特性好 快速响应是伺服系统动态品质的标志之一。它要求伺服系统跟随指令信号不仅跟随误差小，而且响应要快，稳定性要好。在系统给定输入后，能在短暂的调节之后达到新的平衡或是受到外界干扰作用下能迅速恢复原来的平衡状态。 调速范围大 由于工件材料、刀具以及加工要求不同，要保证数控机床在任何情况下都能得到最佳的切削条件，伺服系统就必须有足够的调速范围，既能满足高速加工要求，又能满足低速进给要求。调速范围一般大于1:10000。而且在低速切削时，还要求有较大稳定的转矩输出。
数控机床试题及答案 数控机床试题及答案 数控机床是数字控制机床的简称，是一种装有程序控制系 统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或 其他符号指令规定本文是小编精心编辑的，数控机床试题及答 案希望能帮助到你！ 数控机床试题及答案一、填空题1、在程序行中具有多个功能指令时可以按“ G 、 F 、 S、 T 和 M ”顺序排列。2、车削用量包括背吃刀量、主轴转速或切削速度和进给速度或进给量 .3、车削用刀具材料主要包括高速钢、硬质合金、陶瓷、立方氮化硼和人造金刚石等。4、在完成该程序段其他指令后，M00指令使程序停在本段状态，不执行下段。5、按下控制面板上的循环启动键可取消 M00 状态。6、一般数控机床的控制面板上装有“任选停止”按钮，按下此按钮，程序执行到M01指令时，程序即暂停。7、 M02指令表示加工程序全部结束。8、 M03指令使主轴正转，M04指令使主轴反转，M05指令使主轴停转。9、 M08指令使切削液开启， M09 指令使切削液停止供给。10、 G00 指令使刀具从当 第 1页共4页
前点快速移动到程序段中指定位置。11、R 方式编程时，圆弧的圆心角不大于 180°时， R 值为正，大于 180°时， R 为负。12、沿刀具的运动方向看，刀具在工件的. 左侧使用 G41指令。在工件的右侧则使用G42指令数控机床编程与操作考试题及答案数控机床编程与操作考试题及答案。 二、判断题1、 G00指令的动作速度是由机床厂家设定 的，用户无法修改。 ( ×)2、使用单刀螺纹切削指令G33编制程序会导致程序段冗长。 ( √)3、涂层硬质合金车刀 比普通硬质合金车刀有更好的耐用性。( √)4、适当地使用增量方式编程可以简化编程时的坐标值计算。( √)5、在机夹刀片的型号中可以体现出刀片的形状。( √)6、 M03 指令使主轴运动、进给运动、切削液供给等都停止，机床复 位。 ( ×)7、M02指令必须编在最后一个程序段中 ( √) 8、 G90和 G91指令属于非模态指令。 ( ×)9、使用硬质合 金涂层刀片时，必须注意涂层并不能改善刀片基体的强度，应 防止编程不当导致的碰撞，以免引起刀片损坏。( √)10、进给速度的大小直接影响到表面粗糙度值和车削效率，因此应 在保证表面粗糙度值的前提下，选择较低的进给速度。( ×) 三、选择题1、下列程序段中， (C) 是正确的。 A G02 X50 Z100 F0.1 B G03 R5C G01 X20 Z10 F1002、数控车床是两轴联动控制的数控机床，它的编程坐标平面是(C) 第 2页共4页
《数控机床与编程》课程试卷1 一、填空题（本题共30空，每小空1分，共30分） 1、数控机床主要由机床本体、数控系统、驱动装置和辅助装置等四个部分组成。 2、数控机床按加工路线分类分为、和。 3、确定机床坐标轴时，一般是先确定Z ，再确定和。 4、对功能较强的数控装置，加工程序可分为和。 5、数控铣床中取消刀具长度补偿采用指令，取消刀具半径补偿采用指令或。 6、编程常用指令中绝对尺寸用指令，增量尺寸用指令。 7、G17、G18、G19三个指令分别为机床、、平面上的加工。 8、数控车床坐标系设定指令为，数控铣床坐标系设定指令为。 9、数控加工中心自动换刀装置的换刀过程由和两部分组成。 10、极坐标系指令采用，极坐标系指令取消采用。 11、数控线切割3B程序B x B y B J G Z中x、y代表坐标值，J代表计数长度，G代表计数方向，Z代表加工指令。 二、选择题（本题共15小题，每小题1分，共15分） 1、数控机床有不同的运动形式，需要考虑工件与刀具相对运动关系及坐标方向，编写程序时，采用( )的原则编写程序。 A.刀具固定不动，工件移动 B.铣削加工刀具固定不动，工件移动；车削加工刀具移动，工件不动 C.分析机床运动关系后再根据实际情况 D.工件固定不动，刀具移动 2、圆弧插补段程序中，若采用圆弧半径Ｒ编程时，从起始点到终点存在两条圆弧线段，当( )时，用―Ｒ表示圆弧半径。 A.0～180° B. 180°～360° C. 180°～270° D. 270°～360° 3、圆弧插补指令G03 X Y R 中，X、Y后的值表示圆弧的（）。 A．起点坐标值B. 终点坐标值C. 圆心坐标相对于起点的值 4、开环控制系统用于（）数控机床上。 A. 经济型 B. 中、高档 C. 精密 5、用于机床开关指令的辅助功能的指令代码是（）。 A．F代码B. S 代码C. M代码 6、“NC”的含义是（）。 A．数字控制B. 计算机数字控制C.网络控制 7、刀尖半径左补偿方向的规定是（）。 A. 沿刀具运动方向看，工件位于刀具左侧 B. 沿工件运动方向看，工件位于刀具左侧 C. 沿工件运动方向看，刀具位于工件左侧 D. 沿刀具运动方向看，刀具位于工件左侧 8、通常数控系统除了直线插补外，还有（）。 A．圆弧插补 B 正弦插补 C 抛物线插补 9、数控机床的标准坐标系是以（）来确定的。
数控机床中伺服系统的现状分析 一、概述 伺服系统是以机械运动的驱动设备，电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。具体在数控机床中，伺服系统接收数控系统发出的位移、速度指令，经变换、放调与整大后，由电动机和机械传动机构驱动机床坐标轴、主轴等，带动工作台及刀架，通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，从而加工出用户所要求的复杂形状的工件。 作为数控机床的执行机构，伺服系统将电力电子器件、控制、驱动及保护等集为一体，并随着数字脉宽调制技术、特种电机材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步，经历了从步进到直流，进而到交流的发展历程。数控机床中的伺服系统种类繁多，本文通过分析其结构及简单归分，对其技术现状及发展趋势作简要探讨。 二、伺服系统的结构及分类 从基本结构来看，伺服系统主要由三部分组成：控制器、功率驱动装置、反馈装置和电动机（图1）。控制器按照数控系统的给定值和通过反馈装置检测的实际运行值的差，调节控制量；功率驱动装置作为系统的主回路，一方面按控制量的大小将电网中的电能作用到电动机之上，调节电动机转矩的大小，另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换为电动机所需的交流电或直流电；电动机则按供电大小拖动机械运转。 图1 伺服系统的结构 图1 伺服系统的结构 图1中的主要成分变化多样，其中任何部分的变化都可构成不同种类的伺服系统。如根据驱动电动机的类型，可将其分为直流伺服和交流伺服；根据控制器实现方法的不同，可将其分为模拟伺服和数字伺服；根据控制器中闭环的多少，可将其分为开环控制系统、单环控制系统、双环控制系统和多环控制系统。考虑伺服系统在数控机床中的应用，本文首先按机床中传动机械的不同将其分为进给伺服与主轴伺服，然后再根据其它要素来探讨不同伺服系统的技术特性。 三、进给伺服系统的现状与展望
数控机床 一．填空题（每题4分，共36分） 1．数控加工中的最基本问题就是根据所输入的零件加工程序中有关几何形状和 的原始数据及其指令，通过相应的插补运算。按一定的关系向各个坐标轴的驱动控制器分配，从而使得驱动工作台相对主轴的运动轨迹, 以一定的精度要求逼近于所加工的零件的外形轮廓尺寸。 2．按加工批量和零件的复杂程度，试在下图区域内标出通用机床、专用机床和数控机床的适用位置。 3．功率步进电机一般用于普通机床的数控改造，以及对精度要求较低的场合等系统。 步进电机的步距角是指。对于三相步进电机，当以双相通电方式，齿数为40时。此时步距角α＝。 4．为了保证数控机床总是能在最有利的切削速度下进行加工，或实现桓速切削的功能，数控机床的主轴转速通常在其调速范围内。因此，现代数控机床常采用 作为主运动的动力源。 5．数控机床的最小设定单位是，标制着数控机床精度的分辨率，其值一般为，在编程时，所有的编程单位都应转换成与最小设定单位相应的数据。 6．通常把数控车床的床身导轨倾斜布置，可改善其和。提高机床的静刚度。 7．数控技术是的技术；计算机数控（CNC）是指；数控机床具有、、、、等优点。 8．插补器就实现的方法而言，可用或；按其实现的功能来分类，它可分为、、等类型。9．刀具半径补偿是指。 左偏刀具半径补偿指令和右偏刀具半径补偿指令分别为和。 二．简答题（每题6分，共18分） 1．何谓二轴半坐标数控机床？ 2．试论述数控机床的进给伺服系统是由哪几部分组成，它们分别的作用如何？伺服系统常用的驱动元件是什么？ 3．简述数控车床采用钢板焊接床身的原因。 三．计算题（10分）
若加工第一象限直线OE，起点为O(0，0)，终点为E(7，4)，设累加器为3位，试按DDA法进行插补计算，并绘出插补轨迹图。 四．论述题（每题9分，共36分） 1．试推导下图内的脉冲当量δ与步距角α的关系式，假设已知各齿轮齿数和丝杠的导程。由于脉冲当量是规定的，步进电机一经选定后，其步距角也是一定的，试回答如何满足脉冲当量与步距角中间的关系？ 2．试讨论利用光栅的摩尔条纹特点如何来检测机床移动部件的位移、移动方向和移动的速度？ 3．试分别论述开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统的实现方式和特点。4．谈谈你对现代数控机床发展趋势的看法和学习体会。 数控机床 一．填空题（每题4分，共36分） 1．轮廓尺寸，进给脉冲，伺服电机 2．
数控车床试题与答案 选择题(选择一个正确的答案，将相应的字母填入题内的括号中。每题1分。) 1．数控机床适于 C 生产。 A 大型零件 B 小型高精密零件 C 中小批量复杂形体零件 2．粗加工时，为了提高生产效率，选用切削用量时，应首先选择较大的_ B_ 。 A 进给量 B 切削深度 C 切削速度 D 切削厚度 3．在刀具几何角度中, 影响切削力最大的角度是__B__。 A 主偏角 B 前角 C 后角 D 刃倾角 4．采用刀具半径补偿编程时，可按B编程。 A 位移控制 B 工件轮廓 C 刀具中心轨迹 5．用硬质合金刀具加工某零件发现有积屑时，请采取 A 措施以避免或减轻其影响。 A V↑ B V↓ C F↓ D F↑ 6. “CIMS”中文含义是 B 。 A 柔性制造系统 B 计算机集成制造系统 C 计算机辅助制造系统 7．在下列指令中，具有非模态功能的指令是 C。 A G40 B G53 C G04 D G00 8.数控系统中G54与下列哪一个G代码的用途相同 C 。 A G03 B G50 C G56 D G01 9.全闭环进给伺服系统与半闭环进给伺服系统的主要区别在于B。 A 位置控制器 B 反馈单元的安装位置 C 伺服控制单元 D 数控系统性能优劣 10.限位开关在机床中起的作用是 D 。 A 短路开关 B 过载保护 C 欠压保护 D 行程控制 11．数控系统中CNC的中文含义是A。 A 计算机数字控制 B 工程自动化 C 硬件数控 D 计算机控制 12．数控系统的核心是B。 A 伺服装置 B 数控装置 C 反馈装置 D 检测装置 13．数控机床位置检测装置中A不属于旋转型检测装置。 A 光栅尺 B 旋转变压器 C 脉冲编码器 14．计算机辅助制造的英文缩写是 B 。 A CAD B CAM C CAPP D CAE 15．在工件自动循环加工中，若要跳过某一程序段，在所需跳过的程序段前加 D 且必
- 数控机床 一．填空题（每题4分，共36分） 1．数控加工中的最基本问题就是根据所输入的零件加工程序中有关几何形状和 的原始数据及其指令，通过相应的插补运算。按一定的关系向各个坐标轴的驱动控制器分配，从而使得驱动工作台相对主轴的运动轨迹, 以一定的精度要求逼近于所加工的零件的外形轮廓尺寸。 2．按加工批量和零件的复杂程度，试在下图区域内标出通用机床、专用机床和数控机床的适用位置。 ￥ 3．功率步进电机一般用于普通机床的数控改造，以及对精度要求较低的场合等系统。步进电机的步距角是指。对于三相步进电机，当以双相通电方式，齿数为40时。此时步距角α＝。 4．为了保证数控机床总是能在最有利的切削速度下进行加工，或实现桓速切削的功能，数控机床的主轴转速通常在其调速范围内。因此，现代数控机床常采用 作为主运动的动力源。 5．· 6．数控机床的最小设定单位是，标制着数控机床精度的分辨率，其值一般为，在编程时，所有的编程单位都应转换成与最小设定单位相应的数据。 7．通常把数控车床的床身导轨倾斜布置，可改善其和。提高机床的静 刚度。
8．数控技术是的技术；计算机数控（CNC）是指；数控机床具有、、、、等优点。 9．插补器就实现的方法而言，可用或；按其实现的功能来分类，它可分为、、等类型。 10．刀具半径补偿是指。 左偏刀具半径补偿指令和右偏刀具半径补偿指令分别为和。 二．简答题（每题6分，共18分） 1．何谓二轴半坐标数控机床 } 2．试论述数控机床的进给伺服系统是由哪几部分组成，它们分别的作用如何伺服系统常用的驱动元件是什么 3．简述数控车床采用钢板焊接床身的原因。 . 三．计算题（10分） 若加工第一象限直线OE，起点为O(0，0)，终点为E(7，4)，设累加器为3位，试按DDA法进行插补计算，并绘出插补轨迹图。 四．论述题（每题9分，共36分） @
1、采用经济型数系统的机床不具有的特点是( )D A、采用步进电动机伺服系统 B、CPU可采用单片机 C只配必要的数控功能D、必须采用闭环控制系统 2、根据控制运动方式不同，机床数控系统可分为( ) B A、开环控制系统、闭环控制系统和半闭环控制系统 B点位控制系统和连续控制系统 C多功能数控系统和经济型数控系统 D NC系统和CNC系统 3、数控机床的优点是( ) D A、加工精度高、生产效率高、工人劳动强度低、可加工复杂面、减少工装费用 B加工精度高、生产效率高、工人劳动强度低、可加工复杂面、工时费用低 C加工精度高、专用于大批量生产、工人劳动强度低、可加工复杂面、减少工装费用 D加工精度高、生产效率高、对操作人员的技术水平要求高、可加工复杂型面、减少工装费用 4、CNC系统一般可用几种方式得到工件加工程序，其中MDI是()C A、利用磁盘机读入程序 B、从串行通信接口接收程序 C利用键盘以手动方式输入程序D、从网络通过Modem接收程序
A. 远程诊断能力 B. 自诊断能力 C. 脱机诊断能力 D. 通信诊断能力 6、有四种CNC系统或者数控机床，根据MTBF指标，它们中可靠性最好的是()D A.MTBF=1000h B.MTBF=2500h C.MTBF=5000h D.MTBF=70000h 7、数控机床进给系统采用齿轮传动副时，应该有消隙措施，其消除的是( ) C A.齿轮轴向间隙 B.齿顶间隙 C.齿侧间隙 D.齿根间隙 8、数控机床进给系统的机械传动结构中，结构最筒单的导轨( ) C A. 静压导轨 B. 滚动导轨 C. 塑料导轨 D. 气动导轨 9、直线感应同步器类型有( ) D A. 标准型、窄型、带型和长型 B. 非标准型、窄型、带型和三重型 C.非标准型、窄型、带型和宽型 D.标准型、窄型、带型和三重型 10、旋转变压器的结构特点是( ) D A. 很复杂B 。复杂 C。较复杂D。筒单
机床数控技术试卷及答案（4份） 试卷一： ...... 二、填空题：（20分，每小题2分） 1、FANUC系统中指令G40、G41、G42含义分别是取消刀补、建立左刀补、建立右刀补。 2、G17、G18、G19三个指令分别为机床指定XY平面、XZ平面、YZ平面上的加工。 3、由于高速钢的红硬性性能较差，因此不能用于高速切削。 ...... 试卷二： ...... 二、填空题：（20分，每小题2分） 1、在G91 G00Ｘ100 Y50这条指令中，X100 Y50的含义是：相对刀具当前点，往X方向移动100，y方向移动50。 2、线切割3B格式程序，共有12条指令，其中直线有 4 条，圆弧有8 条，NR3表示：第三象限的逆圆。 3、在数控机床的操作中，方式选择主要有：手动、自动、快速、回零、手轮等。 ...... 试卷三： ...... 二、填空题：（20分，每小题2分） 1、步进电动机的相数和齿数越多，在一定的脉冲频率下，转速_越慢_。 2、考虑到电缆线的固定，为保证传感器的稳定工作，一般将直线光栅的___动尺___ 安装在机床或设备的动板（工作台）上。 3、滚珠丝杠螺母副按其中的滚珠循环方式可分为__内循环_和__外循环_两种。 4、在数控机床上设置限位开关起的作用是限位。 ...... 试卷四： ...... 二、填空题：（20分，每小题2分） 1、X坐标轴一般是水平的，与工件安装面平行，且垂直Z坐标轴。 2、机床接通电源后的回零操作是使刀具或工作台退回到机床原点。 3、在指定固定循环之前，必须用辅助功能M03 使主轴正转。
4、建立或取消刀具半径补偿的偏置是在运动指令的执行过程中完成的。
现代数控技术及数控机床试卷2标准答案 学生姓名：，班级：，学号：，成绩： 一．填空题（每题2分） 1．数控机床是由控制介质、数控装置、伺服驱动装置、辅助控制装置、反馈装置、适应控制装置和机床等部分组成。 2．数控机床加工过程的加工路线是指刀具中心的运动轨迹和方向。 3．三相步进电机的转子上有40个齿，若采用三相六拍通电方式，则步进电机的步距角为 1.50。 4．数控机床的最小设定单位是数控机床能实现的最小位移量，标制着数控机床精度的分辨率，其值一般为0.0001～0.01mm，在编程时，所有的编程单位都应转换成与最小设定单位相应的数据。 5．通常把数控车床的床身导轨倾斜布置，可改善其排屑条件和受力状态。提高机床的静刚度。 6．数控机床的工作台和刀架等部件的移动，是由交流或直流伺服电机驱动，经过滚珠丝杠传动，可减少进给系统所需要的驱动扭矩，提高定位精度、运动平稳性。7．对步进电机施加一个电脉冲信号时，步进电机就回转一个固定的角度，叫做步距角，电机的总回转角和输入脉冲数成正比，而电机的转速则正比于输入脉冲的频率。8．位置检测装置是数控机床的重要组成部分，在闭环系统中，它的主要作用是检测位移量，并发出反馈信号与数控装置发出的指令信号进行比较，如有偏差，经放大后控制执行部件，使其向着消除偏差方向运动，直至偏差等于零为止。 9．刀具半径补偿功能的作用就是要求数控系统根据工件轮廓程序和刀具中心偏移量，自动计算出刀具中心轨迹。 10．伺服系统的输入是插补器发出的指令脉冲，输出是直线或转角位移。 11．数控机床工作台和刀架等部件的移动，由交流或直流伺服电机驱动，经过滚珠丝杠传动，减少了进给系统所需要的驱动扭矩，提高了定位精度和运动平稳性。 12．光栅依不同制造方法有透射光栅和反射光栅两种。数控机床中常用透射光栅做位置传感器。 二．选择题（每题2分） 1．闭环伺服系统使用的执行元件是（1，2） （1）支流伺服电机（2）交流伺服电机（3）步进电机（4）电液脉冲马达2．步进电机的角位移与（4）成正比。 （1）步距角（2）通电频率（3）脉冲当量（4）脉冲数量 3．数控机床CNC系统是（3） （1）轮廓控制系统（2）动作顺序控制系统（3）位置控制系统（4）速度控制系统 4．采用DDA法加工第一象限的斜线，若偏差函数值大于零，规定刀具向（1）方向移动。 （1）+X （2）-X （3）+Y （4）-Y 5．数控机床有不同的运动形式，需要考虑关键与刀具相对运动关系和坐标系方向，编写程序时，采用（4）的原则。
现代数控技术及数控机床 一．填空题（每题2分） 1．数控机床是由控制介质、数控装置、伺服驱动装置、辅助控制装置、反馈装置、适应控制装置和机床等部分组成。 2．数控机床加工过程的加工路线是指刀具中心的运动轨迹和方向。 3．三相步进电机的转子上有40个齿，若采用三相六拍通电方式，则步进电机的步距角为 1.50。 4．数控机床的最小设定单位是数控机床能实现的最小位移量，标制着数控机床精度的分辨率，其值一般为0.0001～0.01mm，在编程时，所有的编程单位都应转换成与最小设定单位相应的数据。 5．通常把数控车床的床身导轨倾斜布置，可改善其排屑条件和受力状态。 提高机床的静刚度。 6．数控机床的工作台和刀架等部件的移动，是由交流或直流伺服电机驱动，经过滚珠丝杠传动，可减少进给系统所需要的驱动扭矩，提高定位精度、运动平稳性。 7．对步进电机施加一个电脉冲信号时，步进电机就回转一个固定的角度，叫做步距角，电机的总回转角和输入脉冲数成正比，而电机的转速则正比于输入脉冲的频率。 8．位置检测装置是数控机床的重要组成部分，在闭环系统中，它的主要作用是检测位移量，并发出反馈信号与数控装置发出的指令信号进行比较，如有偏差，经放大后控制执行部件，使其向着消除偏差方向运动，直至偏差等于零为止。
9．刀具半径补偿功能的作用就是要求数控系统根据工件轮廓程序和刀具中心偏移量，自动计算出刀具中心轨迹。 10．伺服系统的输入是插补器发出的指令脉冲，输出是直线或转角位移。11．数控机床工作台和刀架等部件的移动，由交流或直流伺服电机驱动，经过滚珠丝杠传动，减少了进给系统所需要的驱动扭矩，提高了定位精度和运动平稳性。 12．光栅依不同制造方法有透射光栅和反射光栅两种。数控机床中常用透射光栅做位置传感器。 二．选择题（每题2分） 1．闭环伺服系统使用的执行元件是（1，2） （1）支流伺服电机（2）交流伺服电机（3）步进电机（4）电液脉冲马达 2．步进电机的角位移与（4）成正比。 （1）步距角（2）通电频率（3）脉冲当量（4）脉冲数量 3．数控机床CNC系统是（3） （1）轮廓控制系统（2）动作顺序控制系统（3）位置控制系统（4）速度控制 系统 4．采用DDA法加工第一象限的斜线，若偏差函数值大于零，规定刀具向（1）方向移动。 （1）+X （2）-X （3）+Y （4）-Y 5．数控机床有不同的运动形式，需要考虑关键与刀具相对运动关系和坐标系方向，编写程序时，采用（4）的原则。
数控技术试题 1.欲用逐点比较法插补直线OA ，其起点坐标为O （0，0），终点坐标为A （e x ，e y ），其值为e x ＝5，e y ＝6，试写出其直 线插补运算过程，并绘出其插补轨迹。 解：由于待插补直线的起点坐标为O （0，0），终点坐标为A （5，6），采用总步数终点判别方法，总步数N =5+6=11。 从坐标原点开始插补，故此时偏差 0=F ，加工过程的运算节拍如下表所示： 序号 工作节拍 第1拍：偏差判别 第2拍：坐标进给 第3拍：新偏差计算 第4拍：终点判别 1 0 0=F +X 6 6001-=-=-=e y F F 10111=-=N 2 01 1 填空题 1、数控机床程序编制的方法分为手工编程、自动编程两种。 2、数控系统只能接受数字信息，国际上广泛采用两种标准代码为G 、 M 。 3、在铣削零件的内外轮廓表面时，为防止在刀具切入、切出时产生刀痕，应沿轮廓___切向____方向切入、切出，而不应__法向_____方向切入、切出。 4、F指令用于指定进给速度，S指令用于指定主轴转速，T指令用于指定刀具；其中F100表示进给速度100mm/min ，S800表示主轴转速800r/min 。 5、编程常用指令中绝对尺寸用G90指令，增量尺寸用G91指令。 6、数控系统中指令G40、G41、G42含义分别是取消刀具补偿、左刀补、右刀补。 7、数控系统中指令顺圆插补指令是G02 ，逆圆插补指令是G03 。 8、数控机床程序编制的方法有手工编程、自动编程。 9、数控系统中M01、M02、M03指令的的功能分别是、主轴停止、主轴正转。 10、数控系统中G02、G03、G04指令的的功能分别是顺圆插补、逆圆插 补、。 11、程序段 G97 M03 S800的含义是主轴正转转速800r/min。 12、数控机床的三个原点是指机床、工件、参考。 13、在数控车床上,如刀具当前位置在点A（10，-20），执行程序段G98 G01 U20.0 W50.0 F100后刀具将位于点B，则B点的绝对坐标为（ 30， 30）；该程序段中F100表示的意义是：进给速度100mm/min 。 14、M98、M99的含义分别是调用子程序、子程序结束。 15、数控系统S1500、T0200指令含义分别是主轴转速1500r/min、0号刀具02号补偿。 16. 数控机床按控制运动轨迹可分为点位控制、直线控制和三维轮廓控制 几种。 17. 在轮廓控制中，为了保证一定的精度和编程方便，通常需要有刀具长度和半径补偿功能。 18. 数控机床实现插补运算较为成熟并为大多机床所具有的是直线插补和圆弧 数控机床技术测试试卷A卷<附答案） 一、填空题<每空1分，共30分） 1、数控机床按伺服系统的控制方式可分为、、。 2、较常见的CNC软件结构形式有软件结构和软件结构。 3、数控技术中常用的插补算法可归纳为插补法和插补法，前者用于数控系统，后者用于数控系统。 4、数控机床上导轨型式主要有滑动导轨、导轨和导轨。 5、数控铣削加工需要增加一个回转坐标或准确分度时，可以使用配备或使用。 6、电火花加工一次放电后，在工件和电极表面各形成一个小凹坑，其过程可分为电离、、热膨胀、和消电离等几个连续阶段。 7、影响材料放电腐蚀的主要因素是、、。 8、影响电火花加工精度的主要因素是、、。 9、电火花成形加工极性的选择主要靠经验和实验确定，当采用短脉冲时，一般应选用极性加工。 10、数控车床X轴方向上的脉冲当量为Z方向上的脉冲当量的。 11、数控机床的日常维护与保养主要包括、、等三个方面内容。 12、3B格式的数控系统没有功能，确定切割路线时，必须先根据工件轮廓划出电极丝中心线轨迹，再按编程。 13、旋转变压器和感应同步器根据励磁绕组供电方式的不同，可分为工作方式和工作方式。 二、判断题<每题1分，共10分，正确打√错误打×） 1、更换电池一定要在数控系统通电的情况下进行。否则存储器中的数据就会丢失，造成数控系统的瘫痪。<） 2、数控机床几何精度的检测验收必须在机床精调后一次完成，不允许调整一项检测一项。<） 3、数控铣削螺纹加工，要求数控系统必须具有螺旋线插补功能。<） 4、电火花成形加工在粗加工时一般选择煤油加机油作为工作液。<） 5、当脉冲放电能量相同时，热导率愈小的金属，电蚀量会降低。<） 6、开环数控机床，进给速度受到很大限制，其主要原因是步进电机的转速慢。<） 7、当数控机床具有刀具半径补偿功能时，其程序编制与刀具半径补偿值无关。<） 数控机床试题库 工业071 一、填空 1、数控机床坐标系三坐标轴X、Y、Z及其正方向用（）判定，X、Y、Z各轴的回转运动及其正方向+A、+B、+C分别用（）判断。 2、与机床主轴重合或平行的刀具运动坐标轴为（）轴，远离工件的刀具运动方向为（）。 3、X坐标轴一般是（），与工件安装面（），且垂直Z坐标轴。 4、在数控铣床上加工整圆时，为避免工件表面产生刀痕，刀具从起始点沿圆弧表面的进入，进行圆弧铣削加工；整圆加工完毕退刀时，顺着圆弧表面的（）退出。 5、走刀路线是指加工过程中，（）相对于工件的运动轨迹和方向。 6、机床接通电源后的回零操作是使刀具或工作台退离到（）。 7、数控机床按控制系统功能特点分类分为：（）、（）和（）。 8、对刀点既是程序的（），也是程序的（）。为了提高零件的加工精度，对刀点应尽量选在零件的（）基准或工艺基准上。 9、刀位点是刀具上的一点，车刀刀尖带圆弧时刀位点是（），球头铣刀刀位点为（）。 10、数控车床的混合编程是指（）。 11、编程时可将重复出现的程序编成（），使用时可以由（）多次重复调用。 12、在返回动作中，用G98指定刀具返回（）；用G99指定刀具返回（）。 二、选择填空 1、在数控铣床上的XY平面内加工曲线外形工件，应选择指令。 A.G17； B.G18； C.G19； D.G20 2、闭环进给伺服系统与半闭环进给伺服系统主要区别在于。 A.位置控制器； B.检测单元； C.伺服单元； D.控制对象 3、G00的指令移动速度值是。 A.机床参数指定； B.数控程序指定； C.操作面板指定； D.手动操纵指定 4、圆弧插补段程序中，若采用圆弧半径Ｒ编程时，从起始点到终点存在两条圆弧线段，当时，用-Ｒ表示圆弧半径。 Ａ.圆弧小于或等于180°；Ｂ.圆弧大于或等于180°； 第6章 数控机床伺服系统 进给伺服系统是数控系统主要的子系统。如果说CNC 装置是数控系统的“大脑”，是发布“命 令”的“指挥所”，那么进给伺服系统则是数控系统的“四肢”，是一种“执行机构”。它忠实地 执行由CNC 装置发来的运动命令，精确控制执行部件的运动方向，进给速度与位移量。 第一节 概述 . 进给伺服系统的定义及组成 . 定义：进给伺服系统(Feed Servo System)——以移动部件的位置和速度作为控制量的自动 控制系统。 一、进给伺服系统的定义及组成 组成： 进给伺服系统主要由以下几个部分组成：位置控制单元；速度控制单元；驱动元 件(电机)；检测与反馈单元；机械执行部件。 ３、进给伺服驱动系统由进给伺服系统中的 驱动电机及其控制和驱动装置组成。 ４、驱动电机是进给系统的动力部件，它提供执行部分运动所需的动力，在数控机床上常用 的电机有： 步进电机 直流伺服电机 交流伺服电机 直线电机。 ５ 、速度单元是上述驱动电机及其控制和驱动装置，通常驱动电机与速度控制单元是相 互配套供应的，其性能参数都是进行了相互匹配，这样才能获得高性能的系统指标。 ６、速度控制单元主要作用：接受来自位置控制单元的速度指令信号，对其进行适当的调节 运算(目的是稳速)，将其变换成电机转速的控制量(频率，电压等)，再经功率放大部件将其 变换成电机的驱动电量，使驱动电机按要求运行。简言之：调节、变换、功放。 ７、进给驱动系统的特点（与主运动（主轴）系统比较）： ? 功率相对较小； ? 控制精度要求高； ? 控制性能要求高，尤其是动态性能。 二、NC 机床对数控进给伺服系统的要求 1.调速范围要宽且要有良好的稳定性(在调速范围内) 调速范围： 一般要求： 稳定性：指输出速度的波动要少，尤其是在低速时的平稳性显得特别重要。 调速范围： 一般要求： 2.稳定性：指输出速度的波动要少，尤其是在低速时的平稳性显得特别重要。 输出位置精度要高 静态：定位精度和重复定位精度要高，即定位误差和重复定位误差要小。(尺寸精度) 动态：跟随精度，这是动态性能指标，用跟随误差表示。 (轮廓精度) 灵敏度要高，有足够高的分辩率。 3.负载特性要硬 在系统负载范围内，当负载变化时，输出速度应基本不变。即△F 尽可能小；当负载突变 时，要求速度的恢复时间短且无振荡。即△t 尽可能短； 应有足够的过载能力，以满足低速大转矩的要求。（高速恒功率，低速恒转矩） 这是要求伺服系统有良好的静态与动态刚度。 4. 响应速度快且无超调 这是对伺服系统动态性能的要求，即在无超调的前提下，执行部件的运动速度的建立时间 tp 应尽可能短。 通常要求从 0→Fmax （Fmax →0），其时间应小于200ms ，且不能有超调， min max F F R N =m in 1m in 1.010000min mm F mm R N <≤>且 数控机床试卷及答案集团标准化工作小组 #Q8QGGQT-GX8G08Q8-GNQGJ8-MHHGN# 数控机床 一．填空题（每题4分，共36分） 1．数控加工中的最基本问题就是根据所输入的零件加工程序中有关几何形状和 的原始数据及其指令，通过相应的插补运算。按一定的关系向各个坐标轴的驱动控制器分配，从而使得驱动工作台相对主轴的运动轨迹, 以一定的精度要求逼近于所加工的零件的外形轮廓尺寸。 2．按加工批量和零件的复杂程度，试在下图区域内标出通用机床、专用机床和数控机床的适用位置。 3 4 削的功能，数控机床的主轴转速通常在其调速范围内。因此，现代数控机床常采用 作为主运动的动力源。 5．数控机床的最小设定单位是，标制着数控机床精度的分辨率，其值一般为，在编程时，所有的编程单位都应转换成与最小设定单位相应的数据。 6．通常把数控车床的床身导轨倾斜布置，可改善其和。提高机床的静刚度。 7．数控技术是的技术；计算机数控（CNC）是指；数控机床具有、、、、等优点。 8．插补器就实现的方法而言，可用或；按其实现的功能来分类，它可分为、、等类型。 9．刀具半径补偿是指。 左偏刀具半径补偿指令和右偏刀具半径补偿指令分别为和。 二．简答题（每题6分，共18分） 1．何谓二轴半坐标数控机床 2．试论述数控机床的进给伺服系统是由哪几部分组成，它们分别的作用如何伺服系统常用的驱动元件是什么 3．简述数控车床采用钢板焊接床身的原因。 三．计算题（10分） 若加工第一象限直线OE，起点为O(0，0)，终点为E(7，4)，设累加器为3位，试按DDA法进行插补计算，并绘出插补轨迹图。 四．论述题（每题9分，共36分） 1．试推导下图内的脉冲当量δ与步距角α的关系式，假设已知各齿轮齿数和丝杠的导 武夷学院继续教育学院期末考试试卷 （ 级 专业２0 ~20 学年度 第 学期） 课程名称 数控加工技术 卷 考试形式 闭（开)卷 考核类型 考试(查) 本试卷共 大题,卷面满分10０分，答题时间１2０分钟。 一、填空题(每空1分,共10分) 1． 程序是由 , ， ３部分组成。 2． 刀位点是是指刀具的 。 ３． 刀具补偿功能主要有 和 。 4. 对刀点既是程序的 ，也是程序的 。 5.坐标系旋转指令中, 表示开始坐标旋转， 用于撤销旋转功能。 二、单项选择题（选择正确答案的字母填入括号，每小题2分,共2０分) 1． 常用普通数控车床的坐标轴为( )。 A ．X 轴和Ｙ轴 B.X 轴和Ｚ轴 C.Z 轴和Y 轴 D.X 轴、Ｚ轴和C 轴 2. 辅助功能M04代码表示( )。 Ａ.程序停止 B.切削液开 C.主轴停止 D.主轴逆时针转动 3. 刀具远离工件的运动方向为坐标的（ )方向。 A.左 Ｂ.右 C.正 D.负 ４. 在编程中,为使程序简捷，减少出错几率，提高编程工作的效率，总是希望以( ）的程序段数实现对零件的加工。 A.最少 B.较少 C.较多 D.最多 5． 在数控机床上加工封闭外轮廓时,一般沿( )进刀。 Ａ．法向 Ｂ．切向 C ．任意方向 Ｄ.以上都不对 ６． 加工中心换刀时，主轴所用到的相应指令是（ ）。 Ａ.Ｍ02 B.M ０５ C ．M30 D.M0６ 7. 以最大进给速度移动到指定位置点的定位功能（ ）。 A.G0０ B.Ｇ０1 C.G08 Ｄ．G ０9 8. 下列哪种机床不属于数控机床（ )。 Ａ.电火花 B.线切割 C.加工中心 D．组合机床 9. 选择刀具起刀点时应考虑( )。 A．防止与工件或夹具干涉碰撞Ｂ.方便工件安装与测量 C.每把刀具刀尖在起始点重合 D.必须选择工件外侧 1０.程序编制中首件试切的作用是（ )。 A.检验零件图样的正确性 B.检验工艺方案的正确性C．仅检验数控穿孔带的正确性 D.检验程序单或控制介质的正确性，并检查是否满足加工精度要求。 三、判断题（正确的在括号里填上“√”，错误的在括号里填上“×”,每小题1分,共10分） 1.进给路线的确定一是要考虑加工精度,二是要实现最短的进给路线。( ) 2. 数控编程时,应首先设定机床坐标系和参考点。（ ) 3．数控机床的坐标系规定与普通机床相同，均是由左手直角笛卡儿坐标系确定。（）4．G00和G01的运行轨迹都一样,只是速度不一样。（） ５. 圆弧加工程序中若圆心坐标I、J、K,半径R同时出现时，程序执行按半径R，圆心坐标不起作用。（） 6. 在数控铣床上精铣外轮廓时，应使铣刀沿工件轮廓线的法线方向进刀。（） ７. 所有数控机床加工程序的结构均由引导程序、主程序及子程序组成。（ ) ８．坐标系设定指令程序段只设定程序原点的位置，它并不产生运动，即刀具仍在原位置。（ ) 9. 由于数控铣削加工零件时,加工过程是自动的,所以选择毛坯余量时,要考虑充足的余量和尽可能均匀。( ) 10．铣削零件轮廓时进给路线对加工精度和表面质量无直接影响。（） 四、简答题(每小题5分，共２0分） １. 数控加工顺序安排一般应遵循的原则是什么？ 2.加工孔循环指令格式为Ｇ17 G９0／G91 G9８/Ｇ９9 G××Ｘ～Ｙ~ Z～Ｒ～Q～P~ Ｆ~ Ｋ~；试简述指令格式中各字符的含义分别是什么? 五、画图题（每小题10分，共１0分） 在下图画出刀具轨迹（不考虑实际加工情况)，其中：虚线“- - －”表示快进，实线“—”表示切削进给。只画在X－Y平面的走刀路线。数控与编程试题库——附详细答案
数控机床考试试题(附答案)
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