数控机床的伺服系统和常用驱动元件

数控机床考试试题（附答案）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。

<）8、只有加⼯中⼼机床能实现⾃动换⼑，其它数控机床都不具备这⼀功能。

三、单项选择题：1。

CNC 系统软件必须完成管理和控制两大任务，下面任务中哪个不属于控制任务?（)A 、诊断B 、插补C 、位控D 、译码 2。

下列正确表示机床坐标系的是（）A 、XB 、XC 、ZD 、Y3。

脉冲当量的大小决定了加工精度，下面哪种脉冲当量对应的加工精度最高？（）A 、1um/脉冲B 、5um/脉冲C 、10um/脉冲D 、0。

01mm/脉冲 4.设编程原点在工件的上表面，执行下列程序后，钻孔深度是(). G90 G01 G43Z-50H01 F100（H01补偿值—2。

00mm ）A ．48mm;B 。

52mm ；C.50mm 。

5。

一直线的起点坐标在坐标原点，终点坐标为A （x a 、y a )，刀具的坐标为P （x 、y ）。

用逐点比较法对该直线进行插补时的偏差函数是（）。

A.F ＝x ·y －x a ·y a ;B 。

F ＝x a ·y －y a ·x ;C 。

F ＝x a ·x －y a ·y ；D 。

F ＝x a +y a －x －y 6。

加工中心与其他数控机床的主要区别是()。

A 。

有刀库和自动换刀装置;B 。

机床转速高；C 。

机床刚性好；D 。

进刀速度高 7.数控机床的数控装置包括（）.A.光电读带机和输入程序载体;B 。

步进电机和伺服系统C.输入、信息处理和输出单元；D 。

位移、速度传感器和反馈系统 8。

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。

9．编程坐标系一般指的是（)A ．机床坐标系；B.工件坐标系;10．下面哪项任务不是数据预处理(预计算）要完成的工作？（）A 、位置控制B 、刀具半径补偿计算C 、刀具长度补偿计算D 、象限及进给方向判断 11.A 步进电机的转速是否通过改变电机的（)而实现。

A.脉冲频率B 。

脉冲速度C 。

通电顺序。

12.程序编制中首件试切的作用是(）。

一、填空题（每空1.5分，共18分）1. 数控机床是用数字化代码来控制刀具与工件的相对运动，从而完成零件的加工。

2. CPU是CNC装置的核心，它由运算器和控制器两个部分组成，cpu 是对数据进行算术和逻辑运算的部件，cnc 是统一指挥和控制数控系统各部件的中央机构。

3. 所谓“插补”就是指在一条已知起点和终点的曲线上进行数据点的密化的过程。

4．闭环伺服驱动系统一般由驱动控制单元、执行单元、机床、检测反馈单元、比较控制环节等五个部分组成。

5．CNC系统软件必须完成管理和控制两大任务。

6.数控机床坐标系的确定：X、Y、Z的正向是工件尺寸增加的方向，通常平行于主轴的轴线为Z坐标，而x 坐标方向是水平的，并且平行于工件装卡面，而Y向坐标是按照右手直角笛卡尔坐标系来确定的。

7.光栅是利用光学原理进行工作的位置反馈检测元件。

若光栅栅距d = 0.01mm，光栅指示光栅与标尺光栅夹角θ= 0.01rad，则可得莫尔条纹宽度W = 1 mm。

8.光栅读数头主要由光源、透镜、标尺光栅、光敏元件和驱动电路组成。

9.步进式伺服驱动系统是典型的开环控制系统，在此系统中执行元件是伺服电动机。

10.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轮廓尺寸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进给脉冲，从而使得伺服电动机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。

11. 数控机床伺服驱动系统是指以机床移动部件的位置和速度为控制量的自动控制系统，又称为拖动系统。

12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。

二、单项选择题（每小题1.5分，共12分）1. 将数控系统分为开环式数控系统和闭环式数控系统是按照下面哪种分类方法进行分类的？（c ）A、工艺用途B、工艺路线C、有无检测装置D、是否计算机控制2.下述能对控制介质上的程序进行译码的装置是（a ）。

机床加工，大多是低速时进行切削，即在低速时进给驱动要有大的转矩输出。

二、进给伺服系统的组成如图所示为数控机床进给伺服系统的组成。

从图中可以看出，它是一个双闭环系统，内环是速度环，外环是位置环。

位置环的输入信号是计算机给出的指令信号和位置检测装置反馈的位置信号，这个反馈是一个负反馈，即与指令信号的相位相反。

指令信号是向位置环送去加数，而反馈信号向位置环送去减数。

位置检测装置通常有光电编码器、旋转变压器、光栅尺、感应同步器或磁栅尺等。

它们或者直接对位移进行检测，或者间接对位移进行检测。

开环伺服系统开环伺服系统是最简单的进给伺服系统，无位置反馈环节。

如图所示，这种系统的伺服驱动装置主要是步进电动机、功率步进电动机、电液脉冲电动机等。

由数控系统发出的指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电动机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠螺母副驱动执行部件。

闭环伺服系统闭环伺服系统原理图如图所示。

系统所用的伺服驱动装置主要是直流或交流伺服电动机以及电液伺服阀—液压马达。

与开环进给系统最主要的区别是：安装在执行部件上的位置检测装置，测量执行部件的实际位移量并转换成电脉冲，反馈到输入端并与输人位置指令信号进行比较，求得误差，依此构成闭环位置控制。

由于采用了位置检测反馈装置，所以闭环伺服系统的位移精度主要取决于检测装置的精度。

闭环伺服系统的定位精度一般可达±0.01mm～±0.005 mm。

半闭环伺服系统半闭环伺服系统如图所示。

将检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件位置的系统称为半闭环系统。

闭坏系统可以消除机械传动机构的全部误差，而半闭环系统只能补偿系统环路内部分元件的误差，因此，半闭环系统的精度比闭环系统的精度要低一些，但是它的结构与凋试都比较简单。

全数字伺服系统随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控机床的伺服系统已经开始采用高速度、高精度的全数字伺服系统。

使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数字方式。

数控机床伺服系统的分类数控机床伺服系统按用途和功能分为进给驱动系统和主轴驱动系统；按控制原理和有无检测反馈环节分为开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统；按使用的执行元件分为电液伺服系统和电气伺服系统。

1.按用途和功能分：(1)进给驱动系统：是用于数控机床工作台坐标或刀架坐标的控制系统，控制机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程所需的力矩。

主要关心其力矩大小、调速范围大小、调节精度高低、动态响应的快速性。

进给驱动系统一般包括速度控制环和位置控制环。

(2)主轴驱动系统：用于控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动功率和所需的切削力。

主要关心其是否有足够的功率、宽的恒功率调节范围及速度调节范围；它只是一个速度控制系统。

2.按使用的执行元件分：(1)电液伺服系统其伺服驱动装置是电液脉冲马达和电液伺服马达。

其优点是在低速下可以得到很高的输出力矩，刚性好，时间常数小、反应快和速度平稳；其缺点是液压系统需要供油系统，体积大、噪声、漏油等。

（2）电气伺服系统其伺服驱动装置伺服电机（如步进电机、直流电机和交流电机等）。

其优点是操作维护方便，可靠性高。

其中，1）直流伺服系统其进给运动系统采用大惯量宽调速永磁直流伺服电机和中小惯量直流伺服电机；主运动系统采用他激直流伺服电机。

其优点是调速性能好；其缺点是有电刷，速度不高。

2）交流伺服系统其进给运动系统采用交流感应异步伺服电机（一般用于主轴伺服系统）和永磁同步伺服电机（一般用于进给伺服系统）。

优点是结构简单、不需维护、适合于在恶劣环境下工作；动态响应好、转速高和容量大。

3.按控制原理分（1）开环伺服系统系统中没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置→进给系统），故系统稳定性好。

开环伺服系统的特点：1. 一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。

2. 无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，机床运动精度主要取决于伺服驱动电机和机械传动机构的性能和精度。

步进电机步距误差，齿轮副、丝杠螺母副的传动误差都会反映在零件上，影响零件的精度。

数控机床：采用数字化信号对机床运动及加工过程进行控制的机床。

数控编程：从分析零件图纸到制成数控机床所需控制介质的过程。

滚珠丝杠副：在螺母和丝杠之间用滚珠作为滚动体的螺旋传动元件。

机床抗振性：机床在工作时抵抗由交变载荷及冲击载荷所引起的振动的能力。

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。

1)速度增益:速度环中进行速度调节的参数，其等于速度比上速度误差。

2)预紧:在配置轴承时，通过一定的调整方法使轴承获得一定的内部载荷，以负游隙状态使用，这种使用方法称为预紧。

3)伺服系统:伺服系统是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。

4)自动换刀装置:能自动更换加工中所用工具的装置5)FMS:柔性制造系统简称FMS(Flexible Manufacture System)，是一组数控机床和其他自动化的工艺设备，由计算机信息控制系统和物料自动储运系统有机结合的整体。

6)CAPP:指借助于计算机软硬件技术和支撑环境，利用计算机进行数值计算、逻辑判断和推理等的功能来制定零件机械加工工艺过程。

7)中断型结构:除了初始化程序之外，整个系统软件的各种功能模块分别安排在不同级别的中断服务程序中，整个软件就是一个大的中断系统。

8)相对坐标编程:刀具运动的位置坐标是指刀具从当前位置到下一个位置的增量，在程序中用G91指定。

9)刀位点:指刀具的定位基准点10)自动编程:相对与手动编程而言的。

它是利用计算机专用软件来编制数控加工程序。

11)手动编程:指编制零件加工的各个步骤均由人工完成，称为“手工程序编制”12)宏程序：由用户编写的专用程序，它类似于子程序，可用规定的指令作为代号，以便调用。

13)LSI:大规模集成电路14)点位控制系统：指数控系统只控制刀具或机床工作台，从一点准确地移动到另一点，而点与点之间运动的轨迹不需要严格控制的系统15)CIMS：计算机集成制造系统16)17)18)19)20)21)22)23)CNC：CNC系统是一种位置（轨迹）控制系统，其本质上是以多执行部件(各运动轴)的位移量为控制对象并使其协调运动的自动控制系统，是一种配有专用操作系统的计算机控制系统。

24)闭环控制系统：由信号正向通路和反馈通路构成闭合回路的自动控制系统，又称反馈控制系统。

25)机床原点：指机床坐标系的原点,是机床上的一个固定点.它不仅是在机床上建立工件坐标系的基准点,而且还是机床调试和加工时的基准点.26)步进电机矩频特性：当电机带有一定的负载运行时，运行频率与负载转矩大小有关，两者的关系称为运行矩频特性27)刀具半径补偿：根据按零件轮廓编制的程序和预先设定的偏置参数，数控装置能实时自动生成刀具中心轨迹的功能称为刀具半径补偿功能。

伺服系统的分类和基本组成形式伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。

伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。

分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。

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。

以上指的主要是进给伺服控制，另外还有对主运动的伺服控制，不过控制要求不如前者高。

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。

伺服系统的分类伺服系统按其驱动元件划分，有步进式伺服系统、直流电动机伺服系统、交流电动机伺服系统。

按控制方式划分，有开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统等，实际上数控系统也分成开环、闭环和半闭环3种类型。

1、开环系统开环系统，它主要由驱动电路，执行元件和机床3大部分组成。

常用的执行元件是步进电机，平日称以步进电机作为履行元件的开环系统为步进式伺服系统，在这种系统中，假如是大功率驱动时，用步进电机作为履行元件。

驱动电路的主要任务是将指令脉冲转化为驱动执行元件所需的信号。

2、闭环系统闭环系统主要由执行元件、检测单元、比较环节、驱动电路和机床5部分组成。

在闭环系统中，检测元件将机床移动部件的实际位置检测出来并转换成电信号反馈给比较环节。

常见的检测元件有旋转变压器、感应同步器、光栅、磁栅和编码盘等。

通常把安装在丝杠上的检测元件组成的伺服系统称为半闭环系统;把安装在工作台上的检测元件组成的伺服系统称为闭环系统。

由于丝杠和工作台之间传动误差的存在，半闭环伺服系统的精度要比闭环伺服系统的精度低一些。

比较环节的作用是将指令信号和反馈信号举行比较，两者的差值作为伺服系统的跟随偏差，经驱动电路，控制履行元件带动工作台继续挪动，直到跟随偏差为零。