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基于光栅信号的步进电机速度控制

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第!"卷第#期光电工程$%&’!"()%*#(!+++ !+++年!月,-.%/0&12.3%45204654113546718 99999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999文章编号:#++;<=+#>?!+++@+#<++!A<+B基于光栅信号的步进电机速度控制张晓宏#(岳永坚#(刘恩海#(张怀宁!?#*中国科学院光电技术研究所(四川成都C#+!+A D!*昆明理工大学(云南昆明C=++A;@摘要:在分析步进电机运行特性的基础上(讨论了步进电机运行时高速失步和低速波动的原因及其对策(研究了转换角和超前角在步进电机速度控制中的作用(采用改变光栅反馈脉冲当量角及延时调整转换角的方法进行速度的平稳调节(并给出了速度控制方案及其实现E关键词:步进电机(光栅信号(速度控制E中图分类号:F G;H;*C文献标识码:IJ K L L MN O P Q R O S O T J Q L K K U P VWO Q O R X Y Z L MO P[R Y Q U P VJ U V P Y S\]^_[‘U Y O a b O P V#(c d ec O P V a f U Y P#(g h d e P a b Y U#(\]^_[]i Y U a P U P V!?#*j k l m n m o m p q rs t m n u l v k wx y p u m z q k n u l({|n k p l p}u v w p~!q r"u n p k u p l({|p k#w oC#+!+A({|n k v D!*$o k~n k#j k l m n m o m p q r%p u|k q y q#!($o k~n k#C=++A;({|n k v@ ^&Z Q R Y’Q:F(131)*%4*%+*.1-%,.54(56(/*-11-)4-*,36154&%./*-11--,3546*.1--546/%.%3 3,44546)4-.(12%331*-%4-5462%,4.13/1)*,31*)31-5*2,**1-8)*1-%4.(1)4)&0*5*%+.(1 3,44546-3%-13.0%+*.1--546/%.%3*F(1+,42.5%4*%+&1)-)46&1)4-*.5.2()46&154*-11-2%4.3%&%+.(1*.1--546/%.%3)31*.,-51-*F(1*/%%.()-1,*./14.+%3.(1*-11-5*2)3351-%,..(3%,6(2()4654663).546*564)&+11-8)22-,&*1)46&1)4--1&)0546.(1)-1,*./14.%+*.5.2( )46&1*I*-11-2%4.3%&*2(1/1)4-.(1-13+%3/546/1.(%-)31)&*%65314*4L56O R M Z:7.1--546/%.%3*(83).546*564)&*(7-11-2%4.3%&*N g NP i9&L R:F G;H;*C引言步进电机是一种能完成增量运动的电磁机械(它将输入的数字脉冲信号转换成电机转轴的输出角度E 在开环方式下(步进电机的输出步数总是和输入指令的脉冲数相等(每个脉冲都使电机转轴前进一个步进角(并依靠它特有的定位转矩将转轴准确地锁定在相应的步距位置E但是(在开环控制方式下(步进电机的速度控制有着较大难度:在高速运行时(电机易丢失输入脉冲(造成失步D在低速时(电机的转速响应有较大波动(运行不平稳D特别是当电机负载变化时(电机的转速波动更大(调整更不容易E当输入脉冲频率很低时(步进电机转子就处于步进运行状态(此时的矩角特性如图#所示E由图可以看出(步进运行时所能带动的最大负载取决于两条静态特性曲线的交点所对应的转矩(即最收稿日期:#A A A<+"<!#D收到修改稿日期:#A A A<#+<!H作者简介:张晓宏?#A"#<@(男?汉族@(四川乐山人(研究实习员(硕士研究生(主要从事机电一体化研究D岳永坚?#A==<@(副研究员(主要从事机电一体化研究D刘恩海?#A C B<@(副研究员(主要从事光栅信号处理及自动控制研究D张怀宁?#A B B<@(云南大学教授(主要从事计算机控制的研究E万方数据图!步进电机步进矩角特性"#$%!&’())#*$+*$,()-.)(-’/.0’1(2’())#*$3.’.-大负载转矩456只有当负载转矩47845时9步进电机才能带动负载步进运动96步距角越小9两条静态特性曲线相位差越小9则越接近43+:9即所能带动的负载越大6当步进电机连续运行时9在空载情况下只要励磁切换瞬间的失调角在允许的范围内9转子就会不失步地连续向前转动;在负载的情况下9步进电机启动时不仅要克服负载转矩9还要克服惯性转矩6如果输入的脉冲频率过高9在下一个脉冲到来时9失调角还未进入动态稳定区9电机就不能起动6步进电机能不失步地启动的最高频率称为起动频率9起动频率与负载转矩的关系称为起动矩频特性9如图<所示6当步进电机起动后9惯性转矩的影响减小9电机就能以比起动频率高的脉冲频率连续运转9在同样的负载条件下9运行频率高于起动频率9负载转矩越小则高得越多6对于一定运行状态下的步进电机9其最大负载转矩45是一定的6虽然输入的脉冲频率越高9转速就越高9但图<步进电机矩频特性"#$%<=(,+’#.*>(’?((*’1(’.-5@(+*A#*)@’)@,2(0-(5@(*B /一定的45对应一定的起动频率和运行频率6在起动时9输入频率不能超过起动频率值;在运行时9不能超过其相应的运行频率值6C 步进电机失步及波动的分析在开环控制方式下9步进电机必须在低于其最大转矩能力的情况下工作9当有冲击或负载转矩较大时9就会产生失步或丢步现象9从而引起速度控制失效6失步是因为动态角误差超过了允许的范围9即定子电流矢量的步进和转子的位置没有形成联系9如步进电机产生的转矩不足D 转矩过大或共振都可能导致失步6如果采用闭环控制9引入反馈机制9通过位置反馈将矩角锁定在特定的范围内9则定子电流矢量的步进将受到转子位置的严格限制9矩角就不会超过允许的最大角误差9电机就可以在接近或等于其最大动态转矩的情况下工作9这样就避免了失步6步进电机在脉冲序列控制下进行换相9将电磁转矩从一组转矩曲线转换到另一组转矩曲线9如从图!的转矩曲线E 转换到转矩曲线F 6如果换相点位置选择不当或者换相时刻把握不准确9电磁转矩在转矩曲线间的转换就会出现非平稳的过渡9从而导致步进电机的转速响应出现波动6在闭环控制中9通过位置反馈和速度反馈来确定正确的相位转换点9精确把握换相时刻9根据系统调速要求及时进行换相9就可获得平稳的调速能力6G 超前角在速度控制中的作用步进电机的闭环控制9通常采用光电轴角编码器作为反馈元件9它被安装在电机的转轴上9它有三条信号通道H 一路输出原点信号9每转一圈只发出一个脉冲;另外两路为相位差为I J K 的方波脉冲9这两路方波脉冲除了用作相对位置信号外9还可用来辨别电机的转向6为了深入了解步进电机速度控制的本质9必须对超前角和转换角进行分析6转换角定义为某给定相的定位点与产生实际换相脉冲所处位置之间的滞后角度9用L "表示;超前角定义为实际换相脉冲位置与下JM 光电工程第<N 卷第!期万方数据图!超前角和转换角的关系"#$%!&’()*#+,-’*.’’,(’)/),$(’),/0.#*12),$(’一定位位置之间的距离3用45表示6若4-为步进电机的步进角3则存在下列关系745894-:4";<=超前角和转换角的关系如图!所示6在闭环反馈方式下3一旦超前角45确定3电磁转矩就在45和45:4-之间的范围内变化3若最大转矩不变6则闭环自控方式下电机产生的平均转矩为>)?8>@)A4-B4545:4-:0#,4/4;9=从上式可以看出3欲调节电磁转矩3有三种方法3一是改变最大转矩>@)A3这就需要调节电机各有关绕组的电流3步进电机转矩对电流的变化非常敏感C 二是改变步进电机的步距角3这可以通过细分步驱动来实现3实验表明3细分步距角可显著提高步进电机转速的平稳性C 三是改变矩角43在定子磁动势的步进作用下3矩角在上限值45和下限值45:4-之间摆动3平均转矩固定不变6当我们对反馈脉冲进行增减时3相应地超前角就前移或后移一个反馈脉冲当量角6所谓反馈脉冲当量角3是指一个反馈脉冲变成矩角时所相当的电角度3电角度不是几何角度的度量3它描述的是电磁相位的变化6由于光电码盘的每转脉冲数D <和步进传动的每转步数D 9均为已知3则很容易求出反馈脉冲当量角4E74F 8D 9D <G !H I J K ;!=式中K 为步进传动的循环拍数6由上式可以看出3增加码盘脉冲点数3可减小反馈脉冲当量角3但是一味地增加码盘点数3将导致码盘尺寸偏大3增大码盘制作L 安装及调试的成本6我们可以采用码盘信号倍频的方法3在测角环节通过电阻链移相细分或幅值切割细分3将码盘的脉冲反馈信号进行倍频3从而更大程度地减小反馈脉冲当量角3相应地就增加了平均转矩的调节档次3提高了转速调节的平稳性6另外3我们还可以采用延时的方法连续调节超前角456在反馈信号回路中增设延时环节3连续调节延时时间M "3反馈脉冲发生的时间就不再是环形分配器步进的时间3而矩角4从其最小值45:4-跳跃到最大值45的瞬间3则是向后推迟了时间M "3与之相当的角度为4N"8O M ";P =式中O 为码盘的角速度3它随电动机的转速而变化6增加了反馈信号的延时3相当于将转换角从4"增大到4"Q 4N"3则45894-:;4"Q 4N"=;R =可见3对转换角进行了调节3即是对矩角的上下限进行了调节6从公式我们还可以看出3当步进电机转速恒定时3可通过调节延时时间M "来调节平均转矩C 如电机的转速是变化的3则可以通过O 的变化或M "的变化来调节平均转矩6由此可见3超前角45和电磁转矩有着直接关系3影响着调速性能6超前角的变化对步进电机的加减速和稳态转速均有显著影响3超前角大3电机的稳态性能和调速性能就很好6步进电机速度控制的实质3就是利用反馈信号来产生合理的超前角3通过超前角的调节3来控制步进电机的合理换相3从而控制电磁转矩的变化达到调速的目的6S 控制方法步进电机速度控制有多种方法3它们基于不同的控制思想6比较常用的一种方法是根据最优升降频曲线进行速度控制6它是根据步进电机的运动方程3求解出脉冲频率T F 与时间的函数关系T E 8T ;M =3以此作为控制模型3再根据起动L 加速与减速的具体条件3就可以对步进电机进行速度控制6但是3由于函数关<!9I I I 年9月张晓宏等7基于光栅信号的步进电机速度控制万方数据图!基于光栅信号的速度闭环控制"#$%!&’(()*+,-().+,,’*,/01,+23-(),/$130#/$-#$/3+系的非线性4要按照数学模型进行控制是相当复杂的4所以步进电机的速度控制系统一般都用实验的方法确定不同负载下的加减速曲线4以适应负载变化的需要5为了改善步进电机的运行性能4一般采用&字形加减速曲线代替匀加减速曲线4为了最大限度地利用步进运动的起动转矩特性4通过计算机仿真4我们发现速度给定可采用抛物线升频曲线5由于负载转矩总是制动性质的4所以降频曲线的频率变化率应大于升频曲线的频率变化率5通常将升降频曲线以表格的形式存储在内存中4电机运行时由678查表获取升降频的参数5为了在运行过程中灵活地改变步进电机的转速4我们的闭环控制系统采用脉冲负反馈来反映电机的位移4通过调节其超前角来实现速度的平滑控制4电路结构如图!所示5单片微机接受光电轴角编码器产生的位置脉冲4经判别分析后发出后续脉冲4构成闭环控制系统5678分析步进电机的转角位置4在最佳时刻发出换相命令4从而能够把握换相时刻4克服开环方式下的高速失步和低速波动4使平稳性得到提高5由于步进电机是电感性器件4电流的上升和衰减均需要时间4电机的换相不可能瞬间完成5同时电机绕组的电感随转子位置的变化而变化4也是相电流的函数5电机的数学模型是非线性的4不易分析4因而在理论上精确地算出最佳换相时刻很困难5我们用实验的方法可得到步进电机稳态转速与超前角的关系曲线4用实验的方法逐渐改变4并将超前角的变化规律以表格形式存放在单片微机的存储器中5来自光电轴角编码器的光栅位置信号经过采样保持和细分倍频4得到精度很高的位置脉冲5678按照表格中的参数分析这些位置信息4加上适当的延时便可形成实际的换相时刻4它与变化转换角是等效的4可以认为此时间延迟等同于一个额外的角度延迟9:4此时的等效转换角为9";91<9:=>?其中9:为电机在时间延迟期间旋转的角度@9:;A B C )=D ?其中A B 为电机角速度E C )为延迟时间5用时间延迟的方法只能增大转换角4因此基准角91的确定很重要491为9:;F 时使步进电机达到最大转速的转换角4各种时间延迟以矩阵的方式存储在单片机中4电机运行时由678实时读取5G 结论由于这种方法较好地把握了换相时刻4因而取得了较好的转速响应@低速时4克服了转速波动现象4得到了平稳的低速响应E 高速时4无失步现象5对于变化负载的情形4用负载变化范围各恒定负载下得到的稳态转速与超前角的关系曲线来描述4较难得到理想的转速轨迹4可动态调节超前角来补偿负载变动所引起的速度变化5此时单片机控制器需建立一定的实时算法4以获得实时超前角4将电机的稳态转速调整到期望值5参考文献@H I J 吴守箴4臧英杰%电气传动的脉宽调制技术H K J %北京@机械工业出版社4I L L M %H N J 孙鹤旭%交流步进传动系统H K J%北京@机械工业出版社4I L L >%H O J 李志民4张遇杰%同步电动机调速系统H K J %北京@机械工业出版社4I L L M %H !J 陈伯时4陈敏逊%交流调速系统H K J%北京@机械工业出版社4I L L M %H P J 陈佳品4张琛%步进电动机的闭环控制H QJ %电气自动化4I L L >4I M =>?@N I RN O %NO 光电工程第N D 卷第I 期万方数据。

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步进电机控制方法及编程实例

步进电机控制方法及编程实例

步进电机控制方法及编程实例
步进电机在现代自动化控制系统中广泛应用，其精准的位置控制和相对简单的驱动方式使其成为许多工业和家用设备中的理想选择。

本文将介绍步进电机的控制方法及编程实例，帮助读者更好地理解和应用这一技术。

步进电机的基本原理
步进电机是一种将电能转换为机械能的电机，其运行原理基于磁场相互作用。

步进电机内部包含多个电磁线圈，根据电流方向和大小的不同来控制转子的运动。

通过逐个激活线圈，可以实现步进电机的准确位置控制，使其能够按照指定的步长旋转。

步进电机的控制方法
1.单相激励控制：最简单的步进电机控制方式之一。

通过依次激活每一相的线圈，
使电机按照固定步长旋转。

这种方法控制简单，但稳定性较差。

2.双相正交控制：采用两相电流的正交控制方式，提高了步进电机的稳定性和精
度。

可以实现正向和反向旋转，常用于对位置要求较高的应用场景。

3.微步进控制：将步进电机每个步进细分为多个微步进，以提高控制精度和减小振
动。

虽然增加了控制复杂度，但可以获得更平滑的运动和更高的分辨率。

步进电机的编程实例
下面以Python语言为例，演示如何通过控制步进电机的相序来实现简单的旋转控制。

通过以上代码，可以实现对步进电机的简单控制，按照设定的相序进行旋转，实现基本的位置控制功能。

结语
步进电机是一种常用的精准位置控制设备，掌握其控制方法和编程技巧对于工程师和爱好者来说都是有益的。

希望本文介绍的步进电机控制方法及编程实例能够帮助读者更好地理解和应用这一技术。

(完整word版)数控机床技术考试试卷(附答案)

(完整word版)数控机床技术考试试卷(附答案)

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(）。

步进电机调速方法

步进电机调速方法

一、变极对数调速方法这种调速方法是用改变定子绕组的接红方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的，特点如下： 1、具有较硬的机械特性，稳定性良好； 2、无转差损耗，效率高； 3、接线简单、控制方便、价格低； 4、有级调速，级差较大，不能获得平滑调速； 5、可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性。

本方法适用于不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。

二、变频调速方法变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。

变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流－直流－交流变频器和交流－交流变频器两大类，目前国内大都使用交－直－交变频器。

其特点： 1、效率高，调速过程中没有附加损耗； 2、应用范围广，可用于笼型异步电动机； 3、调速范围大，特性硬，精度高； 4、技术复杂，造价高，维护检修困难。

5、本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。

三、串级调速方法串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的。

大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加的装置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。

根据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式，多采用晶闸管串级调速，其特点为： 1、可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上，效率较高； 2、装置容量与调速范围成正比，投资省，适用于调速范围在额定转速70％－90％的生产机械上； 3、调速装置故障时可以切换至全速运行，避免停产； 4、晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大。

5、本方法适合于风机、水泵及轧钢机、矿井提升机、挤压机上使用。

四、绕线式电动机转子串电阻调速方法绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行。

串入的电阻越大，电动机的转速越低。

数控技术复习题含答案版

数控技术复习题含答案版

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FMSFlexible 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:指借助于软硬件技术和支撑环境,利用计算机进行计算、逻辑判断和推理等的功能来制定机械加工工艺过程;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)机床坐标系：以机床原点O为坐标系原点建立的由Z轴和X轴组成的直角坐标系XOZ;机床坐标系是用来确定工件坐标系的基本坐标系;是机床上固有的坐标系,并设有固定的坐标原点;17)脉冲当量：对于每一的运动部件的量称为脉冲当量18)插补：根据给定的进给速度和轮廓线性,在轮廓上已知点之间确定一些中间点;19)并行处理：中在同一时刻或同一时间段内能同时执行两个或更多个处理机的一种计算;20)数字式测量：是将以数字的形式来表示,一般为,可以将它直接送到进行比较处理和显示;21)重复精度：一般指,在重复测量某一点的值时,各次测量结果所显示的测量值与实际值的偏差22)机床结构静刚度：机床在切削力和其他作用力下抵抗变形的能力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;1)简述辅助功能M00与M01的区别;M00为程序无条件暂停指令;M01性暂停指令2)什么是数控加工程序中的程序嵌套;子程序可以被主程序所调用;被调用的子程序还可以调用其它子程序;3)简述运行一个数控加工程序的过程;运行-主轴转动-回参-x、z、y轴按程序加工零件如果是车床就不用写Y-退刀回参-主轴停止-程序结束4)工件坐标系选择原则1工件坐标系原点选择时应尽量与零件图样的设计基准或工艺基准重合;2工件坐标系原点应尽量选在尺寸精度高、表而粗糙度值低的工件表面上;3便于进行加工点坐标值的计算,并尽可能避免由此而产生的误差;4在机床上容易确定工件坐标系在机床坐标系中的位置,并便于加工和测量检验;根据上述原则,数控车床加工中一般将工件坐标系原点设定在零件右端面或左端面中心上5)数控机床加工的特点效率高精度高柔性高改善劳动强度利于生产管理现代化加工质量稳定可靠6)简述数控系统的插补概念所谓“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;插补的任务就是根据进给速度的要求,在一段零件轮廓的起点和终点之间,计算出若干个中间点的坐标值;7)简述刀具补偿功能.包括刀具长度补偿和半径补偿;作用是把零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹;8)简述一次有效G代码和模态代码的区别模态的就是只用一次,下面不用在用,可以直接写程序非模态的就不可以了,每次前面都要加上9)步进电机的工作原理：当电流流过定子绕组时,定子绕组产生一矢量磁场;该磁场会带动转子旋转一角度,使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致;当定子的矢量磁场旋转一个角度;转子也随着该磁场转一个角度;每输入一个电脉冲,电动机转动一个角度前进一步;它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比;改变绕组通电的顺序,电机就会反转;所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动10)逐点比较法的插补原理是什么：被控制对象在数控装置的控制下,按要求的轨迹运动时,每走一步都要和规定的轨迹比较,根据比较的结果决定下一步的移动方向11)滚珠丝杠消隙的方法及消隙的注意事项是什么①为双螺母垫片调隙式,改变垫片的厚度,使内外两个螺母产生轴向相对位移;②弹簧自动调整式：用弹簧使两螺母间产生轴向位移;③为齿差调隙式,通过调整螺母端头上的外齿相对内齿的啮合角度来消除间隙;④为螺纹调隙式,转动调整螺母1,使螺母2产生轴向位移;12)数控系统对伺服电动机有哪些要求1控制性能高,有控制电压信号时,电动机在转向和转速上应能做出正确的反应,控制电压信号消失时,电动机应能立即可靠停转,即无“自转”现象；2动态响应快,电动机转速的高低和方向随控制电压信号改变而快速变化,反应灵敏,启动转矩大；3机械特性和调节特性线性度好,调速范围大；4控制功率小,空载启动电压低;13)数控系统检测装置的性能指标及要求是什么答：1性能指标：数控机床检测装置的分辨率一般为~m,测量精度为士~m,能满足机床工作台以1~10m/min的速度运行;不同类型机床对于检测装置的的精度和速度要求是不同的,一般地,对于大型机床一满足速度为主,中小型机床和高精度机床以满足精度为主;2检测装置的要求有：准确性好,满足精度要求,工作可靠,能长期保持精度；满足快速,精确和机床工作行程的要求；14)为什么要对工件廓形进行拟合由于大多数数控机床上只具备直线和圆弧插补,所以在连续控制系统的数控机床上加工成形轮廓的工件时,都先要对工件廓形曲线进行拟合,代替原来的轮廓曲线,然后才能使用数控机床的G功能加工出所需的廓形曲线15)数控机床对导轨有什么要求高速进给时不振动、摇臂钻床低速进给时不爬行、具有高的灵敏度、能在重载下长期连续地工作、耐磨性高、精度保持性16)某数控机床采用滚动导轨,由伺股电动机通过一对齿轮带动滚珠丝杠驱动工作台移动,其脉冲当量为,现CNC发出正向指令脉冲,工作台移动了100mm后,电动机又接到同样数量反向指令脉冲,而工作台反向只移动了,未能复位到原点;试分析该系统有何问题应采取什么措施以提高定位精度;答：齿轮有间隙,修改参数进行反向间隙补偿;17)试阐述数控铣床坐标轴的方向及命名规则;1伸出右手的大拇指、食指和中指,并互为90°;则大拇指代表X坐标,食指代表Y坐标,中指代表Z坐标;2大拇指的指向为X坐标的正方向,食指的指向为Y坐标的正方向,中指的指向为Z坐标的正方向;3围绕X、Y、Z坐标旋转的旋转坐标分别用A、B、C表示,根据右手螺旋定则,大拇指的指向为X、Y、Z坐标中任意轴的正向,则其余四指的旋转方向即为旋转坐标A、B、C的正向18)加减速控制的目的是什么,有哪些实现方法为了保证机床在启动或停止时不产生冲击、失步、超程或振荡,必须对送到伺服驱动装置的进给脉冲频率或电压进行加减速控制;加减速有：线性加减速,指数加减速和sin加减速;19)B功能刀具补偿与C功能刀具补偿的特点和区别由于刀具有一定的半径,在加工外轮廓时,刀具中心偏移零件的外轮廓一个刀具半径,在加工内轮廓时,刀具中心偏移零件的内轮廓一个刀具半径；B功能刀具半径补偿只能计算出直线或圆弧终点的刀具中心值,而对于两个程序段之间在刀补后出现的一些特殊情况没有给予考虑;它的工作流程通常是读一段;算一段,再走一段的控制方法；C功能刀具补偿改进了B功能刀具补偿的缺陷,它可以实现直线或圆弧的过度,直接求出刀具中心的轨迹焦点20)什么是前加减速,什么是后加减速,各有何优缺点把加减速控制放在插补之前进行的,称为前加减速控制;优点是：仅对合成速度有影响,不影响实际插补输出的位置精度;缺点是：需根据实际刀具位置和程序段终点之间的距离来确定减速点,计算工作量大;把加减速控制放在插补之后分别对各坐标轴进行的,称为后加减速控制;优点是：不需要专门预先确定减速点,而是在插补输出为零时开始减速,通过一定的时间延时逐渐靠近程序终点;缺点是：由于是对各坐标分别进行控制,所以在加减速控制实际的各运动轴合成位置可能不准确;但这种影响只存在于加速或减速过程中;21)数控装置的功能有哪些控制功能；准备功能G功能；插补功能和固定循环功能；进给功能；主轴功能；辅助功能M功能；刀具管理功能；补偿功能；人机对话功能；自诊断功能；通讯功能22)多微处理器CNC装置的两种典型结构是什么各有什么特点答：1、共享总线结构：分为带CPU的主模块和不带CPU的从模块,共享系统的标准总线;由于有多个模块共享总线,容易引起冲突,使数据传输效率降低,总线一旦出现故障会影响整个CNC装置的性能;但结构简单、系统配置灵活,实现容易;2、共享存储器结构：各个主模块都有权控制使用系统存储器,引起冲突的可能较小,数据传输效率高,结构不复杂23)以处理程序段G01 X30 Y40 F100为例说明CNC系统中数据转换过程;答：该程序段在CNC中的处理过程为：1零件程序的输入：通过CNC面板或通讯接口将程序输入到零件程序存储器内；2零件程序的预处理：1编辑一段程序,按标准格式存放在BS缓冲区；2译码,识别程序段中的各种具体功能指令及坐标尺寸字,进行“十翻二”,以一定的格式存放在指定的内存区,即缓冲器DS；3刀具补偿处理,将处理结果放入刀具处理缓冲器CS中,本程序段没有刀具补偿,跳过此程序处理；4速度预处理,根据插补方式不同基准脉冲法、数据采样法计算得到相应的速度,存入工作缓冲器AS;3插补：从工作寄存器AS中读取坐标值送入输出寄存器OS中,进行插补运算,其结果送入伺服系统予以执行24)数控系统软件主要完成哪些功能答：1、数据输入处理：输入、译码、数据处理；2、插补运算；3、速度控制；4、系统管理诊断；25)中断型结构模式的结构特点中断型结构模式是将除了初始化程序之外,整个系统软件的各个任务模块分别安排在不同级别的中断服务程序中,然后由中断管理系统由硬件和软件组成对各级中断服务程序实施调度管理;实时性好;由于中断级别较多,强实时性任务可安排在优先级较高的中断服务程序中;模块间的关系复杂,耦合度大,不利于对系统的维护和扩充;26)简述光栅测量装置的工作原理及莫尔条纹的特点;答：光栅位移检测装置由光源、两块光栅长、短光栅和光电元件组成,是利用光栅的莫尔条纹测量位移;莫尔条纹的移动量、移动方向和光栅相对应,莫尔条纹的间距对光栅栅距有放大作用和误差平均作用;当两块光栅有相对移动时,可以观察到莫尔条纹光强的变化,其变化规律为一正弦曲线,通过感光传感器输出该正弦变化的电压,经整形处理变成数字量输出以实现位移测量;区别正反向位移的原理是在相距四分之一莫尔条纹的间距的位置上设置两个光敏传感器,这样就得到两个相位差90度的正弦电压信号,将两个信号输入到辩向电路中就可区别正反向位移;27)光栅尺有哪些部件组成,莫尔条纹的作用;答：由光源、长光栅、短光栅、光电元件等组成;1、光栅移动一个栅距时,莫尔条纹就相应准确的移动一个节距,两者一一对应；2、莫尔条纹具有放大机构的作用；3、莫尔条纹具有平均效应;28)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按摩尔条纹特点,可在摩尔条纹移动方向上开设四个窗口P1、P2、P3和P4,切使得它们两两相距1/4摩尔条纹宽度,可以从四个观察窗口得到如下结论：1机床移动部件的位移检测：标尺光栅装在机床移动部件工作台上,赶上读数头装在床身上,当标尺光栅移动一个栅距时,摩尔条纹也移动一个摩尔条纹宽度;即透过任一窗口的光强度变化一个周期;所以可观察窗口透过的光强变化的周期数来确定标尺光栅移动了几个栅距,从而测得机床工作台的位移;2确定移动部件的方向：从P1、P2、P3和P4四个窗口可得到在相位上依次超前或滞后1/4周期的近似余弦函数的光强度变化过程;当标尺光栅沿一个方向移动时,可得到四个光强信号,P1滞后P2π/2,P2滞后P3π/2, P3滞后P4π/2,则摩尔条纹反向移动时四个光强变化为P1超前P2π/2,P2超前P3π/2, P3超前P4π/2,我们就可断定标尺光标沿反向移动;即按四个观察窗口得到光强度变化的相互超前或滞后关系来确定机床移动部件的移动方向;3确定移动的速度：根据摩尔条纹的特点,标尺光栅的移动位移与摩尔条纹位移成正比,因此标尺光栅的移动速度与摩尔条纹的移动速度一致,也与观察窗口的光强度变化频率向对应;根据透过观察窗口的光强度变化的频率来确定标尺光栅的移动速度,即得到机床移动部件的移动速度;29)什么是步进电机的步距角和脉冲当量一个三相步进电机,转子有40个齿,采用双拍通电方式,其步距角是多少若该进给系统的齿轮传动比是,滚珠丝杆的导程是4mm,则该进给系统的脉冲当量是多少解：1当数控系统发出一个指令脉冲信号时,步进电机的转子所转的角度,称为步距角；而机床工作台在坐标轴上相应移动的距离,称为脉冲当量;（2）步距角α=360°/m·K·z= 360°/3X2X40=°.（3）脉冲当量δ=α·i·t/360°=°360°=.30)绘制全闭环数控机床的结构框图,并简述其工作原理；要求从数据输入开始,到工作台输出结束数控机床闭环进给系统的一般结构上图,这是一个双闭环系统,内环为速度环,外环为位置环;速度环由速度控制单元、速度检测装置等构成;速度控制单元是一个独立的单元部件,它是用来控制电机转速的,是速度控制系统的核心;速度检测装置有测速发电机、脉冲编码器等;位置环是由CNC装置中的位置控制模块、速度控制单元、位置检测及反馈控制等部分组成31)旋转变压器的工作原理；旋转变压器根据互感原理工作的,它的结构设计保证了定子与转子之间的空气隙内的磁通分布呈正弦规律;当定子绕组上加交流激磁电压时,通过互感在转子绕组中产生感应电动势,其输出电压的大小取决于定子与转子两个绕组轴线在空间的相对位置θ角;32)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由伺服驱动电路、伺服驱动装置、机械传动机构及执行部件四部分组成;它的作用是：接收数控系统发出的进给速度和位移指令信号,由伺服驱动电路作转换和放大后,经伺服驱动装置直流、交流伺服电机,功率步进电机,电液脉冲马达等和机械传动机构,驱动机床的工作台、主轴头架等执行部件实现工作进给和快速运动;伺服系统常用的驱动元件是步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机;33)数控机床的机械结构包含那些,在机械结构方面有哪些主要特点答：有：床身、立柱、导轨、主轴部件、进给系统、工作台、刀库和刀架、辅助装置等;支撑件的高刚度化；传动机构的简约化：传动元件精密化：辅助操作自动化34)机床加工时可能产生的振动有那些如何提高机床的抗振性能答：有两种：强迫振动和自激振动;提高抗振性能的措施有：1基础件内充填泥芯、混凝土等阻尼材料；2表面采用阻尼涂层；3采用聚合物等新材料制造基础件；4充分利用结合面之间的阻尼;35)主传动的常见形式有哪些,各种传动形式的分别适用于什么场合答：主传动形式有：变速齿轮传动、皮带轮传动、调速电机直接驱动;变速齿轮传动：1、降速增扭；2、变速,扩大调速范围;满足机床转矩功率特性;皮带轮传动：适用于低扭矩特性要求的主轴,调速范围比受电机调速范围约束;调速电机直接驱动：电机与主轴直联,结果紧凑,传动效率高;但主轴扭矩特性完全取决于电机特性,应用受到限制;但主轴性能提高以后,这种驱动形式可能被广泛使用36)直线导轨的特点是什么1具有自调整能力,安装基面许用误差大；2制造精度高；3可高速运行,运行速度可大于60m/min；4能长时间保持高精度；5可预加负载,提高刚度;37)简述同步带传动的优缺点；1传动效率高,可达98%以上；2无滑动,传动比准确；3传动平稳,噪声小； 4使用范围较广,速度可达50m／s,速比可达10左右,传递功率由几瓦至数千瓦；5维修保养方便,不需要润滑；6安装时中心距要求严格,带与带轮制造工艺较复杂,成本高;38)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;开环控制方式通常是以步进电机或电液伺服马达为驱动元件,输入的数据经过数控系统的运算分配指令脉冲,每一个脉冲送给环形分配器驱动步进电机或电液伺服马达,使其转动一个角度带动传动机构,从而使被控制对象移动;这种方式对实际传动机构的动作完成与否不进行检查,驱动控制指令发出后不反馈会数控系统,这种控制方式容易掌握,调试方便,维修简单,但精度不高在数控设备的运动部件上装有测量元件,将运动部件的位置、速度信息及时反馈给伺服系统,伺服系统将指令位置,速度信息与实际信息进行比较并及时发出补偿控制指令,如果测量元件装在机械传动链末端部件上,如机床工作台上,则该系统为全闭环系统,或闭环系统,这种控制方式精度高,速度快,但维修和调试较困难如果测量元件装在机械传动链的中间部件上,如滚珠丝杠上,则该系统为半闭环系统,这种控制方式的精度比闭环的低简述数控加工工序的划分原则;工序集中原则和工序分散原则工序集中原则;指每道工序包括尽可能多的加工内容,从而使工序的总数减少工序分散原则;工序分散就是将工件的加工分散在较多的工序内进行,每道工序的加工内容很少试说明基准脉冲插补法和数据采样法的特点基准脉冲插补法在插补计算过程中不断地向各个坐标轴发出相互协调的进给脉冲,驱动各坐标轴进给电动机的运动;实现方法比较简单,既可以用硬件来实现,也可以用软件来实现;数据采样插补法采用软件插补法,其输出的插补结果不是脉冲,而是数据;数控系统定时地对位置检测进行采样,采样数据与插补程序所产生的指令数据相比较以后,得到位置偏差,经伺服驱动控制伺服电动机39) 数控机床对进给伺服系统的要求有哪些①进给速度范围要大,能满足低速切削和高速切削的需要； ②位移精度要高； ③跟随误差要小,即响应速度要快； ④工作稳定性要好,具有抗干扰能力,运行平稳,加工精度较高40) 步进电机的主要性能指标有哪些试比较驱动步进电机的三种功率放大器特点; 主要性能指标：步距角、静态步距误差、输出扭矩、最高启动、停止脉冲频率、连续运行的最高工作频率、步进运行和低频振荡等;单电压功率放大电路：功耗大,一般只用于小功率步进电机驱动；双电压功率放大电路：采用高、低电压两种供电电源以降低能耗,高频工作时有较大的转动力,多用于中、大功率步进电机驱动；斩波恒流功放电路：利用斩波方法使电流恒定在额定值附近,不需外接电阻来限流和减少时间常数；能耗小,电源效率高；能提高高频工作频率,是目前使用最普及的一种驱动电路; 41) 试推导出逐点比较法插补第二象限逆圆时的偏差函数递推公式,并画出插补程序流程图)0(12)0(12,,1,1,<++−−←≥+-−−←++F x F F F y F F j i j i j i j i此图仅供参考,需要根据题目修改42) 数控机床的主传动系统有哪几种传动方式各有何特点有如下四种方式：43) 1带有变速齿轮的主传动,通过少数几对齿轮降速,增大输出扭矩,可以满足主轴低速时有足够的扭矩输出;44) 2通过带传动的主传动,与主轴通过形带或同步齿形带传动,不用齿轮传动,可避免振动和噪声;45) 3用两个电动机分别驱动主轴,高速时,通过皮带直接驱动主轴旋转；低速时,另一个电动机通过齿轮传动驱动主轴旋转;46) 4内装电动机主轴传动结构,简化结构,提高刚度;47) 若加工第一象限直线OE,起点为O0,0,终点为E7,4,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;48) 根据下面的框图原理推导指数加减速控制算法;49) 开环进给系统中,如何补偿机械传动间隙和滚珠丝杆螺距误差其中机械补偿方法：传动间隙的补偿有偏心轴套调整、轴向垫片调整、双片薄齿轮调整等滚。