机械数控设备技术试卷A(含答案)

姓名 学号 学院 专业 座位号 ( 密 封 线 内 不 答 题 )密封线线_ _ 诚信应考,考试作弊将带来严重后果！ 华南理工大学期末考试机械设备数控技术试卷A注意事项：1. 考前请将密封线内填写清楚； 2. 所有答案请直接答在试卷上； 3考试形式：开卷； 4. 本试卷共 五 大题，满分100分，考试时间120分钟。题 号一二三四五总分得 分评卷人一、名词解释（共20分，每题4分）1、插补：2、脉冲当量：3、NC：4、C刀补：5、步距角：二、简答题（共36分，每题6分）1、什么是开环、闭环、半闭环进给伺服系统？2、解释所给程序段“N5G42G01X25000Y56000F150S350”中各字的意义。3、数控机床为什么要有刀补功能？4、基准脉冲插补和数据采样插补的特点。5、试比较硬件插补与软件插补的不同点。6、何谓对刀点、刀位点？为何要对刀？三、原理与计算题（共21分，每题7分）1、试用框图说明第一象限逐点比较法直线插补的工作原理，并以如下直线为例说明。直线的起点坐标在原点O(0,0)，终点为A(2,3)，单位均为脉冲当量单位。2、现有一光栅，其栅距P=0.016mm，指示光栅和标尺光栅上的光栅线纹夹角为=0.01弧度，试求此光栅的摩尔条纹宽度W。3、CNC系统的控制软件一般包括哪几部分？简述各部分的主要功能。四、程序编写题（8分）五、应用题（15分，每题5分）1、按ISO标准确定如图所示数控机床的坐标系统各坐标轴正方向及命名，并在图上标示，要求所标方向为刀具运动的正方向。说明确定的方法和步骤，指出该机床为何种类型的机床（NC铣床、NC车床？立式、卧式？）。2、对照下图说明：（1）M03指令的实现过程；（2）按下机床面板中的“停止工作” 按钮时系统的控制过程。3、当用软件实现三相(A、B、C相)步进电机的连续运行功能时，如用一个八位寄存器的D0位对应于步进电机的A相、D1位对应于B相、D2位对应于C相，填写出三相六拍工作时，寄存器输出状态的变化情况。（x表示未使用的位）。参考答案一、名词解释（共20分，每题4分）1、插补：数据密化的过程。在数控系统有限输入坐标点的情况下，计算机根据线段的特征，运用一定的算法，自动地在有限坐标点之间生成一系列的坐标数据。2、脉冲当量：相对于每个脉冲信号，机床移动部件的位移量叫做脉冲当量。3、NC：数字控制（Numerical Control）技术，简称为数控（NC）技术，它是采用数字代码的形式，按事先编好的程序将机床的轨迹和速度等信息记录在控制介质上，然后输入机床的数控系统进行控制，使机床进行自动加工的一种先进制造技术。4、C刀补：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。它的主要特点是采用直线作为轮廓之间的过渡，因此，它的尖角性好，并且它可自动预报(在内轮廓加工时) 过切，以避免产生过切。5、步距角：步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过的角度。二、简答题（共36分，每题6分）1、什么是开环、闭环、半闭环进给伺服系统？按数控系统的进给伺服子系统有无位置测量装置可分为开环数控系统和闭环数控系统，在闭环数控系统中根据位置测量装置安装的位置又可分为全闭环和半闭环两种。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。无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济型数控机床。半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置(常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。因此，其精度较闭环差，较开环好。但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代CNC机床中得到了广泛应用。全闭环数控系统的位置采样点从工作台引出，直接对运动部件的实际位置进行检测。从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。2、解释所给程序段“N5G42G01X25000Y56000F150S350”中各字的意义。N5第五行程序；G42右刀补；G01直线插补；X25000x 方向进给到25000；Y56000y 方向进给到56000；F150进给速度为150；S350主轴转速为350。3、数控机床为什么要有刀补功能？实现根据编程轨迹对刀具中心轨迹的控制。可避免在加工中由于刀具半径的变化(如由于刀具损坏而换刀等原因)而重新编程的麻烦。刀具半径误差补偿，由于刀具的磨损或因换刀引起的刀具半径的变化，也不必重新编程，只须修改相应的偏置参数即可。减少粗、精加工程序编制的工作量。由于轮廓加工往往不是一道工序能完成的，在粗加工时，均要为精加工工序预留加工余量。加工余量的预留可通过修改偏置参数实现，而不必为粗、精加工各编制一个程序。4、基准脉冲插补和数据采样插补的特点。基准脉冲插补又称为行程标量插补或脉冲增量插补。这种插补算法的特点是每次插补结束时数控装置向每个运动坐标输出基准脉冲序列，每个脉冲代表了最小位移，脉冲序列的频率代表了坐标运动速度，而脉冲的数量表示移动量。每次插补的结果仅产生一个单位的行程增量（一个脉冲当量）。以一个一个脉冲的方式输出给步进电机。其基本思想是：用折线来逼近曲线（包括直线）。插补速度与进给速度密切相关。脉冲增量插补的实现方法较简单。通常仅用加法和移位运算方法就可完成插补。因此容易用硬件来实现，运算的速度很快。也可用软件来完成这类算法。主要用早期的采用步进电机驱动的数控系统。由于此算法的速度指标和精度指标都难以满足现在零件加工的要求，现在的数控系统已很少采用这类算法了。数据采样插补又称为时间标量插补或数字增量插补。这类插补算法的特点是数控装置产生的不是单个脉冲，而是标准二进制数字。插补运算分两步完成。第一步为粗插补，它是在给定起点和终点的曲线之间插入若干个点，即用若干条微小直线段来逼近给定曲线，每一微小直线段的长度 L都相等，且与给定进给速度有关。粗插补在每个插补运算周期中计算一次，因此，每一微小直线段的长度 L 与进给速度F 和插补周期T有关，即L= FT。第二步为精插补，它是在粗插补算出的每一微小直线段的基础上再作“数据点的密化”工作。这一步相当于对直线的脉冲增量插补。插补程序以一定的时间间隔定时(插补周期)运行，在每个周期内根据进给速度计算出各坐标轴在下一插补周期内的位移增量（数字量）。其基本思想是：用直线段（内接弦线，内外均差弦线，切线）来逼近曲线（包括直线）。插补运算速度与进给速度无严格的关系。因而采用这类插补算法时，可达到较高的进给速度（一般可达 10m/min以上）。数字增量插补的实现算法较脉冲增量插补复杂，它对计算机的运算速度有一定的要求，不过现在的计算机均能满足要求。这类插补算法主要用于交、直流伺服电机为伺服驱动系统的闭环，半闭环数控系统，也可用于以步进电机为伺服驱动系统的开环数控系统，而且，目前所使用的CNC系统中，大多数都采用这类插补方法。5、试比较硬件插补与软件插补的不同点。数控（NC、CNC，MNC）系统中完成插补工作的装置叫插补器。从产生的数学模型来分，有一次（直线）插补器，二次（圆，抛物线等）插补器，及高次曲线插补器等。大多数数控机床的数控装置都具有直线插补器和圆弧插补器。NC系统中插补器由数字电路组成，称为硬件插补。完全是硬件的插补器已逐渐被淘汰，只在特殊应用场合或作为软件、硬件结合插补时的第二级插补使用。在CNC系统中，插补器功能由软件来实现，称为软件插补。软件插补器结构简单（CNC装置的微处理器和程序），灵活易变。现代数控系统都采用软件插补器。6、何谓对刀点、刀位点？为何要对刀？对刀点：确定刀具与工件相对位置的点（起刀点）。刀位点：用于确定刀具在机床坐标系中位置的刀具上的特定点。对刀：就是使“对刀点”与“刀位点”重合的操作。对刀点确定之后，机床坐标系与工件坐标系的相对关系就确定了。只有通过对刀，才能确定工件坐标系和机床坐标系之间的位置关系，才能进行数控加工操作。三、原理与计算题（共21分，每题7分）1、试用框图说明第一象限逐点比较法直线插补的工作原理，并以如下直线为例说明。直线的起点坐标在原点O(0,0)，终点为A(2,3)，单位均为脉冲当量单位。逐点比较法又称代数运算法、醉步法。这种方法的基本原理是：计算机在控制加工过程中，能逐点地计算和判别加工误差，与规定的运动轨迹进行比较，由比较结果决定下一步的移动方向。逐点比较法既可以作直线插补，又可以作圆弧插补，这种算法的特点是，运算直观，插补 误差小于一个脉冲当量，输出脉冲均匀，而且输出脉冲的速度变化小，调节方便。框图示意图如下图所示：偏差判别F进给方向偏差计算F终点计算IF0= 0+XF1=0-3= -3I=1F1= -3+YF2=-3+2=-1I=2F2= -1+ YF3=-1+2=1I=3F3= 1+ XF4=1-3=-2I=4F4=-2+YF5=-2+2=0I=52、现有一光栅，其栅距P=0.016mm，指示光栅和标尺光栅上的光栅线纹夹角为=0.01弧度，试求此光栅的摩尔条纹宽度W。3、CNC系统的控制软件一般包括哪几部分？简述各部分的主要功能。CNC控制软件包括：输入数据处理、插补运算及位置控制、速度输出控制、管理程序及诊断程序等。输入数据处理程序接收输入的零件程序，将其用标准代码表示的加工指令和数据进行翻译、整理，按照所规定的格式存放。有些系统还要进行刀具半径补偿计算，或为插补运算和速度控制等进行一些预处理，总之输入数据处理程序主要包括三项内容：输入、译码和数据处理；插补运算程序完成NC 系统中插补器的功能，实现坐标轴脉冲分配的功能，插补的输出，经过位置控制部分，去带动伺服系统运动，控制刀具按照预定的轨迹加工。位置控制的主要任务是：在每个采样周期内，将插补计算出的理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制进给电机。在位置控制中还要完成位置回路的增益调整、各坐标方向的螺距误差补偿和反向间隙补偿；速度控制程序根据合成的速度来计算各运动坐标方向的分速度，此外用软件对速度控制数据进行预处理；系统管理程序对数据输入、处理及切削加工过程服务的各个程序进行调度，是实现CNC 系统协调工作的主体软件，管理程序还要对面板命令、时钟信号、故障信号等引起的中断进行处理，有的管理程序还安排有自动编程工作；诊断程序在运行中能及时发现系统的故障，并指示出故障的类型，也可在运行前或发生故障后，检查各种部件的功能是否正常，并指示出故障的部位，还可以在维修中查找有关部件的工作状态，判断其是否正常，对于不正常的部件给予显示，便于维修人员及时处理。四、程序编写题（8分）G92 X0 Y0 Z0；设定绝对坐标系，刀具位于开始位置（X0，Y0，Z0）；N1 G90 G17 G00 G41 D07 X250.0 Y550.0；建立刀具半径补偿；N2 G01 Y900.0 F150；N3 X450.0； N4 G03 X500.0 Y1150.0 R650.0； N5 G02 X900.0 R-250.0； N6 G03 X950.0 Y900.0 R650.0； N7 G01 X1150.0； N8 Y550.0； N9 X700.0 Y650.0； N10 X250.0 Y550.0； N11 G00 G40 X0 Y0；五、应用题（15分，每题5分）1、按ISO标准确定如图所示数控机床的坐标系统各坐标轴正方向及命名，并在图上标示，要求所标方向为刀具运动的正方向。说明确定的方法和步骤，指出该机床为何种类型的机床（NC铣床、NC车床？立式、卧式？）。NC车床；卧式；2、对照下图说明：（1）M03指令的实现过程；（2）按下机床面板中的“停止工作” 按钮时系统的控制过程。CNC系统把M03指令通过数据交换区传给PLC，由PLC译码执行，执行后的结果再通过数据交换区返回给CNC系统。按下机床的“停止工作”按钮后，由PLC译码执行，然后把执行的结果返回给CNC。3、当用软件实现三相(A、B、C相)步进电机的连续运行功能时，如用一个八位寄存器的D0位对应于步进电机的A相、D1位对应于B相、D2位对应于C相，填写出三相六拍工作时，寄存器输出状态的变化情况。（x表示未使用的位）。000-001-011-010-110-100-101