要下降。
4)瞬时最大转矩 电动机所能输出的瞬时最大转矩。
5)最高转速 电动机的最高工作转速。
6)电动机转子惯量。
3、倍频的作用：进一步提高检测装置的分辨力。
工作台的位移=1／4096（r／p）﹡6（mm／r）﹡5﹡l024（p）=7.5mm 。
4、增量式测量的特点是只测位移增量，即工作台每移动一个基本长度单位，检测装置便发出一个测量信号，此信号通常是脉冲形式，这样，一个脉冲所代表的基本长度单位就是分辨力，而通过对脉冲计数便可得到位移量。
在采用相对位置编码器、感应同步器或光栅作为位置反馈器件的数控机床中，数控系统一般将各进给轴的回零减速开关（或标记）之后由位置反馈器件产生的第一个零点标记信号作为基准点。这类机床在每次断电或紧急停机后都必须重新作各进给轴的回零操作，否则，实际位置可能发生偏移，回零减速开关与其撞块的相对位置调整不妥，也会引起机械原点位置的不稳定。
5、绝对式测量的特点是，被测的任一点的位置都从一个固定的零点算起，每一被测点都有一个对应的测量值，常以数据形式表示。
在采用绝对位置编码器作为位置反馈器件的数控机床中，绝对位置编码器能够自动记忆各进给轴全行程内的每一点位置，不需回零开关，每次断电或紧急停机后，都不必重新作基准点的设定操作。基准点位置设定后永久不变，并由专供绝对位置编码器使用的存储器记忆，特别适用于鼠牙盘定位的旋转工作台零点位置的设定，不仅稳定性好，而且给操作和调整带来极大方便。
四、简答题（每题8分，共40分）
1．位置检测装置有哪些种类？它们可分别安装在机床的哪些部位？
2．试述步进电动机步距角、步距误差、静态矩角特性、启动频率、连续运转频率的概念。
3．数控机床对进给伺服的性能有何要求？
4．数控机床对主轴驱动的要求是什么？
5．二档主轴分段无级变速是如何实现的
答：1、1)旋转编码器是一种旋转式测量装置，通常安装在被测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的角位移转换成增量脉冲形式或绝对式的代码形式。
2)光栅尺或称光栅，是一种高精度的直线位移传感器，在数控机床上用于测量工作台的位移，属直接测量，并组成位置闭环伺服系统。
3) 旋转变压器
旋转变压器属于电磁式测量传感器，可用于角位移测量。旋转变压器在数控机床上的应用几乎已经可以被新型旋转编码器所替代
4）感应同步器是一种电磁式的检测传感器，主要部件包括定尺和滑尺，感应同步器在数控机床上的应用也已经被新型光栅尺和圆光栅所替代。
5）磁栅位置检测装置是由磁性标尺、磁头和检测电路组成，按其结构可分为直线磁栅和圆型磁栅，分别用于直线位移和角度位移的测量。磁栅安装调整方便，对使用环境的条件要求较低，对周围电磁场的抗干扰能力较强，在油污、粉尘较多的场合下使用有较好的稳定性，但目前在数控机床上也很少使用。
2、
(1)步距误差
一转内各实际步距角与理论值之间误差。误差的最大值，称为步距误差。步进电动机的步距误差通常在10’以内。
(2)最大静态转矩
当步进电动机不改变通电状态时，转子处在不动状态。如果在电动机轴上外加一个负载转矩，使转子按一定方向转过一个角度，此时转子所受的电磁转矩T称为静态转矩，角度?称为失调角。描述静态时T与?的关系称矩角特性，如图3-3a所示。该特性上的电磁转矩最大值称为最大静转矩。在静态稳定区内，当外加转矩除去时，转子在电磁转矩作用下，仍能回到稳定平衡点位置。
(3)启动频率
空载时，步进电动机由静止状态突然启动，并进入不丢步的正常运行的最高频率，称为启动频率或突跳频率。加给步进电动机的指令脉冲频率如大于启动频率，就不能正常工作。步进电动机在负载（尤其是惯性负载）下的启动频率比空载要低，而且，随着负载加大（在允许范围内），启动频率会进一步降低。
(4)连续运行频率
步进电动机启动以后，其运行速度能跟踪指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率，称为连续运行频率，其值远大于起动频率。它也随电动机所带负载的性质和大小而异，与驱动电源也有很大关系。
(5)矩频特性与动态转矩
矩频特性T=F（f）是描述步进电动机连续稳定运行时输出转矩与连续运行频率之间的关系的，如图3-3b所示。该特性上每一个频率对应的转矩称为动态转矩。使用时要考虑动态转矩随连续运行频率的上升而下降的特点。
(6)加减速特性
步进电动机的加减速特性是描述步进电动机由静止到工作频率或由工作频率到静止的加、减速过程中，定子绕组通电状态的频率变化与时间的关系。步进电动机的升速和降速特性用加速时间常数Ta和减速时间常数Td来描述
3、(1)精度高。伺服系统要具有较好的静态特性和较高的伺服刚度，从而达到较高的定位精度，以保证机床具有较小的定位误差与重复定位误差,同时伺服系统还要具有较好的动态性能，以保证机床具有较高的轮廓跟随精度。
(2)快速响应，无超调。为了提高生产率和保证加工质量，在启、制动时，要求加、减加速度足够大，以缩短伺服系统的过渡过程时间，减小轮廓过渡误差。
(3)调速范围宽。在数控机床中，由于所用刀具、被加工材料、主轴转速以及进给速度等加工：工艺要求各有不同,为保证在任何情况下都能得到最佳切削条件，要求进给驱动系统必须具有足够宽的无级调速范围.
4、（1）数控机床主传动要有较宽的调速范围，以保证加工时选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。特别对多道工序自动换刀的数控机床（数控加工中心），为适应各种刀具、工序和各种材料的要求，对主轴的调速范围要求更高。
（2）要求主轴在整个范围内均能提供切削所需功率，并尽可能在全速度范围内提供主轴电动机的最大功率，即恒功率范围要宽。由于主轴电动机与驱动的限制，其在低速段均为恒转矩输出，为满足数控机床低速强力切削的需要常采用分段无级变速的方法，即在低速段采用机械减速装置，以提高输出转矩。
（3）要求主轴在正、反向转动时均可进行自动加减速控制，即要求具有四象限驱动能力，并且加、减速时间要短。
（4）为满足加工中心自动换刀(ATC)以及某些加工工艺的需要，要求主轴具有高精度的准停控制。
（5）在车削中心上，还要求主轴具有旋转进给轴(C轴)的控制功能。
5、数控系统具有使用M41~M42代码进行齿轮自动变速的功能。首先需要在数控系统参数区设置M41-M42二档对应的最高主轴转速，这样数控系统会根据当前S指令值，判断应处的档，并自动输出相应的M41~M42指令给可编程控制器(PLC)控制更换相应的齿轮档，数控装置输出相应的模拟电压。M41对应的主轴最高转速为1000r／min，M42对应的主轴转速为3500r／min，主轴电动机最高转速为3500r／min。
当S指令在0~1000r／min范围时，M41对应的齿轮应啮合，S指令在1001~3500r／min范围时，M42对应的齿轮应啮合。不同机床主轴变速所用的方式不同，控制的具体实现可由可编程控制器来完成。目前常采用液压拨叉或电磁离合器来带动不同齿轮的啮合。显然，该例中M42对应的齿轮传动比为1：1，而M41对应的传动比为1：3.5，此时主轴输出的最大转矩为主轴电动机最大输出力矩的3.5倍。
四、简答题（每题8分，共40分）
1、试述三位液压拨叉的工作原理
2、主轴电准停较机械准停有何优点
3、数控机床中PLC控制的对象有哪些？
4、在PLC开关量输入输出的控制中，应注意哪些问题？
5、数控系统中软件所承担的任务有哪些？
答：1、液压拨叉是一种用一只或几只液压缸带动齿轮移动的变速机构。右图为三位液压拨叉的原理图，其具有液压缸1与5、活塞2、拨叉3和套筒4，通过电磁阀改变不同的通油方式可获得三个位置。
1） 当液压缸1通入液压油而液压缸5卸压时，活塞杆2便带动拨叉3向左移至极限位置。
2）当液压缸5通入液压油而液压缸1卸压时，活塞杆2和套筒4一起移至右极限位置。
3）当左右缸同时通入压力油时，由于活塞杆2两端直径不同使其向左移动，而由于套筒4和活塞杆2截面直径不同，而使套筒4向右的推力大于活塞杆2向左的推力，因此套筒4压向液压缸的右端，而活塞杆2紧靠套筒4的右面，拨叉处于中间位置。
2、采用电气准停控制有如下优点：
（1）简化机械结构 与机械准停相比，电气准停只需在这种旋转部件和固定部件上安装传感器即可。
（2）缩短准停时间
准停时间包括在换刀时间内，而换刀时间是加工中心的一项重要指标。采用电气准停，即使主轴在高速转动时，也能快速定位于准停位置。
（3）可靠性增加
由于无需复杂的机械、开关、液压缸等装置，也没有机械准停所形成的机械冲击，因而准停控制的寿命与可靠性大大增加。
（4）性能价格比提高
由于简化了机械结构和强电控制逻辑，这部分的成本大大降低。但电气准停常作为选择功能，订购电气准停附件需另加费用。但总体来看，性价比大大提高。
3、数控机床的控制可分为二大部分：一部分是坐标轴运动的位置控制；另一部分是数控机床加工过程的顺序控制。在讨论PLC、CNC和机床各机械部件、机床辅助装置、强电线路之间的关系时，常把数控机床分为“NC侧”和“MT侧”（即机床侧）两大部分。“NC侧”包括CNC系统的硬件和软件、以及与CNC系统连接的外部设备。“MT侧”包括机床机械部分及其液压、气压、冷却、润滑、排屑等辅助装置，机床操作面板，继电器线路，机床强电线路等。PLC处于CNC和MT之间，对NC侧和MT侧的输入、输出信号进行处理。
MT侧顺序控制的最终对象随数控机床的类型、结构、辅助装置等的不同而有很大差别。机床机构越复杂，辅助装置越多，最终受控对象也越多。一般来说，最终受控对象的数量和顺序控制程序的复杂程度从低到高依次为CNC车床、CNC铣床、加工中心、FMC、FMS。
4、1)开关量输入电路中常使用触点型行程开关，无触点型感应开关或霍耳开关等，加之数控装置的输入电路有各种形式，所以要注意开关量信号检测元件与CNC接口电路的配接。
2)在开关量输出电路中，当被控对象是电磁阀、电磁离合器等交流负载，或虽是直流负载，但工作电压或电流超过输出信号的最大允许值，应首先驱动24V中间继电器，然后用其触点控制强电线路中的功率接触器或直接驱动负载。同时应注意，中间继电器线圈一定要并联保护二极管，并注意二极管的方向，以便当线圈切断时，为电流提供释放回路，否则极易损坏驱动电路。
3)为提高整个系统的抗干扰能力，弱电信号与强电驱动信号在走线槽中要尽量分别走线。并且无触点型在交流接触器线圈两端要就近并联RC灭弧器。交流电动机每相之间也要用一个灭弧器，每个交流电动机用三个。
5、CNC装置是一个机床计算机控制系统，其数控系统软件必须完成管理和控制两种不同性质的任务。
数控系统的基本任务（核心任务）是进行机床的自动加工控制，因此，数控系统的核心控制模块主要有预处理模块、插补计算模块、位置控制模块和PLC控制模块等。
数控系统的管理系统是实现CNC系统协调工作的主体，它管理着数控加工程序从输入，预处理，到插补计算，位置控制和输入、输出控制的全过程，并管理着系统参数设置，刀具参数设置，数控加工程序的编辑，数据的输入、输出及在各种机床运行方式下操作员的操作处理等各种人机交互过程。除此之外，先进的数控系统的系统管理程序还能适时运行诊断模块以便及时判断和消除故障，并能进行通信、联网等功能的管理。
CNC装置的系统软件具有多任务性和实时性两大特点。CNC系统中要管理和控制的任务很多，如：当CNC装置正处于加工控制状态时，为了保证加工的连续性，在各程序段之间不能停顿，因此，各数控加工程序段的预处理、插补计算、位置控制和各种辅助控制任务都要及时进行；为了使操作人员及时了解和干预CNC系统工作状态，系统在执行加工任务的同时还应该及时进行一些人机交互工作，即：显示加工状态，接受操作人员通过面板输入的各种改变系统工作状态的控制信号等；为了及时检查和预报硬、软件的各种故障，系统在运行控制程序和人机交互程序的同时还要及时运行诊断程序；此外，系统还可能被要求及时完成通信等其它任务。可见，理想的管理程序，如前所述，应具有多任务实时处理能力。
四、简答题（每题8分，共40分）
1、数控系统需要设定哪几方面的系统参数?
2、数控系统对报警是如何处理的?
3、分别以MICROMASTER 420型通用变频器和安川YASKAWA
VS—626MT驱动器为例说明数控系统是如何对其完成转速与转向控制的。
4、华中数控系统实验台怎样实现急停与超程解除？
5、有一和伺服电动机同轴安装的光电编码器，指标为1024脉冲/r，该伺服电动机与螺距为6mm滚珠丝杠通过联轴器相连，在伺服中断4ms内，光电编码器输出脉冲信号经4倍频处理后，共计脉冲数5K（1K=1024），问：
a) 倍频的作用。
b) 工作台移动了多少毫米？
c) 伺服电动机的转速为多少r/min？
答：1、需要设定的系统参数通常有下述几个方面：
1）关于系统配置方面的设定
系统中存储器容量和地址范围指定，I/O接口地址设置，系统配置的轴数和轴名、检测元件的种类指定，是否配置了PLC的确认等。
2）关于输入、输出信号的设定 输入和输出信号的有效跳变沿指定，串行通信时的波特率和帧格式指等定。
3）关于主轴和运动轴的设定
主轴转速档指定，最小移动单位和公／英制选择，轴加减速的时间常数，轴运动速度上限和低速指定，各移动轴参考点距机床原点的坐标值、各移动轴正负方向运动坐标极限指定，伺服电机的性能优化等。
4）关于补偿的设定 各运动轴的螺距误差补偿曲线设定，反向间隙补偿设定等。
5）关于检测信号的设定 反馈信号类型、分辨率等的设定等。
2、一般来说，操作者应根据报警说明仔细检查系统及机床的情况，然后排除故障出现的原因所在，并按照所说明的方法进行应答。
所有的“报警和信息”都是以符号来指出判据，并以文本的形式在数控系统的操作面板上显示。报警文本储存在数控系统中。机床的“报警和信息”可以通过可编程序控制器的程序以文本形式显示，并可以按照状态信息和故障信息进行区分。当相关的条件一被删除，其对应的状态就被清除。而故障信息总是首先要得到响应。
3、MICROMASTER
420型通用变频器由微处理器控制，功率管为绝缘栅双极型晶体管（IGBT），主回路采用脉宽调制（PWM）控制。DIN1、DIN2和DIN3分别是电动机的启动、正反转和确认控制端，通过常开触点与+24V端连接，这些常开触点的闭合动作由CNC控制。CNC输出0V~+10V的模拟信号接到变频器的模拟量输入AIN+和AIN-端，CNC输出的模拟信号的大小决定了主轴电动机的转速。
日本安川YASKAWA VS—626MT驱动器，CNC对其转速控制方案有四种：
（1）模拟电压指定
数控装置通过其主轴模拟电压输出接口输出0~土10V模拟电压至NCOM端，电压正负控制电动机转向，电压大小控制电动机转速。如果数控装置输出的电压为单极性0~+10V，则可通过FORWARD
RUN（正转）与REVERS RUN（反转）开关量指定正反转。
（2）12位二进制指定
数控装置通过输出12位二进制代码（共12根信号）至主轴驱动控制主轴转速。
（3）2位BCD码指定
数控装置输出00~99二位BCD码（共8根信号）至主轴驱动控制主轴转速。
（4）3位BCD码指定
数控装置通过输出000~999三位BCD码（共12根信号）至主轴驱动控制主轴转速。
4、所有急停按钮的常闭触点以串联方式连接到系统的急停回路中。在正常情况下，急停按钮处于松开状态，其触点处于常闭状态，按下急停按钮后，其触点断开使得系统的急停回路所控制的中间继电器KA断电，而切断移动装置（如进给轴电机、主轴电机、刀库/架电机等）的动力电源。同时，连接在PLC输入端的中间继电器KA的一组常开触点向系统发出急停报警。此信号在打开急停按钮时则作为系统的复位信号。
系统中各轴的正向、负向的超程限位开关的常闭触点以串联方式连接到系统的超程回路中。同时，每个超程限位开关另有一个常开触点连接PLC输入端，使系统能够判断各超程限位开关的状态。在正常情况下，超程限位开关处于松开状态。若用户操作机床，不慎将某轴的超程限位开关压下，其常闭触点断开，使得系统的超程回路断开。同时，使急停回路中的中间继电器KA断电而自动切断移动装置的动力电源。超程限位开关连接在PLC输入端的常开触点向系统发出超程报警信息（发生超程的坐标轴及超程方向），并使超程解除按钮上的指示灯发光。
5、（1）倍频处理的作用是进一步提高分辨力。
四、简答题（每题8分，共40分）
1、加减速控制的目的是什么？有哪些实现的方式？
2、反向间隙和丝杠螺距误差是怎样产生的？如何进行补偿？
3、光电编码器安装在滚珠丝杠驱动前端和末端有何区别？
4、光栅尺有哪些部件构成，莫尔条纹的作用是什么?
5、主轴电气准停较机械准停有何优点？试述编码器准停的工作原理。
答：1、在CNC系统中，为了保证机床在起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。即在机床加速起动时，保证加在驱动电动机上的进给脉冲频率或电压逐渐增大；当机床减速停止时，保证加在驱动电动机上的进结脉冲频率或电压逐渐减小。
加减速实现的方式有线性加减速(匀加减速)、指数加减速和sin曲线(S)加减速。
2、在进给传动链中，齿轮传动、滚珠丝杠螺母副等均存在反转间隙。这种反转间隙会造成工作台反向时，电动机空转而工作台不动，使半闭环系统产生误差和全闭环系统位置环振荡不稳定。
为解决这一问题，可先采取调整和预紧的方法，减少间隙。而对于剩余间隙，在半闭环系统中可将其值测出，作为参数输入数控系统，则此后每当坐标轴接收到反向指令时，数控系统便调用间隙补偿程序，自动将间隙补偿值加到由插补程序算出的位置增量命令中，以补偿间隙引起的失动。这样控制电动机多走一段距离，这段距离等于间隙值，从而补偿了间隙误差。需注意的是对全闭环数控系统不能采用以上补偿方法(通常数控系统要求将间隙值设为零)，因此必须从机械上减小或消除这种间隙。有些数控系统具有全闭环反转间隙附加脉冲补偿，以减小这种误差对全闭环稳定性的影响。也就是说，当工作台反向运动时，对伺服系统施加一定宽度和高度的脉冲电压(可由参数设定)，以补偿间隙误差。
螺距误差是指由螺距累积误差引起的常值系统性定位误差在半闭环系统中，定位精度很大程度上受滚珠丝杠精度的影响。尽管滚珠丝杠的精度很高，但总存在着制造误差。要得到超过滚珠丝杠精度的运动精度，必须采用螺距误差补偿功能，利用数控系统对误差进行补偿与修正。采用该功能的另一个原因是，数控机床经长时间使用后，由于磨损其精度可能下降。采用该功能进行定期测量与补偿，可在保持精度的前提下延长机床的使用寿命。
3、编码器在数控机床中用于工作台或刀架的直线位移测量有两种安装方式：一是和伺服电动机同轴联接在一起(称为内装式编码器)，伺服电动机再和滚珠丝杠连接，编码器在进给转动链的前端；二是编码器连接在滚珠丝杠末端(称为外装式编码器)。由于后者包含的进给转动链误差比前者多，因此，在半闭环伺服系统中，后者的位置控制精度比前者高。
4、光栅尺或称光栅，是一种高精度的直线位移传感器，光栅有透射光栅和反射光栅两类,
其结构由光源、透镜、指示光栅、标尺光栅、光电元件、窄缝等组成的。
当标尺光栅移动时，莫尔条纹就沿着垂直于光栅运动的方向移动，并且光栅每移动一个栅距ω，莫尔条纹就准确地移动一个纹距，只要通过测量出莫尔条纹的数目，就可以知道光栅移动了多少个栅距，而栅距是制造光栅时已确定的，因此工作台的移动距离就可以计算出来。
5、采用电气准停控制有如下优点：
（1）简化机械结构 与机械准停相比，电气准停只需在这种旋转部件和固定部件上安装传感器即可。
（2）缩短准停时间
准停时间包括在换刀时间内，而换刀时间是加工中心的一项重要指标。采用电气准停，即使主轴在高速转动时，也能快速定位于准停位置。
（3）可靠性增加
由于无需复杂的机械、开关、液压缸等装置，也没有机械准停所形成的机械冲击，因而准停控制的寿命与可靠性大大增加。
（4）性能价格比提高
由于简化了机械结构和强电控制逻辑，这部分的成本大大降低。但电气准停常作为选择功能，订购电气准停附件需另加费用。但总体来看，性价比大大提高。
可采用主轴电动机内部安装的编码器信号(来自于主轴驱动装置)，也可以在主轴上直接安装另外一个编码器。采用前一种方式要注意传动链对主轴准停精度的影响。主轴驱动装置内部可自动转换，使主轴驱动处于速度控制或位置控制状态。准停角度可由外部开关量(十二位)设定，这一点与磁准停不同，磁准停的角度无法随意设定，要想调整准停位置，只有调整磁发体与磁传感器的相对位置。
偷房记—彭岩锋、柳雨
