黑龙江自考数控原理与数控技术运用考试大纲Word格式文档下载.docx

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6.1数控机床动力源的类型20

6.2步进电动机20

6.3进给伺服电动机20

6.4数控机床主轴电动机21

考核知识点22

考核要求22

第7章数控机床进给伺服系统的控制原理23

7.1概述23

7.2进给伺服系统中的位置指令信号23

7.3开环伺服系统23

7.4闭环（半闭环）伺服系统23

7.5闭环（半闭环）伺服系统分析24

考核知识点24

考核要求24

课程的性质与设置目的

设置本课程的目的要求：

一．了解和学习数控技术的基本理论、基本知识和基本技能。

熟悉数控技术的产生与发展趋势。

二．掌握数控加工程序的编制、机械结构、位置传感器件、以及电气驱动、进给伺服系统的控制原理等。

三．能够运用所学知识，编制数控加工程序，能够对数控机床进行操作、调试，以及对常见故障进行故障诊断。

课程内容与考核目标

（分章编写）

第1章绪论

学习本章的目的和要求了解数控技术及特点、应用领域、发展趋势，掌握数控机床的组成和作用，以及数字控制系统及先进制造方法，为学习本课程打下初步的基础。

1.1数控技术的产生和特点

数字控制（NumericalControl）技术，简称为数控（NC）技术。

采用数控技术的控制系统称为数控系统。

装备了数控系统的机床称为数控机床。

数控技术的特点：

提高了加工精度和同一批工件尺寸的重复精度，保证了加工质量的稳定性；

具有较高的生产效率；

增加了设备的柔性，可适应不同品种、规格和尺寸以及不同批量的工件加工；

操作人员的劳动强度大为减轻；

具有较高的经济效益；

能加工普通机床所不能加工的复杂型面；

可向更高级的制造系统发展。

不足之处：

提高了起始阶段的投资；

增加了电子设备的维护；

对操作人员的技术水平要求较高。

1.2数控机床的组成和作用

1．程序载体。

作用：

存放加工程序。

2．输入装置。

将加工程序信息读入CNC装置内。

3．CNC装置。

加工程序通过输入装置将加工信息传递给CNC装置后，被解释成计算机能够识别的信息，由CNC装置的信息处理部分按照控制程序的规定，逐步存储并进行处理后，通过输出部分发出位置和速度指令给伺服系统和主运动控制部分。

4．伺服系统。

伺服系统根据CNC装置传来的速度和位置指令驱动机床的运动部件，完成指令规定的运动。

5．位置反馈系统。

将机床运动部件的实际位置信息反馈给CNC装置。

6．机床的机械部件。

1.3数字控制系统

1．根据伺服系统的控制原理，机床数控系统可分为开环控制系统和闭环控制系统，根据检测装置安装的位置不同，闭环控制系统又可分为全闭环控制系统和半闭环控制系统。

2．根据控制运动方式的不同，可分为点位控制系统和连续控制系统。

3．根据数控功能，可分为经济型数控系统、普及型数控系统和高级型数控系统。

在数控系统发展的基础上，又出现了较为先进的适应控制系统和直接数控系统等。

1.4数控技术的应用

1．数控技术在金属切削机床中的应用

普通数控机床主要有：

数控车床、数控铣床、数控钻床、数控磨床、数控齿轮机床。

加工中心主要有：

铣削加工中心、车削加工中心。

2．数控技术在电加工机床中的应用

数控电加工机床主要有数控电火花成形机床和数控线切割机床。

3．数控技术在机器人中的应用

4．CNC三坐标测量机

1.5数控技术的发展与机械加工自动化

现代数控机床的主要发展趋势：

高速化与高精度化；

复合化；

智能化；

高柔性化；

小型化；

开放式体系结构。

先进制造技术包括：

1．计算机直接数控系统（DNC）。

就是使用一台通用计算机直接控制和管理一群数控机床进行零件加工或装配的系统，也称计算机群控系统。

2．柔性制造系统（FMS）。

在多台加工中心机床或柔性制造单元的基础上，增加刀具和工件在加工设备与仓储之间的流通传输和存储，以及必要的工件清洗和尺寸检查设备，并由高一级的计算机对整个系统进行控制和管理，构成柔性制造系统。

3．计算机集成制造系统（CIMS）。

CIMS是在柔性制造技术、计算机技术、信息技术、自动化技术和现代管理科学的基础上，将制造工厂的全部生产、经营活动所需的各种分布式的自动化子系统通过新的生产管理模式、工艺理论和计算机网络有机地集成起来，以获得适应于多品种、中小批量生产的高效益、高柔性和高质量的智能制造系统。

考核知识点

数控机床的组成和作用，以及数字控制系统

考核要求

识记：

（1）了解数控技术的特点；

（2）了解数控技术的应用、发展趋势以及先进制造技术。

领会：

掌握数控机床的组成和作用，以及数字控制系统。

运用：

能够简单运用上述知识点认清数控机床与普通机床的联系与区别。

第2章

数控加工程序的编制

学习本章的目的和要求了解数控机床加工程序编制的目的、步骤和方法，了解数控车床、数控铣床及加工中心编程特点。

掌握数控代码的作用和编程格式。

2.1概述

编程的概念：

从分析工件图纸到获得正确的程序载体为止的全过程，称为工件加工程序的编制，简称编程。

程序编制的方法：

有手工编程和自动编程两类。

编程的内容与步骤：

1分析并熟悉工件图纸；

2数值计算；

3编写加工程序；

4试切。

2.2加工程序段的格式与代码

在一个程序段中，功能字的特定排列方式称为加工程序段的格式。

文字地址程序段的格式在数控加工中应用最广泛。

文字地址程序段的格式中各功能字的说明：

1．程序段序号N：

程序段序号用来表示程序段的顺序。

它可用来检索程序段，或者用来显示当前执行的程序段。

2．准备功能字G：

常用的准备功能指令包括字母G和后续的2位数字。

分为模态指令和非模态指令两种。

3．位移功能字X、Y、Z等：

用来给定机床各坐标轴位移的方向和数值。

4．进给功能字F：

用来规定机床的进给速度。

常用的表示方法有：

每分钟进给量（mm/min）和每转进给量（mm/r）。

5．主轴转速功能字S：

用来指定主轴转速，通常在更换刀具时指定。

有主轴每分钟转数（r/min）和恒切削速度（m/min）两种指定方法.

6．刀具交换功能字T：

指定刀具或显示待更换刀具的刀号。

7．辅助功能字M：

用来使机床产生辅助动作。

8．程序段结束（EOB）：

在每一程序段结束时，都要写上指令LF，表示本程序段到此结束，程序单中换行再写。

2.3数控机床的坐标系

数控机床坐标系的标定方法已经标准化，我国在JB8051-82中规定了各种数控机床坐标轴和运动方向。

最常用的是笛卡儿直角坐标系。

机床坐标系是机床上固有的任何人都不能改变的坐标系，往往采用那些能够作为基准的点、线、面来作为机床的换刀点、坐标轴的轴心线和坐标平面。

工件坐标系是在编程时使用，由编程人员在工件上建立的工件坐标系。

机床坐标系与工件坐标系的关系：

当工件安装完毕后即要把工件坐标系原点相对于机床坐标系原点的偏置值测量出来，并把该偏置值设置在编程人员编程时指定的指令所在的计算机的内存中。

2.4常用准备功能指令的编程说明

1．与位置有关的指令

绝对坐标指令G90；

增量坐标指令G91；

坐标系设定指令G92；

坐标平面选择指令G17、G18、G19；

快速点定位指令G00。

2．与插补有关的指令

直线插补指令G01；

圆弧插补指令G02、G03；

3．暂停（延迟）指令：

G04

4．刀具补偿指令

刀具半径补偿指令G41、G42、G40；

刀具长度插补指令G43、G44、G49。

2.5数控铣床与加工中心的编程

1．数控铣床编程特点：

（1）铣削是机械加工中最常用的方法之一，它包括平面铣削和轮廓铣削。

（2）数控铣床的数控装置具有多种插补方式。

（3）程序编制时要充分利用数控铣齐全的功能。

（4）由直线、圆弧组成的平面轮廓铣削的数学处理比较简单。

2．加工中心编程特点：

（1）应进行合理的工艺分析；

（2）根据加工批量等情况，决定采用自动换刀还是手工换刀；

（3）自动换刀要留出足够的换刀空间；

（4）为了提高机床的利用率，应尽量采用刀具机外预调并将测量尺寸填写到刀具卡片中；

（5）对于编好的程序，必须进行认真检查，并于加工前安排好模拟仿真和试运行。

（6）尽量把不同工序内容的程序，分别安排到不同的子程序中；

（7）一般应使一把刀具尽可能担任较多表面加工，且进给路线设计得应合理。

3．数控铣床编程实例

4．加工中心编程实例

2.6数控车床加工程序的编制

数控车床编程特点：

（1）在一个程序段中，根据图样上标注的尺寸，可以采用绝对值编程、增量值编程或二者混合编程。

（2）绝对编程时，X以直径值表示，增量编程时，以径向位移量的二倍表示。

（3）X向脉冲应取Z向的一半。

（4）数控装置常具备不同形式的固定循环功能。

（5）当编制圆头刀程序时，需要对刀具半径进行补偿。

（6）许多数控车床用X、Z表示绝对坐标指令，用U、W表示增量坐标指令。

（7）第二坐标指令I、K在不同的程序段中作用不相同。

（8）当采用左手坐标系时，顺时针方向车削圆弧用G03，逆时针方向用G02。

数控车床编程实例。

2.7自动编程系统

自动编程分为两种，一种是以“数控语言”为基础的自动编程，即APT语言编程。

一种是以“计算机绘图”为基础了自动编程，如CAXA、UG、Pro/ENGINEER、MasterCAM等。

一、数控机床加工程序编制的步骤和方法

二、数控代码的作用和编程格式

了解数控机床加工程序编制的步骤和方法，以及数控车床、数控铣床及加工中心编程特点。

能对具体零件进行分析，并选择合适的加工方法进行编程。

实践环节

（一）类型数控机床编程操作

（二）目的与要求掌握数控编程的步骤与方法。

（三）内容对轴类或盘类零件进行数控车床编程；

对平面或轮廓零件进行数控铣床编程；

对型腔类零件进行加工中心编程。

（四）与课程考试的关系实验必须于考前完成，考试内容可能反映实验的内容。

第3章

计算机数控系统

学习本章的目的和要求了解CNC系统的组成和功能，理解插补运动的插补原理。

3.1CNC系统的组成和计算机的功用

1．CNC系统的组成。

CNC系统由数控计算机、程序输入/输出装置和机床控制装置三部分组成。

数控计算机是CNC系统的核心。

它包括微处理器、内存储器、输入/输出（I/O）接口以及时钟、译码等辅助电路等。

程序输入/输出装置包括键盘、机床操作面板、显示装置（LCD液晶或阴极射线管CRT显示器）、外围存储设备等。

机床控制装置包括位置控制装置和机床状态检测控制装置两部分。

位置控制装置由伺服机构和执行元件组成。

2．CNC装置中计算机的作用：

接受外部的工件加工程序和各种控制命令；

识别这些程序和进行相应的运算处理；

控制机械部分的动作，完成程序和命令所要求的功能。

3.2数控系统的模块化设计

模块化设计CNC系统时，选择总线功能模块是其主要任务。

1．CPU模块。

CPU模块主要由微处理器，内部存储器和时钟电路等组成。

2．存储器模块。

主要用于系统内存的扩充。

通常可扩充RAM和ROM两种芯片。

3．I/O模块。

主要有数字量I/O、模拟量I/O、工业用I/O等模块和外部设备控制器等。

4．专用功能模块。

包括中断控制器、定时/计数器、时钟模块、掉电处理模块、伺服控制模块等。

3.3CNC系统中的插补运算

1．脉冲增量插补法。

包括逐点比较法和数字积分法。

（1）逐点比较法。

①直线插补

令偏差函数：

式中：

、

为终点A的坐标值。

为某时刻刀具原点到达Pi点坐标值。

若Fi大于零，刀具应沿x轴正向走一步；

若Fi小于零，刀具应沿y轴正向走一步，若Fi等于零，规定刀具应沿x轴正向走一步

终点判别：

根据刀具沿x和y两轴所走步数之和来判断直线是否加工完毕。

即i=N=|

|+|

|

②圆弧插补

顺圆插补：

若Fi大于零，刀具应沿y轴负向走一步，若Fi小于零，刀具应沿x轴正向走一步，若Fi等于零，规定刀具应沿y轴负向走一步。

逆圆插补：

若Fi大于零，刀具应沿x轴负向走一步，若Fi小于零，刀具应沿y轴正向走一步，若Fi等于零，规定刀具应沿x轴负向走一步。

圆弧起点A

，终点B

，沿两坐标轴所走总步数。

（2）数字积分法

直线插补的积分函数为：

N个插补循环后的积分值为：

插补完直线所需的总插补循环数N等于q，即N=q

比例系数q与直线终点坐标必须满足

≥

圆弧插补的积分函数为

比例系数q应满足

只能根据刀具沿x、y轴已走的总步数n与应走的总步数N是否相等进行终点判别。

（3）数字增量插补法（数据采样法）

一个插补循环中，输出的插补直线长度为

，x、y轴的指令位移增量为：

L为被插补直线的长度，则插补完直线所需的插补循环数：

与刀具进给速度v和插补周期T之间的关系为：

插补周期T确定后，

和N即可确定

在满足精度的要求下，用弦进给代替圆弧进给，即用直线逼近圆弧。

③插补周期的选取

选取插补周期时，要考虑插补误差、系统动态特性等因素

3.4CNC系统的控制软件

CNC系统的控制软件是一系列完成各种各样功能的程序集合。

主要由以下部分组成：

1．系统总控程序。

它主要完成系统的初始化和命令处理循环。

2．工件加工程序的输入和输出管理。

工件加工程序的输入是通过光电阅读机这样的输入设备，或是从键盘输入。

CNC系统处理工件加工程序的方式有纸带工作方式和存储器工作方式。

3．工件加工程序编辑。

4．机床的手动调整控制。

5．工件加工程序的解释和执行。

其基本任务是根据工件加工程序实现工件的轮廓加工。

6．插补计算。

7．伺服控制。

8．系统自检。

CNC控制软件的结构主要有前后台型和中断驱动型两种。

理解插补运动的插补原理

了解CNC系统的组成和功能，模块设计方法，CNC系统软件构成方式。

理解插补运动的插补原理。

能够对给定直线或圆弧进行插补运算。

第4章

数控机床的机械结构

学习本章的目的和要求了解数控机床机械机构的特点，掌握数控机床的主传动系统、导轨及进给传动系统。

4.1数控机床的机械结构

数控机床的主要工艺特点：

自动化程度高、柔性好；

加工精度高、质量稳定；

特产效率高。

对数控机床机械结构的要求：

高刚度；

高抗振性；

减少机床的热变形；

提高进给运动的动态性能和定位精度。

4.2数控机床的主要组成部分及其结构简介

数控机床的主要组成部分：

主传动系统及主轴部件；

进给传动系统；

基础件；

其他辅助装置；

以及加工中心类数控机床的自动换刀系统。

加工中心的主要组成部分：

1．主传动系统及主轴部件。

包括主轴箱的机械结构和主轴准停装置。

2．进给传动系统。

典型直线进给运动的进给系统机械结构图

3．自动换刀装置。

主要有回转刀架换刀；

更换主轴头换刀；

带刀库的自动换刀系统

4.3数控机床的导轨

对导轨的基本要求：

导向精度；

精度保持性；

低速运动平稳性；

结构简单、工艺性好。

导轨分三大类：

滑动导轨；

滚动导轨；

静压导轨。

滚动导轨的结构形式包括：

滚珠导轨；

滚柱导轨；

滚针导轨；

直线滚动导轨块组件。

滚动导轨的预紧有采用过盈配合和采用调整元件两种方法。

滚动导轨参数选择原则有：

滚动体尺寸和数目的选择与滚动导轨的长度选择

许用载荷计算公式：

对于滚柱导轨：

对于滚珠导轨：

—滚柱或滚珠直径（cm）

—滚柱长度（cm）

—作用在滚动体横截面上的假定应力（N/cm2）

—导轨硬度的修正系数

4.4进给系统的机械传动机构

滚珠丝杠螺母副的工作原理和特点。

原理：

丝杠和螺母上均制有圆弧型面的螺旋槽，将它们装在一起便形成了螺旋滚道，滚珠在其间既自转又循环滚动。

优点：

传动效率高；

运动平稳无爬行；

传动精度高，反向时无空程；

磨损小；

具有运动的可逆性。

缺点：

制造成本高；

必须增加制动装置。

滚珠丝杠螺母副的结构类型包括：

滚珠循环方式；

滚珠丝杠副预紧。

滚珠丝杠副的支撑方式有：

①一端固定、一端自由；

②两端简支；

③一端固定、一端简支；

④两端固定。

滚珠丝杠螺母副的选用主要包括：

主要的技术参数；

精度等级

滚珠丝杠副的计算包括：

（1）疲劳强度计算；

（2）静态强度计算；

（3）滚珠丝杠的刚度验算。

齿轮传动副的消隙措施有：

刚性调整法；

柔性调整法。

数控机床的主传动系统、导轨及进给传动系统的结构

了解数控机床机械机构的特点、各系统的选用原则。

掌握数控机床的主传动系统、导轨及进给传动系统的结构。

根据工艺特点的不同，区分数控机床与普通机床的机械结构的不同原理。

第5章

数控机床的位置传感器件

学习本章的目的和要求了解位置传感器的种类、结构，掌握位置传感器的工作原理及选用方法。

5.1数控机床位置传感器件的类型

位置传感器件主要分为三类：

直线或角位移传感器；

模拟或数字位移传感器；

绝对、半绝对或增量位移传感器。

5.2光栅位移检测装置

光栅位移检测装置的组成包括：

光栅传感器；

光栅倍频器；

光栅数显表

光栅传感器的工作原理：

用光栅的莫尔条纹测量位移。

当两块光栅有相对移动时，光栅移动一个栅距，莫尔条纹的变化经历一个周期。

光栅传感器的信号处理技术：

细分技术。

就是在莫尔条纹变化一周期时，不只是输出一个脉冲，而是输出若干个泳冲，提高分辨率。

5.3脉冲发生器

增量式脉冲发生器工作原理：

在一个码盘的边缘上开有相等角度的缝隙，在码盘两边分别安装光源及光敏元件，当码盘随工作轴一起转过一个缝隙就产生一次光线的明暗变化，经整形放大，便可得到一定幅值和功率的电脉冲输出信号，其脉冲数就等于转过后缝隙数。

如果将上述脉冲信号送到计数器中计数，从测得的脉冲数就能知道码盘转过后角度。

绝对脉冲发生器能给出与每个角位置相对应的完整的数字量输出。

由单个码盘组成的绝对编码器所测的角位移范围为0°

~360°

，若要测量大于360°

的角位移或者轴转数，需要多个码盘。

常用的绝对式脉冲发生器有接触式码盘、光学码盘和磁性码盘。

5.4感应同步器

感应同步器的工作原理是基于电磁感应现象。

当励磁绕组用一定频率的正弦电压励磁时，将产生同频率的交变磁能，感应绕组与这个交变磁通耦合，感应出同频率的交变电动势。

感应同步器的信号处理有鉴相型、鉴幅型、幅/相型等方式。

感应同步器数字位置测量系统的功能部件有感应同步器、放大器、逻辑控制电路和函数电压发生器、显示计数器、电源以及振荡器等。

主要性能指标有：

精度；

分辨率；

跟踪速度；

稳定性和可靠性。

5.5其他位置检测元件

旋转变压器的工作原理是根据互感原理工作的。

定子与转子之间空气间隙的磁通分布呈正弦规律。

当定子绕组加上交流励磁电压时，通过互感在转子绕组中产生的感应电动势，其输出电压的吕小取决于定子与转子两个绕组轴线在空间的相对位置，两者平行时互感最大，二次侧的感应电动势也最大；

两者垂直时互感的电感量为零，感应电动势也为零。

磁栅是测量直线位移的一种数字式传感器。

由磁尺、磁头和检测电路组成。

磁栅检测电路包括：

磁头励磁电路，读取信号的放大、滤波、辨向、细分、显示及控制电路等几个部分。

位置传感器的工作原理及选用方法

了解位置传感器的种类、结构。

掌握位置传感器的工作原理及选用方法。

能正确选用和联接位置传感器。

第6章

数控机床的电气驱动

学习本章的目的和要求掌握步进电机的工作原理、运行性能、选用方法。

6.1数控机床动力源的类型

机床的动力源可以是气动、液压或电动。

在数控机床中多使用电动机作为动力源。

机床动力源根据用途分为三种类型：

提供切削速度的主轴驱动动力源，进给驱动动力源，以及辅助运动驱动动力源。

6.2步进电动机

1．三相反应式步进电动机工作原理。

定子上有六个极，每极上装有控制绕组，每两个相对而言的极组成一相。

转子上有四个均匀分布的齿。

当A相绕组通电时，使相应的转子齿与定子极对齐，B相绕组通电时，转子在空间转过30°

，使相应的转子齿与定子极对齐，C相绕组通电时，转子又在空间转过30°

，使相应的转子齿与定子极对齐，如此反复，并按A→B→C→A顺序通电，电动机便按一定的方向转动。

2．步进电动机的运行性能。

静态特性：

主要指静态矩角特性和最大静态转矩特性。

动态特性：

包括步进运行状态时的动态特性；

连续运行状态时的动特性。

3．步进电动机的驱动电源主要有：

高低压双电源型、恒流斩波型和调频调压型。

4．步进电动机的选用：

应考虑系统的精度和速度的要求来选定系统的脉冲当量，以此为依据选择步距角和传动机构的传动比。

6.3进给伺服电动机

1．进给伺服电动机的负载计算

负载转矩的计算：

M—加到电动机轴上的负载转矩（N·

cm）

F—轴向移动滑块所需的力（N）

η—驱动系统的效率

l—电动机轴每转的机械位移量（cm）

Mf—折算到电动机轴上滚珠丝杠、螺母部分、轴承部分的磨擦转矩（N·

cm），不包括效率η

选用条件：

①根据负载转矩选择电动机。

②负载转矩加上加速转矩应等于所选择电动机的最大转百万读矩。

③加速转矩应考虑负载惯量和电动机惯量的匹配。

④加速转矩应等于最大转矩减去负载转矩。

在空载时，加速转矩应等于最大转矩减去磨擦转矩，其差值等于全部惯量乘以加速度。

2．直流伺服电动机的工作原理

直流PWM调速的基本原理：

利用大功率梦轩阁晶体管作为斩波器，其电源为直流固定电压，开头频率也为常值，根据控制信号的大小来