第一章 绪论
1.1数控机床是由哪几部分组成，它的工作流程是什么？
答：数控机床由输入装置、CNC装置、伺服系统和机床的机械部件构成。 数控加工程序的编制-输入-译码-刀具补偿-插补-位置控制和机床加工 1.2 数控机床的组成及各部分基本功能
答：组成：由输入输出设备、数控装置、伺服系统、测量反馈装置和机床本体组成
输入输出设备：实现程序编制、程序和数据的输入以及显示、存储和打印 数控装置：接受来自输入设备的程序和数据，并按输入信息的要求完成数值计算、逻辑判断和输入输出控制等功能。
伺服系统：接受数控装置的指令，驱动机床执行机构运动的驱动部件。
测量反馈装置：检测速度和位移，并将信息反馈给数控装置，构成闭环控制系统。 机床本体：用于完成各种切削加工的机械部分。
1.3．什么是点位控制、直线控制、轮廓控制数控机床？三者如何区别？
答：（1）点位控制数控机床特点：只与运动速度有关，而与运动轨迹无关。如：数控钻床、数控镗床和数控冲床等。
（2）直线控制数控机床特点：a.既要控制点与点之间的准确定位，又要控制两相关点之间的位移速度和路线。b.通常具有刀具半径补偿和长度补偿功能，以及主轴转速控制功能。
如：简易数控车床和简易数控铣床等。
（3）连续控制数控机床（轮廓控制数控机床）：对刀具相对工件的位置，刀具的进给速度以及它的运动轨迹严加控制的系统。具有点位控制系统的全部功能，适用于连续轮廓、曲面加工。 1.4．数控机床有哪些特点？
答：a．加工零件的适用性强，灵活性好；b．加工精度高，产品质量稳定；c．柔性好；d．自动化程度高，生产率高；e．减少工人劳动强度；f．生产管理水平提高。 适用范围：零件复杂、产品变化频繁、批量小、加工复杂等
1.5．按伺服系统的控制原理分类，分为哪几类数控机床？各有何特点？ 答：（1）开环控制的数控机床；
其特点：a.驱动元件为步进电机；b.采用脉冲插补法：逐点比较法、数字积分法；c.通常采用降速齿轮；d. 价格低廉，精度及稳定性差。
（2）闭环控制系统；
其特点：a. 反馈信号取自于机床的最终运动部件（机床工作台）；b. 主要检测机床工作台的位移量；c. 精度高，稳定性难以控制，价格高。
（3）半闭环控制系统：
其特点：a. 反馈信号取自于传动链的旋转部位；b. 检测电动机轴上的角位移；c. 精度及稳定性较高，价格适中。应用最普及。
第二章 数控加工编程基础
1 数控编程是指从零件图样到制成控制介质的全部过程
手工编程的内容：分析零件图样、确定加工工艺过程、数值计算、编写零件加工程序、制作控制介质、程序校检和试切削 2 数控编程的方法及特点
手工编程：用人工完成程序编制的全部工作，对于几何形状较为简单，数值计算比较简单的，程序段不多采用手工编制容易完成
自动编程：程序编制的工作的大部分或全部都由计算机来完成。
3．什么是“字地址程序段格式”，为什么现代数控系统常用这种格式？ 答：字地址程序段的格式：NxxGxxXxxYxxZxxSxxFxxTxxMxx；特点是顺序自由。 地址字符可变程序段格式。程序段的长短，字数和字长都是可变，字的排列顺序没有严格要求 。这种格式的优点是程序简短、直观、可读性强、易于检验和修改。 4．数控机床的X、Y、Z坐标轴及其方向是如何确定的？
答：Z 坐标：规定平行于机床主轴的刀具运动坐标为 Z 坐标，取决于远离工件的方向为正方向
X 坐标：规定 X 坐标轴为水平方向，且垂直于 Z 轴并平行于工件的装夹面
Y 坐标：Y 坐标垂直于 x、y 坐标。在确定了 x、z 坐标正方向后，可按右手定则确定 y 坐标的正方向
5 .机床坐标系与工件坐标系的关系：
工件坐标系的坐标轴与机床坐标系相应的坐下轴相平行，方向也相同，但原点不同。在加工中， 工件随夹具在机床上安装后，要测量的工件原点与机床原点之间的坐标距离成为原点偏置。这个偏置值需预读到数控系统中。在加工 时，工件原点偏置值便能自动加到工件坐标系上，使数控系统可按机床坐标系确定加工时的坐标值。
6 .准备功能 G 代码：使机床或数控系统建立起某种加工方式的指令。
辅助功能 M 代码：控制机床辅助动作的指令，主要用作机床加工时的工艺性指令。
7．M00、M01、M02、M30指令各有何特点？如何应用？ 答：M00：暂停；
M01：选择性的暂停
M02：复位性加工程序结束，用于数控机床；
M30：复位性加工程序结束，并返回程序起点。用于加工中心。 应用略
8. F 代码：为进给速度功能代码，它是续效代码，用来指定进给速度
S 代码：为主轴转速功能代码， ，它是续效代码，用来指定主轴的转速。 T 代码：为刀具功能代码，该指令用以选择所需的刀具号和补刀号。 9．G90 X20 Y15与G91 X20 Y15有什么区别？ 答：G90为绝对坐标
G91为增量坐标即相对坐标。
10. G00-快速点定位指令：使刀具从当前位置以系统设定的速度快速移动到坐标系的另一点。它只是快速到位，不进行切削加工，一 般用作空行程运动。
G01—直接插补指令：该指令时直线运动控制指令，它使刀具从当前位置以两坐标或者三坐标联动方式按指定的 F 进给速度做任意斜 率的直线运动到达指定的位置。该指令一般用作轮廓切削
G02—圆弧插补指令：G02 表示顺时针圆弧插补； G03 表示逆时针圆弧插补。
11．G41、G42、G43、G44的含义如何？试用图说明。
答：G40 表示注销左右偏置指令，即取消刀补，使刀具中心与编程轨迹重合。
G41：刀具左偏，指顺着刀具前进的方向观察，刀具偏在工件轮廓的左边，如图1示；
G42：刀具右偏，指顺着刀具前进的方向观察，刀具偏在工件轮廓的右边，如图1示；
G40：取消刀补，使刀具中心与编程轨迹重合。G40必须与G41、G42指令配合使用；
G43：正偏置，执行G43时，Z实际值=Z指令值+(H--)，如图2（a）左所示。 G44：负偏置，Z实际值=Z指令值-(H--)，如图2（b）左所示。。
图1刀具半径补偿方向判别 图2刀具长度补偿
13． 零件的加工路线是指数控机床加工过程中刀具刀位点相对于被加工零件的运动轨迹和运动方向。
加工原则：1 应能保证零件的加工精度和表面粗糙度要求。2 应尽量缩短加工路线，减少刀具空程移动时间。3 应使数值计算简单，程序段数量少，以减少编程工作量。
15．什么是对刀点、刀位点和换刀点？
答：①对刀点：是指数控机床上加工零件时，刀具相对与工件运动的起点。也称为程序起点或起刀点。
②换刀点：是指刀架转位换刀时的位置。可以是某一固定点（如加工中心机床，其换刀机械手的位置是固定的），也可以是任意设定的一点（如车床）。应设在工件或夹具的外部。
③刀位点：用于表示刀具在机床上的位置。 17．什么是基点？什么是节点？
答：基点：是指组成零件轮廓曲线的各几何元素（如直线、圆弧、二次曲线等）间的连接点。
节点：是指当利用具有直线插补功能的数控机床加工零件的曲线轮廓时，任一轮廓的曲线均用连续的折线来逼近。此时，根据编程所允许的误差，将曲线分割成若干个直线段，其相邻两直线的交点。 18．试编制精车如图1所示零件的加工程序。 答：
O1001 T0101 M03S600 G00X42.Z2. G00X32.
G01Z-14.F.2 X40.Z-39. Z-52. G00X50.Z20. M30
19．铣削如图2所示轨迹，起刀点为A，沿A－B－C切削，试用绝对坐标和增量坐标方式编程。 答：
O1002 G54 M03S1200 G00X0Y0Z50.
图1 题18图G00X200.Y40. G00Z5. G00X0Y0Z50. M30
图2 题19图
第三章 数控加工程序的编制 3.1 数控车床的编程特点：
1) 1 在一个程序段中，根据图样标注的尺寸，可以采用绝对值编程、
增量值编程或者混合编程。
2) 2 直径方向用 绝对值编程时，X 以直径值表示；用增量值编程时，
以径向实际位移量的二倍值表示。
3) 3 为提高工件的径向尺寸精度，X 向的脉冲当 量取 Z 向的一半 4) 4 数控装置常具备不同形式的固定循环功能，可进行多次重复循环
切削。当编制圆头刀程序是，需要对刀具半径进 行补偿
5) 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，而不用 G90 G91 指令。
6) 第三坐标指令 IK 在不同的程 序段中左右也不相同。I K 在圆弧
切削时表示圆心相对圆弧的起点坐标位置。
3.2 车削固定循环功能：由于车削毛坯多为棒料和铸锻件，因此车削加工多为大余量多次进给切除，所以在车床的数控装置中总是设置 各种不同形式的固定循环功能。
常用指令：1 柱面循环指令 2 锥面循环指令 3 简单螺纹循环指令 4 复杂螺纹循环指令 5 复合式粗车循环指令。
补充思考题：
1．用有G71、G70复合加工循环指令编制图3所示零件的粗、精加工程序（各加工面的精车余量均为0.5mm）。设切深△d＝2，退刀量e＝2，△u＝1，△w＝1。 答：O1001 T0101 G00X52.Z95. M03S600 G
G71U2.R1.
G71P10Q20U0.5W0.5. N10G00X0.
G01Z92.F.2 G02U20.W-10.R10. G01Z63.32 G01Z17.
G02U14.W-7.R7. N20Z0. G70P10Q20 M30
图3 思考题1图
2．编制立式加工中心图4所示的零件加工程序。
图4 思考题2图
答：O1002 G54
G00X0.Y0.Z20. M03S1500 G00Y-4.Z3. G01Z-5.F150. Y4. G00Z3. G01Z-5.F150. Y11.
第四章 计算机数控装置
1． CNC 系统的组成：数控程序、输入输出设备、CNC 装置、可编程控制器、主轴驱动装置和进给驱动装置。核心是 CNC 装置。 2. CNC 装置软件由管理软件和控制软件组成。
G03 G01X-11. G03 G01Y-11.
G03X-11.Y-17.R6. G01X11.
G03X17.Y-11.R6. G01Y11. G00Z5. M30
3. CNC 装置的功能：1 控制功能 2 准备功能 3 插补功能 4 固定循环加工功能
5 进给功能 6 主轴功能 7 辅助功能 8 刀具功能 9 补偿功能 10 显示功能
11 通信功能 12 自诊断功能
4. 单微处理器与多微处理器的结构区别：单微处理机在 CNC 的装置中，只有一个中央处理器，采用集中控制，分时处理数控的每项 任务。 5．单微处理机结构的CNC装置有哪几部分组成？其I/O接口的功能和任务分别是什么？
答：由CPU（微处理器）、存储器、总线、I/O接口、MDI接口、CRT或液晶显示接口、PLC接口、主轴控制、通讯接口等组成。
I/O接口主要功能：缓冲功能，选择功能（内部、外部的选择），中断功能，转换功能（A/D、D/A转换），数据宽度变换功能，通讯功能。 6．比较共享总线型结构CNC装置和共享存储结构CNC装置的工作特点及优缺点？
答：1）共享总线型：以总线为中心，各模块工作时，仅有一个模块可占用总线，多个请求时由总线仲裁器来裁决。
a．将各个功能模块划分为主模块和从模块。带有CPU和DMA器件的各种模块称为主模块，其余如存储器模块，I/O模块为从模块。
系统中只有主模块有权使用系统总线，而每个主模块按其担负任务的重要程度预先安排好优先级别的高、低顺序。
b．总线裁决方式有两种：串联方式和并联方式。 串联方式中，优先权的排列是按链位置决定的；
并联方式中配有专用逻辑电路来解决主模块的判优问题，通常采用优先权编码方式。
c．该结构优点：结构简单，系统配置灵活，扩展模块容易。缺点是总线一旦出现故障，整个系统受影响。
（2）共享存储器结构：以存储器为中心，各模块工作时，通过优先接受使用请求，使用完成要撤消，释放存储器。
缺点：由于同一时刻只能有一个微处理器对多端口存储器进行读或写，所以功能复杂而要求增加微处理器数量时，会因争取共享而造成信息传送的阻塞，降低系统效率，且扩展较困难。
7. CNC 软件结构的特点：多任务并行处理和多重实时中断
8．CNC装置软件采用的并行处理方法有哪几种？这些方法是如何实现并行处理的？
答：并行处理的方法有：资源共享、资源重复和时间重叠。
资源共享是根据“分时共享”的原则，使多个用户按时间顺序使用一套设备。
时间重叠是根据流水线处理技术，使多个处理过程在时间上相互错开，轮流使用一套设备的几个部分。
资源重复是通过增加资源（如多CPU）提高运算速度。
9. CNC 装置中的中断结构模式：1 中断型结构模式 2 前后台型结构模式
中断型结构模式：除了初始化程序之外，整个系统软件的各种任务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。 前后台型结构模式：是一个中断服务程序，完成全部实时功能。后台程序是一个循环程序，它包括管理软件和插补准备程序。后台程 序运行时实时中断程序不断插入，与后台程序相配合，共同完成零件加工任务。 12．为什么要对G代码、M代码分组？分组的原则是什么？
答：通常依据G或M指令功能相近的原则将G、M指令进行整理分组，且每组含有若干G代码，把不能同时出现在一个程序段的G代码（M代码）归为一组。如将G00、G01、G02和G03归为一组，M07、M08和M09归为一组。
（2）G代码、M代码分组的目的：
可以减少计算机内存容量，提高数控系统内存资源的利用率；还能方便查出编程错误
14．何谓刀具半径补偿？其执行过程如何？ 答：刀具刀位点与刀具进行加工时位置有误差。
刀具半径补偿的执行过程分为三步：
（1）刀补建立：即刀具从起点出发沿直线接近加工零件，依据G41或G42使刀具中心在原来的编程零件轨迹的基础上伸长或缩短一个刀具半径值.
（2）刀补进行：刀补指令是模态指令。在轨迹转接处，采用圆弧过度或直线过渡。
（3）刀补撤销：与刀补建立时相似，在轨迹终点的刀具中心处开始沿一直线到达起刀点起刀点与刀具中心重合，刀补被撤销。 第五章 数控装置的轨迹控制原理
1. 插补：就是按照进给速度的要求，在轮廓起点和终点之间算出若干终点间的坐标值。 插补算法有两类：1 脉冲增量插补；2 数据采样插补。
2. 逐点比较法：数控装置在控制刀具按要求的轨迹移动过程中，不断比较刀具与给定轮廓的误差，由此误差决定下一步刀具移动的 方向，使刀具向减少误差的方向移动，且只有一个方向移动。
4个节拍：第一节拍—偏差判别 第二节拍—进给 第三节拍—偏差计算 第四节拍—终点判别
3．设欲加工第一象限直线OE，终点坐标为xe4，ye6，试用逐点比较法对直线OE进行插补，并画出插补轨迹。 答：略
5．设AB为第一象限逆圆弧，起点A（6,0），终点B（0,6），试用逐点比较法对圆弧AB进行插补，并画出插补轨迹。 答：略
8. 逐点比较插补法是如何实现的？
答：每次仅向一个坐标输出脉冲，而每走一步都要通过偏差函数计算，判别偏差点的顺时坐标同规定的加工轨迹之间的偏差，然后决定下一步的进给方向。每一个插补循环都是由偏差判别、进给、偏差函数计算和终点判别组成。 9.试述DDA插补原理。
答：是利用数字积分的方法，当两个积分器根据插补时钟进行同步累加时，溢出脉冲分别控制相应坐标轴运动，根据插补循环数是否等于2或坐标进给步数判断插补是否完成。
17．脉冲增量插补的进给速度控制常用哪些方法？ 答：常用的方法有：软件延时法和中断控制法 。 （1）软件延时法
由编程进给速度F可求出要求的进给脉冲频率f；从而得到两次插补运算时间的时间间隔t，它必须大于cpu执行插补程序的时间t程，因此，t延=t-t程。可以编写一个延时子程序来改变进给速度。 （2）中断控制法
根据编程进给速度计算出定时器/计数器的定时时间常数，以控制cpu中断。在中断服务中进行一次插补运算并发出进给脉冲，cpu等待下一次中断，如此循环。
18．加减速控制有何作用？有哪些实现方法？
答：前加减速控制：进对编程速度F指令进行控制。 优点：不会影响实际插补输出的位置，但须预测减速点，计算量较大。
n
后加减速控制：分别对各运动轴进行加减速控制，固不必预测减速点，而是在插补输出为零时才开始减速，经过一定的延时逐渐靠近终点。当在加减速过程中对坐标合成位置有影响。 第六章 数控机床的伺服系统 1．数控机床对伺服系统有哪些要求？
答：a.精度高。即定位精度和重复定位精度高；b.快速响应特性好（跟踪精度高，跟随误差等）；c.调速范围宽（恒转矩：1：100～1000，恒功率：1：10～100）d.具有足够的传动刚性和高的速度稳定性。即具有优良的静态与动态负载特性；e.稳定性好（抗干扰能力强，可靠性好）；f.低速大转矩。
2．数控机床的伺服系统有哪几种类型？各自有何特点？
答：按控制理论和有无位置检测反馈环节分为：开环控制系统、闭环控制系统和半闭环控制系统。其特点略。
3．步进电机步距角的大小取决于哪些因素？
答：步进电机步距角与定子绕组的相数m、转子的齿数z、通电方式k
360有关，可用下式表示： ；式中，m相m拍时，k＝1；m相2m拍时，
mzkk=2。
6．简述提高开环系统的伺服精度方法。
答：步距角是决定开环伺服系统脉冲当量的重要参数，θ越小，加工精度越高。
静态步距误差是指理论的步距角和实际的步距角误差。
影响步距误差的因素主要有：①步进电机齿距制造误差；②定子和转子间气隙不均匀；③各相电磁转距不均匀。 7．数控机床对检测装置有哪些要求？
答：①工作可靠、抗干扰能力强；②使用维护方便，适用机床的工作环境；③满足精度、速度和工作行程的要求；④成本低、寿命长；⑤便于与伺服系统的连接。
8．简述旋转变压器两种不同工作方式的原理。 答：鉴相方式和鉴幅方式。
9．莫尔条纹的特点有哪些？在光栅的信息处理过程中倍频数越大越好吗？
答：①放大作用（莫尔条纹的间距对光栅栅具有放大作用）
BW/(2sin)W/(2)W/ 式中，B为莫尔条纹间
22距，W为栅距，θ为线纹交角。由此，B可以通过改变的大小来调整。
②平均效应：对光栅栅距局部误差具有误差平均作用。
③莫尔条纹的移动量，移动方向与指示光栅的位移量、位移方向具有对应关系。
在光栅的信息处理过程中倍频数越大要求传感器精度越高，实现越困难。 第七章 数控机床的机械结构 5．数控机床的主轴准停装置的作用？
答：换刀和精确控制刀具的转动角度。在镗削加工和螺纹加工时能实现精确控制。
6．数控机床对进给运动系统有哪些要求？ 答：a.高的精、动刚度及良好的抗振性能；
b.良好的热稳定性；
减少热变形主要从两个方面考虑：
①对热源采取液冷、风冷等方法来控制温升；
②改善机床结构，即a、使热变形发生在非敏感方向上；b、在结构上尽可能减少零件变形部分的长度，以减少热变形总量；c、尽量设计对称结构；d、采用热平衡措施和特殊的调节元件来消除或补偿热平衡。
c.高的运动精度和低速运动的平稳性； d.充分满足人性化要求。
7．滚珠丝杆如何预紧？
答：滚珠丝杠副的预紧 滚珠丝杠螺母副的预紧是通过改变两个螺母的相对位置，使每个螺母中的滚珠分别接触丝杠滚道的左、右两侧面来实现的。 a、双螺母垫片式预紧；b．双螺母螺纹式预紧；c．单螺母变导程自预紧。 9．数控机床的导轨副有哪些形式？
答：机床上常用的导轨，按其接触面间的摩擦性质的不同，可分为三大类：
（1）滑动导轨 （2）滚动导轨 （3）静压导轨
数控机床导轨副有哪些特点？ 答：（1）导向精度高
（2）耐磨性能好 （3）足够的刚度 （4）低速运动的平稳性 （5）结构简单、工艺性好。 第八章 数控机床的故障诊断
1．故障及故障诊断的一般定义。
答：（1）系统可靠性：是指系统在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。
（2）故障：是指系统在规定条件下和规定时间内爽失了规定的功能。 2．根据数控机床的故障频率，整个使用寿命期大致可以分为哪三个阶段？它们各自有什么特点？
答：根据数控机床的故障频率，整个使用寿命期大致可以分为三个阶段：初期运行期、有效寿命期和衰老期。其中，有效寿命期故障率最低。 4．数控机床的故障诊断常用的方法有哪些？ 答：（1） 常规分析法
常规分析法是对数控机床的机、电、液等部分进行的常规检查，以此来判断故障发生原因的一种方法。
（2）动作分析法
动作分析法是通过观察、监视机床实际动作，判定动作不良部位并由此来追溯故障根源的一种方法。
（3）状态分析法
状态分析法是通过监测执行元件的工作状态，判定故障原因的一种方法。
（4）操作、编程分析法
操作、编程分析法是通过某些特殊的操作或编制专门的测试程序段，确认故障原因的一种方法。
（5）CNC的故障自诊断
开机自诊断 所谓开机自诊断是指数控系统通电时，由系统内部诊断程序自动执行的诊断，它类似于计算机的开机诊断。
（6）脱机测试（离线诊断）
一般包括三种形式：启动诊断、在线诊断（又称后台诊断）和离线诊断。
第九章 数控技术的发展与机械加工自动化 1．简述数控机床的发展趋势
答：a.高速化与高精度化；b.多功能化（包含工序复合化和功能复合化）c.自适用控制的智能化；d.高柔性化：柔性是指数控设备适应加工对象变化的能力；e.可靠性最大化(启动诊断、在线诊断、离线诊断) ；f.控制系统小型化；g.开放式体系结构
3．什么是柔性制造单元（FMC）？常用的有哪几类？
答：柔性制造单元（FMC）：由加工中心（MC）和自动交换工件（AWC）的装置所组成，同时数控系统还增加了自动检测与工况自动监控等功能。
根据不同的加工对象、CNC机床的类型与数量以及工件更换与存储方式的不同，结构形式主要分为：
（1）托盘搬运式 （2）机器人搬运式
4．柔性制造系统（FMS）具有哪些基本特征？ 答：（1）具有多台制造设备；
（2）在制造设备上，利用交换工作台或工业机器人等装置实现零件的自动上料和下料；
（3）由一个物料运输系统将所有设备连接起来，可以进行没有固定加工顺序和无节拍的随机自动制造。
（4）由计算机对整个系统进行高度自动化的多级控制与管理，对一定范围内的多品种，中小批量的零部件进行制造。
（5）配有管理信息系统（MIS）。
（6）具有动态平衡的功能，能进行最佳调度。 5．什么是计算机集成制造系统（CIMS）？
答：一般来说，CIMS的定义应包括以下要素：
（1）系统发展的基础是一系列现代技术及其综合；
（2）系统包括制造工厂全部生产、经营活动，并将其纳入多模式，多层次的分布自动化子系统；
（3）系统是通过新的管理模式、工艺理论和计算机网络对上述各子系统所进行的有机集成。
（4）系统是人、技术和经营三方面的集成，是一个人机系统，不能忽视人的作用。
（5）系统的目标是获得多品种、中小批量离散生产过程的高效益和高柔性，以达到动态总体最优，实现脑力劳动自动化和机器智能化。
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