数控机床电气控制课程作业(三)

数控机床电气控制课程作业(三)
2010年04月11日
　　[b]数控机床电气控制课程作业（三）[/b][b][/b]
　　1．简述伺服系统的组成。
　　答：数控机床伺服系统一般由位置检测装置、位置控制、伺服驱动装置、伺服电动机及机床进给传动链组成。
　　2．步进电动机的转速和转向是如何控制的？
　　答：步进电动机受脉冲的控制，其转子的角位移量和转速严格地与输入脉冲的数量和脉冲频率成正比，改变通电顺序可改变步进电动机的旋转方向；改变通电频率可改变电动机的转速。
　　3．步进电机驱动的环形脉冲分配器有何作用？它有哪些实现方式？
　　答：环形脉冲分配器是用于控制步进电动机的通电方式的，其作用是将CNC装置送来的一系列指令脉冲按照一定的循环规律依次分配给电动机的各相绕组，控制各相绕组的通电和断电。环形脉冲分配可采用硬件和软件两种方法实现。
　　4．简述直流伺服电动机的工作原理及其换向装置的作用。
　　答：直流电动机工作原理是建立在电磁力和电磁感应基础上的，是由于带电导体在磁场中受到电磁力的作用。如图题4所示直流电动机模型，它包括三个部分：固定的磁极、电枢、换向片与电刷。当将直流电压加到A、B两电刷之间，电流从A刷流人，从B刷流出，载流导体ab在磁场中受的作用力F按左手定则指向逆时针方向。同理，载流导体cd受到的作用力也是逆时针方向的。因此，转子在电磁转矩的作用下逆时针方向旋转起来。当电枢恰好转过90°时，电枢线圈处于中性面(此时线圈不切割磁力线)，电磁转矩为零。但由于惯性的作用，电枢将继续转动，当电刷与换向片再次接触时，导体ab和cd交换了位置。因此，导体ab和cd中的电流方向改变了，这就保证了电枢可以连续转动。
　　从上面分析可知，要电磁转矩方向不变，导体从N极转到S极时，导体中的电流方向必须相应地改变，换向片与电刷即实现这一任务的机械式“换向装置”。
　　图题4　直流电动机模型
　　5．变频器分为哪两大类？各有什么特点?
　　答：变频器有交一交变频器、交一直一交变频器两大类，如图4.23所示。交一交变频器没有明显的中间滤波环节，电网提供的交流电被直接变成可调频率与电压的交流电，又称直接变频器。交一直一交变频器是先把电网提供的交流电转换为直流电，经中间滤波后，再进行逆变，而转变为变频变压的交流电，故称为间接变频器。直接变频器只需进行一次能量的变换，所以变换的效率高，工作可靠，但频率的变化范围有限，多用于低频大容量的调速。间接变频器需进行两次电能的变换，所以变换效率低，但频率变换范围大。目前一般采用间接变频器。
　　a)交一交变频器　b)交一直一交变频器
　　图题5　两种类型的变频器
　　6.正弦波脉宽调制(SPWM)变频器有什么特点？简述其工作原理。
　　答：正弦波脉宽调制(SPWM)变频器结构简单，电网功率因数接近于1，且不受逆变器负载大小的影响，系统动态响应快，输出波形好，使电机可在近似于正弦波的交变电压下运行，脉动转矩小，扩展了调速范围，提高了调速性能，因此，在数控机床的交流驱动中广泛使用。
　　基本工作原理是先将50Hz交流电经整流变压器变压得到所需电压，经二极管不可控整流和电容滤波，形成恒定直流电压，而后送入由大功率晶体管构成的逆变器主电路，输出三相电压和频率均可调整的等效于正弦波的脉宽调制波(SPWM波)，即可拖动三相电机运转。
　　7.何谓主轴定向控制？简述其作用。
　　答：主轴定向控制又称主轴准停控制，即当主轴停止时能控制其停在固定位置。
　　其作用如下。
　　①刀具交换
　　在加工中心中，当主轴停转进行刀具交换时，主轴需停在一个固定不变的位置上，从而保证主轴端面上的键也在一个固定的位置，这样，换刀机械手在交换刀具时，能保证刀柄上的键槽对正主轴端面上的定位键。
　　②镗孔退刀
　　在精镗孔退刀时，为了避免刀尖划伤已加工表面，采用主轴准停控制，使刀尖停在一个固定位置(X轴或y轴上)，以便主轴偏移一定尺寸后，使刀尖离开工件表面进行退刀。
　　8．为什么数控机床主轴要进行分段无级变速控制？
　　数控机床主轴要采用分段无级变速控制，是为了既能在低档时主轴输出大扭矩，又能在高档时主轴转速可达到最高转速的要求。
　　9．位置检测装置在数控机床控制中的主要作用是什么?
　　答：位置检测装置是数控系统的重要组成部分，在闭环或半闭环控制的数控机床中，必须利用位置检测装置把机床运动部件的实际位移量随时检测出来，与给定的控制值(指令信号)进行比较，从而控制驱动元件正确运转，使工作台(或刀具)按规定的轨迹和坐标移动。
　　10．何谓绝对式测量和增量式测量，间接测量和直接测量?
　　答：绝对式位置检测是：每个被测点的位置都从一个固定的零点算起；增量式位置检测是：只测位移增量，每检测到位置移动一个基本单位时，输出一个脉冲波或正弦波，通过脉冲计数便可得到位移量。
　　位置检测装置所测量的对象就是被测量本身，叫做直接测量。采用安装在电机或丝杠轴端的回转型检测元件间接测量机床直线位移的检测方法，叫做间接测量。
　　[b]数控机床电气控制课程作业（二）[/b][b][/b]
　　1．数控机床控制系统由哪几部分组成?
　　答：数控机床控制系统的基本组成包括输入/输出装置、数控装置、伺服驱动装置、机床电气逻辑控制装置、位置检测装置。
　　2. 进给伺服系统的作用是什么?
　　答：伺服驱动装置是数控机床的执行机构，是数控系统和机床本体之间的电气联系环节。伺服系统的作用就是将进给位移量等信息转换成机床的进给运动，数控系统要求伺服系统正确、快速地跟随进给控制信息，执行机械运动，驱动工作台向指定的位置运动。
　　3. 数控机床按被控对象运动轨迹分为哪几类?
　　　　答：1）点位控制的数控机床
　　　　点位控制数控机床的数控装置只要求能够精确地控制从一个坐标点到另一个坐标点的定位精度，而不管是按什么轨迹运动，在移动过程中不进行任何加工。
　　　　2）直线控制的数控机床
　　　　直线控制数控机床一般要在两点间移动的同时进行加工，所以不仅要求有准确的定位功能，还要求从一点到另一点之间按直线规律运动，而且对运动的速度也要进行控制。
　　　　3）轮廓控制的数控机床
　　　　轮廓控制又称连续控制，大多数数控机床具有轮廓控制功能。其特点是能同时控制两个以上的轴，具有插补功能。它不仅控制起点和终点位置，而且要控制加工过程中每一点的位置和速度，加工出任意形状的曲线或曲面组成的复杂零件。
　　4. 试简述数控装置的组成。
　　答：目前的数控装置都是基于微型计算机的硬件和软件来实现其功能，所以称之为计算机数控（CNC）装置。它一方面具有一般微型计算机的基本结构，如中央处理单元（CPU）、总线、存储器、输入/输出接口等；另一方面又具有数控机床完成特有功能所需要的功能模块和接口单元，如手动数据输入（MDI）接口、PLC接口、纸带阅读机接口等。
　　CNC装置在上述硬件基础上必须编写相应的系统软件来指挥和协调硬件的工作，两者缺一不可。CNC装置的软件由管理软件和控制软件两部分组成。
　　5. 数控装置硬件结构是如何分类的？
　　　　答：数控装置是整个数控系统的核心，其硬件结构按CNC装置中各印刷电路板的插接方式可以分为大板式结构和功能模块式结构；按CNC装置硬件的制造方式，可以分为专用型结构和个人计算机式结构；按CNC装置中微处理的个数可以分为单微处理器结构和多微处理器结构。
　　6. 数控系统 I/O接口电路的主要任务是什么？
　　　　答：1）实现和不同外设的速度匹配。
　　　　2）改变数据传送方式。
　　　　3）进行电平转换和功率放大。
　　　　4) 防止干扰
　　7. 数控装置软件结构类型有哪几种？并对每种结构类型简要进行说明。
　　　　答：1)前后台型软件结构
　　　　前后台型软件结构适合于采用集中控制的单微处理器CNC装置，在这种软件结构中，CNC系统软件由前台和后台程序组成，前台程序为实时中断程序，承担了几乎全部的实时功能，这些功能都与机床动作直接相关，如位置控制、插补、辅助功能处理、监控、面板扫描及输出等。后台程序主要用来完成准备工作和管理工作，包括输入、译码、插补准备及管理等，通常称为背景程序。
　　　　2)中断型软件结构
　　　　中断型软件结构没有前后台之分，除了初始化程序外，根据各控制模块实时的要求不同，把控制程序安排成不同级别的中断服务程序，整个软件是一个大的多重中断系统，系统的管理功能主要通过各级中断服务程序之间的通信来实现。
　　　　3)模块型软件结构
　　　　在数控系统中为了实现实时性和并行性的控制任务，多微处理器结构越来越多地被使用，从而使数控装置功能进一步增强，处理速度更快，结构更加紧凑。它更适合于多轴控制、高进给速度、高精度和高效率的数控系统要求。
　　　　多微处理器CNC装置一般采用模块化结构，每个微处理器分担各自的任务，形成特定的功能模块，相应的软件也模块化，形成功能模块型软件结构，固化在对应的硬件功能模块中，各功能模块之间有明确的硬、软件接口。
　　　　 8. 什么是数控系统的干扰？
　　　　答：数控系统的干扰一般是指那些与信号无关的，在信号输入、传输和输出过程中出现的一些不确定的有害的电气瞬变现象。这些瞬变现象会使数控系统中的数据在传输过程中发生变化，增大误差，使局部装置或整个系统出现异常情况，引起故障。
　　　　 9. 影响数控系统的干扰源来自哪几个方面？
　　　　答：1)电磁波干扰
　　　　2)供电线路的干扰
　　　　3)信号传输干扰
　　　　
　　　　10. 如图所示，说明变频器中的控制电路接线与主电路相交时，如何才能避免主电路对控制电路的干扰？
　　　　
　　　　答：变频器中的控制电路（其它电器控制电路亦如此）接线要距离电源线至少100rnm以上，两者绝对不可放在同一个导线槽内。另外，控制电路配线与主电路配线相交时要成直角相交，控制电路的配线应采用屏蔽双绞线。
　　　　 11. 数控机床常用的抗干扰措施有哪些？
　　　　答：1）减少供电线路干扰
　　　　2）减少机床控制中的干扰
　　　　3）屏蔽
　　　　4）保证“接地”良好
　　　　
　　　　12. 数控机床为什么要保证“接地”良好？其地线系统有哪三种？
　　数控机床的地线系统
　　　　答：“接地”是数控机床安装中一项关键的抗干扰技术措施。电网的许多干扰都是通过“接地”这条途径对机床起作用的，所以，数控机床一定要保证“接地”良好。
　　　　数控机床的地线系统有这样三种：
　　　　1)信号地用来提供电信号的基准电位（0V）。
　　　　2)框架地是以安全性及防止外来噪声和内部噪声为目的的地线系统，它是装置的面板、单元的外壳、操作盘及各装置间接口的屏蔽线。
　　　　3)系统地是将框架地与大地相连接。
　　[b]数控机床电气控制课程作业（一）[/b][b][/b]
　　　1．按钮开关和行程开关的作用分别是什么？如何确定按钮开关的选用原则？
　　　　答：按钮开关通常用作短时接通或断开小电流控制电路的开关，用于控制电路中发出起动或停止等指令，通过接触器、继电器等控制电器接通或断开主电路。
　　　　行程开关又称限位开关，是根据运动部件位置而切换电路的自动控制电器。动作时，由挡块与行程开关的滚轮相碰撞，使触头接通或断开用来控制运动部件的运动方向、行程大小或位置保护。
　　　　按钮开关的选用原则
　　　　①根据用途选择开关的形式，如紧急式、钥匙式、指示灯式等。
　　　　②根据使用环境选择按钮开关的种类，如开启式、防水式、防腐式等。
　　　　③按工作状态和工作情况的要求，选择按钮开关的颜色。
　　　　
　　　　2．低压断路器在电路中的作用是什么？
　　　　答：低压断路器又称自动空气开关，它不但能用于正常工作时不频繁接通和断开电路，而且当电路发生过载、短路或失压等故障时，能自动切断电路，有效地保护串接在它后面的电气设备，因此，低压断路器在机床上使用得越来越广泛。
　　　　
　　　　3．接触器的用途是什么？它由哪几部分组成？
　　　　答：接触器是一种用来频繁地接通或分断带有负载（如电动机）的主电路自动控制电器。接触器按其主触头通过电流的种类不同，分为交流、直流两种，机床上应用最多的是交流接触器。
　　　　它由电磁机构、触头系统、灭弧装置及其他部件等四部分组成。
　　　　
　　　　4．接近开关与行程开关相比有哪些优点？若接近开关为三线制输出，一般为哪三根输出线？
　　　　答：接近开关又称无触点行程开关。与行程开关相比，接近开关具有工作稳定可靠、使用寿命长、重复定位精度高、操作频率高等优点。
　　　　接近开关多为三线制。三线制接近开关有二根电源线（通常为24V）和一根输出线，输出有常开、常闭两种状态。
　　　　
　　　　5．.中间继电器的作用是什么？它和交流接触器有何区别？
　　　　答：中间继电器实质上是电压继电器的一种，其触点数量多（多至6对或更多），触点电流容量大（额定电流5～10A）,动作时间不大于0.05s。其主要用途是当其他继电器的触头数量或触点容量不够时，可借助中间继电器来扩大它们的触点数或触点容量，起到中间转换和放大作用。
　　　　接触器是一种用来频繁地接通或分断带有负载（如电动机）的主电路自动控制电器。而继电器是一种根据某种输入信号的变化，而接通或断开控制电路，实现控制目的的电器，中间继电器实质上是电压继电器的一种。
　　　　
　　　　6．电动机起动电流很大，当电动机起动时，热继电器会不会动作？为什么？
　　　　答：热继电器是利用电流的热效应原理来切断电路的保护电器，主要用于电动机或其他负载的过载保护。
　　　　电动机起动电流很大，但是，当电动机起动时，热继电器不会动作。因为，热继电器由于热惯性，其双金属片在短时间内不会弯曲，当电路短路时不能立即动作使电路立即断开，因此不能作短路保护。
　　　　
　　　　7．在下表中填上电器的图形符号和文字符号。
　　名称
　　文字符号
　　图形符号
　　线圈（元件）
　　常开触点
　　常闭触点
　　刀开关
　　QS
　　接触器
　　KM
　　时间继电器
　　延时闭合
　　ST
　　延时断开
　　延时闭合和延时断开
　　空气断路器
　　QF
　　按钮
　　SB
　　速度继电器
　　KS
　　　　
　　热继电器
　　FR
　　熔断器
　　FU
　　行程开关
　　SQ
　　　　
　　　　
　　　　8 ．三相异步电动机的起动控制采用哪两种方式？
　　　　答：三相笼型电动机有直接起动（全电压起动）和间接起动（降压起动）两种方式。直接起动是一种简单、可靠、经济的起动方式，适合小容量电动机。对于较大容量（大于10KW）的电动机，因起动电流大（可达额定电流的4～7倍），一般采用减压起动方式来降低起动电流。
　　　　
　　　　9.自锁环节怎样组成？它起什么作用？并具有什么功能？
　　　　答：一般可用起动按钮和接触器的常开触点并联，然后再和接触器的线圈串联可得。当按下起动按钮后，可实现长动，它又具有失压保护功能。
　　　　10．什么是互锁环节，它起到什么作用？
　　　　答：将两个接触器的常闭触点分别串联到对方的线圈回路中，即可得到互锁。它用来防止两个接触器同时得电。
　　　　
　　　　11．这是采用接触器直接起动的电动机单向全电压起动控制线路，请说明其主电路由哪些器件组成？并分析该控制方式的工作原理。
　　　　　　
　　a）主电路　　　　b）控制电路
　　图1 接触器直接起动控制线路
　　　　
　　　　答：如图1所示，主电路由刀开关QS、熔断器FU、接触器KM的主触点、热继电器FR的热元件与电动机M组成。
　　　　控制电路由起动按钮SB2、停止按钮SB1、接触器KM的线圈及其常开辅助触点、热继电器FR的常闭触点和熔断器FU2组成。
　　　　三相电源由QS引入，按下起动按钮SB2，接触器KM的线圈通电，其主触点闭合，电动机直接起动运行。同时与SB2并联的辅助触点KM闭合，将“SB2”短接，其作用是当放开起动按钮SB2后，仍可使KM线圈通电，电动机继续运行。这种依靠接触器自身的辅助触点来使其线圈保持通电的现象称为自锁或自保。带有自锁功能控制线路具有失压保护作用，起自锁作用的辅助触点称为自锁触点。
　　　　按停止按钮SB1，接触器KM的线圈断电，其常开主触点断开，电动机停止转动。同时KM的自锁触点断开，故松手后SB1虽仍闭合，但KM的线圈不能继续得电。
　　　　
　　　　12. 交流异步电动机的定子绕组在脱离电源后，由于机械惯性的作用，转子需要一段时间才能完全停止，而生产中一般都要求机床能迅速停车和准确定位，因此可采用能耗制动控制线路进行电气制动。试分析时间原则控制的单向能耗制动线路。
　　图2 时间原则控制的单向能耗制动
　　　　答：能耗制动是在按停止按钮切断电动机三相电源的同时，定子绕组接通直流电源，产生静止磁场，利用转子感应电流与静止磁场的作用，产生电磁制动转矩而制动。
　　　　如图2所示，是按能耗制动时间控制原则用时间继电器进行控制的单向能耗制动控制线路。停车时，按下复合停止按钮SB1，接触器KM1断电释放，电动机脱离三相电源，接触器KM2和时间继电器KT同时通电吸合并自锁，KM2主触点闭合，将直流电源接入定子绕组，电动机进入能耗制动状态。当转子转速接近零时，时间继电器延时断开常闭触点动作，KM2线圈断电释放，断开能耗制动直流电源。常开辅助触点KM2复位，断开KT线圈电路，电动机能耗制动结束。

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