2007年注评《机电设备评估基础》考试大纲

　　4.数控机床的组成

　　数控机床由CNC系统和机床主机及辅助装置组成。

　　CNC系统由程序、输入输出设备、CNC装置及主轴、进给控制单元组成。零件加工程序是CNC系统的重要组成部分。输入输出设备主要用于零件加工程序的编制、存储、打印、显示等。不同档次的CNC系统其输入输出设备的复杂程度也不一样。CNC装置是CNC系统的核心部件，它由计算机（包括硬件和软件）、可编程序控制器（PLC）和接口电路组成。

　　主轴控制单元与交、直流主轴电动机及其进给检测元件组成主轴驱动装置，用于控制主轴的旋转运动，实现在宽范围内速度连续可调，并在每种速度下都能提供切削所需要的功率。

　　速度控制单元与进给伺服电动机（功率步进电动机或交、直流伺服电动机）及其检测元件组成进给驱动装置，用于控制机床各坐标轴的切削进给运动，提供切削过程中所需要的扭矩，并可以任意调节运动速度。再配以位置控制系统，可实现对工作台（或刀具）位置的精确控制，这就是进给伺服驱动系统。

　　为了满足数控机床高自动化、高效率、高精度、高速度、高可靠性的要求，与普通机床相比，数控机床主机的机械结构需满足高刚度和高抗振性、小的机床热变形等要求，为此在结构设计及材料选用上采取一系列措施；此外，在数控机床中多采用高效率、无间隙、低摩擦传动，并采用高性能，宽调速范围交、直流伺服电动机和主轴电动机，以尽量简化机械传动结构。

　　辅助装置是保证数控机床功能充分发挥所需要的配套部件，包括：电器、液压、气动元件及系统，冷却、排屑、防护、润滑、照明、储运等一系列装置，交换工作台，数控转台，数控分度头，刀具及其监控检测装置等。

　　5.数控机床的分类

　　数控机床可以从不同的角度对其分类：

　　按照能够控制刀具与工件相对运动的轨迹可以把数控机床分为点位控制数控机床和轮廓控制数控机床。点位控制数控机床只控制工作台（或刀具）从一点精确地移动到另一点，移动过程中不进行加工。采用这种控制方案的有数控钻床、数控镗床、数控冲床等。轮廓控制数控机床不仅控制工作台（或刀具）的起点和终点坐标，而且还要控制轨迹上每点的速度和位置，因而能够加工曲线（或曲面）。数控车床、数控铣床、数控磨床、数控电加工机床、加工中心等都采用这种控制方案。

　　按照伺服系统的控制方式可以把数控机床分为开环控制数控机床、闭环控制数控机床和半闭环控制数控机床。开环控制方式与闭环、半闭环控制方式的区别是明显的。闭环和半闭环控制方式都为反馈控制系统，都包括位置、速度控制单元，都采用交、直流伺服电动机作为执行元件，都有位置、速度检测器，速度检测器都可以安装在电动机的轴端。区别是：闭环控制其位置检测器安装在机床工作台上，环内包括丝杠螺母副、工作台等传动部件，设计、调试难度大，但控制精度高。而半闭环控制其位置检测器安装在电动机轴端或丝杠的轴端，一般位置测量和速度测量用一个检测器。由于环中包括的传动部件少，设计、调试难度小，但控制精度不如闭环的高。

　　按照加工方式可以把数控机床分为金属切削类、金属成型类、特种加工类和其他类等数控机床。

　　数控机床还可以按其功能水平分高、中、低三档。

　　6.数控机床再生改造应该考虑的问题

　　数控机床再生改造通常应该考虑以下问题：

　　（1）正确估计被改造数控机床的剩余价值。在对旧数控机床进行改造时，必须仔细分析这台数控机床哪些部分还可利用，哪些必须更新。一般要求可利用的剩余价值不应低于总价值的1／3.一般来说，旧数控机床中剩余价值较大的是机械部分及配套附件，数控系统往往都需要更新。

　　（2）对是否值得改造做出判断。设备技术改造力求投资少，一般不应超过同类新设备购置费用的40%～60%.

　　（3）对旧数控机床进行再生改造时，应避免只搞局部改造，而应做全面配套改造。

　　（4）再生改造要与企业的实际生产状况相适应。设备改造的宗旨是以有限的投入创造出较大的经济效益，因此不一定要把设备改造成一流水平。

　　7.CNC装置所具有的功能

　　CNC装置的基本功能包括控制功能、准备功能、插补功能、进给功能、主轴功能、辅助功能、刀具功能、字符显示功能及诊断功能等；还有一些功能属于CNC装置的选择功能，如补偿功能、固定循环功能、图形显示功能、通信功能、在线自动编程功能等。

　　8.单微处理器结构和多微处理器结构CNC装置的结构、特点及区别

　　CNC装置的硬件有单微处理器和多微处理器结构两种结构形式。

　　单微处理器结构CNC装置采用以总线为中心的计算机结构，微处理器通过总线与存储器、PLC、位置控制器及各种接口相连。CNC装置的接口包括与机床侧的信号输入输出接口、与上位计算机的通信接口及与标准输入输出设备的接口。

　　单微处理器CNC装置只有一个微处理器。有的CNC装置虽然有两个或两个以上微处理器，但只有一个微处理器能够控制总线，占有总线资源，其他微处理器不能控制系统总线，不能访问主存储器，只作为智能部件工作，这种CNC装置也属于单微处理器结构。由于只有一个微处理器，因此多采用集中控制、分时处理的方式完成数控的各项功能。由于所有数控功能由一个微处理器完成，因此CNC装置的功能将受微处理器的字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的限制。CNC装置的档次主要由微处理器的品质决定。

　　按印刷电路板插接方式的不同单微处理器结构CNC装置分为大板结构和模块化结构。

　　多微处理器结构CNC装置都采用模块化结构，有多个微处理器，每个微处理器分管各自的任务，形成特定的功能单元，即功能模块。基本功能模块包括CNC管理模块、CNC插补模块、位置控制模块、存储器模块、PLC模块和指令、数据的输人输出及显示模块。进一步扩展功能，可增加相应模块。多微处理器结构CNC装置各模块之间的互连和通信除了采用共享总线结构外，还采用共享存储器结构。多微处理器结构CNC装置采用积木方式组成CNC装置，具有良好的适应性和扩展性。插件模块更换方便，可使故障对系统的影响降到最低。运算速度高，更适合多轴控制、高进给速度、高精度、高效率的数控要求。

　　单微处理器结构和多微处理器结构CNC装置的区别归纳如下：

　　（1）单微处理器结构CNC装置只有一个微处理器能够控制总线，占有总线资源，而多微处理器结构CNC装置有多个微处理器。

　　（2）单微处理器结构CNC装置采用以总线为中心的计算机结构，而多微处理器结构CNC装置各模块之间的互连和通信除了采用共享总线结构外，还采用共享存储器结构。

　　（3）单微处理器结构CNC装置有大板和模块两种结构形式，而多微处理器结构CNC装置都采用模块化结构形式。

　　（4）单微处理器结构CNC装置的功能受微处理器的字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的限制，用于控制功能不十分复杂的数控机床中。多微处理器结构CNC装置适合多轴控制、高进给速度、高精度、高效率的数控机床。

　　（5）与单微处理器结构CNC装置相比，多微处理器结构CNC装置具有更好的适应性和扩展性。使故障对系统的影响更低。

　　9.开放式CNC装置的组成方式

　　CNC装置的开放化是制造业最终用户、机床生产厂家以及CNC生产厂家共同的需求。开放化具体体现在：系统组成内部的开放化，亦即系统内部硬、软的公开化；系统组成各部分之间的开放化，即使各组成部分（如CNC、伺服驱动、主轴驱动等）之间的接口标准化。其组成方式一般有：

　　（1）PC连接型CNC，是一种将现有CNC与PC通过串行通信连接起来的一种形式。

　　（2）PC内藏型CNC，即在CNC内部加装PC，PC与CNC之间通过专用总线连接。

　　（3）CNC内藏型PC，即在通用PC的扩展槽中插入专用CNC，专用CNC具有包括加工轨迹生成等几乎所有的CNC处理功能。

　　（4）全软件型NC，即CNC的全部功能都由PC完成，并通过装在PC扩展槽中的接口卡进行伺服驱动控制。

　　10.CNC装置的控制流程及CNC软件的特点

　　CNC装置需要执行两种控制，即数字控制和顺序控制（或称辅助控制）。因此，CNC软件要处理两种信息，即辅助控制信息和数字控制信息。各种控制指令、参数及加工数据通过输入设备送入CNC装置的存储器中，加工时从存储器中调出零件加工程序，按程序段进行译码，将零件加工程序转变为CNC装置能够接受的代码。译码后分成两路；一路是辅助控制信息，包括辅助功能M、主轴转速功能S和刀具功能T，该路信息通过PLC处理并输出；另一路是数字控制信息，通过预处理（刀具补偿处理和速度处理）后，进行插补计算、位置控制，控制伺服系统实现坐标轴的协同移动。

　　CNC软件的特点是多任务并行处理：CNC系统软件需要完成多项任务，包括输入、I／O处理、显示、诊断等管理任务和译码、刀具补偿、速度处理、插补、位置控制等控制任务。在许多情况下CNC装置中的管理和控制的某些任务必须同时执行，即所谓的并行处理。

　　11.PLC的组成、技术指标

　　可编程序控制器PLC实质上是一种专用工业控制计算机，其组成包括硬件和软件两大部分。其硬件包括基本组成部分、I／0扩展部分和外部设备三大部分。基本部分包括CPU及存储器、输入输出接口、电源等；I／O扩展部分是为系统扩展输入输出点数而设计的；外部设备是开发PLC控制系统（设计、调试应用程序）的辅助设备，主要有编程器、EPROM写入器、磁带机、打印机、监视器等。PLC软件包括系统软件和应用软件。系统软件由PLC生产厂家编制，一般固化在ROM中，随机提供给用户。应用软件由用户根据控制需要编写，可存储在带锂电池保护的RAM中、EPROM模块（盒）中或盒式磁带中。PLC机插入装有用户程序的EPROM模块，则执行EPROM模块中的程序，没有EPROM模块插入，则执行RAM中的程序。

　　PLC的主要技术指标包括存储容量、扫描速度、I／O点数、编程语言等。

　　12.PLC的特点

　　PLC的特点有控制程序可变，具有良好的柔性；采用面向过程的语言编程，编程方便；功能完善；扩展方便，配置灵活；系统构成简单，安装调试方便；可靠性高等。正因为它具有上述特点才在数控机床及机械制造中得到广泛应用。

　　13.应用于数控机床中的两种PLC的型式、特点、区别

　　可编程序控制器应用于数控机床中有两种型式，即内装型和独立型。

　　内装型PLC的特点是：

　　（1）它的性能指标由所属的CNC装置的性能规格确定。其硬件和软件被作为CNC装置的基本功能统一设计，具有结构紧凑、适配性强等优点。

　　（2）它有与CNC共用微处理器和具有专用微处理器两种类型。前者利用CNC微处理器的余力来完成PLC的功能，I／O点数较少；后者由于有独立的微处理器，多用于顺序程序复杂及动作速度要求快的场合。

　　（3）它与CNC其他电路同装在一个机箱内，共用一个电源和地线。

　　（4）它的硬件电路可与CNC其他电路制作在同一块印刷电路板上，也可以单独制成一块附加印刷电路板。

　　（5）它对外没有单独配置的I／O接口电路，而是使用CNC装置本身的I／O接口电路。

　　（6）采用内装型PLC，扩大了CNC内部直接处理的窗口通信功能，可以采用梯形图编辑和传送高级控制功能，且造价低，提高了CNC的性能／价格比。

　　独立型PLC的特点是：

　　①可根据数控机床对控制功能的要求灵活选购或自行开发。

　　②有自己的I／O接口电路，PLC与CNC装置、PLC与机床侧的连接都通过I／0接口电路连接。PLC本身采用模块化结构，装在插板式笼箱内，I／O点数可通过I／0模块或插板的增减灵活配置。

　　③可以扩大CNC的控制功能，可以形成两个以上的附加轴控制。

　　④在性能／价格比上不如内装型PLC.

　　由内装型和独立型PLC的特点不难看出它们之间的区别：

　　①内装型PLC其硬件和软件被作为CNC装置的基本功能统一设计，其性能指标由所属的CNC装置的性能，规格确定。而独立型PLC是根据数控机床对控制功能要求进行灵活选购或自行开发的单独的PLC机。

　　②内装型PLC可以与CNC共用一个微处理器，而独立型PLC不与CNC共用一个微处理器。

　　③内装型PLC与CNC其他电路同装在一个机箱内，共用一个电源和地线。而独立型PLC本身采用模块化结构，单独装在插板式笼箱内，I／O点数可通过I／0模块或插板的增减灵活配置。

　　④内装型PLC对外没有单独配置的I／O接口电路，而是使用CNC装置本身的I／0接口电路。而独立型PLC有自己的l／0接口电路，PLC与CNC装置、PLC与机床侧的连接都通过l／O接口电路连接。

　　⑤独立型PLC可以扩展CNC的控制功能，可以形成两个以上的附加轴控制。而内装型PLC则不可以。

　　⑥在性能／价格比上，内装型PLC高于独立型。

　　14.PLC在工业控制中的应用

　　PLC广泛应用于工业控制中，可以应用PLC进行顺序控制和开关逻辑控制、闭环过程控制、组合数字控制，可以组成多级控制系统及控制机器人等，PLC也可以用于位置控制中。

　　15.伺服系统的分类以及数控机床对伺服系统的要求

　　按照控制对象和使用目的的不同，数控机床伺服系统可分为进给伺服系统、主轴伺服系统和辅助伺服系统。按照伺服系统调节理论，数控机床的进给伺服系统可分为开环、闭环和半闭环伺服系统；按驱动部件的动作原理又可将其分为电液控制系统和电气控制系统。电气控制系统又有步进电动机驱动系统、直流伺服电动机驱动系统和交流伺服电动机驱动系统。按照反馈控制方式，数控机床进给伺服系统有脉冲比较、相位比较、幅值比较和全数字等伺服系统等。

　　数控机床的进给伺服驱动系统应该满足高精度、快速响应、调速范围宽、低速大转矩、可靠性高等要求。数控机床的主轴驱动系统不仅应该具有宽的调速范围，而且能在尽可能宽的调速范围内保持恒功率输出。另外，为了满足不同数控机床的加工要求，主轴驱动系统还应该满足一些特殊要求。例如，为了能在数控车床上加工螺纹要求主轴驱动与进给驱动实行同步控制；为了保证端面加工的表面粗糙度，要求数控车床、数控磨床等机床的主轴驱动具有恒线速切削功能；加工中心的主轴驱动系统应具有高精度的主轴停位控制功能，以便进行自动换刀；有的数控机床还要求主轴驱动系统具有角度控制功能。

　　16.步进电动机的工作原理及特点

　　步进电动机是一种同步电动机，定子磁场在空间旋转时，转子跟随定子磁场同步旋转。定子磁场的激磁磁势为脉冲式，使磁场以一定频率步进式旋转，转子也就一步一步旋转。可见，步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移（或直线位移）的执行元件。给步进电动机供电的电源是脉冲电源，而不是直流电源或正弦交流电源。步进电动机的特点是：

　　（1）步进电动机转子的转速主要取决于脉冲的频率，转子总的角位移取决于总的脉冲数，转子的转向取决于分配脉冲的相序。其步距值不受各种干扰因素的影响。

　　（2）步进电动机每走一步所转过的角度（实际步距值）与理论步距值之间总有一定的误差。从某一步到任何一步，即走任意步数后，也总会有一定的累积误差，但每转一圈的累积误差为零，亦即步距溪差不长期积累。

　　（3）步进电动机带负载的能力比较差。

　　17.步进电动机的主要性能指标

　　步进电动机的主要性能指标有：

　　（1）步距精度。我国生产的步进电动机的步距精度一般在±10～±30分的范围，有些可达±2～±5分。

　　（2）最大静转矩。用以衡量步进电动机带负载的能力。

　　（3）起动频率。是使步进电动机能够由静止定位状态不失步地起动，并进入正常运行的控制脉冲最高频率。在电动机空载情况下，称为空载起动频率。在有负载情况下，不失步起动所允许的最高频率将大大降低。

　　（4）连续运行频率。步进电动机起动后，其转速将跟随控制脉冲频率连续上升而不失步的控制脉冲的最高频率称为连续运行频率的最高工作频率。步进电动机的连续运行频率随负载的增大而下降，但步进电动机连续运行频率远高于其起动频率。

　　18.常用的反应式、永磁感应子式步进电动机的主要区别

　　永磁感应子式步迸电动机的定子结构与反应式步进电动机的定子结构基本相同，也分成若干个极，极上有齿和控制线圈。但永磁感应子式步进电动机的转子由两段铁心和位于中部的环形磁钢组成。由于磁路内含有永久磁钢，故当定子绕组断电后仍具有一定的定位转矩。

　　19.步进电动机的转数和转速的计算

　　步进电动机的步距角用下式计算：

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