数控机床电气控制课程习题分析与详解（三） 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b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b和cd交换了位置。因此，导体 b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”。 换向片
数控机床电气控制课程习题分析与详解（三） 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。 、交 交 交流 直流 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
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，为了避免刀尖划伤己加工表面，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
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