习题答案
第一章 机床控制线路的基本环节
1. 答：低压电器是机床控制线路的基本组成元件。
它可以分为以下几大类；开关电器，主令电器，熔断器，接触器，继电器，控制变压器，直流稳压电源。
常用的低压电器有：刀开关，组合开关，低压断路器，按制按钮，行程开关，万能转换开关，脚踏开关，熔断器，接触器，电磁式继电器，时间继电器，热继电器，速度继电器，控制变压器，直流稳压电源。
2．答：低压断路器俗称为自动空气开关，是将控制和保护的功能合为一体的电器。它常作为不频繁接通和断开电路的总电源开关或部分电路的电源开关，当发生过载、短路或欠电压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，并且在分断故障电流后一般不需要更换零部件。因此，低压断路器在数控机床上使用越来越广泛。
3．答：虽然继电器与接触器都是用来自动接通或断开电路，但是它们仍有很多不同之处。继电器可以对各种电量或非电量的变化作出反应，而接触器只有在一定的电压信号下动作；继电器用于切换小电流的控制电路，而接触器是一种用来频繁地接通或分断带有负载的主电路（如电动机）的自动控制电器。因此继电器触点容量较小（不大于5A ）。在控制功率较小时（不大于5A ）可用中间继电器来代替接触器起动电动机。
4．答：热继电器由于其热惯性，当电路短路时不能立即动作切断电路，不能用作短路保护，熔断器不具备热惯性所以只能作电动机的短路保护而不能作长期过载保护；另外，热继电器与熔断器的额定电流选择不同，因此，热继电器只能作为过载保护，熔断器只能作为短路保护。
5．答：短路保护：瞬时大电流保护，最常用的是利用熔断器进行短路保护。 过电流保护：当电流超过其整定值时才动作，整定范围通常为1.1--4倍额定电流。最常用的是利用过电流继电器进行过电流保护。
长期过载保护：电动机在实际运行中，短时过载是允许的，但如果长期过载或断相运行都可能使电动机的电流超过其额定值，引起电动机发热。绕组温升超过额定温升，将损坏绕组的绝缘，缩短电动机的使用寿命，严重时甚至会烧毁电动机绕组，因此必须采取过载保护措施。最常用的是利用热继电器进行过载保护。
6．答：当电动机正在运行时，如果电源电压因某种原因消失，那么在电源电压恢复时，
电动机就将自行起动，这就可能造成生产设备的损坏，甚至造成人身事故。对电网来说，许多电动机同时自行起动会引起太大的过电流及电压降。防止电压恢复时电动机自行起动的保护叫零压保护。
在电动机运转时，电源电压过分地降低会引起电动机转速下降甚至停转。同时，在负载转矩一定时，电流就会增加。此外由于电压的降低将会引起一些电器的释放，造成控制电路不正常工作，可能产生事故。因此需要在电压下降到最小允许电压值时将电动机电源切除，这就叫欠电压保护。
7．答：如图所示长动控制线路。它的工作原理如下：接通
电源开关QS ，按下起动按钮SB2时，接触器KM 吸合，主电路接
通，电动机M 起动运行。同时并联在起动按钮SB2两端的接触
器辅助常开触点也闭合，故即使松开按钮SB2，控制电路也不会
断电，电动机仍能继续运行。按下停止按钮SBl 时，KM 线圈断
电，接触器所有触点断开，切断主电路，电动机停转。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。 许多生产机械需要正、反两个方向的运动，例如机床工作台的前进与后退，主轴的正转与反转，起重机吊钩的上升与下降等，要求电动机可以正、反转。只需将接至交流电动机的三相电源进线中任意两相对调，即可实现反转。这可由两个接触器KM1、KM2控制。必须指出的是KM1和KM2的主触点决不允许同时接通，否则将造成电源短路的事故。因此在正转接触器的线圈KM1通电时，不允许反转接触器的线圈KM2通电。同样在线圈KM2通电时，也不允许线圈KM1通电，这就是互锁保护。
8．
FU1
FR1KM1
SA
KM1
M1
9.
FR1
M1M2
10．答：电气控制系统中常用的保护环节有过载保护、短路保护、零电压与
欠电压保护以及弱磁保护等。
常用的短路保护元件有熔断器和断路器。
常用的过载保护元件有热继电器(或断路器)
过电流保护元件是过电流继电器。
常用的零电压与欠电压保护元件是电压继电器。
第二章 典型普通机床电器控制线路的分析
1．答：首先详细阅读了设备说明书，了解了电气控制系统的总体结构、电动机和电器元件的分布状况及控制要求等内容后，便可以阅读分析电气原理图了。
(1)分析主电路 从主电路人手，根据每台电动机和执行电器的控制要求去分析它们的控制内容。控制内容包括起动、转向控制、调速和制动等。
(2)分析控制电路 根据主电路中各电动机和执行电器的控制要求，逐一找出控制电路中的控制环节，利用前面学过的典型控制环节的知识，按功能不同将控制线路“化整为零”来进行分析。
(3)分析辅助电路 辅助电路包括电源指示、各执行元件的工作状态显示、参数测定、照明和故障报警等部分，它们大多由控制电路中的元器件来控制的，所以在分析辅助电路时，要对照控制电路进行分析。
(4)分析联锁及保护环节 机床对于安全性及可靠性有很高的要求，为实现这些要求，除了合理地选择拖动和控制方案外，在控制线路中还设置了一系列电气保护和必要的电气联锁。
(5)总体检查 经过“化整为零”，逐步分析了每一局部电路的工作原理以及各部分之间的控制关系后，还必须用“集零为整”的方法，检查整个控制线路，以免遗漏。特别要从整体角度去进一步检查和理解各控制环节之间的联系，清晰地理解原理图中每一个电器元件的作用、工作过程及主要参数。
2．答：按下反向起动按钮SB4→KM3线圈通电→KM3主触点闭合→短接限流电阻R ，另有一个常开辅助触点KM3（5—15，此号表示触点两端的线号）闭合→KA 线圈通电→KA 常开触点（5—10）闭合→KM3线圈自锁保持通电→把电阻R 切除，同时KA 线圈也保持通电。另一方面，当SB4尚未松开时，由于KA 的另一常开触点（12－13）已闭合→KM2线圈通电→KM2主触点闭合→KA 的另一常开触点(5－10) 也闭合(自锁) →主电动机M1全压反向起动运行。这样，当松开SB4后，由于KA 的二个常开触点闭合，其中KA(5—10) 闭合使KM3线圈继续通电，也使KM2线圈继续通电，故可形成自锁通路。
3．答：假设原来主电动机M1反转运行，则KS-2(11—6) 闭合，而反向常开触点KS-1(13--11)依然断开。当按下正向总停按钮SB1(4－5) 后，原来通电的KM2、KM3、KT 和KA 就随即断电，它们的所有触点均被释放而复位。然而当SB1松开后，正转接触器KM1立即通电，电流通路是：
4(线号) →SB1常闭触点(4—5) →KA 常闭触点(5—11) ---KS反向常开触点KS →2(11—6) →KM2常闭触点(6—7) →KM1线圈(3—8) →FR1常闭触点(8—3) →3(线
号) 。
这样，主电动机M1就串联电阻R 进行反接制动，反向速度很快降下来，当速度降到很低时(n≤100r ／min) ，KS 的反向常开触点KS-2(11—6) 断开复位，从而切断了上述电流通路。至此，反向反接制动就结束了。
4．答：为适应加工的需要，主轴转速与进给速度应有较宽的调节范围。X62W 铣床是采用机械变速的方法，改变变速箱传动比来实现的。为保证变速时齿轮易于啮合，减小齿轮端面的冲击，要求变速时有电动机冲动(短时转动) 控制。
铣床的变速既可以在停车时进行，也可以在运行时进行，在上变速操作中，就在将手柄拉到第二道槽或从第二道槽推回原位的瞬间，通过变速手柄联接的凸轮，将压下弹簧杆一次，而弹簧杆将碰撞主轴变速冲动开关SQ7（3—7、3—8）使其动作，即SQ7-2分断，SQ7-1闭合，接触器KM2线圈短时通电，电动机M1串入电阻R 低速冲动一次。这样，若原来主轴旋转着，当将变速手柄拉到第二道槽时，主电动M1被反接制动速度迅速下降。当选好速度，将手柄推回原位时，冲动开关又动作一次，主电动机M1低速反转，有利于变速后的齿轮啮合。由此可见，可进行不停车直接变速。若原来处于停车状态，则不难想到，在主轴变速操作中SQ7第一次动作时，M1反转一下，SQ7第二次动作时，M1又反转一下，故也可停车变速。当然，若要求主轴在新的速度下运行，则需重新起动主电动机。
5．答：在使用圆工作台时，工作台纵向及十字操作手柄都应置于中间停止位置，且要将圆工作台转换开关SA1置于圆工作台“接通”位置。当按下主轴起动按钮SB1或SB2，主电动机M1便起动，而进给电动机M2也因KM4线圈的通电而旋转，由于圆工作台的机械传动链已接上，故也跟着旋转。这时，KM4的通电电流通路为：
13（线号）→SQ6-2（13—14）→SQ4-2（14—15）→SQ3-2（15—16）→SQ1-2（16—
22）→SQ2-2（22—21）→SA1-2（21—17）→KM5常闭互锁触点（17—19）→KM4线圈（19—20）→20（线号）
显见，此时电动机M2正转并带动圆工作台单向旋转。由于圆工作台的控制电路中串联了SQ1～SQ4的常闭触点，所以扳动工作台任一方向的进给手柄，都将使圆工作台停止转动，这就起到圆工作台转动与普通工作台三个方向移动的联锁保护。
6．答：此时SA1置于使用普通工作台位置，十字手柄必须置于中间零位。若要工作台向左进给，则将纵向操纵手柄扳向左，使得SQ2受压，KM5线圈通电，M2反转，工作台向左进给。KM5的电流通路为：
13（线号）→SQ6-2（13—14）→SQ4-2（14—15）→SQ3-2（15—16）→SA1-1（16—
18）→SQ2-1（18—23）→KM4常闭互锁触点（23—24）→KM5线圈（24—20）→20（线号）
第三章 机床电气控制系统的设计
1．答： 在设计过程中应遵循以下几个原则。
1) 最大限度满足机床和工艺对电气控制的要求。
2) 在满足控制要求的前提下，设计方案应力求简单、经济和实用，不宜盲目追求自动化和高性能指标。
3) 妥善处理机械与电气的关系。很多生产机械是采用机电结合控制方式来实现控制要求的，要从工艺要求、制造成本、机械电气结构的复杂性和使用维护等方面协调处理好二者的关系。
4) 把电气系统的安全性和可靠性放在首位，确保使用安全、可靠。
5) 合理地选用电器元件。
机床电气控制系统设计包含原理设计与工艺设计两个部分。
2．答：确定电力拖动方案的原则如下：
电力拖动方案选择是电气设计主要内容之一，也是以后各部分设计内容的基础和先决条件。首先根据机床工艺要求及结构确定电动机的数量，然后根据机床运动机构要求的调速范围来选择调速方案。在选择电动机调速方案时，应使电动机的调速特性与负载特性相适应，以便使电动机得到充分合理的利用。
3．答：设计机床电气控制线路时应注意以下问题：
（1） 合理选择控制线路电流种类与控制电压数值
（2）正确选择电器元件
（3）合理布线，力求使控制线路简单、经济
1）合并同类触点
2）利用转换触点的方式 利用具有转换触点的中间继电器将两对触点合并成一对触点。
3）尽量缩短连接导线的数量和长度
4）正常工作中，尽可能减少通电电器的数量，以利节能，延长电器元件寿命及减少故障。
（4）保证电气控制线路工作的可靠性
1）电器元件触点位置的正确画法，在控制线路设计时，应使分布在线路不同位置的同一电器触点尽量接到同一个极或尽量共接同一电位点，以避免在电器触点上引起短路。
2）电器元件线圈位置的正确画法
3）防止出现寄生电路 在电气控制线路的动作过程中，发生意外接通的电路称为寄生电路。寄生电路将破坏电器元件和控制线路的工作顺序或造成误动作。
4）防止出现“竞争”与“冒险”。复杂控制电路中，在某一控制信号作用下，电路从一个稳定状态转换到另一个稳定状态，常常会引起几个电器的状态变化。考虑到电器元件有一定的动作时间，对一个时序电路来说，就会得到几个不同的输出状态，这种现象称为电路的“竞争”。由于电器元件的释放延时作用，开关电路中的开关元件可能不按要求的逻辑功能输出，这种现象称为“冒险”。
5）在频繁操作的可逆线路中，正反向接触器之间要有电气联锁和机械联锁。
6）在设计电器控制线路时，应充分考虑继电器触点的接通和分断能力。若要增加接通能力，可用多触点并联；若要增加分断能力，可用多触点串联。
（5）保证电气线路工作的安全性
电气控制线路应具有完善的保护环节，保证整个生产机械的安全运行，消除在其工作不正常或误操作时所带来的不利影响，避免事故发生。在电气控制线路中常设的保护环节有短路、过流、过载、失压、弱磁、超速和极限保护等。
4．答：工艺设计主要内容是：
1) 根据电气原理图及选定的电器元件，绘制电气设备总装接线图。
2) 设计并绘制电器元件布置图。
3) 设计并绘制电器元件的接线图。
4) 设计并绘制电气箱及非标准零件图。
5) 列出所用各类元器件及材料清单。
6) 编写设计说明书和使用维护说明书。
5．答：设计及使用说明书应包含以下主要内容。
1）拖动方案选择的依据及本设计的主要特点。
2）主要参数的计算过程。
3）设计任务书中各项技术指标的核算与评价。
4）设备调试要求及调试方法。
5）使用、维护要求及注意事项。
6．．
FR2M1M2
7（1）
FR1
M2
M1
（2）
FR1
M2
M1
3）
（4）
KM1
KM2
（
M2
FR1
M1
KT
第四章 可编程序控制器（PLC ）的工作原理
1．答：PLC 的主要特点有： 1）可靠性高，抗干扰能力强； 2）通用性好，组合灵活； 3）编程简单，使用方便； 4）功能完善，适应面广；
5）PLC 控制系统的设计、安装、调试和维护方便； 6）体积小、重量轻、功耗低。 2．答：PLC 的硬件结构包括：
(1)中央处理单元(CPU) 中央处理单元CPU 是PLC 的核心，其主要作用是执行系统控制软件，从输入接口读取各开关状态，根据梯形图程序进行逻辑处理，并将处理结果输出到输出接口。
(2)存储器 PLC的存储器是用来存储数据或程序的。存储器中的程序包括系统程序和应用程序。系统程序用来管理控制系统的运行，解释执行应用程序，存储在只读存储器ROM 中。应用程序即用户程序，一般存放在随机存储器
(3)I/0接口电路 I/0接口是CPU 与现场I/0设备联系的桥梁。
(4)编程器 编程器是用来输入和编辑程序，也可用来监视PLC 运行时各编程元件的工作状态。
(5)电源 电源的作用是把外部供应的电源变换成系统内部各单元所需的电源。 PLC 软件包括：
(1)系统软件 系统软件包括系统管理程序、用户指令解释程序及标准程序模块等。
(2)用户程序 用户程序是用户根据现场控制的需要，用PLC 的编程语言编制的应用程序。
3．答：PLC 的工作方式为扫描工作方式。工作过程大体上可分为读入输入状态、逻辑运算、发出输出信号三步。
(1)输入采样阶段 PLC在输入采样阶段，首先扫描所有的输入端子，将各输入量存人内存中相应的输入映像寄存器。此时输入映像寄存器被刷新。接着进入程序执行阶段或输出阶段，输入映像寄存器与外界隔离，无论信号如何变化，其内容保持不变，直到下一扫描周期的输入采样阶段，才重新写入输入端的新内容。
(2)程序执行阶段 根据PLC 梯形图程序的扫描原则，PLC 按先左后右，先上后下
的顺序逐步扫描。当指令中涉及到输入、输出状态时，PLC 从输入映像寄存器中“读入”上一阶段采样的对应输入端子状态。从输出映像寄存器“读入”对应输出映像寄存器的当前状态。然后进行相应的运算，．运算结果再存人输出映像寄存器中。对于输出映像寄存器来说，其状态会随着程序执行过程而变化。
(3)输出刷新阶段 在所有指令执行完毕后，输出映像寄存器中所有输出继电器的状态(接通/断开) 在输出刷新阶段存到输出锁存器中，通过一定方式输出，驱动外部负载。
4．答：由于扫描是周而复始无限循环的，每扫描一个循环所用的时间，即从读入输入状态到发出输出信号所用的时间称为扫描周期。
PLC 的扫描周期与PLC 的时钟频率、用户程序的长短及系统配置有关。
5．答：PLC 中常用的编程语言有梯形图、语句表、顺序功能图、功能块图等。在梯形图中有一个假想的电流，即所谓“能流”从左流向右。例如，当梯形图中线圈前的触点均闭合，就有一假想的能流从左向有流向线圈，即该线圈被通电，或者说被激励。
6．答：PLC 的梯形图与继电器控制系统相比，它们的相同之处是：电路的结构大致相同；梯形图沿用了继电器控制电路元件符号（仅个别处有些不同）；信号的输入、输出形式及控制功能相同。它们的差别主要是：
（1）组成器件 继电器控制线路是许多真正的硬件继电器组成；而梯形图则由许多所谓“软继电器”组成。
(2)触点数量 硬继电器的触点数量有限；而梯形图中每个“软继电器”供编程使用的触点数有无限对。
(3)实施控制的方法 在继电器控制线路中，要实现某种控制是通过各种继电器之间硬接线解决的，因此它的功能专一，不灵活；而PLC 控制是通过梯形图即软件编程解决的，所以灵活多变。
(4)工作方式 在继电器控制线路中，工作方式为并行工作方式；而在梯形图的控制线路中，工作方式为串行工作方式。
(5)控制速度 继电器控制系统依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，；而PLC 是由程序指令控制来实现控制的，速度快。
7．答：在数控机床中，除了对各坐标轴的位置进行连续控制外，还需要对主轴正/反转、刀架换刀、卡盘夹紧/松开、切削液开/关、排屑等动作进行控制。现代数控机床均采用PLC 来完成上述功能。
8．答：内装型PLC 有以下特点。
1) 在系统的结构上，内装型PLC 可与CNC 共用CPU ，也可单独使用一个CPU ；内
装型PLC 一般单独制成一块附加板，插装到CNC 主板插座上，不单独配备I/O接口，而使用CNC 装置本身的I/0接口；PLC 所用电源由CNC 装置提供，不需另备电源。
2) 内装型PLC 实际上是CNC 装置带有的PLC 功能，一般是作为一种基本的功能提供给用户。内装型PLC 的性能指标是根据所从属的CNC 系统的规格、性能、适用机床的类型等确定的，其硬件和软件部分是被作为CNC 系统的基本功能或附加功能与CNC 系统统一设计制造的。
3）采用内装型PLC 结构，扩大了CNC 系统内部直接处理数据的能力。
独立型PLC 有以下特点。
l ）独立型PLC 不但要进行MT 侧的I/O连接，还要进行CNC 装置侧的I/O连接，因此CNC 和PLC 均具有自己的输入/输出接口电路。
2）独立型PLC 的基本功能结构与前所述的通用型PLC 完全相同。
3）数控机床应用的独立型PLC 一般采用中型或大型PLC ，所以多采用积木式模块化结构，具有安装方便、功能易于扩展和变换等优点。
4）独立型PLC 的I/O点数可以通过I/O模块的增减灵活配置。有的独立型PLC 还可通过多个远程终端连接器构成有大量I/O点的网络，以实现大范围的集中控制。 独立型PLC 的造价较高，所以其性能价格比不如内装型PLC 。一般内装型PLC 多用于单微处理器的CNC 系统，而独立型PLC 主要用于多微处理器的CNC 系统，但它们的作用是一样的，都是配合CNC 系统实现刀具轨迹控制和机床顺序控制。
第五章 PLC的指令系统
1．答：S7-200 PLC由基本单元（S7-200CPU 模块）、个人计算机（PC ）或编程器、STEP7-Micro/WIN32编程软件以及通信电缆等构成。
2. 答：S7-200系列PLC 共有三种类型定时器。
(1)通电延时定时器TON
该定时器用于通电后单一时间间隔的定时。输入端IN 接通时，定时器位变为0，当前值从0开始计时。当前值达到PT 端的设定值时，定时器位变为1，定时器常开触点闭合，常闭触点断开。当输入端IN 断开，定时器复位，当前值变为0，定时器位变为0。
(2)断电延时定时器TOF
该定时器用于断电后单一时间间隔的定时。输入端IN 接通时，定时器位变为1，当前值为0。当输入端IN 由接通到断开时，定时器开始定时，当前值达到PT 端的设定值时，定时器位变为0，常开触点断开，常闭触点闭合，停止计时。
(3)保持型通电延时定时器TONR
该定时器用于多个时间间隔的累计定时。上电或首次扫描时，定时器位为0，当前值保持在掉电前的值。输入端IN 接通时，当前值从上次的保持值开始继续计
时，当累计当前值等于或大于PT 端的设定值时，定时器位变为1，当前值可继续计数到32767。输入端IN 断开时，定时器的当前值保持不变，定时器位不变。TONR 指令只能用复位指令R 使定时器的当前值为0，定时器位为0。
3．答：S7-200系列PLC 共有三种类型的计数器。
（1）增计数器CTU ，当复位输入端R 为0时，计数器计数有效；当增计数输入端CU 有上升沿输入时，计数值加1，计数器作递增计数，当计数器当前值等于或大于设定值PV 时，该计数器位为1，计数至最大值32767时停止计数。复位输入端R 为1时，计数器被复位，计数器位为0，并且当前值被清零。
（2）减计数器CTD ，当装载输入端LD 为1时，计数器位为0，并把设定值PV 装入当前值寄存器中。当装载输入端LD 为0时，计数器计数有效；当减计数输入端CD 有上升沿输入时，计数器从设定值开始作递减计数，直至计数器当前值等于0时，停止计数，同时计数器位被置位。
（3）增/减计数器CTUD ，当复位输入端R 为0时，计数器计数有效；当增计数输入端CU 有上升沿输入时，计数器作递增计数；当减计数输入端CD 有上升沿输入时．，
计数器作递减计数。当计数器当前值等于或大于设定值PV 时，该计数器位为1。当复位输入端R 为1时，计数器当前值为0，计数器位为0，
4．语句表： LD I0.0 AN I0.1 LD I0.2 A I0.3 ON I0.4 A I0.5 O I0.6 LDN I0.7 O I1.0 ALD =Q0.0 A I1.1 =Q0.1 A I1.2 =Q0.2 5．答：
6．答：
7．答：I0.0接通，5s 后，C48计数一次，第二次扫描，T37不工作，第三次扫描，T37开始工作，5s 后，C48又计数一次，依次循环，当C48计数40次时，I0.1用于C48复位。
8．答：
9．答：
10．答：
11．答：
12．答：
输入点：I0.1（正转），I0.2（反转） 输出点：Q0.0（正转），Q0.1（反转）
第六章 PLC控制系统的设计与应用
1．答：PLC 控制系统的设计原则是在最大限度地满足被控对象控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、安全可靠，并考虑到今后生产的发展和工艺的改进，在选择PLC 机型时，应适当留有余地。
2．答：PLC 控制系统设计主要内容是：
（1）根据控制对象明确设计任务和要求； （2）选用和确定I ／O 设备； （3）选择PLC 的机型； （4）系统的硬件和软件设计； （5）联机统调。
选用PLC 时应考虑的问题如下： (1)I／O 点数的估算 (2)用户存储器容量的估算 (3)结构、功能的确定 (4)I／0模块的选择 3．答：
输入点：I0.1（起动），I0.0（停止） 输出点：Q0.0（M1），Q0.1（M2），Q0.2（M3）
4．答：
输入点：I0.0（起动），I0.1（SQ1），I0.2（SQ2），I0.3（SQ3）
输出点：Q0.0（右行），Q0.1（左行）
5．答：
输入点：I0.0（手动上升），I0.1（手动下降），I0.2（自动起动） 输出点：Q0.0（上升），Q0.1（下降）
手动程序：
自动程序顺序控制功能图：
6．答：
输入点：I0.0（起动），I0.1（SQ1），I0.2（SQ2），I0.3（SQ3），I0.4（SQ4） 输出点：Q0.0（右行），Q0.1（左行）
第七章 数控系统与伺服驱动系统
1．答：CNC 装置的硬件构成及各部分的作用如下：
(1)微处理器及其总线 它是CNC 装置的核心，由运算器及控制器两大部分组成。运算器对数据进行算术运算和逻辑运算，控制器则是将存储器中的程序指令进行译码并向CNC 装置各部分顺序发出执行操作的控制信号，且接收执行部件的反馈信息，从而决定下一步的命令操作。总线是由物理导线组成的，一般又可分为数据总线，地址总线，控制总线。
(2)存储器 存储器是用来存放CNC 装置的数据、参数和程序的。它又由存放系统程序的只读存储器EPROM 、存放运算的中间结果的随机存储器RAM 以及存放加工零件程序、数据和参数的磁泡存储器或带有后备电池的CMOS RAM组成。
(3)MDI/CRT接口 MDI接口即手动数据输入接口。数据通过操作面板上的键盘输入。CRT 接口是在CNC 软件配合下在显示器上实现字符和图型显示的。
(4)位置控制器它将插补运算后的坐标位置给定值与位置检测器测得的实际位置值进行比较，得到速度控制指令，去控制速度控制单元并驱动进给电机。
(5)纸带阅读机接口 该接口用来接收纸带阅读机传来的加工程序或参数等数据信息。 (6)输入/输出(I/O)接口 CNC装置与机床之间的来往信号通过I/O接口电路来传送。输入接口是接收机床操作面板上的各种开关、按钮以及机床上的各种限位开关等信号。它们对输入信号进行电平转换，变成CNC 装置能够接收的电平信号。输出接口是将CNC 装置发出的控制机床动作的信号送到强电柜以及将各种表示机床工作状态的指示灯信号送到机床操作面板上。
2．答：CNC 系统是一个实时性很强的多任务系统，在它的软件设计中，融合了许多当今计算机软件设计的先进技术。在单CPU 数控系统中，其软件结构常采用前后台型的软件结
构和中断型的软件结构；而在多CPU 数控系统中，通常是各个CPU 分别承担一项任务，然后通过它们之间相互通信、协调工作来完成控制。但无论何种控制方式，CNC 系统的软件结构都具有多任务并行处理和多重实时中断两大特点。
CNC 的系统软件是使CNC 系统完成各项功能而编制的专用软件。不同的CNC 系统，其软件结构与规模各有所不同，但就其共性来说，一个CNC 系统的软件总是由输入、译码、数据处理(预计算) 、插补运算、速度控制、输出控制、管理程序及诊断程序等部分组成。
3．答：数控机床对进给驱动的要求是(1)位置精度要高；(2)稳定性好；(3)速度响应要快；(4) 进给调速范围要宽；(5) 低速大转矩。
对主轴驱动的要求是(1) 主轴输出大功率 ；(2) 调速范围要足够大；（3）控制功能包括主轴与进给驱动的同步控制，准停控制和角度分度控制。
进给驱动是用于数控机床工作台或刀架坐标的控制系统，控制机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程所需的转矩。主轴驱动控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动功率和所需的切削力。一般地，对于进给驱动系统，主要关心它的转矩大小、调节范围的大小和调节精度的高低，以及动态响应速度的快慢。对于主轴驱动系统，主要关心其是否具有足够的功率、宽的恒功率调节范围及速度调节范围。
4． 答：伺服系统有多种分类方法，简述如下：
(1) 按有无检测元件和反馈环节分类 可分为开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统。
(2)按执行元件的类别分类 可分为直流电动机伺服系统、交流电动机伺服驱动系统和步进电动机伺服系统。
(3) 按控制对象和使用目的分类 可分为进给伺服系统、主轴伺服系统。
(4)按反馈比较控制方式分类 可分为脉冲比较伺服驱动系统、相位比较伺服驱动系统、幅值比较伺服驱动系统、全数字伺服驱动系统。
5．答:开环控制机床不带位置检测反馈装置，通常使用功率补进电机或电液脉冲马达作为执行机构，数控装置输出的脉冲通过环形分配器和驱动电路，使步进电机转过相应的步距角。再经过减速齿轮带动丝杠旋转，最后转换为移动部件的直线位移。其反应快，调试方便，比较稳定，维修简单。但系统对移动部件的误差没有补偿和校正，步进电机的步距误差、齿轮与丝杠等的传动链误差都将反映到被加工零件的精度中去，所以精度比较低。
闭环控制机床带有检测反馈装置，位置检测器安装在机床运动部件上，加工中将监测到的实际运行位置值反馈到数控装置中，与输入的指令位置相比较，用差值对移动部件进行控
制，其精度高。从理论上说，闭环系统的控制精度主要取决于检测装置的精度，但这并不意味着可以降低机床的结构与传动链的要求，传动系统的刚性不足及间隙、导轨的爬行等各种因素将增加调试的困难，严重时会使闭环控制系统的品质下降甚至引起振荡。故闭环系统的设计和调整都有较大的难度，此类机床主要用于一些精度要求较高的镗铣床、超精车床和加工中心等。
半闭环控制系统不是直接测量工坐台的位移量，而是通过检测丝杠或电机轴上的转角间接地测量工作台的位移量，然后反馈给数控装置。显然，半闭环控制系统的实际控制量是丝杠的转动，而由丝杠转动变换为工作台的移动，不受闭环的控制，这一部分的精度由丝杠——螺母（齿轮）副的传动精度来保证。其特点是比较稳定，调试方便，精度介于开闭环之间，被广泛采用。
6．答:步进电动机的工作原理是:步进电机伺服系统是典型的开环控制系统，在此系统中，步进电机受驱动线路控制，将进给脉冲序列转换成为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。进给脉冲的频率代表了驱动速度，脉冲的数量代表了位移量，而运动方向是由步进电机的各相通电顺序来决定，并且保持电机各相通电状态就能使电机自锁。但由于该系统没有反馈检测环节，其精度主要由步进电机来决定，速度也受到步进电机性能的限制。
步进电动机的特性包括步距角的步距误差、静态矩角特性、启动频率、连续运行频率、矩频特性
7．答:永磁同步式交流伺服电动机的定子绕组产生的空间旋转磁场和转子磁场相互作用，使定子带动转子一起旋转。所不同的是转子磁极不是由转子的三相绕组产生，而是由永久磁铁产生。其工作过程是：当定子三相绕组通以交流电后，产生一旋转磁场，这个旋转磁场以同步转速旋转。根据磁极的同性相斥，异性相吸的原理，定子旋转磁场与转子永久磁场磁极相互吸引，并带动转子一起旋转。因此转子也将以同步转速旋转。当转子轴加上外负载转矩时，转子磁极的轴线将与定子磁极的轴线相差一个角，若负载越大，差角也随之增大。只要外负载不超过一定限度，转子就会与定子旋转磁场一起旋转。
8．Φm ＝K U 1/ f 1，如果在变频调速中，保持定子电压U 1不变，则磁通Φm 大小将会改变。因为在一般电动机中，Φm 值通常是在工频额定电压的运行条件下确定的，为了充分利用电动机铁心，把磁通量选在接近磁饱和的数值上。因此，在变频调速过程中，如果频率从工频往下调节，则由Φm 上升，将导致铁心过饱和而使励磁电流迅速上升，铁心过热，功率因数下降，电动机带负载能力降低。因此，必须在降低频率的同时，降低电压U 1，以保持Φm
不变。这种U 1和f 1的配合变化称为恒磁通变频调速中的协调控制（恒转矩调速控制）。如图1所示。当f 1频率超过感应电动机铭牌的额定频率，由于电源电压的限制，U 1已达到变频器输出电压的最大值再不能随f 1而升高，感应电动机的每极磁通Φm 与f 1成反比例下降，其转矩T 也随着f 1反比例下降。但因转速n 提高，感应电动机的输出功率P 则在此区域内保持不变（P ＝Tn ），称为恒功率调速，如图2所示。
9．主轴准停功能又称为主轴定位功能，即当主轴停止时能控制其停于固定位置。主轴准停可分为机械准停和电气准停。电气准停通常有磁传感器准停、编码器型准停和数控系统准停三种。
10．答:主轴进给功能即主轴的C 轴功能，一般应用在车削中心和车、铣复合机床上。对于车削中心，主轴除了完成传统的回转功能外，主轴的进给功能可以实现主轴的定向、分度和圆周进给，并在数控装置的控制下实现C 轴与其他进给轴的插补，配合动力刀具进行圆柱或端面上任意部位的钻削、铣削、攻螺纹及曲面铣加工。对于车、铣复合机床，则必须要求车主轴在铣状态下完成铣床C 轴所有的进给插补功能。
主轴进给功能按功能划分一般有下列几种实现方法。
(1)机械式。通过安装在主轴上的分度齿轮实现。这种方法只能实现分度，一般可以实现主轴360°分度。
(2)双电动机切换。主轴有两套传动机构，平时由主轴电动机驱动实现普通主轴的回转功能，需要进给功能时通过液压等机构切换到由进给伺服电动机驱动主轴。
(3)有C 轴功能的主．轴电动机。由主轴电动机直接进行定位、分度和进给功能。这种方式省去了附加的传动机构和液压系统，因此结构简单、工作可靠，另外主轴的两种工作方式可以随时切换。
11．答:(1)光栅位置检测装置
光栅用于数控机床作为检测装置，用以测量长度、角度、速度、加速度、振动和爬行等。它是数控机床闭环系统中用得较多的一种检测装置。
(2)旋转编码器是一种旋转式测量装置，通常安装在被测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的角位移转换成增量脉冲形式或绝对式的代码形式。
(3)感应同步器分两种：测量直线位移的称为直线型感应同步器；测量角位移的称为圆型感应同步器。直线型感应同步器由定尺和滑尺组成；圆型感应同步器由转子和定子组成。感应同步器其特点及使用范围和光栅较相似，但和光栅比，它的抗干扰性较强，对环境要求低，机械结构简单，大量程接长方便，加之成本较低，所以虽然精度上不如光栅，但在数控机床检测系统中得以广泛应用。
第八章 典型数控机床电气控制系统分析
1．答: CK160数控车床配备FANUC 全数字交流伺服系统，该伺服系统为半闭环系统。CNC 将位置、速度控制指令以数字量的形式输出至数字伺服系统，数字伺服驱动单元本身具有位置反馈和位置控制功能。CNC 和数字伺服驱动单元采用串行通信的方式。
CNC 与伺服系统之间传递的信息有：位置指令和实际位置，速度指令和实际速度，伺服驱动及伺服电动机参数，伺服状态和报警，控制方式命令。
主轴采用模拟主轴（变频器H1-A1）控制，配置3kw 、2880r/min的交流异步电动机 （H1-M1），这是一个速度开环控制系统。CNC 输出的模拟信号（0～10V ）到变频器13、14端，从而控制电动机的转速，通过设置变频器的参数，实现从最低速到最高速的调速；H1-K1为主轴交流接触器，接通/断开主轴动力电源；主轴上的位置编码器H1-GP 使主轴能与进给驱动同步控制，以便加工螺纹；M3-K3、M3-K4为主轴正反转继电器，通过PLC 实现正反转；M1-K2为急停继电器，当按下急停按钮或X 轴、Z 轴超程时，断开主轴电路；当变频器有异常情况，通过1、2端子输出报警信号到PLC 。
2．答:数控机床系统控制参数大致分为以下5类:
伺服控制参数; 主轴控制参数; 机床行程与坐标参数; 补偿参数; 通信参数.
3．答:数控机床电气调试的步骤是:
(1) 输入参数, 梯形图
(2) 通电试车
1) 在接通电源的同时, 做好急停准备
2) 逐一检查面板各个功能
3) 检查机床各轴运行情况
4) 限位保护设定
5) 检查主轴转速
6) 设定参考点
7) 调试刀架刀号
8) 检查辅助功能及附件是否正常工作
(3) 试运行
习题答案
第一章 机床控制线路的基本环节
1. 答：低压电器是机床控制线路的基本组成元件。
它可以分为以下几大类；开关电器，主令电器，熔断器，接触器，继电器，控制变压器，直流稳压电源。
常用的低压电器有：刀开关，组合开关，低压断路器，按制按钮，行程开关，万能转换开关，脚踏开关，熔断器，接触器，电磁式继电器，时间继电器，热继电器，速度继电器，控制变压器，直流稳压电源。
2．答：低压断路器俗称为自动空气开关，是将控制和保护的功能合为一体的电器。它常作为不频繁接通和断开电路的总电源开关或部分电路的电源开关，当发生过载、短路或欠电压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，并且在分断故障电流后一般不需要更换零部件。因此，低压断路器在数控机床上使用越来越广泛。
3．答：虽然继电器与接触器都是用来自动接通或断开电路，但是它们仍有很多不同之处。继电器可以对各种电量或非电量的变化作出反应，而接触器只有在一定的电压信号下动作；继电器用于切换小电流的控制电路，而接触器是一种用来频繁地接通或分断带有负载的主电路（如电动机）的自动控制电器。因此继电器触点容量较小（不大于5A ）。在控制功率较小时（不大于5A ）可用中间继电器来代替接触器起动电动机。
4．答：热继电器由于其热惯性，当电路短路时不能立即动作切断电路，不能用作短路保护，熔断器不具备热惯性所以只能作电动机的短路保护而不能作长期过载保护；另外，热继电器与熔断器的额定电流选择不同，因此，热继电器只能作为过载保护，熔断器只能作为短路保护。
5．答：短路保护：瞬时大电流保护，最常用的是利用熔断器进行短路保护。 过电流保护：当电流超过其整定值时才动作，整定范围通常为1.1--4倍额定电流。最常用的是利用过电流继电器进行过电流保护。
长期过载保护：电动机在实际运行中，短时过载是允许的，但如果长期过载或断相运行都可能使电动机的电流超过其额定值，引起电动机发热。绕组温升超过额定温升，将损坏绕组的绝缘，缩短电动机的使用寿命，严重时甚至会烧毁电动机绕组，因此必须采取过载保护措施。最常用的是利用热继电器进行过载保护。
6．答：当电动机正在运行时，如果电源电压因某种原因消失，那么在电源电压恢复时，
电动机就将自行起动，这就可能造成生产设备的损坏，甚至造成人身事故。对电网来说，许多电动机同时自行起动会引起太大的过电流及电压降。防止电压恢复时电动机自行起动的保护叫零压保护。
在电动机运转时，电源电压过分地降低会引起电动机转速下降甚至停转。同时，在负载转矩一定时，电流就会增加。此外由于电压的降低将会引起一些电器的释放，造成控制电路不正常工作，可能产生事故。因此需要在电压下降到最小允许电压值时将电动机电源切除，这就叫欠电压保护。
7．答：如图所示长动控制线路。它的工作原理如下：接通
电源开关QS ，按下起动按钮SB2时，接触器KM 吸合，主电路接
通，电动机M 起动运行。同时并联在起动按钮SB2两端的接触
器辅助常开触点也闭合，故即使松开按钮SB2，控制电路也不会
断电，电动机仍能继续运行。按下停止按钮SBl 时，KM 线圈断
电，接触器所有触点断开，切断主电路，电动机停转。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。 许多生产机械需要正、反两个方向的运动，例如机床工作台的前进与后退，主轴的正转与反转，起重机吊钩的上升与下降等，要求电动机可以正、反转。只需将接至交流电动机的三相电源进线中任意两相对调，即可实现反转。这可由两个接触器KM1、KM2控制。必须指出的是KM1和KM2的主触点决不允许同时接通，否则将造成电源短路的事故。因此在正转接触器的线圈KM1通电时，不允许反转接触器的线圈KM2通电。同样在线圈KM2通电时，也不允许线圈KM1通电，这就是互锁保护。
8．
FU1
FR1KM1
SA
KM1
M1
9.
FR1
M1M2
10．答：电气控制系统中常用的保护环节有过载保护、短路保护、零电压与
欠电压保护以及弱磁保护等。
常用的短路保护元件有熔断器和断路器。
常用的过载保护元件有热继电器(或断路器)
过电流保护元件是过电流继电器。
常用的零电压与欠电压保护元件是电压继电器。
第二章 典型普通机床电器控制线路的分析
1．答：首先详细阅读了设备说明书，了解了电气控制系统的总体结构、电动机和电器元件的分布状况及控制要求等内容后，便可以阅读分析电气原理图了。
(1)分析主电路 从主电路人手，根据每台电动机和执行电器的控制要求去分析它们的控制内容。控制内容包括起动、转向控制、调速和制动等。
(2)分析控制电路 根据主电路中各电动机和执行电器的控制要求，逐一找出控制电路中的控制环节，利用前面学过的典型控制环节的知识，按功能不同将控制线路“化整为零”来进行分析。
(3)分析辅助电路 辅助电路包括电源指示、各执行元件的工作状态显示、参数测定、照明和故障报警等部分，它们大多由控制电路中的元器件来控制的，所以在分析辅助电路时，要对照控制电路进行分析。
(4)分析联锁及保护环节 机床对于安全性及可靠性有很高的要求，为实现这些要求，除了合理地选择拖动和控制方案外，在控制线路中还设置了一系列电气保护和必要的电气联锁。
(5)总体检查 经过“化整为零”，逐步分析了每一局部电路的工作原理以及各部分之间的控制关系后，还必须用“集零为整”的方法，检查整个控制线路，以免遗漏。特别要从整体角度去进一步检查和理解各控制环节之间的联系，清晰地理解原理图中每一个电器元件的作用、工作过程及主要参数。
2．答：按下反向起动按钮SB4→KM3线圈通电→KM3主触点闭合→短接限流电阻R ，另有一个常开辅助触点KM3（5—15，此号表示触点两端的线号）闭合→KA 线圈通电→KA 常开触点（5—10）闭合→KM3线圈自锁保持通电→把电阻R 切除，同时KA 线圈也保持通电。另一方面，当SB4尚未松开时，由于KA 的另一常开触点（12－13）已闭合→KM2线圈通电→KM2主触点闭合→KA 的另一常开触点(5－10) 也闭合(自锁) →主电动机M1全压反向起动运行。这样，当松开SB4后，由于KA 的二个常开触点闭合，其中KA(5—10) 闭合使KM3线圈继续通电，也使KM2线圈继续通电，故可形成自锁通路。
3．答：假设原来主电动机M1反转运行，则KS-2(11—6) 闭合，而反向常开触点KS-1(13--11)依然断开。当按下正向总停按钮SB1(4－5) 后，原来通电的KM2、KM3、KT 和KA 就随即断电，它们的所有触点均被释放而复位。然而当SB1松开后，正转接触器KM1立即通电，电流通路是：
4(线号) →SB1常闭触点(4—5) →KA 常闭触点(5—11) ---KS反向常开触点KS →2(11—6) →KM2常闭触点(6—7) →KM1线圈(3—8) →FR1常闭触点(8—3) →3(线
号) 。
这样，主电动机M1就串联电阻R 进行反接制动，反向速度很快降下来，当速度降到很低时(n≤100r ／min) ，KS 的反向常开触点KS-2(11—6) 断开复位，从而切断了上述电流通路。至此，反向反接制动就结束了。
4．答：为适应加工的需要，主轴转速与进给速度应有较宽的调节范围。X62W 铣床是采用机械变速的方法，改变变速箱传动比来实现的。为保证变速时齿轮易于啮合，减小齿轮端面的冲击，要求变速时有电动机冲动(短时转动) 控制。
铣床的变速既可以在停车时进行，也可以在运行时进行，在上变速操作中，就在将手柄拉到第二道槽或从第二道槽推回原位的瞬间，通过变速手柄联接的凸轮，将压下弹簧杆一次，而弹簧杆将碰撞主轴变速冲动开关SQ7（3—7、3—8）使其动作，即SQ7-2分断，SQ7-1闭合，接触器KM2线圈短时通电，电动机M1串入电阻R 低速冲动一次。这样，若原来主轴旋转着，当将变速手柄拉到第二道槽时，主电动M1被反接制动速度迅速下降。当选好速度，将手柄推回原位时，冲动开关又动作一次，主电动机M1低速反转，有利于变速后的齿轮啮合。由此可见，可进行不停车直接变速。若原来处于停车状态，则不难想到，在主轴变速操作中SQ7第一次动作时，M1反转一下，SQ7第二次动作时，M1又反转一下，故也可停车变速。当然，若要求主轴在新的速度下运行，则需重新起动主电动机。
5．答：在使用圆工作台时，工作台纵向及十字操作手柄都应置于中间停止位置，且要将圆工作台转换开关SA1置于圆工作台“接通”位置。当按下主轴起动按钮SB1或SB2，主电动机M1便起动，而进给电动机M2也因KM4线圈的通电而旋转，由于圆工作台的机械传动链已接上，故也跟着旋转。这时，KM4的通电电流通路为：
13（线号）→SQ6-2（13—14）→SQ4-2（14—15）→SQ3-2（15—16）→SQ1-2（16—
22）→SQ2-2（22—21）→SA1-2（21—17）→KM5常闭互锁触点（17—19）→KM4线圈（19—20）→20（线号）
显见，此时电动机M2正转并带动圆工作台单向旋转。由于圆工作台的控制电路中串联了SQ1～SQ4的常闭触点，所以扳动工作台任一方向的进给手柄，都将使圆工作台停止转动，这就起到圆工作台转动与普通工作台三个方向移动的联锁保护。
6．答：此时SA1置于使用普通工作台位置，十字手柄必须置于中间零位。若要工作台向左进给，则将纵向操纵手柄扳向左，使得SQ2受压，KM5线圈通电，M2反转，工作台向左进给。KM5的电流通路为：
13（线号）→SQ6-2（13—14）→SQ4-2（14—15）→SQ3-2（15—16）→SA1-1（16—
18）→SQ2-1（18—23）→KM4常闭互锁触点（23—24）→KM5线圈（24—20）→20（线号）
第三章 机床电气控制系统的设计
1．答： 在设计过程中应遵循以下几个原则。
1) 最大限度满足机床和工艺对电气控制的要求。
2) 在满足控制要求的前提下，设计方案应力求简单、经济和实用，不宜盲目追求自动化和高性能指标。
3) 妥善处理机械与电气的关系。很多生产机械是采用机电结合控制方式来实现控制要求的，要从工艺要求、制造成本、机械电气结构的复杂性和使用维护等方面协调处理好二者的关系。
4) 把电气系统的安全性和可靠性放在首位，确保使用安全、可靠。
5) 合理地选用电器元件。
机床电气控制系统设计包含原理设计与工艺设计两个部分。
2．答：确定电力拖动方案的原则如下：
电力拖动方案选择是电气设计主要内容之一，也是以后各部分设计内容的基础和先决条件。首先根据机床工艺要求及结构确定电动机的数量，然后根据机床运动机构要求的调速范围来选择调速方案。在选择电动机调速方案时，应使电动机的调速特性与负载特性相适应，以便使电动机得到充分合理的利用。
3．答：设计机床电气控制线路时应注意以下问题：
（1） 合理选择控制线路电流种类与控制电压数值
（2）正确选择电器元件
（3）合理布线，力求使控制线路简单、经济
1）合并同类触点
2）利用转换触点的方式 利用具有转换触点的中间继电器将两对触点合并成一对触点。
3）尽量缩短连接导线的数量和长度
4）正常工作中，尽可能减少通电电器的数量，以利节能，延长电器元件寿命及减少故障。
（4）保证电气控制线路工作的可靠性
1）电器元件触点位置的正确画法，在控制线路设计时，应使分布在线路不同位置的同一电器触点尽量接到同一个极或尽量共接同一电位点，以避免在电器触点上引起短路。
2）电器元件线圈位置的正确画法
3）防止出现寄生电路 在电气控制线路的动作过程中，发生意外接通的电路称为寄生电路。寄生电路将破坏电器元件和控制线路的工作顺序或造成误动作。
4）防止出现“竞争”与“冒险”。复杂控制电路中，在某一控制信号作用下，电路从一个稳定状态转换到另一个稳定状态，常常会引起几个电器的状态变化。考虑到电器元件有一定的动作时间，对一个时序电路来说，就会得到几个不同的输出状态，这种现象称为电路的“竞争”。由于电器元件的释放延时作用，开关电路中的开关元件可能不按要求的逻辑功能输出，这种现象称为“冒险”。
5）在频繁操作的可逆线路中，正反向接触器之间要有电气联锁和机械联锁。
6）在设计电器控制线路时，应充分考虑继电器触点的接通和分断能力。若要增加接通能力，可用多触点并联；若要增加分断能力，可用多触点串联。
（5）保证电气线路工作的安全性
电气控制线路应具有完善的保护环节，保证整个生产机械的安全运行，消除在其工作不正常或误操作时所带来的不利影响，避免事故发生。在电气控制线路中常设的保护环节有短路、过流、过载、失压、弱磁、超速和极限保护等。
4．答：工艺设计主要内容是：
1) 根据电气原理图及选定的电器元件，绘制电气设备总装接线图。
2) 设计并绘制电器元件布置图。
3) 设计并绘制电器元件的接线图。
4) 设计并绘制电气箱及非标准零件图。
5) 列出所用各类元器件及材料清单。
6) 编写设计说明书和使用维护说明书。
5．答：设计及使用说明书应包含以下主要内容。
1）拖动方案选择的依据及本设计的主要特点。
2）主要参数的计算过程。
3）设计任务书中各项技术指标的核算与评价。
4）设备调试要求及调试方法。
5）使用、维护要求及注意事项。
6．．
FR2M1M2
7（1）
FR1
M2
M1
（2）
FR1
M2
M1
3）
（4）
KM1
KM2
（
M2
FR1
M1
KT
第四章 可编程序控制器（PLC ）的工作原理
1．答：PLC 的主要特点有： 1）可靠性高，抗干扰能力强； 2）通用性好，组合灵活； 3）编程简单，使用方便； 4）功能完善，适应面广；
5）PLC 控制系统的设计、安装、调试和维护方便； 6）体积小、重量轻、功耗低。 2．答：PLC 的硬件结构包括：
(1)中央处理单元(CPU) 中央处理单元CPU 是PLC 的核心，其主要作用是执行系统控制软件，从输入接口读取各开关状态，根据梯形图程序进行逻辑处理，并将处理结果输出到输出接口。
(2)存储器 PLC的存储器是用来存储数据或程序的。存储器中的程序包括系统程序和应用程序。系统程序用来管理控制系统的运行，解释执行应用程序，存储在只读存储器ROM 中。应用程序即用户程序，一般存放在随机存储器
(3)I/0接口电路 I/0接口是CPU 与现场I/0设备联系的桥梁。
(4)编程器 编程器是用来输入和编辑程序，也可用来监视PLC 运行时各编程元件的工作状态。
(5)电源 电源的作用是把外部供应的电源变换成系统内部各单元所需的电源。 PLC 软件包括：
(1)系统软件 系统软件包括系统管理程序、用户指令解释程序及标准程序模块等。
(2)用户程序 用户程序是用户根据现场控制的需要，用PLC 的编程语言编制的应用程序。
3．答：PLC 的工作方式为扫描工作方式。工作过程大体上可分为读入输入状态、逻辑运算、发出输出信号三步。
(1)输入采样阶段 PLC在输入采样阶段，首先扫描所有的输入端子，将各输入量存人内存中相应的输入映像寄存器。此时输入映像寄存器被刷新。接着进入程序执行阶段或输出阶段，输入映像寄存器与外界隔离，无论信号如何变化，其内容保持不变，直到下一扫描周期的输入采样阶段，才重新写入输入端的新内容。
(2)程序执行阶段 根据PLC 梯形图程序的扫描原则，PLC 按先左后右，先上后下
的顺序逐步扫描。当指令中涉及到输入、输出状态时，PLC 从输入映像寄存器中“读入”上一阶段采样的对应输入端子状态。从输出映像寄存器“读入”对应输出映像寄存器的当前状态。然后进行相应的运算，．运算结果再存人输出映像寄存器中。对于输出映像寄存器来说，其状态会随着程序执行过程而变化。
(3)输出刷新阶段 在所有指令执行完毕后，输出映像寄存器中所有输出继电器的状态(接通/断开) 在输出刷新阶段存到输出锁存器中，通过一定方式输出，驱动外部负载。
4．答：由于扫描是周而复始无限循环的，每扫描一个循环所用的时间，即从读入输入状态到发出输出信号所用的时间称为扫描周期。
PLC 的扫描周期与PLC 的时钟频率、用户程序的长短及系统配置有关。
5．答：PLC 中常用的编程语言有梯形图、语句表、顺序功能图、功能块图等。在梯形图中有一个假想的电流，即所谓“能流”从左流向右。例如，当梯形图中线圈前的触点均闭合，就有一假想的能流从左向有流向线圈，即该线圈被通电，或者说被激励。
6．答：PLC 的梯形图与继电器控制系统相比，它们的相同之处是：电路的结构大致相同；梯形图沿用了继电器控制电路元件符号（仅个别处有些不同）；信号的输入、输出形式及控制功能相同。它们的差别主要是：
（1）组成器件 继电器控制线路是许多真正的硬件继电器组成；而梯形图则由许多所谓“软继电器”组成。
(2)触点数量 硬继电器的触点数量有限；而梯形图中每个“软继电器”供编程使用的触点数有无限对。
(3)实施控制的方法 在继电器控制线路中，要实现某种控制是通过各种继电器之间硬接线解决的，因此它的功能专一，不灵活；而PLC 控制是通过梯形图即软件编程解决的，所以灵活多变。
(4)工作方式 在继电器控制线路中，工作方式为并行工作方式；而在梯形图的控制线路中，工作方式为串行工作方式。
(5)控制速度 继电器控制系统依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，；而PLC 是由程序指令控制来实现控制的，速度快。
7．答：在数控机床中，除了对各坐标轴的位置进行连续控制外，还需要对主轴正/反转、刀架换刀、卡盘夹紧/松开、切削液开/关、排屑等动作进行控制。现代数控机床均采用PLC 来完成上述功能。
8．答：内装型PLC 有以下特点。
1) 在系统的结构上，内装型PLC 可与CNC 共用CPU ，也可单独使用一个CPU ；内
装型PLC 一般单独制成一块附加板，插装到CNC 主板插座上，不单独配备I/O接口，而使用CNC 装置本身的I/0接口；PLC 所用电源由CNC 装置提供，不需另备电源。
2) 内装型PLC 实际上是CNC 装置带有的PLC 功能，一般是作为一种基本的功能提供给用户。内装型PLC 的性能指标是根据所从属的CNC 系统的规格、性能、适用机床的类型等确定的，其硬件和软件部分是被作为CNC 系统的基本功能或附加功能与CNC 系统统一设计制造的。
3）采用内装型PLC 结构，扩大了CNC 系统内部直接处理数据的能力。
独立型PLC 有以下特点。
l ）独立型PLC 不但要进行MT 侧的I/O连接，还要进行CNC 装置侧的I/O连接，因此CNC 和PLC 均具有自己的输入/输出接口电路。
2）独立型PLC 的基本功能结构与前所述的通用型PLC 完全相同。
3）数控机床应用的独立型PLC 一般采用中型或大型PLC ，所以多采用积木式模块化结构，具有安装方便、功能易于扩展和变换等优点。
4）独立型PLC 的I/O点数可以通过I/O模块的增减灵活配置。有的独立型PLC 还可通过多个远程终端连接器构成有大量I/O点的网络，以实现大范围的集中控制。 独立型PLC 的造价较高，所以其性能价格比不如内装型PLC 。一般内装型PLC 多用于单微处理器的CNC 系统，而独立型PLC 主要用于多微处理器的CNC 系统，但它们的作用是一样的，都是配合CNC 系统实现刀具轨迹控制和机床顺序控制。
第五章 PLC的指令系统
1．答：S7-200 PLC由基本单元（S7-200CPU 模块）、个人计算机（PC ）或编程器、STEP7-Micro/WIN32编程软件以及通信电缆等构成。
2. 答：S7-200系列PLC 共有三种类型定时器。
(1)通电延时定时器TON
该定时器用于通电后单一时间间隔的定时。输入端IN 接通时，定时器位变为0，当前值从0开始计时。当前值达到PT 端的设定值时，定时器位变为1，定时器常开触点闭合，常闭触点断开。当输入端IN 断开，定时器复位，当前值变为0，定时器位变为0。
(2)断电延时定时器TOF
该定时器用于断电后单一时间间隔的定时。输入端IN 接通时，定时器位变为1，当前值为0。当输入端IN 由接通到断开时，定时器开始定时，当前值达到PT 端的设定值时，定时器位变为0，常开触点断开，常闭触点闭合，停止计时。
(3)保持型通电延时定时器TONR
该定时器用于多个时间间隔的累计定时。上电或首次扫描时，定时器位为0，当前值保持在掉电前的值。输入端IN 接通时，当前值从上次的保持值开始继续计
时，当累计当前值等于或大于PT 端的设定值时，定时器位变为1，当前值可继续计数到32767。输入端IN 断开时，定时器的当前值保持不变，定时器位不变。TONR 指令只能用复位指令R 使定时器的当前值为0，定时器位为0。
3．答：S7-200系列PLC 共有三种类型的计数器。
（1）增计数器CTU ，当复位输入端R 为0时，计数器计数有效；当增计数输入端CU 有上升沿输入时，计数值加1，计数器作递增计数，当计数器当前值等于或大于设定值PV 时，该计数器位为1，计数至最大值32767时停止计数。复位输入端R 为1时，计数器被复位，计数器位为0，并且当前值被清零。
（2）减计数器CTD ，当装载输入端LD 为1时，计数器位为0，并把设定值PV 装入当前值寄存器中。当装载输入端LD 为0时，计数器计数有效；当减计数输入端CD 有上升沿输入时，计数器从设定值开始作递减计数，直至计数器当前值等于0时，停止计数，同时计数器位被置位。
（3）增/减计数器CTUD ，当复位输入端R 为0时，计数器计数有效；当增计数输入端CU 有上升沿输入时，计数器作递增计数；当减计数输入端CD 有上升沿输入时．，
计数器作递减计数。当计数器当前值等于或大于设定值PV 时，该计数器位为1。当复位输入端R 为1时，计数器当前值为0，计数器位为0，
4．语句表： LD I0.0 AN I0.1 LD I0.2 A I0.3 ON I0.4 A I0.5 O I0.6 LDN I0.7 O I1.0 ALD =Q0.0 A I1.1 =Q0.1 A I1.2 =Q0.2 5．答：
6．答：
7．答：I0.0接通，5s 后，C48计数一次，第二次扫描，T37不工作，第三次扫描，T37开始工作，5s 后，C48又计数一次，依次循环，当C48计数40次时，I0.1用于C48复位。
8．答：
9．答：
10．答：
11．答：
12．答：
输入点：I0.1（正转），I0.2（反转） 输出点：Q0.0（正转），Q0.1（反转）
第六章 PLC控制系统的设计与应用
1．答：PLC 控制系统的设计原则是在最大限度地满足被控对象控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、安全可靠，并考虑到今后生产的发展和工艺的改进，在选择PLC 机型时，应适当留有余地。
2．答：PLC 控制系统设计主要内容是：
（1）根据控制对象明确设计任务和要求； （2）选用和确定I ／O 设备； （3）选择PLC 的机型； （4）系统的硬件和软件设计； （5）联机统调。
选用PLC 时应考虑的问题如下： (1)I／O 点数的估算 (2)用户存储器容量的估算 (3)结构、功能的确定 (4)I／0模块的选择 3．答：
输入点：I0.1（起动），I0.0（停止） 输出点：Q0.0（M1），Q0.1（M2），Q0.2（M3）
4．答：
输入点：I0.0（起动），I0.1（SQ1），I0.2（SQ2），I0.3（SQ3）
输出点：Q0.0（右行），Q0.1（左行）
5．答：
输入点：I0.0（手动上升），I0.1（手动下降），I0.2（自动起动） 输出点：Q0.0（上升），Q0.1（下降）
手动程序：
自动程序顺序控制功能图：
6．答：
输入点：I0.0（起动），I0.1（SQ1），I0.2（SQ2），I0.3（SQ3），I0.4（SQ4） 输出点：Q0.0（右行），Q0.1（左行）
第七章 数控系统与伺服驱动系统
1．答：CNC 装置的硬件构成及各部分的作用如下：
(1)微处理器及其总线 它是CNC 装置的核心，由运算器及控制器两大部分组成。运算器对数据进行算术运算和逻辑运算，控制器则是将存储器中的程序指令进行译码并向CNC 装置各部分顺序发出执行操作的控制信号，且接收执行部件的反馈信息，从而决定下一步的命令操作。总线是由物理导线组成的，一般又可分为数据总线，地址总线，控制总线。
(2)存储器 存储器是用来存放CNC 装置的数据、参数和程序的。它又由存放系统程序的只读存储器EPROM 、存放运算的中间结果的随机存储器RAM 以及存放加工零件程序、数据和参数的磁泡存储器或带有后备电池的CMOS RAM组成。
(3)MDI/CRT接口 MDI接口即手动数据输入接口。数据通过操作面板上的键盘输入。CRT 接口是在CNC 软件配合下在显示器上实现字符和图型显示的。
(4)位置控制器它将插补运算后的坐标位置给定值与位置检测器测得的实际位置值进行比较，得到速度控制指令，去控制速度控制单元并驱动进给电机。
(5)纸带阅读机接口 该接口用来接收纸带阅读机传来的加工程序或参数等数据信息。 (6)输入/输出(I/O)接口 CNC装置与机床之间的来往信号通过I/O接口电路来传送。输入接口是接收机床操作面板上的各种开关、按钮以及机床上的各种限位开关等信号。它们对输入信号进行电平转换，变成CNC 装置能够接收的电平信号。输出接口是将CNC 装置发出的控制机床动作的信号送到强电柜以及将各种表示机床工作状态的指示灯信号送到机床操作面板上。
2．答：CNC 系统是一个实时性很强的多任务系统，在它的软件设计中，融合了许多当今计算机软件设计的先进技术。在单CPU 数控系统中，其软件结构常采用前后台型的软件结
构和中断型的软件结构；而在多CPU 数控系统中，通常是各个CPU 分别承担一项任务，然后通过它们之间相互通信、协调工作来完成控制。但无论何种控制方式，CNC 系统的软件结构都具有多任务并行处理和多重实时中断两大特点。
CNC 的系统软件是使CNC 系统完成各项功能而编制的专用软件。不同的CNC 系统，其软件结构与规模各有所不同，但就其共性来说，一个CNC 系统的软件总是由输入、译码、数据处理(预计算) 、插补运算、速度控制、输出控制、管理程序及诊断程序等部分组成。
3．答：数控机床对进给驱动的要求是(1)位置精度要高；(2)稳定性好；(3)速度响应要快；(4) 进给调速范围要宽；(5) 低速大转矩。
对主轴驱动的要求是(1) 主轴输出大功率 ；(2) 调速范围要足够大；（3）控制功能包括主轴与进给驱动的同步控制，准停控制和角度分度控制。
进给驱动是用于数控机床工作台或刀架坐标的控制系统，控制机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程所需的转矩。主轴驱动控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动功率和所需的切削力。一般地，对于进给驱动系统，主要关心它的转矩大小、调节范围的大小和调节精度的高低，以及动态响应速度的快慢。对于主轴驱动系统，主要关心其是否具有足够的功率、宽的恒功率调节范围及速度调节范围。
4． 答：伺服系统有多种分类方法，简述如下：
(1) 按有无检测元件和反馈环节分类 可分为开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统。
(2)按执行元件的类别分类 可分为直流电动机伺服系统、交流电动机伺服驱动系统和步进电动机伺服系统。
(3) 按控制对象和使用目的分类 可分为进给伺服系统、主轴伺服系统。
(4)按反馈比较控制方式分类 可分为脉冲比较伺服驱动系统、相位比较伺服驱动系统、幅值比较伺服驱动系统、全数字伺服驱动系统。
5．答:开环控制机床不带位置检测反馈装置，通常使用功率补进电机或电液脉冲马达作为执行机构，数控装置输出的脉冲通过环形分配器和驱动电路，使步进电机转过相应的步距角。再经过减速齿轮带动丝杠旋转，最后转换为移动部件的直线位移。其反应快，调试方便，比较稳定，维修简单。但系统对移动部件的误差没有补偿和校正，步进电机的步距误差、齿轮与丝杠等的传动链误差都将反映到被加工零件的精度中去，所以精度比较低。
闭环控制机床带有检测反馈装置，位置检测器安装在机床运动部件上，加工中将监测到的实际运行位置值反馈到数控装置中，与输入的指令位置相比较，用差值对移动部件进行控
制，其精度高。从理论上说，闭环系统的控制精度主要取决于检测装置的精度，但这并不意味着可以降低机床的结构与传动链的要求，传动系统的刚性不足及间隙、导轨的爬行等各种因素将增加调试的困难，严重时会使闭环控制系统的品质下降甚至引起振荡。故闭环系统的设计和调整都有较大的难度，此类机床主要用于一些精度要求较高的镗铣床、超精车床和加工中心等。
半闭环控制系统不是直接测量工坐台的位移量，而是通过检测丝杠或电机轴上的转角间接地测量工作台的位移量，然后反馈给数控装置。显然，半闭环控制系统的实际控制量是丝杠的转动，而由丝杠转动变换为工作台的移动，不受闭环的控制，这一部分的精度由丝杠——螺母（齿轮）副的传动精度来保证。其特点是比较稳定，调试方便，精度介于开闭环之间，被广泛采用。
6．答:步进电动机的工作原理是:步进电机伺服系统是典型的开环控制系统，在此系统中，步进电机受驱动线路控制，将进给脉冲序列转换成为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。进给脉冲的频率代表了驱动速度，脉冲的数量代表了位移量，而运动方向是由步进电机的各相通电顺序来决定，并且保持电机各相通电状态就能使电机自锁。但由于该系统没有反馈检测环节，其精度主要由步进电机来决定，速度也受到步进电机性能的限制。
步进电动机的特性包括步距角的步距误差、静态矩角特性、启动频率、连续运行频率、矩频特性
7．答:永磁同步式交流伺服电动机的定子绕组产生的空间旋转磁场和转子磁场相互作用，使定子带动转子一起旋转。所不同的是转子磁极不是由转子的三相绕组产生，而是由永久磁铁产生。其工作过程是：当定子三相绕组通以交流电后，产生一旋转磁场，这个旋转磁场以同步转速旋转。根据磁极的同性相斥，异性相吸的原理，定子旋转磁场与转子永久磁场磁极相互吸引，并带动转子一起旋转。因此转子也将以同步转速旋转。当转子轴加上外负载转矩时，转子磁极的轴线将与定子磁极的轴线相差一个角，若负载越大，差角也随之增大。只要外负载不超过一定限度，转子就会与定子旋转磁场一起旋转。
8．Φm ＝K U 1/ f 1，如果在变频调速中，保持定子电压U 1不变，则磁通Φm 大小将会改变。因为在一般电动机中，Φm 值通常是在工频额定电压的运行条件下确定的，为了充分利用电动机铁心，把磁通量选在接近磁饱和的数值上。因此，在变频调速过程中，如果频率从工频往下调节，则由Φm 上升，将导致铁心过饱和而使励磁电流迅速上升，铁心过热，功率因数下降，电动机带负载能力降低。因此，必须在降低频率的同时，降低电压U 1，以保持Φm
不变。这种U 1和f 1的配合变化称为恒磁通变频调速中的协调控制（恒转矩调速控制）。如图1所示。当f 1频率超过感应电动机铭牌的额定频率，由于电源电压的限制，U 1已达到变频器输出电压的最大值再不能随f 1而升高，感应电动机的每极磁通Φm 与f 1成反比例下降，其转矩T 也随着f 1反比例下降。但因转速n 提高，感应电动机的输出功率P 则在此区域内保持不变（P ＝Tn ），称为恒功率调速，如图2所示。
9．主轴准停功能又称为主轴定位功能，即当主轴停止时能控制其停于固定位置。主轴准停可分为机械准停和电气准停。电气准停通常有磁传感器准停、编码器型准停和数控系统准停三种。
10．答:主轴进给功能即主轴的C 轴功能，一般应用在车削中心和车、铣复合机床上。对于车削中心，主轴除了完成传统的回转功能外，主轴的进给功能可以实现主轴的定向、分度和圆周进给，并在数控装置的控制下实现C 轴与其他进给轴的插补，配合动力刀具进行圆柱或端面上任意部位的钻削、铣削、攻螺纹及曲面铣加工。对于车、铣复合机床，则必须要求车主轴在铣状态下完成铣床C 轴所有的进给插补功能。
主轴进给功能按功能划分一般有下列几种实现方法。
(1)机械式。通过安装在主轴上的分度齿轮实现。这种方法只能实现分度，一般可以实现主轴360°分度。
(2)双电动机切换。主轴有两套传动机构，平时由主轴电动机驱动实现普通主轴的回转功能，需要进给功能时通过液压等机构切换到由进给伺服电动机驱动主轴。
(3)有C 轴功能的主．轴电动机。由主轴电动机直接进行定位、分度和进给功能。这种方式省去了附加的传动机构和液压系统，因此结构简单、工作可靠，另外主轴的两种工作方式可以随时切换。
11．答:(1)光栅位置检测装置
光栅用于数控机床作为检测装置，用以测量长度、角度、速度、加速度、振动和爬行等。它是数控机床闭环系统中用得较多的一种检测装置。
(2)旋转编码器是一种旋转式测量装置，通常安装在被测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的角位移转换成增量脉冲形式或绝对式的代码形式。
(3)感应同步器分两种：测量直线位移的称为直线型感应同步器；测量角位移的称为圆型感应同步器。直线型感应同步器由定尺和滑尺组成；圆型感应同步器由转子和定子组成。感应同步器其特点及使用范围和光栅较相似，但和光栅比，它的抗干扰性较强，对环境要求低，机械结构简单，大量程接长方便，加之成本较低，所以虽然精度上不如光栅，但在数控机床检测系统中得以广泛应用。
第八章 典型数控机床电气控制系统分析
1．答: CK160数控车床配备FANUC 全数字交流伺服系统，该伺服系统为半闭环系统。CNC 将位置、速度控制指令以数字量的形式输出至数字伺服系统，数字伺服驱动单元本身具有位置反馈和位置控制功能。CNC 和数字伺服驱动单元采用串行通信的方式。
CNC 与伺服系统之间传递的信息有：位置指令和实际位置，速度指令和实际速度，伺服驱动及伺服电动机参数，伺服状态和报警，控制方式命令。
主轴采用模拟主轴（变频器H1-A1）控制，配置3kw 、2880r/min的交流异步电动机 （H1-M1），这是一个速度开环控制系统。CNC 输出的模拟信号（0～10V ）到变频器13、14端，从而控制电动机的转速，通过设置变频器的参数，实现从最低速到最高速的调速；H1-K1为主轴交流接触器，接通/断开主轴动力电源；主轴上的位置编码器H1-GP 使主轴能与进给驱动同步控制，以便加工螺纹；M3-K3、M3-K4为主轴正反转继电器，通过PLC 实现正反转；M1-K2为急停继电器，当按下急停按钮或X 轴、Z 轴超程时，断开主轴电路；当变频器有异常情况，通过1、2端子输出报警信号到PLC 。
2．答:数控机床系统控制参数大致分为以下5类:
伺服控制参数; 主轴控制参数; 机床行程与坐标参数; 补偿参数; 通信参数.
3．答:数控机床电气调试的步骤是:
(1) 输入参数, 梯形图
(2) 通电试车
1) 在接通电源的同时, 做好急停准备
2) 逐一检查面板各个功能
3) 检查机床各轴运行情况
4) 限位保护设定
5) 检查主轴转速
6) 设定参考点
7) 调试刀架刀号
8) 检查辅助功能及附件是否正常工作
(3) 试运行