中国石油大学（北京）远程教育学院
期末考试
《 数控技术 》
学习中心：_______姓名：________学号：_______
关于课程考试违规作弊的说明
1、提交文件中涉嫌抄袭内容（包括抄袭网上、书籍、报刊杂志及其他已有论文），带有明显外校标记，不符合学院要求或学生本人情况，或存在查明出处的内容或其他可疑字样者，判为抄袭，成绩为“0”。
2、两人或两人以上答题内容或用语有50%以上相同者判为雷同，成绩为“0”。
3、所提交试卷或材料没有对老师题目进行作答或提交内容与该课程要求完全不相干者，认定为“白卷”或“错卷”，成绩为“0”。
一、题型
1、简答题，4题，每题15分，共60分；
2、论述题，1题，每题40分，共40分。
二、题目
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A卷：学号尾号为单号的答A卷
1、简答题
1）、比较开环、闭环、半闭环数控机床在位置检测装置、控制精度和应用领域上的不同。
2）、什么是刀具半径补偿？B刀补和C刀补有何区别？
3）、逐点比较插补包含几步？各步有何作用？
4）、请分别解释步进电动机的步距角、静态步距误差、启动频率、最高工作频率、频矩特性的含义。
2、论述题
通过自主调研，以“开放式数控体系”为主题，阐明其概念、研究背景、研究内容及研究难点。
B卷：学号尾号为双号的答B卷
1、简答题
1）、什么是插补？脉冲增量插补和数据采样插补有何区别？
在机床运动过程中，为了实现轮廓控制，数控系统必须根据零件轮廓的曲线形式和进
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给速度的要求，实时计算出介于轮廓起点和终点之间的所有折线端点的坐标(a1、 a2、a3、.. )，这种实时运算操作就是插补运算。
所谓插补，就是根据零件轮廓的几何形状、几何尺寸以及轮廓加工的精度要求和工艺要求，在零件轮廓的起点和终点之间插入- -系列中间点(折线端点)的过程，即所谓“数据点的密化过程”，其对应的算法称为插补算法。
1、脉冲增量插补算法
通过向各个运动轴分配驱动脉冲来控制机床坐标轴相互协调运动，从而加工出一定轮廓形状的算法。
2、数据采样插补算法
根据数控加工程序所要求的进给速度，按照插补周期的大小，先将零件轮廓曲线分割为-系列首尾相接的微小直线段，然后输出这些微小直线段所对应的位置增量数据，控制伺服系统实现坐标轴进给。
采用数据采样插补算法时，每调用一次插补程序，数控系统就计算出本插补，周期内各个坐标轴的位置增量以及各个坐标轴的目标位置。
随后伺服位置控制软件将把插补计算求得的坐标轴位置与采样获得的坐标轴实际位置进行比较求得位置跟踪误差，然后根据当前位置误差计算出坐标轴的进给速度并输出给驱动装置，从而驱动移动部件向减小误差的方向运动。
2）、数控机床的位置控制系统有什么作用？比较鉴相式和鉴幅式位控系统在控制原理
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和结构组成上的不同。
位置控制系统的作用：控制机床刀具或工作台精确移动，达到改变工件形状，加工出合格产品的目的。数控机床的位置控制系统是用来实现数控机床的主要功能的，没有位置控制系统，数控机床就变成普通机床，需要人工去控制它加工产品了。
答:主要介绍嵌入式实时操作系统VxWorks在随动控制中的应用采用伪微分反馈控制算法,使用PCI-171...PC机和PCI-1711数据采集卡作为随动控制系统中的控制器，光电编码器作为反馈信号测量单元:功率放大器作为能量提供单元，力矩电机作为执行机构。
3）、数控机床的自动换刀装置有哪些形式？比较它们在应用领域、换刀时间、容纳刀具数、刀具选择方式上的不同。
各类数控机床的自动换刀装置的结构取决于机床的形式、工艺范围以及刀具的种类和数量等，主要可以分为以下几种形式
①回转刀架换刀
数控机床上使用的回转刀架是一种最简单的自动换刀装置，根据加工对象的不同，可以设计成四方刀架和六角刀架等多种形式，分别安装着四把、六把或更多的刀具，并按数控装置的指令换刀。回转刀架的结构上必须具有良好的强度和刚性，以承受粗加工时的切削抗力，由于车削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置，而加工工程中对刀尖位置一般不进行人工调整，因此更有必要选择可靠地定位方案和合理的定位结构，以保证回转刀架在每次转位之后，具有尽可能高的重复定位精度
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回转刀架的全部动作由液压系统通过电磁换向阀和顺序阀进行控制，他的动作分为四个步骤：刀架抬起。刀架转位。刀架压紧。转位油缸复位
回转刀架除了采用液压缸驱动转位和定位销定位以外，还可以采用电机/马氏机构转位和鼠齿定位，以及其他转位和定位机构。
②更换主轴头换刀
在带有旋转刀具的数控机床中，更换主轴头是一种比较简单的换刀方式，主轴头通常有卧式和立式两种，而且常用砖塔的转位来更换主轴头，以实现自动换刀，在砖塔的各个主轴头上，预先安装有各工序所需要的旋转刀具，当发出换刀指令时，各主轴头依次的转到加工位置，并接通主运动，使相应的主轴带动刀具旋转，而其他处于不加工位置上的主轴都与主运动脱开。
由于空间位置的限制，主轴部件的结构不可能设计的十分坚实，因为影响了主轴系统的刚度，为了保证主轴的刚度，主轴的数目必须加以限制，否则将会使结构尺寸大为增加。砖塔主轴头换刀方式的主要优点在于省去了自动松夹、卸刀、装刀、夹紧以及刀具搬运等一系列复杂的操作，从而提高了换刀的可能性，并显著的缩短了换刀时间，但由于结构上的原因，砖塔主轴头通常只适用于工序较少，精度要求不太敢的数控机床，如数控钻床等。
③带刀库的自动换刀系统
带刀库的自动换刀系统由刀库和刀具交换装置如机械手等组成，目前他是多工序数控机床上应用最为广泛的换刀方法
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整个换刀过程较为复杂，首先把加工过程中需要使用的全部刀具分别安装在标准的刀柄上，在机外进行尺寸育调整之后，按一定的方式放入刀库，换刀时先在到库中进行选刀，并由刀具交换装置分别动刀库和主轴上取出刀具，在进行刀具交换之后，将新道具装入主轴，把就刀具放回刀库。存放刀具的刀库具有较大的容量，它既可安装在主轴箱的侧面或上方，也可作为单独部件安装的机床以外，并有搬运装置运动刀具。
带刀库的自动换到数控机床主轴箱与砖塔主轴头相比较，由于主轴箱内只有一个主轴，设计主轴部件时就有可能充分增强它的刚度，因而能够满足精密加工的要求，另外刀库可以存放数量很大的刀具，因为能够进行复杂零件的多工序加工，这样就明显的提高了机床的适应性和加工效率。所以带刀库的自动换刀装置特别适用于数控钻、铣、镗床。但这种换刀方式的整个过程动作较多，换刀时间长，系统较为复杂，降低了工作可靠性。
4）、数控编程的内容有哪些？请分别予以说明。
答:在数控机床上加工零件，首先应根据零件图样进行工艺分析、处理，编制数控加工工艺，然后再能编制加工程序。整个加工过程是自动的。它包括的内容有机床的切削用量、工步的安排、进给路线、加工余量及刀具的尺寸和型号等。
数控编程包括的主要内容有:
1、分析零件图样,确定工艺过程。
2、数值处理。
3、编写零件加工程序单。
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4、制作程序介质并输入程序信息。
5、程序校检和试切削。
数控编程的方法有两种:手工编程和自动编程。
2、论述题
通过自主调研，以“虚拟制造”为主题，阐明其概念、研究背景、研究内容及研究难点。
虚拟制造(VM,Virtual Manufacturing)是实际制造在计算机上的本质实现,是计算机仿真技术和虚拟现实技术在制造领域的综合发展及应用,是企业以信息集成为基础的一种新的制造哲理。虚拟制造技术的广泛应用将从根本上改变现行的制造模式,将带来企业组织、企业管理及生产方式等多方面的变化,对相关行业也将产生巨大影响,是下一代制造技术的重要内容之一。可以说虚拟制造技术决定着企业的未来,也决定着制造业在竞争中能否立于不败之地。
一、虚拟制造产生的背景
在经济全球化、贸易自由化和社会信息化的新形势下,世界市场由过去传统的相对稳定逐步演变成动态多变的特征,由过去的局部竞争演变成全球范围内的竞争;同行业之间、跨行业之间的相互渗透、相互竞争日益激烈,因此,制造业的经营战略发生了很大变化,TQCS成为现代制造企业适应市场需求、提高竞争力的关键因素。即以最快的上市速度(T—Time to Market)、最好的质量(Q—Quality)、最低的成本(C—Cost)、最优的服务(S—Service)来
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满足不同顾客的需求。
与此同时,信息技术取得了迅速发展,特别是计算机技术、计算机网络技术、信息处理技术等取得了人们意想不到的进步。进入九十年代以来,技术更新的速度明显加快,新兴知识转化成生产力推动力量的时间间隔越来越短。如何利用新技术所提供的机遇,抓住用户需求,以最短的时间开发出用户能够接受的产品,已成为市场竞争的焦点。
多年来的实践证明,将信息技术应用于制造业,进行传统制造业的改造,是现代制造业发展的必由之路。自70年代以来,CAD技术是众多计算机应用技术中推广应用最为深入和最为广泛的专业应用领域之一,特别在制造业中的影响力更为突出。80年代初,以信息集成为核心的计算机集成制造系统(CIMS,Co mputer Integrated Manufacturing System)开始得到实施;80年代末,以过程集成为核心的并行工程(C E,Concurrent Engineering)技术进一步提高了制造水平;进入90年代,先进制造技术进一步向更高水平发展,出现了虚拟制造、精益生产(LP,Lean Production)、敏捷制造(AM,Agile Manufacturing)、虚拟企业(VE,Virtual Enterprise)等新概念。
尽管各种新的制造概念的侧重点不同,但都无一例外地强调了充分利用现代信息技术的成果。但是,当人们试图利用信息技术工具解决制造系统的问题时,必然会遇到制造系统和信息系统之间的“语义鸿沟”(Semantic gap)。也就是说,必须解决如何用信息工具描述制造系统、处理制造活动,如何在信息世界完整地再现真实的制造系统等等。
虚拟制造是沟通信息系统与制造系统的桥梁,为沟通信息技术与制造系统间的“语义鸿沟”提供了有效的工具和环境,它能够提供给我们有效的制造系统及制造活动信息化方法,使制造系统的产品及其制造过程数字化,以便计算机系统处理。
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因此,在这些诸多新概念中,“虚拟制造”引起了人们的广泛关注,不仅在科技界,而且在企业界,已经成为研究和应用的热点之一。
二、国内研究概况
近几年来,虚拟制造技术也引起我国科技工作者的关注,据不完全统计,目前全国已有34家科研机构、高等院校和企业正在开展VM技术方面的研究。国家863/CIMS主题组也将“制造系统的可视化、虚拟建模与仿真”确定为研究重点。国家自然科学基金也有专门的研究课题。国内以清华大学、上海交大为主的高等院校正在开展基础技术研究,正处于理论体系初步研究阶段。其中清华大学CIMS工程研究中心虚拟制造研究室是国内最早开展虚拟制造研究的机构之一,目前该中心正在建立支持产品生产全过程的虚拟制造平台。
国内的研究主要集中在四个方面:
1.虚拟制造基础研究
虚拟制造涉及的技术领域极其广泛,从产品建模、过程建模、可交换数据模型到分布式仿真、离散事件仿真、面向对象方法、人工智能、虚拟现实及计算机网络技术等等。这些技术构成了虚拟制造的技术基础。当然,有些技术并非虚拟制造所特有,相关研究已经展开和应用。在虚拟制造概念下,这些技术也具有了新的内涵,虚拟制造技术也不是各单项技术的简单组合,而是在相关理论和已积累知识的基础上对制造知识的系统化组织,需要进一步深化。清华大学CIMS中心提出了支持虚拟制造的产品元建模方法,为产品生命周期的各阶段分析与评价提供了可供操作的模型支持。
2.产品虚拟设计技术
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主要包括虚拟产品开发平台、虚拟测试、虚拟装配以及机床、模具的虚拟设计实现等。其中清华大学在国家863/CIMS主题重大关键技术攻关项目的支持下,开展了剑杆织机的虚拟产品开发,进行了剑杆织机的三维数字建模及产品性能分析、加工过程仿真、虚拟装配技术等技术的研究与应用,并建立了具有相当共性的支持创新设计的虚拟产品开发环境,其成果获得2000年度国家科技进步二等奖;北京机械科学研究院采用C语言和OpenGL进行编程初步实现了立体停车库的虚拟现实下的参数化设计,可以直观地进行车库的布局、设计、分析和运动模拟。
3.产品虚拟加工技术
主要包括材料热加工工艺模拟、加工过程仿真、板材成型模拟、模具制造仿真等。清华大学国家CIMS 中心开发的加工过程仿真系统作为863/CIMS目标产品已在多个企业得到成功的应用,北航与一汽用O PTRIS开发的板料成型软件已经基本能够模拟类似车门的中等复杂程度的汽车覆盖件和其他冲压成型件的冲压成型过程;沈阳铸造研究所开发的电渣熔铸工艺模拟软件包ESRD3D已经应用于水轮发电机变曲面过流部件生产中,其产品在刘家峡、李家峡、天生桥、太平役等7个电站中使用;合肥工业大学研制的双刀架数控车床加工过程模拟软件已经在马鞍山钢铁股份有限公司车轮轮箍厂应用,使数控程序现场调试时间由几个班缩短到几小时,并保证一次试切成功;北京机床研究所、机械科学研究院、东北大学、上海交大和长沙铁道学院等单位也研制出一些这方面的仿真软件。
4.虚拟制造系统
主要包括虚拟制造技术的体系结构、技术支持、开发策略等。其中提出了比较成熟的思想并可能实现的是由上海同济大学张曙教授提出的分散网络化生产系统和西安交通大学谢友柏院士组建的异地网络化研究中心。清华大学CIMS工程中心提出了基于产品数据管
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理(PDM)集成的虚拟制造体系结构。它包括虚拟加工平台、虚拟生产平台、虚拟企业平台,分别对产品的“可加工性”、“可生产性”和“可合作性”进行决策支持。上海交通大学提出了基于界面层、控制层、应用层、活动层、数据层五层协议的虚拟制造体系结构。
三、关于发展我国虚拟制造技术的建议
虚拟制造的概念是基于信息技术对传统制造业改造的需要及若干企业的初步实践于1993年首先由美国提出的。我国清华大学国家CIMS工程技术研究中心从1996年开始进行跟踪研究,随后863计划立项进行了技术攻关研究,取得了初步进展。
我国虚拟制造技术与先进工业发达国家的主要差距表现在;
(1)虚拟制造研究开发环境缺乏总体规划,资源分散、利用率低
(2)缺乏支持虚拟制造的国产化软件
(3)缺乏既懂专业又懂计算机、既懂设计又懂工艺的复合型人才
(4)企业需求日趋旺盛,但企业信息化基础薄弱
(5)投资强度不够,缺乏能全面支持虚拟制造的大型研究与开发中心
为了加快我国的现代化,就必须加速科学技术现代化。在贯彻江泽民总书记“用信息化带动工业化”的过程中,必须大力发展虚拟制造技术,为提高原创性能力,提高产品的技术含量,加速产品结构调整,提供强有力的技术支持手段,争取用10~15年左右的时间,使我国的主要制造业能赶上工业发达国家的水平
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三、要求
1、简答题答题格式：根据教材内容，把需要回答的内容全部答出。
2、论述题答题格式：（以“开放式数控体系”为例）：
1）概念阐述：（回答“什么是开放式数控体系？”）
2）研究背景：（回答“为什么提出开放式数控体系？开放式数控体系用于解决什么问题？”）
3）研究内容：（回答“开放式数控体系的研究内容有哪些？”）
4）研究难点：（回答“在开放式数控体系的研究内容中，研究难点有哪些？目前都有什么方法可以解决这些难点？”）
四、评分标准
A卷简答题（60分）
1）、在位置检测装置、控制精度、应用领域上的不同各5分。
2）、刀具半径补偿的概念5分，B刀补和C刀补的区别10分。
3）、逐点比较插补的步骤5分，各步的作用10分。
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4）、步距角、静态步距误差、启动频率、最高工作频率、频矩特性的含义各3分。
B卷简答题（60分）
1）、插补的概念5分，脉冲增量插补和数据采样插补的区别10分。
2）、数控机床的位置控制系统的作用5分，鉴相式和鉴幅式位控系统在控制原理和结构组成上的不同各5分。
3）、数控机床自动换刀装置的形式3分，它们在应用领域、换刀时间、容纳刀具数、刀具选择方式上的不同各3分。
4）、数控编程的任务5分，内容10分。
论述题（40分）：
1）概念阐述：（10分）
2）研究背景：（10分）
3）研究内容：（10分）
5）研究难点：（10分） .
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