北京开放大学数控机床电气控制期末考试试卷与参考答案

北京开放大学《数控机床电气控制》期末考试学习笔记

一、课程概述与考试重点

1. 课程核心内容

本课程主要围绕数控机床的电气控制系统展开，涵盖以下核心知识点：

- PLC基础：可编程逻辑控制器的组成、编程语言（如梯形图、指令表）、典型控制功能。

- 伺服驱动系统：伺服电机的工作原理、驱动器参数设置、位置环与速度环控制。

- 数控系统结构：CNC装置、输入输出接口、总线通信技术（如RS-232、Profibus）。

- 电气控制电路：主电路设计、控制电路逻辑、典型机床动作的电气实现（如刀具更换、冷却系统控制）。

- 传感器与反馈系统：编码器、光栅尺、温度传感器在数控机床中的应用。

- 故障诊断与维护：常见电气故障类型、诊断流程、典型问题解决方案。

2. 考试形式与题型分布

- 选择题（30%）：考察基本概念和原理。

- 填空题（20%）：验证对关键术语和参数的记忆。

- 简答题（25%）：分析系统结构或工作原理。

- 计算题（15%）：涉及电气参数（如电流、功率）或伺服系统控制算法。

- 案例分析题（10%）：解决实际故障或设计简单控制逻辑。

二、典型例题解析与参考答案

1. 选择题

题目：数控机床中，PLC的输入模块通常用于采集以下哪种信号？

A. 伺服电机转速

B. 操作面板按钮状态

C. 主轴温度

D. 刀具磨损程度

答案：B

解析：

- PLC的输入模块主要接收开关量信号（如按钮、行程开关），而模拟量信号（如温度、转速）需通过专门的模拟量输入模块或传感器转换后接入。

- 关键点：区分数字量与模拟量信号的输入方式。

2. 填空题

题目：数控机床的伺服系统通常包含____环、____环和____环的三级控制。

答案：位置、速度、电流

解析：

- 伺服系统通过位置环控制机床运动轨迹，速度环调节电机转速，电流环优化电机扭矩输出，形成闭环控制体系。

3. 简答题

题目：简述数控机床中变频器的主要功能及工作原理。

参考答案：

- 功能：

1. 调节电机转速，实现主轴无级变速；

2. 提供过载、过流保护，确保系统安全；

3. 支持正反转控制及精确的速度反馈。

- 工作原理：

变频器通过将工频交流电（50Hz）转换为可调节频率的交流电，改变电机的供电频率，从而控制主轴电机的转速。其核心是交-直-交逆变过程，利用IGBT等功率器件实现频率调节，并通过编码器反馈形成闭环控制。

4. 计算题

题目：某数控机床伺服电机额定功率为2.2kW，额定电压380V，额定电流为5A。若负载转矩增加至额定转矩的150%，计算此时电机的输出电流（假设效率为85%）。

解答步骤：

1. 额定转矩计算：

\( T_{\text{额定}} = \frac{P_{\text{额定}} \times 9550}{n_{\text{额定}}} \)

（假设额定转速\( n_{\text{额定}} = 3000 \text{rpm} \)）

\( T_{\text{额定}} = \frac{2200 \times 9550}{3000} \approx 7033 \text{N·m} \)

2. 负载转矩：

\( T_{\text{负载}} = 1.5 \times T_{\text{额定}} = 1.5 \times 7033 = 10549.5 \text{N·m} \)

3. 电流计算：

\( I_{\text{输出}} = \frac{T_{\text{负载}}}{T_{\text{额定}}} \times I_{\text{额定}} \times \frac{1}{\eta} \)

（\( \eta = 0.85 \)为效率）

\( I_{\text{输出}} = \frac{10549.5}{7033} \times 5 \times \frac{1}{0.85} \approx 9.06 \text{A} \)

答案：约9.06A

5. 案例分析题

题目：某数控机床在加工过程中出现主轴电机无法启动的问题，请分析可能原因并提出诊断步骤。

参考答案：

- 可能原因：

1. 电源故障（如断路器跳闸、接触器未吸合）；

2. PLC输出信号异常（如继电器损坏、程序逻辑错误）；

3. 变频器参数设置不当或故障；

4. 电机本身故障（如绕组短路、编码器失效）；

5. 安全保护触发（如急停按钮未复位、过载保护动作）。

- 诊断步骤：

1. 检查电源：确认变频器输入电压是否正常；

2. PLC状态诊断：通过示教器查看PLC输出点是否带电，检查程序是否有逻辑错误；

3. 变频器参数复核：确认频率给定方式、电机参数（如额定电流）是否匹配；

4. 电机测试：使用万用表测量电机绕组阻值，检查编码器信号；

5. 安全回路排查：检查急停按钮、门限位开关等安全信号是否正常。

三、重点难点总结

1. PLC编程逻辑

- 梯形图（LD）：需掌握触点串联/并联、定时器（TON）、计数器（CTU）的使用。

- 故障案例：若机床刀库无法选刀，可能是PLC未接收到刀具位置信号或程序中的互锁逻辑错误。

2. 伺服系统控制

- 位置环控制：通过比较指令位置与反馈位置的误差，调整速度环输出。

- 参数设置要点：增益（Gain）过高可能导致振荡，过低则影响响应速度；需根据电机特性调整。

3. 电气控制电路设计

- 典型电路：

- 主电路：包含接触器、断路器、变频器等大功率元件；

- 控制电路：通过继电器、PLC实现逻辑控制（如冷却泵启动条件：主轴旋转或手动模式）。

- 安全保护：急停、超程、过载等保护电路需优先设计。

四、高频考点与复习建议

1. 高频考点

- PLC与数控系统接口：输入输出信号定义（如X000为启动按钮，Y001为电机启动信号）。

- 伺服驱动与进给系统：进给速度与脉冲当量的关系，闭环控制的稳定性分析。

- 总线通信：Profibus-DP的主从站配置、通信协议的基本概念。

2. 复习建议

- 重点记忆：

- PLC编程指令（如LD、AND、OR、NOT）；

- 伺服系统参数（如PID调节参数、电子齿轮比）；

- 常见电气符号（如接触器KM、继电器KA）。

- 实践结合：

- 通过仿真软件（如TIA Portal）练习PLC程序调试；

- 分析实际机床电路图，理解主轴、进给、冷却系统的联动逻辑。

- 错题整理：

- 针对易混淆概念（如步进电机与伺服电机的区别）反复强化。

五、模拟试题与答案

1. 简答题

题目：解释数控机床中“电子齿轮比”的作用。

答案：

- 电子齿轮比用于协调主轴电机与进给电机的同步关系，通过设定两者的转速比例