國家開放大學(xué)電大?？啤稊?shù)控機(jī)床電氣控制》2025期末試題及答案一、單項(xiàng)選擇題（每小題2分，共20分）1.下列哪項(xiàng)不屬于數(shù)控系統(tǒng)硬件的核心組成部分？A.CNC裝置B.伺服驅(qū)動(dòng)單元C.操作面板D.主軸變頻模塊2.步進(jìn)電機(jī)的步距角θ與下列哪項(xiàng)參數(shù)無關(guān)？A.轉(zhuǎn)子齒數(shù)B.通電方式C.驅(qū)動(dòng)電壓D.運(yùn)行拍數(shù)3.數(shù)控機(jī)床中，PLC的輸入信號(hào)不包括：A.操作面板按鈕信號(hào)B.刀具位置檢測信號(hào)C.伺服電機(jī)編碼器反饋D.急停開關(guān)信號(hào)4.交流伺服系統(tǒng)中，編碼器的主要作用是：A.檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速與位置B.調(diào)節(jié)輸出電壓頻率C.保護(hù)電機(jī)過載D.實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制5.數(shù)控機(jī)床電氣控制柜的接地方式通常采用：A.浮地接地B.單點(diǎn)接地C.多點(diǎn)串聯(lián)接地D.混合接地6.下列關(guān)于數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)的描述，錯(cuò)誤的是：A.分為管理軟件和控制軟件B.插補(bǔ)運(yùn)算屬于控制軟件功能C.診斷程序?qū)儆诠芾碥浖﨑.人機(jī)界面程序獨(dú)立于管理軟件7.直流伺服電機(jī)的調(diào)速方法中，最常用的是：A.改變電樞電壓B.改變勵(lì)磁電流C.改變電樞回路電阻D.改變極對(duì)數(shù)8.數(shù)控機(jī)床主軸準(zhǔn)停功能的實(shí)現(xiàn)，通常需要：A.編碼器+接近開關(guān)B.溫度傳感器C.壓力繼電器D.液位傳感器9.下列哪項(xiàng)不是數(shù)控機(jī)床電氣故障的常見原因？A.電源電壓波動(dòng)B.機(jī)械部件磨損C.PLC程序邏輯錯(cuò)誤D.數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)丟失10.刀庫換刀過程中，PLC輸出信號(hào)不包括：A.刀庫正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)指令B.刀具夾緊/松開指令C.主軸定向完成信號(hào)D.伺服軸移動(dòng)指令二、填空題（每空1分，共20分）1.數(shù)控系統(tǒng)按控制方式可分為開環(huán)、半閉環(huán)和________系統(tǒng)，其中________系統(tǒng)的位置檢測元件安裝在電機(jī)軸或絲杠端。2.步進(jìn)電機(jī)的步距角計(jì)算公式為θ=360°/(mzk)，其中m為________，z為________，k為通電方式系數(shù)。3.交流伺服電機(jī)的控制方式主要有轉(zhuǎn)矩控制、________和________三種模式。4.數(shù)控機(jī)床PLC的輸入信號(hào)分為________輸入（如操作面板按鈕）和________輸入（如傳感器信號(hào)）。5.數(shù)控系統(tǒng)的核心功能包括________、________、刀具補(bǔ)償和位置控制。6.主軸變頻調(diào)速系統(tǒng)中，常用的變頻技術(shù)有________和________，其中________技術(shù)的調(diào)速精度更高。7.數(shù)控機(jī)床電氣原理圖中，強(qiáng)電回路主要包括________、________和執(zhí)行元件（如接觸器、繼電器）。8.電氣故障診斷的基本步驟為：________→分析可能原因→________→驗(yàn)證排除。9.刀架換刀的典型流程為：________→刀架抬起→________→刀架定位→________→刀架鎖緊。三、判斷題（每小題1分，共10分。正確打“√”，錯(cuò)誤打“×”）1.開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)沒有位置檢測裝置，因此精度最高。（）2.交流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子通常采用永磁材料，無需勵(lì)磁電流。（）3.PLC的掃描周期僅包括輸入采樣階段和輸出刷新階段。（）4.數(shù)控機(jī)床的接地電阻應(yīng)小于4Ω，以保證抗干擾能力。（）5.主軸定向功能是為了確保刀具交換時(shí)的準(zhǔn)確定位。（）6.步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，與步距角無關(guān)。（）7.數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)丟失后，只需重新啟動(dòng)即可恢復(fù)。（）8.電氣控制柜內(nèi)的接觸器主觸點(diǎn)用于控制弱電信號(hào)，輔助觸點(diǎn)用于控制強(qiáng)電負(fù)載。（）9.閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置檢測元件直接測量工作臺(tái)的實(shí)際位置。（）10.刀庫換刀時(shí)，若PLC未接收到“主軸定向完成”信號(hào)，換刀流程會(huì)停止等待。（）四、簡答題（每小題6分，共30分）1.簡述數(shù)控系統(tǒng)的組成及各部分的功能。2.比較步進(jìn)電機(jī)與交流伺服電機(jī)的特點(diǎn)，說明各自適用場景。3.數(shù)控機(jī)床中PLC與CNC的通信方式有哪些？分別簡述其工作原理。4.畫出閉環(huán)伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，并說明各環(huán)節(jié)的作用。5.列舉三種常見的數(shù)控機(jī)床電氣故障現(xiàn)象，并分析可能的原因。五、綜合分析題（20分）某數(shù)控車床出現(xiàn)“刀架無法鎖緊”故障，現(xiàn)象為：刀架換刀時(shí)能正常抬起、旋轉(zhuǎn)、定位，但鎖緊電磁閥無動(dòng)作，系統(tǒng)報(bào)警“刀架未鎖緊”。結(jié)合電氣控制原理，完成以下分析：（1）畫出刀架鎖緊控制的電氣原理圖（包含PLC輸入/輸出信號(hào)、傳感器、執(zhí)行元件）；（2）列出可能的故障原因（至少5項(xiàng)）；（3）設(shè)計(jì)故障排查步驟（從易到難）。參考答案一、單項(xiàng)選擇題1.C2.C3.C4.A5.B6.D7.A8.A9.B10.C二、填空題1.閉環(huán)；半閉環(huán)2.相數(shù)；轉(zhuǎn)子齒數(shù)3.速度控制；位置控制4.操作；檢測5.輸入處理；插補(bǔ)運(yùn)算6.交-直-交變頻；交-交變頻；交-直-交7.電源模塊；主電路開關(guān)（如斷路器、熔斷器）8.觀察故障現(xiàn)象；檢測確認(rèn)故障點(diǎn)9.主軸停轉(zhuǎn)；刀架旋轉(zhuǎn)；刀具到位檢測三、判斷題1.×2.√3.×4.√5.√6.×7.×8.×9.√10.√四、簡答題1.數(shù)控系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成：-硬件：包括CNC裝置（核心，完成數(shù)據(jù)運(yùn)算與控制）、輸入/輸出設(shè)備（如操作面板、顯示器，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互）、伺服驅(qū)動(dòng)單元（將CNC指令轉(zhuǎn)換為電機(jī)動(dòng)作）、位置檢測裝置（反饋位置/速度信號(hào)）。-軟件：分為管理軟件（如輸入處理、顯示、診斷）和控制軟件（如插補(bǔ)運(yùn)算、位置控制、刀具補(bǔ)償），通過程序?qū)崿F(xiàn)邏輯控制與運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。2.步進(jìn)電機(jī)：開環(huán)控制，無反饋；步距角固定，精度較低；低速扭矩大，高速易失步；成本低。適用于精度要求不高、低速短行程場景（如小型雕刻機(jī)）。交流伺服電機(jī)：閉環(huán)控制，編碼器反饋；調(diào)速范圍寬，精度高（可達(dá)0.001mm）；動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，過載能力強(qiáng)；成本高。適用于高精度、高速、復(fù)雜軌跡加工（如數(shù)控機(jī)床進(jìn)給軸）。3.通信方式及原理：-并行I/O通信：通過硬接線連接CNC的I/O接口與PLC的I/O模塊，信號(hào)以開關(guān)量形式傳輸（如“啟動(dòng)”“急?！毙盘?hào)），實(shí)時(shí)性高但線路復(fù)雜。-串行通信：通過RS-485或現(xiàn)場總線（如Profibus）傳輸數(shù)據(jù)，CNC與PLC按協(xié)議交換模擬量或數(shù)字量（如刀具號(hào)、主軸轉(zhuǎn)速），減少接線但需配置通信參數(shù)。-內(nèi)存共享：CNC與PLC共享部分存儲(chǔ)區(qū)（如D寄存器），PLC直接讀取CNC的狀態(tài)數(shù)據(jù)（如當(dāng)前坐標(biāo)）或?qū)懭肟刂浦噶睿ㄈ邕M(jìn)給倍率），效率最高但需軟件協(xié)同設(shè)計(jì)。4.閉環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖：輸入指令→位置控制器→伺服驅(qū)動(dòng)器→伺服電機(jī)→機(jī)械傳動(dòng)→工作臺(tái)→位置檢測元件→反饋比較→誤差信號(hào)。各環(huán)節(jié)作用：位置控制器（計(jì)算指令與反饋的誤差）；伺服驅(qū)動(dòng)器（放大信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)）；位置檢測元件（實(shí)時(shí)測量工作臺(tái)位置）；反饋比較（將實(shí)際位置與指令位置對(duì)比，修正誤差）。5.常見故障及原因：-故障1：伺服電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)。可能原因：驅(qū)動(dòng)器電源故障；電機(jī)編碼器斷線；控制信號(hào)（如脈沖/方向）未輸出；電機(jī)繞組短路。-故障2：主軸無法變速?？赡茉颍鹤冾l器參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤；PLC未輸出變速指令；主軸編碼器反饋異常；變速接觸器觸點(diǎn)燒蝕。-故障3：系統(tǒng)黑屏無顯示?？赡茉颍猴@示器電源故障；CNC裝置主板損壞；連接電纜接觸不良；系統(tǒng)軟件崩潰（如病毒感染）。五、綜合分析題（1）刀架鎖緊控制電氣原理圖（簡化）：-PLC輸入信號(hào)：刀架定位到位信號(hào)（接近開關(guān)S1）、鎖緊完成信號(hào)（壓力傳感器S2）。-PLC輸出信號(hào)：鎖緊電磁閥YV1（控制液壓/氣壓）、報(bào)警指示燈HL1。-執(zhí)行元件：鎖緊電磁閥YV1（得電時(shí)推動(dòng)鎖塊）、壓力傳感器S2（檢測鎖緊壓力）。（2）可能故障原因：①PLC輸出點(diǎn)YV1損壞（無電壓輸出）；②鎖緊電磁閥YV1線圈燒毀（電阻無窮大）；③刀架定位接近開關(guān)S1故障（未發(fā)送“定位到位”信號(hào)至PLC）；④鎖緊油路/氣路堵塞（電磁閥動(dòng)作但無壓力）；⑤PLC程序邏輯錯(cuò)誤（未在定位后觸發(fā)YV1輸出）；⑥壓力傳感器S2線路斷線（PLC未接收到“鎖緊完成”反饋）。（3）故障排查步驟（從易到難）：①檢查PLC輸出點(diǎn)YV1的指示燈：若不亮，用萬用表測輸出端電壓（DC24V），確認(rèn)是否有信號(hào)；若有電壓無動(dòng)作，進(jìn)入②；若無電壓，檢查PLC程序是否觸發(fā)輸出。②檢查鎖緊電磁閥YV1線圈電阻（正常約50-200Ω），若無窮大則更換電磁閥；若電阻正常，進(jìn)入③。③手動(dòng)觸發(fā)刀架定位（模擬S1信號(hào)），觀察P