第1章 绪论 思考题
1. 数控技术包括哪些内容？
答：数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，是现代化工业生产中的一门新型的发展十分迅速的高技术。数控技术包括数控系统、数控机床及外围技术：
2. 数控机床是如何进行工作的？
答：数控机床的工作过程，即加工零件的过程，如下图所示：
（1） 根据被加工零件图中所规定的零件的形状、尺寸、材料及技术要求等，制定工件加工的工艺过程，刀具相对工件的运动轨迹、切削参数以及辅助动作顺序等，进行零件加工的程序设计；
（2） 用规定的代码和程序格式编写零件加工程序单；
（3） 按照程序单上的代码制备控制介质（制作穿孔带、磁盘等）；
（4） 通过输入装置把变为数字信息的加工程序输入给数控系统；
（5） 启动机床后，数控系统根据输入的信息进行一系列的运算和控制处理，将结果以脉冲
形式送往机床的伺服机构。（如步进电机、直流伺服电机、电液脉冲马达等）；
（6） 伺服机构驱动机床的运动部件，使机床按程序预定的轨迹运动，从而加工出合格的零件。
3. 叙述数控机床的分类特点。
答：机床数控系统的种类很多，为了便于了解和研究，可从不同的角度对其进行分类。
（1）按照机床的运动轨迹可把机床数控系统分为三大类：
点位控制系统，直线切削控制系统，连续切削控制系统。
（2）伺服系统包括驱动机构和机床移动部件，它是数控系统的执行部分按其控制原理可分为以下三类：开环控制系统，半闭环控制系统，闭环控制系统。
（3）按照数控系统的功能水平，数控系统可以分为：经济型（低档型）、普及型（中档型）和高档型数授系统三种。
（4）按工艺用途分类：金属切削类数控机床，金属成型类数控机床，数控特种加工机床，其它类型的数控机床
（5）按所用数控装置的构成方式分类：硬线数控系统，软线数控系统。
4. 数控技术发展趋势是什么？
答：当前世界上数控技术及其装备的发展呈现如下发展趋势
以数字化为特征数控机床是柔性化制造系统和敏捷化制造系统的基础装备数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征；而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。
(1) 高速、高精密化
新一代数控机床（含加工中心）只有通过高速化大幅度缩短切削工时才可能进一步提高其生产率。超高速加工特别是超高速铣削与新一代高速数控机床特别是高速加工中心的开发应用紧密相关。依靠快速、准确的数字量传递技术对高性能的机床执行部件进行高精密度、高响应速度的实时处理，还由于新产品更新换代周期加快，模具、航空、军事等工业的加工零件不但复杂而且品种增多。
效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精度加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。
从精密加工发展到超精密加工（特高精度加工），是世界各工业强国致力发展的方向。
(2) 高可靠性
高可靠性是指数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性在一个数量级以上，但也不是可靠性越高越好，仍然是适度可靠，因为是商品，受性能价格比的约束。
在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值已达6 000h以上，伺服系统的MTBF值达到30000h以上，表现出非常高的可靠性。=
(3) 数控机床设计CAD化
随着计算机应用的普及及软件技术的发展，CAD技术得到了广泛发展，CAD不仅可以替代人工完成浩繁的绘图工作，更重要的是可以进行设计方案选拔和大件整机的静、动态特性的分析，计算、预测和优化没汁，可以对整机各工作部件进行动态模拟仿真。在模快化的基础上在设汁阶段就可以看到产品的三维几何模型和逼真的色彩。采用CAD，还可以大大提高上作效率。提高设计的一次成功率，从而缩短试制周期，降低成本，增加产品的市场竞争能力。
(4) 智能化、网络化、柔性化、集成化
21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。
数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。
数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点（数控单机、加工中心和数控复合加工机床）、线（FMC、FMS、FTL、FML）向面（工段车间独立制造岛、FA）、体（CIMS、分布式网络集成制造系统）的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。
(5) 开放性
为适应数控进线、联网、普及型个性化、多品种、小批量、柔性化及数控迅速发展的要求，最重要的发展趋势是体系结构的开放性，设计生产开放式的数控系统。
(6) 工序集约化
是指在一台机床上能加工完毕一个零件的所有工序，五面体镗铣加工中心就是其中典型的例子。工序集约化不仅提高了工艺的有效性，由于零件在整个加工过程中只有一次装卡，工序间的加工余量大为减少，加工的精度更容易获得保证。
采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅降低粗糙度，而且效率也大幅度提高。一般认为，1台5轴联动机床的效率可以等于2台3轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，5轴联动加工可比3轴联动加工发挥更高的效益。
(7) 重视新技术标准、规范的建立
开放式数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，美国、欧共体和日本等国纷纷实施战略发展计划，并进行开放式体系结构数控系统规范(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定，世界3个最大的经济体在短期内进行了几乎相同的科学计划和规范的制定，预示了数控技术的一个新的变革时期的来临。我国在2000年也开始进行中国的ONC数控系统的规范框架的研究和制定。
数控标准是数控技术进步遵循的规则。数控技术诞生后的50年间的信息交换都是基于
ISO6983标准，即采用G，M代码描述加工过程，但它已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。为此，国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649（STEP－NC)。
5. 数控编程技术发展趋势是什么？
答：随着制造系统的日益复杂化以及计算机、通信及传感技术的迅猛发展，使得现代制造控制系统的结构逐渐趋于分布化；计算机网络为数字制造信息的传递、制造资源的共享、制造系统的优化运作提供了重要条件。基于信息技术、自动化技术、人工智能的现代制造系统的自治性、可重构性、自适应性等智能特征越来越明显。
日本、欧盟、美国等发达国家认为具有智能特征的制造系统（IMS）将可能成为下一代制造系统（NGMS）的重要模式。
数控技术正在从专用结构向开放体系架构发展；从被动控制向主动智能方向发展；从简单的几何加工仿真向实时工况集成监控和物理建模仿真优化方向发展；传统的数控编程G/M代码加工数据流控制模式向产品数据模型直接驱动模式转化。
第7章 数控机床结构思考题及答案
7-1 数控机床的机械结构有哪些特点?
答：数控机床作为一种高速、高效和高精度的自动化加工设备，由于其控制系统功能强大，使机床的性能得到大大提高。部分机械结构日趋简化，新的结构、功能部件不断涌现，使得其机械结构和传统的机床相比，有了明显的改进和变化，主要体现在以下几个方面：
（1）结构简单、操作方便、自动化程度高
数控机床需要根据数控系统的指令，自动完成对进给速度、主轴转速、刀具运动轨迹以及其他机床辅助功能(如自动换刀、自动冷却等)的控制。
（2）高的静、动刚度及良好的抗振性能
（3）采用高效、高精度无间隙传动装置
数控机床进行的是高速、高精度加工，在简化机械结构的同时，对于机械传动装置和元件也提出了更高的要求
（4）具有适应无人化、柔性化加工的功能部件
“工艺复合化”和“功能集成化”是无人化、柔性化加工的基本要求，也是数控机床最显著的特点和当前的发展方向。“功能集成化”是当前数控机床的另一重要发展方向。 7-2 试述滚珠丝杠副轴向间隙调整和预紧的基本原理，常用的有哪几种结构形式？
答：滚珠丝杠螺母副是回转运动与直线运动相互转换的一种新型传动装置。滚珠丝杠的传动间隙是轴向间隙。轴向间隙通常是指丝杠和螺母无相对转动时，丝杠和螺母之间的最大轴向窜动量。除了结构本身所有的游隙之外，还包括施加轴向载荷后产生弹性变形所造成的轴向窜动量。为了保证反向传动精度和轴向刚度，必须消除轴向间隙。用预紧方法消除间隙时应注意，预加载荷能够有效地减少弹性变形所带来的轴向位移，但预紧力不宜过大。过大的预紧载荷将增加摩擦力，使传动效率降低，缩短丝杠的使用寿命。所以，—般需要经过多次调整才能保证机床在最大轴向载荷下既消除了间隙又能灵活运转。
消除间隙的基本原理是使两个螺母产生轴向位移，常用的方法是用双螺母消除丝杠、螺母间隙。
（1） 垫片调隙式
（2）齿差调隙式
（3） 螺纹调隙式
7-3数控回转工作台的功用如何?
答：数控回转工作台的主要功能有两个：一是实现工作台的进给分度运动，即在非切削时，装有工件的工作台在整个圆周(360°范围内)进行分度旋转；二是实现工作台圆周方向的进给运动，即在进行切削时，与X，Y，Z三个坐标轴进行联动，加工复杂的空间曲面。
第1章 绪论 思考题
1. 数控技术包括哪些内容？
答：数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，是现代化工业生产中的一门新型的发展十分迅速的高技术。数控技术包括数控系统、数控机床及外围技术：
2. 数控机床是如何进行工作的？
答：数控机床的工作过程，即加工零件的过程，如下图所示：
（1） 根据被加工零件图中所规定的零件的形状、尺寸、材料及技术要求等，制定工件加工的工艺过程，刀具相对工件的运动轨迹、切削参数以及辅助动作顺序等，进行零件加工的程序设计；
（2） 用规定的代码和程序格式编写零件加工程序单；
（3） 按照程序单上的代码制备控制介质（制作穿孔带、磁盘等）；
（4） 通过输入装置把变为数字信息的加工程序输入给数控系统；
（5） 启动机床后，数控系统根据输入的信息进行一系列的运算和控制处理，将结果以脉冲
形式送往机床的伺服机构。（如步进电机、直流伺服电机、电液脉冲马达等）；
（6） 伺服机构驱动机床的运动部件，使机床按程序预定的轨迹运动，从而加工出合格的零件。
3. 叙述数控机床的分类特点。
答：机床数控系统的种类很多，为了便于了解和研究，可从不同的角度对其进行分类。
（1）按照机床的运动轨迹可把机床数控系统分为三大类：
点位控制系统，直线切削控制系统，连续切削控制系统。
（2）伺服系统包括驱动机构和机床移动部件，它是数控系统的执行部分按其控制原理可分为以下三类：开环控制系统，半闭环控制系统，闭环控制系统。
（3）按照数控系统的功能水平，数控系统可以分为：经济型（低档型）、普及型（中档型）和高档型数授系统三种。
（4）按工艺用途分类：金属切削类数控机床，金属成型类数控机床，数控特种加工机床，其它类型的数控机床
（5）按所用数控装置的构成方式分类：硬线数控系统，软线数控系统。
4. 数控技术发展趋势是什么？
答：当前世界上数控技术及其装备的发展呈现如下发展趋势
以数字化为特征数控机床是柔性化制造系统和敏捷化制造系统的基础装备数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征；而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。
(1) 高速、高精密化
新一代数控机床（含加工中心）只有通过高速化大幅度缩短切削工时才可能进一步提高其生产率。超高速加工特别是超高速铣削与新一代高速数控机床特别是高速加工中心的开发应用紧密相关。依靠快速、准确的数字量传递技术对高性能的机床执行部件进行高精密度、高响应速度的实时处理，还由于新产品更新换代周期加快，模具、航空、军事等工业的加工零件不但复杂而且品种增多。
效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精度加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。
从精密加工发展到超精密加工（特高精度加工），是世界各工业强国致力发展的方向。
(2) 高可靠性
高可靠性是指数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性在一个数量级以上，但也不是可靠性越高越好，仍然是适度可靠，因为是商品，受性能价格比的约束。
在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值已达6 000h以上，伺服系统的MTBF值达到30000h以上，表现出非常高的可靠性。=
(3) 数控机床设计CAD化
随着计算机应用的普及及软件技术的发展，CAD技术得到了广泛发展，CAD不仅可以替代人工完成浩繁的绘图工作，更重要的是可以进行设计方案选拔和大件整机的静、动态特性的分析，计算、预测和优化没汁，可以对整机各工作部件进行动态模拟仿真。在模快化的基础上在设汁阶段就可以看到产品的三维几何模型和逼真的色彩。采用CAD，还可以大大提高上作效率。提高设计的一次成功率，从而缩短试制周期，降低成本，增加产品的市场竞争能力。
(4) 智能化、网络化、柔性化、集成化
21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。
数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。
数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点（数控单机、加工中心和数控复合加工机床）、线（FMC、FMS、FTL、FML）向面（工段车间独立制造岛、FA）、体（CIMS、分布式网络集成制造系统）的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。
(5) 开放性
为适应数控进线、联网、普及型个性化、多品种、小批量、柔性化及数控迅速发展的要求，最重要的发展趋势是体系结构的开放性，设计生产开放式的数控系统。
(6) 工序集约化
是指在一台机床上能加工完毕一个零件的所有工序，五面体镗铣加工中心就是其中典型的例子。工序集约化不仅提高了工艺的有效性，由于零件在整个加工过程中只有一次装卡，工序间的加工余量大为减少，加工的精度更容易获得保证。
采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅降低粗糙度，而且效率也大幅度提高。一般认为，1台5轴联动机床的效率可以等于2台3轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，5轴联动加工可比3轴联动加工发挥更高的效益。
(7) 重视新技术标准、规范的建立
开放式数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，美国、欧共体和日本等国纷纷实施战略发展计划，并进行开放式体系结构数控系统规范(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定，世界3个最大的经济体在短期内进行了几乎相同的科学计划和规范的制定，预示了数控技术的一个新的变革时期的来临。我国在2000年也开始进行中国的ONC数控系统的规范框架的研究和制定。
数控标准是数控技术进步遵循的规则。数控技术诞生后的50年间的信息交换都是基于
ISO6983标准，即采用G，M代码描述加工过程，但它已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。为此，国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649（STEP－NC)。
5. 数控编程技术发展趋势是什么？
答：随着制造系统的日益复杂化以及计算机、通信及传感技术的迅猛发展，使得现代制造控制系统的结构逐渐趋于分布化；计算机网络为数字制造信息的传递、制造资源的共享、制造系统的优化运作提供了重要条件。基于信息技术、自动化技术、人工智能的现代制造系统的自治性、可重构性、自适应性等智能特征越来越明显。
日本、欧盟、美国等发达国家认为具有智能特征的制造系统（IMS）将可能成为下一代制造系统（NGMS）的重要模式。
数控技术正在从专用结构向开放体系架构发展；从被动控制向主动智能方向发展；从简单的几何加工仿真向实时工况集成监控和物理建模仿真优化方向发展；传统的数控编程G/M代码加工数据流控制模式向产品数据模型直接驱动模式转化。
第7章 数控机床结构思考题及答案
7-1 数控机床的机械结构有哪些特点?
答：数控机床作为一种高速、高效和高精度的自动化加工设备，由于其控制系统功能强大，使机床的性能得到大大提高。部分机械结构日趋简化，新的结构、功能部件不断涌现，使得其机械结构和传统的机床相比，有了明显的改进和变化，主要体现在以下几个方面：
（1）结构简单、操作方便、自动化程度高
数控机床需要根据数控系统的指令，自动完成对进给速度、主轴转速、刀具运动轨迹以及其他机床辅助功能(如自动换刀、自动冷却等)的控制。
（2）高的静、动刚度及良好的抗振性能
（3）采用高效、高精度无间隙传动装置
数控机床进行的是高速、高精度加工，在简化机械结构的同时，对于机械传动装置和元件也提出了更高的要求
（4）具有适应无人化、柔性化加工的功能部件
“工艺复合化”和“功能集成化”是无人化、柔性化加工的基本要求，也是数控机床最显著的特点和当前的发展方向。“功能集成化”是当前数控机床的另一重要发展方向。 7-2 试述滚珠丝杠副轴向间隙调整和预紧的基本原理，常用的有哪几种结构形式？
答：滚珠丝杠螺母副是回转运动与直线运动相互转换的一种新型传动装置。滚珠丝杠的传动间隙是轴向间隙。轴向间隙通常是指丝杠和螺母无相对转动时，丝杠和螺母之间的最大轴向窜动量。除了结构本身所有的游隙之外，还包括施加轴向载荷后产生弹性变形所造成的轴向窜动量。为了保证反向传动精度和轴向刚度，必须消除轴向间隙。用预紧方法消除间隙时应注意，预加载荷能够有效地减少弹性变形所带来的轴向位移，但预紧力不宜过大。过大的预紧载荷将增加摩擦力，使传动效率降低，缩短丝杠的使用寿命。所以，—般需要经过多次调整才能保证机床在最大轴向载荷下既消除了间隙又能灵活运转。
消除间隙的基本原理是使两个螺母产生轴向位移，常用的方法是用双螺母消除丝杠、螺母间隙。
（1） 垫片调隙式
（2）齿差调隙式
（3） 螺纹调隙式
7-3数控回转工作台的功用如何?
答：数控回转工作台的主要功能有两个：一是实现工作台的进给分度运动，即在非切削时，装有工件的工作台在整个圆周(360°范围内)进行分度旋转；二是实现工作台圆周方向的进给运动，即在进行切削时，与X，Y，Z三个坐标轴进行联动，加工复杂的空间曲面。