1、数控技术及应用 课程代码： 02195 一课程的性质、目的与任务 数控技术及应用是机电工程及自动化专业的主要专业课程之一，它主要研究应用数控技术实现自动化加工的原理、方法。它是一门涉及机械设计理论、机械制造工艺理论、控制论、信息论、传感理论、信号处理理论、电子设计理论、计算机应用理论的综合课程。开设本课程的目的和任务在于通过向学生介绍数控技术的基本摡念、基本原理和设计计算方法以及数控机床的常见结构，使学生掌握数控技术的基本原理、方法与应用。 第一章 绪论 考核要求 （一） 1、 识记：数控技术产生的 必然性；数控设备的优越性。 2、 领会：计算机数控系统的优点。 （二） 1、 识记： 数控机床
2、 各组成部分的名称。 2、 领会： 数控机床 各组成部分的功用。 （三） 1、 识记： 数控 系统的组成； 数控 系统的类型；开环和闭环控制系统的框图；适应控制机床的框图。 2、 领会：开环和闭环控制系统的工作原理以及两者的区别和应用场合。点位控制系统与连续控制系统的区别；连续控制系统的工作原理；经济型数控系统的特点及其应用场合；适应控制系统的优点及其工作过程；直接控制系统的优点和应用场合。 （四） 1、 识记： 数控 技术在电加工机 床、工业机器人、三坐标测量机中如何应用，比较它们与金属切削机床中应用的异同之处；柔性制造单元（ FMC）、柔性制造系统（ FMS）和计算机集成制造系统（ CIM
3、S）的概念以及它们与数控技术的关系。 2、 领会： 数控机床 的高速高精度化对数控系统提出的要求；开放式数控系统的特点及其出现的重要性；数控系统智能化的优点。 Internet 的出现对数控系统的影响。 （一）数控技术的产生及其应用领域 开环控制系统用于 经济型 数控机床上 。 数控机床加工依赖于各种 数字化信息 。 绕 X 轴旋转的回转运动坐标轴是 A 轴 。 （二）数控 机床的分类、组成、及各部分的作用 数控机床按工艺用途分类，可分为数控切削机床、数控电加工机床、 数控测量机 等。 四坐标数控铣床是在三坐标数控铣床上增加一个 数控回转工作台 。 （三）数字控制系统的分类、组成其工作原理 对
4、步进电机施加一个电脉冲信号，步进电机就回转一个固定的角度，这个角度叫做 步距角 ，电机的总角位移和输入脉冲的 数量 成正比，而电机的转速则正比于输入脉冲的 频率 。 数控系统所规定的最小设定单位就是 脉冲当量 。 数控机床的种类很多，如果按 加工轨迹 分则可分为 点位控制 、 直线控制 和 连续控制 。 根据控制运 动方式的不同，机床数控系统可分为 点位数控系统 和 连续数控系统 。 点位控制的特点是，可以以任意途径达到要计算的点，因为在定位过程中 不进行加工 。 （四）数控技术的发展趋势及其与现代制造系统的关系 第二章 数控加工程序的编制 考核要求 （一） 1、 识记： 程序编制的目的和方法
5、； 手工编程与自动编程的运用场合。 2、 领会：手工编程与自动编程的比较；编程 步骤和每个步骤中进行的工作。 （二） 1、 识记： 数控机床工件加工程序载体的种类；数控带的代码有几种？它与 CNC 系统之间信息传递的方法 。 2、 识记：程序 段格式的表示方法，地址符 A、 B、 C、 F、 G、 M、 N、 S、 T、 X、 Y、Z 的意义；尺寸字表示的方法。 3、 简单应用：程序段中个字符的意义及其应用场合。 4、 综合应用：机床运动的要求，用字符写出程序段。 （三） 1、 识记： 数控机床坐标轴的表示方法；机床坐标轴与工件坐标轴之间的关系 。 1.数控机床的机床坐标系与工件坐标系的含义是
6、什么 ? 答：机床坐标系是机床上固有的坐标系。一般利用机床机械结构的基准来确定，在说明书中均有规定。 工件坐标系是在编程时使用，由编程人员在工件上指定某一个点作为原点，并在其上建立工件坐 标系。 工件坐标系的原点在机床坐标系中称为 调整点 ，它的选择应使工件上最大尺寸能加工出来。 数控机床上有一个机械原点，该点到机床坐标零点在进给坐标轴方向上的距离可以在机床出厂时设定 ， 该点称 机床参考点 。 2、 领会：主要的 G 代码和 M 代码的意义。 3、 简单应用：读懂已有的工件加工程序单。 4、 综合应用：确定工件数控加工的工艺方案、填写程序单；掌握点位加工、铣削加工和车加工的编程方法。 （四）
7、 1、 识记：自动编程系统的种类及应用场合；自动编程系统的组成和工作原理及其发展趋势。 2、 领会： APT 自动编程 系统的基本概念及其数控语句的表达方式；后置处理程序的功用； APT 自动编程系统的优缺点。 （一）数控机床 程序编制的目的、步骤和方法 数控加工程序的编制方法主要有 手工编程 和 自动编程 两类。 （二）工件加工程序的格式和代码 G代码可以分为 模态 G 代码 和 非模态 G 代码 ， 非模态 指令只能在本程序段内有效。 数控 编程 中， 主轴 功能字 S 指定的是 主轴每分钟转速（ r/min） 。进给 功能 字 F常用 mm/min或 mm/r 单位。 （三）手工编程方法
8、 根据加工零件图样选定的编制零件程序的原点是 。 通常在命名或编程 时，不论何种机床，都一律假定 工件静止刀具移动 。 确定数控机床坐标轴时，一般应先确定 Z 轴 。 数控铣床的默认加工平面是 XY 平面 。 程序段的顺序号，根据数控系统的不同，在某些系统中可以 省略 的。 在数控铣床上铣一个正方形零件 (外轮廓 ),如果使用的铣刀直径比原来小 1mm,则计算加工后的正方形尺寸差小 1mm。 数控机床的标准坐标系是以 右手直角笛卡尔坐标系 来确定的。 设 G01 X30 Z6 执行 G91 G01 Z15 后 ,正方向实际移动量 15mm。 因为 G91 是 增量尺寸 。 数控机床加工零件的程
9、序编制不仅包括零件工艺过程，而且还包 括 切削用量 、 走刀路线 和刀具尺寸 。 （四）自动编程系统的工作过程及 APT 自动编程系统 APT 系统中使用三个表面 导动面 、 工件面 和 停止面 来确定刀具运动轨迹。 APT 中的工件源程序是假设 工件静止 、 刀具移动 而求出的一般解。 第三章 计算机数控系统 考核要求 （一） 1、 识记：按照框图说明 CNC 系统的组成及各部分的功用； CNC 系统中的 I/O 设备与普通微机的外围设备有何异同之处。 （二） 1、 识记： CNC 系统中的计算机的作用与普通微机的区别。 2、 领会：计算机在机床数控中的工作过程； PLC 在数控机床中的功用
10、、工作原 理和它与 CNC 系统的连接方式；光电隔离电路的作用和工作原理；提高数控计算机可靠性的措施。 为了防止机床强电系统干扰和其他类型外界干扰通过 I/O 控制回路进入计算机，在控制计算机中，经常采用 光电隔离 的输入和输出电路。 （三） 1、 识记：数控系统模块化设计的好处；比较各种总线规格和各自的适用场合。 总线中数据线所包括的信号线根数决定了数据传送通道的 宽度 。如 16 根数据线表示能一次传送 16 位的数据。 2、 领会：总线功能模块的种类及其功能。 3、 简单应用：初步根据数控系统的要求来选用功能 模块。 （四） 1、 识记：数控系统中进行插补的必要性。 2、 领会：逐点比较
11、插补法中 直线 与 圆弧 插补的原理；数据采样插补法的特点和适用场合。 3、 简单应用：掌握逐点比较插补法直线和圆弧插补的计算过程。 （五） 1、 识记： CNC 系统控制软件的组成以及各部分的功能；控制软件的结构特点。 系统控制程序 放在 只读存储器 EPROM 中。 工件加工程序、数据和参数 存放在有后备电池的 CMOS RAM 中。 手动数据输入 MDI 的输入信息 经位移寄存器存放在 RAM 中。 2、 领会：前后台型控制软件的工作过程； 中断驱动型控制软件的工作过程；这两种类型控制软件的比较。 （一） CNC 系统的组成及各部分的功用 CNC 系统由 数控计算机 、 程序输入 /输出
12、装置 和 机床控制装置 三部分组成。 机床控制装置包括 位置控制装置 和 机床状态检测控制装置 两部分。 位置控制装置由 伺服机构 和 执行元件 组成。 伺服机构包括 速度控制 和 位置控制 两部分。 （二） CNC 系统中计算机的工作过程 机床数控系统主要是一种 位置控制系统 。 用于 CNC 系统的 PLC 有两种：通用型 PLC 和 内置式（集成式） PLC 。 （三）数控系统的模块化设计方法 （四） 插补计算 通常 CNC 装置的工件加工程序是以工件轮廓轨迹来编程，刀具补偿的 作用 是把工件轮廓轨迹转换成 刀具中心轨迹 。 插补 算法 主要有 脉冲增量 插补法 和 数字增量（数据采样）
13、 插补法两种。数字增量插补是用 直线逼近 被插补曲线的过程。 数字增量圆弧插补法 是在满足精度的要求下，用 弦 进给代替圆弧进给，即用 直线逼近圆弧。 圆弧插补中，对于整圆，其起点和终点相重合，用 R编程无法定义，所以只能用 圆心坐标编程 。 圆弧插补用半径编程时，当圆弧所对应的圆心角大于 180时半径取 负值 。 如G02 X20 Y20 R-10 F100；所加 工的一般是 180夹角 360的圆弧 。 圆弧插补指令 G03 X Y R 中， X、 Y 后的值表示圆弧的 终点坐标值 。 圆弧插补方向（顺时针和逆时针）的规定与 不在圆弧平面内的坐标轴 有关 。 数控机床利用插补功能加工的零件
14、的表面粗糙度要比普通机床加工同样零件表面粗糙度差 。 （五）刀具补偿 刀具补偿 包括刀具 长度 补偿 和刀具 半径 补偿 。 刀具半径补偿是一种 平面补偿 ，而不是轴的补偿。数控车床的刀具补偿功能有 刀尖半径补偿 与 刀具位置补偿 。刀具补偿功能包括 刀补的建立 、 刀补的执行 和 刀补的取消 三个阶段。 G17、 G18、 G19 指令可用来选择 刀具半径补偿 的平面。 刀尖半径左补偿方向的规定是沿刀具运动方向看，刀具位于工件 左侧 。 用 12 的刀具进行轮廓的粗、精加工，要求精加工余量为 0.4，则粗加工偏移量为6.4。 （六）控制软件的组成和结构 CNC 控制软件的结构主要有 前后台型
15、 和 中断驱动型 两种。 第四章 数控机床的机械结构 考核要求 （一） 1、 识记： 数控机床机械结构的主要特点 。 2、 领会：对 数控机床机械结构提出的要求。 （二） 1、 识记： 数控机床各主要组成部分的 名称及其功能 。 2、 领会：主轴部件的结构特点及对其功能要求。进给传动系统的结构特点及对其性能的要求。自动换刀装置的工作原理及其实现方法。 什么是加工中心的顺序选刀方式和任意选刀方式 ?各有什么特点 ? 答： 顺序选刀是按工艺要求依次将所用的刀具插入刀库的刀座中，顺序不能错。优点是刀库的驱动控制比较简单，缺点是加工工件变动时，换刀很不方便且容易出错。 任意选刀是刀具在刀库中任意存放，
16、不必按工件的加工顺序排列，靠程序换刀。优点是刀具可重复使用，减少刀具存储量。 （三） 1、 识记： 对导轨 的基本要求及其分类 。 2、 领会：每类导轨的结构特点、使用场合及其优缺点。 3、 简单应用：掌握 滚动导轨 结构及其选用原则和主要参数计算。 （四） 1、 识记： 对进给系统机械传动的要求 。滚珠丝杠和齿轮传动的消隙方法及其结构。 数控机床上蜗杆蜗轮传动为消除传动侧隙可采用 双导程蜗杆 结构。利用 轴向移动蜗杆 的方法，即可消除蜗杆蜗轮副的啮合间隙。 双导程蜗杆可分为 阿基米德蜗杆 和 法向直廓蜗杆 。 2、 领会：滚珠丝杠副的结构形式、支承方式及其应用场合。滚珠丝杠的选用原则。 机床
17、进给系统，滚 珠丝杠副典型的支承方式有：两端简支；一端固定、一端简支； 两端固定 ； 一端固定、一端自由 。 3、 简单应用：能根据要求选择滚珠丝杠副的参数及精度等级。 数控进给驱动电动机常通过偏心轴套定位在齿轮减速器上，简述用偏心轴套调整法消除齿轮传动副齿侧间隙的工作原理。 （五） 1、 识记： 计算转动惯量的目的 。 对于伺服进给系统，为了 提高 系统的快速响应性能，必须使机械传动机构在保证刚度的前提下尽量 减少 惯量。 2、 领会：等效 转动惯量和等效转矩的计算过程 。 3、 简单应用：计算等效 转 动惯量和等效转矩。 4、 综合应用：对给定的进给系统进行 等效 转动惯量和等效转矩的计算
18、。 （一）数控机床机械结构的主要特点及对它的要求 数控机床机械结构的特点是 高刚度 、 高抗振性 、 减少机床热变形 和 提高进给运动的动态性能和定位精度 。 常用 动刚度 作为衡量抗振性的指标。 数控机床 振动有 受迫振动 和 自激振动 两种。 自激振动 是有切削过程本身引起的。 加工中心在自动换刀过程中，必须自动选择所需刀具，并转动到换刀位置上，自动选刀的方式有 顺序选刀 和 任意选刀 两种方式。 数控机床自动选择刀具中任意选择的方法是采 用 计算机跟踪记忆 来选刀换刀。 （二）数控机床的主要组成部分及其结构 （三）数控机床 导轨的结构形式及其选用原则和主要参数计算 数控机床常用的导轨按其
19、接触面间的摩擦性质的不同，可分为 滑动导轨 、 滚动导轨 和静压导轨 。 静压导轨的摩擦系数极低约为 =0.0005。 （四）滚珠丝杠副的结构形式及其选用原则 采用滚珠丝杠作为 X 轴和 Z轴传动的数控车床机械间隙一般可 忽略不计 。 数控机床与普通机床的主机最大不同是数控机床的主机采用 滚珠丝杠 。 数控车床与普通车床相比在结构上差别最大的部件是 进给传动 。 目前机床导轨中应用最普遍 的导轨型式是 滑动导轨 。 （五）机械部件等效 转动惯量和等效转矩的计算方法 第五章 数控机床位置传感器件 考核要求 （一） 1、 识记： 位置检测器件在伺服系统中的功用 。 位置检测器件的分类。 精度 和
20、分辨率 是描述传感器件性能的重要指标。 2、 领会： 位置检测器件的精度和分辨率两个概念的区别。 （二） 1、 识记： 光栅传感器的分类 ，优缺点及其适用场合。 2、 领会： 光栅传感器的结构及其光栅原理，特别要理解其辨向原理和 细分技术 、摩尔条纹如何用来测量直线位移的。 光栅位移传 感器基于 莫尔条纹 和 光电效应 将位移信号转变为电信号。 3、 简单应用： 光栅传感器在机床上的安装方法。 4、 综合应用：根据机床要求，选择光栅传感器。 （三） 1、 识记： 脉冲发生器的类型和适用场合 。 脉冲发生器的结构及其主要参数。 脉冲发生器有两种类型： 增量式 和 绝对式 。是常用的 角位移 数字
21、式检测元件。 2、 领会： 增量式脉冲发生器的辨向和 细分原则 。 3、 简单应用：选择 脉冲发生器的主要参数。 4、 综合应用：根据机床工作要求，选择脉冲发生器的类型、规格和主要参数。 （四） 1、 识记： 感应同 步器的类型、结构和及其应用场合。感应同步器的接长方法。 感应同步器可测量 直线位移 和 角位移 。根据测量对象的不同，可分为 直线感应同步器 和圆感应同步器 ，都是基于 电磁感应现象 工作的。 直线感应同步器有 标准型 、 窄型 、 带型 以及 三重型 等不同的尺寸、形状和种类。 2、 领会： 感应同步器的工作原理及信号处理方式。 3、 简单应用： 正确确定感应同步器的主要指标。
22、 感应同步器数字检测系统的主要指标有 精度 、 分辨率 和 跟踪速度 。 根据工作要求和精度不同， 感应同步器的信号处理有 鉴相型 、 鉴幅型 、 幅 -相型 等方法。 4、 综合应 用：根据机床工作条件，正确选用和安装感应同步器。 （五） 1、 识记： 旋转变压器和磁栅的特点和应用场合。 旋转变压器是常用于数控机床中 角位移的 检测，是根据 互感原理 工作的。 磁栅是测量 直线位移 的一种数字式传感器。 2、 领会： 旋转变压器的工作原理。 （一）伺服系统中位置检测器件的重要性 （二） 光栅传感器的光栅原理和选用 （三）脉冲发生器的工作原理和选用 （四）感应同步器的工作原理和选用 （五）旋转
23、变压器及磁栅的特点和适用场合 第六章 数控机床的电气驱动 考核要求 （一） 1、识记：数控 机床动力源的类型和各自的特点。 （二） 1、识记：步进电动机的类型和主要技术指标。 2、领会：步进电动机的工作原理及其性能；各种特性曲线的应用。 步进电动机转动的角位移量和转速分别与 电脉冲数 和 电脉冲频率 成正比。 步进电动机分为 反应式 和 混合式 。反应式步进电动机转子惯量低，可更快地加减速。 用于数控机床驱动的步进电动机主要有两类： 反应式 式步进电动机和 混合式 式步进电动机。 步进电机的转速是通过改变电机的 脉冲频率 而实现。 3、简单应用：根据机床工作要求，计算 步进电动机的技术参数 。
24、 4、综合应用：根据 开环 系 统要求，准确选择步进电动机的型号、参数和规格。 （三） 1、识记：进给伺服系统负载的计算和它与伺服电动机的匹配。 2、领会：选择伺服电动机应满足的条件。 3、简单应用：学会使用伺服电动机的特性曲线。 4、综合应用：正确选用伺服电动机的类型及其技术参数。 （四） 1、识记：直流伺服电动机的特点。 2、领会：直流伺服电动机速度控制单元的工作原理。交流伺服电动机的类型、及其结构；速度控制单元的基本原理。 速度控制单元 的性能直接决定了直流伺服电动机的运行性能。 交流伺服电动机按 气隙磁场 的分布方式的不同，可分为 无刷直 流电动机 （方波） 和 永磁同步电动机 （正弦
25、波） 。无刷直流电动机是采用 脉冲宽度调制（ PWM） 的方式来调速的。 PWM 是脉冲宽度调制的缩写， PWM 调速单元是指 大功率晶体管斩波器速度控制单元 。 3、简单应用：运用直流伺服电动机的原则。 （五） 1、识记：对机床主轴电动机提出的要求，以及满足这些要求时主轴电动机应具备的性能。 2、领会：主轴电动机几其速度控制单元的特点。 （一） 机床动力源的类型 （二）步进电动机的工作原理与选用 （三）数控机床进给系统电动机的选取准则 （四）伺服电动机及其速度控制单元的工作原理 （五）主轴电动机的特点 在直流主轴电动机中，电枢磁场对其主磁场会有影响，该影响称为 电枢反应 。 伺服系统包括 驱
26、动装置 和 执行机构 两大部分。常用的位移执行机构有 步进电机 、直流伺服电机和交流伺服电机。伺服系统的执行机构常采用直流或交流伺服电动机。 电流控制的方法主要有两种： 滞环法 和 同步开关法 。 改变 电动电枢端电压 的调速方式称为 恒转矩调速 ，改变 励磁电流 的调速方式称为 恒功率调速 。 直流主轴电动机的 调速方法是恒转矩调速 与 恒功率调速的 结合 。 第七章 数控机床进给伺服系统的控制原理 考核要求 （一） 1、识记 ：数控机床进给伺服系统的分类、特点及其使用场合。 2、领会：进给伺服系统中的典型指令信号及其修正方法。 位置指令是通过 插补 得到的。 （二） 1、识记：开环伺服系统
27、的结构与工作原理。 2、领会：提高步进系统的精度措施。 步进系统是一个 开环 系统。提高步进系统进度的措施有 细分线路 、 反向间隙补偿 和 混合伺服系统 三种常见方法。 所谓细分线路，就是把步进电动机的一步再分得细一些，来减小 步距角 。 减小传动链中的间隙，可采用 间隙补偿线路 。 3、简单应用：根据机床要求，提出开环系统方案。 （三） 1、识记：闭环 控制系统的结构。 2、领会：闭环控制系统的数学模型和性能分析方法。 （四） 1、识记：常用的闭环伺服系统的类型和使用场合。 闭环伺服系统是一个典型的 二阶 系统。常用的闭环伺服系统有 脉冲 、 相位 和 数据采样式进给位置伺服系统。 2、领
28、会：脉冲比较式、相位比较式和数据采样式位置伺服系统的工作原理。 （一）进给统的分类和特点 数控机床进给伺服系统可分为 开环系统 和 闭环（半闭环） 系统。在开环系统中，不进行位置 和 速度 的检测。与开环系统系统相比，闭环（半闭环）系统要使用 位置检测元器件 和 比较器 。 （二）开环伺服系统的工作原理和 提高精度的措施 （三）闭环（半闭环）伺服系统的工作原理及性能分析方法 （四）各典型的闭环伺服系统的工作原理和运用场合 第八章 数控机床的精度 考核要求 （一） 1、 识记：评定数控机床精度的意义；数控机床精度检测项目。 2、 领会：这些项目对数控机床工作的影响。 （二） 1、 识记：数控机床
29、位置精度评定项目的定义 轴线的重复定位精度 R 、 轴线的定位精度 A 和 轴线的反向差值 B 及 它们的 评定方法。 按国家标准“数字控制机床位置精度的评定方法” (GB10931-89)规定，数控坐标轴定位精度的评定项目有以下三项： 轴线的 重复 定位精度 R、 轴线的定位精度 A 和 轴线的反向差值B。 2、 领会：定位精度的基本概念；确定定位误差的统计分析方法；定位误差的检测方法；系统误差和随机误差的区别。 数控机床精度主要从 几何精度 、 定位精度 以及 工作精度 等项进行评价。 定位精度的高低用 定位误差 的大小来衡量。 在 闭环系统 中，定位精度主要取决于 位置检测系统 的误差。
30、 在 开环和半闭环 数控机床上，定位精度主要取决于 进给丝杠的精度 。 一般的数控机床常采用 电气补偿 法进行 反向间隙 和 螺距积累误差 的补偿，以提高定位精 度。 3、 简单应用：某一测点的定位误差计算。 4、 综合应用：坐标轴的定位精度评定方法。 （三） 1、 识记：开环系统定位精度的影响因素；闭环系统定位精度的影响因素。 2、 领会：开环和闭环系统定位误差的补偿方法。 （四） 1、 识记：数控机床工作精度的试验项目；轮廓跟随精度的意义。 轮廓误差是指实际轨迹与要求轨迹之间的 最短距离 。 降低 进给速度、 增大 系统增益，将大大提高轮廓的加工精度。同时加工的圆弧半径 愈大 ，则加工误差 愈小 。 2、 领会：机床伺服系统特征与加工精度的关系；跟随误差的计算；在加工直线和圆弧时 跟随误差的分析。
