1、 数控机床课程教学大纲课程名称：数控机床 课程代码：MEAU2021英文名称：CNC Machine Tool课程性质：专业选修课程 学分/学时：2.5 学分/45 学时开课学期：第 6 学期适用专业：机械工程、机械电子工程先修课程：机械制图、电工与电子技术、计算机信息技术、理论力学、材料力学、互换性与技术测量、 机械原理、机械设计、液压与气动原理、机械制造技术后续课程：无开课单位：机电工程学院 课程负责人：汪彬大纲执笔人：汪彬 大纲审核人：倪俊芳一、课程性质和教学目标（在人才培养中的地位与性质及主要内容，指明学生需掌握知识与能力及其应达到的水平）课程性质：数控机床是机械工程和机械电子工程专业
2、的一门专业选修课程。本课程针对机械工程和机械电子工程专业的特点，从数控机床基本原理入手，同时结合机械原理、计算机控制和伺服驱动等技术，并且以实际应用为导向，培养学生在生产制造领域应用数控机床的能力。教学目标：数控机床是一种集机械技术、计算机技术、微电子技术、自动控制技术及自动检测技术于一身的精密制造设备。本课程的主要内容包括：概述、计算机数字控制系统、数控机床的结构设计和总体布局、数控机床的主运动部件、进给伺服系统、数控机床的位置检测装置、进给系统的机械传动结构、数控机床的刀具与工作交换装置及数控加工编程。通过这些内容的理论讲授和实践训练，使学生掌握数控加工程序的编写能力，并通过机床数控系统控
3、制综合实验，培养学生数控机床应用、设计、维护及解决实际问题的能力。通过相关应用专题的功能讲解、技术剖析和加工演示，拓展学生的知识，了解数控机床作为一种精密制造设备在机械制造领域的应用情况，引导学生应用数控技术解决与专业相关的具体工程问题，培养学生的数控机床应用、设计与维护能力。本课程的具体教学目标如下：1.掌握数控加工工艺文件的制定和数控加工程序的编制的基本知识，能够应用数控机床的编程知识合理解决实际问题。掌握应用该技术处理工程问题的方法。培养学生针对具体功能需求，编写和调试数控加工程序的能力；2.掌握机床数控系统的软、硬件结构和工作原理、伺服系统的构成及分析方法，以及数控机床位置测量系统的工
4、作原理。培养学生综合设计数控机床控制系统或数控实验装置的能力；3.掌握数控机床机械结构、传动及电气控制部分的工作原理及设计方法。培养学生综合设计精密自动化设备并解决工程设计实际问题的能力；4.熟悉数控机床的各种技术参数，并能熟练使用相关机械类仪器和设备检测数控机床和数控加工中的各种关键参数，了解数控设备发展趋势及在先进制造领域的应用。教学目标与毕业要求的对应关系： 毕业要求 指标点 课程目标 对应关系说明毕业要求1：工程知识1-3 掌握机械设计制造，控制理论，工程测试及信息处理，管理科学等知识，具有设计、制造自动化装备的能力教学目标 3掌握数控机床机械结构、传动及电气控制部分的工作原理及设计方
5、法。培养学生综合设计精密自动化设备并解决工程设计实际问题的能力毕业要求2：问题分析2-1 能运用数理和工程知识进行机械专业领域复杂工程问题中的内涵识别与理解分析教学目标 1.掌握数控加工工艺文件的制定和数控加工程序的编制的基本知识，能够应用数控机床的编程知识合理解决实际问题。掌握应用该技术处理工程问题的方法。培养学生针对具体功能需求，编写和调试数控加工程序的能力毕业要求4：研究4-1 能够基于机械专业知识，选择机械设计方案，设计实验方案教学目标 2掌握机床数控系统的软、硬件结构和工作原理、伺服系统的构成及分析方法，以及数控机床位置测量系统的工作原理。培养学生综合设计数控机床控制系统或数控实验装
6、置的能力；毕业要求5：使用现代工具5-2 能熟练使用机械类仪器和设备检测机械装备和机械加工的关键参数教学目标 4熟悉数控机床的各种技术参数，并能熟练使用相关机械类仪器和设备检测数控机床和数控加工中的各种关键参数，了解数控设备发展趋势及在先进制造领域的应用。二、课程教学内容及学时分配（含课程教学、自学、作业、讨论等内容和要求，指明重点内容和难点内容。重点内容：；难点内容：）1、 绪论（3 学时） （支撑教学目标 1）1.1 数控机床定义、特点及其组成1.2 数控机床分类1.3 数控机床的发展 目标及要求：1) 掌握数控机床的特点及分类方式；2) 熟悉数控机床基本概念、基本组成；3) 了解数控机床
7、的发展趋势；4) 了解课程的主要教学内容、学习方法和主要参考资料。 讨论内容：一般自动化设备中进给伺服系统与数控机床的进给伺服系统的区别。 作业内容：数控机床的基本特点及分类方法。2、 计算机数字控制系统（9 学时） （支撑教学目标 1）2.1 计算机数字控制系统概述2.2 计算机数控系统的硬件结构2.3 计算机数控系统的软件结构2.4 插补原理2.5 刀具补偿原理2.6 计算机数控系统故障诊断功能2.7 计算机数控系统的输入输出与通信功能 目标及要求：1) 熟悉计算机数控系统软硬件结构；2) 掌握计算机数控系统软件的特点；3) 掌握插补原理；4) 掌握刀具补偿原理；5) 了解数控系统的故障诊
8、断方法；6) 了解计算机数控系统的输入输出与通信功能。 讨论内容：结合计算机数控系统的主要特征，讨论数控系统中实时性和多任务性是怎样实现的。 作业内容：数控系统软件的特点及运用逐点比较法进行插补计算。 自学拓展：通过查看相关资料，了解法拉克和西门子数控系统在功能和结构上的不同点。3、 数控机床的结构设计和总体布局（3 学时） （支撑教学目标 1、2）3.1 数控机床结构设计3.2 数控机床总体布局 目标及要求：1) 了解数控机床对结构的各项要求；2) 熟悉几种数控机床结构的典型布局；3) 掌握数控机床结构设计的基本原则 。 讨论内容：一般普通机床结构设计与数控机床结构设计有什么不同。 作业内容
9、：1) 数控机床的总体布局应如何考虑机床使用要求；2) 数控机床总体设计内容。 自学拓展：参考相关资料分析思考并联机床的结构特点。4、 数控机床的主运动部件（3 学时） （支撑教学目标 1、2）4.1 主运动系统的基本要求4.2 主运动系统的参数4.3 主运动系统的驱动方式4.4 数控机床主运动系统的设计4.5 主轴部件设计4.6 齿形带传动设计 目标及要求：1) 了解数控机床主运动系统的基本要求；2) 掌握数控机床主运动系统的设计方法；3) 熟悉数控机床主轴的结构形式及其主要的支承方式。 讨论内容：数控机床主轴结构中同步齿形带传动的设计方法。 作业内容：数控机床主传动系统无极变速设计方法。
10、自学拓展：参考相关资料了解数控机床主轴结构设计。5、 进给伺服系统（6 学时） （支撑教学目标 1、2）5.1 进给伺服系统概述5.2 进给伺服系统分类5.3 步进伺服系统5.4 直流伺服系统5.5 交流伺服系统 目标及要求：1) 熟悉数控机床进给伺服系统基本概念及组成；2) 掌握步进电机、交流伺服电机的工作原理及驱动控制方式；3) 了解直流伺服电机工作原理和调速方式。 讨论内容：一般自动化设备进给伺服驱动电机的选择与数控机床的进给伺服电机的选择有什么不同。 作业内容：步进电机驱动的开环伺服系统设计计算。 自学拓展：参考相关资料进行变频调速系统的设计。6、 数控机床的位置检测装置（5 学时）
11、（支撑教学目标 1）6.1 数控机床的位置检测装置概述6.2 编码器6.3 旋转变压器6.4 感应同步器6.5 光栅6.6 磁栅 目标及要求：1) 了解数控机床位置检测装置的分类及使用要求；2) 掌握脉冲编码器、光栅的工作原理和选用；3) 熟悉旋转变压器、感应同步器、磁栅的工作原理。 讨论内容：编码器在其它自动化设备上的应用。 作业内容：光栅在位置检测中的计算及应用。 自学拓展：根据不同类型数控机床位置检测装置的需要学会选用不同的检测装置。7、 进给系统的机械传动结构（4 学时） （支撑教学目标 1）7.1 概述7.2 齿轮传动副7.3 滚珠丝杠螺母传动装置及支承7.4 数控机床导轨7.5 机
12、械传动部件的设计实例 目标及要求：1) 掌握滚珠丝杠副、数控机床导轨的选用方法；2) 熟悉数控机床进给传动系统的特点、作用及组成；3) 了解了解数控机床传动部件的一般设计步骤和方法。 讨论内容：数控机床进给传动系统与普通机床进给传动系统的区别。 作业内容：单轴开环数控装置进给传动系统的设计。 自学拓展：二轴及以上闭环数控装置进给传动系统的设计。8、 数控机床的刀具与工作交换装置（3 学时） （支撑教学目标 1）8.1 数控机床的自动换刀装置8.2 数控机床的工作交换装置8.3 数控机床的回转工作台 目标及要求：1) 了解自动换刀装置的类型、特点及应用；2) 熟悉刀具的选择方式和交换方式；3)
13、了解数控机床工作交换装置、回转工作台的结构特点及应用。 讨论内容：结合数控机床的结构讨论如何选择合理的刀具及工作交换装置。 作业内容：常用的换刀装置种类及其换刀特点。 自学拓展：工业机器人结构及与数控机床的连接。9、 数控加工编程（9 学时） （支撑教学目标 1）9.1 数控加工编程基础9.2 程序编制中的工艺分析9.3 手工编程中的数学处理9.4 FANUC 数控车编程9.5 SIEMENS 802S/C 数控车编程9.6 FANUC 数控铣床编程9.7 FANUC 加工中心编程9.8 FANUC 0i 系统宏程序编程 目标及要求：1) 了解数控加工程序编制的内容和步骤；2) 掌握掌握数控加
14、工工艺分析及加工方法；3) 掌握程序编制代码及程序格式、坐标系定义；掌握各 G 指令、M 指令功能及格式定义和编程方法；4) 掌握程序编制中非圆曲线的节点计算方法；5) 了解数控加工的自动编程系统。 自学拓展：学习相关数控加工的自动编程软件的使用方法。三、教学方法在教学方式上，根据具体教学内容，综合运用课堂讲授和仿真、课堂讨论、课堂练习、发现学习方法和自学指导法，通过引入问题和启发式教学，使学生更加明确教学内容的知识体系，引导学生主动学习，激发内在学习动机，提高课堂的积极性。在目前的实验教学条件基础上，及时采用实验练习法，强化所学知识的理解和运用，培养学生解决实际问题的能力。在实验教学过程中，
15、引导学生发现问题，思考解决方案，为后续教学内容作铺垫。教学内容体系、前后关联和相关重点结合具体教学内容，本课程所采用的教学方法说明如下：1. 绪论、数控机床的结构设计与总体布局。教学内容比较多、杂，所涉及数控机床设计原则、总体布局等知识点较难理解。在教学中采用讲授法、演示法和自学指导法相结合，将抽象问题具体化。在讲授数控机床的构成及特点时，可以以典型数控机床为例，充分利用多媒体手段，展示数控机床结构、组成及功能。强化学生对数控机床主要特征的理解，在讲授数控机床发展趋势时，引导学生通过各种手段自学相关内容。在讲授数控机床结构设计和总体布局时，引入普通机床设计及分析知识，促进学生对相关教学内容的理
16、解。2. 计算机数控系统、进给伺服系统、数控机床的位置检测装置。教学内容涉及计算机原理、软件技术和电机控制等知识，教学时比较容易设计明确的功能目标。在教学中采用讲授法、演示法和分析法相结合。在讲授数控系统各模块的基本功能框图和工作原理的基础上，演示简单的代码运行过程，设置明确的实验目标，让学生验证系统代码实现的功能，以便学生更好理解教学内容。演示相关内容时，考虑到相关模块的前后关联，在实验中引导学生发现问题。例如在讲授 CNC 装置的硬件结构时，可以让学生现场观察数控装置硬件部分与典型计算机装置在组成上的异同，来理解它们在控制功能上的不同，为后续的教学内容作铺垫。实验设置按照教学内容可以采用循
17、序渐进的方法，先硬件，后软件，设定具体项目，验证系统的各项功能，从而让学生更好了解数控系统；在讲解伺服系统时，先讲授数控机床所应用的各种电机的工作原理和控制方法，如何通过演示电机控制过程来让学生更好理解伺服系统。在讲授数控机床的位置检测装置的工作原理时，只讲它们在数控机床上的应用，让学生自己发现在其它机械设备上的应用的可能性。3. 数控机床的主运动部件、 、进给系统的机械传动结构和数控机床的刀具与工作交换装置。教学内容涉及数控机床各种机械结构，对于缺乏实际工作经验的学生而言，内容比较抽象，对所有部件的结构逐一讲解的效果较差。教学中采用讲授法和讨论法相结合。开始教学时，只讲授数控机床主传动和进给
18、传动系统的基本工作原理和过程，给出基本结构框架，并提出具体实现目标。然后，引导学生自行梳理原来学习过的机械传动知识，讨论数控机床主传动、进给系统可以采用的传动形式及设计方法，最后选出最优方案；数控机床的刀具与工作交换装置内容主要采用讲授方法。4. 数控加工编程。本课程开设在第 6 学期，学生已经系统性学习过加工的相关知识。本教学内容建立在机械制图、机械原理、机械设计等多门机械工程专业主干课程基础上，涉及互换性与测量技术、机械制造技术等应用性较强的知识，属于数控机床应用的内容。教学中主要采用讲授法、实验练习法和自学指导法相结合。组织教学内容时，首先使学生掌握数控加工编程的基础知识和数控工艺分析方
19、法，然后将专题分为数控车床编程、数控铣床编程、加工中心编程等具体应用，在使学生掌握数控加工编程基本指令使用方法的基础上，讲授一般机械零件数控加工的编程方法，并通过编程指令演示结合学生实验练习，使学生掌握数控加工编程的基本知识。根据学生所感兴趣的具体应用，给学生提供相关参考资料，引导学生自学拓展，强化对学生理论与实际结合的能力、工程问题分析能力的培养。本部分的教学内容将充分结合数控技术的新进展，拓宽学生的视野，从理论知识和应用方面不断更新教学内容。在教学方法的实际执行过程中，每个教学环节都应具有明确的目的性。同时，以上教学方法需要根据教学过程中的实际效果、学生对知识点的掌握和应用情况不断改进。教
20、学效果不好、学生对知识点理解程度不高时，应适当调整教学方法，适当增加演示法或实验训练法，或在讲授后续教学内容时，引导学生前后联系，结合前置难点内容进行讨论，强化知识掌握。在学生对知识掌握情况较好，系统性较好、实验训练效果较好的情况下，适当提高教学内容或实验内容的难度，或增加发现学习法和自学指导法，设置具体应用问题，引导学生探索解决方案。四、考核及成绩评定方式考核方式：闭卷笔试，平时测验及作业，实验报告成绩评定方式：笔试成绩 70%，平时成绩 20%，实验报告 10%五、教材及参考书目教材：倪俊芳，机床数控技术，科学出版社，2016。参考书目：1 吴祖育等，数控机床（第三版） ，上海科学技术出版社，2014。2 卢红等，数控技术，机械工业出版社，2014。3 杨贺来，数控机床，清华大学出版社，北京交通大学出版社， 2009。4 李斌等，数控技术，华中科技大学出版社，2010。5 顾京，数控机床加工程序编制，机械工业出版社，1997。6 沈建峰等，数控车工（高级） ，机械工业出版社，2012。7 张曙等，机床产品创新与设计，东南大学出版社，2014。
