机床数控技术及应用（第四版）

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《机床数控技术及应用（第四版）》配有在线开放课程——“机床数控技术”。

《机床数控技术及应用（第四版）》配有实操类视频，以二维码形式呈现。

机床数控技术及应用（第四版）修订情况

该书第1章由陈蔚芳、刘凯编写，第2章、第3章由陈蔚芳编写，第4章由薛建彬、刘凯编写，第5章由王宏涛、陈蔚芳、罗福源编写，第6章、第7章由王宏涛、罗福源编写，第8章由薛建彬、吴青聪编写，第9章、第10章由楼佩煌、吴青聪编写。全书由陈蔚芳、王宏涛、刘凯统稿和定稿。南京航空航天大学游有鹏教授和南京数控机床有限公司孙序泉教授级高工对该书进行了审阅，提出了意见。

该书在编写过程中，参阅了相关文献、教材和PPT讲义，何磊、侯军明、郝小忠、刘志东提供了部分编程例题、工艺素材和加工视频，倪丽君、沈雨苏、曹新航等完成了书中大部分图形的绘制、部分文字的录入和整理工作，冷晟、史建新、赵正彩、周明虎等提供了部分材料。南京纳威精密机械有限公司、南京德西数控新技术有限公司、南京航空航天大学工程训练中心和南京工程学院为该书提供了相关视频资料。

机床数控技术及应用（第四版）出版工作

2019年9月1日，《机床数控技术及应用（第四版）》由科学出版社出版发行。

该书共10章，第1章介绍数控技术及数控机床的概念、组成、工作原理、分类和新发展；第2章介绍数控编程方面的基础知识，包括数控工艺、数学处理、常用编程指令和高速加工工艺；第3章介绍数控车床、数控铣床、数控线切割机床、加工中心、车铣复合机床的手工编程方法，同时介绍基于UG平台的自动编程方法；第4章介绍数控装置的硬件和软件结构及可编程控制器在数控系统中的应用；第5章介绍各种插补方法及其实现步骤，以及刀具半径补偿原理、进给加减速控制方法；第6章介绍数控机床常用的各种检测装置；第7章介绍应用于数控机床的多种控制电机及其驱动控制方式；第8章介绍数控机床机械结构的特点、主传动系统、进给传动系统及相关部件；第9章介绍分布式数控系统的概念、功能、控制方式、信息采集技术和应用实例；第10章介绍柔性制造系统的组成、功能、控制调度技术，最后给出应用实例。

1. 侧重于数控编程和数控原理，兼顾现代数控机床结构、分布式数控技术、柔性制造技术等方面的知识。

2. 编写时既注重基础性、系统性和综合性，也考虑应用性、实践性和先进性。

陈蔚芳，女，南京航空航天大学机电学院机械电子工程系教授、博士生导师，研究领域：现代集成制造、装备设计与优化、CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM、制造过程建模与仿真。

王宏涛，女，南京航空航天大学机电学院机械电子工程系教授、博士生导师，研究领域：机电控制及自动化，智能机器人技术，测控技术及仪器，基于视觉的三维测量，智能材料与结构。 2100433B

《机床数控技术及应用》为普通高等教育“十一五”国家级规划教材,是根据高职高专教育机械类专业人才培养目标及规格的要求编写的。全书共分为8章。第1章简要介绍数控机床的特点及加工原理。第2章介绍数控编程的有关内容。第3章详细讲解了计算机数控(cNc)系统的硬、软件工作原理与应用知识。第4章介绍了各种开、闭环进给驱动装置及位置检测元件。第5章介绍数控机床的主轴驱动,并讨论主轴控制中的变速及主轴准停控制。第6章介绍数控机床的机械结构及特点。第7章讲述数控机床的选用、调试、验收、维护保养及故障诊断等知识。第8章介绍现代数控系统与机械加工自动化的发展。

《机床数控技术及应用》可作为高职、高专、成人高校及本科院校举办的二级职业技术学院机电类专业教材,也可供应用型高校和企业技术人员选用与参考。

第1章 绪论

1.1 数控机床的基本组成及加工原理

1.1.1 数控机床的产生

1.1.2 计算机数控的概念与发展

1.1.3 数控机床的基本结构及工作原理

1.2 数控机床的分类

1.2.1 按加工工艺方法分类

1.2.2 按控制运动的方式分类

1.2.3 按驱动装置的特点分类

1.3 数控机床的特点及应用范围

1.3.1 数控机床的加工特点

1.3.2 数控机床的使用特点

1.3.3 数控机床的应用范围

复习题

第2章 数控加工的工艺与编程

2.1 数控加工程序编制基础

2.1.1 穿孔纸带及代码

2.1.2 数控机床的坐标轴和运动方向

2.1.3 程序段格式

2.2 数控机床的加工工艺及编程步骤

2.2.1 工序的划分

2.2.2 编制加工程序的内容及步骤

2.2.3 零件的安装和对刀点的确定

2.2.4 确定加工路线

2.2.5 切削用量及刀具的选择

2.2.6 数值计算

2.3 数控车床的编程

2.3.1 数控车床的编程基础

2.3.2 数控车床的基本编程功能

2.3.3 数控车床的基本编程方法

2.3.4 固定循环功能

2.3.5 螺纹切削

2.4 数控铣床及加工中心的编程

2.4.1 数控铣床及加工中心的编程基础

2.4.2 数控铣床及加工中心的基本编程功能

2.4.3 数控铣床及加工中心的基本编程方法

2.4.4 刀具补偿功能

2.4.5 固定循环

2.4.6 子程序

复习题

第3章 计算机数控系统

3.1 计算机数控((；NC)系统的基本概念

3..微处理器数控(MNC)系统的组成

3.2.1 中央处理单元(CPU)和总线

(BUS)

3.2.2 存储器(memory)

3.2.3 输入偷出(I/0)接口电路及相应的外部设备

3.3 CNC系统的硬件结构

3.3.1 单微处理机与多微处理机结构

3.3.2 大板式结构与功能模块式结构

3.4 CNC系统的软件

3.4.1 CNC系统软件的组成与功能

3.4.2 CNC系统软件的特点和结构

3.5 CNC系统的工作过程

3.5.1 CNC系统的数据段历程

3.5.2 CNC系统自动工作时的总体流程

3.6 运动轨迹的插补原理

3.6.1 运动轨迹插补的概念

3.6.2 运动轨迹插补的方法

3.6.3 逐点比较法·

3.6.4 DI)A法——数字积分法

3.6.5 数据采样法

3.7 进给运动的误差补偿

3.7.1 机床加工零件误差的来源

3.7.2 螺距误差补偿

3.7.3 反向间隙误差补偿

3.7.4 热变形补偿

3.7.5 其他因素引起的误差补偿

3.8 辅助功能与PLC

3.8.1 可编程序控制器在机床数控中的应用

3.8.2 M，S，T功能的实现

3.9 FANUC一0系统介绍

3.9.1 FANtJC一0系统的硬件结构

3.9.2 FANI.JC一0系统的软件结构

3.9.3 F'ANtJC一0系统的伺服结构

复习题

第4章 进给运动的控制

4.1 概述

4.1.1 进给伺服系统

4.1.2 伺服驱动系统的分类

4.1.3 位置伺服驱动系统的开环、闭环

控制

4.2 步进驱动及开环进给控制

4.2.1 步进电动机的工作原理

4.2.2 步进电动机的驱动电源

4.2.3 步进电动机的进给控制

4.2.4 步进电动机的主要特性及其选择

4.3 位置检测装置

4.3.1 位置检测元件的分类及要求

4.3.2 光电编码器

4.3.3 光栅尺

4.3.4 直线感应同步器

4.4 直流、交流伺服驱动装置

4.4.1 直流伺服驱动装置

4.4.2 交流伺服驱动装置

4.4.3 进给伺服电动机的选用

4.5 进给运动闭环位置控制

4.5.1 闭环位置控制的概念

4.5.2 闭环位置控制的实现

4.5.3 位置控制回路的数学模型

4.6 闭环位置控制系统的性能分析

4.6.1 定位过程的误差分析

4.6.2 直线插补轮廓误差分析

4.6.3 圆弧插补轮廓误差分析

4.6.4 拐角轮廓误差分析

4.7 进给传动机构对位置控制特性的影响

4.7.1 机械传动机构的基本要求

4.7.2 传动刚度与阻尼对位置控制特性的影响

4.7.3 传动间隙和惯量对位置控制特性的影响

复习题

第5章 主轴驱动及控制

5.1 概述

5.2 主轴驱动装置的工作原理

5.2.1 主轴驱动装置的特点

5.2.2 交流主轴电动机

5.2.3 交流主轴驱动装置

5.2.4 交流主轴驱动特性曲线

5.3 主轴分段无级调速及控制

5.3.1 概述

5.3.2 自动变挡控制

5.3.3 自动变挡的实现

5.4 主轴准停控制

5.4.1 概述

5.4.2 机械准停控制

5.4.3 电气准停控制

复习题

第6章 数控机床的机械结构与特点

6.1 数控机床的结构要求

6.1.1 数控机床机械结构的主要组成

6.1.2 数控机床机械结构的特点和要求

6.2 数控机床的主传动及主轴部件

6.2.1 数控机床主传动系统的要求

6.2.2 主轴的传动方式

6.2.3 主轴组件

6.2.4 主轴的进给功能和主轴准停功能

6.2.5 主轴组件的润滑与密封

6.3 数控机床的进给传动机构

6.3.1 进给系统概述

6.3.2 传动齿轮的消隙

6.3.3 联轴器

6.3.4 丝杠螺母副

6.3.5 导轨

6.3.6 工作台

6.4 自动换刀装置

6.4.1 自动换刀装置的分类

6.4.2 刀库

6.4.3 机械手

6.4.4 加工中心主轴上刀具的夹紧机构

6.5 其他辅助装置

6.5.1 数控机床的液压和气动系统

6.5.2 排屑装置

6.6 数控机床实例

6.6.1 数控车床

6.6.2 加工中心

6.6.3 数控磨床

6.6.4 数控齿轮加工机床

6.6.5 数控电加工机床

复习题

第7章 数控机床的选用、验收与维修

7.1 数控机床的选用

7.1.1 数控机床选用的原则

7.1.2 数控机床选用的基本要点

7.2 数控机床的调试和验收

7.2.1 数控机床的安装调试

7.2.2 数控机床的验收

7.3 数控机床的维护与保养

7.3.1 预防性维护

7.3.2 设备的日常保养

7.4 CNC系统的可靠性和故障诊断技术

7.4.1 系统可靠性及故障的基本概念

7.4.2 影响可靠性的因素

7.4.3 提高可靠性的方法与措施

7.4.4 故障诊断的方法

7.5 数控机床故障的判断与排除

7.5.1 数控机床故障处理的原则

7.5.2 数控机床的机械故障及排除

7.5.3 CNC装置的故障

7.5.4 进给伺服系统的故障

7.5.5 主轴控制单元的故障

7.5.6 维修实例

复习题

第8章 数控技术的发展与机械加工

自动化

8.1 数控技术的发展

8.1.1 概述

8.1.2 几种主要CNC系统介绍

8.1.3 数控机床的发展

8.2 机械加工自动化

8.2.1 机械加工发展的新趋势

8.2.2 柔性制造系统(FMS)

8.2.3 计算机集成制造系统(CIMS)

复习题

参考文献2100433B

数控技术及应用内容简介

本书以数控机床为对象，深入浅出地对数控技术所包含的主要内容和应用做了比较全面的分析和叙述。全书共分7章，主要内容包括概论、数控机床的机械结构与传动、数控机床加工与编程、插补原理、计算机数控系统、位置检测技术、数控机床伺服系统。全书注重理论和实际应用相结合，各章既有联系，又有一定的独立性。 读者对象：本书既可以作为高等院校本科机械类及相关专业教材使用，也可以作为从事机械工程的技术人员参考用书。

数控技术及应用目录

目 录

第1章 概论 1

1.1 数控机床的基本结构及工作原理 1

1.1.1 数控机床的产生 1

1.1.2 数控技术的基本概念 1

1.1.3 数控机床的基本结构及工作原理 3

1.2 数控机床的分类 5

1.2.1 按加工工艺方法分类 5

1.2.2 按运动控制方式分类 6

1.2.3 按伺服驱动的特点分类 7

1.3 数控机床的适用范围和特点 9

1.3.1 数控技术的适用范围 9

1.3.2 数控机床的特点 9

1.4 数控系统性能指标 11

1.4.1 控制轴数和联动轴数 11

1.4.2 插补功能 11

1.4.3 脉冲当量 12

1.4.4 定位精度和重复定位精度 12

1.4.5 行程 12

1.4.6 主轴转速和进给速度及其调节范围 12

1.4.7 机床的数控功能 12

1.4.8 程序的编辑、管理和控制功能 12

1.4.9 误差补偿功能 13

1.4.10 加减速控制功能 13

1.4.11 逻辑控制功能 13

1.4.12 通信方式 13

1.4.13 故障诊断功能 13

1.5 数控技术的发展 13

1.5.1 数控技术的功能发展 14

1.5.2 数控技术的体系结构发展 15

1.5.3 新一代数控加工技术 16

1.5.4 数控技术在先进制造技术中的作用 16

复习思考题 16

第2章 数控机床的机械结构与传动 17

2.1 概述 17

2.1.1 数控机床机械结构的特点 17

2.1.2 数控机床对机械结构的基本要求 17

2.2 数控机床的典型机械结构 18

2.2.1 滚珠丝杠螺母结构 18

2.2.2 齿轮传动间隙消除结构 23

2.2.3 机床导轨 26

2.2.4 刀库与自动换刀装置 28

2.2.5 回转工作台与分度工作台 32

2.3 数控机床的主传动系统 35

2.3.1 主传动的基本要求和变速方式 36

2.3.2 主轴部件的结构 37

2.3.3 电主轴与高速主轴系统 41

2.4 数控机床的进给传动系统 42

2.4.1 数控机床对进给传动系统的基本要求 42

2.4.2 数控机床进给传动系统的基本形式 43

2.4.3 直线电动机与高速进给单元 45

复习思考题 46

第3章 数控机床加工与编程 47

3.1 数控加工的工艺特点 47

3.1.1 数控加工过程 47

3.1.2 零件图纸的数控工艺分析 49

3.1.3 数控加工工序划分 49

3.2 数控机床刀具 49

3.2.1 数控刀具特点 50

3.2.2 数控车床常用刀具 50

3.2.3 数控铣床、加工中心常用刀具 51

3.3 数控机床夹具 53

3.3.1 数控机床夹具要求及选用方法 53

3.3.2 数控车床常用夹具 53

3.3.3 数控铣床、加工中心常用夹具 53

3.4 数控编程基础 54

3.4.1 程序与编程 54

3.4.2 程序组成与结构 55

3.4.3 程序主要功能字 55

3.5 数控基本编程指令 58

3.5.1 坐标系建立与选择 58

3.5.2 绝对、增量编程方式 61

3.5.3 基本移动指令 61

3.5.4 刀具补偿功能指令 62

3.6 数控车床的程序编制 62

3.6.1 数控车床的编程特点 62

3.6.2 数控车床的典型编程指令 63

3.6.3 车削加工循环指令 65

3.7 数控镗铣床（加工中心）的程序编制 68

3.7.1 数控镗铣床（加工中心）的编程特点 68

3.7.2 数控镗铣床（加工中心）的典型编程指令 68

3.7.3 固定循环指令 69

3.7.4 子程序格式及应用 71

复习思考题 72

练习 73

第4章 插补原理 75

4.1 插补原理 75

4.1.1 插补的概念 75

4.1.2 插补方法的分类 75

4.2 逐点比较法 76

4.2.1 逐点比较法原理 76

4.2.2 逐点比较法直线插补 77

4.2.3 逐点比较法圆弧插补 80

4.3 数字积分法 83

4.3.1 数字积分法的基本原理 83

4.3.2 DDA直线插补 84

4.3.3 DDA直线插补实例 86

4.3.4 DDA圆弧插补 87

4.3.5 DDA圆弧插补实例 89

复习思考题 90

第5章 计算机数控系统 91

5.1 数控系统的基本结构及工作原理 91

5.1.1 CNC系统的组成 91

5.1.2 CNC装置的工作原理 91

5.1.3 CNC装置的功能 95

5.2 CNC系统的硬件结构 97

5.2.1 大板结构和功能模板结构 97

5.2.2 单微处理器结构和多微处理器结构 98

5.2.3 CNC装置的输入/输出接口 101

5.2.4 开放式CNC的硬件结构 102

5.3 CNC系统的软件结构 104

5.3.1 CNC系统软件的组成 104

5.3.2 CNC的软件结构 105

5.3.3 CNC软件结构模式 107

5.3.4 开放式CNC的软件结构 110

5.3.5 系统参考结构 112

5.4 典型数控系统 113

5.4.1 日本FANUC系列数控系统 113

5.4.2 德国SIEMENS公司的SINUMERIK系列CNC系统 114

5.4.3 华中数控系统（HNC） 114

复习思考题 115

第6章 位置检测技术 116

6.1 位置伺服控制 116

6.1.1 位置伺服控制分类 116

6.1.2 幅值伺服控制 117

6.1.3 相位伺服控制 118

6.2 光电编码器 119

6.2.1 增量式编码器 119

6.2.2 绝对式编码器 120

6.2.3 编码器在数控机床中的应用 121

6.3 光栅尺和磁栅尺 122

6.3.1 光栅尺的结构及工作原理 122

6.3.2 光栅尺位移数字变换系统 124

6.3.3 磁栅尺的结构及工作原理 125

6.3.4 磁栅尺的检测电路 127

6.4 旋转变压器和感应同步器 128

6.4.1 旋转变压器的结构和工作原理 128

6.4.2 感应同步器的结构和工作原理 130

复习思考题 132

第7章 数控机床伺服系统 133

7.1 概述 134

7.1.1 伺服系统的构成 134

7.1.2 伺服系统的分类 134

7.1.3 数控机床对伺服系统的要求 136

7.2 步进电动机及其驱动系统 137

7.2.1 步进电动机的种类与结构 137

7.2.2 步进电动机的使用特性 139

7.2.3 步进电动机驱动及控制技术 141

7.2.4 利用数控实验台实现步进电动机的正、反转控制 142

7.2.5 利用数控实验台实现三相异步电动机的调频 145

7.3 直流伺服控制 145

7.3.1 小惯量直流伺服电动机 145

7.3.2 直流主轴电动机 146

7.3.3 晶闸管直流调速 146

7.3.4 晶体管直流脉宽调速 150

7.4 交流伺服控制 154

7.4.1 交流伺服电动机 154

7.4.2 交流主轴电动机 155

7.4.3 交流伺服电动机的变频调速 156

7.4.4 交流伺服电动机的矢量控制调速 158

7.4.5 矢量变换SPWM变频调速实例 159

7.5 伺服系统性能及参数 161

7.5.1 稳态性能 161

7.5.2 动态性能 161

7.5.3 轮廓加工中的跟随精度 162

7.5.4 伺服系统参数 164

复习思考题 166

参考文献 167

数控技术及应用前言

前 言

随着计算机技术的发展，数控技术已经广泛应用于工业控制的各个领域，尤其是机械制造行业，具有高效率、高精度、高自动化的数控装备得到越来越广泛的应用。数控机床作为现代机械工业的重要技术装备，是典型的机电一体化产品，它融合了计算机技术、自动控制技术、检测技术、液压与气动技术，以及精密机械技术等各个方面的内容。数控技术的应用，不但使传统的生产和制造模式发生了根本性的变化，而且随着它的不断发展和应用领域的扩大，对国民经济中一些重要行业的发展起着越来越重要的作用。

本书是根据普通高等学校应用型本科面向“十二五”机电类专业教材建设的规划要求，并结合不同院校实践教学中的经验编写的。本书以数控机床为对象，主要介绍数控技术概述、数控机床机械结构与传动、数控加工工艺与编程、数控原理与数控系统，以及数控伺服与检测技术等内容。本书在内容编排上力求系统全面、重点突出、内容新颖。并本着“易教易学”与“贴近生产实际”的核心思想，突出本科教学理论与实践的均衡，尽量减少理论教学的枯燥、抽象。每章均附有复习思考题，可以帮助学生理解和巩固所学知识。

本书由北华航天工业学院王怀明教授、湖州师范学院程广振教授担任主编，昆明学院陈玲、西北工业大学明德学院侯伟、北华航天工业学院于杰担任副主编。其中，第1章、第5章由北华航天工业学院王怀明、于杰编写，第4章由北华航天工业学院王怀明、李晨、刘宝华编写，第2章、第6章由湖州师范学院程广振编写，第3章由昆明学院陈玲编写，第7章由西北工业大学明德学院侯伟编写。

本书可作为机电类专业本科生的教材，还可作为从事数控技术开发与应用的工程技术人员的参考书。适用于普通高等院校机电类相关专业（机械设计制造及其自动化、材料成型及控制工程、机械电子工程、测控技术及仪器、过程装备及控制工程、车辆工程、工业设计、工业工程等）的教学，也适合对应专业独立学院、民办院校的本科教学。本教材建议授课48-64学时。

由于编者的水平有限，书中难免有不妥和错误之处，恳请读者批评指正。

编 者2100433B