数控技术及其应用

前言

第1章 绪论

1.1 数控技术的基本概念

1.1.1 数控技术

1.1.2 数控机床及其加工原理

1.1.3 数控机床的适用范围

1.2 数控机床的特点及其分类

1.2.1 数控机床的特点

1.2.2 数控机床的分类

1.3 数控机床和数控系统的发展

1.4 数控技术的发展

1.5 习题

第2章 计算机数控系统

第3章 数控技术轨迹控制原理

第4章 数控机床的伺服驱动系统

第5章 数控机床及位置检测装置

第6章 数控加工程序编制

第7章 数控技术的应用

参考文献2100433B

《数控技术及其应用》系统地介绍了数控技术的概念、数控机床的特点分类和数控技术的发展情况、计算机数控系统装置、数控插补控制原理及数据处理、数控机床伺服系统、数控机床的位置检测装置、数控加工编程基础、计算机数字控制技术的应用等内容。

本书内容从培养应用型本科人才的目的出发，兼顾一般工科院校的教学特点，既注重先进性又考虑实用性，既有理论又有实例。各章既有联系又有一定的独立性。每章末均附有习题。

《数控技术及其应用》一书可作为普通本科院校数控技术应用专业和机电类专业数控技术、数控编程及数控原理课程的教学用书，也可供从事机床数控技术的人员参考。

具有“以社会需求为导向，以培养学生的实际应用能力为目标”的特色，教材的内容、结构体系符合高职教育对数控技术、机电一体化、机械制造与自动化专业领域高素质技能型人才培养的需要，因此具有广泛的应用前景。

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

本书特别适合作为高等院校应用型人才培养的教材，也可作为高职高专师生和工厂数控技术人员的参考书。

本书全面介绍了数控技术的有关原理和应用知识，主要包括数控机床的基本知识、数控装置、伺服系统，数控车、数控铣、加工中心的加工工艺、编程与操作，数控机床的选用、验收、调试与维护等内容，尤其突出数控机床的编程与操作、选用调试与维护等实践性较强的内容，以满足数控加工技术的发展和厂矿企业数控机床使用维修人员的需要。各章内容既有联系性，又有一定的独立性 。 本书特别适合作为高等院校应用型人才培养的教材，也可作为高职高专师生和工厂数控技术人员的参考书。