数控技术及应用自学复习资料

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（CIMS）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；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）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
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G01X30Z6执行G91G01Z15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、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）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180º时半径取负值。

如
G02X20Y20R-10F100；所加工的一般是180°〈夹角〈360°的圆弧。

圆弧插补指令G03X 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Φ12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，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。

（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μ=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。

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。

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。

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。

第九章典型的数控系统及机电一体化系统开发过程
考核要求
（一）1、识记：对现代数控系统的要求及其实现方法。

答：为了提高机械加工的生产率，现代数控机床向高速、高精度方向发展，在高速加工的同时实现高精度化。

现代数控机床集合了计算机技术、伺服控制技术、机械结构等方面的新技术、新成就。

如高速数控运算技术、高精密伺服技术等。

旧机床改造的数控车床，常采用梯形螺纹丝杠作为传动副，其反向间隙需事先测量出来进行补偿。

（二）1、识记：FANUC 15系统的主要功能、结构组成及其作用。

2、领会：FANUC 15系统在高速化、高精度化和高效率化方面所采取的主要措施。

（三）1、识记：机电一体化系统的设计原则和开发路线。

2、领会：机电一体化系统设计实例中软、硬件结构和配置。

3、简单应用：能根据机床工作要求，提出机电一体化系统的设计方案。