數控技術及應用

本書內容新，編排形式具有創新性，實用性強，章后附有思考題與習題。本書不僅可作為高等院校、高職高專機電類專業教材，亦可作為相關崗位培訓教材，還可供有關技術人員閱讀參考。

緒論

第一章　數控機床的組成與工作原理

第一節數控機床的組成與工作原理

第二節數控機床加工的特點及應用

第三節數控機床的種類劃分

第二章　計算機數控系統

第一節CNC系統的概述

第二節CNC系統的硬體結構

第三節CNC系統的軟體結構

第四節CNC裝置的介面與通信

第三章數控機床的機械結構

第一節數控機床的總體布局

第二節數控機床的主軸部件

第三節數控機床的進給傳動系統

第四節自動換刀裝置

第五節數控機床的迴轉工作台

第四章　數控機床的伺服系統

第一節伺服系統概述

第二節步進電機及其驅動系統

第三節直流伺服電動機調速系統

第四節交流伺服電機與速度控制

第五節位置檢測裝置

第五章　數控機床的程序編製

第一節概述

第二節數控編程的基礎

第三節數控編程的工藝

第四節數控系統的指令代碼

第五節自動編程

第六章　插補原理及數據處理

第一節概述

第二節基準脈衝插補

第三節數據採樣插補及數據處理

第四節輸入數據處理

第七章數控機床的選擇、安裝、故障診斷與維護

第一節數控機床的選擇方法

第二節數控機床的安裝與調試

第三節數控機床故障診斷

第四節數控機床的日常維護與保養

參考文獻

本書以數控機床為對象，深入淺出地對數控技術所包含的主要內容和應用做了比較全面的分析和敘述。全書共分7章，主要內容包括概論、數控機床的機械結構與傳動、數控機床加工與編程、插補原理、計算機數控系統、位置檢測技術、數控機床伺服系統。全書注重理論和實際應用相結合，各章既有聯繫，又有一定的獨立性。讀者對象：本書既可以作為高等院校本科機械類及相關專業教材使用，也可以作為從事機械工程的技術人員參考用書。

目 錄

第1章 概論 1

1.1 數控機床的基本結構及工作原理 1

1.1.1 數控機床的產生 1

1.1.2 數控技術的基本概念 1

1.1.3 數控機床的基本結構及工作原理 3

1.2 數控機床的分類 5

1.2.1 按加工工藝方法分類 5

1.2.2 按運動控制方式分類 6

1.2.3 按伺服驅動的特點分類 7

1.3 數控機床的適用範圍和特點 9

1.3.1 數控技術的適用範圍 9

1.3.2 數控機床的特點 9

1.4 數控系統性能指標 11

1.4.1 控制軸數和聯動軸數 11

1.4.2 插補功能 11

1.4.3 脈衝當量 12

1.4.4 定位精度和重複定位精度 12

1.4.5 行程 12

1.4.6 主軸轉速和進給速度及其調節範圍 12

1.4.7 機床的數控功能 12

1.4.8 程序的編輯、管理和控制功能 12

1.4.9 誤差補償功能 13

1.4.10 加減速控制功能 13

1.4.11 邏輯控制功能 13

1.4.12 通信方式 13

1.4.13 故障診斷功能 13

1.5 數控技術的發展 13

1.5.1 數控技術的功能發展 14

1.5.2 數控技術的體系結構發展 15

1.5.3 新一代數控加工技術 16

1.5.4 數控技術在先進位造技術中的作用 16

複習思考題 16

第2章 數控機床的機械結構與傳動 17

2.1 概述 17

2.1.1 數控機床機械結構的特點 17

2.1.2 數控機床對機械結構的基本要求 17

2.2 數控機床的典型機械結構 18

2.2.1 滾珠絲杠螺母結構 18

2.2.2 齒輪傳動間隙消除結構 23

2.2.3 機床導軌 26

2.2.4 刀庫與自動換刀裝置 28

2.2.5 迴轉工作台與分度工作台 32

2.3 數控機床的主傳動系統 35

2.3.1 主傳動的基本要求和變速方式 36

2.3.2 主軸部件的結構 37

2.3.3 電主軸與高速主軸系統 41

2.4 數控機床的進給傳動系統 42

2.4.1 數控機床對進給傳動系統的基本要求 42

2.4.2 數控機床進給傳動系統的基本形式 43

2.4.3 直線電動機與高速進給單元 45

複習思考題 46

第3章 數控機床加工與編程 47

3.1 數控加工的工藝特點 47

3.1.1 數控加工過程 47

3.1.2 零件圖紙的數控工藝分析 49

3.1.3 數控加工工序劃分 49

3.2 數控機床刀具 49

3.2.1 數控刀具特點 50

3.2.2 數控車床常用刀具 50

3.2.3 數控銑床、加工中心常用刀具 51

3.3 數控機床夾具 53

3.3.1 數控機床夾具要求及選用方法 53

3.3.2 數控車床常用夾具 53

3.3.3 數控銑床、加工中心常用夾具 53

3.4 數控編程基礎 54

3.4.1 程序與編程 54

3.4.2 程序組成與結構 55

3.4.3 程序主要功能字 55

3.5 數控基本編程指令 58

3.5.1 坐標系建立與選擇 58

3.5.2 絕對、增量編程方式 61

3.5.3 基本移動指令 61

3.5.4 刀具補償功能指令 62

3.6 數控車床的程序編製 62

3.6.1 數控車床的編程特點 62

3.6.2 數控車床的典型編程指令 63

3.6.3 車削加工循環指令 65

3.7 數控鏜銑床（加工中心）的程序編製 68

3.7.1 數控鏜銑床（加工中心）的編程特點 68

3.7.2 數控鏜銑床（加工中心）的典型編程指令 68

3.7.3 固定循環指令 69

3.7.4 子程序格式及應用 71

複習思考題 72

練習 73

第4章 插補原理 75

4.1 插補原理 75

4.1.1 插補的概念 75

4.1.2 插補方法的分類 75

4.2 逐點比較法 76

4.2.1 逐點比較法原理 76

4.2.2 逐點比較法直線插補 77

4.2.3 逐點比較法圓弧插補 80

4.3 數字積分法 83

4.3.1 數字積分法的基本原理 83

4.3.2 DDA直線插補 84

4.3.3 DDA直線插補實例 86

4.3.4 DDA圓弧插補 87

4.3.5 DDA圓弧插補實例 89

複習思考題 90

第5章 計算機數控系統 91

5.1 數控系統的基本結構及工作原理 91

5.1.1 CNC系統的組成 91

5.1.2 CNC裝置的工作原理 91

5.1.3 CNC裝置的功能 95

5.2 CNC系統的硬體結構 97

5.2.1 大板結構和功能模板結構 97

5.2.2 單微處理器結構和多微處理器結構 98

5.2.3 CNC裝置的輸入/輸出介面 101

5.2.4 開放式CNC的硬體結構 102

5.3 CNC系統的軟體結構 104

5.3.1 CNC系統軟體的組成 104

5.3.2 CNC的軟體結構 105

5.3.3 CNC軟體結構模式 107

5.3.4 開放式CNC的軟體結構 110

5.3.5 系統參考結構 112

5.4 典型數控系統 113

5.4.1 日本FANUC系列數控系統 113

5.4.2 德國SIEMENS公司的SINUMERIK系列CNC系統 114

5.4.3 華中數控系統（HNC） 114

複習思考題 115

第6章 位置檢測技術 116

6.1 位置伺服控制 116

6.1.1 位置伺服控制分類 116

6.1.2 幅值伺服控制 117

6.1.3 相位伺服控制 118

6.2 光電編碼器 119

6.2.1 增量式編碼器 119

6.2.2 絕對式編碼器 120

6.2.3 編碼器在數控機床中的應用 121

6.3 光柵尺和磁柵尺 122

6.3.1 光柵尺的結構及工作原理 122

6.3.2 光柵尺位移數字變換系統 124

6.3.3 磁柵尺的結構及工作原理 125

6.3.4 磁柵尺的檢測電路 127

6.4 旋轉變壓器和感應同步器 128

6.4.1 旋轉變壓器的結構和工作原理 128

6.4.2 感應同步器的結構和工作原理 130

複習思考題 132

第7章 數控機床伺服系統 133

7.1 概述 134

7.1.1 伺服系統的構成 134

7.1.2 伺服系統的分類 134

7.1.3 數控機床對伺服系統的要求 136

7.2 步進電動機及其驅動系統 137

7.2.1 步進電動機的種類與結構 137

7.2.2 步進電動機的使用特性 139

7.2.3 步進電動機驅動及控制技術 141

7.2.4 利用數控實驗台實現步進電動機的正、反轉控制 142

徠7.2.5 利用數控實驗台實現三相非同步電動機的調頻 145

7.3 直流伺服控制 145

7.3.1 小慣量直流伺服電動機 145

7.3.2 直流主軸電動機 146

7.3.3 晶閘管直流調速 146

7.3.4 晶體管直流脈寬調速 150

7.4 交流伺服控制 154

7.4.1 交流伺服電動機 154

7.4.2 交流主軸電動機 155

7.4.3 交流伺服電動機的變頻調速 156

7.4.4 交流伺服電動機的矢量控制調速 158

7.4.5 矢量變換SPWM變頻調速實例 159

7.5 伺服系統性能及參數 161

7.5.1 穩態性能 161

7.5.2 動態性能 161

7.5.3 輪廓加工中的跟隨精度 162

7.5.4 伺服系統參數 164

複習思考題 166

參考文獻 167

前 言

隨著計算機技術的發展，數控技術已經廣泛應用於工業控制的各個領域，尤其是機械製造行業，具有高效率、高精度、高自動化的數控裝備得到越來越廣泛的應用。數控機床作為現代機械工業的重要技術裝備，是典型的機電一體化產品，它融合了計算機技術、自動控制技術、檢測技術、液壓與氣動技術，以及精密機械技術等各個方面的內容。數控技術的應用，不但使傳統的生產和製造模式發生了根本性的變化，而且隨著它的不斷發展和應用領域的擴大，對國民經濟中一些重要行業的發展起著越來越重要的作用。

本書是根據普通高等學校應用型本科面向“十二五”機電類專業教材建設的規劃要求，並結合不同院校實踐教學中的經驗編寫的。本書以數控機床為對象，主要介紹數控技術概述、數控機床機械結構與傳動、數控加工工藝與編程、數控原理與數控系統，以及數控伺服與檢測技術等內容。本書在內容編排上力求系統全面、重點突出、內容新穎。並本著“易教易學”與“貼近生產實際”的核心思想，突出本科教學理論與實踐的均衡，盡量減少理論教學的枯燥、抽象。每章均附有複習思考題，可以幫助學生理解和鞏固所學知識。

本書由北華航天工業學院王懷明教授、湖州師範學院程廣振教授擔任主編，昆明學院陳玲、西北工業大學明德學院侯偉、北華航天工業學院於傑擔任副主編。其中，第1章、第5章由北華航天工業學院王懷明、於傑編寫，第4章由北華航天工業學院王懷明、李晨、劉寶華編寫，第2章、第6章由湖州師範學院程廣振編寫，第3章由昆明學院陳玲編寫，第7章由西北工業大學明德學院侯偉編寫。

本書可作為機電類專業本科生的教材，還可作為從事數控技術開發與應用的工程技術人員的參考書。適用於普通高等院校機電類相關專業（機械設計製造及其自動化、材料成型及控制工程、機械電子工程、測控技術及儀器、過程裝備及控制工程、車輛工程、工業設計、工業工程等）的教學，也適合對應專業獨立學院、民辦院校的本科教學。本教材建議授課48-64學時。

由於編者的水平有限，書中難免有不妥和錯誤之處，懇請讀者批評指正。

編 者