《數控技術及應用/應用型本科機電類專業“十三五”規劃精品教材》主要講述數字控制原理、數控系統、數控機床主軸驅動與控制、數控機床進給驅動與控制、數控機床的典型機械結構、數控機床的選用和維修、數控加工工藝、數控程序的編制等內容，面向應用型本科生，能夠很好地體現專業特色。
《數控技術及應用/應用型本科機電類專業“十三五”規劃精品教材》注重理論和實際應用相結合，內容由淺入深、通俗易懂，各章配有適量的思考與練習題，既便于教學又利于自學。《數控技術及應用/應用型本科機電類專業“十三五”規劃精品教材》可以作為學校教學或工程技術人員的參考教材。
數控技術是機械加工自動化的基礎，是數控機床的核心技術。本書根據應用型本科人才培養目標的要求，從工程實際出發，重點放在工程應用中的基本知識、分析問題的思路和解決問題的方法上。課程內容兼顧電氣和儀表類專業的特點，拓寬基礎知識的范圍。在編寫過程中始終以“夠用為度”為方針來安排相關內容，使學生在學習時能夠正確處理好知識的廣度和深度，強調理論知識與工程實踐的關系。
本書著重敘述了數控編程的基礎及方法、計算機數控裝置的軟硬件、數控裝置的軌跡控制原理、數控機床的伺服系統工作原理，同時敘述了數控技術的基本概念、數控機床的檢測裝置、數控機床的機械結構、數控機床的故障診斷以及數控技術的發展等課程的主要知識，并以數控加工信息流這條主線對課程內容進行了復合、銜接和綜合，使其有機地串聯起來，成為一門完整、系統的綜合課程。
本書可以滿足80~120學時的教學需要，在教學時各專業可根據教學要求，對相關章節進行取舍。
本書由大連工業大學王海文、大連工業大學藝術與信息工程學院曹鋒擔任主編，大連工業大學藝術與信息工程學院林月、張翠芳擔任副主編，具體分工如下：王海文編寫第1章和第7章，曹鋒編寫第9章，林月編寫第6章和第8章，張翠芳編寫第2章、第3章、第4章、第5章。肖楊、賈樹彬、王曉俊、殷銘一、劉倩伶、王藝熒協助進行了編寫資料的整理工作。全書由大連工業大學藝術與信息工程學院的金崇源進行主審。
在編寫過程中參考了大量的文獻，在此對文獻作者致以謝意，對給予我們關心和幫助的同人深表感謝。
為了方便教學，本書還配有電子課件等教學資源包，任課教師和學生可以登錄“我們愛讀書”網免費注冊并瀏覽，或者發郵件至hustpeiit@163.com免費索取。
限于篇幅及編者的業務水平，書中難免存在欠妥之處，竭誠希望同行和讀者賜予寶貴的意見。
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第1章緒論()
1.1數控技術的基本概念()
1.2數控機床的組成()
1.3數控機床的分類()
1.3.1按加工工藝分類()
1.3.2按機床運動軌跡控制方式分類()
1.3.3按進給伺服系統的控制原理分類()
1.3.4按控制坐標數分類()
1.4數控機床的特點()
1.5數控技術的產生與發展()
1.6常見數控系統介紹()
1.6.1FANUC數控系統()
1.6.2西門子數控系統()
1.6.3華中數控系統()
第2章數字控制原理()
2.1概述()
2.2插補原理的數學建模方法()
2.2.1基準脈沖插補()
2.2.2數據采樣插補()
2.3刀具補償技術()
2.3.1刀具長度補償()
2.3.2刀具半徑補償()
第3章數控系統()
3.1數控系統的總體結構及部分功能()
3.1.1CNC裝置的結構()
3.1.2CNC裝置的特點()
3.1.3CNC裝置的功能()
3.2數控系統的硬件結構()
3.2.1單片機數控裝置()
3.2.2單CPU數控裝置()
3.2.3多CPU數控裝置()
3.2.4全功能型CNC系統硬件的特點()
3.3數控系統的軟件結構()
3.3.1CNC裝置軟件結構的特點()
3.3.2CNC裝置軟件結構的模式()
3.4可編程控制器()
3.4.1數控機床用可編程控制器的分類()
3.4.2數控機床用可編程控制器的功能()
3.4.3典型數控機床用可編程控制器的指令系統()
第4章數控機床的主軸驅動與控制()
4.1主軸驅動與控制()
4.1.1數控裝置對主軸驅動的控制()
4.1.2主軸無級調速()
4.1.3主軸分段無級調速()
4.2主軸的準停控制()
4.2.1機械準停裝置()
4.2.2電氣準停裝置()
4.3主軸旋轉與進給軸的關聯控制()
4.3.1主軸旋轉與軸向進給的關聯控制()
4.3.2主軸旋轉與徑向進給的關聯控制()
4.4數控機床主軸伺服系統實例()
4.4.1數控裝置與主軸伺服系統的控制連接形式()
4.4.2數控裝置與主軸伺服系統的控制連接實例()
第5章數控機床進給驅動與控制()
5.1進給伺服系統概述()
5.2步進電動機及其驅動()
5.2.1步進電動機的工作原理與特點()
5.2.2步進電動機的主要特性()
5.2.3步進電動機的驅動控制線路()
5.2.4步進電動機的運動控制()
5.2.5提高步進伺服系統精確度的措施()
5.3常用位置檢測元件()
5.3.1位置檢測元件的分類及要求()
5.3.2光柵尺()
5.3.3旋轉變壓器()
5.3.4感應同步器()
5.3.5旋轉譯碼器()
5.3.6電感式接近開關與霍爾接近開關()
5.4直流伺服電動機及其驅動裝置()
5.4.1直流伺服電動機的工作原理()
5.4.2直流伺服驅動裝置()
5.5交流伺服電動機及其驅動裝置()
5.5.1交流伺服電動機的工作原理()
5.5.2交流伺服驅動裝置()
5.6直線電動機及其在數控機床中的應用簡介()
5.6.1直線電動機簡介()
5.6.2直線電動機在數控機床中的應用()
5.7進給運動閉環位置控制()
5.7.1進給運動閉環位置控制概述()
5.7.2典型的進給運動閉環位置控制方式簡介()
5.8數控機床進給伺服系統應用實例()
第6章數控機床的典型機械結構()
6.1數控機床對結構的要求()
6.2數控機床的總體布局()
6.2.1數控車床的布局形式()
6.2.2數控銑床的布局形式()
6.2.3加工中心的布局形式()
6.3數控機床的主傳動機械結構()
6.3.1數控機床主傳動系統概述()
6.3.2數控機床主傳動系統的機械結構()
6.3.3主軸及其部件的結構()
6.4數控機床的進給傳動機械結構()
6.4.1數控機床對進給傳動系統機械結構的要求()
6.4.2數控機床的進給傳動機械機構的組成()
6.4.3數控機床的導軌()
6.4.4數控機床的工作臺()
6.5自動換刀裝置()
6.5.1自動換刀裝置的分類()
6.5.2刀庫()
6.5.3機械手()
6.5.4加工中心主軸上刀具的夾緊機構()
6.6數控機床的典型結構()
6.6.1數控車床()
6.6.2數控銑床()
6.6.3加工中心()
第7章數控機床的選用與維修()
7.1數控機床的選用、安裝和調試方法()
7.1.1數控機床的選用()
7.1.2數控機床的安裝和調試()
7.2數控機床故障診斷方法()
7.2.1故障診斷及分類()
7.2.2數控機床維修與維護基礎()
7.2.3數控機床維修實訓()
7.2.4數控機床分類維修()
第8章數控加工工藝()
8.1數控加工工藝基礎()
8.1.1數控加工工藝概述()
8.1.2數控加工工藝設計()
8.1.3數控機床的刀具與工具系統()
8.1.4數控加工工藝文件的編制()
8.2數控車削加工工藝()
8.2.1數控車床的主要加工對象()
8.2.2數控加工工具()
8.2.3數控車削加工走刀路線()
8.2.4數控車削加工車削用量()
8.2.5典型零件的數控車削加工工藝()
8.3數控銑削及加工中心加工工藝()
8.3.1數控銑削及加工中心加工特點()
8.3.2數控銑削及加工中心加工對象()
8.3.3數控銑削及加工中心加工工藝裝備選用()
8.3.4數控銑削及加工中心走刀路線的確定()
8.3.5銑削用量的選擇()
8.3.6典型零件的數控銑削及加工中心加工工藝()
第9章數控程序的編制()
9.1數控編程基礎()
9.1.1數控編程的概念及分類()
9.1.2數控編程的內容及步驟()
9.1.3數控機床坐標軸和運動方向的確定()
9.1.4數控加工程序段格式()
9.1.5數控編程中的數值計算()
9.2數控車床編程()
9.2.1數控車床的編程特點()
9.2.2數控車削加工工藝()
9.2.3數控車床基本編程指令()
9.2.4數控車床固定循環指令()
9.2.5數控車床的加工編程實例()
9.3數控銑床（加工中心）編程()
9.3.1數控銑床（加工中心）概述()
9.3.2數控銑床（加工中心）加工工藝()
9.3.3數控銑床（加工中心）功能指令()
9.3.4數控銑床（加工中心）基本加工編程指令()
9.3.5數控銑床（加工中心）固定循環指令()
9.3.6數控銑床加工中心編程實例()
9.4用戶宏程序編程()
9.4.1用戶宏程序編程基礎()
9.4.2用戶宏程序編程實例()
9.5自動編程()
9.5.1自動編程概述()
9.5.2常見圖形交互式自動編程軟件簡介()
9.5.3基于UG NX 軟件的自動編程實例()
參考文獻()
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第3章
數 控 系 統
CNC裝置的工作過程，是在硬件支持下執行軟件的全過程。零件程序、控制參數和補償數據等信息通過輸入設備輸入CNC裝置。CNC裝置經過對各種零件信息、加工信息和其他輔助信息的譯碼處理，將其解釋成計算機能夠識別的數據形式，并且CNC裝置再把如刀具補償、進給速度處理、插補等功能與加工程序具體地結合在一起，通過輸出裝置傳輸給進給電動機，完成對工件的加工。CNC裝置與機床之間的強電信號是通過I/O處理回路來完成傳輸的。在CNC裝置的工作過程中，它的自診斷程序運行，不間斷地對機床各部分監測點實施監測，如果發現故障，就發送報警信號，方便維修人員快速準確地判斷、定位并修復有關CNC系統或非系統內部的各種故障。
3.1數控系統的總體結構及部分功能
數控系統是數控機床的大腦和核心，而數控系統的核心是完成數字信息運算、處理和控制的計算機，即計算機控制裝置。隨著計算機技術的發展，現代數控裝置以微型計算機數控（MNC）裝置為主體，統稱為CNC數控裝置。數控裝置（習慣稱為數控系統）是對機床進行控制，并完成零件自動加工的專用電子計算機。它接收數字化的零件圖樣和工藝要求等信息，按照一定的數字模型進行插補運算，根據運算結果實時地對機床的各運動坐標進行速度和位置控制，完成零件的加工。隨著科學技術的進步，特別是微電子技術和計算機技術的發展，數控系統不斷得到新的硬件、軟件資源而飛速發展。
3.1.1CNC裝置的結構
CNC系統（又稱計算機數控系統）是數控機床的重要部分，隨著計算機技術的發展而發展。現在的數控裝置由計算機完成以前由硬件數控所做的工作。數控系統由操作面板、輸入/輸出設備、CNC裝置、可編程控制器（PLC）、主軸伺服單元、進給伺服單元、主軸驅動裝置和進給驅動裝置（包括檢測裝置）等組成，有時也稱為CNC系統。CNC系統框圖如圖31所示。CNC系統的核心是CNC裝置。CNC裝置由硬件和軟件組成，CNC裝置的軟件在硬件的支持下，合理地管理整個系統并組織整個系統正常運行。隨著計算機技術的發展，CNC裝置性能越來越優，價格越來越低。
圖31CNC系統框圖
3.1.2CNC裝置的特點
1. 較高的柔性
柔性即靈活性，與硬件數控裝置相比，靈活性是CNC裝置的主要特點。硬件數控裝置的功能一旦制成就難以改變；而CNC裝置只要改變相應的控制軟件，就可以改變和擴展其功能，補充新技術，滿足用戶的不同需要。這就延長了硬件結構的使用期限。
2. 良好的通用性
CNC裝置硬件結構形式多樣，有多種通用的模塊化結構，使系統易于擴展，模塊化軟件能滿足各類數控機床（如數控車床、數控銑床、加工中心等）的不同控制要求。標準化的用戶接口、統一的用戶界面，既方便系統維護，又方便用戶培訓。開放式系統的引入，不但發展了模塊化的概念，而且將計算機系統的標準化和開放性思想引進來，使數控系統的通用性大大提高。
3. 可實現復雜控制功能
CNC裝置利用計算機的高速計算能力，能方便地實現許多復雜的數控功能，如多種補償功能、動靜態圖形顯示功能、高次曲線插補功能、數字伺服控制功能等。同時，隨著處理器的速度越來越快，很多對速度有要求的功能也能由軟件來處理，這樣既可以相對簡化硬件設計，又可以增加系統的靈活性。
4. 較高的可靠性
數控機床待加工零件的加工程序在加工前輸入到CNC裝置中，經系統檢查后方可調用執行，這就避免了零件程序錯誤。CNC裝置的許多功能由軟件實現，使硬件的元器件數目大為減少，硬件結構大大簡化，整個系統的可靠性得到很大改善，特別是大規模和超大規模集成電路的使用，使硬件高度集成、體積更小，進一步提高了系統的可靠性。
5. 維修、使用方便
CNC裝置的診斷程序使維修、使用CNC裝置變得非常方便，其自診斷功能能夠迅速地報警，或顯示故障的原因和位置，大大方便了維修，減少了停機時間。CNC裝置有零件程序編輯功能、自動在線編程功能等，使程序編制很方便。零件加工程序編好后，CNC裝置可顯示程序，還可以通過空運行將刀具軌跡顯示出來，檢查程序是否正確，體現了其方便的使用性。
6. 易于實現機電一體化
隨著集成電路技術的發展以及先進制造和安裝技術的應用，CNC裝置的功能不斷增強，功耗逐漸減小，大大縮小了板卡等硬件結構的尺寸，體積越來越小，易于和機床的機械結構融合，占地面積小，操作方便。CNC裝置的通信功能不斷增強，利用CNC裝置容易組成數控加工自動生產線（如FMS和CIMS等），易于實現機電一體化。
3.1.3CNC裝置的功能
CNC裝置的硬件采用模塊化結構，許多復雜的功能靠軟件實現。CNC裝置的功能通常包括基本功能和選擇功能。不管用于什么場合的CNC裝置，基本功能是其必備的數控功能；而選擇功能是供用戶根據機床特點和用途進行選擇的功能。不同的CNC裝置生產廠家，其CNC裝置的功能是有些差異的，但主要功能是相同的。CNC裝置的主要功能如下。
1. 控制功能
控制功能是指CNC裝置能夠控制的并且能夠同時控制聯動的軸數，它是CNC裝置的重要性能指標，也是區分CNC裝置檔次的重要依據。控制軸有移動軸和回轉軸、基本軸和附加軸。數控車床一般只需X、Z兩軸聯動控制。數控銑床、鉆床和加工中心等需三軸控制及三軸聯動控制。聯動軸數越多，說明CNC裝置的功能越強，加工的零件越復雜。
2. 準備功能
準備功能又稱G功能，用來指明機床的下一步如何動作。它包括基本移動、程序暫停、平面選擇、坐標設定、刀具補償、鏡像、固定循環加工、公英制轉換、子程序等指令。ISO標準規定，用指令G和后續的兩位數字組成表示指令的功能。西門子公司新出的CNC裝置（如840D、802D）用G帶三位數表示某一功能。
3. 插補功能
插補功能用于對零件輪廓加工的控制，一般的CNC裝置有直線插補功能、圓弧插補功能，特殊的CNC裝置還有二次曲線插補功能和樣條曲線插補功能。
實現插補運算的方法有逐點比較法、數字積分法、直接函數法和雙DDA法等。
4. 固定循環加工功能
用數控機床加工零件，一些典型的加工工序，如鉆孔、鉸孔、攻螺紋、深孔鉆削、切螺紋等，所需完成的動作循環十分典型，若用基本指令編寫則較麻煩，使用固定循環加工功能可以簡化編程工作。固定循環加工指令將典型動作事先編好程序并儲存在內存中，用G代碼進行指定。固定循環加工指令有鉆孔、鉸孔、攻螺紋循環，車削、銑削循環，復合加工循環及車螺紋循環等。
5. 進給功能
進給功能用F指令給出各進給軸的進給速度大小。在數控加工中常用到以下幾種與進給速度有關的術語。
1） 切削進給速度
切削進給速度（mm/min）指定刀具切削時的移動速度，例如F100表示切削進給速度大小為100 mm/min。
2） 同步進給速度
同步進給速度（mm/r）即主軸每轉一圈時進給軸的進給量。只有主軸裝有位置編碼器的機床才能指令同步進給速度。
3） 快速進給速度
快速進給速度指機床的最高移動速度，用G00指令，通過參數設定。它可通過操作面板上的快速開關改變。
4） 進給倍率
操作面板上設置了進給倍率開關，使用進給倍率開關不用修改零件加工程序就可改變進給速度。進給倍率可在0~200%之間變化。
6. 主軸功能
主軸功能包括以下幾方面。
1） 指定主軸轉速
用S后跟4位數表示，單位為轉/分（r/min），例如S1500表示主軸轉速指定為1500 r/min。
2） 設置恒定線速度
該功能主要用于車削和磨削加工中，能使工件端面質量提高。
3） 主軸準停
該功能使主軸在徑向的某一位置準確停止。加工中心必須有主軸準停功能，換刀時主軸準停后進行卸刀和裝刀動作。
7. 輔助功能
輔助功能主要用于指定主軸的正轉、反轉、停止，切削液泵的打開和關閉及換刀等動作，用M字母后跟2位數表示。沒有特指的輔助功能可作其他用途。
8. 刀具功能
刀具功能用來選擇刀具并且指定有效刀具的幾何參數的地址。
9. 補償功能
補償包括刀具補償（刀具半徑補償、刀具長度補償、刀具磨損補償）、絲杠螺距誤差補償和反向間隙補償。CNC裝置采用補償功能可以把刀具相應的補償量、絲杠螺距誤差的補償量和反向間隙的補償量輸入到其內部存儲器，在控制機床進給時按一定的計算方法將這些補償量補上。
10. 顯示功能
CNC裝置配置的CRT顯示器或液晶顯示器，用于顯示程序、零件圖形、人機對話編程菜單、故障信息等。
11. 通信功能
通信功能主要用于完成上級計算機與CNC裝置之間的數據和命令傳送。一般的CNC裝置帶有RS32C串行接口，可實現DNC方式加工。高級一些的CNC裝置帶有FMS接口，按MAP（制造自動化協議）通信，可實現車間和工廠自動化。
12. 自診斷功能
CNC裝置安裝了各種診斷程序，這些程序可以嵌入其他功能程序中，在CNC裝置運行過程中進行檢查和診斷。診斷程序也可作為獨立的服務性程序，在CNC裝置運行前或因故障停機后進行診斷，查找故障的部位。有些CNC裝置具有遠程診斷功能。
3.2數控系統的硬件結構
隨著大規模集成電路技術和表面安裝技術的發展，CNC系統硬件模塊及安裝方式不斷改進。早期數控系統的輸入、運算、插補、控制功能均由電子管、晶體管、中小規模集成電路組成的邏輯電路實現，不同的數控機床需要設計專門的邏輯電路。世界上第一個CNC系統于1970年問世，1974年美、日等國便研究出了以微處理器為核心的數控系統，之后8位、16位、后16位、32位、64位CNC系統相繼被應用。CNC系統具有體積小、結構緊湊、功能豐富、可靠性好等優點。
3.2.1單片機數控裝置
單片機是指集成了CPU、存儲器及輸入/輸出接口電路的半導體芯片，習慣上稱之為單片微型計算機。它的主要特點是抗干擾性好、可靠性高、速度快、指令系統的效率高、體積小、價格低，適用于簡易的和小型專用的數控裝置。單片機的典型結構如圖32所示。
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