1、数控机床及应用技术电子教案54学时数控机床及应用技术电 子 教 案（54学时） 主讲教师: 李柏华广州大学市政技术学院广州大学市政技术学院 教 案教 师 姓 名李柏华授课形式讲授授课时数2授 课 日 期授课班级10数控授课项目及单元名称第一章 绪论1.1 认识数控机床1.2数控机床的组成和特点教学目标1 使学生了解本门课程的性质、任务与作用，明确课程学习的目标、要求，激发学生学习本课程的兴趣。2 使学生了解数控系统的基本概念、数控系统的组成及主要工作过程，融职业素质教育于课堂教学中。教学重点教学难点（带*为难点）1 本课程的性质、任务、作用，学习的方法。2 数控系统组成及各部分功能。3 数控概
2、念的建立。*4.数控系统的主要工作过程。 教学方法教学手段1 讲述数控相关的基本概念、数控系统组成及各部分功能，以及数控系统的主要工作过程。2 借助于多媒体课件，数控系统综合讲授台，提高学生学习的兴趣，加深对所学内容的理解。学时安排1本课程的性质、任务、作用，学习方法约10分钟；2数控相关的基本概念、数控系统组成及各部分功能约60分钟；3数控系统的主要工作过程约20分钟。教学条件多媒体课件、数控系统综合讲授台课外作业查阅、收集数控系统资料检查方法随堂提问，按效果计平时成绩。备注授课主要内容第一章 绪论一、课程性质、任务、作用，学习方法二、数控系统的基本概念1.数控：数字控制的简称。2.数控系统
3、：用数字控制技术实现的自动控制系统。3.数控机床：数控系统与机床本体的结合体。三、数控系统的组成1.数控系统一般由输入/输出装置、数控装置、驱动装置、机床电器逻辑控制装置四部组成，机床本体为被控对象。2.计算机数控系统的组成1）采用计算机数控装置的数控系统称为CNC。2）现代数控系统的开关量控制采用PLC。3) Fanuc 0i-C数控系统的主要部件:数控装置（显示器、数控键盘）、操作面板、伺服放大器、伺服电机、I/O单元等。3.Fanuc 0i-C数控系统的部件连接：经FANUC 串行伺服总线FSSB，用一条光缆与多个进给伺服放大器（i 系列）相连。进给伺服电动机使用is 系列。最多可接4
4、个进给轴电机。伺服电动机上装有脉冲编码器，标配为1,000,000 脉冲/转。编码器既用做速度反馈，又用作位置反馈。系统支持半闭环控制和使用直线尺的全闭环控制。检测器的接口有并行口（A/B 相脉冲）和串行口两种。位置检测器可用增量式或绝对式。四、数控系统的主要工作过程程序输入加工信息预处理（译码、刀补计算、坐标变换等） 轨迹插补、位置控制、开关量控制以及机床的状态监控。市政技术学院教 案教 师 姓 名李柏华授课形式讲授授课时数2授 课 日 期 授课班级授课项目及单元名称 第一章 绪论1.1 认识数控机床1.2 数控系统的分类、发展趋势教学目标1 使学生了解数控系统三种不同分类方法。2 使学生熟
5、悉轮廓控制数控系统的特点与分类（按联动坐标轴数）。3 使学生理解开环、闭环及半闭环伺服系统的区别。4 使学生了解不同功能水平数控系统的特点及应用。教学重点教学难点（带*为难点）1 轮廓控制数控系统的特点与分类。 *2.开环、闭环及半闭环伺服系统的区别。3全功能数控系统的特点及应用。教学方法教学手段1 根据数控系统不同的分类方法，讲述数控系统的特点及应用。2 根据开环、闭环及半闭环伺服系统的异同，进行对比教学。4借助于多媒体课件，数控系统综合讲授台，提高学生学习的兴趣，加深对所学内容的理解。学时安排1按被控机床的运动轨迹分类约30分钟；2按伺服系统分类约40分钟；3按数控系统功能水平分类约20分
6、钟。教学条件多媒体课件、数控机床课外作业作业一：简述开环、半闭环、闭环数控系统的区别。检查方法随堂提问，按效果计平时成绩。备注授课主要内容第一章 绪论单元二 数控系统的分类、发展趋势一、按被控机床的运动轨迹分类1.点位控制数控系统: 控制工具相对工件从某一加工点移到另一个加工点之间的精确坐标位置,这一类系统的设备有数控钻床、数控坐标镗床和数控冲床等。2.直线控制数控系统：不仅要控制点与点的精确位置，还要控制两点之间的工具移动轨迹是一条直线，此类控制方式的设备主要有简易数控车床、数控镗铣床等。3.轮廓控制数控系统：这类系统能够对两个或两个以上坐标方向进行严格控制，采用此类控制方式的设备有数控车床
7、、铣床、加工中心、电加工机床和特种加工机床等。二、按伺服系统分类1.开环控制数控系统：这类数控系统不带检测装置，也无反馈电路，以步进电动机为驱动元件，被广泛应用于经济型数控系统中。2.半闭环控制数控系统：位置检测元件被安装在电动机轴端或丝杠轴端，调试方便，可以获得比较稳定的控制特性。参见下图：3.全闭环控制数控系统：位置检测装置安装在机床工作台上，调试时，其系统稳定状态很难达到。三、按数控系统功能水平分类1.经济型数控系统：又称简易数控系统，通常仅能满足一般精度要求的加工，能加工形状较简单的直线、斜线、圆弧及带螺纹类的零件，采用的微机系统为单板机或单片机系统，如：经济型数控线切割机床，数控钻床
8、，数控车床，数控铣床及数控磨床等。2.普及型数控系统：通常称之为全功能数控系统，这类数控系统功能较多，但不追求过多，以实用为准。3.高档型数控系统：指加工复杂形状工件的多轴控制数控系统，且其工序集中、自动化程度高、功能强、具有高度柔性。用于具有5轴以上的数控铣床，大、中型数控机床、五面加工中心，车削中心和柔性加工单元等。市政技术学院教 案教 师 姓 名李柏华授课形式讲授授课时数2授 课 日 期 授课班级授课项目及单元名称第二章 计算机数控系统2.1 认识计算机数控系统工作过程2.2 计算机数控系统的基本组成及其功能教学目标1、认识计算机系统的工作过程：了解CNC系统的组成、CNC装置的组成；2
9、、计算机数控系统的基本组成及其功能：掌握CNC装置的功能；教学重点教学难点（带*为难点）1 CNC装置的组成。 2. 掌握CNC装置的功能教学方法教学手段1根据数控系统的一般工作过程引入到数控CNC系统的组成、CNC装置的组成。4借助于多媒体课件，数控机床，提高学生学习的兴趣，加深对所学内容的理解。学时安排1数控系统工作过程约15分钟；2CNC装置功能约50分钟；3CNC系统组成约20分钟。用5分钟作归纳与总结。教学条件多媒体课件、数控机床课外作业上网查阅数控加工信息预处理的相关知识。检查方法随堂提问，按效果计平时成绩。备注授课主要内容第二章 计算机数控系统2.3 CNC系统的硬件结构 2.4
10、 CNC系统的软件结构一、单处理器结构指在CNC装置中只有一个微处理器，工作方式是集中控制，分时处理数控系统的各项任务。二、多微处理器多微处理器结构多微处理器结构的CNC装置中有2个或2个以上微处理器。 多微处理器CNC装置一般采用2种结构形式，即紧耦合结构和松耦合结构。在前一种结构中，由各微处理器构成处理部件，处理部件之间采取紧耦合方式，有集中的操作系统，共享资源。在后一种结构中，由各微处理器构成功能模块，功能模块之间采取松耦合方式，有多重操作系统，可以有效地实行并行处理。 （1）多微处理器CNC装置的功能模块 CNC管理模块。 CNC插补模块。 PLC模块。 位置控制模块。 存储器模块。
11、操作面板监控和显示模块。 2多微处理器结构 （2）多微处理器CNC装置的2种典型结构 共享总线结构。 以系统总线为中心的多微处理器CNC装置，把组成CNC装置的各个功能部件划分为带有CPU或DMA器件的主模块和不带CPU或DMA器件的从模块（如各种RAM、ROM模块，I/O等）两大类。 市政技术学院教 案教 师 姓 名李柏华授课形式讲授授课时数2授 课 日 期年 月 日 周授课班级授课项目及单元名称第二章 计算机数控系统2.5 轮廓插补原理教学目标1 使学生了解数控系统插补技术的功能与分类。2 使学生了解不同插补技术的应用。3 使学生掌握直线与圆弧逐点比较插补算法。教学重点教学难点（带*为难点
12、）1 插补技术的含义。 2. 插补技术的分类与应用。*3.第一象限逐点比较插补算法的实现过程。教学方法教学手段1根据数控系统的一般工作过程及数控系统的核心技术引入到插补技术。2通过讲授插补技术的概念、分类及应用,说明两类插补技术的不同。3. 重点讲解逐点比较插补算法,并给出具体的实例,进行案例式教学。4借助于多媒体课件，插补算法软件，提高学生学习的兴趣，加深对所学内容的理解。学时安排1插补技术的含义约10分钟；2插补技术的分类与应用约10分钟；3第一象限直线逐点比较插补算法的实现过程（含举例）约35分钟。4. 第一象限圆弧逐点比较插补算法的实现过程（含举例）约35分钟。教学条件多媒体课件、插补
13、算法软件课外作业作业二：逆时针加工第象限圆弧OA，起点坐标为O（6，0），终点坐标为A（0，6），试进行逐点比较插补计算并画出运动轨迹图。检查方法随堂练习，按效果计平时成绩。备注授课主要内容第二章 计算机数控系统2.5 轮廓插补原理一、插补技术机床数控系统的核心技术之一是插补技术，在已知运动轨迹的起点与终点坐标、轨迹的曲线方程，由数控系统实时地计算出各个中间点坐标的过程，称为插补。二、插补方法分类 1.脉冲增量插补法在计算过程中不断向各个坐标轴发出相互协调的进给脉冲，驱动坐标轴电机运动。常用的有：逐点比较法与数字积分法，用于以步进电动机为驱动装置的开环数控系统。第I象限直线插补轨迹 第I象限逆
14、圆插补轨迹2. 数据采样插补法采用小段直线逼近给定轨迹，插补输出的是下一个插补周期内各轴要运动的距离，故可达到很高的速度，其中计算机通常包含在伺服控制环内。用于以交直流伺服电机为驱动装置的闭环/半闭环数控系统。三、逐点比较插补法 1.插补计算步骤第一拍：偏差判别第二拍：坐标进给第三拍：偏差计算第四拍：终点判别 2.插补计算实例（逐点比较法） 1）欲加工第一象限直线，起点坐标为O(0,0),终点坐标为A(6,4)。脉冲当量为1，写出其逐点比较法插补计算的过程。2）欲加工第一象限逆时针圆弧，起点坐标为A(6,0),终点坐标为B(0,6)。脉冲当量为1，写出其逐点比较法插补计算的过程。市政技术学院教
15、 案教 师 姓 名李柏华授课形式讲授授课时数2授 课 日 期 授课班级授课项目及单元名称第二章 计算机数控系统2.6辅助功能与PLC教学目标1使学生了解PLC在数控机床中的应用；2使学生掌握M、S、T功能的实现；教学重点教学难点（带*为难点）1刀具补偿与轨迹插补软件的使用。 *2. 验证刀具长度补偿与刀具半径补偿。3. 验证直线与圆弧逐点比较插补计算的过程。教学方法教学手段1. 给定M、S、T的任务（题目），要求学生在规定的时间内完成。2借助于多媒体课件、录像与插补算法软件，提高学生学习的兴趣，加深对所学内容的理解。学时安排1讲解PLC在数控机床中的应；M、S、T功能使用方法约30分钟；2要求
16、学生验证第一象限直线与圆弧逐点比较插补算法的实现过程约30分钟。教学条件多媒体课件 课外作业讲授指导书：讲授一检查方法随堂练习，按效果计平时成绩。备注授课主要内容第二章 计算机数控系统2.6 M、S、T功能的实现1内装型PLC 专为数控机床顺序控制而设计制造 。 内装型PLC从属于数控装置，PLC与NC之间的信号传送在CNC内部即可实现。 PLC与机床之间通过CNC输入/输出接口电路实现信号传送。 特别适用于单机数控设备。 2独立型PLC v 输入/输出信号接口规范，输入/输出点数、程序存储容量以及运算和控制功能均能满足数控机床控制要求。v 独立型PLC又称通用型PLC，其PLC独立于CNC装
17、置，具有完备的硬件和软件功能，能够独立完成规定的控制任务。 2.6.2 M、S、T功能的实现可编程控制器在数控机床上主要完成M、S、T功能，即除了主运动以外的辅助功能。1主轴S功能2刀具T功能 对于刀套编码的T功能处理过程是：CNC装置送出T代码指令给PLC，PLC经过译码，在数据表内检索，找到T代码指定的新刀号所在的数据表的表地址，并与现行刀号进行判别比较，如不符合，则将刀库回转指令发送给刀库控制系统，直到刀库定位到新刀号位置时，刀库停止回转，并准备换刀。3辅助M功能 可控制主轴的正反转及停止，主轴齿轮箱的变速，冷却液的开、关，卡盘的夹紧和松开，以及自动换刀装置机械手取刀、归刀等运动。市政技
18、术学院教 案教 师 姓 名李柏华授课形式讲授授课时数2授 课 日 期 授课班级授课项目及单元名称项目二 进给伺服驱动系统单元一 步进驱动系统教学目标1 使学生了解数控机床对进给伺服系统的要求、进给伺服系统的分类。2 使学生熟悉步进驱动系统的组成与控制原理。3 使学生了解脉冲分配控制方法。4 使学生了解步进电机的主要特性。5 使学生熟悉步进电机的选用方法。教学重点教学难点（带*为难点）1 数控机床对进给伺服系统的要求。2 进驱动系统的组成与*控制原理。*3.脉冲分配控制方法。4. 数控机床中步进电动机的选用方法。 教学方法教学手段1通过讲授计算机数控系统的组成引入到进给伺服驱动系统，并介绍数控机
19、床对进给伺服系统的要求、进给伺服系统的分类。2通过讲授进给伺服系统的分类引入到步进驱动系统，并介绍步进驱动系统的组成与控制原理。3结合经济型数控机床，介绍步进电机的主要特性、步进电机的选用方法等。3 借助于多媒体课件，数控系统综合讲授台，提高学生学习的兴趣，加深对所学内容的理解。学时安排1数控机床对进给伺服系统的要求、进给伺服系统的分类约15分钟；2步进驱动系统的组成与控制原理约25分钟；3脉冲分配控制方法约20分钟。4. 步进电机的主要特性、选用方法约30分钟；教学条件多媒体课件、数控系统综合讲授台课外作业查阅步进电机资料。检查方法随堂提问，按效果计平时成绩。备注授课主要内容第三章 数控机床
20、的伺服系统3.1认识伺服系统的工作过程3.2 伺服系统的组成及分类一、 数控机床对进给伺服系统的要求二、 1精度高2响应快、无超调3调速范围宽二、进给伺服系统的分类三、 1步进驱动系统2直流伺服驱动系统3交流伺服驱动系统三、步进驱动系统的组成步进驱动系统没有位置反馈回路与速度反馈回路，一般用于对速度和精度要求不高的中、小型经济型数控机床上。四、 步进驱动系统的控制五、 1.工作台位移量的控制：进给脉冲的数量N定子绕组通电状态变化次数N步进电动机转子角位移机床工作台位移量L。2. 工作台进给速度控制：进给脉冲频率f定子绕组通电断电状态的变化频率f步进电动机转速工作台的进给速度V。3. 工作台运动
21、方向控制：改变步进电动机输入脉冲信号的循环顺序方向，就可改变步进电动机定子绕组中电流的通断循环顺序，从而使步进电动机实现正转和反转，相应的工作台进给方向就被改变。五、步进电动机（1、2：简要说明，注意与数控机床伺服控制课程的衔接）1. 结构2. 工作原理3. 3. 主要特性六、 步进电动机的驱动电源1脉冲分配控制 2.驱动放大电路七、 七、步进电机的选用1. 首先要确定步进电动机的类型。2. 根据机床的加工精度要求，选择进给轴的脉冲当量3. 根据所选步进电动机的步距角、丝杠的螺距以及所要求的脉冲当量，计算减速齿轮的降速比。4. 电动机在最快移动速度时，由矩频特性决定的电动机输出转矩要大于负载转
22、矩，并留有余量。5. 步进电动机的启动频率与负载转矩和惯量有很大关系。市政技术学院教 案教 师 姓 名李柏华授课形式讲授授课时数2授 课 日 期 授课班级授课项目及单元名称第三章 数控机床的伺服系统 3.3 伺服电动机教学目标1使学生熟悉 伺服电动机的组成。2使学生熟悉步进电动机及其控制系统。3 使学生熟悉伺服电动机及伺服驱动器与数控系统的连接。教学重点教学难点（带*为难点）1交流伺服系统的组成。*2.闭环位置控制的实现。2 机床常用位置检测元件的应用。3 伺服电动机及伺服驱动器与数控系统的连接。教学方法教学手段1通过讲授进给伺服系统的分类引入到交流伺服驱动系统，并介绍交流伺服系统的组成与闭环
23、位置控制的实现过程。2 通过讲授交流伺服系统的组成，介绍交流伺服电机、位置检测装置的相关知识，以及闭环伺服系统的连接。3 通过比较模拟伺服系统与全数字伺服系统的区别，引入全数字伺服系统的构成与特点。4借助于多媒体课件，数控系统综合讲授台，提高学生学习的兴趣，加深对所学内容的理解。学时安排1交流伺服系统的组成与闭环位置控制的实现约30分钟；2交流伺服电机与机床常用位置检测元件的应用约20分钟；3伺服电动机及伺服驱动器与数控系统的连接约20分钟。4全数字伺服系统的特点约20分钟。教学条件多媒体课件、数控系统综合讲授台课外作业作业三: 简述闭环位置控制的概念与实现方法。检查方法随堂提问，按效果计平时
24、成绩。备注授课主要内容第三章 数控机床的伺服系统 3.4位置检测装置一、交流伺服驱动系统的组成一般闭环伺服系统的结构是一个三环结构系统，外环是位置环，中环是速度环，内环为电流环。 二、闭环位置控制的实现插补程序输出X，新的指令位置X+X与计数器中的实际位置XF进行比较，其差值经增益放大，并由D/A转换为模拟电压，使工作台向误差减小的方向移动。 三、交流伺服电动机（简单回顾，注意与数控机床伺服控制课程的衔接）1、结构(永磁同步电机)主要由：定子、转子和检测元件等几部分组成。2、工作原理3、主要特性参数四、位置检测元件（1、2简单回顾，注意与数控机床伺服控制课程的衔接）1、光栅尺通常由标尺光栅、指
25、示光栅、光源、光电二极管等元件组成。2、光电编码器通常由光电码盘、光源、透镜、光栅板、光敏元件等元件组成。3.在数控机床中的应用五、进给伺服系统的连接1、模拟式伺服系统连接SINUMERIC 810数控系统、SIMODRIVE 611A进给驱动模块、1FT5伺服电机之间的连接。2、伺服系统的参数1）速度环2）位置环3、全数字式伺服系统CNC系统与伺服驱动之间传递的信息包括：位置、速度、扭矩等，伺服驱动装置本身具有位置反馈与位置控制功能，可独立完成位置控制。市政技术学院教 案教 师 姓 名李柏华授课形式讲授授课时数2授 课 日 期 授课班级授课项目及单元名称第4章 数控机床的机械结构4.1 认识
26、数控机床的机械结构4.2数控机床结构的特点教学目标熟悉数控车床机械结构的组成、特点及工作性能，对操作或维护数控机床有直接的指导意义。教学重点教学难点（带*为难点）1机械结构的组成。*2.数控机床机械结构的工作原理。教学方法教学手段1讲授数控机床的机械的组成2借助于多媒体课件，数控系统综合讲授台、录像，提高学生学习的兴趣，加深对所学内容的理解。学时安排1数控机械结构约20分钟；2示范并讲解伺服驱动装置、数控装置上的接口名称与功能，以及闭环伺服系统不同部件间的连接约25分钟；3学生分组完成连接图的测绘、连接约45分钟。教学条件多媒体课件、数控系统综合讲授台课外作业讲授指导书：讲授二检查方法随堂提问
27、，按效果计平时成绩。备注授课主要内容第4章 数控机床的机械结构4.1 认识数控机床的机械结构4.2数控机床结构的特点市政技 术 学 院 教 案教 师 姓 名李柏华授课形式讲授授课时数2授 课 日 期 授课班级授课项目及单元名称第4章 数控机床的机械结构4.1 数控机床的主传动系统4.2数控机床的传动系统教学目标1使学生熟悉数控机床主传动系统的要求。2使学生了解数控进给传动的特点。3使学生熟悉传动齿轮间隙调整机构。教学重点教学难点（带*为难点）1数控机床主传动的特点。2主轴传动系统的变速方式。教学方法教学手段1通过回顾进给伺服驱动系统引入到主轴驱动系统，并介绍数控机床对主轴控制的要求、主轴系统的
28、分类。2通过回顾进给伺服电机的结构与工作原理引入到主传动特点，主要介绍主传动的结构特点与工作特性。3借助于多媒体课件，提高学生学习的兴趣，加深对所学内容的理解。学时安排1数控机床主传动的特点约15分钟；2滚珠丝杆螺母副约10分钟；3传动齿轮间隙机构约20分钟。4. 数控机床导轨约45分钟；教学条件多媒体课件、数控系统综合讲授台课外作业下载网络课件学习检查方法随堂提问，按效果计平时成绩。备注授课主要内容第4章 数控机床的机械结构4.1 数控机床的主传动系统4.2数控机床的传动系统 4.3.1 数控机床主传动的特点 转速高、功率大。 具有较大的调速范围，并能实现无级调速。 具有较高的精度与刚度，传动平稳，噪声低。 良好的抗振性和热稳定性。 为实现刀具的快速及自动装卸。主轴上还必须设 计有刀具自动装卸、主轴定向停止和主轴孔内的切屑清除装置。1数控机床的主轴轴承配置形式（1）适应高刚度要求的轴承配置形式（2）适应高速度要求的轴承配置形式三、主轴电机的结构特点四、主轴电机的工作特性
