智能数控机床与编程

制造业是立国之本、兴国之器、强国之基。在国际制造业新一轮竞争中，智能制造是核心发展方向。智能数控机床是智能制造设备层最基本和最核心的组成要素，以柔性加工生产线对零件进行智能化加工成为新一代制造业的主要特征。
为了适应智能制造的发展，数控机床及数控系统在体系结构和功能方面均产生了一系列创新变革。社会对掌握相关技术和技能的人才的需求剧增，同时对相关教材的需求也非常迫切。
本教材调研了有关企业对智能制造人才的能力和技能的需求，在参考了相关教材和大量国内外文献的基础上，对编写大纲和主要内容进行了研究和规划。教材定位明确，面向应用型本科，以智能制造人才需求为导向，以提高学习者专业技能为目标，聚焦智能数控机床，从数控系统、数控机床和加工工艺三个维度展现智能赋能制造的关键技术，对智能数控系统、智能数控机床、智能数控编程等内容进行了系统阐述。教材内容以“系统—机床—应用（工艺与编程）”为主线，以智能加工为核心主题，在注重知识体系完整性的前提下，凸显“理论够用、方法适用、例子实用”的特色，有助于读者全面深入地学习并掌握智能数控机床与编程的相关理论知识和技能。
全书分为8章。第1章为绪论，简要介绍了智能制造的三种范式、智能数控系统的发展趋势和智能数控机床的概念与特征。第2章分析了智能数控系统的实施要求，介绍了智能数控系统的体系结构、实施方案和数据访问。第3章通过与传统封闭式数控系统的对比，介绍了数控机床及其HCPS模型，从机床功能、结构配置、主轴单元、进给驱动等方面阐述了智能数控机床的特征。第4章从数控机床高性能技术的角度介绍了数控机床的智能化措施，包括数控机床误差补偿技术、数控机床振动抑制技术、智能数控机床大数据技术和智能数控机床的互联通信。第5章围绕数控加工工艺，讲解了数控加工工艺基础、数控加工工艺设计、数控加工夹具、数控加工刀具以及数控加工工艺智能优化措施。第6章核心是数控机床加工程序编制，分别讲解了数控加工编程基础、数控车削程序编制、数控铣削与加工中心程序编制以及数控加工自动编程，对比FANUC和SIEMENS系统，讲解编程指令，编程示例均给出两种系统格式的程序，便于读者对比学习。第6章还特别介绍了SIEMENS系统的智能工步编程，便于读者体会智能编程思想和流程。在自动编程部分，除了介绍目前通用的CAM软件编程方法，还介绍了基于工艺孪生思想的自动编程方式，便于读者体会智能理念在自动编程中的体现。第7章围绕智能制造加工过程监测，介绍相关传感器功能，重点讲解了加工过程中的刀具监测和热特性检测方案，以及智能制造中非常重要的在机测量方法。第8章围绕柔性制造介绍了柔性制造单元概念，讲解了柔性制造中的物流系统、信息系统、网络通信和监控系统以及机器人工作单元的基础知识。柔性制造在理念和技术方法等方面与智能制造很相似，本章内容便于读者从应用层面体会智能制造的实质。
本书由北华航天工业学院于杰拟定大纲并负责全书的统稿与定稿。具体编写分工如下：第1章由北华航天工业学院韩伟娜编写；第2~4章由北华航天工业学院于杰编写；第5章由北华航天工业学院于杰、李志杰编写；第6章由北华航天工业学院于杰、郝增亮编写；第7章由北华航天工业学院于杰、韩伟娜编写；第8章由北华航天工业学院李志杰编写；廊坊精雕数控机床制造有限公司李渊志、李国锋、杨宾参与了第6、7章部分内容的编写。
为方便教师使用和学生学习，本书制作了配套课件，并提供演示视频和各章思考题的参考答案，供使用者参考。读者可扫描封底或每章首的二维码下载本教材配套电子资源。
本书在撰写过程中参考了国内外一些专家学者的研究成果，在此表示衷心的感谢。智能制造技术目前仍处于发展阶段，许多理论、方法与技术还在不断完善，加之编者水平有限，书中难免存在疏漏或不妥之处，恳请各位专家与读者给予批评和指正。如有宝贵建议请发送邮件至yujie@nciae.edu.cn，以便本教材后期修订完善。

编者        
2023年8月 

作为智能制造的核心要素，数控机床和数控系统的智能化水平是实现智能制造单元、智能生产线、智能车间乃至智能工厂的基础支撑和保障。本书围绕数控系统和数控机床的智能化，梳理了智能制造关键使能技术脉络，从数控系统、数控机床、加工工艺三个维度呈现智能化的特征和关键技术实现，以质量控制和效率提升为知识应用目标，重点阐述智能化技术与数控内核深度融合的方案、技术和措施。具体内容包括：智能数控系统的体系结构和实现方案、智能数控机床的结构配置、数控机床面向智能化的高性能技术、数控加工工艺及其智能化措施、智能数控机床加工程序编制（涵盖FANUC和SIEMENS两大系统）、智能制造加工过程监测、柔性制造应用等。本书面向工程应用，注重现代数控机床发展的新理念、新结构和新方法，对智能机床应用与编程方面的教学和研究有一定的参考价值，在一定程度上解决了目前智能机床相关教材不足的问题，为智能制造相关工程能力培养提供了教学资源支持。本书可作为高等院校机械工程、智能制造工程相关专业的教学用书，也可供从事智能制造领域工作的研究人员与工程技术人员参考。　

无

第1章　绪论 1
1.1  智能制造 1
1.1.1  智能制造的三种范式 2
1.1.2  智能制造的应用意义 3
1.2  智能数控系统概况 3
1.2.1  智能数控系统的发展历程 3
1.2.2  智能数控系统的发展趋势 9
1.3  智能数控机床应用 10
1.3.1  智能数控机床概念 10
1.3.2  智能数控机床特征 11
1.3.3  智能数控机床关键技术 12
1.3.4  智能数控机床实例 12
本章小结 15
思考题 15

第2章　智能数控系统 16
2.1  智能数控系统的实施要求 17
2.1.1  系统需满足开放性要求 17
2.1.2  系统需满足实时性要求 17
2.1.3  系统需满足数据接口及信息传递要求 17
2.1.4  系统需满足人工智能与加工知识模型融合要求 18
2.2  智能数控系统体系结构 18
2.3  智能数控系统实现方案 20
2.3.1  自主感知与连接 20
2.3.2  自主学习与建模 21
2.3.3  自主优化与决策 21
2.3.4  自主控制与执行 22
2.4  智能数控系统的数据访问 22
2.5  智能数控系统案例 22
本章小结 25
思考题 25

第3章　智能数控机床结构 26
3.1  数控机床及其HCPS模型 27
3.1.1  数控机床及其HCPS1.0模型 27
3.1.2 “互联网 ”机床及其HCPS1.5模型 29
3.1.3  智能机床及其HCPS2.0模型 30
3.2  智能数控机床功能 32
3.3  智能数控机床结构配置 33
3.3.1  结构配置原则 33
3.3.2  结构配置创新案例 35
3.4  智能数控机床主轴单元 38
3.4.1  数控机床主轴发展历程 38
3.4.2  数控机床电主轴 39
3.4.3  主轴轴承系统的配置和预紧 41
3.4.4  主轴与刀具的连接 44
3.4.5  回转轴的主轴头 45
3.4.6  主轴工况监控与智能化 46
3.5  智能数控机床的进给驱动 51
3.5.1  直线进给驱动 51
3.5.2  圆周进给驱动 55
本章小结 58
思考题 58

第4章　数控机床高性能技术 59
4.1  数控机床误差补偿技术 60
4.1.1  数控机床的误差 60
4.1.2  热误差补偿 61
4.1.3  几何误差补偿 67
4.1.4  力误差补偿 71
4.2  数控机床振动抑制技术 72
4.2.1  振动测试方法 73
4.2.2  主轴振动抑制 74
4.2.3  进给轴振动抑制 77
4.2.4  刀具振动抑制 80
4.3  智能数控机床大数据技术 81
4.3.1  数控机床大数据应用层次 82
4.3.2  数控机床大数据感知 83
4.3.3  数控机床大数据传输 87
4.3.4  数控机床大数据处理 89
4.3.5  智能数控机床大数据应用——iNC Cloud服务平台 91
4.4  智能数控机床的互联通信 94
4.4.1  数控机床大数据的互联、互通、互操作 95
4.4.2  数控系统互联通信协议 97
4.4.3  NC-Link协议 98
本章小结 103
思考题 103

第5章　数控加工工艺及其智能化 105
5.1  数控加工工艺基础 106
5.1.1  数控加工概述 106
5.1.2  数控加工工艺 109
5.1.3  数控加工工艺分析 110
5.2  数控加工工艺设计 112
5.2.1  毛坯种类及选择 112
5.2.2  定位基准的选择 113
5.2.3  表面加工方法的选择 115
5.2.4  加工阶段的划分 117
5.2.5  加工顺序的安排 118
5.2.6  加工余量的确定 119
5.2.7  切削用量的确定 119
5.2.8  走刀路线的确定 120
5.2.9  数控加工工艺文件的编制 127
5.3  数控加工夹具 130
5.3.1  工件定位的基本原理 130
5.3.2  常见定位方式及定位元件 130
5.3.3  工件的装夹 134
5.3.4  数控机床夹具 134
5.3.5  数控车床常用夹具 135
5.3.6  数控铣床与加工中心常用夹具 136
5.4  数控加工刀具 138
5.4.1  常用刀具材料及性能 138
5.4.2  数控车削刀具 140
5.4.3  数控铣床与加工中心刀具 143
5.5  数控加工工艺智能优化 148
5.5.1  数控机床智能编程工艺优化 148
5.5.2  曲面加工工艺优化 150
5.5.3  数控加工工艺智能优化案例 155
本章小结 157
思考题 158

第6章　智能数控机床加工程序编制 159
6.1  智能数控加工编程基础 160
6.1.1  数控程序编制内容与方法 160
6.1.2  坐标系 162
6.1.3  绝对坐标编程与增量坐标编程 165
6.1.4  程序结构 166
6.1.5  基本移动指令 170
6.1.6  刀具补偿 175
6.2  数控车削程序编制 180
6.2.1  数控车削编程基础 180
6.2.2  编程坐标系设定 181
6.2.3  螺纹切削 182
6.2.4  FANUC系统车削固定循环指令 184
6.2.5  SIEMENS系统车削固定循环指令 194
6.2.6  Shop Turn智能工步编程 202
6.2.7  数控车削综合编程实例 211
6.3  数控铣削与加工中心程序编制 214
6.3.1  工件坐标系设定 215
6.3.2  极坐标编程 215
6.3.3  子程序 216
6.3.4  比例缩放指令 218
6.3.5  镜像指令 220
6.3.6  坐标系旋转 221
6.3.7  孔加工固定循环 222
6.3.8  Shop Mill智能工步编程 228
6.3.9  加工中心综合编程实例 233
6.4  数控加工自动编程 236
6.4.1  UG自动编程 237
6.4.2  SurfMill自动编程 238
本章小结 241
思考题 241

第7章　智能制造加工过程监测 246
7.1  加工过程监测内容 247
7.2  传感器 248
7.2.1  传感器功能 248
7.2.2  传感器分类 249
7.2.3  智能传感器 250
7.3  加工过程中的刀具监测 251
7.3.1  加工过程中刀具振动监测 251
7.3.2  加工过程中刀具磨损监测 254
7.4  加工过程的热特性检测 257
7.4.1  热特性检测仪器 258
7.4.2  温度测点布置 258
7.4.3  机床主轴热特性快速辨识 259
7.5  数控加工在机测量 260
7.5.1  在机测量意义 260
7.5.2  在机测量方法 260
7.5.3  在机测量应用案例 261
本章小结 265
思考题 265

第8章　柔性制造应用 266
8.1  柔性制造单元 267
8.1.1  柔性制造系统 267
8.1.2  柔性制造单元 268
8.2  柔性制造的物流系统 269
8.2.1  物流系统的组成与功能 269
8.2.2  物流系统的工件流 270
8.2.3  物流系统的刀具流 270
8.3  柔性制造的信息系统 272
8.4  柔性制造的网络通信 274
8.5  柔性制造的监控系统 275
8.6  柔性制造的机器人工作单元 275
8.7  柔性加工单元应用实例 277
本章小结 280
思考题 280

参考文献 281

作为智能制造的核心要素，数控机床和数控系统的智能化水平是实现智能制造单元、智能生产线、智能车间乃至智能工厂的基础支撑和保障。本书围绕数控系统和数控机床的智能化，梳理了智能制造关键使能技术脉络，从数控系统、数控机床、加工工艺三个维度呈现智能化的特征和关键技术实现，以质量控制和效率提升为知识应用目标，重点阐述智能化技术与数控内核深度融合的方案、技术和措施。具体内容包括：智能数控系统的体系结构和实现方案、智能数控机床的结构配置、数控机床面向智能化的高性能技术、数控加工工艺及其智能化措施、智能数控机床加工程序编制（涵盖FANUC和SIEMENS两大系统）、智能制造加工过程监测、柔性制造应用等。本书面向工程应用，注重现代数控机床发展的新理念、新结构和新方法，对智能机床应用与编程方面的教学和研究有一定的参考价值，在一定程度上解决了目前智能机床相关教材不足的问题，为智能制造相关工程能力培养提供了教学资源支持。本书可作为高等院校机械工程、智能制造工程相关专业的教学用书，也可供从事智能制造领域工作的研究人员与工程技术人员参考。　

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