数控机床与编程

数控机床是现代制造业的关键设备，一个国家数控机床的产量和技术水平在某种程度上能代表这个国家的制造业水平和竞争力。
数控机床采用的数字控制技术综合了计算机技术、自动控制技术、自动检测技术和精密机械等高新技术。数控技术的广泛应用，使普通机械被数控机械所代替，特别是数控机床的出现及所带来的巨大效益，引起了世界各国科技界和工业界的普遍重视。数控技术的水准、拥有和普及程度，已经成为衡量一个国家综合国力和工业现代化水平的重要标志。因此，为适应这种形势，需要培养大批熟练掌握数控技术和数控机床的工程技术人才。
数控机床与数控技术对现代制造业的影响是重大和多方面的。
首先，表现在使机械制造业的整体面貌发生了根本性的变化。数控技术的应用将机械制造与微电子、计算机、信息处理、现代控制理论、检测技术以及光电磁等多种学科技术融为一体，使制造业成为知识密集、技术密集的大科学范畴的现代制造业，成为国民经济的基础工业。
其次，表现在使机械制造业的生产方式发生了深刻的变化。数控技术是柔性自动化和智能化的技术基础之一，它适应科技进步，是满足多品种、变批量市场需求的生产方式。同时，数控技术使传统的制造工艺发生显著的和本质的变化，工艺方法和制造系统不断更新，形成CAD、CAM、CAPP、FMS、CIMS等一系列具有划时代意义的新技术、新工艺的制造系统。
最后，表现在使产品结构发生了重大变化。现代机械产品向着高精度、高自动化和高可靠性方向发展，具有机电结合与多学科技术结合的特点，纯机械的产品越来越少，而且更新换代速度快。机械产品在国内外市场上是否具有竞争力，在很大程度上取决于数控技术和数控机床的发展和应用。随着科技的不断创新，智能数控机床将作为移动互联网智能终端，成为智能生产系统的关键加工设备。
为了适应应用型人才培养的需要，上海交通大学出版社组织了普通高等教育应用型本科专业规划教材的编写工作，本书是该套教材之一。
本书由上海第二工业大学何玉安、安双利和徐开元编写。何玉安编写了第1章、第5章至第8章，安双利编写了第2章和第3章，徐开元编写了第4章和第9章。全书由何玉安负责统稿。本书由上海第二工业大学王振华主审。
由于编者水平有限、经验不足，书中难免存在不足之处，恳请广大读者批评指正。

本书内容从培养应用型本科人才的目的出发并兼顾一般工科和高职院校的教学特点，系统介绍数控机床方面的基本知识，重点突出数控机床结构、数控编程和数控原理。全书共分九章： 数控技术概述，数控机床的主传动系统、数控机床进给传动系统、数控机床机械结构、数控系统轨迹控制原理、数控机床的伺服系统、数控加工工艺基础、数控机床编程、数控机床的发展和应用。为了便于学生自学及巩固所学内容，各章均附有习题与思考题。
本书可作为普通本科院校和高等职业学校机械类和机电类专业数控机床、数控技术、数控编程及数控原理课程的教学用书，也可供相关专业的师生及从事数控生产技术工作的技术人员和科研工作者参考。

何玉安，上海第二工业大学智能制造与控制工程学院，教授，工学博士，机械制造及其自动化专业。研究方向:智能机电系统与数字化制造。国家自然科学基金同行评议专家，上海市科委科技评审同行评议专家等，Journal of Convergence Information Technology 等国际期刊审稿人，中德智能制造教育联盟副理事长等。多次主持上海市科委、上海市联盟计划项目及横向科研项目,发表学术论文近50 余篇，授权发明专利 2 项。

安双利，上海第二工业大学智能制造与控制工程学院，工学博士，毕业于中科院上海应用物理研究所，核技术及应用专业。研究方向:智能制造与精密检测。新加坡理工学院访问学者，多次承担上海市教育委员会和各类横向科研项目，发表多篇高水平科研及教学论文。

徐开元，上海第二工业大学智能制造与控制工程学院教师，东北大学工学博士毕业，研究方向智能制造技术，承担并参研多项自然科学基金，发表多篇科研教改论文。

第1章概述1
1.1数控机床的产生与发展1
1.1.1数控机床的产生1
1.1.2数控技术的概念和特点2
1.1.3数控机床和数控技术的发展3
1.2数控机床的组成和工作原理6
1.2.1数控机床的组成6
1.2.2数控机床的工作原理8
1.3数控机床的分类8
1.3.1按数控机床的运动轨迹分类8
1.3.2按伺服驱动系统的控制方式分类9
1.3.3按所用数控装置的构成分类10
1.4数控机床的性能指标11
1.4.1运动性能指标11
1.4.2精度指标12
1.4.3可控轴数与联动轴数12
习题与思考题12

第2章数控机床的主传动系统14
2.1主传动系统的基本要求和变速方式14
2.1.1主传动系统的基本要求14
2.1.2主传动的变速方式15
2.2数控机床的主轴部件20
2.2.1主轴端部结构20
2.2.2主轴轴承21
2.2.3主轴轴承的配置形式23
2.2.4主轴准停装置24
2.3典型数控机床的主轴部件26
2.3.1数控车床的主轴部件26
2.3.2数控铣床的主轴部件29
2.3.3加工中心的主轴部件30
2.4高速主轴系统和电主轴32
2.4.1高速主轴系统32
2.4.2电主轴的结构34
2.4.3电主轴的轴承35
习题与思考题37

第3章数控机床的进给传动系统38
3.1进给传动系统的基本要求38
3.2数控机床进给传动系统的基本形式39
3.2.1滚珠丝杠副39
3.2.2静压丝杠副46
3.2.3静压蜗杆蜗轮条副47
3.2.4双齿轮齿条副49
3.2.5直线电动机直接驱动50
3.3进给传动系统齿轮传动间隙消除方法51
3.3.1刚性调整法51
3.3.2柔性调整法53
3.4数控机床进给传动系统实例55
3.4.1MJ50型数控车床的进给传动系统55
3.4.2JCS018A型立式加工中心的进给传动系统58
习题与思考题60

第4章数控机床机械结构61
4.1数控机床的机械结构及其特点61
4.1.1数控机床机械结构的组成61
4.1.2数控机床的结构特点61
4.2数控机床的总体布局64
4.2.1总体布局与工件形状、尺寸和质量的关系65
4.2.2加工功能与运动数目对机床部件的布局的影响66
4.2.3总体布局与机床的结构性能的关系67
4.2.4机床的使用要求与总体布局69
4.2.5数控卧式镗铣床（加工中心）的总体布局70
4.2.6数控机床总体布局的其他趋势71
4.3数控机床的自动换刀装置72
4.3.1自动换刀装置的类型72
4.3.2刀库73
4.3.3刀具交换装置76
4.4数控机床的工作台80
4.4.1分度工作台80
4.4.2回转工作台83
4.5数控机床的支承部件86
4.5.1导轨89
4.5.2立柱99
习题与思考题104

第5章数控系统轨迹控制原理105
5.1插补的概念与分类105
5.1.1插补的基本概念105
5.1.2插补方法分类105
5.2逐点比较法106
5.2.1插补原理及特点106
5.2.2逐点比较法直线插补运算107
5.2.3逐点比较法圆弧插补运算111
5.2.4逐点比较法的速度分析115
5.3数字积分法117
5.3.1插补原理及其特点117
5.3.2DDA法直线插补118
5.3.3DDA法圆弧插补120
5.3.4DDA法插补的速度分析123
5.4数据采样插补法124
5.4.1概述124
5.4.2数据采样法直线插补125
5.4.3数据采样法圆弧插补126
5.5输入数据处理131
5.5.1译码131
5.5.2刀具补偿132
5.5.3速度计算及辅助信息处理137
习题与思考题139

第6章数控机床的伺服系统141
6.1概述141
6.1.1伺服系统的概念141
6.1.2数控机床对伺服系统的要求141
6.2开环进给伺服系统142
6.2.1步进电动机的工作原理142
6.2.2步进电动机的主要性能指标144
6.2.3步进电动机开环控制146
6.3闭环进给伺服系统149
6.3.1直流伺服电动机调速系统149
6.3.2交流伺服电动机调速系统157
6.4位置检测装置162
6.4.1概述162
6.4.2感应同步器164
6.4.3旋转变压器171
6.4.4编码器174
6.4.5光栅177
6.4.6磁尺184
6.4.7激光干涉仪190
习题与思考题193

第7章数控加工工艺基础194
7.1数控加工工艺设计194
7.1.1数控机床的合理选用194
7.1.2数控加工零件的工艺性分析196
7.1.3夹具与刀具的选择198
7.1.4对刀点、换刀点与加工路线的确定200
7.1.5数控加工工艺文件的编写202
7.2程序编制中的数学处理203
7.2.1直线与圆弧平面轮廓的基点计算204
7.2.2非圆曲线的数学处理204
7.3自动编程方法简介210
7.3.1语言程序编程系统210
7.3.2图形交互自动编程系统212
7.3.3数控程序的检验与仿真214
习题与思考题215

第8章数控机床编程217
8.1数控编程的基本知识217
8.1.1数控编程的内容和方法217
8.1.2数控机床的坐标系和运动方向219
8.1.3数控加工程序的结构与格式222
8.1.4准备功能和辅助功能229
8.2数控车床程序编制230
8.2.1数控车床的编程特点和坐标系230
8.2.2数控车床的常用指令231
8.2.3车削固定循环程序235
8.2.4螺纹切削指令238
8.2.5子程序与刀具补偿240
8.2.6数控车削编程实例242
8.3数控铣床程序编制244
8.3.1机床坐标系及工件坐标系245
8.3.2数控铣床的常用指令247
8.3.3固定循环功能254
8.3.4数控铣削编程实例258
8.4用户宏程序编制262
8.4.1概述262
8.4.2变量265
8.4.3运算与控制指令268
8.4.4宏程序编制及其应用268
习题与思考题273

第9章数控机床的发展与应用276
9.1数控技术的发展276
9.1.1数控技术概述276
9.1.2数控技术的发展过程278
9.2数控系统的发展279
9.2.1数控系统发展简介279
9.2.2CNC系统的基本组成281
9.2.3数控系统的硬件与软件285
9.2.4开放式数控系统概述289
9.3数控机床在智能装备制造中的应用291
9.3.1数控机床应用概述291
9.3.2航空制造领域实例291
9.3.3汽车制造领域实例292
9.3.4工程机械领域实例294
习题与思考题295

参考文献296