《数控机床电气控制》教学大纲.doc

《机床数控原理与系统》教学大纲
一、课程基本信息
课程名称
机床数控原理与系统
开课部门
机械工程系
数控维修教研室
课程编号
20220C
编制人
汤彩萍
课程总学时 /
（分学期学时）
80
审定人

课程总学分 /
（分学期学分）
5
修订日期
2007年 1月 8日
第 4 次修订
二、课程目标与任务
本课程是数控技术应用与数控设备维修专业的主干必修课程。
本课程任务是使学生熟悉数控机床控制系统的组成、各组成部分的功能及数控机床工作原理。通过对数控原理和典型数控系统的分析和介绍，使学生掌握数控装置、伺服系统、检测装置、可编程控制器在数控机床上的功能和应用，并掌握这些部件与机床本体配接的知识。学完本课程，学生应具有初步分析现场生产问题、进行数控机床简单设计、进行数控机床调试和维修的能力。
三、课程教学内容与要求
备注：以下涉及的章节与特定教材无关，仅表示知识顺序。
第一章 数控机床控制技术概述 （ General description ）
教学内容
重点与难点
能力培养
学时分配
§ 1.1 数控简介（ Introduction to NC ）
一、数控概念（ Concept of CNC ）
二、数控机床基本组成（ Elements of the CNC machine ）
重点：数控概念、数控机床基本组成（硬件）
①具备识别数控机床与普通机床的能力
2
§ 1.2 数控机床控制系统的组成（ Elements of the CNC machine control system ）
一、组成 (Elements)
二、工作原理及控制对象（自控原理， theory of automation and controllable objects ） 三、伺服系统的控制方式（ Types of servo control ）
现场教学
重点：数控机床控制系统的组成
难点：工作原理
②能够理解自动化设备的一般工作原理
2
§ 1.3 数控基础（ Fundamentals of CNC ）
一、坐标系（ CNC coordinates ）
二、数控功能与编程基础 (CNC functions and CNC programs)

更新：数控系统发展展望
重点：伺服系统的三种控制方式
①能够运用坐标系的标准确定一台新机床的坐标系
②具备辨别低档经济型数控机床与闭环数控机床的能力
③能够理解不同控制方式的特点
2
实验 1 ：数控机床的认识与数控机床坐标系

2
第二章 计算机数控装置 (CNC controls)
教学内容
重点与难点
能力培养
学时分配
§ 2.1 CNC 装置的组成
一、硬件组成 (Hardware components)
二、软件组成（ Software components ）
重点：数控软件完成的任务
能够理解数控系统对程序所做的插补前的处理
2
§ 2.2 轮廓插补 (Contour interpolation)

更新：纳米插补功能
重点：逐点比较法和数据采样法的基本思想
能够理解插补的作用、种类及基本思想
2
第三章 位置检测装置 (Position detectors)
教学内容
重点与难点
能力培养
学时分配
§ 3.1 旋转编码器（ Rotary encoders ）
§ 3.1.1 增量式旋转编码器 (Incremental)
一、结构和原理（ Structure and operating principle ）
二、输出信号（ Output signals ）
三、旋转编码器在数控机床上的应用 (Applications)
举例： SIEMENS 旋转编码器或 FANUC 编码器（规格与输出信号）
§ 3.1.2 绝对式旋转编码器 (Absolute)
一、结构和原理（ Structure and operating principle ）
二、输出信号（ Output signals ）
举例： HEIDENHAIN 绝对式编码器或 SIEMENS 旋转编码器（规格与输出信号）
重点：
①旋转编码器的原理
②输出信号
③在数控机床上的应用
难点：
在数控机床上的应用
①知道增量式编码器的输出电缆的芯线数及每根线的名称和作用
②能够根据产品标签识别增量式和绝对式编码器
③熟悉数控机床参考点的确定，包括开机首先回参考点的思想、回参考点的操作、回参考点的动作过程、回参考点过程常见故障诊断

4
§ 3.2 直线光栅尺（ Linear encoders ）
一、结构和原理（ Structure and operating principle ）
二、输出信号及处理（ Output signals ）
举例： HEIDENHAIN 直线光栅尺（规格与输出信号）

更新：高分辨率编码器的应用
重点：
①直线光栅尺的原理
②输出信号
③在数控机床上的应用
①知道直线光栅尺的输出电缆的芯线数及每根线的名称和作用
②明确知道光栅尺在数控机床上是一种直接测量装置
2
实验 2 ：坐标轴参考点的设置

2
第四章 驱动电机与驱动装置 (Motors and drives)
教学内容
重点与难点
能力培养
学时分配
§ 4.1 步进驱动系统（ Step drives ）
§ 4.1.1 步进电动机
•  结构和工作原理（ Construction and operating principle ）
二、工作特性（ Working curve ）
举例： SIEMENS 步进电动机 6FC5548-0AB12-0AA0 （规格铭牌与特性曲线）
§ 4.1.2 步进驱动装置（ Step drive units ）
•  环形脉冲分配（ Ring pulse distribution ）
二、功率放大（ Power amplifiers ）
举例： SIEMENS 步进驱动装置 STEPDRIVE C （规格与接口）
§ 4.1.3 开环位置伺服系统（ Open loop servos ）
•  步进驱动形式（ Step drive transmission ）
二、开环伺服系统（ Open loop servos ）
重点：
•  步进电动机的工作原理
②步距角的计算
③矩频特性
④驱动装置的作用
⑤脉冲当量与步距角的关系；进给速度与脉冲频率的关系
难点：步进电动机与步进驱动装置的接口
•  具备识别步进电动机的能力
②能够根据步进电动机的铭牌了解其规格和特性
③能够根据具体的步进传动要求选择步进电动机的步距角

2
§ 4.2 直流驱动系统（ DC drives ）
§ 4.2.1 直流电动机 (DC motors)
一、结构和工作原理（ Construction and operating principle ）
二、调速原理 (Speed-variable principle)
三、工作特性（ Working curve ）
§ 4.2.2 直流 PWM 驱动装置 (DC PWM drives)
•  PWM 概述 (Description of PWM)
•  主回路 (Main circuit)
•  控制回路 (Control circuit)
举例： FANUC PWM 直流进给驱动装置（接口）
重点：
①直流伺服电动机的恒转矩调压调速原理
② FANUC PWM 接口含义
难点：转速电流双闭环 PWM 控制电路
能够识读 FANUC PWM 直流进给驱动装置与其他装置的连接图，明白各接线端子的含义

2
§ 4.3 交流进给驱动系统（ AC feed drives ）
§ 4.3.1 交流同步电动机 (AC synchronous motors)
•  结构和工作原理（ Construction and operating principle ）
•  调速原理 (Speed-variable principle)
•  工作特性（ Working curve ）
举例： SIEMENS 伺服电动机 1FT5 或 1FK6 （规格铭牌与特性曲线）
§ 4.3.2 交流伺服驱动装置（ AC feed drive unit ）
•  主回路 (Main circuit)
•  控制回路 (Control circuit)
举例： SIEMENS 交流进给驱动装置 SIMODRIVE 611A 或三菱 MR-J2 （接口）
更新：直线电机，数字式调速
现场教学
重点：
①同步电动机的结构和工作原理
②调速原理
难点： SIMODRIVE 611A 的原理框图理解
①能够读懂 1FT5 或 1FK6 的铭牌和原理接线图以及工作特性曲线
②能够理解 611A 各接线端子的含义

4
§ 4.4 交流主轴驱动系统（ AC induction motors frequency-variable systems ）
§ 4.4.1 交流异步电动机（ AC asynchronous motors ）
一、结构和工作原理 (Construction and operating principle)
二、调速原理 (Speed-variable principle)
三、工作特性（ Working curve ）
举例： YVP 三相异步变频电动机（规格铭牌与特性曲线）
§ 4.4.2 通用变频器 (Universal converter-inverters)
一、主回路 (Main circuit)
二、控制回路 (Control circuit)
举例： 三菱变频器 FR-A500 或 SIEMENS MICROMASTER 440 （接口）
§ 4.4.3 主轴驱动的形式 (Spindle drive transmission)
•  分段无级变速（ Spindle range ）
•  电主轴 (Electrical spindle)
更新：电主轴
重点：
①三相交流异步电动机的工作原理
②无级调速原理
③主轴电动机的工作特性
④通用变频器主要接线端子含义
⑤数控机床主轴的两挡齿轮驱动的目的
①能够说出异步电动机和同步电动机的区别和使用场合
②熟悉通用变频器的连线方法和基本参数的设置

2
实验 3 ：步进驱动系统
实验 4 ：通用变频器的连接与使用

4
第五章 数控机床伺服系统 (Servo systems)
教学内容
重点与难点
能力培养
学时分配
§ 5.1 位置控制 (Position control)
一、位置比较的实现 (Position comparison)
二、速度控制信号的实现 (Velocity command)
举例： FANUC 位置控制芯片和 SIEMENS 位置控制模块（接口）
重点：
①位置控制的两个环节
难点：
FANUC 、 SIEMENS 位置控制原理
①掌握数控机床伺服系统的实质和闭环控制形式
②能够读懂 SIEMENS 位置控制模块接口图

4
§ 5.2 伺服系统性能和参数（ Performance and parameters of servo ）
一、定位过程曲线 (Positioning response)
二、轮廓误差分析 (Contour error)
三、主要伺服参数（ Important parameters ）
举例： FANUC 0 伺服参数或 SIEMENS 840D 伺服参数（参数含义及设置值）

更新：全数字式伺服
重点：
①定位过程分析
②拐角加工误差分析
③主要伺服参数的含义及设置值
①掌握位置增益对系统定位过程性能的影响
②了解减小轮廓加工误差的方法
③能够理解参数对数控机床的作用
④会查看和设置机床参数
4
§ 5.3 主轴的定向控制（ Spindle orientation ）
一、主轴定向的用途（ Purpose of spindle orientation ）
二、机械准停（ Mechanical orientation ）
三、编码器准停（ Position coder method orientation ）
举例： FANUC 0 编码器准停方式（接口及参数设置）
现场教学
重点：
①准停的三个用途
②编码器准停原理
①能够进行准停的操作
②了解编码器准停的接线

2
实验 5 ：数控系统进给参数的设置

2
第六章 数控系统的组成及典型数控系统介绍 (Typical CNC controls)
教学内容
重点与难点
能力培养
学时分配
§ 6.1 经济型数控系统的组成及 SINUMERIK 802S 系统 (Economical NC control systems)
现场教学
重点：
802S 的基本组成部件及其连接
①能够进行 SINUMERIK 802S 基本操作
②能够读懂 802S 各组成部分的连接图并进行连接
2
§ 6.2 标准型数控系统的组成及 FANUC 0 系统 (Standard NC control systems)

更新： FANUC 30 i /31 i /32 i
重点：
FANUC 0 系统 CNC 单元的组成和硬件连接
①能够进行 FANUC 0-MD 基本操作
②能够读懂 FANUC 0 各组成部分的连接图
2
实验 6 ： FANUC 0 i Mate-C 系统的构成与连接

2

第七章 辅助功能与 PLC(PLCs in the CNC machine)
教学内容
重点与难点
能力培养
学时分配
§ 7.1 PLC 概述及数控机床 PLC(General descriptions and built-in PLC)
一、 PLC 基本组成
二、 PLC 编程语言和工作过程
三、数控机床中的 PLC
重点：
①数控机床 PLC 的控制对象
②常见的输入 / 输出元件
③输入 / 输出通道电路图
①能够理解内装式 PLC 的概念
②能够读懂输入 / 输出电路并进行输入 / 输出元件的连接
③能够识别与 PLC 有关的接口信号
2
§ 7.2 FANUC PLC
一、 FANUC PMC 的规格
二、输入 / 输出接口电路和信号地址
三、基本指令
四、功能指令
更新：高速 PMC
重点：
①输入 / 输出接口信号分类
②常用功能指令
①能识读 FANUC PMC 梯形图
2
§ 7.3 PLC 在数控机床上的应用 (Applications) （以 FANUC PMC 为例）
一、主轴正反转的控制 (Spindle CW and CCW control)
二、主轴齿轮换挡的控制 (Spindle gear change control)
三、主轴准停的控制 (Spindle orientation control)
四、润滑的控制 (Lubrication control)
重点：
①主轴正反转控制
②润滑的控制
①能够读懂梯形图
②能够编制主轴正反转控制的梯形图
③会绘制相关的电气控制原理图
4
实验 7 ： M 、 S 、 T 功能与 PLC

2

第八章 数控系统的通信与网络技术 (Communication interface of CNC controls and networking)
教学内容
重点与难点
能力培养
学时分配
§ 8.1 RS232 串行通信（ RS232 serial communication ）
举例： SINUMERIK 802S 与 PC 的通信
重点：
RS232 接口信号线
能够进行通信终端参数的设置，并进行 NC 程序的输入与输出
1
§ 8.2 DNC 、 FMS 、 CIMS 中的网络通信接口 (Networking)
举例： MAP
更新：网络化数控
重点：无

能够理解网络化制造对数控系统的要求
1
实验 8 ： 数据的输入与输出

2
第九章 数控机床控制技术应用实例 (Examples of CNC application)
教学内容
重点与难点
能力培养
学时分配
§ 9.1 TK7640 立式数控镗铣床电气控制（配套 FANUC 0-MD ） (Electrical system in TK7640 boring and milling machine with FANUC 0-MD)
一、外围强电回路 (Magnetic cabinet)
二、 FANUC 0-MD 硬件连接 (Hardware connection)
三、机电联调步骤 (Mechanical and electrical commissioning)
现场教学
重点：
FANUC 0-MD 硬件连接
难点：机电联调
①能够识读一台数控机床的电气原理图
②了解数控系统的基本配置
2
§ 9.2 CK7525A 数控车床电气控制（配套 SIEMENS 802C ） (Electrical system in CK7525A lathe with SIEMENS 802C)
一、外围强电回路 (Magnetic cabinet)
二、 SIEMENS 802C 硬件连接 (Hardware connection)
三、机电联调步骤 (Mechanical and electrical commissioning)
现场教学
重点：
802C 硬件连接
①能够识读一台数控机床的电气原理图
②了解数控系统的基本配置
4
备注： § 9.1 和§ 9.2 任选 1
四、课内实践教学要求
课内实践教学项目及学时分配
序号
课内实践教学 项目
学时数
1
实验 1 ：数控机床的认识与数控机床坐标系
2
2
实验 2 ：坐标轴参考点的设置
2
3
实验 3 ：步进驱动系统
2
4
实验 4 ：通用变频器的连接与使用
2
5
实验 5 ：数控系统进给参数的设置
2
6
实验 6 ： FANUC 0 i Mate-C 的构成与连接
2
7
实验 7 ： 辅助功能与 PLC
2
8
实验 8 ： 数据的输入与输出
2
合计
16
五、教学时数分配
“机床数控原理与系统”课程学时分配表
序号
教学内容
学时分配
合计
课堂
讲授
课内
实践
专项
实践
现场教学
习题测试
1
数控机床控制技术概述
8
6
2

2
数控装置
4
4

3
位置检测装置
8
6
2

4
驱动电机与驱动装置
14+2
8
4

2
2
5
数控机床伺服系统
12+2+2
10
2

4
6
数控系统的组成及典型数控系统介绍
6
2
2

2

7
辅助功能与 PLC
10
8
2

8
数控系统的通信与网络技术
4
2
2

9
数控机床控制技术应用实例
6+2
4

2
2
总计
80
50
16

6
8
六、本课程与其它课程的联系
“机床数控原理与系统”课程内容体系结构由两门先修课程“数控机床操作与编程 ” 、 “ 机床电气控制与 PLC” 、一门主干课程“机床数控原理与系统”、一门辅助课程“数控技术专业英语”和一门后续课程“数控机床故障诊断与维护”组成，按数控技术应用和数控设备维修两个专业方向在不同学期开设。
七、教学法建议
•  建议改过去“教师填鸭式”的教学为“教师指导式”的教学。 可采用学生自学老师提问、学生上讲台或黑板讲解或答题等方式， 鼓励学生各抒己见， 时刻注意学生的反应，避免满堂灌， 增加师生互动。
•  建议每一堂课有相应的实践内容与书本内容相配套。 包括采用多媒体课件、实物或模型教具、新产品样本等进行直观教学；深入车间和实验室，就现有的数控机床和数控系统进行现场教学；在课堂上列举实际生产中的典型例子，并注意其先进性。
•  建议教师给学生布置笔头作业和实践作业。 包括完成习题册上相应的考查内容和课余的车间感性认识活动，或以小组为单位开展专题讨论会。
•  建议教师给学生提供畅通的答疑渠道。 包括在 课堂、车间或通过手机短信、电子邮件、作业大胆发表自己的见解，提出心中的疑问。
•  建议定期考试。 包括阶段测试、期中考试、期末考试等。
•  建议使用中英双语教学。 至少 给学生提供 章节标题的专业英语表达法，以便于专业资料的检索。
•  建议定期召开学生座谈会。 听取学生对课程和任课教师的意见和建议，及时调整教学方法，便于专业和课程建设的不断完善。

八、课程评价方案（考核大纲）
•  评学 (Student evaluations) 。 开发试题库，实行教考分离。即任课教师不出考题，由非任课教师出题后，再由有经验的教师审核。出题原则倡导 “根据原理分析实际，根据实际寻找原理”。在考试内容上减少“死题”，增加“活题”；在试题内容上分为两部分：课上内容占 90 ％，课外内容占 10 ％（课程相关内容的讨论及课外作业）。 以期末考试、期中考试、阶段考试、实验、平时（作业及课堂提问）等综合考核 学生的分析、推理、判断及自主学习的能力。考核建议：
平时
实验
阶段
期中
期终
10%
10%
10%
20%
50%
•  评教 (Teacher evaluations) 。 在任课教师中定期开展互评与自评，以听课、说课、集体备课为途径，鼓励创新，注重典型，营造良好的学术教学氛围。定期召开学生评教座谈会，了解学生对课程的要求、意见和建议，将学生的客观准确评价和学习效果纳入评价体系中，促进教学改革。
九、教材及教学参考书
教材类别
教材名称
主编
出版社
出版时间
理论教材
《数控机床控制技术与系统》
王侃夫
机械工业出版社
2003 年 4 月
实验教材
《“机床数控原理与系统”实验教学指导书》
汤彩萍
内部教材
2005 年 5 月
实训教材
《 SIEMENS 802C/Se 数控系统培训教材 》
刘建功
内部教材
2004 年 10 月
辅助教材
《“机床数控原理与系统”习题册》
汤彩萍
内部教材
2005 年 3 月
参考教材
《 数控机床及故障诊断技术 》
黄卫
机械工业出版社
2004 年 6 月
《数控技术专业英语》
汤彩萍
电子工业出版社
2005 年 3 月