一、课程性质和内容。

机床原理是“数控技术”专业的一门专业基础课(独立本科)。本课程内容包括:概述、数控机床及编程基础、位置及速度检测装置、数控系统组成及基本原理、伺服驱动原理及分析、数控系统实例分析及实验环节等。它涉及机床数控系统的结构、软硬件组成和控制原理。

第二，课程的任务和目的。

以数控机床为典型实例，通过对数控技术的系统学习，使学生掌握数控技术的基本概念、原理和应用，为提高学生数控系统的实际设计能力打下初步基础。本课程的主要任务是学习数控机床的主要结构、控制原理、伺服系统和检测系统的基本知识，使学生掌握数控机床编程、使用和维护的基本方法，培养学生分析和应用数控系统的能力。

三、本课程的基本要求。

(一)讨论对象。

数控技术的应用范围很广，可应用于工业机械领域的对象也大不相同。但是，根据以下原因，本课程可以选择机床作为数控技术应用的讨论对象:

1.机床是工作的机器，它的要求比其他机器高，数控技术的应用也是最全面的。

2.一般机械运动控制的要求类似于机床轴的运动类型，有很多独立的运动；

3.毕业后，各专业考生主要接触数控机床。

(二)本课程的学习内容和要求。

1.了解数控系统的组成、功能、特点和类型；

2.掌握数控机床的工作原理和结构；

3.掌握数控设备编程技术；

4.熟悉数控装置的基本组成和主要模块(硬件和软件)的实现；

5.了解数控机床中常用检测元件的工作原理和选择；

6.了解步进电机的工作原理和控制，了解交流和DC伺服驱动原理、控制技术和特性分析方法；

7.建立数控系统的整体概念，了解提高加工精度的主要措施。

四.本课程的先修课程。

本课程是在学习了一些必备课程后开设的，同时又与实际生产紧密结合。本课程的必修课有《电子技术基础》《微机原理与接口技术》《机械工程控制基础》《传感器与检测技术》《机械制造基础》。

五、课程内容和考核目标。

第一章概述。

一、课程内容。

第一节是数控技术的定义。

一是数字化设备技术。

二、机床数控技术。

第二节数控技术在机床上的应用。

一、数控机床的组成。

二、数控机床的特点。

三、数控机床的工作过程。

四、数控机床的分类。

第三节，数控技术的发展趋势。

一、数控技术的发展。

专用数控系统，开放式数控系统。

二、数控技术的发展现状。

复杂多轴运动控制技术、复合多功能机床数控技术、高速高精度数控技术。

三、数控技术的发展趋势。

数控技术构成的发展趋势，数控技术功能的发展趋势，全软件数控和STEP-NC。

二.评估知识点和评估要求。

1.掌握数控技术、计算机数控系统、数控装置和数控机床的含义(识记)。

2.数控装置的组成(记忆)。

3.数控机床的工作过程、特点和分类(了解)。

4.数控机床伺服系统的控制方式、特点及主要区别(了解)。

5.点控制系统和连续控制系统的区别(理解)。

6.高速高精度数控机床对数控系统的要求(了解)。

7.了解数控技术的发展趋势(把握)。

第二章数控机床及编程基础。

一、课程内容。

第一节数控机床的机械结构。

一、数控机床的结构特点。

二、提高机床刚度的措施。

第三，减少振动的方法。

四、滚珠丝杠和滚动导轨。

动词 （verb的缩写）刀库和刀具交换装置。

不及物动词数控机床专用设备。

1.排屑装置2。自动送料装置3。液压夹紧装置。

第二节数控加工工艺分析。

一、数控加工的特点。

二、工件定位和夹紧方案的确定。

第三，流程的划分。

第四，加工顺序的安排。

五、确定投料路线和步骤顺序。

不及物动词切削参数的选择。

第三节数控机床的坐标系。

一、坐标系的确定。

二、编程尺寸值法(绝对坐标值、增量坐标值)。

3.编程中的数值计算。

第四节数控加工编程。

一、手工编程。

1.准备函数g。

2.刀具功能t、进给功能f和主轴功能s。

3.辅助功能m

4.程序结构。

5.数控车床编程及实例。

6.数控铣床和加工中心的编程及实例。

第二，引入自动编程。

二.评估知识点和评估要求。

1.数控机床机械结构的主要特点及其要求(了解)。

2.滚珠丝杠副的结构形式、支撑方式及应用，滚珠丝杠的选择原则(理解)。

3.滚珠丝杠副的参数和精度等级可根据需要选择(简单应用)。

4.自动换刀装置的特点、工作原理及实现方法(了解)。

5.了解数控机床的坐标轴和坐标系(记忆)。

6.数控编程的意义和作用(理解)。

7.零件加工编程的内容和方法(记忆)。

8.主要G码和M码的含义(记忆)。

9.零件加工程序的结构和格式(记忆)。

10.机床坐标系与工件坐标系的关系(理解)。

11.对刀点、刀具起点、刀具位置、参考点、工件零点和机床原点的含义(记忆)。

12.确定喂养路线要考虑的问题(把握)。

13.编程时数值计算中基点或节点坐标的计算(简单应用)。

14.编程尺寸的取值方法(绝对坐标值、增量坐标值)(记忆)。

15.零件轮廓在什么条件下可以编程？有什么好处？(明白)

16.确定工件数控加工的工艺方案，掌握点加工、车铣(综合应用)的手工编程方法。

17.自动编程的含义和自动编程系统的类型(记忆)。

18.了解图形交互自动编程系统的工作原理和后处理程序的功能(理解)。

第三章位置和速度检测装置。

一、课程内容。

第一节概述

第二节脉冲编码器的测量原理。

光电信号的转换，脉冲编码器的基本原理，脉冲信号的计数方法。

第三节光栅测量原理。

光学干涉原理，莫尔条纹和脉冲信号的产生，倍频计数原理。

第四节激光测量原理。

激光特性，激光干涉测距原理，单频激光干涉仪工作原理，双频激光干涉仪工作原理。

第五节旋转变压器的原理。

旋转变压器的工作原理，两种工作模式(鉴相和鉴幅)的原理及电路分析。

第六节感应同步器的原理。

感应同步器的结构和工作原理，两种工作模式(鉴相和鉴幅)的原理和电路分析。

二.评估知识点和评估要求。

1.数控系统中位置检测元件的功能、要求和分类(记忆)。

2.位置检测元件精度和分辨率两个概念的区别(理解)。

3.脉冲编码器的工作原理和适用场合(理解)。

4.脉冲编码器的方向辨别和倍频(理解)。

5.了解线性投影光栅工作时莫尔条纹的产生和特点(理解)。

6.如何提高线性投影光栅的分辨率？如何判断方向？(明白)

7.感应同步器的结构和两种工作模式。

8.激光干涉仪和旋转变压器(记忆)的特点和应用场合。

第四章是数控系统的组成和基本原理。

一、课程内容。

第一节数控系统的组成。

一、数控系统架构。

1.专用数控设备2。开放式数控装置。

二是数字控制软件完成任务，开放系统软件结构，组成控制程序。

第二节数控装置的硬件组成。

一、数控装置的基本功能。

控制轴数、联动轴数、插补功能、定位精度和重复定位精度、主轴转速和调整、进给速度和调整、准备功能(G功能)、辅助功能(M功能)、刀具功能(管理和补偿)、零件程序管理和编程方式、操作功能、误差补偿功能、开关接口、机床顺序控制、字符和图形显示、通信接口和协议、自诊断。

二、主要控制硬件组件和功能(CPU、内存、输入输出接口、显示接口)。

第三节数控装置软件结构。

第四节轴运动控制的软件算法。

一、插值软件。

逐点比较插值法(直线和圆弧)、数字积分插值法(直线和圆弧)和数字增量插值法(直线和圆弧)的基本原理是数据采样插值的基本原理。

二、刀具补偿原则。

刀具半径补偿的基本概念、C型机床补偿的基本设计思想、直线过渡的过渡情况分析和过渡向量的计算。

三、加减速检测。

第五节可编程控制器在数控机床中的应用。

数控系统中PLC的结构、工作原理和功能，基本程序的编写，PLC与主控系统的数据交换和接口。

二.评估知识点和评估要求。

1.数控装置应有的功能(掌握)。

2.数控装置的组成(记忆)。

3.了解数控设备的体系结构(专用数控设备——单微处理器结构的数控设备；开放式数控装置——多微处理器结构的数控装置)(理解)。

4.4的特点。数控设备软件和典型软件结构(理解)。

5.5 .组成、工作模式、功能特点。PLC及其在数控机床中的应用类型(了解)。

6.数控机床输入输出接口的功能和常用的接口设备(了解)。

7.了解异步串行通信接口和网络通信接口。

8.插值的含义和插值算法的类型(记忆)。

9.根据逐点比较法直线、圆弧插补的偏差判别、坐标进给、偏差计算、坐标计算、终点判别，列出插补计算过程，画出插补轨迹，即刀具轨迹(综合应用)。

10.根据数字积分法直线、圆弧插补的积分运算、坐标进给、积分余数、坐标计算和端点判别，将插补计算过程写成一张清单，画出插补轨迹，即刀具轨迹(综合应用)。

11.逐点比较法分析进给速度变化范围(理解)。

12.掌握数字增量插补即数据采样插补的插补周期与被插补的线型(直线或圆弧)、插补误差、进给速度的关系(理解)。

13.掌握各插补周期x轴和y轴位移增量δ x和δ y的计算(简单应用)。

14.适用数字增量插值的地方(理解)。

15.什么是刀具半径补偿？它的功能是什么？(明白)

16.c功能刀补直线过渡传递型判别(抓)。

17.掌握修刀和插补的关系(理解)。

18.了解加减速控制(记忆)的实现方法。

第五章伺服驱动原理及分析。

一、课程内容。

第一节概述

第二节步进电机及其控制原理。

一、步进电机的工作原理。

二、相通电顺序和脉冲分配原理。

3.步进电机伺服放大电路。

4.步进电机工作特性分析。

第三节，DC伺服电机及其控制原理。

一、DC伺服电机的工作原理。

二、DC伺服电机的速度控制原理。

三、DC伺服电机的特点。

4.脉宽调制的原理和系统。

第四节交流伺服电机及其控制原理。

一、交流伺服电机的工作原理。

二、交流变频调速系统的基本分析。

三、正弦脉宽调制变频器的基本原理。

4.交流伺服电机矢量控制调速系统的基本原理。

第五节主轴电机及其控制原理。

主轴电机的基本原理(特别是与伺服电机相比)，以及主轴转速控制方法的基本原理。

一、主轴驱动装置的工作原理。

二、主轴转速检测方法的基本原理。

三、主轴驱动装置的工作原理。

第四，主轴传动的特点。

动词 （verb的缩写）交流主轴电机

六、主轴分段无级调速和控制。

1.自动换档控制。

2.自动换挡的实现。

七、主轴停止控制。

1.机械停止控制。

2.电气准停控制。

八、电主轴介绍。

第六节进给伺服机构及其动态特性分析。

一、进给伺服系统的分类。

二、进给伺服系统的数学模型。

3.数控进给系统的特性分析。

4.数控进给系统特性对加工精度的影响。

动词 （verb的缩写）进给伺服系统参数匹配原理。

二.评估知识点和评估要求。

1.伺服系统的组成、功能和要求(记忆)。

2.进给伺服系统的组成和特点(开环、半闭环和闭环)(了解)。

3.主轴伺服系统的特点(记忆)。

4.掌握步进电机转速的计算，不同上电方式下步进角的计算，开环伺服系统脉冲当量的计算(简单应用)。

5.了解步进电机的主要性能指标(记忆)。

6.了解步进电机驱动电源的组成、功能、主要类型和特点(背记)。

7.DC伺服电机的PWM调速是如何实现的？掌握脉宽调制器和主电路的组成和功能(理解)。

8.理解交流伺服电机(包括同步和异步)转速的计算公式。

9.如何实现正弦脉宽调制调速(SPWM变频调速)(了解)。

10.交流伺服电机矢量变换控制的实现要有一个大概的认识(理解)。

11.对交流电主轴的结构、组成和调速有一个大概的了解。

12.掌握主轴系统的扭矩和功率特性(恒扭矩和恒功率范围)(了解)。

13.建立进给伺服控制系统的整体概念，绘制单轴进给伺服系统的位置控制框图，根据工作要求选择相应的检测元件和驱动元件，讲解相应伺服系统的工作原理(综合应用)。

14.了解伺服系统数学模型的建立和特性分析(重点是闭环和半闭环)(了解)。

15.了解伺服系统特性(如增益、系统稳定性和可靠性等)的影响。)对加工精度和效率的影响(了解)。

第六章数控系统实例分析。

一、课程内容。

第一节基于运动控制卡的开放式数控系统。

第二节，华中世纪星数控系统。

第三季度，FUNUC oi数控系统。

第四节西门子840D数控系统。

二.评估知识点和评估要求。

1.了解开放式数控系统的基本含义和组成(记忆)。

2.了解各数控系统的基本组成和主要功能，硬件和软件的结构特点(记忆)。

不及物动词课程实验

(一)实验的目的和要求。

1.加深对实验所学基础理论和知识的理解和验证。

2.候选人接受必要的基本技能培训。

3.培养考生理论联系实际、独立解决工程技术问题的能力。

4.实验通过后，必须写实验报告。报告经导师审核签字后，即可获得本课程学分。

(2)实验环节。

实验1典型数控机床的结构分析与操作。

两个实验数控车床、铣床或加工中心编程和加工。

实验三轮廓插值算法实验。

伺服系统动态特性的四个实验。

七、相关说明及实施要求。

(a)评估要求中四个能力等级的说明。

1.记忆。

要求考生能够识别和记忆主要内容(如定义、定理、表达式、公式、原理、重要结论、方法、步骤、特点等)。)的相关知识点，并根据考试的不同要求做出正确的表达、选择或判断。

2.明白；理解

要求考生理解和领会本大纲规定的相关知识点的内涵和外延，熟悉其内容的要点以及它们之间的区别和联系，并根据考核的不同要求进行正确的讲解、说明或讨论。

3.简单的应用。

要求考生利用本大纲规定的几个知识点分析解决一般应用问题，如简单计算、部件选择、绘图分析、演示等。

4.综合应用。

要求考生运用本大纲规定的许多知识点，分析解决复杂的应用问题，如计算、绘图、简单设计、编程、分析讨论等。

(二)关于命题和考试的规定。

1.本大纲规定的基本要求和知识点属于考核内容。考试命题覆盖章节，重点章节适当突出。

2.在这门课程中，不同能力水平所需的分数大致为:记忆25%，理解30%，简单应用30%，综合应用15%。

3.试题难度可分为易、易、难、难四个等级。每张试卷中不同难度题目的得分比例一般为2: 3: 3: 2。试题的难度和能力水平不是同一个概念，各个层次都有不同的难度。

4.考试方式为闭卷笔试。考试时间为150分钟。考试时只允许带钢笔、铅笔、三角形和计算器。试题的权重应以中级水平考生能在规定时间内完成考试的程度为依据。分数100%，60分及格。

5.考试题型主要有:填空题空题、单项选择题、计算题、编程题、问答题、综合应用题等。

(3)问题示例。

首先，填写空个问题。

1.数控系统具有直线和圆弧插补功能，为了实现非圆曲线的加工，编程时必须根据许可计算坐标。

2.现代数控系统有通信接口和通讯接口。

第二，单项选择题。

1.现代数控系统工作过程中插补与刀具补偿的关系是()。

A.补刀前补刀b .补刀前补刀。

C.插补和补刀同时进行d .插补与补刀顺序无关。

2.线性透射光栅的掩模版密度为250线/毫米，采用四倍频后分辨率为()。

a . 4 μm MB . 1 μm

c . 0.1 μm Md . 10 μm

第三，问答。

1.伺服系统的控制方式有哪些？他们的特点是什么？

2.数控机床的I/O接口有什么作用？命名一个接口设备。

第四，计算问题。

采用逐点比较的插值方法，对以圆心为原点，起点为A (5，0)，终点为B (3，4)的反弧进行插值。写出插补计算过程，画出插补轨迹(进给轨迹)。

动词 （verb的缩写）编程问题

具有C型刀具修复功能的数控机床用于加工厚度为20毫米的板状零件轮廓。铣刀T10的半径为5毫米，主轴转速为600转/分，进给速度为150毫米/分。铣刀T10分为粗加工和精加工，精加工余量为0.2毫米试建立工件坐标系，编制数控加工程序，讲解粗加工和精加工的加工。

第六，综合应用题。

尝试设计半闭环单轴数字(脉冲)比较伺服系统。

1.给出了系统结构框图；

2.指出所选择的驱动元件和检测元件；

3.解释系统如何实现位置控制。

附言

2006年12月，全国高等教育自学考试指导委员会、机械纺织化工专业委员会召开扩大会议，讨论通过数控技术专业(独立本科)考试方案。会后，根据教育部《关于制定修订高等教育自学考试专业考试计划、编制课程自学考试大纲和加强教材等自学媒体建设的通知》和《数控技术专业考试计划》要求，组织编制了本专业课程自学考试大纲。

机床原理自学考试大纲初稿提出后，在Xi安召开了评审会议，并根据评审意见进行了实际修改。之后，专业委员会将进行彻底审查，并最终确定草案。本大纲适用于数控技术专业。

本大纲由交通大学梅教授、邓文河副教授、许工程师编制，桂林航天工业学院教授、交通大学舒鹏程教授、马振群博士对大纲提出了宝贵意见。西安科技大学郝教授主持评审会，南京理工大学王木兰教授、西安科技大学魏娟副教授出席评审会。向参与编写和审查本纲要的同志表示感谢。

全国高等教育自学考试指导委员会机械、纺织、化工专业委员会。

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