《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） 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 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 能够运用坐标系的标准确定一台新机床的坐标系 具备辨别低档经济型数控机床与闭环数控机床的能力 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： 旋转编码器的原理 输出信号 在数控机床上的应用 难点： 在数控机床上的应用 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 能够根据产品标签识别增量式和绝对式编码器 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： 直线光栅尺的原理 输出信号 在数控机床上的应用 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 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 步距角的计算 矩频特性 驱动装置的作用 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 能够根据步进电动机的铭牌了解其规格和特性 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： 直流伺服电动机的恒转矩调压调速原理 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： 同步电动机的结构和工作原理 调速原理 难点： SIMODRIVE 611A 的原理框图理解 能够读懂 1FT5 或 1FK6 的铭牌和原理接线图以及工作特性曲线 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： 三相交流异步电动机的工作原理 无级调速原理 主轴电动机的工作特性 通用变频器主要接线端子含义 数控机床主轴的两挡齿轮驱动的目的 能够说出异步电动机和同步电动机的区别和使用场合 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： 位置控制的两个环节 难点： FANUC 、 SIEMENS 位置控制原理 掌握数控机床伺服系统的实质和闭环控制形式 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： 定位过程分析 拐角加工误差分析 主要伺服参数的含义及设置值 掌握位置增益对系统定位过程性能的影响 了解减小轮廓加工误差的方法 能够理解参数对数控机床的作用 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： 准停的三个用途 编码器准停原理 能够进行准停的操作 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 能够进行 SINUMERIK 802S 基本操作 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 能够进行 FANUC 0-MD 基本操作 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： 数控机床 PLC 的控制对象 常见的输入 / 输出元件 输入 / 输出通道电路图 能够理解内装式 PLC 的概念 能够读懂输入 / 输出电路并进行输入 / 输出元件的连接 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： 输入 / 输出接口信号分类 常用功能指令 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： 主轴正反转控制 润滑的控制 能够读懂梯形图 能够编制主轴正反转控制的梯形图 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 能够识读一台数控机床的电气原理图 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 能够识读一台数控机床的电气原理图 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