数控技术教案.doc
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·学院
数控技术课程
教
案
课程编号：
教师姓名：
专业班级：
开课时间：
教案填写要求
1.一门课程的教案应包括三个层面的设计：
（1）课程内容、教学基本要求、教学手段、教学方法设计等，主要解决本门课教什么、怎么教的问题
（2）各章节内容、教学方法、要求设计等，主要解决各章节教什么，怎么教；
（3）一次课教学内容、教学方法、要求设计等，主要解决一次课教什么、怎么教。
2.一次课的教案内容原则上应包括本次课的教学目的、教材分析、教学过程、教学后记等方面。
其中教学目的是课堂教学活动围绕的中心和力求达到的目标。
教材分析则要找出本次课的重、难点及关键，并确立突出重点、克服难点、抓住关键的方案；教学过程是教案的主体，要按引入新课、讲授、总结与巩固三方面详细设计；教学后记是教案执行情况的经验总结，目的在于改进和调整教案，为下一轮课讲授设计更加良好的教学方案。
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课次
1
课型
课堂教学
章
节
第一章数控技术基础
1.1数控机床的系统组成及其各部分功能
教
学
目
的
1.使学生了解本门课程的性质、任务与作用，明确课程学习的目标、要求，激发学生学习本课程的兴趣。
3.使学生了解数控系统的基本概念、数控机床的组成及主要工作过程，
教学
重点
1.本课程的性质、任务、作用，学习的方法。
2.数控系统组成及各部分功能。
3.数控概念的建立。
教学
难点
数控系统的主要工作过程。
教学
方法
讲授法
教具
挂图
PPT
授课
班级
授课
日期
相关
素材
（参考资料、指导学生阅读材料等）
教
学
后
记
1.通过介绍现在机床使用的范围越来越广，数控系统的重要性，告诉学生本课程的学习目的和学习要求。
2.以表格和图片、动画、短篇录像等教学方式来讲述机床系统的目的、内容和特点，让学生对所学内容记忆深刻。
我认为第一节课是至关重要的，必须要利用各种教学手段激发学生对本课程的学习兴趣，为后续教学打下良好的基础。
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教
学
过
程
u引言
本学期我们一起来学习数控系统，当今工业化的步伐正在加快，现代化设备尤其是数控机床的应用也越来越普及，数控系统的重要性不言而喻。
阐述现状，提出问题，展开本次课的教学，充分运用案例式教学，激发学生的学习热情和学习兴趣。
u教学内容正文
一、课程性质、任务、作用，学习方法
二、数控系统的基本概念
1.数控：
数字控制的简称。
2.数控系统：
用数字控制技术实现的自动控制系统。
3.数控机床：
数控系统与机床本体的结合体。
三、数控机床的组成
1.数控机床一般由输入/输出装置、数控系统、伺服系统、机床强电柜、机床本体五部分组成，机床本体为被控对象。
2.计算机数控系统的组成
1）采用计算机数控装置的数控系统称为CNC。
2）现代数控系统的开关量控制采用PLC。
3）Fanuc0i-C数控系统的主要部件:
数控装置（显示器、数控键盘）、操作面板、伺服放大器、伺服电机、I/O单元等。
3.Fanuc0i-C数控系统的部件连接：
经FANUC串行伺服总线FSSB，用一条光缆与多个进给伺服放大器（αi系列）相连。
进给伺服电动机使用αis系列。
最多可接4个进给轴电机。
伺服电动机上装有脉冲编码器，标配为1,000,000脉冲/转。
编码器既用做速度反馈，又用作位置反馈。
系统支持半闭环控制和使用直线尺的全闭环控制。
检测器的接口有并行口（A/B相脉冲）和串行口两种。
位置检测器可用增量式或绝对式。
四、数控机床的主要工作过程
程序输入→加工信息预处理（译码、刀补计算、坐标变换等）→轨迹插补、位置控制、开关量控制以及机床的状态监控。
u总结与巩固（小结、考核知识点、作业等）
1.通过讲解，使学生认识到数控系统的重要性，激发其学习兴趣。
2.讲述数控相关的基本概念、数控机床组成及各部分功能，以及数控系统的主要工作过程。
3.通过讲解CA6140普通车床与数控机床的不同，并通过CK6130车床的组成进行案例式教学。
4.借助于多媒体课件，数控系统综合实验台，提高学生学习的兴趣，加深对所学内容的理解。
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课次
2
课型
课堂教学
章
节
第一章数控技术基础
1.2数控机床的分类1.3数控机床的加工对象
教
学
目
的
1.了解数控系统三种不同分类方法。
2.熟悉轮廓控制数控系统的特点与分类（按联动坐标轴数）。
3.理解开环、闭环及半闭环伺服系统的区别。
4.了解数控机床的加工对象。
教学
重点
1.轮廓控制数控系统的特点与分类。
2.开环、闭环及半闭环伺服系统的特点。
3.全功能数控系统的特点及应用。
教学
难点
1.开环、闭环及半闭环伺服系统的区别。
2.使学生了解不同功能水平数控系统的特点及应用。
教学
方法
讲授法
教具
挂图
PPT
授课
班级
授课
日期
相关
素材
（参考资料、指导学生阅读材料等）
教
学
后
记
在本次教学过程，数控机床的分类是比较难的内容，通过结合实际，并通过多媒体教学展示多张机床图片，使学生有形象化的认识，使得课堂的教学内容不是那么的死板和僵化，并说明数控机床的适用的加工对象，进而阐述数控机床的优点。
采用循序渐进的方法推进，授课效果较好。
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教
学
过
程
u引言
数控机床的组成：
输入/输出装置、数控系统、伺服系统、机床强电柜、机床本体五部分组成，机床本体为被控对象。
u教学内容正文
第二节数控机床分类
一、按被控机床的运动轨迹分类
1.点位控制数控系统:
控制工具相对工件从某一加工点移到另一个加工点之间的精确坐标位置,这一类系统的设备有数控钻床、数控坐标镗床和数控冲床等。
2.直线控制数控系统：
不仅要控制点与点的精确位置，还要控制两点之间的工具移动轨迹是一条直线，此类控制方式的设备主要有简易数控车床、数控镗铣床等。
3.轮廓控制数控系统：
这类系统能够对两个或两个以上坐标方向进行严格控制，采用此类控制方式的设备有数控车床、铣床、加工中心、电加工机床和特种加工机床等。
二、按伺服系统分类
1.开环控制数控系统：
这类数控系统不带检测装置，也无反馈电路，以步进电动机为驱动元件，被广泛应用于经济型数控系统中。
2.半闭环控制数控系统：
位置检测元件被安装在电动机轴端或丝杠轴端，调试方便，可以获得比较稳定的控制特性。
参见下图：
3.全闭环控制数控系统：
位置检测装置安装在机床工作台上，调试时，其系统稳定状态很难达到。
三、按数控系统功能水平分类
1.经济型数控系统：
又称简易数控系统，通常仅能满足一般精度要求的加工，能加工形状较简单的直线、斜线、圆弧及带螺纹类的零件，采用的微机系统为单板机或单片机系统，如：
经济型数控线切割机床，数控钻床，数控车床，数控铣床及数控磨床等。
2.普及型数控系统：
通常称之为全功能数控系统，这类数控系统功能较多，但不追求过多，以实用为准。
3.高档型数控系统：
指加工复杂形状工件的多轴控制数控系统，且其工序集中、自动化程度高、功能强、具有高度柔性。
用于具有5轴以上的数控铣床，大、中型数控机床、五面加工中心，车削中心和柔性加工单元等。
四．按工艺用途分类
1.金属切削加工类：
数控镗铣床、数控车床、数控磨床、加工中心、数控齿轮加工机床等。
2.金属成型加工类：
数控折弯机、数控弯管机等。
3.特种加工类：
数控线切割机、电火花加工机、激光加工机等。
4.测量、绘图类：
数控装配机、数控测量机等。
第三节数控机床加工对象
一、数控加工的优点
Ø柔性好
Ø加工精度高
Ø能加工复杂型面生产效率高
Ø劳动条件好
Ø有利于生产管理
Ø易于建立计算机通信网络
二、数控加工的不足之处
l数控机床价格较贵，加工成本高，提高了起始阶段的投资。
l技术复杂，增加了电子设备的维护，维修困难。
l对工艺和编程要求较高，加工中难以调整，对操作人员的技术水平要求较高。
三、数控加工技术的主要应用对象
1.几何形状复杂的零件
2.多品种小批量生产的零件
3.必须严格控制公差的零件
4.贵重的、不允许报废的关键零件
u总结与巩固（小结、考核知识点、作业等）
1．根据数控系统不同的分类方法，讲述数控系统的特点及应用。
2．通过讲授轮廓控制数控系统的应用引入到坐标轴联动控制，并通过四轴联动数控铣床（XK5032）的数控改造进行案例式教学。
3．根据开环、闭环及半闭环伺服系统的异同，进行对比教学。
4．借助于多媒体课件等多种教学方式，提高学生学习的兴趣，加深对所学内容的理解。
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课次
3
课型
课堂教学
章
节
第二章计算机（CNC）装置
2.1概述2.2CNC装置的工作原理
教
学
目
的
1.了解数控系统在数控机床中的作用
2.掌握数控系统的组成，各部件的作用
3.了解MNC系统的构成
教学
重点
数控系统的组成，各部件的作用
教学
难点
数控系统的组成，各部件的作用
教学
方法
讲授法
教具
挂图
PPT
授课
班级
授课
日期
相关
素材
（参考资料、指导学生阅读材料等）
教
学
后
记
本次课题的课堂教学讲述的内容：
1、数控装置的工作原理。
2．数控装置的主要功能和特点。
这次课的有一定的难度，要求学生一次性弄懂有困难，要从学生的实际出发，讲清楚数控装置的特点和数控装置的工作过程，不能急于求成，并通过数控实验台给学生以直观认识，告诉学生这是一个循序渐进的过程。
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教
学
过
程
u引言
同学们，我们从今天开始进入具体模块的学习，今天我们学习的是数控系统的组成及相关问题。
u教学内容正文
第一节概述
一、基本概念：
1.NC硬件数控:
即由硬件电路来完成插补的数控动作，出现的年代：
1952-1965
2.CNC计算机数字控制:
由硬件和软件共同完成数控的功能，具有柔性。
1974年以后
二、构成及各部分的功能：
1、构成
2、各部分的功能
1）输入装置:
完成程序,参数等信息的输入
MDI
信息载体
2）输出装置:
完成打印,穿孔显示等
3）通信线路:
实现串行通讯及网络功能
4）CNC:
完成与外围设备联系,控制系统各部分功能
5）PLC:
完成机床的顺序控制,换刀,APC等
6）主轴单元:
接受CNC的指令,控制主轴电机的转速及旋向
7）速度单元:
接收CNC的指令,控制各伺服轴的动作
第二节CNC装置的工作原理
数控系统的主要工作过程是根据输入的信息（加工程序），进行数据处理（刀具长度和半径补偿）和插补运算（确定刀具或工件的运动轨迹），从而获得理想的运动轨迹信息。
一、计算机数字控制装置的工作原理
1.输入
2.译码
3.刀具补偿
4.进给速度处理—分解合速度
5.插补—“数据点的密化”
6.位置控制:
处在伺服回路的位置环上.
7.I/O处理
8.显示
9.诊断
二.CNC装置的功能
基本功能——数控系统基本配置的功能，即必备功能；
选择功能——用户可根据实际要求选择的功能。
控制功能、插补功能、准备功能、主轴功能、进给功能、刀具功能、辅助功能、字符显示功能、自诊断功能等属于基本功能.
而补偿功能、固定循环功能、图形显示功能、通信功能、网络功能和人机对话编程功能属于选择功能.
三.CNC装置的优点
1.具有灵活性
2.具有通用性
3.丰富的数控功能
4.系统的可靠性高
5.使用和维修方便
6.基于PC平台的CNC特点
u总结与巩固（小结、考核知识点、作业等）
1.掌握数控装置的工作原理。
2.分清数控装置的基本功能和选择功能。
3..作业：
P361
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课次
4
课型
课堂教学
章
节
第二章计算机（CNC）装置
2.3CNC装置的硬件结构
教
学
目
的
1．了解数控装置的硬件结构
2．理解单处理器和多处理器结构的工作原理
3．理解数控装置硬件的具体实现形式。
4．了解硬件分类。
5．大板式和功能模块式结构的特点与区别。
教学
重点
1．CNC装置硬件的分类。
2．典型数控系统的硬件结构，各部件的作用。
教学
难点
典型数控系统的硬件结构，各部件的作用
教学
方法
讲授法
教具
挂图
PPT
授课
班级
授课
日期
相关
素材
（参考资料、指导学生阅读材料等）
教
学
后
记
1.CNC装置的硬件结构是本章学习的重点，弄懂装置的分类，尤其是单微处理器和多微处理器的结构尤其重要。
2.通过案例教学法，启发学生从几个常用的数控系统出发，去分析问题、解决问题。
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教
学
过
程
u引言
同学们，计算机系统由哪两大部分组成呢？
（提问）硬件。
那数控系统的硬件又包括哪些内容呢？
u教学内容正文
第三节CNC装置的硬件结构
一、分类：
1、按微处理器分类；
1）单微处理器：
只有一个CPU、采用集中控制分时方法处理数控的各个任务。
缺点：
①不易进行功能的扩展和提高。
②处理速度低、数控功能差。
2）多CPU：
①单CPU的弥补：
1）增加浮点协处理器、8086+8087
2）硬件分担插补
3）采用全智能化的CRT、PLC部件。
②两个及两个以上的CPU组成的CNC称为多微处理机系统。
模块分为带CPU的主模块和不带CPU的从模块。
③特点：
1、性能价格比高
单CPU限制性能
多提高速度，扩展性能。
2、采用模块化结构，良好的适应性和扩展性
3、硬件易于组织规模生产。
4、可靠性高。
多CPU结构分类：
共享存储器以存储器为中心，各模块工作时，通过优先接受使用请求，使用完成要撤消，释放存储器。
共享总线以总线为中心，各模块工作时，仅有一个模块可占用总线，多个请求时由总线仲裁器来裁决。
2、按照电路板结构分：
1）大板结构：
主电路板是大板，其他电路板是小印刷电路板，它们插在电路板的插槽内一块构成CNC装置，FANUC-C,0等
2）模块化结构：
控制单元母版框架，各功能模块，软件硬件的设计成模块化
特点：
各功能块功能独立，便于开发同一功能的系列产品，维修维护方便
二、典型数控系统的硬件结构：
1、fanuc-6M系统的硬件介绍
2、SIN840C系统的硬件结构：
u总结与巩固（小结、考核知识点、作业等）
1.总结装置硬件结构的特点和分类。
2.分析两种典型数控系统的硬件结构。
3.课后作业：
P365
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课次
5
课型
课堂教学
章
节
第二章计算机（CNC）装置
2.4CNC装置的软件结构
教
学
目
的
1、了解CNC系统的软件的软硬件界面
2．计算机数字控制装置的数据转换流程
3．理解软件结构的特点
教学
重点
1.数控软件部分和硬件部分的联系
2．CNC系统软件各部分的作用。
教学
难点
CNC系统软件各部分的作用程。
教学
方法
讲授法
教具
挂图
PPT
授课
班级
授课
日期
相关
素材
（参考资料、指导学生阅读材料等）
教
学
后
记
软件结构设计到的知识点比较多，需要学生预先复习一下相应的计算机知识，讲解时和数控设备的维护联系起来，突出其应用性。
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教
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过
程
u引言
数控装置的硬件和软件之间有联系吗？
怎么联系？
引入本次课的内容。
u教学内容正文
第四节CNC装置的软件结构
一组成与功能：
CNC系统软件管理软件程序的输入输出
显示
通信
控制软件译码
刀具补偿
速度处理
插补运算
位置控制等
各程序简介：
1输入程序：
①把零件程序经缓冲器到存储
②把存储的程序读入缓冲器
记录垂直校验：
每个程序数必须有偶数行代码否则以空格代替
水平奇偶：
每行代码中1的个数必须为偶数（ISO）或奇数（EIA）
2译码程序：
进行代码的识别，及功能代码的解译
①代码识别是指将读入代码按内部码地址的不同进行处理
②功能处理是指将代码识别的结果按功能再分类，转入相应的功能程序
例如：
N50G90G01X106.Y-60.F46M05;
3数据处理：
对功能代码进行预处理
任务：
①刀具半径补偿，速度计算，辅助功能的处理
其中：
刀具半径补偿：
将零件的轮轨迹转化为刀具中心的轨迹。
速度代码：
确定加工数据数的速度。
辅助加工的处理：
指顺序程序的处理，设置接口信号。
数据的处理为插补程序做准备，称为预计算。
A位置b速度。
4插补计算程序：
作用是对加工轨迹的细化。
早期：
全部由硬件来完成，由硬件来实施完成速度及位置的分配。
现在：
软件插补+硬件插补
由软件完成粗插补，将整个轨迹分成几个大段，再由硬件执行个数的细化。
5伺服控制软件：
作用：
将位置指令（周期内4ms）转化为速度指令。
原理：
①系统4ms计算一次指令值Dc读一次Df值
②通过计数器计算出△D=Dc-Df,
③（ΔD*Kd）/4s为速度。
6输出程序：
将数据处理、插补、伺服处理的结果输出至对应的接口电路
7管理程序：
管理：
数据的输入、处理及切削加工
处理主板、时钟信号、故障信号
管理为主程序，执行周期较长，实时程序靠中断完成
8诊断程序：
对系统内的软件，硬件进行诊断，对故障做出相应的报警提示
例如：
编程、超程、伺服、PLC等
二、CNC软件的特点：
1多任务并行处理：
多个任务，多个程序共用运行。
2多重实时中断处理：
理解P90图：
中断是指终止现行程序转去执行另一程序。
待另一程序处理完毕后、再继续执行原程序，
多重中断：
按中断的级别排队。
实时：
是指在确定的有限时间里对外部产生的随机事件作出响应。
并完成响应和处理。
三、典型数控软件的工作过程：
见中断优先级
（1）开机后，系统首先进入初始化程序。
进行硬、软件初始状态的设置。
随后进入中断第一级，进行CRT显示及ROM检查。
（2）PLC控制能够检测出机床选择的操作方式，处理完成后转入机床的方式
处理方式：
JOGSTOPHANDLE进行工件原点及对刀。
MDI可进行机床参数、刀具参数和数控程序的处理。
选择“MEM〃按循环启动按钮则自动运行零件程序
u总结与巩固（小结、考核知识点、作业等）
1.数控机床的软件结构实现方式。
2.数控机床硬软件之间的关系。
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课次
6．7
课型
课堂教学
章
节
第三章数控检测装置
3.1概述3.2感应同步器3.5旋转变压器
教
学
目
的
1.了解检测装置的分类，
2.了解检测装置性能指标和要求。
3.了解感应同步器的结构和类型，
4.理解感应同步器工作原理和典型应用。
5.掌握旋转变压器的工作原理和应用
教学
重点
1.数控机床对检测装置的要求。
2.感应同步器的原理及应用。
教学
难点
感应同步器的原理及应用。
教学
方法
讲授法
教具
挂图
PPT
授课
班级
授课
日期
相关
素材
（参考资料、指导学生阅读材料等）
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后
记
机床的检测装置的精度决定了机床加工的精度，其重要性是不言而喻的。
对具体每一个检测装置，侧重点是它们的应用。
讲解时聪应用讲起，利用启发式教学，结合实践。
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过
程
u引言
数控机床加工的精度主要取决于什么呢？
是机床本身？
加工工艺？
检测装置精度？
（讨论）。
引出本次课主题
u教学内容正文
第一节：
概述
位置检测装置是数控机床的重要组成部分。
在闭环系统中，它的主要作用是检测位移量，并发出反馈信号和数控装置发出的指令信号相比较，若有偏差，经放大后控制执行部件，使着向消除偏差的方向运动直至偏差等于零为止。
一．机床对检测装置的要求：
1.受温度、湿度影响小，工作可靠，能长期保持精度，抗干扰能力强;
2.在机床执行部件工作范围内，能满足精度和速度的要求；进给速度20—30m/min，转速高达100000r/min。
3.使用维护方便，适应机床工作环境；
4.成本低.
二．分类
1．直接测量和间接测量
2．数字式测量和模拟式测量
3．增量式测量和绝对式测量
4．直线型和旋转型
常见的直线型检测装置:
直线式感应同步器,长光栅,激光干涉仪,
常见的旋转型检测装置:
旋转式感应同步器,圆光栅，旋转变压器,光电编码器
测速发电机作为常用的测速元件.
三．数控检测装置----传感器的性能指标及其要求:
1.精度
2.分辨率
3.灵敏度:
4.迟滞:
5.测量范围和量程:
6.零漂与温漂:
第二节感应同步器
一、结构与工作原理
1．结构
感应同步器和旋转变压器均为电磁式检测装置，属模拟式测量，二者工作原理相同---电磁感应原理,其输出电压随被测
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