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第1章 数控技术导论1

1.1 数控加工的发展历史3

1.1.1 第二次世界大战后初期3

1.1.2 机床行业的重建3

1.1.3 东德的机床工业4

1.1.4 全球机床行业的发展变化5

1.1.5 具有代表性的新型数控机床5

1.1.6 日本的影响6

1.1.7 德国危机6

1.1.8 原因及影响7

1.1.9 柔性制造系统7

1.1.10 2009年世界经济危机8

1.1.11 形势及展望9

1.1.12 结论10

1.2 数控技术的发展里程碑12

1.3 数控技术和计算机数控技术15

1.3.1 通向NC的途径15

1.3.2 硬件16

1.3.3 软件16

1.3.4 控制类型17

1.3.5 数控轴19

1.3.6 可编程序控制器20

1.3.7 适配单元20

1.3.8 计算机技术和数控技术20

1.3.9 NC程序和编程22

1.3.10 数据输入24

1.3.11 数控系统的操作24

1.3.12 小结27

1.3.13 本节要点28

第2章 CNC机床的功能29

2.1 位置信息31

2.1.1 引言31

2.1.2 轴的标识31

2.1.3 位置控制回路33

2.1.4 位置的测量35

2.1.5 补偿44

2.1.6 本节要点52

2.2 辅助功能53

2.2.1 说明53

2.2.2 换刀功能53

2.2.3 车床的换刀功能54

2.2.4 铣床和加工中心的换刀功能54

2.2.5 刀具的识别56

2.2.6 工件的更换57

2.2.7 主轴的变速功能60

2.2.8 进给速度功能60

2.2.9 小结60

2.2.10 本节要点61

2.3 数控功能62

2.3.1 定义62

2.3.2 CNC系统的基本功能62

2.3.3 CNC系统的特殊功能66

2.3.4 防碰撞功能68

2.3.5 数控机床集成的安全理念73

2.3.6 数控显示83

2.3.7 数控系统的用户界面扩展84

2.3.8 开放式数控系统86

2.3.9 成本评估88

2.3.10 现代数控系统的优点90

2.3.11 小结90

2.3.12 本节要点91

2.4 可编程序控制器93

2.4.1 定义93

2.4.2 PLC的发展历史93

2.4.3 PLC的组成和工作原理93

2.4.4 数据总线和现场总线95

2.4.5 PLC的优点99

2.4.6 PLC的编程和文档语言100

2.4.7 PLC程序101

2.4.8 程序存储器101

2.4.9 PLC、CNC和PC集成102

2.4.10 PLC的选择标准104

2.4.11 小结104

2.4.12 CNC和PLC的列表比较104

2.4.13 本节要点104

2.5 CNC系统对机床组件的影响108

2.5.1 机床配置108

2.5.2 床身109

2.5.3 导轨110

2.5.4 机床外罩110

2.5.5 冷却系统111

2.5.6 排屑系统111

2.5.7 小结111

2.5.8 本节要点111

第3章 CNC机床的电气驱动系统113

3.1 CNC机床的进给驱动系统115

3.1.1 进给驱动系统的要求116

3.1.2 进给驱动的类型116

3.1.3 直线电动机的种类121

3.1.4 直线电动机驱动的优缺点122

3.1.5 驱动控制器和CNC系统的连接123

3.1.6 测量传感器124

3.1.7 小结125

3.1.8 本节要点126

3.2 CNC机床的主轴驱动系统127

3.2.1 主轴驱动系统的要求127

3.2.2 主轴驱动的类型128

3.2.3 主轴驱动系统的结构形式128

3.2.4 交流同步电动机驱动模式130

3.2.5 同步电动机驱动的优缺点131

3.2.6 本节要点131

3.3 面向过程的机床驱动系统设计133

3.3.1 系统划分133

3.3.2 加工工艺的出发点134

3.3.3 能效均衡135

3.3.4 机床驱动系统的结构136

3.3.5 进给驱动系统的静态设计和动态设计137

3.3.6 直线电动机驱动140

3.3.7 根据工艺参数拟订驱动方案140

3.3.8 机床设计的普遍性和特殊性142

3.3.9 基于工艺参数的机床进给驱动系统的设计方案拟订143

3.3.10 机床的系统性考虑144

3.3.11 小结146

3.3.12 本节要点146

3.4 基于工艺参数的主轴机械设计148

3.4.1 电动机选择148

3.4.2 轴承选择148

3.4.3 润滑介质选择149

3.4.4 加工工艺选择149

3.4.5 本节要点152

第4章 数控机床的类型153

4.1 数控机床155

4.1.1 加工中心和数控铣床155

4.1.2 数控车床160

4.1.3 数控磨床165

4.1.4 数控齿轮加工机床170

4.1.5 数控钻床和镗床176

4.1.6 数控锯床178

4.1.7 激光加工设备180

4.1.8 冲压机床和冲剪机床185

4.1.9 弯管机床188

4.1.10 数控电火花加工机床190

4.1.11 电子束机床192

4.1.12 水切割机床193

4.1.13 复合机床195

4.1.14 测量和检验设备202

4.1.15 小结204

4.1.16 本节要点205

4.2 增材制造206

4.2.1 引言206

4.2.2 定义207

4.2.3 工艺流程208

4.2.4 增材制造工艺的分类210

4.2.5 几种重要的叠层制造工艺211

4.2.6 小结218

4.2.7 本节要点218

4.3 柔性制造系统220

4.3.1 定义220

4.3.2 柔性制造岛221

4.3.3 柔性制造单元222

4.3.4 柔性制造系统的技术特征224

4.3.5 柔性制造系统的应用准则225

4.3.6 加工策略227

4.3.7 设备选型及布局228

4.3.8 工件运输系统228

4.3.9 适用于柔性制造系统的CNC系统235

4.3.10 柔性制造系统的主机236

4.3.11 柔性制造系统的经济优势238

4.3.12 柔性制造系统规划中的问题与风险239

4.3.13 柔性和复杂性241

4.3.14 柔性制造系统的仿真241

4.3.15 生产计划系统243

4.3.16 小结244

4.3.17 本节要点244

4.4 工业机器人及其操纵技术246

4.4.1 引言246

4.4.2 工业机器人的定义246

4.4.3 工业机器人的组成247

4.4.4 工业机器人的机械学／运动学结构248

4.4.5 夹持器或末端执行器249

4.4.6 控制器249

4.4.7 机器人的安全技术252

4.4.8 编程253

4.4.9 传感器255

4.4.10 工业机器人的应用案例256

4.4.11 工业机器人的应用准则258

4.4.12 工业机器人和数控机床的比较259

4.4.13 小结与展望259

4.4.14 本节要点260

4.5 高能效经济型生产261

4.5.1 引言261

4.5.2 能效的定义261

4.5.3 车间261

4.5.4 机床群261

4.5.5 加工中心的节能特征262

4.5.6 数控程序的节能措施263

4.5.7 机床制造商的节能潜力263

4.5.8 用户的节能潜力263

4.5.9 无功电流补偿265

4.5.10 小结267

4.5.11 展望267

4.5.12 本节要点267

第5章 数控加工刀具269

5.1 刀具的结构271

5.1.1 引言271

5.1.2 技术要求271

5.1.3 刀具的分类273

5.1.4 机床端刀具夹头277

5.1.5 模块化刀具系统280

5.1.6 可调刀具281

5.1.7 螺纹铣削283

5.1.8 专用刀具285

5.1.9 刀具的选择289

5.1.10 本节要点290

5.2 刀具的管理291

5.2.1 引言291

5.2.2 刀具管理的评估292

5.2.3 技术规范292

5.2.4 解决方案的评定293

5.2.5 刀具管理的引入293

5.2.6 组成293

5.2.7 集成293

5.2.8 刀具的识别294

5.2.9 刀具的查询295

5.2.10 刀具的分类295

5.2.11 刀具部件295

5.2.12 刀具的总成296

5.2.13 刀具列表297

5.2.14 工序297

5.2.15 刀具的预调298

5.2.16 刀具的物流299

5.2.17 刀具的电子识别300

5.2.18 小结305

5.2.19 本节要点305

5.3 在线工件测量和过程控制307

5.3.1 引言307

5.3.2 过程控制的切入点307

5.3.3 工件和刀具测量系统的应用范围308

5.3.4 机床的工件测量系统310

5.3.5 本节要点315

5.4 基于激光技术的刀具监控316

5.4.1 引言316

5.4.2 破损检测316

5.4.3 单切削刃的检测317

5.4.4 高速切削刀具的测量317

5.4.5 组合式激光测量系统318

5.4.6 面向过程的孔测头319

5.4.7 主动可调刀具系统319

5.4.8 机电一体化刀具系统319

5.4.9 闭环过程链322

5.4.10 小结323

5.4.11 本节要点323

第6章 NC加工程序及编程325

6.1 NC加工程序327

6.1.1 定义328

6.1.2 NC加工程序的结构328

6.1.3 程序的组成、语法和语义329

6.1.4 辅助功能（M指令）330

6.1.5 位置信息331

6.1.6 准备功能（G指令）332

6.1.7 加工循环335

6.1.8 零点和参考点338

6.1.9 坐标转换341

6.1.10 刀具补偿342

6.1.11 DXF文件转换344

6.1.12 三维图形345

6.1.13 小结347

6.1.14 本节要点347

6.2 数控机床的编程349

6.2.1 数控编程的定义349

6.2.2 编程方法349

6.2.3 基于CAM的数控切削加工策略354

6.2.4 图形辅助编程357

6.2.5 合适的编程系统的选择358

6.2.6 小结359

6.2.7 本节要点360

6.3 数控编程系统361

6.3.1 引言361

6.3.2 变化中的加工方法361

6.3.3 根据应用范围确定优先级363

6.3.4 不同来源的数据输入364

6.3.5 现代NC编程系统（CAM）的功能范围364

6.3.6 高级数据模型364

6.3.7 面向CAM的几何元素处理364

6.3.8 侧重高效加工策略365

6.3.9 自适应加工366

6.3.10 三维模型提供更多信息366

6.3.11 三维接口367

6.3.12 特征技术的创新367

6.3.13 NC编程的自动化368

6.3.14 刀具370

6.3.15 装夹方案及顺序的确定370

6.3.16 仿真的重要性372

6.3.17 后置处理器372

6.3.18 生成的数据及其与机床的接口372

6.3.19 小结372

6.3.20 本节要点372

6.4 加工仿真374

6.4.1 引言374

6.4.2 系统的定性区分374

6.4.3 仿真场景的组件376

6.4.4 NC仿真流程379

6.4.5 集成仿真系统380

6.4.6 应用领域381

6.4.7 小结383

6.4.8 本节要点384

第7章 从企业信息化到工业4.0385

7.1 直接数字控制或分布式数字控制387

7.1.1 定义387

7.1.2 DNC的任务387

7.1.3 DNC系统的应用准则387

7.1.4 与CNC控制器的数据通信388

7.1.5 程序的访问调用技术389

7.1.6 目前可提供的DNC系统389

7.1.7 用于DNC的网络技术390

7.1.8 网络应用的优点391

7.1.9 NC加工程序的管理391

7.1.10 DNC的优点394

7.1.11 DNC的成本和经济性395

7.1.12 DNC的现状和发展趋势395

7.1.13 小结396

7.1.14 本节要点396

7.2 局域网（LAN）398

7.2.1 引言398

7.2.2 局域网399

7.2.3 信息的定义399

7.2.4 局域网的特征与属性400

7.2.5 网桥和网关404

7.2.6 局域网的选择标准405

7.2.7 接口405

7.2.8 小结408

7.2.9 本节要点409

7.3 数字化产品的研发和制造：从CAD、CAM到PLM410

7.3.1 引言410

7.3.2 概念和发展史410

7.3.3 数字化产品研发414

7.3.4 数字化制造418

7.3.5 小结421

7.3.6 本节要点422

7.4 工业4.0423

7.4.1 基础423

7.4.2 工业4.0的核心元素424

7.4.3 制造业中的工业4.0426

7.4.4 制造执行系统是工业4.0的重要组件427

7.4.5 工业4.0的挑战与风险428

7.5 全过程链在牙科制造业中的应用429

7.5.1 引言429

7.5.2 医疗器械法规的影响429

7.5.3 变化中的牙科制造业429

7.5.4 牙科制造业对信息流的要求431

7.5.5 牙科制造业的全过程信息系统433

7.5.6 本节要点434

第8章 附录437

8.1 准则、标准和建议439

8.1.1 VDI准则439

8.1.2 VDI/NCG准则441

8.1.3 德国工业标准（DIN）442

8.2 NC专业词汇446

8.3 关键词索引495

8.4 推荐的NC文献518