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数控操作工人培训教程

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数控操作工人培训教程

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说在前面

随着计算机技术和自动控制理论的高速发展，以计算机技术为核心的自动控制系统在设备上的应用也越来越广泛。

如计算机检测、CNC（计算机数字控制）、CAM（计算机辅助制造）、CIMS（计算机集成制造系统）、机器人技术等。

这些都大大地延伸了现代工业中自动化设备的制造能力，从而也促进了现代工业技术日新月异的发展。

技术的进步推动了我们企业的进步，但对人的素质也随之提出了更高的要求。

很明显，只有掌握了先进技术的人，才能更好地驾御这些高技术的设备，使它们以最大的效能为我们服务。

NC（数字控制）技术是近半个世纪中逐步成熟和发展起来的一项先进的设备制造技术。

计算机技术的发展和在NC技术中的应用，给它带来了革命性的变革，并形成了现在的CNC（计算机数字控制）技术。

近年来，采用CNC系统的设备已越来越多地走进我们的工厂，并逐年保持高速增长的趋势。

它们都在我们工厂的关键工序中起着举足轻重的作用，其状态的好坏和使用状况直接关联到我们产品的质量和企业的声誉。

要充分发挥数控设备的优势，我们就必须培养出一批高素质的操作工人队伍。

为了达到这个目的，我们编写了这本《数控操作工人培训教程》。

本教材的取材完全结合我们工厂的实际，书中的很多素材都来源于我们工厂里正在服役的设备。

考虑国内应用日本FANUC（法那克）公司和德国SIEMENSE（西门子）公司数控产品较多这一实际情况，本教材以FANUC系统为主线，并适当介绍了SIEMENSE系统。

然而，对具体数控系统的介绍决不是我们的真正目的，我们的真正想法是凭籍对这些系统的讲解，达到对数控设备基本理论和共性知识的掌握。

这些知识包括系统的构成、原理、参数、编程、操作、诊断、调整等等，它们都是我们设备使用中至关重要的。

总体内容的安排注意保持了实用性和系统性。

教材的第六章《数控机床的机械结构》由一汽集团轿车股份公司二发厂张大有同志编写，其余各章均由一汽集团轿车股份公司生产部陈刚同志编写。

编写中部分参照了制造商提供的相关产品的英文说明书和极少地参考了有关同类书籍，在这里恕不一一提及。

本教材仅做集团公司内部工人培训使用，并无赢利和对社会公开发表之目的，因此当无剽窃之嫌。

触忌之处，尚请见谅。

集团公司外部使用和翻印本教材，需经作者许可。

未经许可擅自翻印者，作者保持追究法律责任的权利。

2002-9-27

第一章:

数控机床概论

第一节:

从人自身来认识电脑

没有学习过电脑的人都觉得电脑很神秘。

事实上，电脑之所以称为“电脑”，正是对人脑模拟和再现的结果。

从人脑的角度来理解电脑，我们就会发现，认识它并不是想象的那么难。

一.人脑有那些能力

为了理解电脑，我们不妨先思考一下，人脑都具备哪些能力？

1.思维：

人脑首先具有分析、计算、推理、归纳的能力,即逻辑思维与算术思维能力。

2.信息储存：

即记忆信息的能力。

3.人体五觉的中枢：

即感知环境的能力。

4.全身的指挥中心：

即行为控制能力。

二.电脑如何实现这些能力

那么，作为电脑，它是怎样去再现这些能力的呢？

1.思维的再现——CPU

电脑使用CPU来完成思维和控制，CPU又叫做中央处理单元，是计算机系统的核心，用于进行逻辑运算和算术运算及系统的综合控制等。

2.记忆载体——存储介质

是计算机用于存储信息、数据的媒体。

它们包括：

存储器、硬盘、磁带、软盘、光盘、纸带等。

3.电脑的感官——输入设备

输入设备是电脑用于接受指令、数据、信息的装置。

常见输入设备有:

键盘、扫描器、鼠标器、纸带机、磁带机、数字摄像机等。

4.行为的输出——输出设备

输出设备是电脑用于输出控制结果的装置。

常见输出设备有:

CRT、打印机、绘图机等。

第二节：

普通意义上的计算机

一.硬件结构

由以上介绍可以看出,一个计算机系统的基本结构主要由四部分组成:

即CPU、存储器、输入设备和输出设备。

如下图所示。

图1-1：

计算机系统的基本结构

实际上的电脑比上述介绍还要复杂得多，它一般还包括如电源、主版等构件。

二.计算机的软件

（一）.计算机软件的基本分类

计算机软件是人为编写的用于控制计算机工作的程序。

它分为：

1．系统软件：

用于计算机的系统资源管理，是计算机软件系统的核心。

例如：

台式机各版本的DOS系统等。

2．编译软件：

用于开发应用软件的工具。

利用它可以编写和调试应用软件，并翻译成系统软件能理解的代码文件。

例如：

各类语言工具、机床设备上所包含的专用设备控制程序的编译管理程序等。

3．应用软件：

是由编译软件编译执行的，建立在系统软件基础上的，满足用户某些特定需要的软件。

例如：

各类设备由制造厂开发的操作平台软件、办公软件（微软OFFICE）、财务软件、计算机辅助设计、游戏软件等。

（二）.语言工具的级别

1．机器语言：

计算机CPU能直接识别的代码级语言。

其表面形式为二进制数字代码。

如：

11001011、00110011等。

这类语言无须编译，计算机能够直接执行。

2．汇编语言：

用字母等符号来代替机器语言，以便人为编辑和识别的符号级语言。

如：

LDA，08H

ADDA，C

等。

这类语言必须编译成机器语言，才能被计算机执行。

3．高级语言

用语句化、结构化的命令形式编写的语言。

这类语言的每一个语句都能完成一系列机器或汇编语言所执行的特定功能，而且由于书写形式更接近生活化语言，因此使编程变得更直观和简单。

例如：

C语言、BASIC语言、JAVA语言等。

这些语言同样需要经过编译才能被计算机识别和执行。

4．专用语言

利用以上语言形式开发的，更接近于特定用户使用环境的编程语言。

PLC、数控、机器人等的编程等都属于这类特定的语言。

它同样要被编译后执行，但它一般是被计算机系统自动完成的。

第三节：

计算机中常用的进制和编码方法

下面介绍的是设备参数中涉及到的部分进制和编码方法。

一.计算机的进制

所谓进制是指数量计算的一种进位法则。

我们日常所使用的是十进制。

但在计算机中，除十进制外，我们也常用到其它进制。

亦即：

1．二进制：

逢二进一的计数进位方法。

2．八进制：

逢八进一的计数进位方法。

3．十进制：

逢十进一的计数进位方法。

4．十六进制：

逢十六进一的计数进位方法。

下面，我们介绍利用这几种进制进行编码的常用方法。

三.常用代码

计算机中，经常用到的代码有：

（一）．二进制代码

计数符号----0、1

如：

11011001、10100001等。

（二）．八进制代码

计数符号----0、1、2、3、4、5、6、7

如7523、6432等。

（三）.十进制代码

计数符号----0、1、2、3、4、5、6、7、8、9

如：

8923、7621等。

（四）．十六进制代码

计数符号：

0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F

如1A3D、1FC4等。

（五）．BCD代码

用二进制表示的十进制代码。

这种代码种类有多种，BCD代码是其中最常用的一种。

计数符号是使用四位二进制代码来表示一位十进制数，即：

0000：

00001：

10010：

20011：

30100：

0101：

50110：

60111：

71000：

81001：

例：

00111000表示38。

三．代码到十进制的转换

前面介绍的任何代码都可以折算成十进制数值。

下面介绍其折算方法：

（一）．二进制代码到十进制的转换

转换结果=位0×20+位1×21+位2×22+位3×23+……

（二）．八进制代码到十进制的转换

转换结果=位0×80+位1×81+位2×82+位3×83+……

（三）．十六进制代码到十进制的转换

转换结果=位0×160+位1×161+位2×162+位3×163+……

（四）．BCD代码到十进制的转换

可以根据代码定义直接读出结果。

第四节：

个人电脑的基本知识

本节通过简单介绍个人计算机的基本硬件、软件及常规操作功能等入门知识，使读者对个人计算机系统有一个最基本的了解。

但仅仅局限于这一点点概念性的东西，是远远不够的。

一．个人电脑的基本硬件

当前的个人电脑大体包括下面这些硬件设备：

1．CPU

电脑的控制核心，负责完成所有的运算和控制。

以美国INTEL（英特尔）公司的产品为例，个人电脑从286CPU开始大量走向家庭，以后经过了386、486、奔腾、奔腾2、奔腾3、奔腾4等，在短短十几年内，CPU制造技术经历了突飞猛进的发展。

处理速度提高了几个数量级。

这一切都为计算机技术在现代工业中推广应用创造了坚实的技术基础。

2．主板

主板是CPU、内存和接口板卡的连接母板。

主板伴随着CPU制造技术的发展，性能和品种也随之高速发展。

3．硬盘驱动器

是用于存储程序文件的主要载体。

硬盘最初推向市场时，容量仅10M左右。

现在的硬盘，市场上100G以上的硬盘已经非常常见了，容量整整提高了一万倍以上。

而且，存取速度也有极大的提高。

硬盘作为计算机系统必不可少的一个重要部件，其性能和整机性能有着密不可分的关系。

4．内存条

用于存储计算机运行动态数据的器件。

内存具备比硬盘、光盘、软盘等快得多的存取速度，直接被用来存储计算机运算和控制的中间数据，也可以作为硬盘、光盘数据存取的缓冲区，因此内存越多，计算机运算速度越高。

个人电脑内存从早期的几百K到现在常规配置的几百M，提高了上千倍。

而且，主板、硬盘、显示卡等都配置了越来越大的专用内存。

5．显示卡和显示器

显示卡是CPU和显示器的控制接口。

显示器则用作计算机通过屏幕显示方式向操作者反馈信息的工具。

目前常用的显示器有普通CRT显示器和液晶显示器两种。

随着显示卡和显示器的技术发展，显示分辨率和速度越来越高。

最初采用的是单色显示器，现在高分辨率的彩色显示器已经非常普及了，绿色环保的节能型显示器则更多地考虑了人性化的设计特点。

6．机箱和电源

机箱即主机的外壳部分。

电源向系统提供各类级别的工作电压。

它是计算机系统的工作动力来源。

7．软盘驱动器和软盘

软盘驱动器又叫软驱，用于读写软磁盘。

软盘是一种可移动式的磁性存储介质。

以往有3寸和5寸两种，目前主要使用3寸软盘，容量为1.44M。

它通过磁头来进行读写。

8．光盘驱动器和光盘

光盘驱动器又叫光驱，用于读取光盘数据。

可写光盘的光驱称为光盘刻录机。

光盘是用于记载程序和数据的光敏介质，用光头进行读写。

尽管容量大得多的DVD光盘已经不再陌生，但目前用得最多的还是650M的CDROM。

9．声卡和音箱

声卡是计算机用于向音箱传送声音的接口，用于把声音数码信号转换为真正的声音信号。

音箱即发声设备。

当前的声音设备，已经能录制和再现质量非常高的声音品质。

10．打印机

把计算机文本以书面形式输出的工具。

目前的打印机有激光、喷墨、针式几种类型。

其中，质量最好的是激光打印机，最差的则是针式打印机。

11．键盘

键盘是应用最广泛的手工输入工具。

用它可以向计算机输入各种命令和进行文本编辑、制图等一系列操作。

12．鼠标

鼠标也是使用非常广泛的输入工具之一。

它可以执行部分键盘功能，特别是适用于各种命令的输入和图形编辑。

在WINDOWS操作系统及其应用软件中，鼠标是必要的工具。

二．个人电脑软件

基本与前面介绍的软件情况相同。

目前设备上使用的操作系统有DOS和WINDOWS两种。

每台机床设备都有自己的编译程序、应用软件和专用语言开发环境。

三．常用个人电脑的操作概念

（一）.目录结构和文件

1．目录结构

目录结构：

计算机中由用户载入的文件内容的存储结构。

它采用树状目录结构，各软件都有自己的专用目录。

这样做的目的是便于查询和执行时互不干涉。

利用计算机的“我的电脑”和“资源管理器”等工具，可以非常方便地查询和浏览目录结构及其文件系统。

在WINDOWS中，目录也叫做文件夹。

目录名：

可以用字母、数字、汉字、部分特殊符号等组成。

2．文件

文件：

计算机向硬盘、软盘等载体存储信息的最小组织形式。

它类似于一篇篇的文稿，因此叫做文件。

文件名：

文件的名称。

同样可用字母、数字、汉字、部分特殊符号等组成。

文件名由基本名和扩展名两部分构成。

XXXXXXXX．XXX

基本名扩展名

早期的DOS操作系统基本名限制长度为8个英文字符或4个汉字，扩展名为3个英文字符和1个汉字。

目前使用的WINDOWS98、WINDOWS2000等系统的基本名最多可达255个字符。

（二）.窗口和菜单

所谓窗口，即用户所能看到的屏幕显示界面。

WINDOWS把图标平面铺设的显示界面叫做“桌面”。

菜单：

计算机命令的一种可视化显示形式。

常用的菜单是下拉式菜单。

利用键盘和鼠标来操作菜单，可以向计算机发出各种命令。

（三）.图标

图标是目前软件中放置在桌面上的图形标记。

它往往代表一个目录或一个文件，操作它可以打开文件或进入下级目录。

（四）.基本文件管理操作

最基本的文件管理操作有：

1．创建目录和新文件

2．复制、剪切、粘贴和发送

3．打开文件和编辑

4．文件和目录更名

等等。

作为一个数控操作人员，基本的个人计算机操作知识是必须具备的。

建议读一些这方面的书籍并进行一些实践。

第五节：

广义的计算机系统及应用

广义的计算机决不仅仅是我们办公桌上的计算机系统。

个人电脑只是计算机的诸多应用形式之一。

我们将通过下面的叙述，帮助您感受到计算机系统在我们的工作和生活中的应用是多么广泛。

（一）.个人计算机及其应用

个人电脑是主要用于办公、娱乐的专用计算机系统。

它能做什么?

不由你不信!

1.企业管理:

打字、财务、资料管理等。

2.设计:

CAD制图、生产模拟、产品设计等。

3.分析计算:

如工程模拟、股票分析等。

4.音像功能：

可以播放和处理声音、音乐、歌曲、图片、影像等。

5.电子鸦片：

即令许多人如痴如醉的电子游戏。

6.生活管理:

家庭财务、档案等。

7.家庭教师：

大量的家教软件开发使得利用计算机学习各种知识成为可能。

8.图书馆:

电子图书与图书无纸化。

9.电视机：

装上电视卡，你的计算机可以收看任何普通电视收得到的电视节目。

10.网络：

我们已经有了多种形式的上网方式，你可以通过计算机网络查询信息、发布信息、发送邮件、召开会议、收看节目，找网友聊聊天，玩玩游戏等。

这条信息的高速公路缩短了人与人之间的距离，把地球真正变成了一个村落。

或许，坐在家里工作和读书的日子，也不会太远了吧！

（二）.工业领域的专用计算机系统

A．数控系统

各类数控机床、加工中心上的计算机数字控制系统就是一台或几台计算机，只不过它们控制的目标是设备加工过程和尺寸。

B．PLC系统

PLC即电气控制的可编程序控制器，它用于机床的动作过程控制。

C．变频器、电机保护器

控制电机的变频器和电机保护器都是专用的计算机系统，多数使用单片计算机。

D．各种测量系统

现在的复杂测量系统，如在线量仪、过程测控等，基本是建立在单片计算机或工业控制计算机基础上的专用测量系统。

E．新兴的各种智能电器

由于计算机产品的成本日益下降，现在使用计算机作为控制核心的电器产品越来越多，如变压器、动力配电设备、显示仪表等。

（三）.生活中的专用计算机系统

各种汽车电器、数字电视、VCD机、数码摄像机、数码照相机、全自动洗衣机、微波炉等，都有计算机的影子。

计算机正在越来越广泛地进入我们的生活空间。

第六节:

数控机床的概念及其基本特点

一.数控机床的概念

顾名思义，数控机床即数字控制机床。

其核心控制部分全部由数字电路构成。

它是由数字电路控制机床加工过程并实现需要的工艺参数的专用设备。

早期的数控机床控制系统完全用硬件——数字电路芯片构成。

由于电脑技术的高速发展，数控机床的控制部分已完全被计算机取代，且功能大大加强。

可以说，加工中心的发展完全得益于计算机的应用。

电脑的强大功能有效地提高了机床的加工能力。

而且，由于计算机运算速度的发展，数控机床控制部件也逐步走向数字化、智能化。

二.数控机床的基本功能.

从如下的功能中可以让我们更全面地了解数控机床。

1.控制加工过程的刀架移动速度和轨迹，实现多象限联动控制或单独控制。

2.关联或独立控制坐标轴的转速和位置。

3.实现对刀架、刀具库的加工控制。

4.外围动作的控制（M、S、T功能）。

5.PLC功能。

6.系统自诊断功能。

7.良好的人机界面（图形用户接口GUI）。

8.和其它计算机系统联网，互换数据信息和获取帮助。

三.数控机床的特点

（一）.零件加工可编程

由于加工零件的形状可用程序编制，使得一机可以多用。

在存储器中可存储多个零件的加工程序，加工时只要适当调整夹具和刀具即可变更加工内容。

（二）.加工工艺参数的柔性调整

各种加工工艺参数，如刀具偏差、进刀速度、主轴转速、行程极限、传动间隙等均可以随时调整。

（三）.可实现良好的加工精度

随着数控技术的发展，各类加工参数调整的柔性化，大大地简化了机床机械部分的结构。

典型的一个数控“轴”，机械部分只剩下一套丝杠和一个工作台。

加上电气系统的发展已明显超出实际加工能力的需要，这就为提高加工精度奠定了好的基础。

四.数控机床的适用范围

对数控设备比较经济的使用观点是，用于具有小批量和产品多变性的场合，不适合大批量的流水作业。

但现在的企业在生产线上使用数控设备的已越来越多，其代价是要付出昂贵的设备费用，而获得单一的功能。

但由于其优良的加工精度，在大批量流水作业中使用也越来越多。

第七节：

如何学好数控设备知识

一．注重基础知识的学习

由于数控技术理论上较为深奥，要掌握这门技术，就必须注重基础理论的学习。

二．从电气、工艺、机械结构几个方面综合学习

数控技术是一门集计算机技术、自动控制技术、机械技术、工程力学、加工工艺学等于一体的学科，因此，独立地想从单方面去了解数控设备是不可能的。

只有把这些方面结合起来学习，才能完整地掌握它。

三．结构化的学习方法

数控机床是一套复杂的系统，控制逻辑性和关联性强。

因此，掌握系统的整体结构，熟知各个部分的作用和特点，对更好地使用和维护数控机床就显得特别重要。

这种结构化的思维在机床调整和维修中是非常有益处的。

四．了解数控机床的技术发展趋势

世界上的第一台数控机床是1952年由美国的Parsons（帕森斯）公司和麻省理工学院联合开发的，用于直升机制造的三坐标数控铣床。

而我国最早的数控系统研制是从1958年开始的。

目前，数控机床和可编程序控制器（PLC）、工业机器人、网络技术并列为工业自动化发展的四个方向之一。

而其本身，也经历了日新月异的发展。

数控系统本身就经历了分立元件、集成电路、小型机、专用微型机系统，直到现在建立在个人电脑操作平台基础上的控制系统这样一系列的发展阶段。

其功能也越来越强，速度越来越快，指令集越来越丰富。

输入存储介质也由最早的纸带发展到现在的硬盘、软盘、各种类型的存储器等多种介质。

在计算机技术高速发展的基础上，控制系统的各个部分，如接口、驱动器、操作面板等也逐步智能化，数控系统由单一的计算机系统变成了多计算机系统分工协作，从而使系统的整体性能大幅度地提高。

伺服系统随着电机制造技术的发展，也经历了步进伺服、直流伺服、交流伺服几个过程。

而交流伺服又经历了交流模拟伺服和交流数字伺服两个阶段。

伺服系统的发展为机床的精度提高奠定了控制基础。

机械系统同样经历了巨大的发展，刀库由最早的简单刀架倒现在复杂的刀库管理系统，工作台由单一工作台到多工作台的自动交换系统，由于新材料和新工艺的发展，传动系统精度也日益提高。

从而为机床整体性能和精度的提高创造了良好的前提条件。

数控机床在生产过程中的应用也由最早的单机工作逐步发展到由一台计算机为多台数控机床编程的计算机直接数控系统（DNC），兼DNC系统、自动输料、生产管理系统于一体的柔性制造系统（FMS），集产品开发设计、制造过程、生产管理、市场分析和财务管理等于一体的计算机集成制造系统（CIMS）。

完全可以说，数控设备将是今后工厂自动化的重要基础。

第二章:

数控机床的基本构成

第一节：

数控机床的控制结构

典型的数控机床控制系统如下图所示:

（键盘、手轮等）

操作设备PLC系统机床现场

显示器数控系统驱动电路伺服电机工作台

或

反馈电路反馈器件

图2-1：

数控机床的控制结构图

其中:

1.数控系统：

包括上述的CPU、存储器、输入输出接口及其他的一些专用电路,是机床的控制中心。

2．PLC系统：

又称可编程序控制器，用于机床各部件的整体动作逻辑组织和控制。

3.驱动电路：

属于输出设备，用于将数控系统的控制指令放大和转化为电动机的激励信号，控制电机的旋转。

4.伺服电机：

专用于数控设备直线轴和旋转轴的驱动电机，有优良的可控性和精度。

5.反馈器件：

用于测量工作台的位移量或旋转角度。

6．反馈电路：

负责反馈器件测量信号的处理转换，最终回送给数控系统和驱动电路进行位置和速度计算。

7.操作设备：

操作者向控制系统发送指令的工具。

如键盘、手轮。

8.显示器：

数控系统通过屏幕显示方式向操作者反馈信息的工具。

第二节:

数控系统

一.数控系统是数控机床的控制核心

包括CPU、存储器、输入输出接口及其他的一些专用电路，是机床的控制中心。

它主要完成如下控制任务：

1．存储系统管理程序、数控功能管理程序、用户应用软件环境、零件加工程序、各类参数及工艺数据等。

2．按照操作人员的指令控制执行机构完成零件加工和调整等操作。

3．控制外部设备，完成人机的相互交流。

4．通过外部接口或网络，和其它计算机系统进行数据交换。

数控系统的种类非常多,但国内比较常用的数控系统有日本FANUC系统、德国SIEMENS系统、美国GE-FANUC系统等。

二.FANUC系统简介

FANUC系统的典型构成如下：

1.数控主板：

用于核心控制、运算、存储、伺服控制等。

新主板集成了PLC功能。

2.PLC板：

用于外围动作控制。

新系统的PLC板已经和数控主板集成到一起。

3.I/O板：

早期的I/O板用于数控系统和外部的开关信号交换。

新型的I/O板主要集成了显示接口、键盘接口、手轮接口、操作面板接口及RS232接口等。

4．MMC板：

人机接口板。

这是个人电脑化的板卡，不是必须匹配的。

本身带有CRT、标准键盘、软驱、鼠标、存储卡及串行、并行接口。

5.CRT接口板：

用于显示器接口。

新系统中，CRT接口被集成到I/O板上。

另外，还提供其他一些可选板卡等。

以FANUC-21系统为例，典型配置包括主板、I/O板和MMC板。

三.SIEMENS系统简介

SIEMENS系统的典型构成，以SIEMMENS840C为例，包括：

1.中央服务板：

用于系统的综合控制。

2.NC-CPU板：

用于加工的数字控制。

3.PLC-CPU板：

用于代替传统的PLC系统，控制外围动作。

4.MMC-CPU板：

用于和外部设备通讯，功能与FANUC的MMC板类似。

5．A/D、D/A板：

用于模/数、数/模转换。

根据我们的使用经验，就中国目前的工业环境而言，日本的数控系统性能价格比更具有优势。

它们在我们的工厂使用环境中，性能相对更加稳定，而且价格也比较合理。

其使用特点也更符合中国人的习惯。

第三

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