《数控原理与数控系统》课程实验教学大纲
课程编号：115021 学 分 数：3.5
课程类别：专业课 课程性质：必修
总学时数：64 实验学时：16
授课学期：7 独立设课：否
一、实验课程的目的与任务
目的和任务：学生通过实验了解和掌握本门课程中的数控代码实现轨迹的方法、实际切削过程中的插补原理、进给驱动系统的控制原理、进给驱动系统各个部分的功能调试方法以及进给系统精度的控制原理，掌握本专业常用的三维伺服机电教学与实训平台的基本原理和测试技术以及实现该平台运动的专业软件的使用等。培养学生熟悉本专业基本实验方法和实验程序。通过实验掌握系统调试的技能，达到对数控系统工作原理熟练掌握的目的；理解实验原理及实验方案，掌握正确操作规程；掌握各种仪器的使用，了解其性能参数、适应范围及注意事项。
二、实验内容与要求
| 序号 | 实验项目 | 学时 | 实验内容及要求 | 每组人数 | 实验类型 | 选 做 | 必 做 | 备注 |
| 1 | 机电系统认知和基本操作实验 | 2 | 内容：感性认识机电教学与实训平台的各组成部分 要求：直观的认识数控系统的组成部分以及各部分之间的连接 | 3 | 验证 | | √ | |
| 2 | 数控代码编程实验 | 2 | 内容：自己设计图形进行数控程序的编制，并进行模拟 要求：掌握数控代码的程序编制 | 3 | 设计 | | √ | |
| 3 | 逐点比较法实验 | 2 | 内容：利用鸥鹏OpenNC 教学与实训平台软件通用数控系统，进行逐点比较法插补的验证 要求：利用实验设备完成直线以及圆弧的逐点比较法插补 | 3 | 验证 | | √ | |
| 4 | 数字积分法实验 | 2 | 内容：利用鸥鹏OpenNC 教学与实训平台软件通用数控系统，进行数字积分法插补的验证 要求：利用实验设备完成直线以及圆弧的数字积分法插补 | 3 | 验证 | | √ | |
| 5 | 数控系统通电以及弱电控制强电实验 | 2 | 内容：电气元件的连接和调试；了解弱电控制强电的原理设计相关的电路。 要求：掌握系统上电过程控制；掌握电气元件在电路中的运用；了解弱电控制强电在电路中的应用；了解电气原理图。 | 3 | 设计 | | √ | |
| 6 | 进给/旋转轴连接实验 | 2 | 内容：步进电机以及驱动器的电路设计；变频器的电路设计。 要求：初步了解步进电机和主轴电机的控制方法；初步了解数控系统PLC的使用；掌握步进电机和主轴电机的控制电路设计。 | 3 | 设计 | | √ | |
| 7 | 数控系统控制步进电机实验 | 2 | 内容：电机控制电路的连接；步进电机具体控制过程中参数调节测试；回零测试；超程测试。 要求：了解电机的控制原理；掌握步进驱动及电机的应用，布线与调试；掌握数控系统驱动的调试。 | 3 | 综合 | | √ | |
| 8 | 交流电动机控制的机电系统动力学特性实验 | 2 | 内容：对于交流伺服系统进行不同PID控制参数的调节 要求：掌握交流伺服系统的使用方法。 | 3 | 综合 | | √ | |
三、考核及实验报告
（一）考核
实验课的考核方式：平时表现+实验报告
实验课考核成绩确定：出勤（20%）+实验实际操作（40%）+实验报告（40%）
实验课成绩占课程总成绩的比例：20%
（二）实验报告
实验报告的内容：实验名称、实验目的、实验任务、实验内容、实验过程描述(包括实验结果分析、
实验过程遇到的问题及体会）
实验报告的要求：步骤清晰，实事求是，独立完成
实验报告递交形式的要求：按规定时间递交实验报告
实验报告书写要求：字迹清晰，内容完整
四、主要仪器设备
硬件：伺服机电教学与实训平台一套，基于DSP闭环运动控制卡一块，PC机一台
软件：欧鹏OpenNC教学与实训平台软件
五、教材及参考书
教材
[1]汪木兰.数控原理与系统.北京：机械工业出版社，2004-8-20
[2]韩训梅自编.数控原理与系统实验指导书，南京：三江学院，2009.4
参考书
[1]邵群涛.数控系统综合实践.北京：机械工业出版社，2008年
[2]毕承恩.现代数控机床.北京：机械工业出版社
[3]叶培华.数控技术.北京：清华工业出版社
[4]朱晓春.数控技术.北京：机械工业出版社，2008年
执笔人：韩训梅 审核人：张思弟 分管院系领导
注：审核人一般为本专业负责人。
编写完成时间指定稿后交付的时间
设计性实验教学大纲
实验课程名称：数控原理与数控系统
实验项目名称：数控代码编程实验
实验类型：设计性实验
实验类别：专业课
实验学时：2
一、实验目的
1、了解从运动控制器的基本控制指令到数控代码库的实现过程，
2、掌握基于DSP 运动控制器的数控代码库的使用方法。
二、预习与参考
1、功能字
功能字有两种形式，一种是非模态指令，它只在所在程序段有效；另一种是模态指令，它一旦被执行就持续有效，直到同一组的代码出现或被取消为止。
主要功能字有:
准备功能G：准备功能指令，又称G 指令，是由字母G为首，后跟二位数字（G00-G99）组成，共一百种。既有模态指令又有非模态指令。
辅助功能M：辅助功能指令，又称M 指令，是由字母M为首，后跟二位数字（M00-M99）组成，共一百种。
坐标功能字：又称尺寸字，用来设定机床各坐标的位移量。一般使用X、Y、Z、U、V、W、A、B、C 等地址符，在地址符后跟着“+”（正号）或“-”（负号）及串数字。
进给功能F: 进给功能字用来指定刀具相对工件运动的速度。单位一般为mm/min。进给功能字以地址符F后跟一串数字代码组成。F是模态指令。
刀具功能指令：刀具功能指令，又称T指令。在系统具有换刀功能时，T指令用来选择替换的刀具，它以T为首，后跟二位数字。数字代表刀具编号。
2、准备功能G
G功能由G后跟两位数值组成，用来规定刀具和工件的相对运动轨迹、机床坐标系、坐标平面、刀具补偿、坐标偏置等多种加工操作。
数控切割机系统具备的G 功能见下表所示：
G代码分“模态”和“非模态”两种，模态G代码一经指定后一直有效，必须用同组的G代码才能取代它，非模态G代码只在指定的程序段中有效。下表中，“00”组的G代码是非模态的，其他各组的均为模态G代码。
以下介绍本系统所用到的G 指令。
（1）G00
快速点定位指令G00
格式：G00 IP_；
作用：刀具以数控系统预先设定的快速进给速度从起点移动到IP 点，进行点定位。
说明：点定位是一种运动方式，在没有切割和划线等的情况下使用。使用这个指令，割咀自动地产生一个高速移动的方式，以最快的进给率运动到程序上规定的位置。程序中原定的进给率不起作用，不同坐标轴的运动可以不协调。
（2）G01
直线插补指令G01
格式：G01 IP_ F_；
性质：模态；
作用：直线插补，IP 为终点坐标值，F 为进给速度(mm/min 或mm/r)。如果不指明F的值，则按上一指令指定的进给速度进给；如果从未指定过F的值，则按快速运动的进给速度进给；因此F 一般不能省略。
（3）G02
顺时针圆弧插补指令G02
格式：G02 IP_R_ F_；
G02 IP_I_K_F_;
性质：模态；
作用：顺时针圆弧插补，IP 为切削终点坐标，R 为插补圆弧半径，（I，K）为要插补圆弧圆心的坐标值，F 为进给速度。
解释：顺时针方向圆弧插补，其刀具相对于工件运动的轨迹的弧线是顺时针方向的（向垂直于运动平面的坐标轴的负方向看）。
说明：如果起点坐标到圆心的距离不等于IP 到圆心的距离，则根据起点和终点的坐标及半径R=（起点到圆心距离+终点到圆心距离）/2，改变编程圆心位置。
（4）G03
逆时针圆弧插补指令G03
格式：G03 IP_R_ F_；
G03 IP_I_K_F_;
性质：模态；
作用：逆时针圆弧插补，IP 为切削终点坐标，R 为插补圆弧半径，（I，K）为要插补圆弧圆心的坐标值，F 为进给速度。
解释：逆时针方向圆弧插补，其刀具相对于工件运动的轨迹的弧线是逆时针方向的（向垂直于运动平面的坐标轴的负方向看）。
说明：如果起点坐标到圆心的距离不等于IP 到圆心的距离，则根据起点和终点的坐标及半径R=（起点到圆心距离+终点到圆心距离）/2，改变编程圆心位置。
（5）G90
绝对值方式编程
格式：G90
说明：在此指令以后所有编入的坐标值全部以编程原点为基准；系统通电时机床处于G90 状态。
（6）G91
增量方式编程
格式：G91
说明：G91 编入程序时，以后所有编入的坐标值均以前一个坐标位置作为起点来计算。切割机程序根据增量式程序指令，机器运行开始是G91 增量方式的初态。
3、辅助功能字
辅助功能字用于机床的开关控制。它以地址符M 为首，其后跟两位数字（M00-M99）。
以下介绍本系统所用到的M 指令。
（1）M00
程序停止M00
功能：在完成程序段的其它指令后，用以停止主轴、中心割炬，并停止作进一步的处理。
说明：这个指令使一个割炬停止在板外的任何所希望的位置（在划线或切割前后），跟着判断重新起动左边的随意操作器。（根据控制台面板指令重新起动）
（2）M01
选择停机M01
性质：非模态。
功能：选择停机与程序停止相似，所不同的是，除非操作人员预先按电钮确认这个指令，否则这个指令不起作用。
说明：用在运动完成之后。
（3）M02 M30
程序结束M02
纸带结束M30
性质：非模态。
功能：程序结束。表示工件已完成的一个辅助指令。在完成了程序段的全部指令以后，用以停止主轴和进给。常用以使控制机和（或）机床复位，包括卷回纸带，退回到“程序开始”字符，或使环行纸带越过接头。
说明：当完成一个指令而没有倒带指令时执行这个指令，表明程序已到达最后的程序块。
三、设计指标
1、基本图形设计的形状要合理、美观；
2、复杂图形的设计自己的姓名轨迹设计要相对流畅。
四、实验要求（设计要求）
1、完成简单形状的编程：圆形、四边形、三角形等；
2、完成复杂形状的编程：自己的名字等。
五、实验报告要求
1、完成简单图形具体程序代码的编制；
2、完成自己姓名中复杂汉字的程序代码编制。
六、思考题
1、比较基于PC 的数控编程与专用数控系统的数控编程的优势和缺点；
2、编程模拟过程中出现的问题及解决的方法。
执笔人：韩训梅 审核人：张思弟 分管院系领导
注：审核人一般为本专业负责人。
编写完成时间指定稿后交付的时间
设计性实验教学大纲
实验课程名称：数控原理与数控系统
实验项目名称：数控系统通电以及弱电控制强电实验
实验类型：设计性实验
实验类别：专业课
实验学时：2
一、实验目的
1、掌握系统上电过程控制；
2、掌握电气元件在电路中的运用；
3、了解弱电控制强电在电路中的应用；
4、了解电气原理图。
二、预习与参考
用弱电控制强电，通过钥匙开关，给继电器线圈上电，使继电器常开触点吸合，供给系统的开关电源得电，输出直流24V供给数控系统。
三、设计指标
1、开关电源上电：
2、继电器上电：
3、系统开关电源上电：
4、数控系统上电。
四、实验要求（设计要求）
1、电气元件的连接和调试；
2、了解弱电控制强电的原理。
五、实验报告要求
1、完成数控系统通电电路的设计。
2、完成相关的电路分析。
六、思考题
1、继电器的作用与应用场合分析。
2、弱电控制强电的原理分析。
执笔人：韩训梅 审核人：张思弟 分管院系领导
注：审核人一般为本专业负责人。
编写完成时间指定稿后交付的时间
设计性实验教学大纲
实验课程名称：数控原理与数控系统
实验项目名称：进给/旋转轴连接实验
实验类型：设计性实验
实验类别：专业课
实验学时：2
一、实验目的
1、初步了解步进电机和主轴电机的控制方法
2、初步了解数控系统PLC的使用
3、掌握步进电机和主轴电机的连接
二、预习与参考
通过控空气开关控制主轴变频器和驱动器上电，主轴正反转通过数控系统PLC发出两个高电平信号，使继电器吸合，给变频器产生正反转信号。
三、设计指标
1、电机连接；
2、主轴旋转连接。
四、实验要求（设计要求）
1、完成进给轴的驱动控制设计；
2、完成主轴的驱动控制设计。
五、实验报告要求
1、绘制相关电路设计图；
2、进行原理分析。
六、思考题
1、分析主轴与进给轴的控制原理与控制影响因素。
执笔人：韩训梅 审核人：张思弟 分管院系领导
注：审核人一般为本专业负责人。
编写完成时间指定稿后交付的时间
综合性实验教学大纲
实验课程名称：数控原理与数控系统
实验项目名称：数控系统控制步进电机实验
实验类型：综合性实验
实验类别：专业课
实验学时：2
所涉及的课程及知识点：
课程：机电传动与控制；数控原理与数控系统
知识点：电机的驱动；电机的控制；电机的调速。
一、实验目的
1、了解电机的控制原理
2、掌握步进驱动及电机的应用，布线与调试
3、掌握数控系统驱动的调试
二、实验内容
1、先后合上KZ0、KZ1,检查各自电压是否正确，若不正确，立即断电检查，等检查正确后，再通电试验。
2、参数设定：按“区域转换键”→“诊断”→“机床数据”→“轴数据”设定以下参数
| 参数号 | 轴号 | 输入值 | 参数号 | 轴号 | 输入值 |
| 30130 | X | 2 | 31030 | X | |
| Z | 2 | Z | |
| 30240 | X | 3 | 31050[0-5] | X | 1 |
| Z | 3 | Z | 1 |
| 34200 | X | 2 | 31060[0-5] | X | 1 |
| Z | 2 | Z | 1 |
| 31020 | X | 1000 | 32260 | X | |
| Z | 1000 | Z | |
| 31400 | X | 1000 | 34070 | X | 300 |
| Z | 1000 | Z | 300 |
| 32000 | X | 1500 | 34060 | X | 200 |
| Z | 1500 | Z | 500 |
| 32010 | X | 1500 | 34000 | X | 0 |
| Z | 1500 | Z | 0 |
| 32020 | X | 1000 | 34040 | X | 1000 |
| Z | 1000 | Z | 1000 |
3、 在主屏下，按手动（JOG）方式下后，按X＋／X—键，观察屏幕大字符X变化情况和X轴步进电机速度变化情况;同样按Z＋／Z—键后，观察屏幕大字符Z变化情况和Z轴步进电机速度变化情况。如果电机运行方向和显示屏显示方向相反，断电后，调换电机A、B、C任意两相；或修改参数32100。
4、在主屏下，先按REF（回零）方式下进给轴回零，根据后面所附《SIEMENS车床数控系统编程和操作手册》有关自动加工的章节，具体进行数控系统操作练习，观察步进电机行变化。
5、程序正常进行，在步进电机正常运行中。若按下一超程开关，观察步进电机运行变化及屏幕变化情况。
三、实验仪器设备和材料清单
1、模拟维修平台
2、万用表
四、实验要求
1、完成步进电机控制电路的连接；
2、完成步进电机参数调节测试；
3、完成步进电机回零状态测试；
4、完成步进电机超程状态测试。
五、实验报告要求
1、列出不同参数调节状态下电机的工作状态；
2、列出超程与回零状态，电机的变化。
六、思考题
1、当电机不能运行时，什么原因引起？如何解决？
2、当电机只向单方向运行，什么原因引起？如何解决？
3、驱动器A、B、C三相缺相电机运行情况？
4、当电机工作方向与实际方向相反，有几种解决方法？如何解决？
执笔人：韩训梅 审核人：张思弟 分管院系领导
注：审核人一般为本专业负责人。
编写完成时间指定稿后交付的时间
综合性实验教学大纲
实验课程名称：数控原理与数控系统
实验项目名称：交流电动机控制的机电系统动力学特性实验
实验类型：综合性实验
实验类别：专业课
实验学时：2
所涉及的课程及知识点：
课程：电路分析基础，控制工程基础、机电传动与控制
知识点：数控系统的进给驱动系统
数控系统的PID调节
数控机床进给传动的结构
开放式系统的工作原理
一、实验目的
1、掌握交流伺服系统的使用方法；
2、了解交流伺服系统闭环系统的结构；
3、熟悉开放式控制系统的组成；
4、了解滚珠丝杠和滚动导轨的结构和使用。
二、实验内容
PID 调节器
模拟PID 调节器的表达式是：
数字PID 调节器的表达式是：
数字PID 递推表达式是：
软件中PID 调节器采用数字PID 递推公式。
可以通过改变PID 参数得到系统不同的控制效果。
控制流程
实验系统软件测试系统的速度阶跃响应特性，控制框图见下图。
复习教材有关章节，了解交流伺服系统的原理；
仔细阅读机电教学与实训平台使用说明书，对照实物，了解系统的结构以及
系统所用的元部件；
打开计算机，启动实验软件；
打开电控箱电源；
在“设置”页面中，通过手动操作，了解所设置参数的意义和系统控制原理；
进入“测试”页面，改变PID 参数，可以得到不同的速度阶跃响应曲线；
退出系统，关闭电源。
三、实验仪器设备和材料清单
1、伺服机电教学与实训平台一套
2、基于DSP 运动控制卡一块
3、PC 机一台
四、实验要求
掌握交流伺服系统的原理、系统组成以及实验所用的交流伺服系统三种控制
模式（速度模式、位置模式和力矩模式）的使用；
通过观察不同PID 控制参数下的响应曲线，了解PID 参数的控制规律。
五、实验报告要求
1．分别绘出交流伺服系统采用速度模式和位置模式时，系统的组成结构图和控制框图；
2、给出实验测试结果，并进行简单分析；
六、思考题
（1）为什么手动操作时，设置零点而实际坐标不为零？
（2）谈谈你对开放式控制系统的理解。
执笔人：韩训梅 审核人：张思弟 分管院系领导
注：审核人一般为本专业负责人。
编写完成时间指定稿后交付的时间
