智能數控機床與編程（簡體書）

作為智能製造的核心要素，數控機床和數控系統的智能化水平是實現智能製造單元、智能生產線、智能車間乃至智能工廠的基礎支撐和保障。本書圍繞數控系統和數控機床的智能化，梳理了智能製造關鍵使能技術脈絡，從數控系統、數控機床、加工工藝三個維度呈現智能化的特徵和關鍵技術實現，以質量控制和效率提升為知識應用目標，重點闡述智能化技術與數控內核深度融合的方案、技術和措施。具體內容包括：智能數控系統的體系結構和實現方案、智能數控機床的結構配置、數控機床面向智能化的高性能技術、數控加工工藝及其智能化措施、智能數控機床加工程序編制（涵蓋FANUC和SIEMENS兩大系統）、智能製造加工過程監測、柔性製造應用等。本書面向工程應用，注重現代數控機床發展的新理念、新結構和新方法，對智能機床應用與編程方面的教學和研究有一定的參考價值，在一定程度上解決了目前智能機床相關教材不足的問題，為智能製造相關工程能力培養提供了教學資源支持。本書可作為高等院校機械工程、智能製造工程相關專業的教學用書，也可供從事智能製造領域工作的研究人員與工程技術人員參考。　

製造業是立國之本、興國之器、強國之基。在國際製造業新一輪競爭中，智能製造是核心發展方向。智能數控機床是智能製造設備層最基本和最核心的組成要素，以柔性加工生產線對零件進行智能化加工成為新一代製造業的主要特徵。
為了適應智能製造的發展，數控機床及數控系統在體系結構和功能方面均產生了一系列創新變革。社會對掌握相關技術和技能的人才的需求劇增，同時對相關教材的需求也非常迫切。
本教材調研了有關企業對智能製造人才的能力和技能的需求，在參考了相關教材和大量國內外文獻的基礎上，對編寫大綱和主要內容進行了研究和規劃。教材定位明確，面向應用型本科，以智能製造人才需求為導向，以提高學習者專業技能為目標，聚焦智能數控機床，從數控系統、數控機床和加工工藝三個維度展現智能賦能製造的關鍵技術，對智能數控系統、智能數控機床、智能數控編程等內容進行了系統闡述。教材內容以“系統—機床—應用（工藝與編程）”為主線，以智能加工為核心主題，在注重知識體系完整性的前提下，凸顯“理論夠用、方法適用、例子實用”的特色，有助於讀者全面深入地學習並掌握智能數控機床與編程的相關理論知識和技能。
全書分為8章。第1章為緒論，簡要介紹了智能製造的三種範式、智能數控系統的發展趨勢和智能數控機床的概念與特徵。第2章分析了智能數控系統的實施要求，介紹了智能數控系統的體系結構、實施方案和數據訪問。第3章通過與傳統封閉式數控系統的對比，介紹了數控機床及其HCPS模型，從機床功能、結構配置、主軸單元、進給驅動等方面闡述了智能數控機床的特徵。第4章從數控機床高性能技術的角度介紹了數控機床的智能化措施，包括數控機床誤差補償技術、數控機床振動抑制技術、智能數控機床大數據技術和智能數控機床的互聯通信。第5章圍繞數控加工工藝，講解了數控加工工藝基礎、數控加工工藝設計、數控加工夾具、數控加工刀具以及數控加工工藝智能優化措施。第6章核心是數控機床加工程序編制，分別講解了數控加工編程基礎、數控車削程序編制、數控銑削與加工中心程序編制以及數控加工自動編程，對比FANUC和SIEMENS系統，講解編程指令，編程示例均給出兩種系統格式的程序，便於讀者對比學習。第6章還特別介紹了SIEMENS系統的智能工步編程，便於讀者體會智能編程思想和流程。在自動編程部分，除了介紹目前通用的CAM軟件編程方法，還介紹了基於工藝孿生思想的自動編程方式，便於讀者體會智能理念在自動編程中的體現。第7章圍繞智能製造加工過程監測，介紹相關傳感器功能，重點講解了加工過程中的刀具監測和熱特性檢測方案，以及智能製造中非常重要的在機測量方法。第8章圍繞柔性製造介紹了柔性製造單元概念，講解了柔性製造中的物流系統、信息系統、網絡通信和監控系統以及機器人工作單元的基礎知識。柔性製造在理念和技術方法等方面與智能製造很相似，本章內容便於讀者從應用層面體會智能製造的實質。
本書由北華航天工業學院於杰擬定大綱並負責全書的統稿與定稿。具體編寫分工如下：第1章由北華航天工業學院韓偉娜編寫；第2~4章由北華航天工業學院於杰編寫；第5章由北華航天工業學院於杰、李志杰編寫；第6章由北華航天工業學院於杰、郝增亮編寫；第7章由北華航天工業學院於杰、韓偉娜編寫；第8章由北華航天工業學院李志杰編寫；廊坊精雕數控機床製造有限公司李淵志、李國鋒、楊賓參與了第6、7章部分內容的編寫。
為方便教師使用和學生學習，本書製作了配套課件，並提供演示視頻和各章思考題的參考答案，供使用者參考。讀者可掃描封底或每章首的二維碼下載本教材配套電子資源。
本書在撰寫過程中參考了國內外一些專家學者的研究成果，在此表示衷心的感謝。智能製造技術目前仍處於發展階段，許多理論、方法與技術還在不斷完善，加之編者水平有限，書中難免存在疏漏或不妥之處，懇請各位專家與讀者給予批評和指正。如有寶貴建議請發送郵件至yujie@nciae.edu.cn，以便本教材後期修訂完善。

編者
2023年8月

第1章　緒論 1
1.1 智能製造 1
1.1.1 智能製造的三種範式 2
1.1.2 智能製造的應用意義 3
1.2 智能數控系統概況 3
1.2.1 智能數控系統的發展歷程 3
1.2.2 智能數控系統的發展趨勢 9
1.3 智能數控機床應用 10
1.3.1 智能數控機床概念 10
1.3.2 智能數控機床特徵 11
1.3.3 智能數控機床關鍵技術 12
1.3.4 智能數控機床實例 12
本章小結 15
思考題 15

第2章　智能數控系統 16
2.1 智能數控系統的實施要求 17
2.1.1 系統需滿足開放性要求 17
2.1.2 系統需滿足實時性要求 17
2.1.3 系統需滿足數據接口及信息傳遞要求 17
2.1.4 系統需滿足人工智能與加工知識模型融合要求 18
2.2 智能數控系統體系結構 18
2.3 智能數控系統實現方案 20
2.3.1 自主感知與連接 20
2.3.2 自主學習與建模 21
2.3.3 自主優化與決策 21
2.3.4 自主控制與執行 22
2.4 智能數控系統的數據訪問 22
2.5 智能數控系統案例 22
本章小結 25
思考題 25

第3章　智能數控機床結構 26
3.1 數控機床及其HCPS模型 27
3.1.1 數控機床及其HCPS1.0模型 27
3.1.2 “互聯網 ”機床及其HCPS1.5模型 29
3.1.3 智能機床及其HCPS2.0模型 30
3.2 智能數控機床功能 32
3.3 智能數控機床結構配置 33
3.3.1 結構配置原則 33
3.3.2 結構配置創新案例 35
3.4 智能數控機床主軸單元 38
3.4.1 數控機床主軸發展歷程 38
3.4.2 數控機床電主軸 39
3.4.3 主軸軸承系統的配置和預緊 41
3.4.4 主軸與刀具的連接 44
3.4.5 回轉軸的主軸頭 45
3.4.6 主軸工況監控與智能化 46
3.5 智能數控機床的進給驅動 51
3.5.1 直線進給驅動 51
3.5.2 圓周進給驅動 55
本章小結 58
思考題 58

第4章　數控機床高性能技術 59
4.1 數控機床誤差補償技術 60
4.1.1 數控機床的誤差 60
4.1.2 熱誤差補償 61
4.1.3 幾何誤差補償 67
4.1.4 力誤差補償 71
4.2 數控機床振動抑制技術 72
4.2.1 振動測試方法 73
4.2.2 主軸振動抑制 74
4.2.3 進給軸振動抑制 77
4.2.4 刀具振動抑制 80
4.3 智能數控機床大數據技術 81
4.3.1 數控機床大數據應用層次 82
4.3.2 數控機床大數據感知 83
4.3.3 數控機床大數據傳輸 87
4.3.4 數控機床大數據處理 89
4.3.5 智能數控機床大數據應用——iNC Cloud服務平臺 91
4.4 智能數控機床的互聯通信 94
4.4.1 數控機床大數據的互聯、互通、互操作 95
4.4.2 數控系統互聯通信協議 97
4.4.3 NC-Link協議 98
本章小結 103
思考題 103

第5章　數控加工工藝及其智能化 105
5.1 數控加工工藝基礎 106
5.1.1 數控加工概述 106
5.1.2 數控加工工藝 109
5.1.3 數控加工工藝分析 110
5.2 數控加工工藝設計 112
5.2.1 毛坯種類及選擇 112
5.2.2 定位基準的選擇 113
5.2.3 表面加工方法的選擇 115
5.2.4 加工階段的劃分 117
5.2.5 加工順序的安排 118
5.2.6 加工余量的確定 119
5.2.7 切削用量的確定 119
5.2.8 走刀路線的確定 120
5.2.9 數控加工工藝文件的編制 127
5.3 數控加工夾具 130
5.3.1 工件定位的基本原理 130
5.3.2 常見定位方式及定位元件 130
5.3.3 工件的裝夾 134
5.3.4 數控機床夾具 134
5.3.5 數控車床常用夾具 135
5.3.6 數控銑床與加工中心常用夾具 136
5.4 數控加工刀具 138
5.4.1 常用刀具材料及性能 138
5.4.2 數控車削刀具 140
5.4.3 數控銑床與加工中心刀具 143
5.5 數控加工工藝智能優化 148
5.5.1 數控機床智能編程工藝優化 148
5.5.2 曲面加工工藝優化 150
5.5.3 數控加工工藝智能優化案例 155
本章小結 157
思考題 158

第6章　智能數控機床加工程序編制 159
6.1 智能數控加工編程基礎 160
6.1.1 數控程序編制內容與方法 160
6.1.2 坐標系 162
6.1.3 絕對坐標編程與增量坐標編程 165
6.1.4 程序結構 166
6.1.5 基本移動指令 170
6.1.6 刀具補償 175
6.2 數控車削程序編制 180
6.2.1 數控車削編程基礎 180
6.2.2 編程坐標系設定 181
6.2.3 螺紋切削 182
6.2.4 FANUC系統車削固定循環指令 184
6.2.5 SIEMENS系統車削固定循環指令 194
6.2.6 Shop Turn智能工步編程 202
6.2.7 數控車削綜合編程實例 211
6.3 數控銑削與加工中心程序編制 214
6.3.1 工件坐標系設定 215
6.3.2 極坐標編程 215
6.3.3 子程序 216
6.3.4 比例縮放指令 218
6.3.5 鏡像指令 220
6.3.6 坐標系旋轉 221
6.3.7 孔加工固定循環 222
6.3.8 Shop Mill智能工步編程 228
6.3.9 加工中心綜合編程實例 233
6.4 數控加工自動編程 236
6.4.1 UG自動編程 237
6.4.2 SurfMill自動編程 238
本章小結 241
思考題 241

第7章　智能製造加工過程監測 246
7.1 加工過程監測內容 247
7.2 傳感器 248
7.2.1 傳感器功能 248
7.2.2 傳感器分類 249
7.2.3 智能傳感器 250
7.3 加工過程中的刀具監測 251
7.3.1 加工過程中刀具振動監測 251
7.3.2 加工過程中刀具磨損監測 254
7.4 加工過程的熱特性檢測 257
7.4.1 熱特性檢測儀器 258
7.4.2 溫度測點布置 258
7.4.3 機床主軸熱特性快速辨識 259
7.5 數控加工在機測量 260
7.5.1 在機測量意義 260
7.5.2 在機測量方法 260
7.5.3 在機測量應用案例 261
本章小結 265
思考題 265

第8章　柔性製造應用 266
8.1 柔性製造單元 267
8.1.1 柔性製造系統 267
8.1.2 柔性製造單元 268
8.2 柔性製造的物流系統 269
8.2.1 物流系統的組成與功能 269
8.2.2 物流系統的工件流 270
8.2.3 物流系統的刀具流 270
8.3 柔性製造的信息系統 272
8.4 柔性製造的網絡通信 274
8.5 柔性製造的監控系統 275
8.6 柔性製造的機器人工作單元 275
8.7 柔性加工單元應用實例 277
本章小結 280
思考題 280

參考文獻 281