本书译自原书第31版，首先介绍了数控技术的发展历史，从使用者的角度对数控系统的组成及功能进行了详细的介绍，特别是结合丰富的实例图解，使读者更加容易理解机床加工过程的逻辑控制、加工轨迹的运动控制原理和技术，从而对数控机床有更加深入、清晰的认识。本书重点介绍了数控机床的应用，从数控机床的种类、生产系统的组成、刀具及其管理、数控编程以及数字化网络化的生产信息系统，全面覆盖了数控机床应用的各个环节，使读者系统性地掌握数控机床的高效绿色的使用，是一本学习和使用数控机床的不可多得的经典指南。

本书图文并茂，既可用于数控技术基础培训，也可作为实际应用中的技术指导用书，同时对扩展数控技术专业视野和从事相关研究具有极大的参考价值。

本书适合从事数控技术的专业技术人员、数控机床的使用人员及大专院校相关专业的师生阅读。

译者序

原书前言

第1章　计算机数控（CNC）

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5

1.1.5　德国机床工业的进一步发展6

1.1.6　日本机床的影响6

1.1.7　德国机床制造业的危机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9

1.1.11　形势及展望9

1.1.12　结论10

1.2　数控技术发展的里程碑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17

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　数控编程25

1.3.13　小结27

1.3.14 本节要点28

第2章　计算机数控（CNC）

机床的功能29

2.1　路径信息和路径测量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　测量仪器的简单诊断44

2.1.6　补偿45

2.1.7　本节要点54

2.2　切换功能55

2.2.1　简要介绍55

2.2.2　换刀功能55

2.2.3　铣床和加工中心的换刀功能56

2.2.4　车床的换刀功能57

2.2.5　刀具的位置编码58

2.2.6　工件的更换59

2.2.7　主轴的变速功能61

2.2.8　进给速度功能62

2.2.9　小结62

2.2.10　本节要点63

2.3　操作功能64

2.3.1　定义系统64

2.3.2　CNC系统的基本功能64

2.3.3　CNC系统的特殊功能68

2.3.4　防碰撞功能71

2.3.5　数控机床的集成安全理念78

2.3.6　状态监测和机床数据采集93

2.3.7　数控显示97

2.3.8　CNC的触摸操作98

2.3.9　数控系统用户界面的扩展99

2.3.10　安全运行模式选择的

电子钥匙系统102

2.3.11　开放式数控系统104

2.3.12　OPC UA在数控机床中的应用106

2.3.13　成本评估107

2.3.14　现代数控系统的优点109

2.3.15　小结109

2.3.16　本节要点110

2.4　可编程序控制器112

2.4.1　定义112

2.4.2　PLC的发展历史112

2.4.3　PLC的组成和工作原理113

2.4.4　数据总线和现场总线115

2.4.5　PLC的优点118

2.4.6　PLC的编程和文档语言119

2.4.7　PLC 程序120

2.4.8　程序存储器121

2.4.9　PLC、CNC和PC集成122

2.4.10　PLC的选择标准122

2.4.11　小结124

2.4.12　CNC和PLC的列表比较124

2.4.13　本节要点126

2.5　CNC系统对机床组件的影响128

2.5.1　机床配置128

2.5.2　床身129

2.5.3　导轨130

2.5.4　机床外罩131

2.5.5　冷却系统131

2.5.6　排屑系统131

2.5.7　小结131

2.5.8　本节要点132

第3章　计算机数控（CNC）机床的

电气驱动系统133

3.1　CNC机床的驱动调节135

3.1.1　定义135

3.1.2　数控坐标轴的机械结构136

3.1.3　模拟控制137

3.1.4　模拟量调节与数字量调节的比较137

3.1.5　数字量的智能驱动技术138

3.1.6　控制器类型和控制特性140

3.1.7　控制环路增益和Kv因数

（位置环增益）141

3.1.8　前馈控制142

3.1.9　伺服驱动器143

3.1.10　小结146

3.1.11　本节要点147

3.2　CNC机床的进给驱动系统149

3.2.1　进给驱动系统的要求150

3.2.2　进给驱动的类型150

3.2.3　直线电动机的种类155

3.2.4　直线电动机驱动的优缺点156

3.2.5　驱动控制器和CNC系统的连接157

3.2.6　测量传感器158

3.2.7　小结159

3.2.8　本节要点160

3.3　CNC机床的主轴驱动系统161

3.3.1　主轴驱动系统的要求161

3.3.2　主轴驱动的类型162

3.3.3　主轴驱动系统的结构形式162

3.3.4　交流同步电动机的驱动模式164

3.3.5　永磁同步电动机驱动的优缺点165

3.3.6　本节要点165

3.4　CNC机床的驱动系统选型167

3.4.1　方法与步骤167

3.4.2　主轴驱动系统的选型172

3.4.3　小结173

3.5　基于工艺参数的主轴机械设计174

3.5.1　电机的选择174

3.5.2　轴承174

3.5.3　润滑175

3.5.4　加工过程175

3.5.5　工业4.0对主轴的要求179

3.5.6　本节要点180

第4章　数控机床和制造系统183

4.1　数控机床185

4.1.1　加工中心和数控铣床185

4.1.2　数控车床191

4.1.3　数控磨床196

4.1.4　数控齿轮加工机床202

4.1.5　数控钻床和镗床207

4.1.6　数控锯床209

4.1.7　激光加工设备210

4.1.8　冲压机床和冲剪机床215

4.1.9　弯管机床218

4.1.10　数控电火花加工机床220

4.1.11　电子束机床222

4.1.12　水切割机床223

4.1.13　复合机床225

4.1.14　测量和检验设备232

4.1.15　小结234

4.1.16　本节要点235

4.2　增材制造236

4.2.1　引言236

4.2.2　定义237

4.2.3　工艺流程238

4.2.4　增材制造工艺的分类241

4.2.5　几种重要的叠层制造工艺242

4.2.6　增材制造的优点250

4.2.7　应用252

4.2.8　新的方法252

4.2.9　准备工作 254

4.2.10　与生产的结合255

4.2.11　小结256

4.2.12　本节要点256

4.3　柔性制造系统257

4.3.1　定义257

4.3.2　柔性制造单元259

4.3.3　柔性制造系统261

4.3.4　柔性制造系统的技术特征263

4.3.5　柔性制造系统的应用准则265

4.3.6　加工策略266

4.3.7　设备选型及布局266

4.3.8　工件运输系统267

4.3.9　柔性制造系统对CNC控制器的

要求272

4.3.10　柔性制造系统的主机275

4.3.11　柔性制造系统的经济优势277

4.3.12　柔性制造系统规划中的问题与

风险277

4.3.13　柔性和复杂性279

4.3.14　柔性制造系统的仿真280

4.3.15　生产计划系统283

4.3.16　柔性制造系统的弹性规划284

4.3.17　小结285

4.3.18　本节要点286

4.4　工业机器人及搬运装置288

4.4.1　引言288

4.4.2　工业机器人的定义288

4.4.3　工业机器人的组成289

4.4.4　工业机器人的机械学／

运动学结构289

4.4.5　夹持器或末端执行器290

4.4.6　控制器291

4.4.7　机器人的安全技术293

4.4.8　编程295

4.4.9　传感器296

4.4.10　工业机器人的应用案例297

4.4.11　机器人与机床的连接298

4.4.12　具有CNC功能需求的机器人299

4.4.13　工业机器人的应用标准300

4.4.14　总结与展望301

4.4.15　本节要点302

4.5　高能效经济型生产303

4.5.1　引言303

4.5.2　能效的定义303

4.5.3　车间303

4.5.4　机加工车间303

4.5.5　加工中心的节能特征304

4.5.6　数控程序的节能措施305

4.5.7　机床制造商的节能潜力305

4.5.8　用户的节能潜力305

4.5.9　无功电流补偿307

4.5.10　小结309

4.5.11　展望309

4.5.12　本节要点309

第5章　数控加工刀具311

5.1　刀具的结构313

5.1.1　引言313

5.1.2　技术要求313

5.1.3　刀具的分类315

5.1.4　机床端刀具夹头319

5.1.5　模块化刀具系统322

5.1.6　可调刀具323

5.1.7　螺纹铣削325

5.1.8　专用刀具327

5.1.9　刀具的选择331

5.1.10　本节要点331

5.2　刀具的管理333

5.2.1　引言333

5.2.2　刀具管理的评估334

5.2.3　技术规范334

5.2.4　解决方案的评定335

5.2.5　刀具管理的引入335

5.2.6　组成335

5.2.7　集成335

5.2.8　刀具的识别336

5.2.9　刀具的查询337

5.2.10　刀具的分类337

5.2.11　刀具部件337

5.2.12　刀具的总成338

5.2.13　刀具列表339

5.2.14　工序339

5.2.15　刀具的预调340

5.2.16　刀具的物流341

5.2.17　刀具的电子识别342

5.2.18　小结347

5.2.19　本节要点347

5.3　在线工件测量和过程控制349

5.3.1　引言349

5.3.2　过程控制的切入点349

5.3.3　工件和刀具测量系统的应用范围350

5.3.4　机床的工件测量系统352

5.3.5　本节要点357

5.4　批量生产中集成于机床的

工件测量358

5.4.1　简介358

5.4.2　孔测量头快速完成测量358

5.4.3　用于表面自动测试粗糙度的

测量设备359

5.4.4　使用数字量和模拟量进行数据采集的

DIGILOG测量探头360

5.4.5　通过同步测量获得最高的生产率362

5.4.6　小结362

5.4.7　本节要点362

5.5　基于激光技术的刀具监控364

5.5.1　引言364

5.5.2　破损检测365

5.5.3　单切削刃的监控365

5.5.4　刀具测量365

5.5.5　高速切削刀具的测量366

5.5.6　组合式激光测量系统366

5.5.7　小结367

5.5.8　本节要点367

第6章　NC程序及编程369

6.1　NC程序371

6.1.1　定义371

6.1.2　NC程序的结构371

6.1.3　程序的组成、语法和语义372

6.1.4　辅助功能（M指令）373

6.1.5　坐标信息374

6.1.6　准备功能（G功能指令）375

6.1.7　加工循环377

6.1.8　零点和参考点386

6.1.9　转换390

6.1.10　刀具补偿393

6.1.11　DXF文件转换395

6.1.12　CNC高级编程语言398

6.1.13　小结400

6.1.14　本节要点401

6.2　NC机床的编程402

6.2.1　NC编程的定义402

6.2.2　编程方法402

6.2.3　基于CAM的数控切削

加工策略407

6.2.4　图形辅助编程411

6.2.5　编程系统的选择412

6.2.6　小结413

6.2.7　本节要点414

6.3　NC编程系统415

6.3.1　引言415

6.3.2　变化中的加工方法415

6.3.3　根据应用范围确定优先级417

6.3.4　不同来源的数据输入418

6.3.5　现代NC编程系统（CAM）的

功能范围418

6.3.6　高级的数据模型418

6.3.7　面向CAM的几何元素处理418

6.3.8　高效加工策略419

6.3.9　自适应加工420

6.3.10　三维模型提供更多信息420

6.3.11　三维数据接口421

6.3.12　特征技术的创新421

6.3.13　NC编程的自动化422

6.3.14　刀具424

6.3.15　装夹方案及顺序的确定424

6.3.16　仿真的重要性426

6.3.17　后置处理器426

6.3.18　生成的数据与机床间的接口426

6.3.19　小结426

6.3.20　本节要点426

6.4　加工仿真428

6.4.1　引言428

6.4.2　系统的定性区分428

6.4.3　仿真场景中的组件430

6.4.4　NC仿真的流程433

6.4.5　集成的仿真系统434

6.4.6　应用领域435

6.4.7　小结437

6.4.8　本节要点438

第7章　从企业信息化到

工业4.0439

7.1　直接数字控制或分布式

数字控制441

7.1.1　定义441

7.1.2　DNC的任务441

7.1.3　DNC系统的应用准则441

7.1.4　与CNC控制器的数据通信442

7.1.5　程序的访问调用技术443

7.1.6　DNC系统443

7.1.7　用于DNC的网络技术444

7.1.8　网络应用的优点445

7.1.9　NC程序的管理445

7.1.10　DNC的优点448

7.1.11　DNC的成本和经济性449

7.1.12　DNC的现状和发展趋势449

7.1.13　小结450

7.1.14　本节要点450

7.2　局域网452

7.2.1　引言452

7.2.2　局域网453

7.2.3　信息的定义453

7.2.4　局域网的特征与属性454

7.2.5　网桥和网关458

7.2.6　局域网的选择标准459

7.2.7　接口459

7.2.8　小结462

7.2.9　本节要点463

7.3　数字化产品的研发和制造：

从CAD、CAM到PLM464

7.3.1　引言464

7.3.2　概念和发展史464

7.3.3　数字化产品的研发468

7.3.4　数字化制造472

7.3.5　小结475

7.3.6　本节要点476

7.4　工业4.0477

7.4.1　基础477

7.4.2　工业4.0的核心元素477

7.4.3　制造业中的工业4.0483

7.4.4　制造执行系统是工业4.0的

重要组件483

7.4.5　工业4.0的挑战与风险485

7.5　数控机床领域的数字化之路487

7.5.1　社会变革的影响487

7.5.2　数控加工工艺的数字化489

7.5.3　机床的数字孪生495

7.5.4　数控机床的传感器技术是工业4.0

的前提条件498

7.6　中型制造业企业中的工业4.0503

7.6.1　工业4.0的前提503

7.6.2　工业4.0的优势503

7.6.3　信息物理系统和物联网505

7.6.4　工业4.0的16个案例505

7.6.5　工业4.0的一个工作日509

7.6.6　小结510

第8章　附录513

8.1　准则、标准和建议515

8.1.1　VDI 准则515

8.1.2　VDI/NCG准则517

8.1.3　德国工业标准（DIN）518

8.2　NC专业词汇522

8.3　缩写词汇574

8.4　关键词索引577

8.5　推荐的NC文献600

原书前言

数控辅助制造技术在当今已成为全球生产的支柱。已具有高度自动化的制造业在互联网技术的帮助下，变得更加有效。因此，任何正在或想要在切削加工或增材加工制造技术领域工作的人员都必须拥有扎实的数控技术基础知识，必须了解数控机床的各个组件如何运作，以及它们如何影响整个系统、影响被加工工件的质量，以及影响最后的生产盈利。

数字化正在改变生活的各个领域，包括制造业。工业 4.0 一词是在全球工业制造领域中应用互联网技术的代名词。即使是对数控辅助制造系统的规划，都始于机床制造商和用户之间复杂的沟通，其重点往往不在于是否完全自动化，而是寻找技术上合适的、生产效益高的和经济性好的解决方案。为此，良好的术语知识是必不可少的。此外，还要求能够实际使用这项技术所提供的广泛可能性。加工的规划、设计和设备调试过程都是由数字工具来支持的。作为项目规划的结果，机床制造商开发了其机床系列的数字孪生技术，从而可以更灵活地响应客户的需求。利用数字孪生技术，用户几乎可以完整地准备好自己的生产，而不必为此占用真正的机器来进行非生产性任务。

尽管由于越来越多的数字化和人工智能的应用，数控机床的制造和使用过程中的常规任务正在逐渐消失，但仍然需要高素质的人员来开发、规划和完善合适的解决方案，并在这个过程中始终重视后续的盈利性。在用户方面，包括操作员和程序员以及负责操作、维护和维修的专业人员。他们扎实的专业知识和对各方面相互作用的理解是确保这种制造生产系统始终正常运作和盈利的先决条件。

我们把本书奉献给希望具备这些高素质的人员。

三位编写者都是工程师和专业作家，他们在数控机床和控制的研发、FMS 规划、 CNC/CAD/CAM 技术的应用、网络和自动化应用方面，以及对管理人员、工业技术人员和学生的培训以及教学方面有多年的跨专业的经验。

译 者 序

数控机床及数控加工技术是制造业的“母机”和使能技术。数控技术从它诞生到现在的60多年里，从硬件数控到计算机数控，从单工艺技术到多轴联动的复合及混合加工技术，从单机独立制造到柔性制造系统得到了持续不断的发展。在德国工业4.0和中国制造 2025背景下，数控机床不仅作为加工设备，同时也是智能化的数据来源及信息处理节点，在现代加工技术中起着重要的作用。

《数控技术及应用指南》一书经历了40多年的不断地修订和完善，本次翻译版是原书的第31版，作者在《数控技术及应用指南2015/2016》版的基础上又对其内容进行了实时的更新和充实，增加了在工业4.0下的数控技术的发展，体现了高度严谨和务实的德国精神。此次再版主要更新了以下内容：

在第2章中增加了“测量仪器的简单诊断”（2.1.5节）的内容，更新了“刀具的位置编码”（2.2.5节）的内容，增加了“状态监测和机床数据采集 ”（2.3.6节）、“CNC的触摸操作”（2.3.8节）、“OPC UA在数控机床中的应用”（2.3.12节）等内容；在第3章中增加了“CNC机床的驱动调节”（3.1节）的详细内容，增加了“主轴驱动系统的选型”（3.4.2节），增加了“工业4.0对主轴的要求”（3.5.5节）的内容；在第4章中补充了“增材制造”（4.2节）的内容；在第5章中增加了“批量生产中集成于机床的工件测量”（5.4节）的内容；优化了“基于激光技术的刀具监控”（5.5节）的内容；在第7章中增加了“数控机床领域的数字化之路”（7.5节），介绍了数字化孪生技术，增加了“中型制造业企业中的工业4.0”（7.6节），阐述了信息物理系统和工业4.0。

本书图文并茂，不仅清晰地阐述了数控原理、功能和应用，而且对近年来的数控技术的最新概念和发展进行了广泛的介绍。本书既可以用于数控技术的基础培训，也可以作为实际应用中技术指导的工具书，同时对扩展数控技术专业视野和从事相关研究也具有极大的参考价值。

本书的翻译工作是在机械工业出版社积极推荐和大力支持下完成的。主要译者为同济大学机械与能源工程学院中德机械工程中心的林松教授和樊留群教授，天津大学机械工程学院邢元副教授，西门子（中国）有限公司数字化工业集团运动控制部数字化推广专家胡大为工程师，其中林松教授和邢元副教授负责第1～4章的翻译和审校，樊留群教授负责第5～8章的翻译和审校，最后由胡大为工程师从工业实际应用的角度对全书进行了细致的审读、修改和补充。除此之外，参加本书初稿翻译、文字整理和插图编排工作的还有中德机械工程中心的研究生（按姓氏拼音排序）刘琛、李文文、沈钦、吴杰、徐怀安、姚文华、郑皓、张鑫、张越，在此一并表示衷心感谢！

尽管翻译团队在给定的时间内做了最大努力，根据德文专业语言的特点，力求直译和意译的高度统一，但在本书的翻译过程中难免还存在不足之处，我们期待广大读者的任何建议、意见和看法，以便在今后的翻译中提升翻译质量。

译　者　

2022年8月