机械工程师资格考试培训资料

1、第七部分 数字控制技术及机械制造自动化机械工程师资格考试培训7.1 数字控制技术和数控机床考核知识点： 了解计算机功能、组成和工作流程 了解数控（NC Numerical Control ）、计算机数控（CNC Computer Numerical Control ）的基本概念、系统构成及工作流程 了解可编程逻辑控制器（PLC）的基本概念、系统构成、工作流程 熟悉数控机床的特点及分类 熟悉数控机床加工程序的编制及可编程控制器（PLC）编程7.1.1 计算机功能 计算机能自动、高速进行大量运算，是一种用数字式信息进行加工处理的电子机器。7.1.2 计算机组成 计算机系统由硬件系统和软件系统两大部

2、分组成。计算机硬件系统主要由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五个部分组成；计算机软件系统主要由系统软件和应用软件组成。其中，计算机硬件系统是计算机系统的基础。7.1.2 计算机组成（续）计算机系统硬 件 系 统软 件 系 统主 机中 央 处 理 器 CPU内 存 储 器运 算 器控 制 器外 围 设 备外 存 储 器输 入 设 备输 出 设 备系 统 软 件操 作 系 统语 言 编 译 解 释 系 统系 统 服 务 程 序数 据 库 管 理 系 统应 用 软 件程 序 设 计 语 言文 字 处 理 软 件 7.1.2 计算机组成（续） 计算机硬件组成输 入 设 备存 储 器输 出 设

3、 备运 算 器控 制 器数 据 流控 制 流7.1.2 计算机组成（续） 计算机硬件的主要技术指标1.字长：指计算机能并行传送的最大二进制位数。常见的字长有8位、16位、32位、64位等。 字长越长，运算精度就越高。2.存储容量：常用的容量单位是MB和GB，现在发展为TB。B是字节，也就是8个二进制数位，一个二进制数位为1bit。3.运算速度：用来衡量计算机性能好坏的一项指标。运算速度单位是MIPS（million instruction per second ）。4.CPU时间：指执行程序占用CPU的时间。5.执行时间：也称经过时间、响应时间。执行时间包括：CPU时间、缓存等待时间、输入/输

4、出传输时间。7.1.2 计算机组成（续） 计算机软件组成1. 控制物（机器）语言和监控程序；2. 操作系统；3. 数据库、算法语言和标准程序库；4. 应用程序。7.1.3 计算机工作流程 计算机的工作过程是将计算机数据、程序及各种字符信息输入到存储器中转化为只能识别“0”和“1”的语言，并从存储器中取出这些指令。接着由控制器中的译码器对指令操作部分进行识别、将识别结果向计算机各部分发出控制信号，执行规定的操作。最后由输出设备（如显示器、伺服驱动系统、PLC等）实现各种图形显示、动作控制等。（冯.诺依曼计算机）7.1.3 计算机工作流程（续） 美籍匈牙利科学家冯诺依曼（John von Neum

5、ann）奠定了现代计算机的基本结构。按照冯诺依曼存储程序的原理，计算机在执行程序时必须先将要执行的相关程序和数据放入内存储器中，在执行程序时CPU取出指令并执行，然后再取出下一条指令并执行，如此循环下去直到程序结束指令时才停止执行。其工作过程就是不断地取指令和执行指令的过程，最后将计算的结果放入指令指定的存储单元中。 7.1.2 数控机床 数控机床是一种由计算机控制的自动化设备。数控机床主要由三部分组成：1. 主机（含传动装置和辅助装置）2. 数控系统（含数控装置和伺服装置）3. 数控程序7.1.2 数控机床（续） 数控机床运动控制方式1. 开环控制系统2. 闭环控制系统，有位置反馈装置，反馈

6、装置装在机床执行件上。3. 半闭环控制系统，有位置反馈装置，但位置反馈装置装在伺服传动链中的某些环节（如伺服电机）上测定其转角。4. 复合系统控制。是在开环系统的基础上附加了位置检测装置和误差补偿回路的驱动系统7.1.3 数控(NC)和计算机数控（CNC）系统的构成、工作原理和功能 数控（NC Numerical Control）装置是数控装备的控制核心。通常由一台专用计算机、信息输入和伺服系统组成。见书图7.1-5 数控（NC）装置的工作过程是：将信息、程序通过专用计算机的输入装置，由控制器中的译码器对输入的信息进行识别，将识别结果向专用计算机的输出装置发出控制信号，执行规定的操作。最后由输

7、出装置实现对伺服系统的数据输出，实现对伺服系统的控制。 从本质上将数控（NC）装置所具有的功能都是采用专用的硬件电路来实现的，因此也称为硬件数控装置。而CNC装置被称为软件数控装置。7.1.3 数控(NC)和计算机数控（CNC）系统的构成、工作原理和功能（续） 以小型通用计算机或微型计算机的系统控制程序来实现部分或全部数控功能，称为CNC（Computer Numerical Controller），已成为主流控制系统。 CNC的组成与计算机一样包括：硬件、软件。 硬件装置：由CPU、存储器、总线、输入/输出接口、MDI/CRT接口、位置控制、通信接口等 软件：管理软件和控制软件7.1.3 数

8、控(NC)和计算机数控（CNC）系统的构成、工作原理和功能（续） CNC装置的主要功能 控制功能 准备功能-G功能 辅助功能-M功能 插补功能-G01、G02、G03 固定循环加工-G代码控制循环过程 进给功能F代码 用户宏程序功能- 主轴功能-S代码 补偿功能-G代码实现 工具功能-T代码7.1.4 CNC控制程序编制 步骤：1. 分析零件图样2. 确定工艺过程3. 数值计算4. 编写程序5. 程序校验及首件试切7.1.4 CNC控制程序编制 机床坐标右手笛卡尔坐标系7.1.4 CNC控制程序编制 约定 按照国际标准，以机床主轴（刀具主轴或工件主轴）轴线重合的方向作为Z轴 工件坐标系与程序原

9、点。编程时一般选择工件上的某一点作为程序的原点，并以这个原点作为坐标系的原点，建立一个新的坐标系，这个坐标系就是所谓的工件坐标系 机床坐标系与机床原点。其坐标和原点视机床的种类和结构而定。机床原点在机床一经设计和制造出来便被确定下来。 绝对坐标系与相对坐标系（增量坐标系）7.1.5 可编程逻辑控制器（PLC） 可编程逻辑控制器（PLC），也称为PC、PMC等。它是个基于计算机技术制造的通用自动控制设备，是一种数字运算操作的电子系统，使用特殊语言的专用微型计算机。 PLC的主要特点：1.可靠性高。消除传统的继电器控制系统元件多、接线复杂、故障率高的缺陷；2.编程简单。采用梯形图编程；3.结构紧凑

10、。实现“机-电-仪”一体化；4.直接带负载能力强。与开关、执行器件直接连接，不必另加接口。7.1.5 可编程逻辑控制器（PLC）（续） PLC实际上是一种专用的计算机。具有硬件和软件 硬件：CPU、存储器、输入/输出模块、通信接口、编程器等。 按结构形式不同，PLC主要分为整体式和模块式7.1.5 可编程逻辑控制器（PLC）（续） 整体式PLC是将中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、电源、外设I/O接口（通信接口）等组成一体，构成主机。CPU是PLC的核心，I/O单元是连接CPU与现场设备之间的接口电路 模块式PLC是将CPU单元、输入单元、输出单元、智能I/O单元、通信单元等分

11、别制作成相应的电路板或模块，各模块插在底板上，模块之间通过底板上的总线相互联系。7.1.5 可编程逻辑控制器（PLC）（续） PLC基本工作原理 中央处理器和存储器是PLC的核心，当程序装入存储器后，系统处于正常运行时，编程器可以取消。PLC按照顺序控制方式，对输入变量、控制逻辑变量进行扫描，完成每一指令操作。 顺序控制系统分为：时间驱动和事件驱动。7.1.5 可编程逻辑控制器（PLC）（续） PLC的主要性能指标1. 存储容量2. I/O点数3. 扫描速度4. 指令的功能与数量5. 内部元件的种类和数量，越多PLC能力越强。6. 特殊功能模块7.1.5 可编程逻辑控制器（PLC）（续） PL

12、C用的梯形图是严格二维的，不容许有交叉线，触点不能放置在垂直位置上。7.2 机械制造自动化 考核知识点：1. 了解机械制造自动化的技术内容及其发展；2. 了解各类形式自动化技术的特点和使用场合；3. 了解机械制造自动化设备；4. 了解各类机械制造柔性自动化系统特点；5. 了解物流（传输、搬运）、工业机器人的概念、功能和自动化设备的类型；6. 了解信息自动化的概念、功能及信息处理设备；7. 了解管理自动化的含义及自动化基础7.2.1 机械自动化技术及其发展 自动化技术就是实现作业过程的自动化完成而无需或只需极少的人工参与的技术； 机械制造自动化技术的发展已经经历了三个阶段：1. 刚性自动化2.

13、柔性自动化3. 综合自动化7.2.1 机械自动化技术及其发展（续） 现代机械制造自动化的技术内容涵盖四个主要方面：1. 加工作业自动化（主要取决于设备自动化）2. 物流自动化3. 信息流自动化4. 管理自动化7.2.2 机械制造自动化设备刚性自动化加工设备1.普通自动化机床（单一品种，大批量生产）2.组合机床（通用部件主要有五大类：动力头部件、支承部件、输送部件、控制部件和辅助部件）3.刚性自动线柔性自动化加工设备1.数控机床2.加工中心3.复合机床机械制造柔性自动化系统1.群控机床（DNC直接数控系统）2.柔性加工单元（FMC），是加工中心配上工件托盘库及托盘自动交换装置的加工设备3.柔性生

14、产线（FML）4.柔性制造系统（FMS）7.2.3 物流自动化 物流是指物料从输入制造自动化系统起随着制造过程逐步变成最终产品（或制成品），并由系统输出的整个流动过程。这个过程所需的设备（包括物料装卸机、物料传送机、物料存储设施、物料检测）和控制软件等所组成的系统称为物流系统。 物流系统三个功能：1. 上、下料/装卸功能2. 传输/搬运功能3. 存储功能物流自动化设备分类上、下料上、下料/装卸自动化设备装卸自动化设备1.起重和托盘交换装置2.机械手3.工业机器人4.自动供料器5.振动上料器传输传输/搬运自动化设备搬运自动化设备1.自动导向小车（AGV）2.机械传输装置存储自动化设备存储自动化设

15、备1.自动化立体仓库2.堆垛机3.刀库4.托盘库7.2.4 信息自动化 信息是人们对客观世界的认识并能传送被他人所感知的物质表示。 信息系统的基本功能是信息采集/输入、信息处理、信息传输、信息储存和管理、信息控制和输出等。 见图7.2-17 信息流/系统框图信息存储 高速缓冲存储器，CPU和主存储器之间，储量小，存取速度快； 主存储器，内存。由芯片组成。主要形式有：随机存储器（RAM）、可编程存储器（PROM）、只读存储器（ROM）、可擦除可编程存储器（EPROM） 辅助存储器，俗称外存。硬盘、移动硬盘、光盘、U盘等。7.2.5 管理自动化含义及基础管理的职能主要是计划、组织、领导、控制。管理

16、的内容主要是计划目标、信息和资源（含人员、资金、设备和物资）。管理自动化的核心是管理信息自动化。管理信息自动化的基础是基层作业自动化。软件主要有：决策支持（DSS Decision Support System ）和制造资源计划（MRP-II Manufacturing Resources Planning）MRP-II 是管理与设计、制造相联系的重要枢纽，也是CIMS信息集成的核心环节。实施MRP-II的关键因素包括：计算机系统技术、数据和企业各级人员7.3 计算机辅助设计（CAD） 考核知识点： 熟悉计算机绘图基本知识，Auto CAD软件的基本功能、基本图形绘制、图形属性设置、精确绘图及

17、尺寸标注、文件输出操作 熟悉用AutoCAD绘制二维图形7.3.1 计算机辅助设计（CAD）功能、组成和应用 功能：工程设计？工程设计是一个包括设计需求分析、概念设计、设计建模、设计分析、设计评价和设计表示的人类作业过程。 组成：软件和硬件。硬件：见P411图7.3.2，软件：系统软件、支撑软件（CAD软件系统的核心）、应用软件。 应用：1、绘制平面、立体模型；2、建立图形及符号库；3、参数化设计；4、造型分析；5、生成设计文档及报表。7.3.2 零件图的CAD绘制过程1. 创建绘图环境2. 绘制视图3. 标注零件尺寸4. 标注技术要求5. 添加技术要求和标题栏7.4 CAPP、CAM、CAE

18、、CIMS 考核知识点 了解CAPP、CAM、CAE、CIMS的基本概念、功能和工作流程7.4.1 CAPP 计算机辅助工艺规程设计（CAPP Computer Aided Process Planning）,是指工艺人员借助于计算机，根据产品制造工艺要求，交互地或自动地确定产品加工方法和方案，如加工方法选择、工艺路线确定、工序设计等。7.4.1 CAPP基本功能和应用1. 检索标准工艺文件2. 选择加工方法3. 安排加工路线4. 选择机床、刀具、夹具、量具5. 选择装夹方式和装夹表面6. 优化选择切削用量7. 计算加工时间和加工费用8. 确定工序尺寸和公差并选择毛坯9. 绘制工序图及编写工序

19、卡7.4 .2 CAM 计算机辅助制造（CAM Computer Aided Manufacturing）是指借助计算机来完成从生产准备到产品制造出来的过程中的各项活动。 CAM可分为计算机监视与辅助制造应用两类。计算机监视与控制是直接的应用；辅助制造的应用是间接的应用。7.4.3 CAE 计算机辅助工程分析（CAE Computer Aided Engineering）,在三维实体建模的基础上进行的。7.4.3 CAE 应用领域1. 有限元分析2. 优化设计3. 仿真技术4. 试验模态分析7.4.4 CIMS 计算机集成制造系统（CIMS Computer Integrated Manufa

20、cturing Systems ），也叫综合自动化制造系统。它是计算机在机械制造业中的企业管理；产品、工艺设计和制造过程三个方面获得官方应用的背景下产生的。CAD、CAM集成是CIMS的重要环节。7.5 计算机网络技术 考核知识点： 了解计算机网络技术的基本概念、功能； 了解计算机网络技术在工程中的应用； 了解基本接口技术； 了解无线网络通信概念7.5.1 网络技术概述 网络：将各个孤立的工作站或主机相连在一起，组成数据链路，从而达到资源共享和通信的目的的物理链路。将地理位置不同，具有独立功能的多个计算机异构系统通过网络协议连接起来，实现资源共享的系统称为计算机网络。7.5.2 网络在工程中的

21、应用 计算机网络在工程中应用有两种方式： 分布式控制系统（DCS Distributed Control System） 现场总线控制系统（FCS Fieldbus Control System）,不像DCS一样集中在一个控制器上。 系统更加分散，各部分故障影响耦合性更小。7.5.3 主要工业现场总线 现场总线是一种应用于现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实行双向、串行、多节点通信的通信网络。7.5.4 电路接口技术概述 接口是指系统与外设之间的连接电路。是信息交换的必要通道，接口的主要功能是实现系统总线和I/O设备之间信号传输、缓冲以及时序匹配。 RS-232串行数据通信接口标准；

22、 RS-485串行数据通信接口标准； USB串行数据通信接口标准，是一种快速、双向、同步传输并可热拔插的廉价串行接口，支持多个不同的设备同时连接，不需要单独的供电系统。7.5.5 无线网络通信概念 无线广域网（WWAN Wireless Wide Area Network ） 无线城域网（WMAN Wireless Metropolitan Area Network ） 无线局域网（WLAN Wireless Local Area Network ） 无线个域网（WPAN wireless personal area network ） 低速率无线个域网（LR-WPAN Low-Rate Wireless Personal Area Network ）7.6 计算机仿真、虚拟制造技术、人工智能和专家系统 考核知识点： 了解计算机仿真基本原理、方法及过程，计算机仿真技术的应用； 了解