《数控技术实验原理及实践指南/普通高等教育“十二五”规划教材》是高等工科院校本科生数控技术课程的实验教材，主要内容分为两部分：基础实验和创新实验。基础实验部分安排8个实验，采用实验指导书的形式，包括实验目的、实验原理、实验仪器操作方法、实验步骤、实验观察与思考、实验报告要求等。创新实验部分安排3个实验，是课程实验的补充及提高，供学有余力及对数控技术有浓厚兴趣的学生选做。创新实验教材采取实验介绍的方式，提供同学必需的知识扩充及各项目目前已有的实验基础，启发学生在此基础上提高、改进实验或凝练成新的实验课题。创新实验部分包括知识扩充、实验介绍及思考提示等。
《数控技术实验原理及实践指南/普通高等教育“十二五”规划教材》可供四年制机械工程及自动化和车辆工程专业本科生选用，也可以作为研究生实验和数控技术培训实验教材。本教材可供相关专业教师和研究生参考，亦可作为高级数控加工技工的自修教材。
数控技术发展迅速，不断融合计算机技术、网络技术、自动控制技术和伺服驱动技术等，已成为机械制造业的关键技术。国内数控技术方面的教材很多，但有关数控技术实验方面的教材并不多见；而且大多数数控技术实验受限于学时及设备，以数控加工编程为主。根据作者多年的数控实验教学经验，目前国内急需涉及数控技术原理和系统开发应用方面的实验教材，这正是我们编写这本教材的动力。
本教材为西安交通大学本科“十二五”规划教材，西安交通大学“985”工程三期重点建设实验系列教材。
本教材是根据西安交通大学2010版教学计划，配合梅雪松教授主编的《机床数控技术》课程教材编写。教材突出2010版教学计划重实践的要求，以培养学生工程实践创新能力为目标，以实践创新能力的渐进式培养为特点，结合作者多年在数控加工、数控机床改造和数控技术应用实验方面的经验，在原有数控技术实验的基础上，增加CAD／CAM软件应用及自动编程、开放式数控系统构建及分析、主轴变频调速及伺服电动机参数优化、数控机床误差测量及补偿以及齿轮数控加工等基础实验，数控机床改造及系统调试、五轴联动加工技术、PID及磁悬浮控制等创新开放实验。实验教材基本涵盖了机床数控技术的主要实践内容，在内容和体系上都有一定的创新，是数控技术课程改革的一次尝试。
本教材在编写中以实验项目为主线，以指导实验设备应用为基础，以帮助学生理解实验原理为重点，以培养并提高学生数控技术实践能力为目标，力求结构新颖，原理清晰，讲解详细，步骤清楚，使读者能顺利将理论学习与实践技能融为一体。
为便于实验安排及教材编写，将实验分为基础实验及创新实验两部分。
基础实验部分注重于数控技术基本原理和基本理论的验证，要求学生必做，每个实验以2学时为单元，占用课内16学时。由于数控齿轮加工机床的特殊性，实验八亦可安排为选做。创新实验部分则重在开拓学生视野，扩展学生数控技术实践的空间，是课程实验的补充及提高，供学有余力及对数控技术有浓厚兴趣的学生选做。创新实验部分采用开放方式运行，学生自选实验，自行安排时间（一般每周课外安排2学时），自愿成组（4~6人），每个实验拟在32学时内完成为宜。亦可结合CDIO（Conceive、De-sign、Implement，Operate）工程教育模式进行安排。
本教材在梅雪松教授指导下，由多位教师及实验人员参与编写，并经过实际验证，进行了补充和修改。基础实验部分实验一、实验六、实验七由徐学武编写，实验二、实验三由孙挪刚编写，实验四由李晶编写，实验五由姜歌东编写，实验八由马振群编写。创新实验部分中，实验九、实验十由徐学武编写，实验十一由张东升、姜歌东编写，李晶参加了实验十的编写。本教材由徐学武任主编，姜歌东任副主编。此外，邹创、申建广、赵伟刚等也参加了部分编写工作。
中北大学王爱玲教授审阅了本书，并提出许多宝贵意见及建议，在此表示衷心的感谢。
由于编者水平所限及时间仓促，错漏之处恳请读者批评指正。
编者
前言
基础实验部分
实验一 典型数控机床的结构分析及操作
实验二 数控铣床手工编程及加工
实验三 插补程序编制及仿真
实验四 基于运动控制器的开放式数控系统构建及分析
实验五 主轴变频调速及伺服电动机参数优化
实验六 CAD/CAM软件应用及自动编程
实验七 数控机床误差测量及补偿
实验八 齿轮数控加工
创新实验部分
实验九 五轴联动加工技术及加工方法
实验十 数控机床改造及系统调试
实验十一 磁悬浮小球装置及控制系统开发与调试
参考文献
（二）伺服优化方法简介
伺服进给系统PID参数整定方法一般可以分为理论整定和工程整定两类。在实际应用中，由于系统误差、现场条件变化（例如干扰、负载变化）等因素的存在，理论整定法的效果并不理想。因此，伺服进给系统PID参数整定一般采用工程整定方法。
用工程整定法进行数控机床伺服参数调试时，一般采用先速度环、再位置环这样的次序。在位置参数调试完成后，还可以再次微调速度环参数，以进一步提高系统动态特性。
（1）速度环参数调节速度环控制器参数包括：速度环增益、速度环积分时间常数和转矩滤波器参数。其中速度环增益、速度环积分时间常数直接影响到轴的动态响应，转矩滤波器参数影响着系振动性能的优劣。
在机床能够正常运行的情况下使增益尽量大、积分时间尽量小，以扩展频带宽度。一般情况下调整过程为：先将速度环积分时间调到最大，使积分环节失效；然后逐渐增加速度环增益，直至电动机啸叫或有较为明显的振动；速度环增益调节完毕后，减小速度环积分时间值以突出积分环节的效果、消除稳态误差，最终使频率响应Bode图上的最高点不超过3dB。
当低频处的频率响应较差时，可以采用低通滤波使低频段频率特性稳定；速度环增益增大的同时，频率响应会在某些频率处产生较大的峰尖，通过转矩滤波器可以将这些峰尖屏蔽掉。由于滤波器的使用相当于给系统增加了非线性环节，造成了系统的迟滞，从而引起系统较大的跟随误差和轮廓误差，因此应该尽可能少用滤波器。
（2）位置环参数调节位置环对系统的位置控制精度有着重要的影响，位置环控制器一般为比例环节。高的位置环增益对系统的跟随误差有着较好的抑制效果，可以提高系统频响特性的带宽、提高整个进给系统的伺服刚度；但是如果位置环增益过大，也会产生进给轴过冲，造成机床的振动，因此需要合理调节。
位置环增益可以通过系统频率响应的Bode图来调节，调节中应遵循以下原则：当振幅响应低于0dB时，增大比例增益；当振幅响应高于0dB时，减小比例增益；最终使在较宽的频率范围内振幅响应为0dB，而在部分点振幅响应的极值在1～3dB。
如果在完成了上述参数调整后，伺服进给系统的跟随误差仍旧比较大，可以在位置环中加入速度前馈和在速度环中加入加速度前馈来降低跟随误差。
另外，为了达到良好的轮廓精度，要进行伺服跟踪或圆运动测试，保证各个联动轴的位置环增益相互匹配。
（三）数控机床动态特性测试仪原理
数控机床动态特性测试仪是一款集数据采集及分析、处理功能于一体的工业现场监测系统，主要用于数控机床进给系统动态特性、数控机床主轴轴心轨迹、数控机床振动特性的测试和分析。可以实现对数控机床加工过程的动态特性的监测、分析，提供数控机床工作状态监测信息，为用户进行故障诊断与预警提供重要参考数据。
本实验主要测试Mx-3开放式数控系统实验台伺服进给电动机的伺服参数匹配性。电动机伺服匹配实验测量原理如图5-2所示。图中编码器反馈TTL信号反映了各个伺服电动机的运动信息，因此可以利用编码器反馈信号来匹配各个电动机的伺服参数。
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