《材料制造数字化技术基础》课程教学大纲 一、课程基本信息 1、课程代码：MT307 2、课程名称（中/英文）： 中文：材料制造数字化技术基础 英文：Foundation of Digital Technology for Material Processing 3、学时/学分：64学时/4学分（课堂50学时+实验14学时） 4、先修课程：计算机文化基础，计算机编程基础，电工与电子技术，材料科学基础、 材料加工原理 5、面向对象：材料学院本科生 6、开课院（系)、教研室：材料科学与工程学院 7、教材、教学参考书： 1)杨海成，数字化设计制造技术基础，西北工业大学出版社，2007 2)N.P.Mahalik,机电一体化一一原理、概念、应用，科学出版社，2008 3)戴梅萼等，微型计算机技术及应用，清华大学出版社，2008 4)金敏，嵌入式系统组成、原理与设计编程，人民邮电出版社，2006 5)薛迎成，工控机及组态控制技术原理及应用(2版)，中国电力出版社，2011 6)黄石生，孤焊电源及其数字化控制，机械工业出版社，2008 7)王振清，材料工程计算机测控，北京航天航空大学出版社，2004 8)吴亦锋等，PLC及电气控制，电子工业出版社，2012 9)祝常红等，数据采集与处理技术，电子工业出版社，2008 10)胡广书，数字信号处理导论，清华大学出版社，2013 11)张树京等，信息传输技术原理及应用，电子工业出版社，2011 12)李正军，现场总线与工业以太网及其应用技术，机械工业出版社，2011 13)付家才等，现代工业控制基础，哈尔滨工程大学出版社，2003 14)刘立君，材料成形控制工程基础，北京大学出版社，2009 15)陈善本等，智能化焊接机器人技术，机械工业出版社，2006 二、课程性质和任务 本课程属于材料科学与工程专业（本科生）的专业技术基础课。 数字化是材料制造的发展方向之一，数字化技术的应用和推广为材料制造这个传统行业 带来了新一轮发展机遇。材料制造数字化技术是以计算机技术、信号传感技术、信息处理技 术、自动控制和网络技术等为基础的，是材料专业本科生必须掌握的一门专业基础课。 本课程的教学目的是使学生能初步了解数字化技术的特点、现状和发展趋势。了解在材 料制造与加工过程中，各种信息是如何通过计算机及其网络实现数字化采集、处理和传输的， 这些信息又是如何通过输出和转换去控制实际的材料制造和加工过程的，以及在这些过程中 人又是如何与其发生交互作用的，这对于我们更好地学习和应用数字化技术具有重要的指导 意义。 通过本课程的学习，使同学初步掌握数字化技术的基础知识，包括微处理器的基本结构
《材料制造数字化技术基础》课程教学大纲 一、课程基本信息 1、课程代码：MT307 2、课程名称（中/英文）： 中文：材料制造数字化技术基础 英文：Foundation of Digital Technology for Material Processing 3、学时/学分：64 学时/4 学分 (课堂 50 学时+实验 14 学时) 4、先修课程：计算机文化基础，计算机编程基础，电工与电子技术，材料科学基础、 材料加工原理 5、面向对象： 材料学院本科生 6、开课院（系）、教研室：材料科学与工程学院 7、教材、教学参考书： 1) 杨海成，数字化设计制造技术基础, 西北工业大学出版社，2007 2) N. P. Mahalik, 机电一体化――原理、概念、应用, 科学出版社，2008 3) 戴梅萼等，微型计算机技术及应用，清华大学出版社，2008 4) 金敏，嵌入式系统组成、原理与设计编程，人民邮电出版社，2006 5) 薛迎成，工控机及组态控制技术原理及应用(2 版)，中国电力出版社，2011 6) 黄石生，弧焊电源及其数字化控制，机械工业出版社，2008 7) 王振清，材料工程计算机测控，北京航天航空大学出版社，2004 8) 吴亦锋等，PLC 及电气控制，电子工业出版社，2012 9) 祝常红等，数据采集与处理技术，电子工业出版社，2008. 10) 胡广书，数字信号处理导论，清华大学出版社，2013 11) 张树京等，信息传输技术原理及应用，电子工业出版社，2011 12) 李正军，现场总线与工业以太网及其应用技术，机械工业出版社，2011 13) 付家才等，现代工业控制基础，哈尔滨工程大学出版社，2003 14) 刘立君，材料成形控制工程基础，北京大学出版社，2009 15) 陈善本等，智能化焊接机器人技术，机械工业出版社，2006 二、课程性质和任务 本课程属于材料科学与工程专业（本科生）的专业技术基础课。 数字化是材料制造的发展方向之一，数字化技术的应用和推广为材料制造这个传统行业 带来了新一轮发展机遇。材料制造数字化技术是以计算机技术、信号传感技术、信息处理技 术、自动控制和网络技术等为基础的，是材料专业本科生必须掌握的一门专业基础课。 本课程的教学目的是使学生能初步了解数字化技术的特点、现状和发展趋势。了解在材 料制造与加工过程中，各种信息是如何通过计算机及其网络实现数字化采集、处理和传输的， 这些信息又是如何通过输出和转换去控制实际的材料制造和加工过程的，以及在这些过程中 人又是如何与其发生交互作用的，这对于我们更好地学习和应用数字化技术具有重要的指导 意义。 通过本课程的学习，使同学初步掌握数字化技术的基础知识，包括微处理器的基本结构
工控机和PLC的控制原理与特点，材料制造过程中信号的数字化采集、处理、传输的基本 原理和特点，对材料制造和加工过程进行数字化控制的基本方法。通过典型的应用实例，熟 悉基本的数字化控制系统设计的方法和技巧，提高学生的数字化技术应用能力和科研能力。 课程主要内容包括：数字化的概念，数字化制造的特点、发展趋势和基本内容，微处理 器的基本结构、工控机和PLC的控制原理与特点，以及材料制造过程中信号的数字化采集、 处理、传输的基本原理和特点，材料制造和加工过程中进行数字化控制的基本方法和理论基 础，最后通过几个典型的材料制造数字化系统集成范例，展示相关的数字化技术在材料制造 中的应用，以便读者对材料制造过程中的数字化技术有一个更全面的认识。 三、教学内容和基本要求 第一章材料制造数字化技术概述 1、知识点群 数字化技术的概念和特点，数字化制造的基本内容、发展过程、数字化在现代制造业中 的地位、发展趋势，数字化控制系统的基本类型和典型特征。 2、教学内容 第一节数字化的概念 (1)何谓数字化 (2)数字化的意义 (3)数字化的特点 第二节数字化制造的基本内容 (1)何谓数字化制造技术 (2)数字化制造的发展过程 (3)数字化制造的基本内容 (4)材料制造中的数字化技术 第三节数字化在现代制造业中的地位 (1)制造业与制造技术 (2)制造业与信息技术 (3)数字化制造的三个层面 (4)数字化制造的发展趋势 第四节数字化控制系统 (I)CNC控制系统 (2)PLC控制系统 (3)工控机组态控制系统 (4)嵌入式控制系统 (⑤)分布式控制系统 (⑥)现场总线控制系统 3、教学安排及教学方式（课堂教学总学时数4） 教学方式 课堂讲授 课堂讨论 小组大作业 作业 自学 其他（请注明） 学时数 4 4、教学目标 了解数字化技术与数字化制造的基本概念、发展过程及其特点，数字化制造的基本内容、 数字化控制系统的基本组成，及其在材料科学与工程领域中的应用
工控机和 PLC 的控制原理与特点，材料制造过程中信号的数字化采集、处理、传输的基本 原理和特点，对材料制造和加工过程进行数字化控制的基本方法。通过典型的应用实例，熟 悉基本的数字化控制系统设计的方法和技巧，提高学生的数字化技术应用能力和科研能力。 课程主要内容包括：数字化的概念，数字化制造的特点、发展趋势和基本内容，微处理 器的基本结构、工控机和 PLC 的控制原理与特点，以及材料制造过程中信号的数字化采集、 处理、传输的基本原理和特点，材料制造和加工过程中进行数字化控制的基本方法和理论基 础，最后通过几个典型的材料制造数字化系统集成范例，展示相关的数字化技术在材料制造 中的应用，以便读者对材料制造过程中的数字化技术有一个更全面的认识。 三、教学内容和基本要求 第一章 材料制造数字化技术概述 1、知识点群 数字化技术的概念和特点，数字化制造的基本内容、发展过程、数字化在现代制造业中 的地位、发展趋势，数字化控制系统的基本类型和典型特征。 2、教学内容 第一节 数字化的概念 (1) 何谓数字化 (2) 数字化的意义 (3) 数字化的特点 第二节 数字化制造的基本内容 (1) 何谓数字化制造技术 (2) 数字化制造的发展过程 (3) 数字化制造的基本内容 (4) 材料制造中的数字化技术 第三节 数字化在现代制造业中的地位 (1) 制造业与制造技术 (2) 制造业与信息技术 (3) 数字化制造的三个层面 (4) 数字化制造的发展趋势 第四节 数字化控制系统 (1) CNC 控制系统 (2) PLC 控制系统 (3) 工控机组态控制系统 (4) 嵌入式控制系统 (5) 分布式控制系统 (6) 现场总线控制系统 3、教学安排及教学方式（课堂教学总学时数 4） 教学方式 课堂讲授 课堂讨论 小组大作业 作业 自学 其他（请注明） 学时数 4 1 4、教学目标 了解数字化技术与数字化制造的基本概念、发展过程及其特点，数字化制造的基本内容、 数字化控制系统的基本组成，及其在材料科学与工程领域中的应用
第二章数字化技术基础 1、知识，点群 数制及其转换、数字逻辑、门电路、微处理器概念、微处理器基本结构、通用高性能微 处理器、嵌入式微处理器、特点、分类与发展趋势。 2、教学内容 第一节数字逻辑基础 (1)数制、转换与编码 (2)二进制的算术运算 (3)二进制的逻辑运算（布尔代数） (4)逻辑门电路 (⑤)加法器电路 (6)其他逻辑电路 第二节微处理器 (1)什么是微处理器 (2)微处理器基本结构 (3)微处理器的分类 (4)通用高性能微处理器 (⑤)嵌入式处理器 (6)微处理器的发展趋势 3、教学安排及教学方式：（课堂教学总学时数8） 教学方式课堂讲授 课堂讨论 小组大作业作业自学 其他（请注明） 学时数 8 1 4、教学目标 掌握数制及其转换、数字逻辑、门电路，了解徽处理器基本结构、类型、特点、分类与 发展趋势。 第三章工控机控制技术 1、知识点群 工控机的特点、组态控制技术原理，工控机系统的组成与分类、典型PC总线工控机、 工控机/O板卡基础、工控机数据采集控制系统的组成与功能、应用与发展趋势。 2、教学内容 第一节工业控制计算机概述 (1)工控机的概念 (2)工控机的特点 (3)工控机及系统组成 (4)工控机主要类型 (⑤)工控机主要品牌 第二节工控机/O板卡基础 (1)数据采集与控制卡的基本任务 (2)输入输出信号的种类与接线方式 (3)板卡选择参数与接口模板名词解释 第三节工控机的编程与组态
第二章 数字化技术基础 1、知识点群 数制及其转换、数字逻辑、门电路、微处理器概念、微处理器基本结构、通用高性能微 处理器、嵌入式微处理器、特点、分类与发展趋势。 2、教学内容 第一节 数字逻辑基础 (1) 数制、转换与编码 (2) 二进制的算术运算 (3) 二进制的逻辑运算(布尔代数) (4) 逻辑门电路 (5) 加法器电路 (6) 其他逻辑电路 第二节 微处理器 (1) 什么是微处理器 (2) 微处理器基本结构 (3) 微处理器的分类 (4) 通用高性能微处理器 (5) 嵌入式处理器 (6) 微处理器的发展趋势 3、教学安排及教学方式：（课堂教学总学时数 8） 教学方式 课堂讲授 课堂讨论 小组大作业 作业 自学 其他（请注明） 学时数 8 1 4、教学目标 掌握数制及其转换、数字逻辑、门电路，了解微处理器基本结构、类型、特点、分类与 发展趋势。 第三章 工控机控制技术 1、知识点群 工控机的特点、组态控制技术原理，工控机系统的组成与分类、典型 PC 总线工控机、 工控机 I/O 板卡基础、工控机数据采集控制系统的组成与功能、应用与发展趋势。 2、教学内容 第一节 工业控制计算机概述 (1) 工控机的概念 (2) 工控机的特点 (3) 工控机及系统组成 (4) 工控机主要类型 (5) 工控机主要品牌 第二节 工控机 I/O 板卡基础 (1) 数据采集与控制卡的基本任务 (2) 输入输出信号的种类与接线方式 (3) 板卡选择参数与接口模板名词解释 第三节 工控机的编程与组态
(I)数据采集控制卡编程基本知识 (2)数据采集控制卡I/O控制原理 (3)采集卡驱动程序及编程使用说明 (4)工控机组态控制基本知识 第四节工控机数据采集控制系统 (I)数据采集控制系统的组成与功能 (2)关于信号调理 (3)研华PCL724数字量输入输出板卡 (4)研华ISA总线PCL818L多功能卡 (⑤)远程数据采集和控制模块ADAM4000 第五节工控机的应用和发展 3、教学安排及教学方式：（课堂教学总学时数4） 教学方式 课堂讲授 课堂讨论 小组大作业 作业 自学 其他（请注明） 学时数 4 1 4、教学目标 熟悉工控机的特点、组态控制技术原理，工控机系统的组成与分类、典型PC总线工控 机、工控机/O板卡基础、工控机数据采集控制系统的组成与功能。。 第四章PLC控制技术 1、知识，点群 PLC的产生、发展、定义、特，点、组成及工作原理，PLC控制系统设计等 2、教学内容 第一节PLC概述 (I)PLC的产生 (2)PLC的定义 (3)PLC的特点 第二节PLC组成及工作原理 (I)PLC的基本组成 (2)PLC的工作原理 第三节PLC编程技术 (I)PLC编程语言 (2)PLC编程基础 (3)PLC基本电路编程 (4)梯形图编程规则 第四节PLC控制系统 (I)PLC控制系统设计 (2)PLC控制系统与继电器控制系统的比较 (3)PLC控制系统与PC控制系统的比较 第五节PLC主要产品介绍 (I)PLC主流产品 (2)西门子PLC简介 第六节PLC的现状和发展趋势
(1) 数据采集控制卡编程基本知识 (2) 数据采集控制卡 I/O 控制原理 (3) 采集卡驱动程序及编程使用说明 (4) 工控机组态控制基本知识 第四节 工控机数据采集控制系统 (1) 数据采集控制系统的组成与功能 (2) 关于信号调理 (3) 研华 PCL724 数字量输入/输出板卡 (4) 研华 ISA 总线 PCL818L 多功能卡 (5) 远程数据采集和控制模块 ADAM4000 第五节 工控机的应用和发展 3、教学安排及教学方式：（课堂教学总学时数 4） 教学方式 课堂讲授 课堂讨论 小组大作业 作业 自学 其他（请注明） 学时数 4 1 4、教学目标 熟悉工控机的特点、组态控制技术原理，工控机系统的组成与分类、典型 PC 总线工控 机、工控机 I/O 板卡基础、工控机数据采集控制系统的组成与功能。。 第四章 PLC 控制技术 1、知识点群 PLC 的产生、发展、定义、特点、组成及工作原理，PLC 控制系统设计等 2、教学内容 第一节 PLC 概述 (1) PLC 的产生 (2) PLC 的定义 (3) PLC 的特点 第二节 PLC 组成及工作原理 (1) PLC 的基本组成 (2) PLC 的工作原理 第三节 PLC 编程技术 (1) PLC 编程语言 (2) PLC 编程基础 (3) PLC 基本电路编程 (4) 梯形图编程规则 第四节 PLC 控制系统 (1) PLC 控制系统设计 (2) PLC 控制系统与继电器控制系统的比较 (3) PLC 控制系统与 IPC 控制系统的比较 第五节 PLC 主要产品介绍 (1) PLC 主流产品 (2) 西门子 PLC 简介 第六节 PLC 的现状和发展趋势
3、教学安排及教学方式：（课堂教学总学时数4） 教学方式 课堂讲授 课堂讨论 小组大作业 作业 自学 其他（请注明） 学时数 4 实验4学时 4、教学目标 熟悉PLC的产生、发展、定义、特点、组成及工作原理，PLC控制系统设计及编程等。 第五章信号的数字化采集 1、知识，点群 采样定理及其表述形式、意义，数据采集系统基本组成、多路模拟开关基本原理、AD 转换器的主要类型、高精度单片数据采集系统，温度、电、位移、压力、图像、光谱、声频 等信号的传感与数字化采集。 2、教学内容 第一节信号概述 (1)什么是信号 (2)信号的分类 (3)信号的特性 (4)材料制造过程中的信号 第二节信号的传感 (1)什么是传感技术 (2)传感器的定义 (3)传感器的分类 (4)传感器的特性 第三节采样定理 (1)采样过程 (2)采样定理 第四节数字化数据采集系统 (I)数据采集系统的定义 (2)数据采集系统的功能 (3)数据采集系统的结构 第五节数据采集系统举例 (1)基于单片机的数据采集系统 (2)基于LabVIEW的数据采集系统 (3)材料加工数据采集系统典型案例 3、教学安排及教学方式：（课堂教学总学时数6） 教学方式 课堂讲授 课堂讨论 小组大作业 作业 自学 其他（请注明） 学时数 6 2 实验2学时 4、教学目标 熟悉采样定理及其表述形式、意义，了解数据采集系统基本组成、多路模拟开关基本原 理、AD转换器的主要类型、高精度单片数据采集系统，熟悉温度、电流、电压、位移、压 力、图像、光谱、声频等信号的传感与数字化采集
3、教学安排及教学方式：（课堂教学总学时数 4） 教学方式 课堂讲授 课堂讨论 小组大作业 作业 自学 其他（请注明） 学时数 4 1 实验 4 学时 4、教学目标 熟悉 PLC 的产生、发展、定义、特点、组成及工作原理，PLC 控制系统设计及编程等。 第五章 信号的数字化采集 1、知识点群 采样定理及其表述形式、意义，数据采集系统基本组成、多路模拟开关基本原理、A/D 转换器的主要类型、高精度单片数据采集系统，温度、电、位移、压力、图像、光谱、声频 等信号的传感与数字化采集。 2、教学内容 第一节 信号概述 (1) 什么是信号 (2) 信号的分类 (3) 信号的特性 (4) 材料制造过程中的信号 第二节 信号的传感 (1) 什么是传感技术 (2) 传感器的定义 (3) 传感器的分类 (4) 传感器的特性 第三节 采样定理 (1) 采样过程 (2) 采样定理 第四节 数字化数据采集系统 (1) 数据采集系统的定义 (2) 数据采集系统的功能 (3) 数据采集系统的结构 第五节 数据采集系统举例 (1) 基于单片机的数据采集系统 (2) 基于 LabVIEW 的数据采集系统 (3) 材料加工数据采集系统典型案例 3、教学安排及教学方式：（课堂教学总学时数 6） 教学方式 课堂讲授 课堂讨论 小组大作业 作业 自学 其他（请注明） 学时数 6 2 实验 2 学时 4、教学目标 熟悉采样定理及其表述形式、意义，了解数据采集系统基本组成、多路模拟开关基本原 理、A/D 转换器的主要类型、高精度单片数据采集系统，熟悉温度、电流、电压、位移、压 力、图像、光谱、声频等信号的传感与数字化采集