制造自动化：金属切削力学、机床振动和CNC设计

　　本书是在第一版的基础上，结合作者多年指导博士研究生从事数控技术与制造自动化研究工作的一线科研经验，通过建立适当的模型，比较完整地描述切削加工过程，并通过仿真来研究切削参数对加工过程和加工质量的影响，从而深入研究切削参数对加工和加工稳定性及加工中各种物理现象的作用，以期优化切削参数并开发相关制造过程监控和参数优化的智能模块，使智能制造不只停留在生产管理和组织层面，而是深入到切削加工的参数和工艺优化层面，实现真正意义上的智能制造。本书对于优化制造过程，深入研究各类切削加工的物理过程有重要意义。 本书旨在满足机械制造、机电一体化等专业的硕士生、博士生、进修人员和部分高年级本科学生、从事制造自动化的相关科研人员的参考需求。

　　尤素福·阿廷塔斯（Yusuf Altintas），加拿大英属哥伦比亚大学（UBC）制造自动化实验室（MAL）主任，国际制造自动化领域知名学者。现任国际生产工程学会（CIRP）主席，加拿大皇家科学院（RSC）院士、加拿大工程院院士、美国机械工程师学会（ASME）和国际制造工程师学会（SME）会士，加拿大英属哥伦比亚大学机械工程系终身教授。主要研究方向为金属切削、机床振动、控制和虚拟加工、制造自动化和智能制造等，他所领导的实验室开发了先进加工过程仿真工具（CUT*PRO）、虚拟加工过程仿真工具（MACH*PRO），以及开放式模块化数控加工系统（VirtualCNC），这些产品已进入商业领域，被全球机械加工领域超过200家公司和研究机构、大学广泛使用。罗学科，北京航空航天大学工学博士毕业，教授，博士生导师，北京石油化工学院校长，西安理工大学、北方工业大学兼职教授。国家教指委机械类专业指导委员会委员，兼任中国印刷设备与器材协会副理事长，中国印刷高等教育联盟理事长。罗学科教授是享受国务院政府特殊津贴专家，北京市新世纪百千万人才，北京市科技新星、北京市高等教育教学名师奖获得者，先后2次获得国家教学成果奖，2次获得省部级科技进步奖。发表论文100余篇，出版教材著作译著20余部，发明专利15项。作为北方工业大学先进制造技术科研团队带头人，长期从事先进制造技术和智能装备及传感测试技术研究。在综合机电技术研究与机电装备研发领域，主持开发了中空玻璃全自动生产线成套设备，填补国内空白，国产替代进口，等等。

第1章 导言 001

第2章 金属切削力学 003
2.1 导言 003
2.2 直角切削力学 003
2.3 切削力的机械模型 011
2.4 剪切角的理论预测 014
2.5 斜角切削的力学分析 014
2.5.1 斜角切削的几何关系 015
2.5.2 斜角切削参数的求解 016
2.5.3 切削力的预测 019
2.6 车削加工的力学分析 020
2.7 铣削加工的力学分析 027
2.8 立铣切削力解析建模 034
2.9 钻削加工的力学分析 038
2.10 刀具的磨损和破损 042
2.10.1 刀具磨损 044
2.10.2 刀具破损 048
2.11 思考问题 049

第3章 机床结构动力学 052
3.1 导言 052
3.2 机床结构 052
3.3 加工中的尺寸和形状误差 053
3.3.1 外圆车削中的形状误差 054
3.3.2 镗刀杆 055
3.3.3 立铣加工中的形状误差 055
3.4 加工过程中的结构振动 059
3.4.1 自由振动和强迫振动的基础知识 059
3.4.2 有向频率响应函数 065
3.4.3 设计和测量坐标系 065
3.4.4 多自由度系统的解析模态分析 067
3.4.5 刀具和工件之间的相对频率响应 071
3.5 机床结构的模态实验072
3.5.1 频率响应实验理论 073
3.5.2 模态测试实验步骤 076
3.6 多自由度系统的实验模态分析077
3.7 模态参数识别086
3.8 立铣刀与主轴刀柄的连接装置090
3.9 思考问题095

第4章 机床振动学098
4.1 导言098
4.2 直角切削中的再生颤振稳定性分析098
4.2.1 直角切削的稳定性分析 098
4.2.2 直角切削中稳定性叶瓣图的无量纲分析 103
4.2.3 考虑过程阻尼的直角切削颤振稳定性分析 106
4.3 车削加工颤振稳定性分析109
4.4 考虑过程阻尼的车削加工颤振稳定性分析111
4.4.1 金属切削力 112
4.4.2 考虑后刀面磨损的过程阻尼增益113
4.4.3 稳定性分析115
4.5 实验验证115
4.6 铣削加工中颤振的解析预测117
4.6.1 动态铣削模型117
4.6.2 铣削颤动稳定性分析零阶方法 120
4.6.3 铣削颤动稳定性分析多频方法 128
4.7 钻削加工中颤振稳定性分析135
4.8 钻削加工稳定性频域分析138
4.9 颤振稳定性离散时域分析140
4.9.1 直角车削 140
4.9.2 铣削稳定性的离散时域分析 143
4.10 思考问题147

第5章 制造自动化技术 150
5.1 导言150
5.2 计算机数控单元150
5.2.1 CNC 单元的体系结构 150
5.2.2 CNC 的执行151
5.2.3 CNC 机床轴的命名规则 152
5.2.4 NC 零件程序的结构 153
5.2.5 主要准备功能 155
5.3 计算机辅助NC 编程 158
5.3.1 解析几何基础 158
5.3.2 APT 零件编程语言161
5.4 CNC 系统中速度指令的生成 166
5.4.1 等步长插值 166
5.4.2 恒定插补周期有限加速度的速度图生成 169
5.4.3 有限加加速度的速度图生成 172
5.5 实时插补方法 180
5.5.1 直线插补算法 180
5.5.2 圆弧插补的算法 184
5.5.3 CNC 系统内的五次样条插补 188
5.6 思考问题 195

第6章 CNC 系统的设计和分析 198
6.1 导言 198
6.2 机床驱动 199
6.2.1 机械零部件及驱动力矩 200
6.2.2 反馈装置 203
6.2.3 电气驱动 204
6.2.4 永磁电枢控制的直流电机 204
6.2.5 位置控制环 208
6.3 位置环的传递函数 209
6.4 进给驱动控制系统的状态空间模型 212
6.5 滑模控制器 223
6.6 进给驱动的主动阻尼 226
6.7 电液CNC 折弯机的设计 233
6.7.1 折弯机的液压系统 234
6.7.2 液压执行器模块的动态模型 235
6.7.3 基于计算机控制的电液驱动的动态性能辨识 237
6.7.4 数字位置控制系统的设计 239
6.8 思考问题 242

第7章 传感器辅助加工 248
7.1 导言 248
7.2 智能加工模块 248
7.2.1 硬件体系结构 249
7.2.2 软件体系结构 249
7.2.3 智能加工的应用 250
7.3 铣削加工中峰值切削力的自适应控制 251
7.3.1 导言 251
7.3.2 铣削加工系统的离散传递函数 252
7.3.3 极点-配置控制算法 254
7.3.4 铣削过程通用预测自适应控制 258
7.3.5 刀具破损的在线检测 261
7.3.6 颤振检测与抑制 263
7.4 实例——用IMM 系统进行型腔的智能化加工263
7.5 思考问题266

附录A 拉普拉斯变换和z 变换 269
A.1 导言269
A.2 基本定义270
A.3 部分分式展开法274
A.4 用部分分式展开法进行拉氏逆变换和z 逆变换276

附录B 利用最小二乘法进行离线和在线参数估计 279
B.1 离线最小二乘法估计279
B.2 递归参数估计算法280

参考文献282