制造自動化——金屬切削力學、機床振動和CNC設計

本書是作者在多年指導博士研究生從事數控技術與制造自動化研究工作的基礎上完成，來自科研一線和科研前沿，作者試圖通過建立適當的模型，比較完整地描述切削加工過程，并通過仿真來研究切削參數對加工過程和加工質量的影響，從而深入研究個切削參數對加工和加工穩定性及加工中各種物理現象的作用，以期優化切削參數并開發相關制造過程監控和參數優化的智能模塊，使智能制造不止停留在生產管理和組織層面，而是深入到切削加工的參數和工藝優化層面，實現真正意義上的智能制造。對于優化制造過程，深入研究各類切削加工的物理過程有重要意義。

金屬切削技術是應用最為廣泛的產品最終成形工藝，伴隨著材料科學、計算機科學和傳感器技術的發展，金屬切削技術也在不斷地發展延伸。目前大量采用的是在計算機數控（CNC）機床上進行的車、鉆、銑、拉、鏜和磨等切削加工，從毛坯上切除多余的材料，將毛坯加工成最終的產品。本書第二版出版的目的是幫助學生和相關專業的工程師理解金屬切削技術的科學原理并將這些原理應用到生產實際，解決在車間生產中遇到的實際問題。本書反映了作者的工程實踐、研究經歷及其制造工程的哲學思想。 工程師們在將基本物理原理應用到實際機床設計和加工工藝制定的過程中，以他們看得見、摸得著的方式進行學習是最好的方式。在分析、設計機床及其加工工藝中，數學、物理、計算機、算法和儀器設備將成為有用的集成工具。 金屬切削發生在切削刀具和安裝在機床上的工件材料之間，機床的運動是受CNC單元控制的，CNC 單元使用的數控（NC）指令是在計算機輔助設計/計算機輔助制造（CAD/CAM）系統上生成的，能否高效、精確地切除金屬取決于NC 程序的準備、加工工藝參數的設計、切削條件、刀具幾何形狀、工件和刀具的材料、機床剛度和CNC單元的性能。加工和機床領域的制造工程師必須熟悉上面所列的每個問題，更為重要的是將這些知識聯系起來并以多學科綜合的方式解決加工中的問題。 本書的前四章講述了金屬切削的詳細數學模型，特別是車削、銑削和鉆削加工，重點強調了解決車間實際問題和機床設計問題的宏觀切削力學。雖然本書中沒有涉及工件和刀具材料設計的微觀切削力學，但簡單介紹了材料可加工性的基本原理、刀具磨損機理和刀具破損問題，并給出了完整的圖片。機床設計所需要的結構學、固體力學、振動學、運動學等知識在有關機械工程的教材中有專門論述。本書建立在以上這些知識的基礎上，將振動的基本原理和實驗模態分析技術應用于機床和金屬切削領域。為了簡單方便地解決加工振動問題，對相應的數學方法進行了簡化，并對制造工程師在實際生產中遇到的加工顫振問題進行了深入的討論。 本書的最后三章主要講述CNC 機床的編程、設計和生產自動化問題，簡要介紹了數控編程和CAD/CAM 技術，但對于初學CNC 機床的編程和使用方法已經足夠了。本書對驅動致動器的選擇、反饋傳感器、進給驅動的建模與分析、實時軌跡生成和插補算法的設計、CNC 定向誤差的分析等內容的講述比其他書更為詳細。書中也全面地論述了開放式CNC 設計的思想及在CNC 機床上增加傳感器和控制算法模塊以改善加工精度和提高生產率的方法。 處理實際制造問題是學生們學習的最佳途徑。本書中涉及的內容是經過實驗驗證并被廣泛應用于研究室和工業生產的工程原理。書中給出的實例和思考問題源自作者及其學生的科學研究項目和已解決的工業實際問題。書中以工業項目形式給出的多學科交叉問題是為了便于讀者同時應用所必需的各門技術，例如要求讀者首先解決基本的切削力學問題，接下來分別解決銑削力學、立銑刀的靜態變形和相應表面形狀誤差的建模、立銑刀的振動模型和顫振穩定性問題。例如，在解決飛機翅膀結構銑削加工問題中，讀者對相關的知識鏈進行了綜合聯系，這也是來自工業實際的項目。與此類似，在另一個項目中，引導學生一步一步地走過了編程、實時建模和CNC 機床控制等步驟。因為所有的項目均在作者的實驗室進行了實驗，因此書中提供的許多教學和研究裝置可用于教師教學。 本書是為學習金屬切削原理、機床振動、實驗模態分析、NC 編程、CAD/CAM 技術、CNC 系統設計和基于傳感器的智能加工技術的高年級本科學生、研究生和從事實際生產的制造工程師編寫的，也可作為從事金屬切削力學與動力學、CNC 技術和基于傳感器的智能加工技術的科研工作者、工程技術人員的參考書。 書中的每章內容絕大多數源自作者本人的工程實踐、科學研究和教學經歷。每章內容都涉及作者在不列顛哥倫比亞大學（University of British Columbia）制造自動化實驗室指導的多名研究生學位論文的內容。已畢業的研究生和助手E.Budak、A.Spence、E. Shamoto、I. Lazoglu、Haikun Ren 和F.Atabey 的研究對第2 章的內容作出了貢獻，這一章主要研究金屬切削原理。E. Budak、S. Engin、P. Lee、S. Park、M. Namazi、D.Merdol、J. Roukema、Z. Dombavari 和M. Eynian 的論文對寫作第3 章和第4 章有很大的幫助，這兩章主要講述機床振動問題。K. Erkorkmaz、B. Sencer 和C. Okwudire 的論文對寫作第5 章和第6 章的內容有很大的幫助，這兩章主要講述CNC 系統的設計原理。N. A. Erol 和K. Munasinghe 的學位論文形成了最后一章，這一章主要是有關傳感器輔助加工和開放式CNC 系統設計的問題。作者向所有已畢業和在讀的研究生在加工、機床、CNC 設計、加工過程監控等方面的研究積累表示感謝。 還要感謝幾位對作者制造工程經歷有幫助的機械師、工程師和教授。土耳其Kirikkale 的M.K.E Top Otomotiv 工廠的機床設計工程師、工藝師和機械師，加拿大Montreal 的Pratt& Whitney 公司的機械師，位于Hamilton 的加拿大金屬加工研究所的工藝設計人員，給予了我豐富的工程實際訓練。作者在伊斯坦布爾技術大學接受了基本的工程教育并學到了豐富的機床設計和分析知識；在New Brunswick 大學接受了CAD/CAM 教育；在McMaster 大學學到了有關機床工程背景的知識，這些對于作者在制造工程方面的全面發展和研究技能的提高有很大幫助。G. Pritschow、U. Heisel、T.Moriwaki、F. Klocke、M. Weck、H. van Brussel、G. Bryne、G. Stepan、T. Altan 和A. G.Ulsoy 教授以及工業界的M. Zatarin (Ideko)、M. Fujishima (MoriSeiki)、M. Lundblad(Sandvik)及D. McIntosh (Pratt & Whitney Canada)與作者建立了深厚的個人友誼和合作研究關系。感謝機床技術研究基金（MTTRF）給予資助，Mori Seiki 提供實驗機床，Sandvik Coromant 和Mitsubishi 捐助用于研究工作的切削刀具。作者的研究工作、工程風格及人生哲學深受恩師J. Tlusty 教授的影響。 本人向劍橋大學出版社的編輯Peter Gordon 提供的支持表示感謝，感謝劍橋大學出版社和Aptara 的合作與幫助。 機床和金屬切削工程是多學科綜合交叉的領域，要成為一名出色的制造工程師和研究者需要掌握多方面的知識，這需要特別努力勤奮的學習和工作，離開家庭成員的奉獻是不可能實現的。作者的妻子Nesrin、女兒Cagla 和兒子 Hasan 對于作者將無數的周末和家庭節假日花費在建設不列顛哥倫比亞大學制造自動化實驗室上表示理解和支持，這個實驗室和這本書傾注了作者25 年的心血。作者的母親Hatice 和先父Hasan是勤勞、忠厚和熱情的村民，他們不但是作者的生活典范，更是精神支柱。作者的兄弟Asim 及妹妹Ummuhan 和妹夫Ibrahim 不僅僅是作者的家庭成員，更是作者親密無間的朋友，作者之所以能完成此書，要歸功于所有在作者職業生涯和生活中給予支持的人們。 著者

尤素?！ぐ⑼⑺?Yusuf Altintas)，加拿大英屬哥倫比亞大學（UBC）制造自動化實驗室（MAL）主任，國際制造自動化領域知名學者?，F任國際生產工程學會（CIRP）主席，加拿大皇家科學院（RSC）院士、加拿大工程院院士、美國機械工程師學會（ASME）和國際制造工程師學會（SME）會士，加拿大英屬哥倫比亞大學機械工程系終身教授。主要研究方向為金屬切削、機床振動、控制和虛擬加工、制造自動化和智能制造等，他所領導的實驗室開發了先進加工過程仿真工具（CUT*PRO）、虛擬加工過程仿真工具（MACH*PRO），以及開放式模塊化數控加工系統（VirtualCNC），這些產品已進入商業領域，被全球機械加工領域超過200家公司和研究機構、大學廣泛使用。 羅學科，北京航空航天大學工學博士畢業，教授，博士生導師，北京石油化工學院校長，西安理工大學、北方工業大學兼職教授。國家教指委機械類專業指導委員會委員，兼任中國印刷設備與器材協會副理事長，中國印刷高等教育聯盟理事長。羅學科教授是享受國務院政府特殊津貼專家，北京市新世紀百千萬人才，北京市科技新星、北京市高等教育教學名師獎獲得者，先后2次獲得國家教學成果獎，2次獲得省部級科技進步獎。發表論文100余篇，出版教材著作譯著20余部，發明專利15項。作為北方工業大學先進制造技術科研團隊帶頭人，長期從事先進制造技術和智能裝備及傳感測試技術研究。在綜合機電技術研究與機電裝備研發領域，主持開發了中空玻璃全自動生產線成套設備，填補國內空白，國產替代進口，等等。

本書是在第一版的基礎上，結合作者多年指導博士研究生從事數控技術與制造自動化研究工作的一線科研經驗，通過建立適當的模型，比較完整地描述切削加工過程，并通過仿真來研究切削參數對加工過程和加工質量的影響，從而深入研究切削參數對加工和加工穩定性及加工中各種物理現象的作用，以期優化切削參數并開發相關制造過程監控和參數優化的智能模塊，使智能制造不只停留在生產管理和組織層面，而是深入到切削加工的參數和工藝優化層面，實現真正意義上的智能制造。本書對于優化制造過程，深入研究各類切削加工的物理過程有重要意義。 本書旨在滿足機械制造、機電一體化等專業的碩士生、博士生、進修人員和部分高年級本科學生、從事制造自動化的相關科研人員的參考需求。

第1章 導言 001

第2章 金屬切削力學 003
2.1 導言 003
2.2 直角切削力學 003
2.3 切削力的機械模型 011
2.4 剪切角的理論預測 014
2.5 斜角切削的力學分析 014
2.5.1 斜角切削的幾何關系 015
2.5.2 斜角切削參數的求解 016
2.5.3 切削力的預測 019
2.6 車削加工的力學分析 020
2.7 銑削加工的力學分析 027
2.8 立銑切削力解析建模 034
2.9 鉆削加工的力學分析 038
2.10 刀具的磨損和破損 042
2.10.1 刀具磨損 044
2.10.2 刀具破損 048
2.11 思考問題 049

第3章 機床結構動力學 052
3.1 導言 052
3.2 機床結構 052
3.3 加工中的尺寸和形狀誤差 053
3.3.1 外圓車削中的形狀誤差 054
3.3.2 鏜刀桿 055
3.3.3 立銑加工中的形狀誤差 055
3.4 加工過程中的結構振動 059
3.4.1 自由振動和強迫振動的基礎知識 059
3.4.2 有向頻率響應函數 065
3.4.3 設計和測量坐標系 065
3.4.4 多自由度系統的解析模態分析 067
3.4.5 刀具和工件之間的相對頻率響應 071
3.5 機床結構的模態實驗072
3.5.1 頻率響應實驗理論 073
3.5.2 模態測試實驗步驟 076
3.6 多自由度系統的實驗模態分析077
3.7 模態參數識別086
3.8 立銑刀與主軸刀柄的連接裝置090
3.9 思考問題095

第4章 機床振動學098
4.1 導言098
4.2 直角切削中的再生顫振穩定性分析098
4.2.1 直角切削的穩定性分析 098
4.2.2 直角切削中穩定性葉瓣圖的無量綱分析 103
4.2.3 考慮過程阻尼的直角切削顫振穩定性分析 106
4.3 車削加工顫振穩定性分析109
4.4 考慮過程阻尼的車削加工顫振穩定性分析111
4.4.1 金屬切削力 112
4.4.2 考慮后刀面磨損的過程阻尼增益113
4.4.3 穩定性分析115
4.5 實驗驗證115
4.6 銑削加工中顫振的解析預測117
4.6.1 動態銑削模型117
4.6.2 銑削顫動穩定性分析零階方法 120
4.6.3 銑削顫動穩定性分析多頻方法 128
4.7 鉆削加工中顫振穩定性分析135
4.8 鉆削加工穩定性頻域分析138
4.9 顫振穩定性離散時域分析140
4.9.1 直角車削 140
4.9.2 銑削穩定性的離散時域分析 143
4.10 思考問題147

第5章 制造自動化技術 150
5.1 導言150
5.2 計算機數控單元150
5.2.1 CNC 單元的體系結構 150
5.2.2 CNC 的執行151
5.2.3 CNC 機床軸的命名規則 152
5.2.4 NC 零件程序的結構 153
5.2.5 主要準備功能 155
5.3 計算機輔助NC 編程 158
5.3.1 解析幾何基礎 158
5.3.2 APT 零件編程語言161
5.4 CNC 系統中速度指令的生成 166
5.4.1 等步長插值 166
5.4.2 恒定插補周期有限加速度的速度圖生成 169
5.4.3 有限加加速度的速度圖生成 172
5.5 實時插補方法 180
5.5.1 直線插補算法 180
5.5.2 圓弧插補的算法 184
5.5.3 CNC 系統內的五次樣條插補 188
5.6 思考問題 195

第6章 CNC 系統的設計和分析 198
6.1 導言 198
6.2 機床驅動 199
6.2.1 機械零部件及驅動力矩 200
6.2.2 反饋裝置 203
6.2.3 電氣驅動 204
6.2.4 永磁電樞控制的直流電機 204
6.2.5 位置控制環 208
6.3 位置環的傳遞函數 209
6.4 進給驅動控制系統的狀態空間模型 212
6.5 滑?？刂破?223
6.6 進給驅動的主動阻尼 226
6.7 電液CNC 折彎機的設計 233
6.7.1 折彎機的液壓系統 234
6.7.2 液壓執行器模塊的動態模型 235
6.7.3 基于計算機控制的電液驅動的動態性能辨識 237
6.7.4 數字位置控制系統的設計 239
6.8 思考問題 242

第7章 傳感器輔助加工 248
7.1 導言 248
7.2 智能加工模塊 248
7.2.1 硬件體系結構 249
7.2.2 軟件體系結構 249
7.2.3 智能加工的應用 250
7.3 銑削加工中峰值切削力的自適應控制 251
7.3.1 導言 251
7.3.2 銑削加工系統的離散傳遞函數 252
7.3.3 極點-配置控制算法 254
7.3.4 銑削過程通用預測自適應控制 258
7.3.5 刀具破損的在線檢測 261
7.3.6 顫振檢測與抑制 263
7.4 實例——用IMM 系統進行型腔的智能化加工263
7.5 思考問題266

附錄A 拉普拉斯變換和z 變換 269
A.1 導言269
A.2 基本定義270
A.3 部分分式展開法274
A.4 用部分分式展開法進行拉氏逆變換和z 逆變換276

附錄B 利用最小二乘法進行離線和在線參數估計 279
B.1 離線最小二乘法估計279
B.2 遞歸參數估計算法280

參考文獻282