制造自动化——金属切削力学、机床振动和CNC设计

本书是作者在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基础上完成，来自科研一线和科研前沿，作者试图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，从而深入研究个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，使智能制造不止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。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。

金属切削技术是应用最为广泛的产品最终成形工艺，伴随着材料科学、计算机科学和传感器技术的发展，金属切削技术也在不断地发展延伸。目前大量采用的是在计算机数控（CNC）机床上进行的车、钻、铣、拉、镗和磨等切削加工，从毛坯上切除多余的材料，将毛坯加工成最终的产品。本书第二版出版的目的是帮助学生和相关专业的工程师理解金属切削技术的科学原理并将这些原理应用到生产实际，解决在车间生产中遇到的实际问题。本书反映了作者的工程实践、研究经历及其制造工程的哲学思想。
工程师们在将基本物理原理应用到实际机床设计和加工工艺制定的过程中，以他们看得见、摸得着的方式进行学习是最好的方式。在分析、设计机床及其加工工艺中，数学、物理、计算机、算法和仪器设备将成为有用的集成工具。
金属切削发生在切削刀具和安装在机床上的工件材料之间，机床的运动是受CNC单元控制的，CNC 单元使用的数控（NC）指令是在计算机辅助设计/计算机辅助制造（CAD/CAM）系统上生成的，能否高效、精确地切除金属取决于NC 程序的准备、加工工艺参数的设计、切削条件、刀具几何形状、工件和刀具的材料、机床刚度和CNC单元的性能。加工和机床领域的制造工程师必须熟悉上面所列的每个问题，更为重要的是将这些知识联系起来并以多学科综合的方式解决加工中的问题。
本书的前四章讲述了金属切削的详细数学模型，特别是车削、铣削和钻削加工，重点强调了解决车间实际问题和机床设计问题的宏观切削力学。虽然本书中没有涉及工件和刀具材料设计的微观切削力学，但简单介绍了材料可加工性的基本原理、刀具磨损机理和刀具破损问题，并给出了完整的图片。机床设计所需要的结构学、固体力学、振动学、运动学等知识在有关机械工程的教材中有专门论述。本书建立在以上这些知识的基础上，将振动的基本原理和实验模态分析技术应用于机床和金属切削领域。为了简单方便地解决加工振动问题，对相应的数学方法进行了简化，并对制造工程师在实际生产中遇到的加工颤振问题进行了深入的讨论。
本书的最后三章主要讲述CNC 机床的编程、设计和生产自动化问题，简要介绍了数控编程和CAD/CAM 技术，但对于初学CNC 机床的编程和使用方法已经足够了。本书对驱动致动器的选择、反馈传感器、进给驱动的建模与分析、实时轨迹生成和插补算法的设计、CNC 定向误差的分析等内容的讲述比其他书更为详细。书中也全面地论述了开放式CNC 设计的思想及在CNC 机床上增加传感器和控制算法模块以改善加工精度和提高生产率的方法。
处理实际制造问题是学生们学习的最佳途径。本书中涉及的内容是经过实验验证并被广泛应用于研究室和工业生产的工程原理。书中给出的实例和思考问题源自作者及其学生的科学研究项目和已解决的工业实际问题。书中以工业项目形式给出的多学科交叉问题是为了便于读者同时应用所必需的各门技术，例如要求读者首先解决基本的切削力学问题，接下来分别解决铣削力学、立铣刀的静态变形和相应表面形状误差的建模、立铣刀的振动模型和颤振稳定性问题。例如，在解决飞机翅膀结构铣削加工问题中，读者对相关的知识链进行了综合联系，这也是来自工业实际的项目。与此类似，在另一个项目中，引导学生一步一步地走过了编程、实时建模和CNC 机床控制等步骤。因为所有的项目均在作者的实验室进行了实验，因此书中提供的许多教学和研究装置可用于教师教学。
本书是为学习金属切削原理、机床振动、实验模态分析、NC 编程、CAD/CAM 技术、CNC 系统设计和基于传感器的智能加工技术的高年级本科学生、研究生和从事实际生产的制造工程师编写的，也可作为从事金属切削力学与动力学、CNC 技术和基于传感器的智能加工技术的科研工作者、工程技术人员的参考书。
书中的每章内容绝大多数源自作者本人的工程实践、科学研究和教学经历。每章内容都涉及作者在不列颠哥伦比亚大学（University of British Columbia）制造自动化实验室指导的多名研究生学位论文的内容。已毕业的研究生和助手E.Budak、A.Spence、E. Shamoto、I. Lazoglu、Haikun Ren 和F.Atabey 的研究对第2 章的内容作出了贡献，这一章主要研究金属切削原理。E. Budak、S. Engin、P. Lee、S. Park、M. Namazi、D.Merdol、J. Roukema、Z. Dombavari 和M. Eynian 的论文对写作第3 章和第4 章有很大的帮助，这两章主要讲述机床振动问题。K. Erkorkmaz、B. Sencer 和C. Okwudire 的论文对写作第5 章和第6 章的内容有很大的帮助，这两章主要讲述CNC 系统的设计原理。N. A. Erol 和K. Munasinghe 的学位论文形成了最后一章，这一章主要是有关传感器辅助加工和开放式CNC 系统设计的问题。作者向所有已毕业和在读的研究生在加工、机床、CNC 设计、加工过程监控等方面的研究积累表示感谢。
还要感谢几位对作者制造工程经历有帮助的机械师、工程师和教授。土耳其Kirikkale 的M.K.E Top Otomotiv 工厂的机床设计工程师、工艺师和机械师，加拿大Montreal 的Pratt& Whitney 公司的机械师，位于Hamilton 的加拿大金属加工研究所的工艺设计人员，给予了我丰富的工程实际训练。作者在伊斯坦布尔技术大学接受了基本的工程教育并学到了丰富的机床设计和分析知识；在New Brunswick 大学接受了CAD/CAM 教育；在McMaster 大学学到了有关机床工程背景的知识，这些对于作者在制造工程方面的全面发展和研究技能的提高有很大帮助。G. Pritschow、U. Heisel、T.Moriwaki、F. Klocke、M. Weck、H. van Brussel、G. Bryne、G. Stepan、T. Altan 和A. G.Ulsoy 教授以及工业界的M. Zatarin (Ideko)、M. Fujishima (MoriSeiki)、M. Lundblad(Sandvik)及D. McIntosh (Pratt & Whitney Canada)与作者建立了深厚的个人友谊和合作研究关系。感谢机床技术研究基金（MTTRF）给予资助，Mori Seiki 提供实验机床，Sandvik Coromant 和Mitsubishi 捐助用于研究工作的切削刀具。作者的研究工作、工程风格及人生哲学深受恩师J. Tlusty 教授的影响。
本人向剑桥大学出版社的编辑Peter Gordon 提供的支持表示感谢，感谢剑桥大学出版社和Aptara 的合作与帮助。
机床和金属切削工程是多学科综合交叉的领域，要成为一名出色的制造工程师和研究者需要掌握多方面的知识，这需要特别努力勤奋的学习和工作，离开家庭成员的奉献是不可能实现的。作者的妻子Nesrin、女儿Cagla 和儿子 Hasan 对于作者将无数的周末和家庭节假日花费在建设不列颠哥伦比亚大学制造自动化实验室上表示理解和支持，这个实验室和这本书倾注了作者25 年的心血。作者的母亲Hatice 和先父Hasan是勤劳、忠厚和热情的村民，他们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 不仅仅是作者的家庭成员，更是作者亲密无间的朋友，作者之所以能完成此书，要归功于所有在作者职业生涯和生活中给予支持的人们。

著者

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。

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。

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