制造自动化——金属切削力学、机床振动和CNC设计

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

参考文献282