面向零件加工工艺的数控机床设计原理

“工业母机”是指制造机器的机器——机床，是整个工业体系的基石和源头。当前工业母机的主流高端数控机床，我国制造业在机床设计方面存在底层技术和关键能力薄弱等“卡脖子”问题，为此，特出版本书。本书著者刘强教授曾任北京航空航天大学机械工程及自动化学院院长，兼任（或曾兼任）全国数控系统技术标委会副主任委员、国家智能制造专家委员会成员、“863计划”先进制造技术主题专家、高档数控机床与基础制造装备重大科技专项监督评估组专家、中国机械工程学会机械工业自动化分会主任委员等，主要研究方向为智能加工与先进数控技术，主持包括国家重大专项、国家重点研发计划、国家自然科学基金重大/面上项目等项目(课题)30余项。
在数控机床的设计上，需要实现的四个重要转变：一是从标准系列通用产品向工艺驱动正向设计转变；二是从经验类比定性分析向数字仿真量化分析转变；三是从单因素静态设计向多变量耦合动态优化设计转变；四是从面向制造的设计向面向全生命周期的绿色设计转变。本书的编写旨在顺应传统数控机床设计制造向现代高性能数控机床研发的这四个重要转变，立足应用领域典型零部件对数控机床及加工过程的需求，探讨高性能数控机床的创新设计理论和技术，从而为数控机床的设计制造者和使用者提供一本视角尽量新颖、全面阐述原理、理论联系实际和注重工程应用的数控机床设计原理、技术和方法方面的专业性著作。

内容简介：
本书首先介绍了数控加工技术面临的新需求和新挑战，以及数控机床的发展历程和发展趋势；随后针对航空航天、汽车和模具等领域应用，对典型零部件的材料、结构及工艺特点进行了深入分析，阐述了基于典型零件加工工艺分析的数控机床正向设计原理和方法，讨论了数控机床结构新特点和创新设计技术；进一步讨论了基于工艺参数的进给驱动系统设计方案、基本参数计算和机电耦合动态性能评估方法，对考虑零件加工工艺的主轴选择与配置、主轴的基本结构及设计要点等内容进行了详细讨论；书中还探讨了数控机床智能化的发展过程、关键技术和功能实现，以及机床与加工过程数字孪生等。本书从满足零件加工工艺需求出发，将高性能数控机床的分析、设计、计算和优化等新原理和新技术，结合应用场景和实际案例，以新的视角呈现给读者。书中的原理、模型、算法融入实际案例中，且图文并茂。
本书的主要读者对象为先进制造领域从事数控机床设计制造的工程技术人员、数控加工编程和工艺技术人员等，也可作为机械工程、智能制造工程、工业工程和自动化等专业方向的高年级本科生和研究生的学习参考书。

刘强，男，1963年3月生于湖南耒阳，现任北京航空航天大学二级教授/长聘教授、北京航空航天大学江西研究院首席科学家。1983年获中南矿冶学院工学学士，1989年获北京航空航天大学工学硕士，1996—1998年留学加拿大The University of British Columbia,，2000年获北京航空航天大学工学博士。
历任北航机械工程及自动化学院院长、北航江西研究院院长和高效数控加工技术创新中心主任等职。兼任（或曾兼任）全国数控系统技术标委会副主任委员、《机械工程学报》编委、国家智能制造专家委员会成员、“863计划”先进制造技术主题专家、高档数控机床与基础制造装备重大科技专项监督评估组专家、中国机械工程学会机械工业自动化分会主任委员等。
主要研究方向为智能加工与先进数控技术。主持包括国家重大专项、国家重点研发计划、国家自然科学基金重大/面上项目等项目(课题)30余项，出版著作4部，发表论文160余篇，获专利和软件著作权70余项，培养博士/硕士研究生100余名。获中国机械工业科学技术奖特等奖/一等奖、江西省科学技术奖一等奖、国防科学技术奖二等奖、机械工业科技创新领军人才、泰山学者/泰山产业领军人才、北京市优秀教师等。

目 录
前言
第1章绪论
1.1数控加工及其特点
1.1.1数控机床与数控加工
1.1.2数控加工的特点
1.1.3数控加工的应用
1.2数控加工技术面临的新需求和新挑战
1.2.1新/难加工材料的加工
1.2.2复杂整体结构零件的加工
1.2.3加工质量要求
1.2.4绿色制造和加工能效优化
1.2.5智能化发展需求
1.3数控机床的发展历程
1.3.1工业化进程和机床进化史
1.3.2数控机床关键和核心技术的演进
1.3.2.1数控机床结构的演进
1.3.2.2主轴和进给伺服驱动技术的演进
1.3.2.3数控装置的演进
1.3.2.4多轴联动与轨迹插补技术
1.3.2.5加工效率和加工精度的进展
1.3.3我国数控机床的发展概况
1.3.3.1机床工业的萌芽
1.3.3.2机床工业奠基和大规模建设
1.3.3.3数控机床初始发展阶段——相对封闭的技术研发
1.3.3.4持续攻关和产业化发展阶段——初步建立产业体系并推进产业化
1.3.3.5高速发展和转型升级阶段——数控技术快速普及和产品升级换代
1.4数控机床的发展趋势
1.4.1技术需求视角
1.4.2技术趋势视角
1.4.3产业周期视角
1.4.4工业革命视角
第2章典型零件工艺分析与机床正向设计方法
2.1数控切削加工工艺及其应用
2.1.1数控切削加工工艺
2.1.1.1车削加工
2.1.1.2铣削加工
2.1.1.3磨削加工
2.1.1.4齿轮切削加工
2.1.1.5钻削和镗削加工
2.1.1.6复合加工和混合加工
2.1.2数控机床及其加工工艺系统
2.1.2.1数控机床的基本构成
2.1.2.2加工工艺动态系统耦合影响作用
2.1.3数控加工的典型应用及其需求
2.1.3.1航空航天制造
2.1.3.2汽车制造
2.1.3.3模具制造
2.2数控机床的基本要求和功能需求
2.2.1数控机床的基本要求
2.2.1.1精度
2.2.1.2刚度
2.2.1.3热稳定性
2.2.1.4可靠性和精度保持性
2.2.1.5噪声
2.2.1.6其他
2.2.2数控机床的控制功能
2.2.2.1位置伺服控制
2.2.2.2主轴控制
2.2.2.3逻辑控制
2.2.2.4辅助控制
2.2.2.5协同操作与控制
2.2.3数控系统的基本功能
2.2.3.1坐标轴联动控制功能
2.2.3.2轴锁定和异步轴功能
2.2.3.3存储、译码和插补功能
2.2.3.4编程指令功能
2.2.3.5数据接口和人机交互
2.2.3.6机床监测功能
2.2.4网络通信功能
2.2.5智能化功能
2.2.5.1防碰撞和干涉功能
2.2.5.2自适应控制功能
2.2.5.35轴自动标定/校准/补偿功能
2.2.5.4主轴监控/诊断功能
2.2.5.5振动抑制功能
2.2.5.6热位移控制功能
2.2.5.7动态高效/动态高精功能
2.2.5.8数字孪生功能
2.3数控机床的正向设计原理与方法
2.3.1从工艺需求到设计要求的映射
2.3.1.1零件几何尺寸
2.3.1.2零件结构形状
2.3.1.3零件精度要求
2.3.1.4零件材料状态
2.3.1.5材料去除速率
2.3.1.6零件加工批量
2.3.1.7综合加工成本
2.3.2数控机床设计的基本原理
2.3.2.1数控机床设计新理念
2.3.2.2精度设计原理
2.3.2.3刚度设计准则
2.3.3基于虚拟机床技术的正向设计方法
2.3.3.1现代机床设计流程
2.3.3.2虚拟机床关键技术
第3章数控机床结构创新设计
3.1数控机床结构设计新趋势
3.1.1功能复合化
3.1.2进给直驱化
3.1.3结构轻量化
3.1.4能效最优化
3.2数控机床的结构配置
3.2.1结构配置的目标和任务
3.2.2结构配置的基本要求
3.2.3结构配置方案的选择及评价
3.2.3.15轴机床结构配置方案比较
3.2.3.2结构配置方案的比较评价
3.3数控机床结构设计中的新技术
3.3.1新材料应用技术
3.3.1.1对材料特性的一般要求
3.3.1.2可替代传统材料的新型先进材料
3.3.2重心驱动技术
3.3.2.1重心驱动的基本原理
3.3.2.2重心驱动的实现
3.3.3热平衡设计技术
3.3.4可重构模块化技术
3.4典型数控机床的结构分析
3.4.1高精度5轴联动加工中心
3.4.1.1加工零件对象特点及工艺要求
3.4.1.2基本结构及设计特点
3.4.1.3主轴单元和进给系统
3.4.1.4结构设计中的其他考虑
3.4.2车铣复合加工中心
3.4.2.1工艺需求特点
3.4.2.2结构配置特点
3.4.2.3结构设计及其模块化特点
3.4.2.4充分考虑能效的冷却系统设计
3.4.3大型龙门式加工中心
3.4.3.1结构设计特点
3.4.3.2结构模块化、系列化设计
第4章数控机床进给驱动系统
4.1概述
4.1.1进给驱动系统的构成及工作原理
4.1.2进给驱动伺服控制及轨迹形成工作原理
4.1.3进给驱动系统的技术要求
4.2进给驱动系统的主要部件
4.2.1导轨副
4.2.2直线和回转进给传动机构
4.2.3进给驱动常用伺服电动机
4.3进给驱动系统设计
4.3.1进给驱动系统设计中须考虑的影响因素
4.3.1.1与运动学参数相关的因素
4.3.1.2与力学/动力学性能相关的因素
4.3.1.3与设计制造工艺相关的因素
4.3.1.4与使用过程相关的因素
4.3.2数控加工工艺对进给驱动系统的要求
4.3.2.1零件加工过程的作用力
4.3.2.2零件加工过程对速度的要求
4.3.3基于工艺参数的进给驱动系统设计方案
4.3.4进给驱动系统基本参数计算
4.3.4.1设计基本准则和任务
4.3.4.2静态设计计算
4.3.4.3动态概略设计
4.3.4.4设计计算流程
4.4进给驱动系统机电耦合动力学建模及分析
4.4.1传递函数基本模型
4.4.2机电耦合的进给驱动控制系统模型
4.4.3基于“电流-速度”模型的进给驱动系统性能评估
第5章主轴单元
5.1面向零件加工工艺的主轴选择与配置
5.1.1主轴发展简述
5.1.1.1主轴类型及其发展过程
5.1.1.2主轴配置方式
5.1.2不同工件材料的切削速度及主轴特性要求
5.1.2.1不同领域数控机床应用对主轴的需求特点
5.1.2.2切削速度要求
5.1.3不同加工工艺对主轴的要求
5.1.3.1车削主轴
5.1.3.2铣削主轴
5.1.3.3磨削主轴
5.1.4切削加工过程稳定性对主轴的要求
5.1.4.1主轴动力学特性与稳定性叶瓣图
5.1.4.2主轴动力学特性与切削颤振稳定域的关系
5.1.5考虑生产和工艺的主轴特性参数选择
5.1.5.1制造系统需求
5.1.5.2零件加工需求
5.1.5.3主轴特性及参数选择
5.2主轴的基本结构及设计要点
5.2.1主轴电动机
5.2.1.1对主轴电动机性能的要求
5.2.1.2主轴电动机的特性曲线
5.2.1.3主轴电动机基本参数计算选择
5.2.2轴的计算及设计
5.2.2.1轴的静态计算基本模型
5.2.2.2轴变形导致的刀尖处挠度δs
5.2.2.3轴承变形导致的刀尖处偏移量δb
5.2.2.4轴承座变形导致的刀尖处偏移量δh
5.2.2.5考虑刀具特性时刀尖处的偏移量计算
5.2.3轴承的选择和计算
5.2.3.1主轴轴承的种类及特点
5.2.3.2轴承选择的主要影响因素
5.2.3.3轴承寿命计算
5.2.4刀柄和拉刀机构
5.2.4.1刀柄
5.2.4.2拉刀机构
5.2.5主轴润滑
5.2.6主轴冷却系统
5.2.7主轴设计和计算实例分析
5.2.7.1高性能主轴的模块化结构设计分析
5.2.7.2AC双摆角铣削主轴头分析
5.2.7.3一个轴的设计计算示例
第6章面向零件加工过程的机床智能化技术
6.1概述
6.1.1数控机床的智能化发展
6.1.2智能机床概念的演变和发展
6.1.3基于智能机床构建的数控加工工艺大闭环
6.2机床智能化的关键技术
6.2.1信息感知技术
6.2.1.1传感器
6.2.1.2信息感知网络
6.2.2互联接口技术
6.2.3建模分析技术
6.2.3.1建模分析的意义和作用
6.2.3.2数控机床及加工过程模型
6.2.3.3常用分析方法
6.2.4优化决策技术
6.2.5自适应控制技术
6.2.5.1经典的自适应控制技术
6.2.5.2基于数字孪生的自适应控制技术
6.3机床及加工过程智能化功能的实现
6.3.1常用的智能化功能
6.3.1.1振动抑制
6.3.1.2温度补偿
6.3.1.3防止碰撞
6.3.1.4刀具监测
6.3.1.5自动校准
6.3.1.6适应切削
6.3.1.7预测维护
6.3.1.8加工导航
6.3.2智能化主轴
6.3.2.1智能化主轴的概念
6.3.2.2智能化主轴的主要功能和关键技术
6.3.2.3智能化主轴集成及应用示例
6.3.3智能化数控机床典型案例
6.4未来机床的发展
6.4.1未来智能制造系统
6.4.2机床与加工过程数字孪生
6.4.2.1M2DT的概念
6.4.2.2M2DT的特性
6.4.2.3M2DT原型实例开发
6.4.3智能控制机床展望
参考文献