韓興華 重型數(shù)控機床進給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究

1、哈爾濱理工大學(xué)專科論文重型數(shù)控機床進給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究摘 要 本文針對山東省榮成市金辰機械制造有限公司中所使用的TK6910數(shù)控鏜床系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計研究，并提出一種快速有效的機床研究方法。傳統(tǒng)的機床結(jié)構(gòu)主要憑借著多年的經(jīng)驗或采用類比的方法解決現(xiàn)有的問題，但是這些方法已經(jīng)不能提高產(chǎn)品的精度和穩(wěn)定性，必須進行更加精確的計算。精確設(shè)計的計算量非常大，而且設(shè)計周期長、成本高。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，大型工程軟件的被開發(fā)并應(yīng)用于實際設(shè)計中，充分的解決了現(xiàn)有的這些問題。本文根據(jù)重型數(shù)控機床進給系統(tǒng)的組成和特點，推導(dǎo)了進給系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，分析了進給系統(tǒng)產(chǎn)生低速爬行現(xiàn)象的原因，計算出產(chǎn)生低速爬行的臨界速度，并利用

2、機械系統(tǒng)動力學(xué)分析軟件Pro/E進行仿真分析，研究導(dǎo)軌間動、靜摩擦因數(shù)之差、傳動剛度和工作臺質(zhì)量等對機床低速平穩(wěn)性的影響。研究結(jié)果表明：導(dǎo)軌間的動、靜摩擦因數(shù)之差越小，傳動剛度越高，臨界速度越低，機床的低速平穩(wěn)性越好；工作臺的質(zhì)量越小，慣性力越小，越不易產(chǎn)生爬行。為了完善虛擬樣機模型使其更接近機床工作的實際條件，可以利用PROE軟件進行仿真模擬。關(guān)鍵詞重型數(shù)控機床；進給系統(tǒng)；爬行；仿真分析；Pro/E目 錄摘 要I第1章 緒論- 1 -1.1 前言- 1 -1.2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的發(fā)展- 2 -1.3 本文的主要研究內(nèi)容- 3 -第2章 進給系統(tǒng)爬行現(xiàn)象的分析- 4 -2.1 進給系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模-

3、 4 -2.2 爬行與振動故障的診斷與排除- 6 -2.2.1 對故障發(fā)生的部位進行分析- 6 -2.2.2 機械部件故障的檢查和排除- 6 -2.3 進給伺服系統(tǒng)故障的檢查和排除- 7 -2.3.1 速度調(diào)節(jié)器的檢測- 7 -2.3.2 測速電機反饋信號的檢測- 7 -2.4 本章小結(jié)- 7 -第3章 進給系統(tǒng)中摩擦力學(xué)分析- 9 -3.1 簡述摩擦力- 9 -3.1.1 摩擦力的基本概念- 9 -3.1.2 摩擦力的分類- 10 -3.1.3 摩擦力的研究對象- 10 -3.2 滑動摩擦- 11 -3.2.1 滑動摩擦理論- 11 -3.2.2 影響滑動摩擦的因素- 11 -3.2.3 特

4、殊工況下的摩擦- 13 -3.3 滾動摩擦- 15 -3.3.1 基本概念- 15 -3.3.2 滾動的基本形式- 16 -3.4 摩擦振動- 16 -3.4.1 摩擦振動現(xiàn)象- 16 -3.4.2 摩擦振動的特點- 17 -3.4.3 摩擦振動產(chǎn)生的原因- 17 -3.4.4 摩擦振動的危害性- 17 -3.5 本章小結(jié)- 17 -第4章 基于PROE的數(shù)控機床進給系統(tǒng)的仿真- 19 -4.1 數(shù)控技術(shù)發(fā)展的概況- 19 -4.2 本章主要內(nèi)容- 19 -4.3 基于Pro/E的NC代碼后處理技術(shù)- 20 -4.4 本章小結(jié)- 21 -結(jié)論- 22 -參考文獻- 23 -致謝- 24 -II

5、I-第1章 緒論1.1 前言 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步和社會生產(chǎn)的不斷發(fā)展，人們對機械產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率提出了越來越高的要求，而機械加工過程的自動化是實現(xiàn)上述要求的有效途徑。 重型數(shù)控立式車床主要服務(wù)于能源、交通、原材料、中型機械、航空航天、國防等國家重點行業(yè)領(lǐng)域，是我國裝備制造業(yè)具有代表性的產(chǎn)品。齊重數(shù)控裝備股份有限公司生產(chǎn)的重型數(shù)控立式車床系列產(chǎn)品的國內(nèi)市場占有率約為90，其設(shè)計和制造水平基本上可以代表我國目前此類產(chǎn)品的生產(chǎn)水平。由于我國數(shù)控機床行業(yè)普遍采用自主生產(chǎn)機床本體，配套國外數(shù)字控制系統(tǒng)的生產(chǎn)方式，因此，提高國產(chǎn)數(shù)控機床的制造技術(shù)水平的主要途徑是提高機床本體的設(shè)計和制造水平。而機床的

6、進給系統(tǒng)對精度的影響是最大的，因此，提高進給系統(tǒng)的的質(zhì)量就顯的尤為重要。當(dāng)前由于各種先進制造技術(shù)的快速發(fā)展，特別是高速切削技術(shù)的出現(xiàn)，對于機床的進給系統(tǒng)的要求越來越高。但是，以國產(chǎn)重型立式車床為例,時需要進給系統(tǒng)的以較低的速度運動,但另一方面進給系統(tǒng)在低速運動時往往會出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。為此需要分析進給系統(tǒng)在低速運動時，要保持機床穩(wěn)定，保證加工精度的要求，進給系統(tǒng)的剛度和阻尼系數(shù)等參數(shù)的取值范圍，并要確定這些參數(shù)之間的相互關(guān)系，最終確定優(yōu)化方案，得出優(yōu)化結(jié)果。 另外，工廠的設(shè)計和生產(chǎn)任務(wù)較繁忙，對于重型數(shù)控立式車床的進給系統(tǒng)的設(shè)計多采取類比設(shè)計和簡單的計算方法，而沒有進行系統(tǒng)的、較精密的數(shù)值計算。原

7、因是進行現(xiàn)代的設(shè)計方法，除了要求理論知識豐富、計算手段高級外，測試手段必須也同步跟上，這在一般企業(yè)本身是難以實現(xiàn)的，因此采取校企聯(lián)合的方式，利用學(xué)校方面的理論知識較豐富，企業(yè)技術(shù)人員設(shè)計和現(xiàn)場經(jīng)驗較多的各自優(yōu)勢，對工廠所存在的主要技術(shù)難題進行聯(lián)合研究，提高產(chǎn)品技術(shù)水平，是目前我國現(xiàn)階段最有效的方法之一。 項目來源于實際課題，為了提高重型數(shù)控車床在加工時的穩(wěn)定性和精度并且縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，我研究所和齊齊哈爾重型數(shù)控裝備股份有限公司合作開發(fā)設(shè)計用于重型立式數(shù)控車床仿真系統(tǒng)。本課題要利用計算機仿真技術(shù)完成 重型數(shù)控車床的進給系統(tǒng)在不同剛度、阻尼系數(shù)等參數(shù)下，機床系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度問題。 Pro/E

8、軟件是數(shù)字化功能樣機技術(shù)產(chǎn)品的杰出代表。它是集信息技術(shù)、仿真技術(shù)、計算機技術(shù)于一體，使人們能夠在基于虛擬現(xiàn)實的基礎(chǔ)上，運用高速計算機與系統(tǒng)動力學(xué)、彈塑性力學(xué)、系統(tǒng)工程學(xué)、計算機可視化等技術(shù)，構(gòu)造出一個能模擬現(xiàn)實系統(tǒng)的虛擬樣機的建造與 CAE 分析環(huán)境。數(shù)字化功能樣機技術(shù)是對傳統(tǒng)設(shè)計方法的一次歷史性的革命。以它為基礎(chǔ)的現(xiàn)代設(shè)計方法的出現(xiàn)，改變了傳統(tǒng)以物理樣機為基礎(chǔ)的設(shè)計，大大減少昂貴而費時的物理樣機制造及試驗過程，使用戶直接在計算機上可以快速分析比較多種設(shè)計方案，進行優(yōu)化設(shè)計，在設(shè)計的早期及時發(fā)現(xiàn)潛在的問題，是提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低產(chǎn)品開發(fā)成本最有效的途徑。1.2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的發(fā)

9、展1952 年，美國帕森斯公司（Parsons）和麻省理工學(xué)院（MIT）合作研制成功了世界上第一臺數(shù)控機床，它是一臺三坐標(biāo)數(shù)控銑床，用于加工直升機葉片輪廓。數(shù)控化銑床的計算與控制裝置采用電子管元件組成的專用計算機，即邏輯運算與控制采用硬件連接電路。1955 年，該類機床進入使用化階段，在復(fù)雜曲面的加工中發(fā)揮了重要作用。1958 年，我國開始研制數(shù)控機床，在研制與推廣使用數(shù)控機床方面取得了一定的成績。近年來由于引進了國外的數(shù)控系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)的制造技術(shù)，使我國的數(shù)控機床在品種、數(shù)量和質(zhì)量方面得到了迅速的發(fā)展。目前，我國已有幾十家機床廠能夠生產(chǎn)不同種類的數(shù)控機床和加工中心。在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域中，我國和先

10、進的工業(yè)國家之間還存在著不小的差距，但這種差距正在縮小。傳統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，在二維圖紙空間上要對運動類機構(gòu)進行設(shè)計，特別是空間運動機構(gòu)設(shè)計是非常困難，甚至是不可能的。而在現(xiàn)代 CAD(計算機輔助設(shè)計)和技術(shù)的支持下，空間機構(gòu)設(shè)計不但可以實現(xiàn)，而且非常直觀、易于修改，設(shè)計人員的智慧和創(chuàng)新能力可以得到充分地發(fā)揮和展現(xiàn)，甚至設(shè)計方法和思路都可以隨之而創(chuàng)新。運用先進的計算機輔助設(shè)計軟件，可以在三維實體的情況下對實體進行相對位置、位移、運動范圍、包絡(luò)位置、運動干涉情況、速度、加速度等運動規(guī)律和參數(shù)進行分析與仿真，以此指導(dǎo)設(shè)計方案的評價、修改和優(yōu)化，直至設(shè)計完成。 PROE是世界范圍內(nèi)廣泛使用的機械系統(tǒng)

11、仿真分析軟件，在汽車、航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著科技的發(fā)展，計算機輔助設(shè)計技術(shù)越來越廣泛的應(yīng)用在各個設(shè)計領(lǐng)域。現(xiàn)在，它已經(jīng)突破了二維圖紙電子化的框架，轉(zhuǎn)向以三維實體建模、動力學(xué)模擬仿真和有限元分析為主線的虛擬樣機制作技術(shù)。使用虛擬樣機技術(shù)可以在設(shè)計階段預(yù)測產(chǎn)品性能，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計，縮短產(chǎn)品的研制周期，節(jié)約開發(fā)費用。機械系統(tǒng)動力學(xué)仿真軟件PROE 可以直接創(chuàng)建完全參數(shù)化的機械系統(tǒng)幾何模型，也可以使用從 CAD 軟件（如：Pro/Engineer）傳出來的造型逼真的幾何模型；然后在幾何模型上施加約束、力或力矩和運動激勵；最后機械系統(tǒng)進行交互式的動力學(xué)仿真分析，在系統(tǒng)水平上真實地預(yù)測機械結(jié)構(gòu)的工作

12、性能，實現(xiàn)系統(tǒng)水平的最優(yōu)設(shè)計。1.3 本文的主要研究內(nèi)容本文主要研究重型數(shù)控機床進給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，針對機床在低速條件下的爬行問題提出解決方法和需要優(yōu)化的參數(shù)，通過仿真提出一種高效的機電一體化設(shè)計方法。主要工作包括：1. 對重型數(shù)控機床進給系統(tǒng)發(fā)生爬行現(xiàn)象的臨界速度提出數(shù)學(xué)模型進行理論計算分析，根據(jù)計算結(jié)果在理論上提出幾種降低臨界速度的可能方法，這些方法主要從進給系統(tǒng)工作臺與導(dǎo)軌面間的動、靜摩擦因數(shù)之差，傳動系統(tǒng)的整體剛度以及工作臺的質(zhì)量等因素進行考慮，從中找出理論上使重型數(shù)控機床進給系統(tǒng)中的工作臺在非常低的運動速度下，仍然能夠平穩(wěn)、精確的運行的方案。2. 針對所建立的數(shù)學(xué)模型，在動力學(xué)仿真軟件

13、Pro/E 中建立重型數(shù)控機床進給系統(tǒng)的三維實體模型，并對模型進行約束、參數(shù)化設(shè)置，最后實施仿真分析，得出仿真結(jié)果與數(shù)學(xué)模型中的理論結(jié)論相比較，驗證理論上提出的參數(shù)修改方案的正確性。第2章 進給系統(tǒng)爬行現(xiàn)象的分析本文利用動力學(xué)的相關(guān)知識對重型機床系統(tǒng)進行爬行現(xiàn)象的分析，并進行數(shù)學(xué)建模針對機床進給系統(tǒng)在低速運動時爬行現(xiàn)象從理論加以分析。2.1 進給系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模如圖2-1所示，重型數(shù)控機床的進給系統(tǒng)是以進給系統(tǒng)的絲杠作為驅(qū)動件，工作臺為被驅(qū)動負載。設(shè)驅(qū)動裝置的等效剛度為K，系統(tǒng)的粘滯摩擦系數(shù)為C，工作臺與導(dǎo)軌之間的摩擦力為F（指靜摩擦力或庫倫摩擦力），工作臺質(zhì)量為m，進給系統(tǒng)的輸入為鋼絲的運轉(zhuǎn)速度

14、，輸出為工作臺的位移。進給系統(tǒng)的簡化模型如圖2-2所示。 工作臺驅(qū)動件KC圖2-1 重型數(shù)控機床進給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖驅(qū)動件工作臺（m）CK圖2-2 進給系統(tǒng)的簡化模型設(shè)工作臺的指令位移為yi，實際輸出位移為y0,根據(jù)圖2-2的簡化模型，應(yīng)用達朗貝爾原理，列出進給系統(tǒng)的微方程為 K(yi y0)=Fs y0=0 (2-1) K(yi y0)=my0 +Cy +Fc y00式中K(yi y0) 絲杠作用于工作臺的驅(qū)動力 Fs 工作臺與導(dǎo)軌面間的靜摩擦力 Fc 工作臺與導(dǎo)軌面間的庫倫摩擦力由式(2-1)可知，當(dāng)時剛作用于工作臺的驅(qū)動力沒有克服靜摩擦力時，工作臺處于靜止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)驅(qū)動力大于靜摩擦力時，工作

15、臺開始運動，此時工作臺要克服粘性摩擦力和庫倫摩擦力。在低速運行時，工作臺主要克服庫倫摩擦力。實際中，靜摩擦力Fs大于庫倫摩擦力Fc，動靜摩擦力之差Fs Fc越大，摩擦力的這種非線性特性越易引起系統(tǒng)的自激震蕩，越易導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。2.2 爬行與振動故障的診斷與排除對于數(shù)控機床出現(xiàn)的爬行與振動故障，不能急于下結(jié)論，而應(yīng)根據(jù)產(chǎn)生故障的可能性，羅列出可能造成數(shù)控機床爬行與振動的有關(guān)因素，然后逐項排隊，逐個因素檢查，分析、定位和排除故障。查到哪一處有問題，就將該處的問題加以分析，看看是否是造成故障的主要矛盾，直至將每一個可能產(chǎn)生故障的因素都查到。最后再統(tǒng)籌考慮，提出一個綜合性的解決問題方案，將故障

16、排除。 排除數(shù)控機床進給系統(tǒng)爬行與振動故障的具體方法如下： 2.2.1 對故障發(fā)生的部位進行分析 爬行與振動故障通常需要在機械部件和進給伺服系統(tǒng)查找問題。因為數(shù)控機床進給系統(tǒng)低速時的爬行現(xiàn)象往往取決于機械傳動部件的特性，高速時的振動現(xiàn)象又通常與進給傳動鏈中運動副的預(yù)緊力有關(guān)。另外，爬行和振動問題是與進給速度密切相關(guān)的，因此也要分析進給伺服系統(tǒng)的速度環(huán)和系統(tǒng)參數(shù)。2.2.2 機械部件故障的檢查和排除 造成爬行與振動的原因如果在機械部件，首先要檢查導(dǎo)軌副。因為移動部件所受的摩擦阻力主要是來自導(dǎo)軌副，如果導(dǎo)軌副的動、靜摩擦系數(shù)大，且其差值也大，將容易造成爬行。盡管數(shù)控機床的導(dǎo)軌副廣泛采用了滾動導(dǎo)軌、

17、靜壓導(dǎo)軌或塑料導(dǎo)軌，如果調(diào)整不好，仍會造成爬行或振動。靜壓導(dǎo)軌應(yīng)著重檢查靜壓是否建立；塑料導(dǎo)軌應(yīng)檢查有否雜質(zhì)或異物阻礙導(dǎo)軌副運動，滾動導(dǎo)軌則應(yīng)檢查預(yù)緊是否良好。 導(dǎo)軌副的潤滑不好也可能引起爬行問題，有時出現(xiàn)爬行現(xiàn)象僅僅就是導(dǎo)軌副潤滑狀態(tài)不好造成的。這時采用具有防爬作用的導(dǎo)軌潤滑油是一種非常有效的措施，這種導(dǎo)軌潤滑油中有極性添加劑，能在導(dǎo)軌表面形成一層不易破裂的油膜，從而改善導(dǎo)軌的摩擦特性。 其次，要檢查進給傳動鏈。在進給系統(tǒng)中，伺服驅(qū)動裝置到移動部件之間必定要經(jīng)過由齒輪、絲杠螺母副或其他傳動副所組成的傳動鏈。有效提高這一傳動鏈的扭轉(zhuǎn)和拉壓剛度，對于提高運動精度，消除爬行非常有益。引起移動部件爬

18、行的原因之一常常是因為對軸承、絲杠螺母副和絲杠本身的預(yù)緊或預(yù)拉不理想造成的。傳動鏈太長、傳動軸直徑偏小、支承和支承座的剛度不夠也是引起爬行的不可忽略的因素，因此在檢查時也要考慮這些方面是否有缺陷。 另外機械系統(tǒng)連接不良，如聯(lián)軸器損壞等也可能引起機床的振動和爬行。 2.3 進給伺服系統(tǒng)故障的檢查和排除 如果爬行與振動的故障原因在進給伺服系統(tǒng)，則需要分別檢查伺服系統(tǒng)中各有關(guān)環(huán)節(jié)。應(yīng)檢查速度調(diào)節(jié)器、伺服電機或測速發(fā)電機、系統(tǒng)插補精度、系統(tǒng)增益、與位置控制有關(guān)的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定有無錯誤、速度控制單元上短路棒設(shè)定是否正確、增益電位器調(diào)整有無偏差以及速度控制單元的線路是否良好等環(huán)節(jié)，逐項檢查分類排除。 2.3

19、.1 速度調(diào)節(jié)器的檢測 對速度調(diào)節(jié)器的故障，主要檢測給定信號、反饋信號和速度調(diào)節(jié)器本身是否存在問題。給定信號可以通過由位置偏差計數(shù)器出來經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換給速度調(diào)節(jié)器送出的模擬信號VCMD的檢測實現(xiàn)，這個信號是否有振動分量可以通過對伺服板上的插腳用示波器來觀察。如果就有一個周期的振動信號，那毫無疑問機床振動是正確的，速度調(diào)節(jié)器這一部分沒有問題，而是前級有問題；然后向D/A轉(zhuǎn)換器或偏差計數(shù)器去查找問題，如果我們測量結(jié)果沒有任何振動的周期性的波形，那么問題肯定出在反饋信號和速度調(diào)節(jié)器。 2.3.2 測速電機反饋信號的檢測 反饋信號與給定信號對于調(diào)節(jié)器來說是完全相同的。因此出現(xiàn)了反饋信號的波動，必然引起速

20、度調(diào)節(jié)器的反方向調(diào)節(jié)，這樣就引起機床的振動。由于機床在振動，說明機床的速度在激烈的振蕩中，當(dāng)然測速發(fā)電機反饋回來的波形也一定是動蕩的。這時如果機床的振動頻率與電機旋轉(zhuǎn)的速度存在一個準確的比率關(guān)系，譬如振動的頻率是電機轉(zhuǎn)速的四倍頻率。這時我們就要考慮電機或測速發(fā)電機有故障的問題。 2.4 本章小結(jié)(1)數(shù)控機床是一個完整的有機整體，機械、電氣、液壓的控制存在相互聯(lián)系和相互影響。因此分析解決爬行與振動故障時，應(yīng)有整體概念和經(jīng)驗，這樣才能有效解決實際問題。 如果故障既有機械部件的原因，又有進給伺服系統(tǒng)的原因，而且很難分辨出引起這一故障的主要矛盾，就要進行多方而的檢測，耐心細致地分析和診斷，直至找出故

21、障根源。若故障的根源是綜合性因素造成的，只有采取綜合的排除故障的方法才能解決。（2）通過對重型數(shù)控機床進給系統(tǒng)進行數(shù)學(xué)建模，利用達朗貝爾原理對模型進行分析得出進給系統(tǒng)爬行現(xiàn)象時的速度即臨界速度有關(guān)，當(dāng)系統(tǒng)運動速度大于臨街速度不會發(fā)生爬行，反之，則發(fā)生爬行，進一步對臨界速度的計算可以得出，臨界速度的大小與工作臺質(zhì)量，動靜摩擦力之差以及傳動件的剛度有關(guān)，而且可以看到動靜摩擦力之差是發(fā)生爬行現(xiàn)象的根本原因。第3章 進給系統(tǒng)中摩擦力學(xué)分析 摩擦學(xué)是研究相對運動的作用表面間的摩擦、潤滑和磨損，以及三者間相互關(guān)系的理論與應(yīng)用的一門邊緣學(xué)科。 世界上使用的能源大約有1/31/2消耗于摩擦。如果能夠盡力減少無

22、用的摩擦消耗，便可大量節(jié)省能源。另外，機械產(chǎn)品的易損零件大部分是由于磨損超過限度而報廢和更換的，如果能控制和減少磨損，則既減少設(shè)備維修次數(shù)和費用，又能節(jié)省制造零件及其所需材料的費用。 1785年，法國庫侖繼前人的研究，用機械嚙合概念解釋干摩擦，提出摩擦理論。后來又有人提出分子吸引理論和靜電力學(xué)理論。1935年，英國的鮑登等人開始用材料粘著概念研究干摩擦，1950年，鮑登提出了粘著理論。關(guān)于潤滑的研究，英國的雷諾于1886年繼前人觀察到的流體動壓現(xiàn)象，總結(jié)出流體動壓潤滑理論。20世紀50年代普遍應(yīng)用電子計算機之后，線接觸彈性流體動壓潤滑的理論開始有所突破。 摩擦學(xué)研究的對象很廣泛，在機械工程中主

23、要包括動、靜摩擦，如滑動軸承、齒輪傳動、螺紋聯(lián)接、電氣觸頭和磁帶錄音頭等；零件表面受工作介質(zhì)摩擦或碰撞、沖擊，如犁鏵和水輪機轉(zhuǎn)輪等；機械制造工藝的摩擦學(xué)問題，如金屬成形加工、切削加工和超精加工等；彈性體摩擦，如汽車輪胎與路面的摩擦、彈性密封的動力滲漏等；特殊工況條件下的摩擦學(xué)問題，如宇宙探索中遇到的高真空、低溫和離子輻射等，深海作業(yè)的高壓、腐蝕、潤滑劑稀釋和防漏密封等。 3.1 簡述摩擦力3.1.1 摩擦力的基本概念當(dāng)兩個互相接觸的固體在外力作用下，作相對的切向運動或具有相對切向運動趨勢時，在兩固體接觸表面之間就會產(chǎn)生一種運動阻力，這種阻力稱為摩擦力，這種現(xiàn)象稱為摩擦現(xiàn)象。摩擦現(xiàn)象早已為人們所

24、熟知，并為人類所利用。多年來，科學(xué)工作者一直在試圖通過科學(xué)研究來對觀察到的摩擦現(xiàn)象做出合理的科學(xué)解釋，于是出現(xiàn)了各種關(guān)于摩擦的理論和學(xué)說。摩擦性狀大體受到下列各個因素的影響：(1) 接觸表面的運動學(xué)，即兩接觸表面間相對運動的大小和方式；(2) 外界作用的載荷和位移；(3) 環(huán)境條件，如溫度、潤滑狀況；(4) 接觸表面的形貌;(5) 材料性質(zhì)。在大多數(shù)情況下，摩擦的存在對機械是有害的。機械為了克服摩擦力，必然要消耗能量，效率降低。摩擦?xí)?dǎo)致機器零件的磨損，使零件的配合間隙增大，出現(xiàn)振動和噪聲，影響機器的精度，縮短使用壽命。此外，摩擦?xí)箼C器的溫度升高，導(dǎo)致零件的機械強度降低，甚至可能產(chǎn)生熱變形、

25、熱疲勞和熱磨損，從而破壞了機器的正常運轉(zhuǎn)。當(dāng)然，摩擦也有有利的一面。例如人和車輛在陸地上行走，日常生活中的各種夾持、切割和洗刷等都是利用摩擦的原理；在機械設(shè)備中，有不少是利用摩擦而工作的。例如摩擦壓力機、摩擦離合器、摩擦傳動機構(gòu)、摩擦制動裝置和螺栓連接等。隨著有關(guān)摩擦的理論及應(yīng)用研究的深入，對摩擦的研究模式由宏觀進入微觀，由定性進入定量，由靜態(tài)進入動態(tài)，由單一學(xué)科的分析進入多學(xué)科的綜合研究。同時其研究領(lǐng)域也逐步擴展，開始從分析摩擦學(xué)現(xiàn)象為主逐步向著分析與控制相結(jié)合，甚至以控制摩擦學(xué)性能為目標(biāo)的方向發(fā)展?？傊?，摩擦存在于人們的生產(chǎn)、生活各個方面，在人類的文明建設(shè)中它有著十分重要的作用。人類研究摩

26、擦除了利用摩擦外，最重要的還是研究如何減少摩擦，減少磨損，從而最大限度的發(fā)揮機械效能。3.1.2 摩擦力的分類摩擦的分類方法很多，常見的有以下幾種:1. 摩擦副的運動狀態(tài)分類：(1) 靜摩擦兩個物體在作宏觀位移前的微觀位移時，其接觸表面之間的摩擦稱為靜摩擦。(2) 動摩擦兩個物體作相對運動時，其接觸表面之間的摩擦稱為動摩擦。一般情況下，動摩擦系數(shù)小于靜摩擦系數(shù)。2. 摩擦副的運動形式分類：(1) 滑動摩擦兩個相互接觸的表面作相對滑動（或具有相對滑動趨勢）時的摩擦，稱為滑動摩擦。例如，活塞在氣缸中的往復(fù)運動等。(2) 滾動摩擦物體在力矩的作用下，沿接觸表面滾動時的摩擦，稱為滾動摩擦。例如，各種車

27、輛的車輪在地面的滾動等。3.1.3 摩擦力的研究對象摩擦學(xué)研究的對象很廣泛，在機械工程中主要包括：動、靜摩擦副，如滑動軸承、齒輪傳動、螺紋聯(lián)接、電氣觸頭和磁帶-錄音頭等；零件表面受工作介質(zhì)摩擦或碰撞、沖擊，如犁鏵和水輪機轉(zhuǎn)輪等；機械制造工藝的摩擦學(xué)問題，如金屬成形加工、切削加工和超精加工等；彈性體摩擦副，如汽車輪胎與路面的摩擦(見地面車輛力學(xué))、彈性密封的動力滲漏等；3.2 滑動摩擦只要兩物體接觸表面間有相對滑動的傾向或發(fā)生相對滑動，就會發(fā)生滑動摩擦。古典摩擦定律也是在滑動摩擦的試驗基礎(chǔ)上提出的。3.2.1 滑動摩擦理論 200多年來，經(jīng)過許多科學(xué)家的努力，使摩擦現(xiàn)象和機理的研究有了很大的發(fā)展

28、，提出了許多理論來解釋摩擦的現(xiàn)象和本質(zhì)，但目前尚未形成統(tǒng)一的理論。一般常把純凈表面間的干摩擦作為一種理想的摩擦狀態(tài)來進行研究。解釋摩擦起因的理論主要有：機械嚙合理論、分子理論、分子機械理論以及粘著摩擦理論。對于金屬摩擦副來說，粘著摩擦理論比較令人滿意。 3.2.2 影響滑動摩擦的因素 研究摩擦系數(shù)的變化及其影響因素，以便控制摩擦過程和降低摩擦損耗，是一項具有普遍意義的課題。摩擦系數(shù)是摩擦副的綜合特性，受到滑動過程中各種因素的影響，例如：材料副配對性質(zhì)、靜止接觸時間、法向載荷的大小和加載速度、摩擦副的剛度和彈性、滑動速度、溫度狀況、摩擦表面接觸幾何特性和表面層物理性質(zhì)、以及介質(zhì)的化學(xué)作用等。這就

29、使得摩擦系數(shù)隨著工況條件的變化很大，因而預(yù)先確定摩擦系數(shù)準確的數(shù)據(jù)是十分困難的，通常根據(jù)定性分析和實際測定的辦法來確定摩擦系數(shù)和各種因素的影響。（1）金屬性質(zhì) 當(dāng)兩個滑動表面是同一金屬或是非常類似的金屬，或是兩種有可能形成固溶合金的金屬時，則摩擦較嚴重。例如，銅銅摩擦副的摩擦系數(shù)可達1.0以上，鋁鐵或鋁低碳鋼摩擦副的摩擦系數(shù)大于0.8。而不同金屬或低親合力的金屬組成的摩擦副摩擦系數(shù)則較低。如銀鐵或銀低碳鋼摩擦副的摩擦系數(shù)約為0.3。 單相合金(如幣合金：90Ag，10Cu)的性質(zhì)象純金屬，摩擦性能一般與其主要組元相似。多相合金（如CuPb軸承合金）情況比較復(fù)雜，當(dāng)含有少量的軟相時，摩擦系數(shù)較低

30、。其原因是軟相能夠涂抹在合金的表面上充當(dāng)潤滑劑。屬于這種類型的合金有含鉛的易切削鋼和含有石墨的灰口鑄鐵等。 （2）粗糙度 事實證明，非常粗糙的表面表現(xiàn)出高的摩擦系數(shù)，因為在滑動期間一個表面必須越過另一個表面的駝峰。然而非常平滑的表面甚至摩擦系數(shù)更大，因為真實接觸面積增大，表面間的分子作用加強。左圖為摩擦系數(shù)隨粗糙度的變化曲線。 （3）溫度 為了描述摩擦過程中表面溫度的狀況，通常采用表面瞬現(xiàn)溫度、表面平均溫度、體積平均溫度、溫度梯度、熱量分布函數(shù)等參數(shù)來進行研究?？偟恼f來，摩擦熱對摩擦性能的影響表現(xiàn)在兩方面：一是發(fā)生潤滑狀態(tài)轉(zhuǎn)化，如從油膜潤滑轉(zhuǎn)化為邊界潤滑甚至干摩擦；另一是引起摩擦過程動力學(xué)特性

31、變化，即摩擦表面與周圍介質(zhì)的作用改變，如表面原子或分子間的擴散、吸附或解附、表層結(jié)構(gòu)變化和相變等。溫度對于摩擦系數(shù)的影響與表面層的變化密切相關(guān)。大多數(shù)實驗結(jié)果表明：隨著溫度的升高，摩擦系數(shù)增加，當(dāng)表面溫度很高使材料軟化時，摩擦系數(shù)將降低。溫度升高時，兩金屬摩擦副的可焊性增加，強度降低，同時伴隨有表面氧化。因此，高溫下兩金屬摩擦副的摩擦特性取決于兩金屬的高溫強度、可焊性以及所形成的表面膜。（4）載荷 載荷是通過接觸面積的大小和變形狀態(tài)來影響摩擦力。 摩擦總是發(fā)生在一部分接觸峰點上，接觸點數(shù)目和各接觸點尺寸將隨著載荷而增加，最初是接觸點尺寸增加，隨后載荷增加主要引起接觸點數(shù)目增加。實驗表明：光滑表

32、面在接觸面上的應(yīng)力約為材料硬度值的一半；而粗糙表面的接觸應(yīng)力可達到硬度的23倍，即出現(xiàn)表面塑性變形。當(dāng)表面是塑性接觸時，摩擦系數(shù)與載荷無關(guān)在一般情況下，金屬表面處于彈塑性接觸狀態(tài)，由于實際接觸面積與載荷的非線性關(guān)系，使得摩擦系數(shù)隨著載荷的增加而降低。由于摩擦表面處于彈塑性接觸狀態(tài)，因而摩擦系數(shù)隨加載速度而改變。當(dāng)載荷很小時，加載速度的影響更為顯著。（5）速度 當(dāng)滑動速度不引起表面層性質(zhì)發(fā)生變化時，摩擦系數(shù)幾乎與滑動速度無關(guān)。然而在一般情況下，滑動速度將引起表面層發(fā)熱、變形、化學(xué)變化和磨損等，從而顯著地影響摩擦系數(shù)。 圖是克拉蓋爾斯基等人提出的實驗結(jié)果。對于一般彈塑性接觸狀態(tài)的摩擦副，摩擦系數(shù)隨

33、滑動速度增加而越過一極大值，如圖中曲線2和3。并且隨著表面剛度或者載荷增加，極大值的位置向坐標(biāo)原點移動。當(dāng)載荷極小時，摩擦系數(shù)隨滑動速度的變化曲線只有上升部分；而在極大的載荷條件下，曲線卻只有下降部分，如圖中曲線1和4所示3.2.3 特殊工況下的摩擦 現(xiàn)代機器設(shè)備中的摩擦副不少是處于高速、高溫或低溫、真空等特殊工況條件下工作，其摩擦也就具有某些特殊性，因而也逐漸引起人們對特殊工況下摩擦副的研究興趣。（1）高速摩擦 在航空、噴射技術(shù)、透平、運輸及金屬切削加工等工藝設(shè)備中，不少摩擦副的表面相對滑動速度大于50m/s,有的甚至達到600m/s以上。在這樣高的滑動速度下，其摩擦的特點是：摩擦副表面間接

34、觸點的相對接觸持續(xù)時間短，且在接觸表面上瞬時就產(chǎn)生了大量的摩擦熱，在單位時間內(nèi)單位名義接觸面上所產(chǎn)生的熱流密度可按下式計算：Q0=pn式中：為摩擦系數(shù)，pnp/An,單位名義壓力，為速度。（1）高速摩擦相對滑動速度高時，瞬間所產(chǎn)生的大量摩擦熱來不及向內(nèi)層擴散，因此，摩擦副表層受熱的作用大，深度淺，溫度梯度大，表面溫度可達到材料的熔點，使表面有一層很薄的熔化層。高速時，這層熔化金屬液在接觸區(qū)具有液體動力學(xué)特性，摩擦系數(shù)均隨著速度的增大而降低，且與摩擦副材料的導(dǎo)熱性有關(guān)。摩擦系數(shù)與滑動速度的關(guān)系見下表。觀察滑動后的試件，在摩擦表面實際接觸的地方，發(fā)現(xiàn)金屬的熔化現(xiàn)象。（2）高溫摩擦高溫摩擦出現(xiàn)在各種

35、發(fā)動機、原子反應(yīng)堆和宇航設(shè)備中。用作高溫工作的摩擦材料為難熔金屬化合物或陶瓷，例如鉬、鈦、鎢金屬化合物和碳化硅陶瓷等等。 研究表明：高溫摩擦?xí)r，各種材料的摩擦系數(shù)隨溫度的變化趨勢相同，隨溫度升高，摩擦系數(shù)先緩慢降低，然后迅速升高。在600700左右摩擦系數(shù)出現(xiàn)一個最小值。溫度的增高摩擦系數(shù)下降是由于分子的熱運動使粘著點的剪切阻力減少。當(dāng)溫度增高到某一值后，材料的硬度、彈性模量大大降低，造成機械變形阻力增大，且超過了粘著剪切阻力的下降，此時，摩擦系數(shù)則開始隨著溫度的升高而增大。此外，高溫摩擦還可能影響固體結(jié)構(gòu)發(fā)生質(zhì)的變化。如對多晶固體(Pb、Sn等)形成重晶體，對無定形的聚合物則產(chǎn)生熱分解乃至碳

36、化。溫度同樣對表面層的變形和破壞也有影響，這些將大大改變表面層的摩擦特性。（3）低溫摩擦在低溫下或者各種冷卻介質(zhì)中工作的摩擦副，如各種冷卻液輸送泵的軸向和徑向密封及在低溫下工作的滾珠軸承和滑動軸承等。其環(huán)境溫度常在0以下，此時摩擦熱的影響甚小，而摩擦副材質(zhì)的冷脆性和組織結(jié)構(gòu)對摩擦影響較大。一般，體心立方晶格的金屬(Fe、Cr、Mo、Ta、W)在低溫時易產(chǎn)生脆性破壞，使用的溫度范圍較窄；而適于作低溫摩擦副的材料主要是面心立方晶格(Al、Ni、Pb、Cu、Ag)和密排六方晶格金屬(Ti、Zn、Mg、Co)及其合金，以及石墨和氟塑料等。低溫摩擦?xí)r，由于冷卻介質(zhì)不同，摩擦特性也有所不同，當(dāng)在液體冷卻介

37、質(zhì)中摩擦(如在液氮和液氫中摩擦)時，摩擦面上不易形成氧化膜，因此在摩擦過程中接觸處易產(chǎn)生粘著。此外，由于液體冷卻介質(zhì)的粘度小，也易造成粘著點，還可能產(chǎn)生氣相而形成氣蝕等。3.3 滾動摩擦車輪與地面的摩擦就是滾動摩擦。由于滾動摩擦的影響因素很多，所以研究滾動摩擦比研究滑動摩擦更為復(fù)雜。本節(jié)將介紹滾動摩擦的一些基本概念、摩擦機理及影響因素。 3.3.1 基本概念（1）滾動摩擦的定義 如圖所示，當(dāng)圓柱沿平面滾動時，由于接觸區(qū)的變形使得以接觸點C為中心的接觸壓力分布不對稱，因而支承面的反力產(chǎn)生偏移。此反力對于接觸點的矩稱為滾動摩擦力矩。滾動摩擦系數(shù)fr定義為滾動摩擦力矩與法向載荷之比，即 frFR/L

38、 = e由式可知，滾動摩擦系數(shù)fr與滑動摩擦系數(shù)不同，它是有量綱的量，常用單位為mm。Coulomb(1785年)最早用實驗方法得出滾動摩擦定律：滾動阻力系數(shù)r與滾動體半徑R的乘積是一個常量，也就是滾動摩擦系數(shù)fr或者偏心距e為常量。它們的數(shù)值取決于摩擦副的材料性質(zhì)，而與載荷大小無關(guān)。隨后，Dupuit(1837年)提出了修正公式，通常稱為Dupuit定律，即式中，D為滾動體直徑；滾動摩擦系數(shù)fr為由材料和表面狀況確定的常量，不隨速度和載荷而變化。 顯然，上述的滾動摩擦定律末涉及滾動摩擦機理，它可以近似地應(yīng)用于工程計算。3.3.2 滾動的基本形式各種滾動運動都可以視為以下三種基本滾動形式的組合

39、、這三種滾動形式的表面作用和摩擦機理各不相同。（1） 自由滾動圓柱體或球體沿著平面無約束地作直線滾動，這是最簡單的滾動形式。（2） 具有牽引力的滾動在接觸區(qū)內(nèi)同時受到法向載荷和切向牽引力的作用，例如摩擦輪傳動。（3）伴隨滑動的滾動當(dāng)兩個滾動體的幾何形狀造成接觸面上的切向速度不相等時，滾動中必將伴隨滑動，例如向心推力球軸承中球與該道之間的滾動。3.4 摩擦振動機器運轉(zhuǎn)時發(fā)生的有害振動，會降低工作性能和縮短使用壽命，有時會危害設(shè)備和操作人員。本節(jié)研究滑動零件因受摩擦力作用而發(fā)生的振動。這里介紹研究方法，分析振動特性，并探討如何防止或減輕振動。 3.4.1 摩擦振動現(xiàn)象摩擦振動也稱粘滑運動，在工程上

40、是常見的現(xiàn)象。金屬切削加工中，加工表面質(zhì)量急劇下降的振動，汽車啟動時的急劇沖擊或明顯振動，制動器在制動時的尖叫聲，鉸鏈在回轉(zhuǎn)時振顫。一個巨大的質(zhì)量沿滑軌作低速滑動時發(fā)生的顫動。這一切大都涉及到摩擦。當(dāng)滑動速度很低時，這些現(xiàn)象最為普遍，常常是不僅產(chǎn)生噪音，而且還發(fā)生嚴重磨損和造成尺寸不準。間接影響也可能非常嚴重，例如在紡織機械中，振動會導(dǎo)致布面上呈現(xiàn)不合要求的圖案。3.4.2 摩擦振動的特點振動產(chǎn)生于低滑動速度，而于高速時消失；振動的振幅和頻率與滑動速度、滑動件質(zhì)量和系統(tǒng)的剛度有關(guān)；產(chǎn)生振動時第一個振動波的振幅比其后振動的振幅大得多。3.4.3 摩擦振動產(chǎn)生的原因第一種理論(Bowden)認為：

41、由于兩摩擦表面之間產(chǎn)生黏著；第二種理論(Block)認為：由于摩擦力隨滑動速度增大而減小；第三種理論()認為:由于摩擦力隨靜接觸時間延長而增大。3.4.4 摩擦振動的危害性摩擦振動的危害性主要表現(xiàn)為：產(chǎn)生噪音污染（如汽車、火車制動時的尖叫聲）；振動沖擊（如汽車啟動、火車制動時產(chǎn)生的急劇沖擊或明顯振動令乘客極為不舒服，紡織機械摩擦振動會使布面圖案質(zhì)量大為下降）； 導(dǎo)致發(fā)生嚴重磨損和造成尺寸不準，降低工作性能和縮短使用壽命；危害設(shè)備甚至人身安全（如產(chǎn)生共振情況）。 3.5 本章小結(jié)摩擦學(xué)涉及許多學(xué)科。如完全流體潤滑狀態(tài)的滑動軸承的承載油膜，基本上可以運用流體力學(xué)的理論來解算。但是齒輪傳動和滾動軸承

42、這類點、線接觸的摩擦，就還需要考慮接觸變形和高壓下潤滑油粘度變化的影響；在計算摩擦阻力時則需要認真考慮油的流變性質(zhì)，甚至要考慮瞬時變化過程的效應(yīng)，而不能把它簡化成牛頓流體。 為了了解磨損的發(fā)生發(fā)展機理，尋找各種磨損類型的相互轉(zhuǎn)化以及復(fù)合的錯綜關(guān)系，需要對表面的磨損全過程進行微觀研究。僅就油潤滑金屬摩擦來說，就需要研究潤滑力學(xué)、彈性和塑性接觸、潤滑劑的流變性質(zhì)、表面形貌、傳熱學(xué)和熱力學(xué)、摩擦化學(xué)和金屬物理等問題，涉及物理、化學(xué)、材料、機械工程和潤滑工程等學(xué)科。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，摩擦學(xué)的理論和應(yīng)用必將由宏觀進入微觀，由靜態(tài)進入動態(tài)，由定性進入定量，成為系統(tǒng)綜合研究的領(lǐng)域。第4章 基于PROE的

43、數(shù)控機床進給 系統(tǒng)的仿真4.1 數(shù)控技術(shù)發(fā)展的概況20世紀40年代末期，在美國空軍的資助下，美國麻省理工學(xué)院完成了對數(shù)控機床的研究工作，于1952年推出了第一臺數(shù)控機床。此后，數(shù)控技術(shù)逐步推廣到西方一些工業(yè)發(fā)達國家。50多年來，隨著計算機技術(shù)的突飛猛進，數(shù)控技術(shù)迅猛發(fā)展，目前數(shù)控機床已經(jīng)發(fā)展到今天的數(shù)控機床綜合應(yīng)用了自動控制、計算機技術(shù)、精密測量和機床結(jié)構(gòu)的最新成果。數(shù)控編程方法由最初的手工編程發(fā)展到現(xiàn)在的自動編程，使復(fù)雜型面的加工變?yōu)榭赡堋＞幊倘藛T對整個模式過程進行觀察，能及時地發(fā)現(xiàn)其不合理的地方及錯誤的參數(shù)并進行修改，這樣，最后所生成NC代碼是符合生產(chǎn)實際的。它為提高生產(chǎn)率、縮短新產(chǎn)品研制

44、周期、保證產(chǎn)品產(chǎn)量、降低成本創(chuàng)造了有利的條件，尤其是對三維復(fù)雜曲面零件，只要作適當(dāng)?shù)男薷?，就能產(chǎn)生新的NC代碼，因而它具有相當(dāng)大的柔性。這種采用計算機輔助設(shè)計繪圖和編制數(shù)控加工程序的系統(tǒng)，就是我們所說的CAD/CAM。隨著計算機技術(shù)、空間幾何造型技術(shù)、工程數(shù)據(jù)庫技術(shù)和系統(tǒng)集成技術(shù)的不斷發(fā)展進步，如今已出現(xiàn)了一批功能強大的CAD/CAM軟件，如法國達索飛機制造公司的CATIA、美國麥道航空公司的UG-II和美國參數(shù)技術(shù)公司的Pro/E，這些軟件都具有空間異型曲面的數(shù)控加工程序編制功能，有的還達到了五坐標(biāo)數(shù)控加工，而且大多具有圖形數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準接口，在一定程度上能夠共享數(shù)據(jù)庫。 這些CAD/CAM

45、軟件大都采用圖像編程技術(shù)，其功能已發(fā)展到能夠進行復(fù)雜曲面的多坐標(biāo)數(shù)控加工編程，可顯示刀具軌跡，直觀、形象地模擬數(shù)控加工過程，容易發(fā)現(xiàn)干涉情況并及時予以修正。因而使可靠性大為提高，試切次數(shù)減少，對于不太復(fù)雜的零件，往往一次加工合格，其編程時間平均比用人工編程節(jié)省2/3左右。4.2 本章主要內(nèi)容本章主要介紹的基于ProE的數(shù)控自動化加工方法，主要包括以下四個方面的內(nèi)容：1.基于Pro/E的CAD三維建模，即在Pro/E中構(gòu)建出零件和毛坯的三維模型；2.基于Pro/E的CAM自動化加工，即在ProE中設(shè)置加工機床、刀具、編程零點等參數(shù)，然后制定加工工藝，自動產(chǎn)生加工數(shù)據(jù)文件和刀位軌跡文件；3.基于P

46、ro/E的NC代碼后處理技術(shù)，上述所生成的刀位軌跡文件并不是NC代碼，需要經(jīng)過機床的后置處理器，轉(zhuǎn)換成數(shù)控機床所能識別NC代碼，最后傳送到數(shù)控機床中，進行加工。CAD/CAM一體化技術(shù) 零件模型 毛坯模型 制造模型 夾具設(shè)計加工環(huán)境設(shè)定 NC代碼生成 機床實際加工 后置處理 定義數(shù)控工序 機床設(shè)置 生成刀位文件 刀具設(shè)置 VERICUT仿真加工NC代碼后處理技術(shù)4.3 基于Pro/E的NC代碼后處理技術(shù)值得注意的是，此時的刀位文件并不是數(shù)控加工程序，而此時的仿真加工也只是對刀位軌跡進行仿真，并沒有對圓柱凸輪的數(shù)控加工程序進行仿真。 刀位軌跡文件給出的是刀具在工件坐標(biāo)系中的位置數(shù)據(jù)，包括刀心點坐

47、標(biāo)和刀軸矢量，而不是數(shù)控程序。因此，要獲得數(shù)控機床加工程序，還需要將刀位軌跡文件轉(zhuǎn)換成具體機床的程序代碼，該過程稱為后置處理(Post-Processing)。后置處理的任務(wù)就是根據(jù)具體機床運動結(jié)構(gòu)和控制指令格式，將前置計算的刀位數(shù)據(jù)變換成機床各軸的運動數(shù)據(jù)，并按其控制指令格式進行轉(zhuǎn)換，成為數(shù)控機床的加工程序。由此可見，后處理技術(shù)是整個計算機輔助制造過程中非常重要的部分，沒有這部分的技術(shù)就不能生成NC代碼，也就無從談數(shù)控加工了。具體實現(xiàn)后置處理技術(shù)的是各個數(shù)控機床的后處理器。后處理器是一個用來處理由CAD系統(tǒng)產(chǎn)生的刀位數(shù)據(jù)文件的應(yīng)用程序。由于每個機床的結(jié)構(gòu)特點不一樣，例如有的機床主軸是水平布置

48、，有的機床主軸是垂直布置，還有的機床可以實現(xiàn)多軸聯(lián)動等；另外各種機床所使用的控制系統(tǒng)不一樣，即所需的NC代碼的代碼定義和格式也不一樣；因此每個數(shù)控機床的后處理器也就各不相同。 數(shù)控機床后處理器的開發(fā)構(gòu)建可在各種CAD/CAM（Pro/E、UG等）軟件的后處理模塊中實現(xiàn)，后處理模塊帶有一些一般機床的專用后處理器，但對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特殊五軸加工中心的后處理器需要自己開發(fā)。Pro/E的后處理模塊Pro/NC POSTPro/E軟件提供了Pro/NC POST模塊來實現(xiàn)后處理功能。 Pro/NC POST為用戶提供了一些常用的后置處理器，在實際應(yīng)用中，這些后置處理器可能會不滿足用戶的需要。這時用戶就必須

49、創(chuàng)建自己的后置處理器。Pro/NC POST能夠?qū)崿F(xiàn)這一功能。 開發(fā)機床的后處理器的方法是：在CAD/CAM軟件的后處理模塊中，依據(jù)機床工作手冊和數(shù)控系統(tǒng)編程手冊定義機床的各種參數(shù)和數(shù)控功能代碼，還可進行編程以設(shè)置NC代碼程序的頭尾和輸出程序格式。4.4 本章小結(jié)利用數(shù)控機床進行加工時，最重要的一環(huán)是編程人員根據(jù)零件圖紙及其它加工信息，編制數(shù)控加工程序，然后控制機床實現(xiàn)整個加工過程。原先使用的手工編程有如下的缺點： (1)每個點的坐標(biāo)都要進行計算，工作量大繁瑣且易出錯； (2)對復(fù)雜形狀的零件，如螺旋槳的葉片形狀，不但計算復(fù)雜，有時人工也很難實現(xiàn)。上述問題由計算機進行處理，難題就迎刃而解了。目

50、前數(shù)控自動編程過程是在三維繪圖軟件控制下，以人機對話的形式，在圖形顯示終端上繪制出加工零件及毛坯，選擇機床和刀具并制定加工工藝，就可在計算機上產(chǎn)生并顯示刀具加工軌跡，然后由相應(yīng)機床的后處理器自動生成NC代碼。數(shù)控技術(shù)和數(shù)控裝備是制造工業(yè)現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)。這個基礎(chǔ)是否牢固直接影響到一個國家的經(jīng)濟發(fā)展和綜合國力，關(guān)系到一個國家的戰(zhàn)略地位。因此，世界上各工業(yè)發(fā)達國家均采取重大措施來發(fā)展自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)。在我國，數(shù)控技術(shù)與裝備的發(fā)展亦得到了高度重視，近年來取得了相當(dāng)大的進步。特別是在通用微機數(shù)控領(lǐng)域，以PC平臺為基礎(chǔ)的國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)，已經(jīng)走在了世界前列。但是，我國在數(shù)控技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面亦存在

51、不少問題，特別是在技術(shù)創(chuàng)新能力、商品化進程、市場占有率等方面情況尤為突出。在新世紀到來時，如何有效解決這些問題，使我國數(shù)控領(lǐng)域沿著可持續(xù)發(fā)展的道路，從整體上全面邁入世界先進行列，使我們在國際競爭中有舉足輕重的地位，將是數(shù)控研究開發(fā)部門和生產(chǎn)廠家所面臨的重要任務(wù)。為完成此任務(wù)，首先必須確立符合中國國情的發(fā)展道路。為此，本文從總體戰(zhàn)略和技術(shù)路線兩個層次及數(shù)控系統(tǒng)、功能部件、數(shù)控整機等幾個具體方面探討了新世紀的發(fā)展途徑。 1 總體戰(zhàn)略制定符合中國國情的總體發(fā)展戰(zhàn)略，對21世紀我國數(shù)控技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。通過對數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢的分析和對我國數(shù)控領(lǐng)域存在問題的研究，我們認為以科技創(chuàng)新為先導(dǎo)，

52、以商品化為主干，以管理和營銷為重點，以技術(shù)支持和服務(wù)為后盾，堅持可持續(xù)發(fā)展道路將是一種符合我國國情的發(fā)展數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的總體戰(zhàn)略。1.1 以科技創(chuàng)新為先導(dǎo)中國數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)經(jīng)過40多年的發(fā)展，從無到有，從引進消化到擁有自己獨立的自主版權(quán)，取得了相當(dāng)大的進步。但回顧這幾十年的發(fā)展，可以看到我們在數(shù)控領(lǐng)域的進步主要還是按國外一些模式，按部就班地發(fā)展，真正創(chuàng)新的成分不多。這種局面在發(fā)展初期的起步階段，是無可非議的。但到了世界數(shù)控強手如林的今天和知識經(jīng)濟即將登上舞臺的新世紀，這一常規(guī)途徑就很難行通了。例如，在國外模擬伺服快過時時，我們開始搞模擬伺服，還沒等我們占穩(wěn)市場，技術(shù)上就已經(jīng)落后了；在國外將脈沖

53、驅(qū)動的數(shù)字式伺服打入我國市場時，我們就跟著搞這類所謂的數(shù)字伺服，但至今沒形成大的市場規(guī)模；近來國外將數(shù)字式伺服發(fā)展到用網(wǎng)絡(luò)（通過光纜等）與數(shù)控裝置連接時，我們又跟著發(fā)展此類系統(tǒng)，前途仍不樂觀。這種老是跟在別人后面走，按國外已有控制和驅(qū)動模式來開發(fā)國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)，在技術(shù)上難免要滯后，再加上國外公司在我國境內(nèi)設(shè)立研究所和生產(chǎn)廠，實行就地開發(fā)、就地生產(chǎn)和就地銷售，使我們的產(chǎn)品在性能價格比上已越來越無多大優(yōu)勢，因此要進一步擴大市場占有率，難度自然就很大了。為改變這種現(xiàn)狀，我們必須深刻理解和認真落實“科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力”的偉大論斷，大力加強數(shù)控領(lǐng)域的科技創(chuàng)新，努力研究具有中國特色的實用的先進數(shù)控技術(shù)，逐

54、步建立自己獨立的、先進的技術(shù)體系。在此基礎(chǔ)上大力發(fā)展符合中國國情的數(shù)控產(chǎn)品，從而形成從數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)控功能部件到種類齊全的數(shù)控機床整機的完整的產(chǎn)業(yè)體系。這樣，才不會被國外牽著鼻子，永遠受別人的制約，才有可能用先進、實用的數(shù)控產(chǎn)品去收復(fù)國內(nèi)市場，打開國際市場，使中國的數(shù)控技術(shù)和數(shù)控產(chǎn)業(yè)在21世紀走在世界的前列。1.2 在商品化上狠下工夫近幾年我國數(shù)控產(chǎn)品雖然發(fā)展很快，但真正在市場上站住腳的卻不多。就數(shù)控系統(tǒng)而言，國產(chǎn)貨仍未真正被廣大機床廠所接受，因此出現(xiàn)國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)用于舊機床改造的例子較多，而裝備新機床的卻很少，機床廠出產(chǎn)的國產(chǎn)數(shù)控機床大多數(shù)用的都是國外的系統(tǒng)。這當(dāng)然不是說舊機床的數(shù)控化改造不重要

55、，而是說明從商品的角度看，我們的數(shù)控系統(tǒng)與國外相比還存在相當(dāng)大的差距。影響數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機床商品化的主要因素除技術(shù)性能和功能外，更重要的就是可靠性、穩(wěn)定性和實用性。以往，一些數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)品的研究、開發(fā)部門，所追求的往往是一些體現(xiàn)技術(shù)水平的指標(biāo)（如多少通道、多少軸聯(lián)動、每分鐘多少米的進給速度等等），而對影響實用性的一些指標(biāo)和一些小問題卻不太重視，在產(chǎn)品的穩(wěn)定性、魯棒性、可靠性、實用性方面花的精力相對較少。從而出現(xiàn)某些產(chǎn)品鑒定時的水平都很高，甚至也獲各種大獎。但這些高指標(biāo)、高性能的產(chǎn)品到用戶哪兒卻由于一些小問題而表現(xiàn)不盡人意，最后喪失了信譽，打不開市場。這說明，高指標(biāo)、高性能的樣機型的產(chǎn)品離用戶真

56、正需要的實用、可靠的商品是有相當(dāng)大的距離的，將一個高指標(biāo)、高性能的產(chǎn)品變?yōu)橐粋€有市場的商品還需作出大量艱苦的努力。另一方面，數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機床不像家電類產(chǎn)品那樣易于大批量生產(chǎn)，應(yīng)用環(huán)境也不那么簡單。數(shù)控產(chǎn)品是在生產(chǎn)環(huán)境中使用，面臨的是五花八門的工藝問題。如果開發(fā)部門對這些問題掌握得不透，就難以將產(chǎn)品設(shè)計得很完善。而且數(shù)控產(chǎn)品的某些問題在開發(fā)、試用，甚至鑒定時都難以發(fā)現(xiàn)。這就造成，同樣型號的數(shù)控機床在有的用戶那兒運行得很好，而在別的用戶那兒卻表現(xiàn)欠佳?；蛘咄瑯有吞柕臄?shù)控機床用于加工某些零件工作得很好，但用于加工其他零件時卻不盡人意。出現(xiàn)這種情況，有時是用戶操作人員的水平問題，但有時就是數(shù)控產(chǎn)品本身潛在問題的暴露。為解決這一問題，國外一些公司設(shè)立了專門機構(gòu)來測試考驗自己的產(chǎn)品，如為考驗新開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)，廠家自己設(shè)計和從生產(chǎn)實際中收集了大量零件程序，讓數(shù)控系統(tǒng)運行各種各樣的程序，一旦