韩兴华 重型数控机床进给系统结构研究

1、哈尔滨理工大学专科论文重型数控机床进给系统结构研究摘 要 本文针对山东省荣成市金辰机械制造有限公司中所使用的TK6910数控镗床系统的结构进行设计研究，并提出一种快速有效的机床研究方法。传统的机床结构主要凭借着多年的经验或采用类比的方法解决现有的问题，但是这些方法已经不能提高产品的精度和稳定性，必须进行更加精确的计算。精确设计的计算量非常大，而且设计周期长、成本高。随着计算机技术的发展，大型工程软件的被开发并应用于实际设计中，充分的解决了现有的这些问题。本文根据重型数控机床进给系统的组成和特点，推导了进给系统的数学模型，分析了进给系统产生低速爬行现象的原因，计算出产生低速爬行的临界速度，并利用

2、机械系统动力学分析软件Pro/E进行仿真分析，研究导轨间动、静摩擦因数之差、传动刚度和工作台质量等对机床低速平稳性的影响。研究结果表明：导轨间的动、静摩擦因数之差越小，传动刚度越高，临界速度越低，机床的低速平稳性越好；工作台的质量越小，惯性力越小，越不易产生爬行。为了完善虚拟样机模型使其更接近机床工作的实际条件，可以利用PROE软件进行仿真模拟。关键词重型数控机床；进给系统；爬行；仿真分析；Pro/E目 录摘 要I第1章 绪论- 1 -1.1 前言- 1 -1.2 机械结构设计的发展- 2 -1.3 本文的主要研究内容- 3 -第2章 进给系统爬行现象的分析- 4 -2.1 进给系统数学建模-

3、 4 -2.2 爬行与振动故障的诊断与排除- 6 -2.2.1 对故障发生的部位进行分析- 6 -2.2.2 机械部件故障的检查和排除- 6 -2.3 进给伺服系统故障的检查和排除- 7 -2.3.1 速度调节器的检测- 7 -2.3.2 测速电机反馈信号的检测- 7 -2.4 本章小结- 7 -第3章 进给系统中摩擦力学分析- 9 -3.1 简述摩擦力- 9 -3.1.1 摩擦力的基本概念- 9 -3.1.2 摩擦力的分类- 10 -3.1.3 摩擦力的研究对象- 10 -3.2 滑动摩擦- 11 -3.2.1 滑动摩擦理论- 11 -3.2.2 影响滑动摩擦的因素- 11 -3.2.3 特

4、殊工况下的摩擦- 13 -3.3 滚动摩擦- 15 -3.3.1 基本概念- 15 -3.3.2 滚动的基本形式- 16 -3.4 摩擦振动- 16 -3.4.1 摩擦振动现象- 16 -3.4.2 摩擦振动的特点- 17 -3.4.3 摩擦振动产生的原因- 17 -3.4.4 摩擦振动的危害性- 17 -3.5 本章小结- 17 -第4章 基于PROE的数控机床进给系统的仿真- 19 -4.1 数控技术发展的概况- 19 -4.2 本章主要内容- 19 -4.3 基于Pro/E的NC代码后处理技术- 20 -4.4 本章小结- 21 -结论- 22 -参考文献- 23 -致谢- 24 -II

5、I-第1章 绪论1.1 前言 随着科学技术的不断进步和社会生产的不断发展，人们对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求，而机械加工过程的自动化是实现上述要求的有效途径。 重型数控立式车床主要服务于能源、交通、原材料、中型机械、航空航天、国防等国家重点行业领域，是我国装备制造业具有代表性的产品。齐重数控装备股份有限公司生产的重型数控立式车床系列产品的国内市场占有率约为90，其设计和制造水平基本上可以代表我国目前此类产品的生产水平。由于我国数控机床行业普遍采用自主生产机床本体，配套国外数字控制系统的生产方式，因此，提高国产数控机床的制造技术水平的主要途径是提高机床本体的设计和制造水平。而机床的

6、进给系统对精度的影响是最大的，因此，提高进给系统的的质量就显的尤为重要。当前由于各种先进制造技术的快速发展，特别是高速切削技术的出现，对于机床的进给系统的要求越来越高。但是，以国产重型立式车床为例,时需要进给系统的以较低的速度运动,但另一方面进给系统在低速运动时往往会出现爬行现象。为此需要分析进给系统在低速运动时，要保持机床稳定，保证加工精度的要求，进给系统的刚度和阻尼系数等参数的取值范围，并要确定这些参数之间的相互关系，最终确定优化方案，得出优化结果。 另外，工厂的设计和生产任务较繁忙，对于重型数控立式车床的进给系统的设计多采取类比设计和简单的计算方法，而没有进行系统的、较精密的数值计算。原

7、因是进行现代的设计方法，除了要求理论知识丰富、计算手段高级外，测试手段必须也同步跟上，这在一般企业本身是难以实现的，因此采取校企联合的方式，利用学校方面的理论知识较丰富，企业技术人员设计和现场经验较多的各自优势，对工厂所存在的主要技术难题进行联合研究，提高产品技术水平，是目前我国现阶段最有效的方法之一。 项目来源于实际课题，为了提高重型数控车床在加工时的稳定性和精度并且缩短产品的开发周期，我研究所和齐齐哈尔重型数控装备股份有限公司合作开发设计用于重型立式数控车床仿真系统。本课题要利用计算机仿真技术完成 重型数控车床的进给系统在不同刚度、阻尼系数等参数下，机床系统的稳定性和精度问题。 Pro/E

8、软件是数字化功能样机技术产品的杰出代表。它是集信息技术、仿真技术、计算机技术于一体，使人们能够在基于虚拟现实的基础上，运用高速计算机与系统动力学、弹塑性力学、系统工程学、计算机可视化等技术，构造出一个能模拟现实系统的虚拟样机的建造与 CAE 分析环境。数字化功能样机技术是对传统设计方法的一次历史性的革命。以它为基础的现代设计方法的出现，改变了传统以物理样机为基础的设计，大大减少昂贵而费时的物理样机制造及试验过程，使用户直接在计算机上可以快速分析比较多种设计方案，进行优化设计，在设计的早期及时发现潜在的问题，是提高产品质量、缩短产品开发周期，降低产品开发成本最有效的途径。1.2 机械结构设计的发

9、展1952 年，美国帕森斯公司（Parsons）和麻省理工学院（MIT）合作研制成功了世界上第一台数控机床，它是一台三坐标数控铣床，用于加工直升机叶片轮廓。数控化铣床的计算与控制装置采用电子管元件组成的专用计算机，即逻辑运算与控制采用硬件连接电路。1955 年，该类机床进入使用化阶段，在复杂曲面的加工中发挥了重要作用。1958 年，我国开始研制数控机床，在研制与推广使用数控机床方面取得了一定的成绩。近年来由于引进了国外的数控系统和伺服系统的制造技术，使我国的数控机床在品种、数量和质量方面得到了迅速的发展。目前，我国已有几十家机床厂能够生产不同种类的数控机床和加工中心。在数控技术领域中，我国和先

10、进的工业国家之间还存在着不小的差距，但这种差距正在缩小。传统机械结构设计方法，在二维图纸空间上要对运动类机构进行设计，特别是空间运动机构设计是非常困难，甚至是不可能的。而在现代 CAD(计算机辅助设计)和技术的支持下，空间机构设计不但可以实现，而且非常直观、易于修改，设计人员的智慧和创新能力可以得到充分地发挥和展现，甚至设计方法和思路都可以随之而创新。运用先进的计算机辅助设计软件，可以在三维实体的情况下对实体进行相对位置、位移、运动范围、包络位置、运动干涉情况、速度、加速度等运动规律和参数进行分析与仿真，以此指导设计方案的评价、修改和优化，直至设计完成。 PROE是世界范围内广泛使用的机械系统

11、仿真分析软件，在汽车、航天等领域有着广泛的应用。随着科技的发展，计算机辅助设计技术越来越广泛的应用在各个设计领域。现在，它已经突破了二维图纸电子化的框架，转向以三维实体建模、动力学模拟仿真和有限元分析为主线的虚拟样机制作技术。使用虚拟样机技术可以在设计阶段预测产品性能，优化产品设计，缩短产品的研制周期，节约开发费用。机械系统动力学仿真软件PROE 可以直接创建完全参数化的机械系统几何模型，也可以使用从 CAD 软件（如：Pro/Engineer）传出来的造型逼真的几何模型；然后在几何模型上施加约束、力或力矩和运动激励；最后机械系统进行交互式的动力学仿真分析，在系统水平上真实地预测机械结构的工作

12、性能，实现系统水平的最优设计。1.3 本文的主要研究内容本文主要研究重型数控机床进给系统的结构，针对机床在低速条件下的爬行问题提出解决方法和需要优化的参数，通过仿真提出一种高效的机电一体化设计方法。主要工作包括：1. 对重型数控机床进给系统发生爬行现象的临界速度提出数学模型进行理论计算分析，根据计算结果在理论上提出几种降低临界速度的可能方法，这些方法主要从进给系统工作台与导轨面间的动、静摩擦因数之差，传动系统的整体刚度以及工作台的质量等因素进行考虑，从中找出理论上使重型数控机床进给系统中的工作台在非常低的运动速度下，仍然能够平稳、精确的运行的方案。2. 针对所建立的数学模型，在动力学仿真软件

13、Pro/E 中建立重型数控机床进给系统的三维实体模型，并对模型进行约束、参数化设置，最后实施仿真分析，得出仿真结果与数学模型中的理论结论相比较，验证理论上提出的参数修改方案的正确性。第2章 进给系统爬行现象的分析本文利用动力学的相关知识对重型机床系统进行爬行现象的分析，并进行数学建模针对机床进给系统在低速运动时爬行现象从理论加以分析。2.1 进给系统数学建模如图2-1所示，重型数控机床的进给系统是以进给系统的丝杠作为驱动件，工作台为被驱动负载。设驱动装置的等效刚度为K，系统的粘滞摩擦系数为C，工作台与导轨之间的摩擦力为F（指静摩擦力或库伦摩擦力），工作台质量为m，进给系统的输入为钢丝的运转速度

14、，输出为工作台的位移。进给系统的简化模型如图2-2所示。 工作台驱动件KC图2-1 重型数控机床进给系统结构示意图驱动件工作台（m）CK图2-2 进给系统的简化模型设工作台的指令位移为yi，实际输出位移为y0,根据图2-2的简化模型，应用达朗贝尔原理，列出进给系统的微方程为 K(yi y0)=Fs y0=0 (2-1) K(yi y0)=my0 +Cy +Fc y00式中K(yi y0) 丝杠作用于工作台的驱动力 Fs 工作台与导轨面间的静摩擦力 Fc 工作台与导轨面间的库伦摩擦力由式(2-1)可知，当时刚作用于工作台的驱动力没有克服静摩擦力时，工作台处于静止状态；当驱动力大于静摩擦力时，工作

15、台开始运动，此时工作台要克服粘性摩擦力和库伦摩擦力。在低速运行时，工作台主要克服库伦摩擦力。实际中，静摩擦力Fs大于库伦摩擦力Fc，动静摩擦力之差Fs Fc越大，摩擦力的这种非线性特性越易引起系统的自激震荡，越易导致系统产生爬行现象。2.2 爬行与振动故障的诊断与排除对于数控机床出现的爬行与振动故障，不能急于下结论，而应根据产生故障的可能性，罗列出可能造成数控机床爬行与振动的有关因素，然后逐项排队，逐个因素检查，分析、定位和排除故障。查到哪一处有问题，就将该处的问题加以分析，看看是否是造成故障的主要矛盾，直至将每一个可能产生故障的因素都查到。最后再统筹考虑，提出一个综合性的解决问题方案，将故障

16、排除。 排除数控机床进给系统爬行与振动故障的具体方法如下： 2.2.1 对故障发生的部位进行分析 爬行与振动故障通常需要在机械部件和进给伺服系统查找问题。因为数控机床进给系统低速时的爬行现象往往取决于机械传动部件的特性，高速时的振动现象又通常与进给传动链中运动副的预紧力有关。另外，爬行和振动问题是与进给速度密切相关的，因此也要分析进给伺服系统的速度环和系统参数。2.2.2 机械部件故障的检查和排除 造成爬行与振动的原因如果在机械部件，首先要检查导轨副。因为移动部件所受的摩擦阻力主要是来自导轨副，如果导轨副的动、静摩擦系数大，且其差值也大，将容易造成爬行。尽管数控机床的导轨副广泛采用了滚动导轨、

17、静压导轨或塑料导轨，如果调整不好，仍会造成爬行或振动。静压导轨应着重检查静压是否建立；塑料导轨应检查有否杂质或异物阻碍导轨副运动，滚动导轨则应检查预紧是否良好。 导轨副的润滑不好也可能引起爬行问题，有时出现爬行现象仅仅就是导轨副润滑状态不好造成的。这时采用具有防爬作用的导轨润滑油是一种非常有效的措施，这种导轨润滑油中有极性添加剂，能在导轨表面形成一层不易破裂的油膜，从而改善导轨的摩擦特性。 其次，要检查进给传动链。在进给系统中，伺服驱动装置到移动部件之间必定要经过由齿轮、丝杠螺母副或其他传动副所组成的传动链。有效提高这一传动链的扭转和拉压刚度，对于提高运动精度，消除爬行非常有益。引起移动部件爬

18、行的原因之一常常是因为对轴承、丝杠螺母副和丝杠本身的预紧或预拉不理想造成的。传动链太长、传动轴直径偏小、支承和支承座的刚度不够也是引起爬行的不可忽略的因素，因此在检查时也要考虑这些方面是否有缺陷。 另外机械系统连接不良，如联轴器损坏等也可能引起机床的振动和爬行。 2.3 进给伺服系统故障的检查和排除 如果爬行与振动的故障原因在进给伺服系统，则需要分别检查伺服系统中各有关环节。应检查速度调节器、伺服电机或测速发电机、系统插补精度、系统增益、与位置控制有关的系统参数设定有无错误、速度控制单元上短路棒设定是否正确、增益电位器调整有无偏差以及速度控制单元的线路是否良好等环节，逐项检查分类排除。 2.3

19、.1 速度调节器的检测 对速度调节器的故障，主要检测给定信号、反馈信号和速度调节器本身是否存在问题。给定信号可以通过由位置偏差计数器出来经D/A转换给速度调节器送出的模拟信号VCMD的检测实现，这个信号是否有振动分量可以通过对伺服板上的插脚用示波器来观察。如果就有一个周期的振动信号，那毫无疑问机床振动是正确的，速度调节器这一部分没有问题，而是前级有问题；然后向D/A转换器或偏差计数器去查找问题，如果我们测量结果没有任何振动的周期性的波形，那么问题肯定出在反馈信号和速度调节器。 2.3.2 测速电机反馈信号的检测 反馈信号与给定信号对于调节器来说是完全相同的。因此出现了反馈信号的波动，必然引起速

20、度调节器的反方向调节，这样就引起机床的振动。由于机床在振动，说明机床的速度在激烈的振荡中，当然测速发电机反馈回来的波形也一定是动荡的。这时如果机床的振动频率与电机旋转的速度存在一个准确的比率关系，譬如振动的频率是电机转速的四倍频率。这时我们就要考虑电机或测速发电机有故障的问题。 2.4 本章小结(1)数控机床是一个完整的有机整体，机械、电气、液压的控制存在相互联系和相互影响。因此分析解决爬行与振动故障时，应有整体概念和经验，这样才能有效解决实际问题。 如果故障既有机械部件的原因，又有进给伺服系统的原因，而且很难分辨出引起这一故障的主要矛盾，就要进行多方而的检测，耐心细致地分析和诊断，直至找出故

21、障根源。若故障的根源是综合性因素造成的，只有采取综合的排除故障的方法才能解决。（2）通过对重型数控机床进给系统进行数学建模，利用达朗贝尔原理对模型进行分析得出进给系统爬行现象时的速度即临界速度有关，当系统运动速度大于临街速度不会发生爬行，反之，则发生爬行，进一步对临界速度的计算可以得出，临界速度的大小与工作台质量，动静摩擦力之差以及传动件的刚度有关，而且可以看到动静摩擦力之差是发生爬行现象的根本原因。第3章 进给系统中摩擦力学分析 摩擦学是研究相对运动的作用表面间的摩擦、润滑和磨损，以及三者间相互关系的理论与应用的一门边缘学科。 世界上使用的能源大约有1/31/2消耗于摩擦。如果能够尽力减少无

22、用的摩擦消耗，便可大量节省能源。另外，机械产品的易损零件大部分是由于磨损超过限度而报废和更换的，如果能控制和减少磨损，则既减少设备维修次数和费用，又能节省制造零件及其所需材料的费用。 1785年，法国库仑继前人的研究，用机械啮合概念解释干摩擦，提出摩擦理论。后来又有人提出分子吸引理论和静电力学理论。1935年，英国的鲍登等人开始用材料粘着概念研究干摩擦，1950年，鲍登提出了粘着理论。关于润滑的研究，英国的雷诺于1886年继前人观察到的流体动压现象，总结出流体动压润滑理论。20世纪50年代普遍应用电子计算机之后，线接触弹性流体动压润滑的理论开始有所突破。 摩擦学研究的对象很广泛，在机械工程中主

23、要包括动、静摩擦，如滑动轴承、齿轮传动、螺纹联接、电气触头和磁带录音头等；零件表面受工作介质摩擦或碰撞、冲击，如犁铧和水轮机转轮等；机械制造工艺的摩擦学问题，如金属成形加工、切削加工和超精加工等；弹性体摩擦，如汽车轮胎与路面的摩擦、弹性密封的动力渗漏等；特殊工况条件下的摩擦学问题，如宇宙探索中遇到的高真空、低温和离子辐射等，深海作业的高压、腐蚀、润滑剂稀释和防漏密封等。 3.1 简述摩擦力3.1.1 摩擦力的基本概念当两个互相接触的固体在外力作用下，作相对的切向运动或具有相对切向运动趋势时，在两固体接触表面之间就会产生一种运动阻力，这种阻力称为摩擦力，这种现象称为摩擦现象。摩擦现象早已为人们所

24、熟知，并为人类所利用。多年来，科学工作者一直在试图通过科学研究来对观察到的摩擦现象做出合理的科学解释，于是出现了各种关于摩擦的理论和学说。摩擦性状大体受到下列各个因素的影响：(1) 接触表面的运动学，即两接触表面间相对运动的大小和方式；(2) 外界作用的载荷和位移；(3) 环境条件，如温度、润滑状况；(4) 接触表面的形貌;(5) 材料性质。在大多数情况下，摩擦的存在对机械是有害的。机械为了克服摩擦力，必然要消耗能量，效率降低。摩擦会导致机器零件的磨损，使零件的配合间隙增大，出现振动和噪声，影响机器的精度，缩短使用寿命。此外，摩擦会使机器的温度升高，导致零件的机械强度降低，甚至可能产生热变形、

25、热疲劳和热磨损，从而破坏了机器的正常运转。当然，摩擦也有有利的一面。例如人和车辆在陆地上行走，日常生活中的各种夹持、切割和洗刷等都是利用摩擦的原理；在机械设备中，有不少是利用摩擦而工作的。例如摩擦压力机、摩擦离合器、摩擦传动机构、摩擦制动装置和螺栓连接等。随着有关摩擦的理论及应用研究的深入，对摩擦的研究模式由宏观进入微观，由定性进入定量，由静态进入动态，由单一学科的分析进入多学科的综合研究。同时其研究领域也逐步扩展，开始从分析摩擦学现象为主逐步向着分析与控制相结合，甚至以控制摩擦学性能为目标的方向发展。总之，摩擦存在于人们的生产、生活各个方面，在人类的文明建设中它有着十分重要的作用。人类研究摩

26、擦除了利用摩擦外，最重要的还是研究如何减少摩擦，减少磨损，从而最大限度的发挥机械效能。3.1.2 摩擦力的分类摩擦的分类方法很多，常见的有以下几种:1. 摩擦副的运动状态分类：(1) 静摩擦两个物体在作宏观位移前的微观位移时，其接触表面之间的摩擦称为静摩擦。(2) 动摩擦两个物体作相对运动时，其接触表面之间的摩擦称为动摩擦。一般情况下，动摩擦系数小于静摩擦系数。2. 摩擦副的运动形式分类：(1) 滑动摩擦两个相互接触的表面作相对滑动（或具有相对滑动趋势）时的摩擦，称为滑动摩擦。例如，活塞在气缸中的往复运动等。(2) 滚动摩擦物体在力矩的作用下，沿接触表面滚动时的摩擦，称为滚动摩擦。例如，各种车

27、辆的车轮在地面的滚动等。3.1.3 摩擦力的研究对象摩擦学研究的对象很广泛，在机械工程中主要包括：动、静摩擦副，如滑动轴承、齿轮传动、螺纹联接、电气触头和磁带-录音头等；零件表面受工作介质摩擦或碰撞、冲击，如犁铧和水轮机转轮等；机械制造工艺的摩擦学问题，如金属成形加工、切削加工和超精加工等；弹性体摩擦副，如汽车轮胎与路面的摩擦(见地面车辆力学)、弹性密封的动力渗漏等；3.2 滑动摩擦只要两物体接触表面间有相对滑动的倾向或发生相对滑动，就会发生滑动摩擦。古典摩擦定律也是在滑动摩擦的试验基础上提出的。3.2.1 滑动摩擦理论 200多年来，经过许多科学家的努力，使摩擦现象和机理的研究有了很大的发展

28、，提出了许多理论来解释摩擦的现象和本质，但目前尚未形成统一的理论。一般常把纯净表面间的干摩擦作为一种理想的摩擦状态来进行研究。解释摩擦起因的理论主要有：机械啮合理论、分子理论、分子机械理论以及粘着摩擦理论。对于金属摩擦副来说，粘着摩擦理论比较令人满意。 3.2.2 影响滑动摩擦的因素 研究摩擦系数的变化及其影响因素，以便控制摩擦过程和降低摩擦损耗，是一项具有普遍意义的课题。摩擦系数是摩擦副的综合特性，受到滑动过程中各种因素的影响，例如：材料副配对性质、静止接触时间、法向载荷的大小和加载速度、摩擦副的刚度和弹性、滑动速度、温度状况、摩擦表面接触几何特性和表面层物理性质、以及介质的化学作用等。这就

29、使得摩擦系数随着工况条件的变化很大，因而预先确定摩擦系数准确的数据是十分困难的，通常根据定性分析和实际测定的办法来确定摩擦系数和各种因素的影响。（1）金属性质 当两个滑动表面是同一金属或是非常类似的金属，或是两种有可能形成固溶合金的金属时，则摩擦较严重。例如，铜铜摩擦副的摩擦系数可达1.0以上，铝铁或铝低碳钢摩擦副的摩擦系数大于0.8。而不同金属或低亲合力的金属组成的摩擦副摩擦系数则较低。如银铁或银低碳钢摩擦副的摩擦系数约为0.3。 单相合金(如币合金：90Ag，10Cu)的性质象纯金属，摩擦性能一般与其主要组元相似。多相合金（如CuPb轴承合金）情况比较复杂，当含有少量的软相时，摩擦系数较低

30、。其原因是软相能够涂抹在合金的表面上充当润滑剂。属于这种类型的合金有含铅的易切削钢和含有石墨的灰口铸铁等。 （2）粗糙度 事实证明，非常粗糙的表面表现出高的摩擦系数，因为在滑动期间一个表面必须越过另一个表面的驼峰。然而非常平滑的表面甚至摩擦系数更大，因为真实接触面积增大，表面间的分子作用加强。左图为摩擦系数随粗糙度的变化曲线。 （3）温度 为了描述摩擦过程中表面温度的状况，通常采用表面瞬现温度、表面平均温度、体积平均温度、温度梯度、热量分布函数等参数来进行研究。总的说来，摩擦热对摩擦性能的影响表现在两方面：一是发生润滑状态转化，如从油膜润滑转化为边界润滑甚至干摩擦；另一是引起摩擦过程动力学特性

31、变化，即摩擦表面与周围介质的作用改变，如表面原子或分子间的扩散、吸附或解附、表层结构变化和相变等。温度对于摩擦系数的影响与表面层的变化密切相关。大多数实验结果表明：随着温度的升高，摩擦系数增加，当表面温度很高使材料软化时，摩擦系数将降低。温度升高时，两金属摩擦副的可焊性增加，强度降低，同时伴随有表面氧化。因此，高温下两金属摩擦副的摩擦特性取决于两金属的高温强度、可焊性以及所形成的表面膜。（4）载荷 载荷是通过接触面积的大小和变形状态来影响摩擦力。 摩擦总是发生在一部分接触峰点上，接触点数目和各接触点尺寸将随着载荷而增加，最初是接触点尺寸增加，随后载荷增加主要引起接触点数目增加。实验表明：光滑表

32、面在接触面上的应力约为材料硬度值的一半；而粗糙表面的接触应力可达到硬度的23倍，即出现表面塑性变形。当表面是塑性接触时，摩擦系数与载荷无关在一般情况下，金属表面处于弹塑性接触状态，由于实际接触面积与载荷的非线性关系，使得摩擦系数随着载荷的增加而降低。由于摩擦表面处于弹塑性接触状态，因而摩擦系数随加载速度而改变。当载荷很小时，加载速度的影响更为显著。（5）速度 当滑动速度不引起表面层性质发生变化时，摩擦系数几乎与滑动速度无关。然而在一般情况下，滑动速度将引起表面层发热、变形、化学变化和磨损等，从而显著地影响摩擦系数。 图是克拉盖尔斯基等人提出的实验结果。对于一般弹塑性接触状态的摩擦副，摩擦系数随

33、滑动速度增加而越过一极大值，如图中曲线2和3。并且随着表面刚度或者载荷增加，极大值的位置向坐标原点移动。当载荷极小时，摩擦系数随滑动速度的变化曲线只有上升部分；而在极大的载荷条件下，曲线却只有下降部分，如图中曲线1和4所示3.2.3 特殊工况下的摩擦 现代机器设备中的摩擦副不少是处于高速、高温或低温、真空等特殊工况条件下工作，其摩擦也就具有某些特殊性，因而也逐渐引起人们对特殊工况下摩擦副的研究兴趣。（1）高速摩擦 在航空、喷射技术、透平、运输及金属切削加工等工艺设备中，不少摩擦副的表面相对滑动速度大于50m/s,有的甚至达到600m/s以上。在这样高的滑动速度下，其摩擦的特点是：摩擦副表面间接

34、触点的相对接触持续时间短，且在接触表面上瞬时就产生了大量的摩擦热，在单位时间内单位名义接触面上所产生的热流密度可按下式计算：Q0=pn式中：为摩擦系数，pnp/An,单位名义压力，为速度。（1）高速摩擦相对滑动速度高时，瞬间所产生的大量摩擦热来不及向内层扩散，因此，摩擦副表层受热的作用大，深度浅，温度梯度大，表面温度可达到材料的熔点，使表面有一层很薄的熔化层。高速时，这层熔化金属液在接触区具有液体动力学特性，摩擦系数均随着速度的增大而降低，且与摩擦副材料的导热性有关。摩擦系数与滑动速度的关系见下表。观察滑动后的试件，在摩擦表面实际接触的地方，发现金属的熔化现象。（2）高温摩擦高温摩擦出现在各种

35、发动机、原子反应堆和宇航设备中。用作高温工作的摩擦材料为难熔金属化合物或陶瓷，例如钼、钛、钨金属化合物和碳化硅陶瓷等等。 研究表明：高温摩擦时，各种材料的摩擦系数随温度的变化趋势相同，随温度升高，摩擦系数先缓慢降低，然后迅速升高。在600700左右摩擦系数出现一个最小值。温度的增高摩擦系数下降是由于分子的热运动使粘着点的剪切阻力减少。当温度增高到某一值后，材料的硬度、弹性模量大大降低，造成机械变形阻力增大，且超过了粘着剪切阻力的下降，此时，摩擦系数则开始随着温度的升高而增大。此外，高温摩擦还可能影响固体结构发生质的变化。如对多晶固体(Pb、Sn等)形成重晶体，对无定形的聚合物则产生热分解乃至碳

36、化。温度同样对表面层的变形和破坏也有影响，这些将大大改变表面层的摩擦特性。（3）低温摩擦在低温下或者各种冷却介质中工作的摩擦副，如各种冷却液输送泵的轴向和径向密封及在低温下工作的滚珠轴承和滑动轴承等。其环境温度常在0以下，此时摩擦热的影响甚小，而摩擦副材质的冷脆性和组织结构对摩擦影响较大。一般，体心立方晶格的金属(Fe、Cr、Mo、Ta、W)在低温时易产生脆性破坏，使用的温度范围较窄；而适于作低温摩擦副的材料主要是面心立方晶格(Al、Ni、Pb、Cu、Ag)和密排六方晶格金属(Ti、Zn、Mg、Co)及其合金，以及石墨和氟塑料等。低温摩擦时，由于冷却介质不同，摩擦特性也有所不同，当在液体冷却介

37、质中摩擦(如在液氮和液氢中摩擦)时，摩擦面上不易形成氧化膜，因此在摩擦过程中接触处易产生粘着。此外，由于液体冷却介质的粘度小，也易造成粘着点，还可能产生气相而形成气蚀等。3.3 滚动摩擦车轮与地面的摩擦就是滚动摩擦。由于滚动摩擦的影响因素很多，所以研究滚动摩擦比研究滑动摩擦更为复杂。本节将介绍滚动摩擦的一些基本概念、摩擦机理及影响因素。 3.3.1 基本概念（1）滚动摩擦的定义 如图所示，当圆柱沿平面滚动时，由于接触区的变形使得以接触点C为中心的接触压力分布不对称，因而支承面的反力产生偏移。此反力对于接触点的矩称为滚动摩擦力矩。滚动摩擦系数fr定义为滚动摩擦力矩与法向载荷之比，即 frFR/L

38、 = e由式可知，·滚动摩擦系数fr与滑动摩擦系数不同，它是有量纲的量，常用单位为mm。Coulomb(1785年)最早用实验方法得出滚动摩擦定律：滚动阻力系数r与滚动体半径R的乘积是一个常量，也就是滚动摩擦系数fr或者偏心距e为常量。它们的数值取决于摩擦副的材料性质，而与载荷大小无关。随后，Dupuit(1837年)提出了修正公式，通常称为Dupuit定律，即式中，D为滚动体直径；滚动摩擦系数fr为由材料和表面状况确定的常量，不随速度和载荷而变化。 显然，上述的滚动摩擦定律末涉及滚动摩擦机理，它可以近似地应用于工程计算。3.3.2 滚动的基本形式各种滚动运动都可以视为以下三种基本滚

39、动形式的组合、这三种滚动形式的表面作用和摩擦机理各不相同。（1） 自由滚动圆柱体或球体沿着平面无约束地作直线滚动，这是最简单的滚动形式。（2） 具有牵引力的滚动在接触区内同时受到法向载荷和切向牵引力的作用，例如摩擦轮传动。（3）伴随滑动的滚动当两个滚动体的几何形状造成接触面上的切向速度不相等时，滚动中必将伴随滑动，例如向心推力球轴承中球与该道之间的滚动。3.4 摩擦振动机器运转时发生的有害振动，会降低工作性能和缩短使用寿命，有时会危害设备和操作人员。本节研究滑动零件因受摩擦力作用而发生的振动。这里介绍研究方法，分析振动特性，并探讨如何防止或减轻振动。 3.4.1 摩擦振动现象摩擦振动也称粘滑运

40、动，在工程上是常见的现象。金属切削加工中，加工表面质量急剧下降的振动，汽车启动时的急剧冲击或明显振动，制动器在制动时的尖叫声，铰链在回转时振颤。一个巨大的质量沿滑轨作低速滑动时发生的颤动。这一切大都涉及到摩擦。当滑动速度很低时，这些现象最为普遍，常常是不仅产生噪音，而且还发生严重磨损和造成尺寸不准。间接影响也可能非常严重，例如在纺织机械中，振动会导致布面上呈现不合要求的图案。3.4.2 摩擦振动的特点振动产生于低滑动速度，而于高速时消失；振动的振幅和频率与滑动速度、滑动件质量和系统的刚度有关；产生振动时第一个振动波的振幅比其后振动的振幅大得多。3.4.3 摩擦振动产生的原因第一种理论(Bowd

41、en)认为：由于两摩擦表面之间产生黏着；第二种理论(Block)认为：由于摩擦力随滑动速度增大而减小；第三种理论()认为:由于摩擦力随静接触时间延长而增大。3.4.4 摩擦振动的危害性摩擦振动的危害性主要表现为：产生噪音污染（如汽车、火车制动时的尖叫声）；振动冲击（如汽车启动、火车制动时产生的急剧冲击或明显振动令乘客极为不舒服，纺织机械摩擦振动会使布面图案质量大为下降）； 导致发生严重磨损和造成尺寸不准，降低工作性能和缩短使用寿命；危害设备甚至人身安全（如产生共振情况）。 3.5 本章小结摩擦学涉及许多学科。如完全流体润滑状态的滑动轴承的承载油膜，基本上可以运用流体力学的理论来解算。但是齿轮传

42、动和滚动轴承这类点、线接触的摩擦，就还需要考虑接触变形和高压下润滑油粘度变化的影响；在计算摩擦阻力时则需要认真考虑油的流变性质，甚至要考虑瞬时变化过程的效应，而不能把它简化成牛顿流体。 为了了解磨损的发生发展机理，寻找各种磨损类型的相互转化以及复合的错综关系，需要对表面的磨损全过程进行微观研究。仅就油润滑金属摩擦来说，就需要研究润滑力学、弹性和塑性接触、润滑剂的流变性质、表面形貌、传热学和热力学、摩擦化学和金属物理等问题，涉及物理、化学、材料、机械工程和润滑工程等学科。 随着科学技术的发展，摩擦学的理论和应用必将由宏观进入微观，由静态进入动态，由定性进入定量，成为系统综合研究的领域。第4章 基

43、于PROE的数控机床进给 系统的仿真4.1 数控技术发展的概况20世纪40年代末期，在美国空军的资助下，美国麻省理工学院完成了对数控机床的研究工作，于1952年推出了第一台数控机床。此后，数控技术逐步推广到西方一些工业发达国家。50多年来，随着计算机技术的突飞猛进，数控技术迅猛发展，目前数控机床已经发展到今天的数控机床综合应用了自动控制、计算机技术、精密测量和机床结构的最新成果。数控编程方法由最初的手工编程发展到现在的自动编程，使复杂型面的加工变为可能。编程人员对整个模式过程进行观察，能及时地发现其不合理的地方及错误的参数并进行修改，这样，最后所生成NC代码是符合生产实际的。它为提高生产率、缩

44、短新产品研制周期、保证产品产量、降低成本创造了有利的条件，尤其是对三维复杂曲面零件，只要作适当的修改，就能产生新的NC代码，因而它具有相当大的柔性。这种采用计算机辅助设计绘图和编制数控加工程序的系统，就是我们所说的CAD/CAM。随着计算机技术、空间几何造型技术、工程数据库技术和系统集成技术的不断发展进步，如今已出现了一批功能强大的CAD/CAM软件，如法国达索飞机制造公司的CATIA、美国麦道航空公司的UG-II和美国参数技术公司的Pro/E，这些软件都具有空间异型曲面的数控加工程序编制功能，有的还达到了五坐标数控加工，而且大多具有图形数据交换的标准接口，在一定程度上能够共享数据库。 这些C

45、AD/CAM软件大都采用图像编程技术，其功能已发展到能够进行复杂曲面的多坐标数控加工编程，可显示刀具轨迹，直观、形象地模拟数控加工过程，容易发现干涉情况并及时予以修正。因而使可靠性大为提高，试切次数减少，对于不太复杂的零件，往往一次加工合格，其编程时间平均比用人工编程节省2/3左右。4.2 本章主要内容本章主要介绍的基于ProE的数控自动化加工方法，主要包括以下四个方面的内容：1.基于Pro/E的CAD三维建模，即在Pro/E中构建出零件和毛坯的三维模型；2.基于Pro/E的CAM自动化加工，即在ProE中设置加工机床、刀具、编程零点等参数，然后制定加工工艺，自动产生加工数据文件和刀位轨迹文件

46、；3.基于Pro/E的NC代码后处理技术，上述所生成的刀位轨迹文件并不是NC代码，需要经过机床的后置处理器，转换成数控机床所能识别NC代码，最后传送到数控机床中，进行加工。CAD/CAM一体化技术 零件模型 毛坯模型 制造模型 夹具设计加工环境设定 NC代码生成 机床实际加工 后置处理 定义数控工序 机床设置 生成刀位文件 刀具设置 VERICUT仿真加工NC代码后处理技术4.3 基于Pro/E的NC代码后处理技术值得注意的是，此时的刀位文件并不是数控加工程序，而此时的仿真加工也只是对刀位轨迹进行仿真，并没有对圆柱凸轮的数控加工程序进行仿真。 刀位轨迹文件给出的是刀具在工件坐标系中的位置数据，

47、包括刀心点坐标和刀轴矢量，而不是数控程序。因此，要获得数控机床加工程序，还需要将刀位轨迹文件转换成具体机床的程序代码，该过程称为后置处理(Post-Processing)。后置处理的任务就是根据具体机床运动结构和控制指令格式，将前置计算的刀位数据变换成机床各轴的运动数据，并按其控制指令格式进行转换，成为数控机床的加工程序。由此可见，后处理技术是整个计算机辅助制造过程中非常重要的部分，没有这部分的技术就不能生成NC代码，也就无从谈数控加工了。具体实现后置处理技术的是各个数控机床的后处理器。后处理器是一个用来处理由CAD系统产生的刀位数据文件的应用程序。由于每个机床的结构特点不一样，例如有的机床主

48、轴是水平布置，有的机床主轴是垂直布置，还有的机床可以实现多轴联动等；另外各种机床所使用的控制系统不一样，即所需的NC代码的代码定义和格式也不一样；因此每个数控机床的后处理器也就各不相同。 数控机床后处理器的开发构建可在各种CAD/CAM（Pro/E、UG等）软件的后处理模块中实现，后处理模块带有一些一般机床的专用后处理器，但对于结构复杂的特殊五轴加工中心的后处理器需要自己开发。Pro/E的后处理模块Pro/NC POSTPro/E软件提供了Pro/NC POST模块来实现后处理功能。 Pro/NC POST为用户提供了一些常用的后置处理器，在实际应用中，这些后置处理器可能会不满足用户的需要。这

49、时用户就必须创建自己的后置处理器。Pro/NC POST能够实现这一功能。 开发机床的后处理器的方法是：在CAD/CAM软件的后处理模块中，依据机床工作手册和数控系统编程手册定义机床的各种参数和数控功能代码，还可进行编程以设置NC代码程序的头尾和输出程序格式。4.4 本章小结利用数控机床进行加工时，最重要的一环是编程人员根据零件图纸及其它加工信息，编制数控加工程序，然后控制机床实现整个加工过程。原先使用的手工编程有如下的缺点： (1)每个点的坐标都要进行计算，工作量大繁琐且易出错； (2)对复杂形状的零件，如螺旋桨的叶片形状，不但计算复杂，有时人工也很难实现。上述问题由计算机进行处理，难题就迎

50、刃而解了。目前数控自动编程过程是在三维绘图软件控制下，以人机对话的形式，在图形显示终端上绘制出加工零件及毛坯，选择机床和刀具并制定加工工艺，就可在计算机上产生并显示刀具加工轨迹，然后由相应机床的后处理器自动生成NC代码。数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础。这个基础是否牢固直接影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。因此，世界上各工业发达国家均采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业。在我国，数控技术与装备的发展亦得到了高度重视，近年来取得了相当大的进步。特别是在通用微机数控领域，以PC平台为基础的国产数控系统，已经走在了世界前列。但是，我国在数控技术研究和产业发

51、展方面亦存在不少问题，特别是在技术创新能力、商品化进程、市场占有率等方面情况尤为突出。在新世纪到来时，如何有效解决这些问题，使我国数控领域沿着可持续发展的道路，从整体上全面迈入世界先进行列，使我们在国际竞争中有举足轻重的地位，将是数控研究开发部门和生产厂家所面临的重要任务。为完成此任务，首先必须确立符合中国国情的发展道路。为此，本文从总体战略和技术路线两个层次及数控系统、功能部件、数控整机等几个具体方面探讨了新世纪的发展途径。   1 总体战略制定符合中国国情的总体发展战略，对21世纪我国数控技术与产业的发展至关重要。通过对数控技术和产业发展趋势的分析和对我国数控领域存在问

52、题的研究，我们认为以科技创新为先导，以商品化为主干，以管理和营销为重点，以技术支持和服务为后盾，坚持可持续发展道路将是一种符合我国国情的发展数控技术和产业的总体战略。1.1 以科技创新为先导中国数控技术和产业经过40多年的发展，从无到有，从引进消化到拥有自己独立的自主版权，取得了相当大的进步。但回顾这几十年的发展，可以看到我们在数控领域的进步主要还是按国外一些模式，按部就班地发展，真正创新的成分不多。这种局面在发展初期的起步阶段，是无可非议的。但到了世界数控强手如林的今天和知识经济即将登上舞台的新世纪，这一常规途径就很难行通了。例如，在国外模拟伺服快过时时，我们开始搞模拟伺服，还没等我们占稳市

53、场，技术上就已经落后了；在国外将脉冲驱动的数字式伺服打入我国市场时，我们就跟着搞这类所谓的数字伺服，但至今没形成大的市场规模；近来国外将数字式伺服发展到用网络（通过光缆等）与数控装置连接时，我们又跟着发展此类系统，前途仍不乐观。这种老是跟在别人后面走，按国外已有控制和驱动模式来开发国产数控系统，在技术上难免要滞后，再加上国外公司在我国境内设立研究所和生产厂，实行就地开发、就地生产和就地销售，使我们的产品在性能价格比上已越来越无多大优势，因此要进一步扩大市场占有率，难度自然就很大了。为改变这种现状，我们必须深刻理解和认真落实“科学技术是第一生产力”的伟大论断，大力加强数控领域的科技创新，努力研究

54、具有中国特色的实用的先进数控技术，逐步建立自己独立的、先进的技术体系。在此基础上大力发展符合中国国情的数控产品，从而形成从数控系统、数控功能部件到种类齐全的数控机床整机的完整的产业体系。这样，才不会被国外牵着鼻子，永远受别人的制约，才有可能用先进、实用的数控产品去收复国内市场，打开国际市场，使中国的数控技术和数控产业在21世纪走在世界的前列。1.2 在商品化上狠下工夫近几年我国数控产品虽然发展很快，但真正在市场上站住脚的却不多。就数控系统而言，国产货仍未真正被广大机床厂所接受，因此出现国产数控系统用于旧机床改造的例子较多，而装备新机床的却很少，机床厂出产的国产数控机床大多数用的都是国外的系统。

55、这当然不是说旧机床的数控化改造不重要，而是说明从商品的角度看，我们的数控系统与国外相比还存在相当大的差距。影响数控系统和数控机床商品化的主要因素除技术性能和功能外，更重要的就是可靠性、稳定性和实用性。以往，一些数控技术和产品的研究、开发部门，所追求的往往是一些体现技术水平的指标（如多少通道、多少轴联动、每分钟多少米的进给速度等等），而对影响实用性的一些指标和一些小问题却不太重视，在产品的稳定性、鲁棒性、可靠性、实用性方面花的精力相对较少。从而出现某些产品鉴定时的水平都很高，甚至也获各种大奖。但这些高指标、高性能的产品到用户哪儿却由于一些小问题而表现不尽人意，最后丧失了信誉，打不开市场。这说明，

56、高指标、高性能的样机型的产品离用户真正需要的实用、可靠的商品是有相当大的距离的，将一个高指标、高性能的产品变为一个有市场的商品还需作出大量艰苦的努力。另一方面，数控系统和数控机床不像家电类产品那样易于大批量生产，应用环境也不那么简单。数控产品是在生产环境中使用，面临的是五花八门的工艺问题。如果开发部门对这些问题掌握得不透，就难以将产品设计得很完善。而且数控产品的某些问题在开发、试用，甚至鉴定时都难以发现。这就造成，同样型号的数控机床在有的用户那儿运行得很好，而在别的用户那儿却表现欠佳。或者同样型号的数控机床用于加工某些零件工作得很好，但用于加工其他零件时却不尽人意。出现这种情况，有时是用户操作人员的水平问题，但有时就是数控产品本身潜在问题的暴露。为解决这一问题，国外一些公司设立了专门机构来测试考验自己的产品，如为考验新开发的数控系统，厂家自己设计和从生产实际中收集了大量零件程序，让数控系统运行各种各样的程序，一