智能制造装备技术

本书以智能制造装备为主要对象，讨论了智能制造装备共性技术，结构方案创新设计方法，以及满足不同功能需求、采用不同工艺方法的各种典型的智能制造装备相关技术等。全书共分为八章，主要内容包括：智能制造装备概述、智能制造装备的结构组成与共性关键技术，智能制造装备运动分析与结构方案创新设计，基于个性化需求的智能制造装备、智能复合制造装备、智能制造装备运动系统、智能制造装备数控系统以及智能制造装备伺服进给运动的创新设计案例。本书内容简明扼要、通俗易懂，可以使读者较全面地认识和了解智能制造装备技术，并拓宽智能制造装备创新设计思路，对培养当代新工科人才的创新设计能力具有重要指导作用。 本书可作为高等院校机电工程、控制工程类各专业高年级本科生及研究生教材，也可供工业工程、管理工程和工业设计等专业学生使用，亦可供从事相关专业教学与科研工作的人员、制造企业工程技术人员与企事业管理人员参考。

冯显英，山东大学教授、博士生导师。中国机械工程学会高级会员、机器人分会委员，国家科学技术奖、国家自然科学基金、国家留学基金评审专家，国内外多家学术期刊特约审稿人。主要研究方向为智能制造、检测与微纳运动控制技术、智能数控机床与机器人等高端装备理论与技术等。先后主持及参与完成国家自然科学基金项目、国家重点研发计划项目等*项目10个，省自然科学基金项目、省重点研发计划项目等省部级各类项目20个，企业委托项目50余个，其中多项技术实现了产业化。获发明专利授权52项，其 中作为第一发明人的有25项。发表学术论文140余篇，其中SCI/EI 收录80余篇。出版专著1部、主编及合著图书5部。获省部级科技进步奖二等奖3项，中国机械工业科技进步奖一等奖1项、二等奖1项，获市级奖励多项。

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第1章智能制造装备概述/1 1.1智能制造装备的基本概念/1 1.1.1制造、制造方法、制造装备的含义/1 1.1.2智能制造概念的提出与发展/2 1.1.3智能制造装备的定义/7 1.1.4智能制造装备的特征/7 1.1.5智能制造装备技术体系/8 1.1.6制造装备智能化的意义/10 1.2智能制造装备分类/11 1.2.1按制造业门类分类/12 1.2.2按材料分类/13 1.2.3按材料成形机理与体积变动量分类/15 1.2.4按制造方法特点分类/17 1.2.5按功能分类/17 1.2.6按制造过程作用分类/18 1.3制造装备的发展特点与趋势/20 1.3.1制造装备的数字化发展/20 1.3.2制造装备的柔性化发展/21 1.3.3制造装备的智能化发展/26 1.3.4智能制造装备发展趋势/27 第2章智能制造装备的结构组成与共性关键技术/31 2.1智能制造装备构成的技术机理和组成要素/31 2.1.1智能制造装备构成的技术机理/31 2.1.2智能制造装备的构成要素/32 2.1.3典型智能制造装备结构组成/33 2.2智能制造装备共性关键技术/50 2.2.1智能驱传技术/50 2.2.2智能检测技术/52 2.2.3物联网与大数据技术/53 2.2.4智能控制技术/54 2.2.5智能故障诊断/运维与数字孪生技术/56 智能制造装备技术目录第3章智能制造装备运动分析与结构方案创新设计/60 3.1智能制造装备加工运动学分析/60 3.1.1零件功能形面加工的数学分析基础/60 3.1.2零件功能形面加工运动学图谱/66 3.1.3基于齿廓表面加工运动学图谱的运动学分析/69 3.2智能制造装备结构方案数字化组合设计及编码方法/72 3.2.1智能制造装备结构方案数字化组合设计/72 3.2.2智能制造装备运动方案的生成与评价/77 3.2.3智能制造装备样机设计与开发/81 3.2.4六轴联动滚齿智能制造装备的结构方案创新设计/83 3.3智能制造装备结构方案柔性创成/87 3.3.1基于切削运动方案的制造装备结构部件形式模块化实现 /88 3.3.2面向对象的滚齿智能制造装备结构方案创成的数字化描述 /88 3.4智能制造装备机械本体的并联结构方案设计/92 3.4.1智能制造装备机械本体的并联结构方案设计概述/92 3.4.2智能制造装备机械本体的并联机构位置分析/96 3.4.3智能制造装备的机械本体并联结构方案/101 第4章基于个性化需求的智能制造装备/118 4.1智能五轴联动加工中心/118 4.1.1智能五轴联动加工中心概述/118 4.1.2五轴联动加工中的真假五轴与RTCP技术/122 4.1.3智能五轴联动加工中心运动求解/126 4.1.4任意创新运动设计的多轴联动加工中心运动学建模与求解 /132 4.1.5智能五轴联动加工中心关键技术特点/134 4.1.6智能五轴联动加工中心及加工工艺的选用/140 4.1.7智能五轴联动加工中心的智能化技术/149 4.2智能高速加工中心/161 4.2.1高速加工技术及其对智能高速加工中心的性能要求/161 4.2.2智能高速加工中心主要组成部分及特征/163 4.2.3高速加工中心的合理选用/189 4.3智能增材制造装备/190 4.3.1增材制造装备与技术概述/190 4.3.2典型增材制造技术/192 4.3.3增材制造技术应用与发展趋势/208 4.4智能激光制造装备/216 4.4.1激光加工原理/217 4.4.2先进激光加工技术/220 4.4.3激光智能加工装备及结构特点/231 第5章智能复合制造装备 /244 5.1智能复合制造装备概述/244 5.1.1复合加工的内涵/244 5.1.2发展智能复合制造装备的必要性/245 5.2智能铣车复合加工中心/246 5.2.1铣车复合加工中心结构布局特点/246 5.2.2铣车复合加工中心主要部件结构及性能特点/247 5.2.3铣车复合加工中心主要技术参数和配置/252 5.3智能车铣/磨复合制造装备/254 5.3.1车铣复合加工中心结构及功能简介/254 5.3.2车磨复合加工中心装备结构及功能特点/257 5.4精密数控磨复合制造装备/259 5.4.1J4K321精密复合数控磨床结构设计和运动设计/259 5.4.2J4K321精密复合数控磨床的主要技术参数和性能验证 /261 5.4.3智能柔性制造单元/263 5.5智能柔性制造系统/267 5.5.1柔性制造系统概述/267 5.5.2FMS的加工系统/270 5.5.3FMS的物流系统/272 5.5.4Fastems智能柔性制造系统简介/283 5.6智能工厂/287 5.6.1智能工厂的概念和框架结构/287 5.6.2基于智能工厂的制造业变化/290 5.6.3中国制造业发展对策/291 第6章智能制造装备运动系统/293 6.1智能制造装备运动系统概述/293 6.1.1智能制造装备运动系统的特点与分类/293 6.1.2智能制造装备运动控制技术/293 6.2智能制造装备主运动系统/297 6.2.1智能制造装备主运动系统概述/297 6.2.2智能制造装备主运动系统设计/298 6.3智能制造装备进给伺服系统/302 6.3.1智能制造装备进给伺服系统分类/303 6.3.2智能制造装备进给伺服系统设计要求/307 6.3.3进给伺服系统等效转动惯量和等效转矩的计算/309 6.4进给伺服系统动力装置/313 6.4.1进给伺服电动机概述/313 6.4.2直驱型电动机/318 6.4.3伺服电动机主要性能参数和选择原则/323 6.5进给伺服系统的位置检测装置/325 6.5.1智能制造装备位置检测概述/326 6.5.2智能制造装备常用的位置检测装置/328 6.5.3智能制造装备几何精度检验仪/343 6.6智能伺服驱动技术/347 6.6.1直流伺服驱动技术/347 6.6.2交流变频驱动技术/357 6.6.3全数字智能交流伺服驱动器结构/362 6.6.4进给伺服系统的控制模式/363 6.7智能进给伺服系统的优化/365 6.7.1智能进给伺服系统优化的理论基础/366 6.7.2进给伺服系统的动态性能分析/370 6.7.3伺服参数的智能优化/377 第7章智能制造装备数控系统/383 7.1数控技术概述/383 7.1.1智能制造装备数控系统的任务/383 7.1.2数控系统和数控制造装备的内涵/384 7.1.3智能数控系统的基本组成和工作流程/385 7.1.4智能数控系统的功能/386 7.2智能制造装备数控系统硬件体系结构/389 7.2.1典型数控系统硬件体系结构/389 7.2.2智能制造装备用PLC/393 7.2.3基于运动控制器的IPC开放式数控系统/407 7.2.4基于PLC架构的开放式数控系统/412 7.2.5基于通用IPC硬件平台架构的开放式数控系统/412 7.3数控系统的软件结构/414 7.3.1智能制造装备数控系统的软件组成和工作过程/414 7.3.2数控插补原理与方法/417 7.3.3全软件型开放式数控系统开发环境/417 7.4基于KRMotion的全软件型数控系统/425 7.4.1基于KRMotion的全软件型数控系统硬件架构/425 7.4.2基于KRMotion的全软件型数控系统软件架构 /426 7.4.3基于KRMotion的全软件型数控系统开发过程/428 7.5智能云数控系统/429 7.5.1智能云数控系统的概念/429 7.5.2智能云数控系统体系架构/430 7.6智能制造装备的互联通信技术/431 7.6.1国内外智能制造装备数控系统互联通信协议/431 7.6.2现场总线通信模型与协议/433 7.6.3工业主流的现场通信总线/436 7.6.4工业以太网技术/447 7.7智能数控方法/450 7.7.1自动控制概述/450 7.7.2先进PID控制技术/452 7.7.3模糊控制技术/459 7.7.4专家系统/464 7.7.5人工神经网络/471 7.7.6其他智能控制方法/480 第8章智能制造装备进给伺服运动创新设计案例/483 8.1宏宏双驱差动微纳进给伺服系统结构及工作模式/483 8.1.1宏宏双驱差动微纳进给伺服系统的结构/483 8.1.2宏宏双驱差动微纳进给伺服系统的工作模式与微量进给实现原理/485 8.2宏宏双驱差动微纳进给伺服系统的动力学模型/487 8.2.1丝杠单驱动模式下系统的动力学建模/487 8.2.2螺母单驱动模式下系统的动力学建模/489 8.2.3双轴驱动模式下系统的动力学建模/490 8.2.4交流伺服电动机动力学建模/492 8.3宏宏双驱差动微纳进给伺服系统运动控制技术/493 8.3.1双轴差速运动分解策略与加减速规划/493 8.3.2运动控制器设计/498 8.3.3运动控制器仿真/502 8.4宏宏双驱差动微纳进给伺服运动控制全软件型数控系统开发与实验 /505 8.4.1全软件型数控系统开发环境与功能需求分析/505 8.4.2数控系统运动控制软件设计/508 8.4.3宏宏双驱差动微纳进给伺服系统运动控制实验/513 参考文献/516