數控專業開題報告

數控專業開題報告1

一、目的及意義：

當今世界，工業發達國家對機床工業高度重視，競相發展機電一體化、高精、高效、高自動化先進機床，以加速工業和國民經濟的發展。長期以來，歐、美、亞在國際市場上相互展開激烈競爭，已形成一條無形戰線，特別是隨著微電子、計算機技術的進步，數控機床在20世紀80年代以后加速發展，各方用戶提出更多需求，四大國際機床展早已成為各國機床制造商競相展示先進技術、爭奪用戶、擴大市場的焦點。中國加入WTO后，正式參與世界市場激烈競爭，今后如何加強機床工業實力、加速數控機床產業發展，實是緊迫而又艱巨的任務。

隨著世界科技進步和機床工業的發展，數控機床作為機床工業的主流產品，已成為實現裝備制造業現代化的關鍵設備，是國防軍工裝備發展的戰略物資。數控機床的擁有量及其性能水平的高低，是衡量一個國家綜合實力的重要標志。加快發展數控機床產業也是我國裝備制造業發展的現實要求。根據中國機床工具工業協會組織用戶調查表明，航天航空、國防軍工制造業需要大型、高速、精密、多軸、高效數控機床；汽車、摩托車、家電制造業需求高效、高可靠性、高自動化的數控機床和成套柔性生產線；電站設備、造船、冶金石化設備、軌道交通設備制造業需求高精度、重型為特征的數控機床；IT業、生物工程等高技術產業需求納米級亞微米級超精密加工數控機床；工程機械、農業機械等傳統制造行業的產業升級，特別是民營企業的蓬勃發展，需要大量數控機床進行裝備。當今數控機床的發展，除了要求機床重量輕、成本低、使用方便和具有良好工藝可能性外，還著重要求機床具有愈來愈高的加工性能。隨著現代數控機床日益向著高速化、高性能、高精度方向發展，傳統的設計方法己無法滿足數控機床發展的要求[1].

數控機床床屬于大型機械設備，在整個機床的各個組成部分中，機床立柱是一個極其重要的大件，它起著支撐工件和連接工作臺、床身等關鍵零部件的作用。數控機床立柱結構的設計尺寸和布局形式，決定了其本身的各個動態特性。往往由于立柱結構設計不合理，導致立柱的剛度不足，產生各種變形、振動，加工時刀具與工件間產生相對變形和振動，也使零件加工精度降低。立式車床用于加工徑向尺寸大而軸向尺寸相對較小，形狀復雜的大型和重型工件。如各種盤，輪和套類工件的圓柱面，端面，圓錐面，圓柱孔，圓錐孔等。亦可借助附加裝置進行車螺紋，車球面，仿形，銑削和磨削等加工。與臥式車床相比，立式車床主軸軸線為垂直布局，工作臺臺面處于水平平面內，因此工件的夾裝與找正比較方便。這種布局減輕了主軸及軸承的荷載，因此立式車床能夠較長期的保持工作精度。大量加工實踐證明，將臥式車床立起來使用（變成了立式車床）反倒顯示出了更多的優越性，如占地面積小、排屑更加方便、承載能力增加等。同時立式車床還具有很好的主軸旋轉精度和較強的切削能力，更加有利于實現生產的自動化，所以對立式車床的使用和需求也越來越多。立柱是數控立式車床重要結構部件之一，其結構特性對立式車床的性能影響很大，主要體現在加工精度、抗振性、切削效率、使用壽命等方面。因此，立柱結構的靜、動態性能是決定整機性能的重要因素之一。由于立柱結構形狀較復雜，采用一般方法對其進行靜、動態特性計算比較困難。如何對立柱等部件進行精確、合理、科學可行的計算，是機床結構設計過程中需要迫切解決的重要課題[2].

因此，在設計數控機床立柱結構時，考慮立柱的動態特性顯得尤為重要。針對這些因素，有必要對數控機床的立柱部分進行結構優化，本課題對數控機床的立柱部分進行優化設計有重要的實際意義。

二、研究動態：

1、國外研究動態：

國外的機床結構優化領域的研究比較多，在結構優化、有限元分析、參數化設計方面都有不少研究，美國機械工程師學會“OptimalsynthesisofcompliantmechanismsusingsubdivisionandcommercialFEA”一文中，利用有限元軟件分析機械結構，提出全程參數化設計，并對其進行拓撲優化，全面分析了設計變量在優化程序中的變數。

國外機床結構優化設計存在以下特點：

（1）設計與分析平行。從以滿足一定性能要求為目標的結構選型、結構設計，到具體設計方案的比較及確定、設計方案的模擬試驗等。床身結構設計的各個階段均有結構分析的參與。床身結構分析貫穿了整個設計過程，這樣確定的床身結構設計方案，基本就是定型方案[3].

（2）結構優化的思想被用于設計的各個階段。

（3）大量的虛擬試驗代替實物試驗。虛擬試驗不僅可以在沒有實物的條件下進行，而且實施迅速、信息量大。利用虛擬試驗，一方面可以在多個設計方案中選擇最優，減少設計的盲目性，另一方面可以及早發現在設計中的問題。從而減少設計成本，縮短設計周期[4].

隨著工業的發展，對數控機床的要求越來越高。在機床的設計中，需要對其組成部件進行嚴密的分析與計算。車床床身等支承件的.重量要占車床總重量的20%到30%,因此對支承件的單位重量剛度提出較高的要求。在重量輕的條件下，需保證支承件具有足夠的靜剛度，所以對支承件材料的分布、支承件壁厚和開孔位置的合理性提出了要求，有必要進行分析計算。

2、國內研究動態：

目前國內在機床結構優化領域的研究比較活躍，機床結構優化設計的內容十分豐富，涉及內容很多，包括靜力學，結構非線性分析，拓撲優化，模態分析，動力學分析等。目前有限元方法在機床結構設計中的應用主要有以下幾個方面：

（1）靜力學分析。這是對二維或者三維機床零件承載后的應力和應變的分析，是有限元在機床設計中最基本、最常用的分析類型。

（2）模態分析。這是動力學分析的一種，用于研究結構的固有頻率和各振型等振動特性，進行這種分析時所施加的載荷只能是位移載荷和預應力載荷[5].

（3）諧響應分析和瞬態動力學分析。這兩類分析也屬于動力學分析，用于研究機床對周期載荷和非周期載荷的動態響應。

（4）熱應力分析。用于研究結構內部溫度的分布，以及機床內部的熱應力。

（5）接觸分析。用于分析兩個結構件接觸時的接觸面狀態和法向力。

國內的機床結構優化設計主要是應用在剛度和強度分析方面。廣西大學陳文鋒、毛漢領“MXBS.1320型高速外圓磨床動態性能的試驗研究‘’一文中，對MXBS.1320型高速外圓磨床的動態性能使用脈沖激振法進行了試驗研究，得到磨床前幾階模態的頻率和振型圖，尋找出機床振動的薄弱環節和主要振源，并提出一些機床改造的措施。此外還有對主要零部件進行有限元分析，優化零部件結構的設計[6].東南大學和無錫機床股份有限公司對內圓磨床M2120A床身結構進行有限元分析，得到床身前幾階的固有頻率和振型，分析床身的內部筋板布置對結構動態特性的影響。張海偉，利用動態實驗分析和理論模型分析兩種方法對臥式加工中心的動態性能進行了分系，通過實驗測試數據與理論計算結果對比分析，驗證了理論模型的合理性，找出了機床的薄弱環節，并進行了結構優化。優化后分析結果證明機床結構的最大變形值都相應降低。陳慶堂，運用工程軟件ANSYS的優化設計模塊，根據主軸箱的實際工況及機床零件加工精度要求，在參數化建模及結構應力分析基礎上，對XK713數控銑床軸箱結構以減輕重量為目標進行優化設計。通過優化設計及分析，主軸箱結構重量減輕了23.2%,三個方向上剛度和應力得到了合理的分布[7].東南大學機械工程系，利用有限元法對機床床身進行靜、動態分析，并使用漸進結構優化算法對床身結構進行基于基頻約束和剛度約束的拓撲優化，為ESO方法在機床大件結構拓撲優化中的應用做了有益的嘗試。王艷輝、伍建國等人，在”精密機床床身結構參數的優化設計‘’一文中，在確定精密機床床身合理結構的基礎上，利用ANSYS有限元軟件提供的APDL參數化設計語言和優化設計方法，以床身的肋板布置和肋板厚度為設計參數，對床身進行結構設計參數的優化，確定了床身結構的合理參數。不僅大大提高了床身的動態性能：而且節省了材料，降低了生產成本[8].

課題的主要內容：

1、確定數控機床立柱體系結構的設計以及實現方案；

2、確立數控機床立柱系統中關鍵部分的數學建模（包括相應的G功能代碼、幾何仿真過程中能實現的M代碼等）；

3、加工過程的動態建模；

4、分析并編寫零件加工程序；

5、編制相應的仿真軟件。

研究方法、設計方案：

1、研究方法：

以WINDOWS為平臺，以CAD軟件為工作語言設計系統各個零件，在用UG繪制三維立體圖，并對其進行裝配，再用UG編寫零件的加工程序，對其講過仿真，實現數控代碼的實時、動態的切削過程。

2、設計方案：

系統采用模塊化設計，其總體結構方案如圖1-1所示，各模塊的功能如下：

（1）利用CAD軟件對整個系統的零件進行設計。

（2）用UG對各個零件進行三維建模。

（3）裝配各個零件，形成立柱的整體結構。

（4）檢查裝配中零件設計的合理性及建模的正確性。

（5）NC程序：利用UG對零件進行三維建模，并用UG編寫用于加工仿真的程序。

（6）插補算法：采用逐點比較法對直線、圓弧進行插補運算。

（7）仿真顯示：利用UG提供的建模環境建立毛坯和刀具，并顯示刀具運動軌跡。

（8）最后對編寫的程序進行仿真，分析刀路及加工出的零件是否符合要求。

完成期限和預期進度：

①畢業設計課題調研階段：（第1~2周）：課題調研及文獻檢索、完成英文翻譯；

②畢業設計開題報告階段：（第3~4周）：完成開題報告；

③畢業設計主要工作階段：（第5~12周）；

（1）完成系統的總體規劃。（第5~6周）；

（2）各零件的設計。（第7~9周）；

（3）數控仿真。（第10周）；

（4）完成設計說明書的撰寫工作。（第11~12周）；

④畢業設計答辯階段：（第13~15周）。

數控專業開題報告2

學院

畢業設計開題報告

題目：

學生姓名：

學 號：

專 業：

指導教師：

典型軸類零件加工090113054 20xx年 11月08 日

1.結合畢業設計課題情況，根據所查閱的文獻資料，每人撰寫600字左右的文獻綜述：

隨著數控技術的不斷發展和應用領域的擴大，數控加工技術對國計民生的一些重要行業（IT、汽車、輕工、醫療等）的發展起著越來越重要的作用，因為效率、質量是先進制造技術的主體。高速、高精加工技術可極大地提高效率，提高產品的質量和檔次，縮短生產周期和提高市場競爭能力。而對于數控加工,無論是手工編程還是自動編程，在編程前都要對所加工的零件進行工藝分析，擬定加工方案，選擇合適的刀具，確定切削用量，對一些工藝問題(如對刀點、加工路線等)也需做一些處理。并在加工過程掌握控制精度的方法,才能加工出合格的產品。

本文根據數控機床的特點，針對具體的零件，進行了工藝方案的分析，工裝方案的確定，刀具和切削用量的選擇，確定加工順序和加工路線，數控加工程序編制。通過整個工藝的過程的制定，充分體現了數控設備在保證加工精度，加工效率，簡化工序等方面的優勢。

2.本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段及途徑： 研究問題：

本次設計是能夠利用數控機床加工出典型的軸類零件。

研究手段：先用cad把零件圖畫出來，對零件圖進行分析，確定零件的加工方法。確定零件的定位基準及裝夾方式和刀具的選擇。并能利用數控機床手工編程制造出零件。

一、選題的目的和意義：

刀具是機械制造系統中重要的組成部分之一,機械工業的生產過程中涉及大量的金屬切削加工。其中要采用各類標準與非標準刀具,其共性是規格多、品種雜、數量大、精度高,在實際加工中刀具的性能和質量直接影響到能否順利加工出符合要求的產品,影響到加工工藝,影響到產品的精度;而能否按時保質保量地將調度或修磨好的刀具順利地提供給生產線又將直接影響到生產能否正常持續地進行下去,特別是在實施高精益生產的CAM中,生產的中間環節是整個生產線的核心環節。因此,一把關鍵的刀具特別是非標準刀具如不能按時提供到位,將會造成整個生產線的停產作業,此時如沒有完善的應急措施或迅速反應,可能會造成最后的裝配線的停產作業,這將給整個企業帶來大的經濟損失。由此看來,刀具的管理無疑是影響其效率發揮的重要因素之一,刀具管理是否合理、科學,在很大程度上決定了CAM系統的可靠性和生產效率的高低。刀具管理的目標就是保證及時、準確地為指定的機床提供所需的刀具。一個合理有效的全面刀具管理系統必然會對整個系統生產力水平的提高、投資費用的減少起重要作用。

在開發數據庫應用的軟件項目中, 建立有效管理生產車間的刀具, 在利用刀具開發的系統中能否實現利用最小的刀具資源來達到企業的生產要求, 盡可能減少對刀具資源的占有, 使刀具的存取更便利, 刀具交換次數少, 準備時間短, 利用率更高, 為提高自動化生產效率奠定基礎

二、國內外研究現狀及存在問題：

自第一個切削數據庫誕生以來，世界各工業發達國家大都開發了各自的金屬切削數據庫。據不完全統計，迄今已有德國、美國、瑞典、英國、日本、挪威、比利時和匈牙利等12個國家建立了30多個金屬切削數據庫，提供各種形式的信息服務。對世界各國切削數據庫所作的調查情況，目前切削數據庫中的數據來源于實驗室、生產車間及文獻，主要應用于車削、銑削、鉆削及磨削。

在已建立的切削數據庫中，當屬CUTDATA與INFOS最為著名。1964年，美國金屬切削聯合研究公司和美國空軍材料實驗所聯合建立了美國空軍加工性數據中心(AFMDC)。該中心開發的CUTDATA切削數據庫，是世界上第一個金屬切削數據庫，該數據庫包含大量的切削試驗數據，并且經過多次更新，比較全面、可靠，可以為3750種以上的工件材料，22種加工方式及12種刀具材料提供切削參數。德國1971年建立了切削數據情報中心(INFOS)。該中心存儲的材料可加工性信息達二百多萬個單數據，成為世界上存儲信息最多、軟件系統最完整和數據服務能力最強的切削數據庫之一。

我國建立的切削數據庫是從20世紀80年代開始的。目前，國內有成都工具研究所、南京航空航天大學、北京理工大學、西北工業大學、上海工業大學、山東大學、哈爾濱理工大學和天津大學等單位，在切削數據庫方面開展了一些研究工作。

成都工具研究所在1987年建成了我國第一個試驗性車削數據庫TRN10，又于1988年從當時的聯邦德國引進了INFOS車削數據庫軟件(在國內運行后，被稱為ATRN90)，并加以改進，向國內推出其修訂版的ATRN90E。隨后又繼續開發并推出了車削數據庫軟件CTRN90V1.0。CTRN90與原版INFOS比較，它改進、擴展了系統，增強了功能，增添了中國數據，應用了“可加工性材料組——切削材料副”的概念，實現了軟件的漢語化和英語化。它在漢化VAX/CVMS操作系統環境中運行，用戶界面為人機對話方式，采用多層菜單驅動。軟件本身規模約為8MB，帶有11個專用子程序庫。采用了國內的機床、刀具和試驗數據，同時也包含了部分國外數據。1991年推出了CTRN90V2.0，1992年又推出CTRN90V3.0。在上述基礎上，1998年開發了在Windows環境下運行的數據庫軟件。

南京航空航天大學是研究金屬切削數據庫比較早的高校，早在1986年，南航的張幼楨教授就對建立金屬切削數據庫的若干問題進行了探討，許洪昌等對金屬切削數據庫又進行了更深一步的研究，近年來，著重研究切削數據的優化和專家系統技術在切削數據庫中的應用。1988年，開發了一個專用切削數據庫軟件系統NAIMDS，1991年進一步開發了KBMDBS切削數據庫系統。

北京理工大學建立了一個主要面向硬質合金刀具材料和涂層刀具生產廠家的切削數據庫系統。根據切削數據的不同來源和特點，將其分為三大類：即濃縮型切削數據、離散型切削數據和資料型切削數據。北京理工大學對切削試驗曲線在切削數據庫中的存儲與繪制進行了研究，并在此基礎上實現了刀具磨損、刀具壽命、斷屑和切削力等六種試驗曲線的存儲和繪制，使金屬切削數據庫在功能上不僅能夠存儲數據，而且也能處理曲線。這對于豐富切削數據庫的內容，擴大切削數據庫的范圍，以及工程數據庫的建立都有積極的意義。除了各國均建立自己的切削數據庫外，國際學術機構也開展了切削數據庫的研究開發工作，如于1995年成立的國際生產工程學會(CIRP)切削加工模型研究小組，從事切削加工預報模型的研究，為機械制造業提供切削參數，自1998年開始邀請世界著名研究機構加盟其切削數據庫的研究與建立。

建立切削數據庫的根本目的是為生產實際服務，但已建立的切削數據庫及工藝數據庫，付諸實用的還不多，分析其原因是多方面的：①企業對切削數據庫的重視不夠；②數據的信息量還不夠多，且尚未解決與CAPP、CAM等系統的聯接問題；③關鍵的問題是現有切削數據庫本身還存在一些問題，首先是切削數據的可靠性，由于數據的來源較多，有來自工廠的數據、實驗室的數據，還有來自各種手冊上的數據，這些數據應經過嚴格的分析、處理和評估，否則，其應用效果必然不佳。

三、主要研究內容：

1，了解刀具管理系統的國內外研究現狀及其存在的問題。

2，根據系統總體的需求分析，思考系統需采用的一些相關技術，然后分析設計系統數據庫，創建數據庫。

3，構建刀具管理模型，應用數據庫技術設計的原理和方法，建立刀具管理數據庫系統。

四、研究方法：

利用網絡資源查找相關資料，找到數控加工刀具數據庫和切削參數數據庫的建立方案，以Microsoft SQL Server 2000為后臺，完成數據庫的建立，并以VB為開發工具，創建了SQL數據庫數據的連接和顯示, 實現了多維數據影射技術。通過構建數據關聯, 完成程序設計即可實現刀具數據庫系統的登錄和系統操作的應用，開發一個合理的刀具參數和切削參數查詢軟件。

五、研究步驟：

1，接觸課題，利用學校圖書館資源查找相關文獻，了解課題。2，學習課題所需的技術手段，如VB，SQL等。

3，分析有關資料，提出數控加工刀具數據庫和切削參數數據庫的建立方案。4，設計數據庫。5，通過SQL、Excel等，構建刀具數據庫，盡量使數據庫結構合理，內容全面。6，利用VB軟件，構建刀具管理系統，軟件的界面友好，操作方便、可靠。7，測試完成的系統，使其能夠根據所需刀具類型交互式地查詢刀具參數、加工材料、切削參數等內容。

8，文檔資料編寫，完成課程設計所規定的內容。

六、參考文獻: [1] 陳志同 陳五一 林東 《優化型切削參數數據庫的數據結構》 2007.11 [2] 劉勇賢 劉紅軍 《數控加工工藝參數查詢系統》 2007年第4期

[3] 宋玉貴 黃小霞 蘇煒 《面向工藝設計的數控刀具管理控件開發》 2006年2月 [4] 劉戰強 黃傳真 萬熠等 《切削數據庫的研究現狀與發展》 2003年11月 [5] 丁娜仁花 《基于開放式數控系統的刀具數據庫管理研究與設計》 2007年1月 [6] 田先亮 《數控加工中的刀具選擇和切削用量的確定》 科技資訊 2007年NO.24