第一篇：開題報告-不同類型數(shù)學(xué)模型(典型件)在數(shù)控加工中的應(yīng)用

不同類型數(shù)學(xué)模型（典型件）在數(shù)控加工中的應(yīng)用

開題報告

班級（學(xué)號）： 機(jī)0303-38 姓名：劉小川

指導(dǎo)老師： 孫江宏

一、綜述

隨著數(shù)控加工技術(shù)的迅速發(fā)展，設(shè)備類型的增多，零件品種的增加以及形狀的日益復(fù)雜，迫切需要速度快、精度高的編程，以便于直觀檢查。為了彌補(bǔ)手工編程和NC語言編程的不足，近年來開發(fā)出多種自動編程系統(tǒng)，如圖形交互式編程系統(tǒng)、數(shù)字化自動編程系統(tǒng)、會話型自動編程系統(tǒng)、語音數(shù)控編程系統(tǒng)等，其中圖形交互式編程系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛。圖形交互式編程系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件為基礎(chǔ)，首先形成零件的圖形文件，然后在調(diào)用數(shù)控編程模塊，自動編制加工程序，同時可動態(tài)顯示刀具的加工軌跡。其特點(diǎn)是速度快、精度高、直觀性好、使用簡便，已成為國內(nèi)外先進(jìn)的CAD/CAM(computer Aided Manufacturing)軟件所采用的數(shù)控編程方法。目前常用的圖形交互式軟件有MsterCAM, NC3APS M, HZAPTⅡ, MAPT，EdgeCAM等。

在圖形交互式編程系統(tǒng)中，零件CAD模型可分為線框模型、曲面模型和實(shí)體模型。這三種模型以不同的角度來描述一個物體。

1.線框模型

線框模型用來描述三維對象的輪廓，主要由點(diǎn)、直線、曲面等組成，不具有面和體的特征，不能進(jìn)行消隱、渲染等操作，也不能直接產(chǎn)生刀具路徑。

2.曲面模型

在曲面造型中，利用已有的線框模型，通過不同的熔接轉(zhuǎn)換可以創(chuàng)建不同類型的曲面模型。這些曲面包括：舉升曲面（Loft）、昆氏曲面（Coons）、直紋曲面（Ruled）、旋轉(zhuǎn)曲面（Revolve）、掃描曲面（Sweep）和牽引曲面（Draft）。曲面模型表示工件曲面的真是形狀，具有立體感。能在曲面模型上進(jìn)行編輯和著色，可以直接產(chǎn)生刀具路徑來加工曲面。

3.實(shí)體模型

實(shí)體模型是一個單個圖案，不管多么復(fù)雜，還是一個圖素，是一個整體。在實(shí)體造型中，可通過對繪制的曲線串聯(lián)進(jìn)行擠出操作、旋轉(zhuǎn)操作、掃描操作或拉伸操作來創(chuàng)建實(shí)體模型。

三維模型的三種表現(xiàn)形式如圖1所示。

c)實(shí)體模型 a)線框模型

b)曲面模型

圖1 三維模型的三種表現(xiàn)形式

其中，適用于數(shù)控編程的主要有曲面模型和實(shí)體模型，其中以曲面模型在目前的數(shù)控編程中應(yīng)用較為廣泛。圖形交互式編程系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是零件的幾何形狀可在零件設(shè)計(jì)階段采用CAD/CAM集成系統(tǒng)的幾何設(shè)計(jì)模塊在圖形交互式下進(jìn)行定義、顯示和修改，最終得到零件的幾何模型（可以是表面模型，也可是實(shí)體模型）。以實(shí)體模型為基礎(chǔ)的數(shù)控編程方法比以表面模型為基礎(chǔ)的數(shù)控編程方法較為復(fù)雜，基于后者的數(shù)控編程系統(tǒng)一般只用于數(shù)控編程，就是說，其零件的設(shè)計(jì)功能（或幾何造型功能）是專為數(shù)控編程服務(wù)的，針對性強(qiáng)，也容易使用。前者則不同，其實(shí)體一般都不是專為數(shù)控編程服務(wù)的，甚至不是為數(shù)控編程而設(shè)計(jì)的，為了用于數(shù)控編程往往需要對實(shí)體模型進(jìn)行可加工性分析，識別加工特征（加工表面或加工區(qū)域），并對加工特征進(jìn)行加工工藝規(guī)劃，最后才進(jìn)行數(shù)控編程，其中每一步都很復(fù)雜，需要在人工交互方式下進(jìn)行。

然而實(shí)體模型能夠完整且無二意性地表示實(shí)體。依靠計(jì)算機(jī)實(shí)體模型中完整的幾何與拓?fù)湫畔ⅲ梢皂樌瓿蓮南[、剖切、有限元網(wǎng)格劃分、NC刀具軌跡生成到計(jì)算實(shí)體體積、重量、重心、慣性矩等質(zhì)量特性等問題，具有實(shí)際意義。從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析測試、圖樣生成到產(chǎn)品加工等等，實(shí)體模型已經(jīng)成為CAD/CAM/CAE/CIMS的基礎(chǔ)。而且由于著色、光照及紋理處理等技術(shù)的運(yùn)用，使物體的可視性更為出色。此外，運(yùn)用提示模型進(jìn)行加工，可通過自動查找加工特征、自動設(shè)置加工參數(shù)等功能，大大減少了編程的操作過程。

實(shí)體模型是幾何造型的高級模型，它可提供三維形體的最完整的幾何和拓?fù)湫畔ⅰ募夹g(shù)發(fā)展的趨勢看，它在 CAD/CAM中的重要性將越來越大。在計(jì)算機(jī)集成制造的環(huán)境下，需要將產(chǎn)品的有關(guān)設(shè)計(jì)制造管理信息盡量完整地包含在數(shù)字化定義中，以便提高生產(chǎn)過程中各個環(huán)節(jié)的自動化和智能化處理水平。使用實(shí)體模型將有助于推動設(shè)計(jì)工作中自動推理機(jī)制的運(yùn)用，提高成組技術(shù)的應(yīng)用水平，實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工刀具軌跡的自動生成和校驗(yàn)加工過程的動態(tài)仿真和干涉檢查，因此有著廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。

隨著數(shù)控技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)控加工正朝著自動化和智能化的方向發(fā)展。而零件模型的造型方式對數(shù)控加工造成了很大的影響。雖然自20世紀(jì)60年代末期各國研究工作者為建立實(shí)體模型進(jìn)行了長期深入的理論研究和試驗(yàn)探索，但很少有文章探討零件模型建模方式對數(shù)控加工影響。本課題將對三維模型的三種表現(xiàn)形式進(jìn)行分析，并預(yù)測哪種建模形式將是未來數(shù)控加工的方向。

二、研究內(nèi)容

主要研究方向：主要研究線框模型、曲面模型和實(shí)體模型這三類數(shù)學(xué)模型在數(shù)控加工當(dāng)中的應(yīng)用，以及對刀具加工路徑、加工精度、加工效率等方面的影響。主要設(shè)計(jì)任務(wù)是復(fù)雜零件的設(shè)計(jì)和夾具設(shè)計(jì)，并對夾具的傳動和動力進(jìn)行計(jì)算。

本次研究由北京第一機(jī)床廠提供數(shù)控加工設(shè)備，該加工中心如圖2所示。要求了解該加工中心的工作原理及其加工特點(diǎn)，并在此機(jī)床上對研究的理論進(jìn)行驗(yàn)證。

圖2 CHA6130數(shù)控加工中心

本次課題主要研究內(nèi)容有：

1.分別建立典型的線框模型、曲面模型和實(shí)體模型，辨別其不同。

2.分別利用三種模型，完成一個零件的設(shè)計(jì)到加工過程，分析不同類別的模型對數(shù)控加工的影響。

3.在EDGECAM軟件中完成一個實(shí)體模型的加工編程過程。4.對未來的STEP-NC前景進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶剿餮芯俊?/p>

5.部分解決當(dāng)前工廠中所遇到的復(fù)雜模型的建模問題，并在實(shí)驗(yàn)臺上完成實(shí)際加工，并對仿真過程與加工過程進(jìn)行比較。

三、實(shí)現(xiàn)方法及預(yù)期目標(biāo)

本次研究主要利用數(shù)控機(jī)床插補(bǔ)原理以及刀具軌跡的計(jì)算方法，辨別并研究這三種三維模型的特點(diǎn)及其對數(shù)控加工的影響，并在CXHA6130加工中心中進(jìn)行驗(yàn)證。

為了實(shí)現(xiàn)本次研究的所有目標(biāo)，重點(diǎn)需要完成如下任務(wù)：（1）三維模型的表現(xiàn)形式及其來源；

（2）找到合適的刀具軌跡算法，計(jì)算和分析不同類型的模型對數(shù)控加工的影響；（3）三維實(shí)體模型對數(shù)控加工的影響，并與其他形式三維模型進(jìn)行比較；（4）接合前面做出的理論研究，對未來STEP-NC前景進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶剿餮芯浚?/p>

（5）運(yùn)用前面做出的理論研究，部分解決工廠中所遇到的復(fù)雜模型的建模和加工問題； 針對上述問題，提出如下解決方案：

（1）在建模軟件中建立復(fù)雜零件的線框模型、曲面模型和實(shí)體模型，要求其復(fù)雜程度能滿足理論研究的要求；觀察不同類型的模型之間的差別，并重理論上分析它們的特點(diǎn)。

（2）結(jié)合數(shù)控機(jī)床插補(bǔ)原理，利用多軸數(shù)控加工刀具軌跡生成方法計(jì)算出不同類型模型中的刀具軌跡。辨別和分析這些刀具軌跡的區(qū)別，并且與實(shí)際機(jī)床相結(jié)合，分析對數(shù)控加工過程中的對加工精度、加工效率等方面的影響，以及各種數(shù)學(xué)模型適合于何種加工環(huán)境。這部分是該研究的核心部分。

（3）在EDGECAM中對該零件的三種模型進(jìn)行加工，注意其加工參數(shù)設(shè)置的差異以及加工方式是否有差別。嘗試用不同的方法進(jìn)行加工，觀察刀具路徑的細(xì)微變化，比較找出最優(yōu)的刀具路徑。

（4）STEP-NC的基本原理是基于制造特征進(jìn)行編程，而不是直接對刀具運(yùn)動進(jìn)行編程。基于這個原理，采用STEP-NC的方式更有利于本次研究。此外STEP-NC對數(shù)控編程接口以及加工方式都產(chǎn)生了極大的變革，是未來數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。因此在這里很有必要對對對未來STEP-NC前景進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶剿餮芯俊?/p>

（5）解決當(dāng)前工廠中所遇到的復(fù)雜模型的建模問題，并運(yùn)用前面做出的理論研究優(yōu)化刀具路徑，在試驗(yàn)臺上完成實(shí)際加工，驗(yàn)證前面得出的理論是否正確。同時對仿真過程與加工過程進(jìn)行比較，觀察二者之間是否存在差異，并分析原因。

此外，本課題還包含夾具的設(shè)計(jì)任務(wù)，設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想是：結(jié)構(gòu)簡單，加緊力能滿足加工時的要求，與機(jī)床的配合簡單合理，裝夾過程簡單易操作。夾具設(shè)計(jì)重點(diǎn)應(yīng)考慮機(jī)床干涉問題，在設(shè)計(jì)夾具時應(yīng)同機(jī)床一起進(jìn)行三維干涉檢查，以保證并聯(lián)機(jī)床在工作空間內(nèi)安全操作。

四、對進(jìn)度的具體安排

3月1日－26日完成調(diào)查研究和開題報告。

3月26日－4月20日完成夾具的設(shè)計(jì)、復(fù)雜零件的三種形式建模。4月20日－4月25日審查圖紙。

4月25日－5月15日完成零件的加工編程，仿真校驗(yàn)，G代碼的后處理，在工作臺上進(jìn)行實(shí)際加工。5月15日－6月10寫畢業(yè)論文。

五、參考文獻(xiàn)

1.王潤孝，秦顯生編著.機(jī)床數(shù)控原理與系統(tǒng)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1997 2.劉雄偉 等編著.數(shù)控加工理論與編程技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001 3.莊海軍等.一種基于實(shí)體模型的三軸數(shù)控加工刀軌生成算法[J].南京航空航天大學(xué)學(xué) 報.2002, 34(4):332-335 4.郭朝勇，黃海英.自由曲面數(shù)控加工刀具軌跡曲線的一種生成算法[J].現(xiàn)代制造工程.2005（1）：39-40 5.曹煒，曾忠，李合生.快速成形技術(shù)及其發(fā)展趨勢[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造.2006（5）：104-106 6.杜文杰.管聯(lián)結(jié)密封墊圈三種建模方法[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造.2006（1）：53-54 7.王文中，楊君順.快速成型制造技術(shù)的逆運(yùn)算[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造.2006(1):113-114 8.黃建波，李鳳學(xué)，黃海英.面向制造的產(chǎn)品三維建模特征規(guī)劃研究[J].現(xiàn)代制造工程.2005(1):32-34 9.周濟(jì)，周艷紅編著.數(shù)控加工技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2002 10.李業(yè)農(nóng).數(shù)控機(jī)床及其應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006

指導(dǎo)教師：

督導(dǎo)教師：

領(lǐng)導(dǎo)小組審查意見：

審查人簽字：

年 月 日

第二篇：文獻(xiàn)綜述報告-不同類型數(shù)學(xué)模型(典型件)在數(shù)控加工中的應(yīng)用

不同類型數(shù)學(xué)模型（典型件）在數(shù)控加工中的應(yīng)用

文獻(xiàn)綜述報告

班級（學(xué)號）： 機(jī)0303-38 姓名：劉小川

指導(dǎo)老師： 孫江宏

一、零件的三種建模方法

這部分資料主要關(guān)于零件的三種建模方法、零件模型在數(shù)控加工中的應(yīng)用、實(shí)體零件模型的優(yōu)點(diǎn)和發(fā)展前途等。詳細(xì)資料有：

1.王文中，楊君順.快速成型制造技術(shù)的逆運(yùn)算[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造.2006(1):113-114 2.黃建波，李鳳學(xué)，黃海英.面向制造的產(chǎn)品三維建模特征規(guī)劃研究[J].現(xiàn)代制造工程.2005(1):32-34 3.杜文杰.管聯(lián)結(jié)密封墊圈三種建模方法[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造.2006（1）：53-54 4.曹煒，曾忠，李合生.快速成形技術(shù)及其發(fā)展趨勢[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造.2006（5）：104-106 5.麻東升,李艷萍.機(jī)械產(chǎn)品的CAD/CAM應(yīng)用及三維造型技術(shù)[J].承德職業(yè)學(xué)院學(xué)報.2006(4):73-75 6.沈春龍,張友良.三維虛擬加工環(huán)境及其關(guān)鍵技術(shù)的研究[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報.2001,13(1):890-894

7.高利輝等.基于三維實(shí)體模型的多坐標(biāo)數(shù)控加工過程仿真[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造.2002(3):87-89 8.馬亞良, 陳仁竹.復(fù)雜模型的建模技術(shù)[J].測量與設(shè)備.2001(2):28-29 9.楊曉紅, 戴慶輝,王藏柱.基于特征的參數(shù)化實(shí)體造型系統(tǒng)[J].煤礦機(jī)械.2009(9):19-21

二、數(shù)控加工理論

該部分資料不要介紹數(shù)控加工機(jī)床的工作原理、數(shù)控加工算法等相關(guān)理論知識以及數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，這部分資料主要以教材居多。詳細(xì)資料有：

1.王潤孝，秦顯生編著.機(jī)床數(shù)控原理與系統(tǒng)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1997 2.劉雄偉 等編著.數(shù)控加工理論與編程技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001 3.周濟(jì)，周艷紅編著.數(shù)控加工技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2002 4.李業(yè)農(nóng).數(shù)控機(jī)床及其應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006 5.陳乃峰.計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)對高速加工的影響[J].吉林師范大學(xué)應(yīng)用工程學(xué)院.2006(24):54-56

三、插補(bǔ)、擬合以及刀具軌跡算法

介紹數(shù)控加工控制裝置的內(nèi)部算法，如數(shù)控加工中通常用到的插補(bǔ)、擬合算法等，還有刀具的軌跡計(jì)算、在不同模型中的刀具切削力的計(jì)算，以及曲面的構(gòu)建算法等。詳細(xì)資料有：

1.莊海軍等.一種基于實(shí)體模型的三軸數(shù)控加工刀軌生成算法[J].南京航空航天大學(xué)學(xué) 報.2002, 34(4):332-335 2.郭朝勇，黃海英.自由曲面數(shù)控加工刀具軌跡曲線的一種生成算法[J].現(xiàn)代制造工程.2005（1）：39-40 3.楊樹蓮.快速數(shù)字積分插補(bǔ)算法及其實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)床電器.2003(6):12-14 4.岳秋琴.數(shù)控直線插補(bǔ)的優(yōu)化算法[J].機(jī)床電器.2003（2）：8-9 5.莊海軍等.實(shí)體模型的三軸數(shù)控粗加工刀軌生成算法[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報.2003,15(1):81-84 6.田美麗.ＣＡＤ/ＣＡＭ集成系統(tǒng)中孔加工刀具路徑的優(yōu)化[J].制造技術(shù)與機(jī)床.2002(10):16-17 7.羅凱華.點(diǎn)位控制加工中刀具路徑的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].南平師專學(xué)報.2004,23(2):24-26 8.孔亞洲等.非均勻Ｂ樣條曲線的插補(bǔ)算法[J].華中科技大學(xué)學(xué)報.2001,29(1):69-71 9.潘建新，陳儒軍.高速銑削時生成刀具路徑的優(yōu)化策略[J].長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報.2005,5(4):61-63 10.梁錫坤,董文.基于測量數(shù)據(jù)優(yōu)化修勻的特性曲線樣條插值方法[J].傳感技術(shù)學(xué)報.2006,19(6):2585-2587 11.俞芙芳.基于極坐標(biāo)投影法的五軸加工刀具路徑生成法[J].廣西工學(xué)院學(xué)報.2006,17(3):5-8 12.陳敏等.數(shù)控加工中平面參數(shù)曲線的擬合[J].機(jī)床與液壓.2006(4):70-72

四、STEP－NC

STEP－NC技術(shù)是一種先進(jìn)的面向?qū)ο蟮募庸し椒āＴ摬糠仲Y料介紹了STEP－NC技術(shù)的原理和發(fā)展前景。詳細(xì)資料有：

1.劉日良，張承瑞.STEP-NC數(shù)據(jù)模型和數(shù)控程序[J].中國制造業(yè)信息化.2004,33(10):102-104 2.李偉光等.新型STEP-NC數(shù)控加工方式[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化.90-93

第三篇：開題報告-高速加工(銑)中典型零件數(shù)控編程及處理

高速加工（銑）中典型零件數(shù)控編程及處理

開題報告

班級（學(xué)號）機(jī)0304（24）姓名 鄧榮軍 指導(dǎo)老師 孫江宏

一、綜述

目前，我國的工業(yè)處于發(fā)展階段，由于起步晚、技術(shù)研究人員缺乏等原因，生產(chǎn)制造水平落后于國外行業(yè)。在數(shù)控行業(yè)中，這個現(xiàn)象更為明顯。我國機(jī)床工業(yè)的發(fā)展速度在近幾年雖然很快，但與世界先進(jìn)水平相比差距依然很大,主要體現(xiàn)在企業(yè)的核心競爭力還不強(qiáng)，市場占有率不高。特別是國產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床無論在品種、水平上都與市場需求相差甚遠(yuǎn)，市場占有率不到10%。而中、低檔數(shù)控機(jī)床在價格、交貨期和服務(wù)上，也存在競爭力不強(qiáng)的問題，特別值得一提的是國內(nèi)數(shù)控功能部件發(fā)展滯后的矛盾還相當(dāng)突出。[1] 數(shù)控高速切削加工作為工業(yè)生產(chǎn)制造中重要的一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)，是集高效、優(yōu)質(zhì)、低耗于一身的先進(jìn)制造技術(shù)。在常規(guī)切削加工中備受困擾的一系列問題，通過高速切削加工的應(yīng)用得到了解決。其切削速度、進(jìn)給速度相對于傳統(tǒng)的切削加工，以級數(shù)級提高，切削機(jī)理也發(fā)生了根本的變化。與傳統(tǒng)切削加工相比，切削加工發(fā)生了本質(zhì)性的飛躍，其單位功率的金屬切除率提高了30%～40%，切削力降低了30%，刀具的切削壽命提高了70%，留于工件的切削熱大幅度降低，低階切削振動幾乎消失。隨著切削速度的提高，單位時間毛坯材料的去除率增加，切削時間減少，加工效率提高，從而縮短了產(chǎn)品的制造周期，提高了產(chǎn)品的市場競爭力。同時，高速加工的小量快進(jìn)使切削力減少，切屑的高速排除，減少了工件的切削力和熱應(yīng)力變形，提高了剛性差和薄壁零件切削加工的可能性。由于切削力的降低，轉(zhuǎn)速的提高使切削系統(tǒng)的工作頻率遠(yuǎn)離機(jī)床的低階固有頻率，而工件的表面粗糙度對低階頻率最為敏感，由此降低了表面粗糙度。

高速切削技術(shù)是切削加工的發(fā)展方向，也是時代發(fā)展的產(chǎn)物。高速切削技術(shù)是切削加工技術(shù)的主要發(fā)展方向之一，它隨著CNC技術(shù)、微電子技術(shù)、新材料和新結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展而邁上更高的臺階。高速切削加工所用的CNC機(jī)床、刀具和CAD/CAM軟件等，技術(shù)含量高，價格昂貴，使得高速切削投資很大，這在一定程度上制約了高速切削技術(shù)的推廣應(yīng)用。高速切削的高效應(yīng)用要求機(jī)床系統(tǒng)中的部件都必須先進(jìn)。

在銑削加工的數(shù)控機(jī)床方面，發(fā)展非常迅速。1948年，美國的Parson公司與麻省理工學(xué)院在美國空軍部門的支持下，開始研制數(shù)控機(jī)床，以便用于加工直升飛機(jī)葉片輪廓檢驗(yàn)用的樣板和制造形狀復(fù)雜、改型頻繁、精度要求越來越高的飛機(jī)導(dǎo)彈零件[2]。經(jīng)過三年多的努力，于1952年研制出第一臺3坐標(biāo)數(shù)控銑床，標(biāo)志著數(shù)控加工技術(shù)正式走向應(yīng)用。我國是從1958年開始研制數(shù)控機(jī)床，在研制與推廣使用數(shù)控機(jī)床方面取得了一定成績。如北京第一機(jī)床廠在一機(jī)部北京機(jī)床研究所、清華大學(xué)等單位的協(xié)助下研制了數(shù)控銑床，上海第三機(jī)床廠在上海精密機(jī)床研究所、上海交通大學(xué)、上海科技大學(xué)等單位的協(xié)助下研制了數(shù)控鍵床[3]。近年來，由于引進(jìn)國外的數(shù)控系統(tǒng)與伺服系統(tǒng)的制造技術(shù)，使我國的數(shù)控機(jī)床在品種、數(shù)量和質(zhì)量方面都得到了迅速發(fā)展。目前我國的北京、上海、江蘇、山東和遼寧等有幾十家機(jī)床廠，能夠生產(chǎn)不同類型的數(shù)控機(jī)床和加工中心。雖然在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域中，我國與發(fā)達(dá)國家之間還存在著較大的差距，但隨著工廠、企業(yè)技術(shù)改造的深入開展，將有力的促進(jìn)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展和大幅度增加數(shù)控機(jī)床的需求量，使這種差距不斷縮小。

下面介紹目前現(xiàn)有的數(shù)控機(jī)床類型：

① 升降臺銑床：有萬能式、臥式和立式等，主要用于加工中小型零件，應(yīng)用最廣。② 龍門銑床：包括龍門銑鏜床 龍門銑刨床和雙柱銑床，均用于加工大型零件。

③ 單柱銑床和單臂銑床：前者的水平銑頭可沿立柱導(dǎo)軌移動，工作臺作縱向進(jìn)給；后者的立銑頭可沿懸臂導(dǎo)軌水平移動，懸臂也可沿立柱導(dǎo)軌調(diào)整高度。兩者均用于加工大型零件。

④ 工作臺不升降銑床：有榘形工作臺式和圓工作臺式兩種，是介于升降臺銑床和龍門銑床之間的一種中等規(guī)格的銑床。其垂直方向的運(yùn)動由銑頭在立柱上升降來完成。⑤ 儀表銑床：一種小型的升降臺銑床，用于加工儀器儀表和其他小型零件。⑥ 工具銑床：用于模具和工具制造，配有立銑頭、萬能角度工作臺和插頭等多種附件，還可進(jìn)行鉆削、鏜削和插削等加工。

⑦其他銑床：如鍵槽銑床、凸輪銑床、曲軸銑床、軋輥軸頸銑床和方鋼錠銑床等，是為加工相應(yīng)的工件而制造的專用銑床。按控制方式，銑床又分為仿形銑床、程序控制銑床和數(shù)字控制銑床。

二、研究內(nèi)容

針對典型件斜齒輪的數(shù)控加工進(jìn)行研究。斜齒輪成形銑削原理：

采用盤銑刀進(jìn)行斜齒輪加工仿真,最主要的是要建立銑刀和毛坯相對運(yùn)動關(guān)系式,盤形銑刀與齒輪毛坯位置關(guān)系如圖5 所示,銑刀相對直齒加工要旋轉(zhuǎn)一個螺旋角β,即銑刀處于圖5 所示位置2 ,在加工過程中,工件僅繞自身軸線作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,而銑刀既要繞自身軸線作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,又要沿毛坯軸線作垂直進(jìn)給運(yùn)動,運(yùn)動方式如圖6 所示.每加工完一個齒后,齒輪毛坯退刀并作分度轉(zhuǎn)動,分度角為2π/ z.由斜齒輪螺旋線性質(zhì)可知,螺旋線沿軸線移動一個螺旋線導(dǎo)程p 的同時必須繞軸線旋轉(zhuǎn)2π ,即

p?tan????d（1）

式中 d 齒輪分度圓直徑

圖5 銑刀和齒輪位置和運(yùn)動關(guān)系

圖6 螺旋線展開示意

利用AutoL ISP 語言、調(diào)用了CAD 的內(nèi)置命令進(jìn)行斜齒輪仿真加工，能夠準(zhǔn)確的加工出斜齒輪，并且能保證很高的加工精度[2]。因此對于本次課題，在第一機(jī)床廠對一個S型銑削試切件進(jìn)行模擬仿真加工是可行的。

本次研究的重要內(nèi)容有：

1.針對類似上述典型的零件，在試驗(yàn)臺上進(jìn)行夾具設(shè)計(jì)，機(jī)床傳動機(jī)構(gòu)的三維建模，工作環(huán)境的三維干涉檢查等。

2.結(jié)合高速加工的工藝特點(diǎn)制定數(shù)控加工工藝。并在EDGECAM中，找到和應(yīng)用適合高速加工的參數(shù)，并應(yīng)用到實(shí)際加工中。

3.了解高速銑削加工的特點(diǎn)和優(yōu)勢，在EDGECAM中，完成復(fù)合設(shè)備的數(shù)控加工編程工作。

4.完成銑削的虛擬環(huán)境下的仿真校驗(yàn)。

5.能夠?qū)嶋H加工完成典型零件，并對仿真過程與加工過程進(jìn)行比較。目前較為類似的五軸聯(lián)動數(shù)控龍門銑床如下：

三、實(shí)現(xiàn)方法及預(yù)測目標(biāo)

本次研究的主要任務(wù)是進(jìn)行機(jī)床傳動與動力的設(shè)計(jì)計(jì)算、夾具的設(shè)計(jì)、完成典型零件 的NC數(shù)控編程。主要原則是：傳動與動力設(shè)計(jì)合理，夾具簡單有效、易于裝卸以及在加工過程中不會與機(jī)床發(fā)生干涉。

初步解決方案：

（1）對機(jī)床進(jìn)行三維建模，通過對機(jī)床進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)查，知道機(jī)床傳動與動力機(jī)構(gòu)的所有參數(shù)以及機(jī)構(gòu)簡圖，并進(jìn)行分析計(jì)算，通過EdgeCAM軟件對機(jī)床進(jìn)行三維建模，得出機(jī)床準(zhǔn)確的三維模型。

（2）進(jìn)行夾具設(shè)計(jì)，針對要加工的零件，分析其在加工過程中的受力以及運(yùn)動狀況，提出簡單易行，方便可靠的夾具方案，并在EdgeCAM軟件中對該夾具進(jìn)行三維建模。

（3）對零件加工過程的模擬仿真，運(yùn)用EdgeCAM軟件，對加工零件在（1）（2）中得出的機(jī)床和夾具下進(jìn)行模擬仿真，分析是否有干涉發(fā)生，若有，應(yīng)及時提出改進(jìn)方案。

（4）若上述過程均無錯誤發(fā)生，則生成該零件的G 代碼，同時對G代碼進(jìn)行檢查并相對于要加工的機(jī)床的系統(tǒng)進(jìn)行必要的修改。檢查無誤后，輸入相應(yīng)的機(jī)床加工出零件實(shí)體。

（5）針對該零件的仿真過程與實(shí)際加工過程進(jìn)行對比得出結(jié)論。實(shí)施難點(diǎn)：

（1）準(zhǔn)確的機(jī)床三維建模（2）夾具的設(shè)計(jì)（3）干涉分析（4）G代碼檢驗(yàn)

（5）實(shí)際零件的加工

四、對進(jìn)度的具體安排

1、第1至第2周為調(diào)研階段，查找資料，對膠管增強(qiáng)層纏繞機(jī)的總體認(rèn)識。

2、第3周完成英文文獻(xiàn)的翻譯工作

3、第4周完成調(diào)研報告、開題報告及外文翻譯。

4、第5至第6周為設(shè)備功能原理分析、方案設(shè)計(jì)階段，完成機(jī)構(gòu)草圖的繪制。

5、第7至第8周完成膠管增強(qiáng)層纏繞機(jī)的傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及動力計(jì)算，主要參數(shù)計(jì)算。

6、第9至第12周完成膠管纏繞機(jī)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，完成三張A0圖。

7、第13至第14周完成論文初稿，上交導(dǎo)師審閱并修改。

8、第15至第16周完成正式總體結(jié)構(gòu)裝配圖設(shè)計(jì)工作并檢查。

9、第17周完成論文撰寫，并進(jìn)行預(yù)答辯。

10、第18周進(jìn)行畢業(yè)論文答辯。

五、參考文獻(xiàn)

1、王良,我國機(jī)床工業(yè)與世界機(jī)床業(yè)的差距.機(jī)械工業(yè)信息研究院產(chǎn)業(yè)與市場研究所.市場報告2 0 0 6 年第1 1期,23-27.2、陳曉飛,黃筱調(diào),方成剛.基于AutoL ISP 斜齒輪成形銑削加工的幾何仿真.機(jī)械與電子,2006(8),6-8.3、申麗國，張昆，黃征.國外數(shù)控技術(shù)的研究動向和發(fā)展趨勢.機(jī)械工業(yè)自動化，1994，Vol,18,No.2:19-23.4、唐家錫.CAD/CAM技術(shù).北京：北京航天航空大學(xué)出版社.1994.5、唐銳.普通銑床專用化數(shù)控改造設(shè)計(jì).工程碩士專業(yè)學(xué)位論文.2006.6、田華.數(shù)控機(jī)床高速電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能分析.碩士學(xué)位論文.2006.7、王鵬遠(yuǎn).三抽數(shù)控枕創(chuàng)加工圖形仿真技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn).碩士學(xué)位論文.2006.8、徐東.模具型腔數(shù)控銑削技術(shù)研究與應(yīng)用.碩士學(xué)位論文2006.9、陸名彰.高硬度材料的超高速銑削.現(xiàn)代制造工程2006年第5期.10、基于數(shù)控銑削的逆銑和順銑.機(jī)械研究與應(yīng)用.2006年12月第19卷第6期

指導(dǎo)教師:

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督導(dǎo)教師:

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審查人簽字:

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第四篇：幼兒園中不同類型玩具設(shè)計(jì)初探開題報告

浙江師范大學(xué)

本科生論文（設(shè)計(jì)）開題報告

設(shè)計(jì)題目：幼兒園中不同類型玩具設(shè)計(jì)初探 學(xué)院：杭州幼兒師范學(xué)院 專業(yè)：學(xué)前教育 班級：本科0202班 學(xué)號：20020232 作者姓名：王燕飛

指導(dǎo)老師：王春燕

前言：玩具已經(jīng)成為當(dāng)代兒童生活中不可缺少的東西，在兒童的成長過程中扮演著不可替代的角色。至今為止，不管是幼兒教育的理論研究者還是實(shí)踐者，都對玩具做了一定的研究，促進(jìn)了玩具的發(fā)展。

一、幼兒玩具研究綜述

（一）“玩具”的界定及其歷史

“玩具”是一個非常寬泛的概念，它除了指工廠里生產(chǎn)出來的精美玩具外，還可以包括兒童或成人利用各種廢舊物品及材料自己制作出來的玩具，以及那些生活中純天然的材料。總之，任何可以拿來玩耍的東西我們都可以把它稱為“玩具”。

玩具也有悠久的歷史，特別是我國的民族、民間玩具，大約出現(xiàn)于新石器時代，并隨著社會的發(fā)展而不斷發(fā)展。如春秋魯班制造了能飛三天三夜的木鳥，漢朝有風(fēng)箏，還有七巧板、撥浪鼓等很多民間玩具都流傳至今。而在國外，早在一百多年前，幼兒教育家福祿培爾就在他的教育實(shí)踐中創(chuàng)造了玩具，并把它們稱之為“恩物”，來引導(dǎo)幼兒認(rèn)識世界，發(fā)展能力。杜威，蒙臺梭利等教育家也都提到了玩具。隨著工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代玩具更是加入了先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)和設(shè)計(jì)理念而開辟了玩具的新天地。

（二）國內(nèi)外玩具市場相關(guān)狀況

玩具業(yè)發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)成為一個非常有潛力的行業(yè)。我國成了世界各國玩具的主要供應(yīng)地，而玩具也成了我國出口的“支柱商品”之一。但是，我國的玩具設(shè)計(jì)水平還比較薄弱，玩具業(yè)和發(fā)達(dá)國家相比還有一定的差距。

科技的發(fā)展，提升了玩具的科技含量及價值。而經(jīng)濟(jì)的國家發(fā)展和國民文化素質(zhì)的提高，提升了人們的觀念，教育在人們心中的地位不斷提高。社會、家庭對于兒童的培養(yǎng)、教育也更加重視。因此，人們在購買玩具時就不再簡單的看其娛樂功能了，娛樂功能與教育功能的結(jié)合更加受到消費(fèi)者的關(guān)注。據(jù)調(diào)查，玩具市場中，消費(fèi)者首選的就是“智慧型”的玩具。各種玩具生產(chǎn)企業(yè)也都以開發(fā)兒童創(chuàng)造力、智力等有利于兒童發(fā)展的教育理念作為自己的設(shè)計(jì)理念。如深圳市“正邦”文化發(fā)展有限公司直接用“玩中學(xué)”作為產(chǎn)品的品牌。

而在美國，早在上世紀(jì)40至50年代，就出現(xiàn)了“教育玩具”的銷售熱，到上世紀(jì)末，“教育玩具”就成了歐美市場的寵兒。歐洲的許多玩具品牌也都非常重視玩具教育功能的開發(fā)。如：著名玩具公司LEGO成立了“樂高學(xué)習(xí)研究中心”，致力于兒童的娛樂與學(xué)習(xí)的研究，力求在強(qiáng)化玩具產(chǎn)品的玩樂體驗(yàn)的同時提升教育價值。

那么，玩具到底具有怎樣的教育功能呢？

（三）玩具的教育功能及現(xiàn)有研究

關(guān)于玩具及其教育功能，古今中外，很多幼兒教育的理論研究者、實(shí)踐者、心理學(xué)家都做了很多的研究，還有涉及玩具設(shè)計(jì)方面的，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1、玩具與游戲的關(guān)系

玩具是游戲的工具，是游戲的物質(zhì)條件。幼兒需要游戲，渴望游戲，通過游戲進(jìn)入成人的世界，來滿足他們的愿望。幼兒游戲又是在使用玩具中發(fā)展的，幫助幼兒滿足愿望。我國偉大的思想家、文學(xué)家魯迅說：“游戲是兒童最正當(dāng)?shù)男袨椋婢呤莾和奶焓埂！痹谖鞣剑还苁桥崴固┞妪R，還是福祿培爾、杜威，都認(rèn)為“游戲”是兒童生活的主要內(nèi)容，而玩具則在這個過程中扮演著相當(dāng)重要的角色，兒童借由玩具的游戲過程學(xué)習(xí)世界的真理。

很多幼教工作者也致力于玩具的投放對游戲的影響方面的研究。研究表明，玩具的創(chuàng)設(shè)和提供都會影響游戲的發(fā)生和發(fā)展，而且也是游戲發(fā)展價值得以實(shí)現(xiàn)的基本環(huán)節(jié)，玩具的種類、特點(diǎn)、數(shù)量及搭配關(guān)系也都影響著兒童的游戲。而不同年齡特征的兒童選擇的玩具也應(yīng)有所不同。

2、玩具的教育功能羅列 兒童玩具可能不是為教育而產(chǎn)生的，卻在其誕生的那一刻起，即被賦予了教育功能。而且在現(xiàn)代玩具中教育功能越來越受到重視，那么玩具到底具有怎樣的教育功能呢？

首先玩具以其生動的形象，斑斕的色彩以及聲響等吸引著兒童，以兒童容易接受的方式，幫助幼兒認(rèn)識周圍的世界，增長見識。

其次，玩具是兒童生活的伴侶，玩玩具符合幼兒心理發(fā)展的規(guī)律。幼兒通過玩具進(jìn)入游戲，從而滿足自己的愿望，并獲得快樂。

最后，玩具能促進(jìn)幼兒健康成長，促進(jìn)幼兒感覺、運(yùn)動器官的發(fā)展，及智力的發(fā)展。還可以培養(yǎng)幼兒的創(chuàng)造力、想象力，同時也可以促進(jìn)其社會性發(fā)展。

3、玩具的分類

面對著千資百態(tài)的各種玩具，研究者從不同的角度對玩具進(jìn)行了分類，常見的有以下幾種：

從總體上來說，可以將玩具分為三類：（１）依照玩具的性質(zhì)而分（２）依照玩具的質(zhì)料而分（３）依照兒童年齡分

從玩具的專門化程度來分，又可將玩具分為專門化玩具和非專門化玩具材料。專門化玩具的功能確定性強(qiáng)，大都是工廠里制造出來的，比較適合小年齡段的兒童。而非專門化玩具的功能具有可變性，包括日常生活中的廢舊物品或一些天然的材料，以及某些結(jié)構(gòu)造型的材料。主要是通過兒童自己想象的心理活動過程進(jìn)行游戲，與兒童的已有經(jīng)驗(yàn)有關(guān)，更適合４歲以上的兒童使用。

從玩具的功能特點(diǎn)分，又可以大體劃分為：

（１）形象玩具。主要有玩具娃娃，玩具動物，模擬日常用品的玩具（如碗，杯子）等，此類玩具在象征性游戲的角色扮演中占重要的地位。

（２）智力玩具。主要有拼圖，魔方，套塔等。此類玩具促進(jìn)幼兒智力發(fā)展，在智力游戲中較為常用。

（３）結(jié)構(gòu)造型玩具。主要指積木，泥塑，沙等各種結(jié)構(gòu)造型材料，在建構(gòu)活動中比較常見。

（４）體育玩具。主要指在體育活動中使用的各種器材和設(shè)備，如（秋千，皮球）等。這類玩具有助于促進(jìn)兒童基本動作和動作技能的發(fā)展，增強(qiáng)體質(zhì)。

（５）音樂玩具。能發(fā)出悅耳聲響的玩具，如：小鈴鐺，小喇叭等。

（６）娛樂玩具：主要是一些小動物或人物的滑稽造型，如：不倒翁，小鴨戲水等。（７）某些廢舊的日常物品或天然材料及自制玩具。自制玩具是在教育活動中用的比較多的一種玩具，它有區(qū)別于成品玩具的獨(dú)特作用。成品玩具的玩法比較固定，束縛了孩子的想象力，創(chuàng)造力，而自制玩具不僅可以提高幼兒的動手能力，玩法多樣，容易發(fā)展幼兒的想象力，創(chuàng)造力，并可以使幼兒從中體驗(yàn)成功的樂趣。我國的幼教工作者也有對自制玩具做過專門的研究，提出了許多自制玩具應(yīng)掌握的原則和方法。

4、玩具設(shè)計(jì)方面的研究

在玩具設(shè)計(jì)上，許多研究者都從兒童的心理發(fā)展的特點(diǎn)，兒童的年齡特征來考慮玩具設(shè)計(jì)的因素。也有人提出了玩具設(shè)計(jì)的個性化，及與藝術(shù)教育相結(jié)合的玩具設(shè)計(jì)。但我國的玩具設(shè)計(jì)水平與發(fā)達(dá)國家相比還是比較薄弱的。

（四）發(fā)展趨勢

玩具不僅伴隨著游戲研究的發(fā)展而發(fā)展，也伴隨著科技的發(fā)展和人們觀念的轉(zhuǎn)變而發(fā)展。在今后的發(fā)展中，玩具的“娛樂”與“教育”相結(jié)合的趨勢將更加明顯，其教育功能將受到更多的關(guān)注。玩具也向著多功能化，個性化，操作化及科技化的方向發(fā)展。

二、結(jié)論 從上面所給出的信息中，我們可以看到：玩具的教育價值已受到了全面的關(guān)注，玩具設(shè)計(jì)也將教育功能作為其中一個重要的考慮因素。那么設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)玩具中的教育功能是否真的能發(fā)揮其所被賦予的作用，或怎樣才能更好的使設(shè)計(jì)師更加合理的設(shè)計(jì)教育功能，從而使玩具中的教育功能能夠充分發(fā)揮其作用。因此，我們將從玩具本身來看玩具設(shè)計(jì)，也就是不同種類玩具對兒童的獨(dú)特功能中來談玩具設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題，使得所屬種類玩具的獨(dú)特功能可以充分發(fā)揮作用。

三、研究意義

（一）理論意義：

玩具與玩具設(shè)計(jì)作為一個產(chǎn)業(yè)已有一定的歷史，但玩具設(shè)計(jì)作為一個專門的理論研究方向還是比較年輕的。對于玩具現(xiàn)有研究主要是將玩具作為一種教育或治療的手段，研究玩具與游戲的關(guān)系，研究如何運(yùn)用設(shè)計(jì)玩具進(jìn)行教育與治療。而現(xiàn)有玩具設(shè)計(jì)的理論研究大多從心理學(xué)入手，從兒童心理發(fā)展的特點(diǎn)，年齡特征等方向進(jìn)行影響玩具設(shè)計(jì)的因素的研究。武漢理工大學(xué)的吳玉樹也做了基于藝術(shù)教育的兒童玩具設(shè)計(jì)的研究。

而我們主要是想借鑒前人的研究，并從不同種類的玩具對兒童的獨(dú)特功能的研究出發(fā)，提出玩具設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的因素。把玩具所具有的教育功能與玩具設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合在一起，從而可以為玩具設(shè)計(jì)理論研究的發(fā)展提供一點(diǎn)理論依據(jù)。

（二）實(shí)踐意義：

從不同類型的玩具對兒童的不同影響入手進(jìn)行研究，使得玩具設(shè)計(jì)中所設(shè)計(jì)的教育功能更加合理，從而使這類玩具所特有的教育功能得以充分發(fā)揮，對幼兒的發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)意義。

四、研究方法

主要采取文獻(xiàn)法和觀察法。通過運(yùn)用兒童心理學(xué)，教育學(xué)，設(shè)計(jì)心理學(xué)等相關(guān)理論，運(yùn)用分析、歸納的研究方法，結(jié)合實(shí)地觀察和案例的研究，探討從各類型所特有的功能反思玩具設(shè)計(jì)。

五、方案擬定

主要分兩個階段：第一階段研究不同類型的玩具所特有的功能，對兒童產(chǎn)生的不同影響。根據(jù)兒童心理學(xué)，教育學(xué)，結(jié)合實(shí)踐工作中觀察的案例進(jìn)行研究。主要定在12月到2月中的時間。

第二階段進(jìn)行針對各種類型的玩具設(shè)計(jì)所應(yīng)注意的問題進(jìn)行。主要以理論研究為主。研究時間大致定于2月中到3月底，并基本完成整個論文的寫作。

六、論文框架結(jié)構(gòu)

幼兒園中不同類型玩具設(shè)計(jì)初探

摘要： 關(guān)鍵詞： 一．前言

二．玩具在兒童發(fā)展中的作用

三．不同玩具對兒童發(fā)展的獨(dú)特作用

（一）形象玩具

（二）結(jié)構(gòu)造型玩具

（三）智力玩具

（四）體育玩具

四．玩具設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題

（一）形象玩具

（二）結(jié)構(gòu)造型玩具

（三）智力玩具

（四）體育玩具

五．參考文獻(xiàn)

（１）吳玉樹 兒童玩具的藝術(shù)教育功能 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文庫（２）許政濤、幼兒園游戲與玩具、北京：北京師范大學(xué)出版社。2001（３）丁海東、學(xué)前游戲論、濟(jì)南：山東人民出版社。2001

（４）錢玲娟、玩具伴孩子健康成長、北京：人民衛(wèi)生出版社、2000（５）靳桂芳、玩具設(shè)計(jì)個性化要求及相關(guān)問題、天津輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報、2003（3）

（６）孟海、徐秋楓、影響兒童玩具設(shè)計(jì)的因素、河南輕工業(yè)高等專科學(xué)校學(xué)報、2000（2）

第五篇：光電編碼器在數(shù)控加工機(jī)床中的應(yīng)用

光電編碼器在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用探究

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（中原工學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，河南 鄭州 450007）

摘要：在對數(shù)控機(jī)床功能需求分析的基礎(chǔ)上，將光電編碼器進(jìn)行工藝性和實(shí)用性分析，證明其在數(shù)控加工的應(yīng)用是符合功能要求的。

關(guān)鍵詞：光電編碼器；數(shù)控機(jī)床；檢測元件

Abstract:：The manufacturability and practical applicability analysis of photoelectric encode was based on the analysis of numerical control machine’s demand.We can prove its use is very successful.Key words：

photoelectric encode;numerical control machine;detecting element

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數(shù)控機(jī)床是一種高精度、高效率的加工設(shè)備，而實(shí)現(xiàn)其安全可靠的運(yùn)行需要精確的檢測和控制，本文在對數(shù)控機(jī)床功能需求分析的基礎(chǔ)上，將光電編碼器進(jìn)行工藝性和實(shí)用性分析，驗(yàn)證其使用的可靠性。

1.數(shù)控機(jī)床對檢測元件的功能需求

數(shù)控機(jī)床作為一種生產(chǎn)設(shè)備，依靠其高精度、高效率的加工優(yōu)勢，在我國的應(yīng)用已日趨廣泛。數(shù)控機(jī)床要實(shí)現(xiàn)其安全、可靠的運(yùn)行，離不開各種各樣的檢測元件。檢測元件是數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的重要組成部分，起著檢測各控制軸的位移和速度的作用，它把檢測到的信號反饋回去，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。測量方式可分為直接測量和間接測量。直接測量，就是對機(jī)床的直線位移采用直線型檢測元件測量，直接測量常用的檢測元件一般包括：直線感應(yīng)同步器、計(jì)量光柵、磁尺激光干涉儀。間接測量就是對機(jī)床的直線位移采用回轉(zhuǎn)型檢測元件測量，間接測量常用的檢測元件一般包括：脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、圓感應(yīng)同步器、圓光柵和圓磁柵。

位置檢測裝置是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，其作用就是檢測位移量，并發(fā)出反饋信號與數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號相比較，若有偏差，經(jīng)放大后控制執(zhí)行部件使其向著消除偏差的方向運(yùn)動，直至偏差等于零為止。為了提高數(shù)控機(jī)床的加工精度，必須提高檢測元件和檢測系統(tǒng)的精度。

光電編碼器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應(yīng)用最多的傳感 器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與電動機(jī)同軸，電動機(jī)旋轉(zhuǎn)時，光柵盤與電動 機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，其原理示意圖如圖1所示；通過計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當(dāng)前電 動機(jī)的轉(zhuǎn)速。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差90o的兩路脈沖信號。根據(jù)檢測原理，編碼器可分為光學(xué)式、磁式、感應(yīng)式和電容式。根據(jù)其刻度方法及信號輸出形式，可分為增量式、絕對式以及混合式三種。

圖1 光電編碼器的工作原理

2.1 增量式編碼器

增量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相；A、B兩組脈沖相位差90o，從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向，而Z相為每轉(zhuǎn)一個脈沖，用于 基準(zhǔn)點(diǎn)定位。它的優(yōu)點(diǎn)是原理構(gòu)造簡單，機(jī)械平均壽命可在幾萬小時以上，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，適合于長距離傳輸。其缺點(diǎn)是無法輸出軸轉(zhuǎn)動的絕對位置信息。[1] 2．光電編碼器的實(shí)用性分析

圖2 增量式光電編碼器

2.2 絕對式編碼器

絕對編碼器是直接輸出數(shù)字量的傳感器，在它的圓形碼盤上沿徑向有若干同心碼道，每條道上由透 光和不透光的扇形區(qū)相間組成，相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)目是雙倍關(guān)系，碼盤上的碼道數(shù)就是它的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)，在碼盤的一側(cè)是光源，另一側(cè)對應(yīng)每一碼道有一光敏 元件；當(dāng)碼盤處于不同位置時，各光敏元件根據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的電平信號，形成二進(jìn)制數(shù)。這種編碼器的特點(diǎn)是不要計(jì)數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可讀出一個固定的與位置相對應(yīng)的數(shù)字碼。顯然，碼道越多，分辨率就越高，對于一個具有 N位二進(jìn)制分辨率的編碼器，其碼盤必須有N條碼道。

圖3 絕對式光電編碼器

目前生產(chǎn)和使用的機(jī)床大多采用的是半閉環(huán)控制方式。大多數(shù)的系統(tǒng)生產(chǎn)廠家，均將位置編碼器內(nèi)置于驅(qū)動電機(jī)端部，間接測量執(zhí)行部件的實(shí)際位置或位移。光電編碼器是一種光學(xué)式位置檢測元件，編碼盤直接裝在電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸上，以測出軸的旋轉(zhuǎn)角度位置和速度變化，其輸出信號為電脈沖。這種檢測方式的特點(diǎn)，是非接觸式的，無摩擦和磨損，驅(qū)動力矩小，響應(yīng)速度快。而缺點(diǎn)是抗污染能力差，容易損壞。

3．光電編碼器在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用

增量式編碼器以轉(zhuǎn)動時輸出脈沖，通過計(jì)數(shù)器來知道其位置。當(dāng)編碼器停電時，存放在緩沖器或外部計(jì)數(shù)器中的數(shù)值將丟失。這說明如果機(jī)床因下班或維修而被迫關(guān)機(jī)時，重新啟動后，編碼器將無法知道其確切位置。解決的方法是增加參考點(diǎn)，編碼器每經(jīng)過參考點(diǎn)，緩沖器或計(jì)數(shù)器被清零，數(shù)控系統(tǒng)才知道確切的位置。在回過參考點(diǎn)以前，是不能保證位置的準(zhǔn)確性的。為此，在數(shù)控機(jī)床控制中就有每次開機(jī)先回參考點(diǎn)的操作。機(jī)床的刀具在發(fā)生故障時通常還處于加工位置，與工件有直接接觸，有時甚至還處于工件的內(nèi)部（如鉆孔、攻螺紋等），為了安全地進(jìn)行過參考點(diǎn)動作，必須首先手動將刀具移出加工位置。如果此時刀具的指向與 X，Y，Z 軸成一定角度（多軸機(jī)床），此項(xiàng)操作則變得尤其困難，往往要耗費(fèi)大量的時間和人力。如圖4所示，為FANUC的編碼器為增量使用時，利用擋鐵回零。

圖4

FANUC 參考點(diǎn)返回示意圖

而絕對編碼器的出現(xiàn)，則很好的解決了這一問題。絕對值編碼器旋轉(zhuǎn)時，有與位置一一對應(yīng)的代碼（二進(jìn)制、BCD 碼等）輸出，從代碼的變更即可判別正反方向和位移所處的位置，而無需判向電路。它有一個絕對零位代碼，當(dāng)停電或關(guān)機(jī)后再開機(jī)時，仍可準(zhǔn)確地讀出停電或關(guān)機(jī)位置的代碼，并準(zhǔn)確地找到零位代碼，可大幅度降低待機(jī)時間與開機(jī)時間，有效縮短原點(diǎn)復(fù)歸時間，還可省略限位開關(guān)，節(jié)省成本。現(xiàn)我國臺灣省及國外的數(shù)控機(jī)床，大多采用絕對式編碼器。

數(shù)控機(jī)床中編碼器的一些使用實(shí)例如下所示：

②角編碼器與旋轉(zhuǎn)刀庫連接，編碼器的輸出為當(dāng)前的道具號，如圖6所示。

圖5 編碼器在定位加工中的應(yīng)用

①已知增量式光電編碼器的參數(shù)和大、小皮帶輪的傳動比，若希望當(dāng)加工好一個元件后緊接著加工另一元件，可計(jì)算出編碼器給出多少脈沖數(shù)時，電動機(jī)停轉(zhuǎn)，從而加工工件。如圖5所示。

圖7 編碼器在伺服電機(jī)中的應(yīng)用

③利用編碼器測量伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并通過伺服控制系統(tǒng)控制其各種運(yùn)行參數(shù)，如圖7所示。

4．結(jié) 語

目前，市場競爭愈演愈烈，數(shù)控機(jī)床的高精度和高效率是發(fā)展的方向。利用絕對式編碼器在斷電時仍可讀取機(jī)床的絕對位置，大幅降低開機(jī)時間和待機(jī)時間，提高了效率，還可節(jié)省限位開關(guān)，節(jié)省成本。所以光電編碼器特別是絕對式光電編碼器，在數(shù)控機(jī)床中作為檢測元件的使用是相當(dāng)符合其功能要求的。

圖6 編碼器在刀庫選刀控制中的應(yīng)用

參考文獻(xiàn)：

[1]陸偉.數(shù)控機(jī)床典型檢測元件的應(yīng)用研究[J].Equipment Manufactring Technology,2010,(7):11-12.[2]湯彩萍.FANUC編碼器的研究與應(yīng)用[J].機(jī)床電器,2008,(3):17-18.[3]楊元慶.光電編碼器分類及應(yīng)用[J].儀表技術(shù)與傳感器.1993,(1)：29-30.