數(shù)控專業(yè)開題報(bào)告

一、目的及意義：

 

當(dāng)今世界，工業(yè)發(fā)達(dá)國家對機(jī)床工業(yè)高度重視，競相發(fā)展機(jī)電一體化、高精、高效、高自動(dòng)化先進(jìn)機(jī)床，以加速工業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)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(zhàn)線，特別是隨著微電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)控機(jī)床在20世紀(jì)80年代以后加速發(fā)展，各方用戶提出更多需求，四大國際機(jī)床展早已成為各國機(jī)床制造商競相展示先進(jìn)技術(shù)、爭奪用戶、擴(kuò)大市場的焦點(diǎn)。中國加入wto后，正式參與世界市場激烈競爭，今后如何加強(qiáng)機(jī)床工業(yè)實(shí)力、加速數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)發(fā)展，實(shí)是緊迫而又艱巨的任務(wù)。

 

隨著世界科技進(jìn)步和機(jī)床工業(yè)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床作為機(jī)床工業(yè)的主流產(chǎn)品，已成為實(shí)現(xiàn)裝備制造業(yè)現(xiàn)代化的關(guān)鍵設(shè)備，是國防軍工裝備發(fā)展的戰(zhàn)略物資。數(shù)控機(jī)床的擁有量及其性能水平的高低，是衡量一個(gè)國家綜合實(shí)力的重要標(biāo)志。加快發(fā)展數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)也是我國裝備制造業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)要求。根據(jù)中國機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)組織用戶調(diào)查表明，航天航空、國防軍工制造業(yè)需要大型、高速、精密、多軸、高效數(shù)控機(jī)床；汽車、摩托車、家電制造業(yè)需求高效、高可靠性、高自動(dòng)化的數(shù)控機(jī)床和成套柔性生產(chǎn)線；電站設(shè)備、造船、冶金石化設(shè)備、軌道交通設(shè)備制造業(yè)需求高精度、重型為特征的數(shù)控機(jī)床；it業(yè)、生物工程等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)需求納米級亞微米級超精密加工數(shù)控機(jī)床；工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械等傳統(tǒng)制造行業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級，特別是民營企業(yè)的蓬勃發(fā)展，需要大量數(shù)控機(jī)床進(jìn)行裝備。當(dāng)今數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，除了要求機(jī)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(jī)床具有愈來愈高的加工性能。隨著現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床日益向著高速化、高性能、高精度方向發(fā)展，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法己無法滿足數(shù)控機(jī)床發(fā)展的要求[1].

 

數(shù)控機(jī)床床屬于大型機(jī)械設(shè)備，在整個(gè)機(jī)床的各個(gè)組成部分中， 機(jī)床立柱是一個(gè)極其重要的大件， 它起著支撐工件和連接工作臺(tái)、床身等關(guān)鍵零部件的作用。數(shù)控機(jī)床立柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)尺寸和布局形式， 決定了其本身的各個(gè)動(dòng)態(tài)特性。往往由于立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理， 導(dǎo)致立柱的剛度不足， 產(chǎn)生各種變形、振動(dòng)，加工時(shí)刀具與工件間產(chǎn)生相對變形和振動(dòng)， 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(fù)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(jìn)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(tái)臺(tái)面處于水平平面內(nèi)，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(shí)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(yōu)越性，如占地面積小、排屑更加方便、承載能力增加等。同時(shí)立式車床還具有很好的主軸旋轉(zhuǎn)精度和較強(qiáng)的切削能力，更加有利于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)化，所以對立式車床的使用和需求也越來越多。立柱是數(shù)控立式車床重要結(jié)構(gòu)部件之一，其結(jié)構(gòu)特性對立式車床的性能影響很大，主要體現(xiàn)在加工精度、抗振性、切削效率、使用壽命等方面。因此，立柱結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)態(tài)性能是決定整機(jī)性能的重要因素之一。由于立柱結(jié)構(gòu)形狀較復(fù)雜，采用一般方法對其進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)特性計(jì)算比較困難。如何對立柱等部件進(jìn)行精確、合理、科學(xué)可行的計(jì)算，是機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中需要迫切解決的重要課題[2].

 

因此，在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床立柱結(jié)構(gòu)時(shí)， 考慮立柱的動(dòng)態(tài)特性顯得尤為重要。針對這些因素，有必要對數(shù)控機(jī)床的立柱部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，本課題對數(shù)控機(jī)床的立柱部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)有重要的實(shí)際意義。

 

二、研究動(dòng)態(tài)：

 

1、 國外研究動(dòng)態(tài)：

 

國外的機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域的研究比較多，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化、有限元分析、參數(shù)化設(shè)計(jì)方面都有不少研究，美國機(jī)械工程師學(xué)會(huì)“optimal synthesis ofcompliantmechanisms using subdivision and commercial fea”一文中，利用有限元軟件分析機(jī)械結(jié)構(gòu)，提出全程參數(shù)化設(shè)計(jì)，并對其進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，全面分析了設(shè)計(jì)變量在優(yōu)化程序中的變數(shù)。

 

國外機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)存在以下特點(diǎn)：

 

（1）設(shè)計(jì)與分析平行。從以滿足一定性能要求為目標(biāo)的結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 到具體設(shè)計(jì)方案的比較及確定、設(shè)計(jì)方案的模擬試驗(yàn)等。床身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的各個(gè)階段均有結(jié)構(gòu)分析的參與。床身結(jié)構(gòu)分析貫穿了整個(gè)設(shè)計(jì)過程，這樣確定的床身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，基本就是定型方案[3].

 

（2）結(jié)構(gòu)優(yōu)化的思想被用于設(shè)計(jì)的各個(gè)階段。

 

（3）大量的虛擬試驗(yàn)代替實(shí)物試驗(yàn)。虛擬試驗(yàn)不僅可以在沒有實(shí)物的條件下進(jìn)行，而且實(shí)施迅速、信息量大。利用虛擬試驗(yàn)，一方面可以在多個(gè)設(shè)計(jì)方案中選擇最優(yōu)，減少設(shè)計(jì)的盲目性，另一方面可以及早發(fā)現(xiàn)在設(shè)計(jì)中的問題。從而減少設(shè)計(jì)成本，縮短設(shè)計(jì)周期[4].

 

隨著工業(yè)的發(fā)展，對數(shù)控機(jī)床的要求越來越高。在機(jī)床的設(shè)計(jì)中，需要對其組成部件進(jìn)行嚴(yán)密的分析與計(jì)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(jìn)行分析計(jì)算。

 

2、國內(nèi)研究動(dòng)態(tài)：

 

目前國內(nèi)在機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域的研究比較活躍，機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)容十分豐富，涉及內(nèi)容很多，包括靜力學(xué)，結(jié)構(gòu)非線性分析，拓?fù)鋬?yōu)化，模態(tài)分析，動(dòng)力學(xué)分析等。目前有限元方法在機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面：

 

（1）靜力學(xué)分析。這是對二維或者三維機(jī)床零件承載后的應(yīng)力和應(yīng)變的分析，是有限元在機(jī)床設(shè)計(jì)中最基本、最常用的分析類型。

 

（2）模態(tài)分析。這是動(dòng)力學(xué)分析的一種，用于研究結(jié)構(gòu)的固有頻率和各振型等振動(dòng)特性，進(jìn)行這種分析時(shí)所施加的載荷只能是位移載荷和預(yù)應(yīng)力載荷[5].

 

（3）諧響應(yīng)分析和瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析。這兩類分析也屬于動(dòng)力學(xué)分析，用于研究機(jī)床對周期載荷和非周期載荷的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

 

（4）熱應(yīng)力分析。用于研究結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度的分布，以及機(jī)床內(nèi)部的熱應(yīng)力。

 

（5）接觸分析。用于分析兩個(gè)結(jié)構(gòu)件接觸時(shí)的接觸面狀態(tài)和法向力。

 

國內(nèi)的機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要是應(yīng)用在剛度和強(qiáng)度分析方面。廣西大學(xué)陳文鋒、毛漢領(lǐng)“mxbs.1320型高速外圓磨床動(dòng)態(tài)性能的試驗(yàn)研究‘’一文中，對  mxbs.1320型高速外圓磨床的動(dòng)態(tài)性能使用脈沖激振法進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到磨床前幾階模態(tài)的頻率和振型圖，尋找出機(jī)床振動(dòng)的薄弱環(huán)節(jié)和主要振源，并提出一些機(jī)床改造的措施。此外還有對主要零部件進(jìn)行有限元分析，優(yōu)化零部件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)[6].東南大學(xué)和無錫機(jī)床股份有限公司對內(nèi)圓磨床m2120a床身結(jié)構(gòu)進(jìn)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(nèi)部筋板布置對結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的影響。張海偉，利用動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)分析和理論模型分析兩種方法對臥式加工中心的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行了分系，通過實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)與理論計(jì)算結(jié)果對比分析，驗(yàn)證了理論模型的合理性，找出了機(jī)床的薄弱環(huán)節(jié)，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。優(yōu)化后分析結(jié)果證明機(jī)床結(jié)構(gòu)的最大變形值都相應(yīng)降低。陳慶堂，運(yùn)用工程軟件ansys的優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，根據(jù)主軸箱的實(shí)際工況及機(jī)床零件加工精度要求，在參數(shù)化建模及結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析基礎(chǔ)上，對xk713數(shù)控銑床軸箱結(jié)構(gòu)以減輕重量為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)及分析，主軸箱結(jié)構(gòu)重量減輕了23.2%,三個(gè)方向上剛度和應(yīng)力得到了合理的分布[7].東南大學(xué)機(jī)械工程系，利用有限元法對機(jī)床床身進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)分析，并使用漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法對床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行基于基頻約束和剛度約束的拓?fù)鋬?yōu)化，為eso方法在機(jī)床大件結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化中的應(yīng)用做了有益的嘗試。王艷輝、伍建國等人，在”精密機(jī)床床身結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)‘’一文中，在確定精密機(jī)床床身合理結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用ansys有限元軟件提供的apdl參數(shù)化設(shè)計(jì)語言和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，以床身的肋板布置和肋板厚度為設(shè)計(jì)參數(shù)，對床身進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化，確定了床身結(jié)構(gòu)的合理參數(shù)。不僅大大提高了床身的動(dòng)態(tài)性能：而且節(jié)省了材料，降低了生產(chǎn)成本[8].

 

課題的主要內(nèi)容：

 

1、 確定數(shù)控機(jī)床立柱體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)方案；

 

2、 確立數(shù)控機(jī)床立柱系統(tǒng)中關(guān)鍵部分的數(shù)學(xué)建模（包括相應(yīng)的g功能代碼、幾何仿真過程中能實(shí)現(xiàn)的m代碼等）；

 

3、 加工過程的動(dòng)態(tài)建模；

 

4、 分析并編寫零件加工程序；

 

5、 編制相應(yīng)的仿真軟件。

 

研究方法、設(shè)計(jì)方案：

 

1、研究方法：

 

以windows為平臺(tái)，以cad軟件為工作語言設(shè)計(jì)系統(tǒng)各個(gè)零件，在用ug繪制三維立體圖，并對其進(jìn)行裝配，再用ug編寫零件的加工程序，對其講過仿真，實(shí)現(xiàn)數(shù)控代碼的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的切削過程。

 

2、設(shè)計(jì)方案：

 

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，其總體結(jié)構(gòu)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(gè)系統(tǒng)的零件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

 

（2） 用ug對各個(gè)零件進(jìn)行三維建模。

 

（3） 裝配各個(gè)零件，形成立柱的整體結(jié)構(gòu)。

 

（4） 檢查裝配中零件設(shè)計(jì)的合理性及建模的正確性。

 

（5） nc程序：利用ug對零件進(jìn)行三維建模，并用ug編寫用于加工仿真的 程序。

 

（6） 插補(bǔ)算法：采用逐點(diǎn)比較法對直線、圓弧進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算。

 

（7） 仿真顯示：利用ug提供的建模環(huán)境建立毛坯和刀具，并顯示刀具運(yùn)動(dòng) 軌跡。

 

（8） 最后對編寫的程序進(jìn)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(yù)期進(jìn)度：

 

① 畢業(yè)設(shè)計(jì)課題調(diào)研階段：（第1~2周）：課題調(diào)研及文獻(xiàn)檢索、完成英文翻譯；

 

② 畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告階段：（第3~4周）：完成開題報(bào)告；

 

③ 畢業(yè)設(shè)計(jì)主要工作階段：（第5~12周）；

 

（1）完成系統(tǒng)的總體規(guī)劃。（第5~6周）；

 

（2）各零件的設(shè)計(jì)。（第7~9周）；

 

（3）數(shù)控仿真。（第10周）；

 

（4）完成設(shè)計(jì)說明書的撰寫工作。（第11~12周）；

 

④ 畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯階段：（第13~15周）。

 

主要參考資料：

 

[1] horrey, w. j., alexander, a. l., wickens, c. d., 2003, doise workload  modulate the effects of in-vehicle display location on concurrent   drivinand side task performance, procs. of dsc.

 

[2]《現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊》編委會(huì)。現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊[m].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006

 

[3]張良，楊為，陳小安，劉德永。ck6310型數(shù)控機(jī)床主軸箱動(dòng)態(tài)特性研究[j].機(jī)床與液壓，2008（3）：12-17

 

[4]邵蘊(yùn)秋。ansys8.0有限元分析實(shí)例導(dǎo)航報(bào)[j].北京：中國鐵道出版社，2004（2）：20-23

 

[5]張志文，韓清凱，劉亞忠。機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析[m].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2006

 

[6]胡國良，任繼文。ansysll.0有限元分析入門與提高[m].北京：國防工業(yè)出版社，2009

 

[7]楊明亞，楊濤，湯本金，陰紅，楊穎潔，周永良，盧燦舉。機(jī)床立柱動(dòng)態(tài)特性的分析

 

[8]郭策，孫慶鴻，蔣書運(yùn)，陳南，朱壯瑞，秦緒柏，王金娥。高速高精度數(shù)控車床主軸系統(tǒng)的溫度場建模與仿真[j]煒0造業(yè)自動(dòng)化，2003（4）：5-9

 

[9]何發(fā)誠，海燕。ck53100數(shù)控單柱移動(dòng)立式車床的技術(shù)性能與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[j].產(chǎn)品與技術(shù)，2005（4）：10-20

 

[10]張興朝，徐燕申。機(jī)床龍門式立柱結(jié)構(gòu)參數(shù)化動(dòng)態(tài)優(yōu)選設(shè)計(jì)[j].吉林工業(yè)大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，2001（4）13-21