3247字论文写作指导数控专业开学报告

一、目的和意义:

当今世界，发达工业国家高度重视机床工业，竞相开发机电一体化、高精度、高效率、高自动化的先进机床，以加快工业和国民经济的发展。长期以来，欧洲、美国和亚洲在国际市场上激烈竞争，形成了无形的战线。特别是随着微电子技术和计算机技术的进步，自20世纪80年代以来，数控机床的发展速度加快。各方面的用户都提出了更多的要求。四大国际机床展览会一直是各机床制造商竞相展示先进技术、争夺用户和拓展市场的焦点。中国加入世贸组织后，正式参与了世界市场的激烈竞争。如何增强机床工业的实力，加快未来数控机床工业的发展，是一项紧迫而艰巨的任务。

随着世界科技的进步和机床工业的发展，数控机床作为机床工业的主流产品，已经成为实现装备制造业现代化的关键设备和国防军事装备发展的战略物资。数控机床的拥有量及其性能水平是衡量一个国家综合实力的重要指标。加快数控机床产业的发展也是中国装备制造业发展的现实要求。根据cmtba、航空航天空组织的用户调查，国防和军事制造业需要大型、高速、精密、多轴、高效数控机床。汽车、摩托车和家电制造业需要高效率、高可靠性和高自动化的数控机床和成套的柔性生产线。电站设备、造船、冶金石化设备和轨道交通设备制造业需要高精度重型数控机床。信息产业、生物工程等高科技产业需要纳米级亚微米级超精密加工数控机床。工程机械、农业机械等传统制造业的产业升级，特别是民营企业的蓬勃发展，需要大量的数控机床设备。当今数控机床的发展不仅要求重量轻、成本低、使用方便、加工可能性好，而且要求越来越高的加工性能。随着现代数控机床向高速、高性能、高精度方向发展，传统的设计方法已经不能满足[1]数控机床发展的要求。

数控机床床属于大型机械设备。在整个机床的所有部件中，机床立柱是一个极其重要的大零件，它起着支撑工件和连接工作台、床身等关键部件的作用。数控机床立柱结构的设计尺寸和布局形式决定了其自身的动态特性。由于立柱结构设计不合理，立柱刚度不足，导致各种变形和振动。在加工过程中，刀具和工件之间的相对变形和振动也会降低零件的加工精度。立式车床用于加工径向尺寸大、轴向尺寸相对较小、形状复杂的又大又重的工件。例如圆柱形表面、端面、圆锥形表面、圆柱形孔、圆锥形孔等。各种圆盘、轮子和套筒。附加设备也可用于螺纹车削、球形车削、仿形、铣削和磨削。与卧式车床相比，立式车床的主轴垂直设置，工作台的台面在水平面上，工件的夹紧和对准更加方便。这种布局减轻了主轴和轴承的负荷，使立式车床能长时间保持工作精度。大量的加工实践证明，使用卧式车床(将其转变为立式车床)具有占地面积小、排屑更方便、承载能力提高等优点。同时，立式车床还具有良好的主轴旋转精度和较强的切削能力，更有利于生产自动化的实现，因此立式车床的使用和需求也在不断增加。立柱是数控立式车床的重要结构部件之一。其结构特点对立式车床的性能有很大影响，主要体现在加工精度、抗振性、切削效率、使用寿命等方面。因此，立柱结构的静态和动态性能是决定整机性能的重要因素之一。由于柱结构形状复杂，很难用一般方法计算其静动力特性。如何对立柱等构件进行准确、合理、科学、可行的计算，是机床结构设计过程中急需解决的重要课题[2】。

因此，在设计数控机床立柱结构时，考虑立柱的动态特性尤为重要。鉴于这些因素，有必要对数控机床立柱部分的结构进行优化。本课题对数控机床立柱部分的优化设计具有重要的现实意义。

第二，研究趋势:

1、国外研究趋势:

国外在机床结构优化领域有很多研究。在结构优化、有限元分析和参数化设计方面有很多研究。在美国机械工程师学会的《基于细分和商业有限元的柔顺力学优化综合》一文中，利用有限元软件对机械结构进行了分析，提出了全过程参数化设计。进行拓扑优化，综合分析优化程序中设计变量的变量。

国外机床结构优化设计具有以下特点:

(1)设计和分析是并行的。从旨在满足一定性能要求的结构选择和设计，到具体设计方案的比较和确定，设计方案的模拟试验等。结构分析涉及床结构设计的每个阶段。床身结构分析贯穿整个设计过程，由此确定的结构设计方案基本上是[3]的设计方案。

(2)结构优化的思想适用于设计的所有阶段。

(3)大量虚拟测试取代物理测试。虚拟测试可以在没有任何实物的情况下进行，实现速度快，信息量大。一方面，虚拟实验可以在多种设计方案中选择最佳方案，减少设计的盲目性；另一方面，设计中的问题可以尽早发现。从而降低设计成本，缩短设计周期[4】。

随着工业的发展，对数控机床的需求越来越高。在机床设计中，必须对其部件进行严格的分析和计算。床身及其他支撑件的重量应占车床总重量的20%-30%，因此对支撑件的单位重量刚度提出了更高的要求。在重量较轻的情况下，需要保证支架具有足够的静刚度，因此需要对支架材料的分布、支架壁厚和开启位置的合理性进行分析计算。

2.国内研究趋势:

目前，国内在机床结构优化领域的研究相对活跃，机床结构优化设计的内容非常丰富，涉及很多内容，包括静力学、结构非线性分析、拓扑优化、模态分析、动力学分析等。目前，有限元方法在机床结构设计中的应用主要包括以下几个方面:

(1)静态分析。这是二维或三维机床零件加载后的应力应变分析，是机床设计中最基本、最常见的有限元分析类型。

(2)模态分析。这是一种动态分析，用于研究结构的固有频率和振型。本分析中施加的载荷只能是位移载荷和预应力载荷[5]。

(3)谐波响应分析和瞬态动力学分析。这两类分析也属于动态分析，用于研究机床对周期性和非周期性载荷的动态响应。

(4)热应力分析。它用于研究结构内部的温度分布和机床内部的热应力。

(5)联系分析。用于分析两个结构构件接触时的接触面状态和法向力。

我国机床结构优化设计主要应用于刚度和强度分析。在广西大学陈文锋、毛汉玲的《MXBS.1320高速外圆磨床动态性能实验研究》一文中，采用脉冲激励法对MXBS.1320高速外圆磨床的动态性能进行了实验研究。得出磨床前几个模态的频率和振型，找出机床振动的薄弱环节和主要振动源，并提出机床改造措施。此外，对主要部件进行有限元分析，以优化部件的结构设计[6]。东南大学和无锡机床有限公司对内圆磨床M2120A床身结构进行了有限元分析，获得了床身前几步的固有频率和振动模态，分析了床身内肋板布置对结构动力特性的影响。在张海伟，卧式加工中心的动态性能分为两种方法:动态实验分析和理论模型分析。通过实验测试数据与理论计算结果的对比分析，验证了理论模型的合理性。找出机床的薄弱环节，优化结构。优化后的分析结果表明，机床结构的最大变形值相应减小。陈庆堂利用工程软件ANSYS的优化设计模块，根据主轴箱的实际工况和机械零件的加工精度要求，在参数化建模和结构应力分析的基础上，以减重为目标，对XK713数控铣床主轴箱结构进行了优化。通过优化设计和分析，主轴箱结构重量减轻了23.2%，刚度和应力在三个方向上得到合理分布，[7]。东南大学机械工程系采用有限元法对机床床身进行静动态分析，并采用渐进结构优化算法，基于基频约束和刚度约束对机床床身结构进行拓扑优化，为ESO方法在机床体积结构拓扑优化中的应用做了有益的尝试。王艳辉、吴建国等人在《精密机床床身结构参数优化设计》一文中，在确定精密机床床身合理结构的基础上，利用APDL参数化设计语言和ANSYS有限元软件提供的优化设计方法，以床身的地板布置和地板厚度为设计参数，优化床身结构设计参数，确定床身结构的合理参数。不仅大大提高了床身的动态性能，而且节约了材料，降低了生产成本[8]。

主题的主要内容:

1.确定数控机床立柱系统结构的设计和实施方案；

2.建立数控机床立柱系统关键部件的数学模型(包括相应的G函数代码、几何仿真中可以实现的M代码等)。)；

3.加工过程的动态建模:

4、分析并编写零件加工程序；

5.编写相应的仿真软件。

研究方法和设计方案:

1.研究方法:

以视窗为平台，以计算机辅助设计软件为工作语言，设计了系统的各个部分。利用UG绘制并组装三维立体图。然后用UG编写零件的加工程序，进行仿真，实现数控代码的实时动态切削过程。

2.设计方案:

系统采用模块化设计，总体结构方案如图1-1所示。每个模块的功能如下:

(1)利用计算机辅助设计软件设计整个系统的各个部分。

(2)利用UG对每个零件进行三维建模。

(3)组装所有部件，形成立柱的整体结构。

(4)检查零件设计的合理性和装配建模的正确性。

(5)数控程序:用UG进行零件的三维建模，用UG编写加工仿真程序。

(6)插补算法:采用逐点比较法插补直线和圆弧。

(7)仿真表明，利用UG提供的建模环境建立毛坯和刀具，并显示刀具运动轨迹。

(8)最后，对编程程序进行仿真，分析刀具轨迹和加工零件是否满足要求。

完成期限和预期进度:

(1)毕业项目研究阶段:(1~2周):项目研究和文献检索，完成英语翻译；

(2)毕业设计开题报告阶段:(第3~4周):开题报告完成；

(3)毕业设计的主要工作阶段: (第5-12周)；

(1)完成系统总体规划。(第5~6周)；

(2)所有部件的设计。(第7-9周)；

(3)数控仿真。(第10周)；

(4)完成设计规范的编写。(第11-12周)；

(4)毕业设计答辩阶段:(第13~15周)。

关键参考:

[1]霍利，W. J .，亚历山大，A. L .，维克斯，C. D .，2003，Doise Workload modulation of车载显示位置对并发驾驶和辅助任务性能的影响，Procs .DSC的。

[2《现代实用机床设计手册》编委会。现代实用机床设计手册[。北京:机械工业出版社，2006

[3]张亮、杨伟、陈小安、刘德勇。CK6310数控机床主轴箱动态特性研究[J]。机床与液压，2008 (3): 12-17

[4]邵裘芸。有限元分析用导航报告[。北京:中国铁路出版社，2004 (2): 20-23

[5]张志文、韩庆凯、刘亚忠。机械结构的有限元分析。哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2006

[6]任继文胡国梁。有限元分析的介绍和改进[。北京:国防工业出版社，2009

[7]杨明亚、杨涛、唐本本、尹红、杨英杰、周永亮、卢灿菊。机床立柱的动态特性分析

[8]国测、孙庆红、蒋舒云、陈南、朱庄睿、秦白煦、王金恩。高速高精度数控车床主轴系统温度场的建模与仿真[工业自动化学报，2003 (4): 5-9

[9]何发成，海盐人。引用该论文[。产品与技术，2005 (4): 10-20

[10]张兴超，许沈雁。引用该论文[。吉林工业大学学报，2001(4)13-21