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黃河科技學院畢業(yè)設計（文獻翻譯） 第17 頁 加工的幾何尺寸和公差的提取/轉換功能 摘要 在操作過程中，重要的是保持基于特征系統(tǒng)功能的完整性，尤其是當功能發(fā)生相互作用的時候。本文提出了一種用于后續(xù)應用領域的轉換成設計模型的功能轉換方式。這個過程包括成型特征（幾何信息）和非幾何特征轉換。大多數(shù)研究人員都集中在幾何信息的提取和轉換上而忽略非幾何特征的重要問題。本文著重探討對后續(xù)加工應用中的幾何尺寸和公差（GD＆T）的提取和轉換功能。 在本文中將討論基于CAD/ CAPP/ CAM系統(tǒng)集成特征的主要障礙——功能的互動，從而改變它們的幾何和非幾何的設計特點信息。如何識別和驗證這些功能尺寸和公差是特征交互轉換的關鍵問題之一。本文報告工作的主要推力是在使用過程中為規(guī)劃申請保留功能的完整性而形成強有力的方法。 關鍵詞：CAD/ CAPP / CAM集成，功能轉換，功能互動，幾何尺寸和公差（GD＆T），加工特征 1簡介 現(xiàn)代設計和先進的加工過程中的一個主要目標是通過各種設計和工藝規(guī)劃活動之間的無縫集成來實現(xiàn)產品交貨時間的顯著縮短。使用組件特性的概念來集成設計系統(tǒng)和制造系統(tǒng)已經成為近年來的主要研究方向[1-5]。 在一般情況下，功能是用于賦予組件屬性的意義，幫助解剖可識別的、有意義的區(qū)域以及改善設計和制造之間聯(lián)系。特征識別和基于特征的設計是兩個主要使用的途徑。特征識別驅動器的功能信息來自被識別的幾何數(shù)據(jù)庫，通過計算機算法進行提取和分類。特征識別問題與設計意圖的損失，不完備的設計和制造信息以及特征識別的復雜性和計算負荷方案[3，6，7]相關?；谔卣鞯脑O計涉及到通過使用“積木”定義一個組件，它代表著或設計功能或加工功能。由于功能是取決于過程的，不同的應用需要不同的應用功能。設計階段使用的功能（稱為設計特點）是功能特點，代表著設計意圖，如肋，開槽，并加強的功能。在規(guī)劃階段使用的功能（稱為加工功能）與加工業(yè)務有關，如孔、盲孔、槽和袖珍的功能。此外，功能因應用程序的不同而有不同呈現(xiàn)。這些事實是根據(jù)需要以正確反映加工特點并實現(xiàn)CAD、CAPP和CAM系統(tǒng)集成在一個基于特征的環(huán)境的主要障礙。 設計人員使用設計特征構建組件特征模型是最合理的，然后通過加工特征在工藝規(guī)劃系統(tǒng)中將模型轉換。這個過程被稱為功能轉換或功能映射。許多研究人員對功能轉換的方法和算法進行了研究和應用[8-10]。然而，當代大多數(shù)基于特征的設計仍然不能完全處理發(fā)展基于特征系統(tǒng)中的一個最重要的，或許是最困難的方面，就是功能的定義和代表性的相互作用。以前使用的功能的特征交互改變了幾何形狀和屬性，但它不會改變它們相應的數(shù)據(jù)庫，這使得后續(xù)應用不能從設計數(shù)據(jù)庫獲得真正的組件模型。因此，在設計和加工過程中的階段維護功能的完整性是實現(xiàn)基于特征的CAD / CAPP / CAM一體化問題的關鍵之一[11-13]。許多研究已進行到基于提取加工特征設計系統(tǒng)[5，7，9，10，14-16]的技術。然而，這些研究主要專注于幾何信息的識別或轉換。在機床特征的非幾何信息方面做的還很少，如幾何尺寸和公差（GD＆T）。Shah提出[17]的方法來創(chuàng)建一個在設計和工藝規(guī)劃應用中使用的尺寸和公差模型。這種GD＆T模型被用來捕捉設計師基于特征設計上的GD＆T方案模型，驗證其完整性，然后用特征識別的方法轉移GD＆T到加工特征的自動提取。該方法側重于在設計和制造階段如何使用一部分的尺寸時為有效模式。因此，構建出強勁的適合CAD和CAPP系統(tǒng)的GD＆T模型，是一項復雜而艱巨的任務。對于一個以商業(yè)功能為基礎的系統(tǒng)（如Pro / Engineer），一旦一個組件的造型過程已經完成，則一個GD＆T模型即被構建。為了創(chuàng)建所使用的CAD模型，其目標就是去捕獲和轉換一個過程規(guī)劃體系所需要的幾何和非幾何信息并實現(xiàn)CAD / CAPP無縫集成的過程。 為了實現(xiàn)一個過程規(guī)劃模型的完整代表， GD＆T所需要一個組件需保持完整，并根據(jù)加工特點的要求被完整和正確的表示。本文中提出的工作是處理從基于保持一個基于特征加工的完整性和一致性過程的GD＆T模型的提取/轉換。 在第2節(jié)中通過功能轉換模塊和STEP文件界面介紹了建議的基于特征CAD / CAPP集成系統(tǒng)的框架。在第3節(jié)中，我們討論了關于功能相互作用所導致的功能信息的改建以及不改變它們數(shù)據(jù)庫等難以解決的問題。加工功能可以通過從設計模型的功能信息中提取和轉換來生成。在第4節(jié)中，我們介紹為功能GD＆T的提取和轉換所開發(fā)的算法。在第5節(jié)中，使用一個詳細的組件的例子來展示幾何尺寸轉換的結果。在最后一節(jié)，給予本文的結論。 2基于CAD/ CAPP集成系統(tǒng)的結構特征 組件模型是在基于一系列如突起，槽，孔等的設計特點的環(huán)境下被構建的。諸如對CAD模型的過程規(guī)劃有著不同看法的后續(xù)應用，它采用了符合加工操作的一系列加工功能。為實現(xiàn)CAD / CAPP / CAM系統(tǒng)的完整性，代表加工特征的功能幾何的提取和轉換以及非幾何信息加工功能被提出。通過功能轉換方法得到的集成系統(tǒng)的框架如圖2.1所示。在這個方法中，用基于特征的CAD / CAM軟件即Pro / Engineer，來創(chuàng)建一個組件特征模型。通過該功能轉換模塊和STEP文件接口，可以創(chuàng)建相應的過程規(guī)劃模型組件，以測試并驗證轉換的加工特征，這將在〔18〕中予以討論。 在功能轉換模塊中，為加工轉換特征屬性形成功能映射以開發(fā)轉換CAD數(shù)據(jù)庫中的幾何信息到用于創(chuàng)建一個完整的和正確的代表著有意義“形狀”的加工過程和GD＆T的映射。 圖2.1 綜合功能為基礎的CAD / CAM系統(tǒng)框架 3特征交互作用 在一般情況下，如果特征交互導致原來的功能參與要素類或要素屬性的任何改變，那么特征交互就被認為已經發(fā)生了?；谔卣鞯脑O計系統(tǒng)，組件模型被一系列的由一個功能修改另一個的方式的設計特點建立起來。圖3.1顯示了一個涉及到盲槽1和盲槽2特征的功能交互組件的建模過程，。當相互作用發(fā)生時，之前使用的盲槽1和盲槽2功能隨著特征尺寸和幾何元素的可能改建轉變成插槽3和盲槽4功能。 圖3.1 兩個盲槽之間互動功能的例子，隨著不同的屬性或幾何形狀生產一個插槽和盲槽 特征交互組件模型有著廣泛的影響，因為它們不僅改變了預定義的功能幾何形狀也改變它們的屬性。問題是這些產品在組件數(shù)據(jù)庫中是不可替代的，從而導致后續(xù)工藝規(guī)劃的困難。在圖3.2中，由于臺階功能的相互作用，以前使用的袖珍功能的幾何形狀和尺寸發(fā)生了變化。圖3.2b中，袖珍功能的深度尺寸被改為h1，代替原來的維度h，并將在圖3.2c中的袖珍功能改變?yōu)槊げ酃δ?，新成立的邊緣層面功能也由以前維度a變?yōu)閍1。然而，組件數(shù)據(jù)庫只記錄原始功能，并不包含模擬結果。按照圖3.2中的例子，我們可以從數(shù)據(jù)庫中獲得圖3.2b和圖3.2c中兩個模型的原始袖珍功能尺寸h和a。 圖3.2 由袖珍功能和臺階功能的相互作用引起的特征類型和尺寸的不一致 為了維護功能模型的完整性，這里有必要由加工特征基礎處理規(guī)劃系統(tǒng)開發(fā)一個強大的特征提取/轉換算法來檢測不一致的功能描述，并將其轉換成所需要的正確描述。關于幾何方面的設計特點檢測和轉換算法的加工特征將在[17]中予以介紹，在這里為了正確地表示轉換后的加工特征，我們將重點放在GD＆T的提取/轉換上。 4提取幾何尺寸和公差的特征 4.1幾何尺寸特征的提取 在基于CAD特征的系統(tǒng)里，數(shù)據(jù)庫中組件和特性的幾何尺寸的描述包含了下列項目： 1. 尺寸值和公差。 2. 如線性尺寸，角度尺寸和直徑尺寸的維度類型。 3. 維度的邊界元素：一個面、軸和一個邊緣。例如，維度d4（如圖4.1所示）的邊界元素是面f1和邊緣e1，同時維度d5是面f2和邊緣e2的邊界元素。 圖4.1 特征交互和尺寸邊界元素 除了上面列出的項目1和2，工藝規(guī)劃系統(tǒng)根據(jù)CAD模型有不同的尺寸邊界表示，該模型需要用加工操作的一個有意義的幾何元素尺寸來描述，如一個面或一個軸元素，但不用邊界元素。由于是由兩個面元素形成的一個邊緣，它是加工流程建模使用的某種模糊的方式。例如，在圖4.1中的維度“d”是描述的長度|d|以及e1，e2的兩個邊元素。加工過程建模的要求，應該是用面f5和面f8的邊界元素描述的。 由于設計特點和加工特點之間不同的維度描述，有必要區(qū)分和改造過程建模的CAD模型相對應的面元素中的維度邊界元素的邊緣。該算法是以GD＆T映射模塊中的一個模塊作為以下步驟實現(xiàn)的。 第1步：搜索組件上的每個維度dim(i)，讓i=1，2，…，N_GD，N_GD組件幾何尺寸的總數(shù)。 第2步：讓i = 1，提取維度dim(i)的值，類型和邊界元素標識id1，id2。 第3步：檢查維度dim(i)的邊界元素。如果一個邊界元素不是一個真正的元素，那么在功能操作后維度的邊界就不再存在。這意味著維度的邊界被改變。在這種情況下，一個處理互動功能的額外算法是需要的，這將在下一節(jié)予以討論。如果這兩個邊界元素都是真實的，那么維度的邊界類型就能直接確定。 第4步：如果一個維度的邊界元素是邊e0，另一個面是f0，那么面f1和f2的其中一個形成的邊e0必須得以確定（轉到第5步），并使之作為加工特征的三維邊界元素。如果維度的兩個邊界元素是邊e1和e2，就轉到第6步把兩個邊都轉換成兩個面，作為作為維度的兩個邊界元素。如果維度dim(i)的兩個邊界元素是兩個面或兩根軸，亦或一個面和一根軸，那么它們的標識是在一個數(shù)組記錄，再轉到第7步; 第5步：比較長度d01和d02的真實值，它們分別代表了面f0和f1、面f0和f2之間的距離。如果距離d01等于（維度dim(i)）的真實值，那么代替邊界識別e0的id1也伴隨著f1的鑒定，這意味著邊元素的表示已改為面元素的表示。如果距離d02等于（維度dim(i)）的真實值，那么代替邊界識別面f2中的一邊e0的id1，并轉到第7步。 第6步：比較長度d11，d12，d21，d22（dij代表面f1i和面f2j之間的距離，其中i，j=1,2）尺寸的真實值，必須存在一個有維度dim(i)真實值的距離。如果d21等于(維度dim(i))的真實值，那么面f12和f21就替代尺寸d21的兩個邊界標識，并轉到第7步。 步驟7：如果i基準數(shù)N，就結束；否則，設置i= i+1，返回到第2步。 ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 通過上述算法，共平面陣列存儲相應的基準元素以對應真正的功能元素。算法流程圖如圖4.5所示。結合兩個階段的轉換算法，位置幾何公差可以完全轉換。 圖4.5 組件位置幾何公差基準轉換的流程圖 5一個組件的例子 在本節(jié)中介紹一個棱柱組件幾何尺寸轉換的例子。組件模型的使用如圖5.1所示。通過功能轉換模塊形式開發(fā)的介紹[19]，從組件工藝規(guī)劃應用的角度來看，是槽，盲孔，孔和盲槽功能等基本特征的復合功用。功能屬性（非幾何特征），尤其是模型的幾何尺寸，需要轉換，以正確描述這些加工特點。在轉換算法應用到組件模型之前，幾何尺寸被提取并在表5.1中列出。研究發(fā)現(xiàn)，一些邊界元素的尺寸是邊緣元素并且這些都需要進行轉換。轉換后，所有與邊緣邊界元素相關的維度被轉換為面邊界元素的尺寸（如表5.2所示）。 圖5.1 組件幾何尺寸轉換的例子 表5.1 功能轉換前的尺寸邊界 表5.2 功能轉換后的尺寸邊界 6結論 特征技術已成為應用于CAD/ ACPP/ CAM一體化方面重要的研究課題。由于特征的呈現(xiàn)因應用程序的不同而不同，現(xiàn)在主要未解決的問題是基于特征組件模型功能設計的完全解釋，特別是關于功能相互作用方面的問題。根據(jù)建模過程中設計功能的調查和分析，發(fā)現(xiàn)最終的組件模型和數(shù)據(jù)庫提供的信息之間的不一致是后續(xù)應用要解決的關鍵問題。為了用大量的加工特征正確地表示組件模型，本文著重對非幾何特征的提取和轉換，也就是，幾何尺寸和公差（GD＆T）給予了論述，從而在過程規(guī)劃建模過程中起到了關鍵的作用。 在本文中，詳細介紹了GD＆T的功能轉換算法的開發(fā)過程。由于設計特點和加工特點之間的不同表述，一種算法的開發(fā)是為了維度轉換的邊界元素去識別過程建模元素。在特征交互的情況下，由于在數(shù)據(jù)庫中的功能信息不發(fā)生相應的變化，該算法實施檢測特征尺寸是否符合特征模型并將那些虛擬尺寸轉換為能正確地描述加工功能的實際尺寸。對于形位公差轉換，主要的任務是要找到每個組件功能相應的公差，并將設計模型中的虛擬數(shù)據(jù)元素轉換成加工應用中能識別的元素。 結合[17]中幾何信息轉換的描述，加工特征可以生成符合工藝規(guī)劃系統(tǒng)要求的服務條款。通過STEP文件的接口，基于CAD / CAPP集成特征的功能可以實現(xiàn)[18]?；赑ro / Engineer系統(tǒng)特征可以用于建立設計模型，以及通過Pro/Develop工具在Sun SPARC20工作站寫入C + +實現(xiàn)功能轉換算法。 參考文獻 [1] Shah JJ,Mantyla M.基于CAD/CAM的參數(shù)和特征：概念，技術和應用.紐約：威利出版社，1995. 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[19]Gao J,Zheng DT,Gindy N.CAD/CAM一體化加工特征的提取.Int J Adv Manuf Technol,DOI:10.1007/s00170-003-1882-9. 畢業(yè)設計 文獻翻譯 院（系）名稱 工學院機械系 專業(yè)名稱 機械設計制造及其自動化 學生姓名 指導教師 2012年 03 月 02 日 黃河科技學院本科畢業(yè)設計（論文）任務書 工 學院 機 械 系 機械設計制造及其自動化 專業(yè) 2008 級 3 班 學號 學生 指導教師 畢業(yè)設計（論文）題目 數(shù)控工作臺三維造型設計及關鍵零部件工藝設計 畢業(yè)設計（論文）工作內容與基本要求（目標、任務、途徑、方法，應掌握的原始資料（數(shù)據(jù)）、參考資料（文獻）以及設計技術要求、注意事項等） 一、設計技術要求、原始資料（數(shù)據(jù)）、參考資料（文獻） 數(shù)控工作臺是數(shù)控加工中不可缺少的重要部分，本部分是由步進或伺服電機，在單片機或電腦的程序驅動下，帶動滾珠絲杠實現(xiàn)進給運動。 本課題要求利用三維軟件對數(shù)控工作臺進行三維造型設計，并選擇其中主要的零部件進行工藝設計，工作臺臺面寬度為320，其行程在300—350之間，負荷20kg，工作平穩(wěn)靈活。 在做本課題時，需要查閱機械制圖、機械設計、機電一體化技術、機械制造工藝學等資料，結合實際情況，進行設計。 二、設計目標與任務 利用三維軟件對數(shù)控工作臺進行設計，并完成其裝配圖與部分零件圖造型圖，查閱文獻資料不少于12篇，其中外文資料不少于2篇。 1、文獻綜述一篇，不少于3000字，與專業(yè)相關的英文翻譯一篇，不少于3000漢字。 2、畢業(yè)設計說明書一份，內容與字數(shù)都不少于規(guī)定的任務量。 3、圖紙若干（折合后不少于A1圖紙3張，可以用計算機繪圖）。 4、包含本次設計的所有內容的光盤一張。 畢業(yè)設計（論文）撰寫規(guī)范及有關要求，請查閱《黃河科技學院本科畢業(yè)設計（論文）指導手冊》。 三、時間安排 1-4 周 完成開題報告、文獻翻譯、文獻綜述及總體方案設計 5-11 周 完成總體設計、完成部分機構的裝配圖及部分零件圖并撰寫說明書 12-13 周 修改論文、資格審查等 14 周 畢業(yè)答辯 畢業(yè)設計（論文）時間： 2012 年 2 月 13 日至 2012 年 5 月 15 日 計 劃 答 辯 時 間： 2012 年 5 月 19 日 專業(yè)（教研室）審批意見： 審批人簽名： 黃河科技學院畢業(yè)設計開題報告表 課題名稱 數(shù)控工作臺三維造型設計及關鍵零部件工藝設計 課題來源 教師擬訂 課題類型 AX 指導教師 學生姓名 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 學 號 一、調研資料的準備 根據(jù)任務書的要求，在做本課題之前，查閱了與該課題相關的資料，有：機械制圖、機械設計、數(shù)控機床構造、機械制造工藝學、CAXA制造工程師基礎教程與畢業(yè)設計指導手冊等一系列與設計相關的材料。 二、設計的目的與要求 畢業(yè)設計是大學教學中最后一個實踐性教學環(huán)節(jié)，通過該設計過程，可以檢驗我對所學知識融會貫通的程度，同時培養(yǎng)我處理工程中實際問題的能力，因此意義特別重大。 數(shù)控工作臺主要利用步進電機作為動力源輸出轉矩，電機輸出軸通過聯(lián)軸器與滾珠絲杠相連接，最后通過滾珠螺母帶動工作臺X向或者Y向運動。工作臺在滾動導軌上滾動。 圖1 數(shù)控工作臺的物理模型 二維數(shù)控工作臺的結構包括：1.電機底座； 2.X向步進電機； 3.聯(lián)軸器； 4.工作臺； 5.滾珠絲杠； 6.行程開關； 7.滾動導軌； 8.X向支座； 9.Y向支座； 10.Y向步進電機。 圖2 二維數(shù)控工作臺（X向）的結構圖 利用CAXA制造工程師軟件先對數(shù)控工作臺進行設計，并完成其裝配圖與部分零件圖的造型圖；再編制工作臺與滾珠絲杠的工藝規(guī)程。 三、設計的思路與預期成果 1、設計思路 先整體后局部，先抽象后具體。首先要理解數(shù)控工作臺的整體結構，弄清楚各部分工作的原理及相互之間的作用關系；其次根據(jù)所選參數(shù)并結合實際因素，運用CAXA制造工程師軟件對各部分進行造型設計；最后參照已有的資料和多方經驗，創(chuàng)造性的對工作臺、滾珠絲杠和導軌進行最佳的工藝過程安排。 2、預期的成果 （1）設計出既符合使用要求又經濟合理的數(shù)控工作臺； （2）完成文獻綜述一篇，不少與3000字，與專業(yè)相關的英文翻譯一篇，不少于3000字； （3）繪制裝配圖和部分零件圖； （4）完成內容與字數(shù)都不少于規(guī)定量的畢業(yè)設計說明書一份； （5）刻錄包含本次設計所有內容的光盤一張。 四、任務完成的階段內容及時間安排 2月17日之前完成開題報告； 3月 2 日之前完成文獻翻譯； 3月13日之前完成文獻綜述及總體方案設計； 3月30日之前完成裝配圖和部分零件圖的繪制； 4月13日之前完成工作臺、滾珠絲杠、導軌的工藝設計； 4月27日之前完成設計說明書； 4月30日之前完成所有設計任務并修改； 5月19日畢業(yè)答辯。 五、完成設計所具備的條件因素 我已修完機械制圖、機械設計、機電一體化技術、機械制造工藝學、機械制造技術基礎、、數(shù)控原理與系統(tǒng)、數(shù)控機床構造、CAXA制造工程師基礎教程及畢業(yè)設計指導等課程，同時借助圖書館的相關文獻資料并查詢相關的網絡等資源。 指導教師簽名： 日期： 課題來源：（1）教師擬訂；（2）學生建議；（3）企業(yè)和社會征集；（4）科研單位提供 課題類型：（1）A—工程設計（藝術設計）；B—技術開發(fā)；C—軟件工程；D—理論研究；E—調研報告 （2）X—真實課題；Y—模擬課題；Z—虛擬課題 要求（1）、（2）均要填，如AY、BX等。 3 目 錄 1．任務書……………………………………………………… 1 2．開題報告…………………………………………………… 2 3．指導教師評閱表…………………………………………… 4 4．主審教師評審表…………………………………………… 5 5．畢業(yè)設計（論文）答辯評審與總成績評定表…………… 6 6．畢業(yè)設計說明書…………………………………………… 7 7．文獻綜述……………………………………………………41 8．文獻翻譯……………………………………………………52 9．光盤 10．設計圖紙或實驗數(shù)據(jù)記錄 黃河科技學院畢業(yè)設計（文獻綜述） 第 10 頁 數(shù)控機床的歷程和數(shù)控工作臺的設計概述 摘要 數(shù)控技術可以說就是先進制造技術的基礎，體現(xiàn)著數(shù)控技術的數(shù)控機床和數(shù)控技術本身就理所當然地成為制造業(yè)關注的重點。 計算機控制的數(shù)控機床、數(shù)控加工中心的高精度、高度柔性化及適合加工復雜零件的性能，正好滿足當今市場競爭和工藝發(fā)展的需要。所以，計算機數(shù)字控制技術的應用是機械制造行業(yè)現(xiàn)代化的標志，在很大程度上決定了企業(yè)在市場競爭中的成敗。 其中，數(shù)控工作臺采用滾珠直線導軌副為導向支承，滾珠絲杠副是運動執(zhí)行元件的結構。具有精度高、效率高、壽命長、磨損小、節(jié)能低耗、磨擦系數(shù)小、結構緊湊、通用性強等特點。目前已廣泛應用于測量、激光焊接、激光切割，涂膠、打孔，插件、小型數(shù)控機床、射線掃描、雕銑機及實用教學等場合。 通過這些文字的說明，使得更加全面的了解數(shù)控工作臺，為順利的完成數(shù)控工作臺的三維造型設計及關鍵零部件的工藝設計做好準備。 關鍵詞：數(shù)控工作臺，三維造型，工藝設計 前言 數(shù)控機床的出現(xiàn)是20世紀機床工業(yè)的主要特點。數(shù)控機床的出現(xiàn)和發(fā)展,有效地解決了高精度、復雜零件的生產自動化問題[1]。數(shù)控機床是一種裝有計算機數(shù)字控制系統(tǒng)的機床，數(shù)控系統(tǒng)能夠處理加工程序，控制機床自動完成各種加工運動和輔助運動。與普通機床相比，數(shù)控機床能夠自動換刀，自動變更切削參數(shù)，完成平面、回旋面、平面曲線和空間曲面的加工，加工精度和生產率都比較高，因而應用日益廣泛。在制造業(yè)中，機械工業(yè)是制造業(yè)的基礎與核心。發(fā)展機械制造業(yè)是發(fā)展國民經濟和發(fā)展生產力的一項關鍵性的的戰(zhàn)略措施。而21世紀機械制造業(yè)的競爭，其實質就是數(shù)控技術的競爭。 X-Y數(shù)控工作臺的設計可用于刻字設備、微型簡易數(shù)控鉆/銑床的改造等，是一種多用途的機電一體化裝置。其主要功能是通過X-Y軸的聯(lián)動，可在二維平面內實現(xiàn)任意點或軌跡的運動控制。 1數(shù)控機床的發(fā)展歷程 到19世紀末、世界上已經有了車床、轉塔車床、回輪式車床、單軸和三軸自動車床、臥式銑床、龍門銑床、平面磨床、滾齒機、插齒機等。所以，到19世紀末.世界機床工業(yè)已具有了相當?shù)幕A[2]。 1903年美國萊特(W Wrlght and O Wrlgh)兄弟研制了第一架飛機。20世紀初，機床開始采用單獨電動機驅動，取代了過去的天軸傳動。在中國，直到50年代初，不少地方都還存在有天軸傳動的痕跡。 20世紀隨著機床工業(yè)的發(fā)展，適應汽車工業(yè)的需要、高精度、高效率、高自動化的坐標鍵床、磨床、齒輪機床、組合機床大量出現(xiàn)；其中，數(shù)控機床和功能復合、柔性化、系統(tǒng)集成化亦是20世紀機床工業(yè)最顯著的特征之一。 20世紀中國機床工業(yè)的迅速崛起。在數(shù)控機床方面，中國1958年開始起步，60年代有了正式的數(shù)控機床產品。70年代，開始研制出加工中心。80年代研制出FMC，F(xiàn)MS，而且根據(jù)中國國情，還提出了數(shù)控機床與普通機床并存的獨立制造島(Alone Manufacturing Island)方案。80年代后，世界上掀起了研究實施CIMS的熱潮，應該說，F(xiàn)MC、FMS、CIMS的基礎之一，就是數(shù)控機床，而實施FMC、FMS、CIMS又進一步帶動了數(shù)控機床的發(fā)展。 1.1數(shù)控機床的主體機構的特點 (1)由于采用了高性能的無級變速主軸及伺服傳動系統(tǒng)，數(shù)控機床的機械傳動結構大為簡化，傳動鏈也大大縮短。 (2)為適應連續(xù)的自動化加工和提高加工生產率，數(shù)控機床機械結構具有較高的靜、動態(tài)剛度和阻尼精度，以及較高的耐磨性，而且熱變形小。 (3)為減小摩擦、消除傳動間隙和獲得更高的加工精度，更多地采用了高效傳動部件，如滾珠絲杠副、滾動導軌和消隙齒輪傳動副等。 (4)為了改善勞動條件，減少輔助時間，改善操作性，提高勞動生產率，采用了刀具自動夾緊裝置、刀庫與自動換刀裝置及自動排屑裝置等輔助裝置[3]。 1.2數(shù)控機床機構的具體要求 (1)較高的機床靜、動態(tài)剛度 數(shù)控機床是按照數(shù)控編程或手動輸入數(shù)據(jù)方式提供的指令自動進行加工的。由于機械結構(如機床床身、導軌、工作臺、刀架和主軸箱等)的幾何精度與變形產生的定位誤差在加工過程中不能人為地調整與補償，因此，必須把各處機械結構部件產生的彈性變形控制在最小限度內，以保證所要求的加工精度與表面質量。為了充分發(fā)揮數(shù)控機床的高效加工能力，并能進行穩(wěn)定切削，在保證靜態(tài)剛度的前提下，還必須提高動態(tài)剛度。 (2)減少機床的熱變形 在內外熱源的影響下，機床各部件將發(fā)生不同程度的熱變形，工件與刀具之間的相對運動關系遭到破壞，機床精度下降。對于數(shù)控機床來說，因為全部加工過程是指令控制的，熱變形的影響就更為嚴重。 (3)減少運動間的摩擦和消除傳動間隙 數(shù)控機床工作臺的位移量是以數(shù)控裝置脈沖當量為最小單位的，通常又要求能以極低的速度運動，但速度很低就容易造成爬行無法準確快速響應。為了使工作臺能對數(shù)控裝置的指令做出準確響應，就必須采取相應的措施響應數(shù)控裝置的指令。數(shù)控機床的加工精度在很大程度上取決于進給傳動鏈的精度。除了減少傳動齒輪和滾珠絲杠的加工誤差之外，另一個重要措施是采用無間隙傳動副。 (4)提高機床的壽命和精度保持性 為了提高機床的壽命和精度保持性，在設計時應充分考慮數(shù)控機床零部件的耐磨性，尤其是機床導軌、進給伺服驅動和主軸部件等影響精度的主要零件的耐磨性。在使用過程中，應保證數(shù)控機床各部件潤滑良好。 (5)減少輔助時間和改善操作性能 在數(shù)控機床的單件加工中，輔助時間占有較大的比重。要進一步提高機床的生產率，就必須最大限度地壓縮輔助時間。 2數(shù)控工作臺的運行機理 數(shù)控機床是一種高度自動化的機床，在加工工藝與加工表面形成方法上，與普通機床是基本相同的，最根本的不同在于實現(xiàn)自動化控制的原理與方法上。數(shù)控機床是用數(shù)字化的信息來實現(xiàn)自動控制的，將與加工零件有關的信息——工件與刀具相對運動軌跡的尺寸參數(shù)(進給執(zhí)行部件的進給尺寸)，切削加工的工藝參數(shù)(主運動和進給運動的速度、切削深度等)以及各種輔助操作(主運動變速、刀具更換、冷卻潤滑液啟停、工件加緊松開等)等加工信息——用規(guī)定的文字、數(shù)字和符號組成的代碼，按一定的格式編寫成加工程序單，將加工程序通過控制介質輸入到數(shù)控裝置中，由數(shù)控裝置經過分析處理后，發(fā)出各種與加工程序相對應的信號和指令控制數(shù)控機床進行加工。數(shù)控機床的控制原理通過下述的數(shù)控機床的各系統(tǒng)得以實現(xiàn)其功能[4]。 X-Y數(shù)控工作臺是生產或教學中應用最為普遍的一種機電一體化產品,它包含了機械和電氣控制兩部分[5]。 機械部分中的進給過程，如圖2.1所示，縱向底座與機床工作臺連接,由縱向運動滾珠絲杠、減速器及X向步進電機構成的軸系安裝在縱向底座的軸承中,螺母固定在縱溜板上,由步進電機驅動縱溜板沿底座上的矩形導軌縱向運動[6]。由橫向運動滾珠絲杠、減 1-工作臺橫向部分；2-縱溜板；3-縱向滾珠絲杠螺母副；4-，9-軸承；5-減速器；6-步進電機； 7-右聯(lián)軸器；8-剛性聯(lián)軸器；10-左聯(lián)軸器；11-刻度盤；12-縱向底座；13-手輪. 圖2.1 數(shù)控工作臺運作機理示意圖 速器及Y向步進電機構成的橫向軸系安裝在縱溜板上的軸承中,螺母與橫溜板固連,由步進電機驅動橫溜板沿縱溜板上的導軌橫向運動。 傳動驅動部分包括步進電動機的驅動和電磁鐵的驅動,步進電動機須滿足快速急停、定位以及退刀時能快速運行、工作時能帶動工作臺并克服外力(如切削力、摩擦力)并以指令的速度運行。 3數(shù)控工作臺的結構組成 3.1滾珠絲杠驅動的數(shù)控工作臺的物理模型： 圖3.1 數(shù)控工作臺的物理模型 3.2數(shù)控工作臺的工作簡圖： 圖3.2 數(shù)控工作臺的工作簡圖 3.3數(shù)控工作臺相應部件的連接關系[7]： 圖3.3 數(shù)控工作臺相應部件的連接關系 根據(jù)以上的圖示分析，數(shù)控工作臺是由驅動電機、電機支承、聯(lián)軸器、前端軸承、前端軸承座、滾珠絲杠、滾珠螺母、后端軸承、后端軸承座、導軌和工作臺等組成，是一個復雜的動力學系統(tǒng)。 4數(shù)控工作臺的設計特點 數(shù)控工作臺是數(shù)控設備中的重要附件之一。它的主要功能是將兩個數(shù)控工作臺組裝在一起后，構成X-Y數(shù)控工作臺，實現(xiàn)兩個坐標的定位和聯(lián)動。數(shù)控工作臺兩側的結合面位置及工作臺行程均可根據(jù)用戶的需要進行特殊的定制。數(shù)控工作臺工作行程一般以被加工零件的切削長度和刀盤的直徑大小來確定。行程S=L+D+備量，L為工件切削長度，D為刀盤直徑。二維工作臺的組成原則是上層工作臺行程一定要≤下層工作臺行程。 其中，數(shù)控銑床的工作臺，不僅要平整還要與主軸刀具保持垂直。即使把工件磨得很光滑平整、主軸及刀具的垂直度精度很高，也會存在著裝配誤差以及由于地基不平所帶來的誤差。因此，工作臺的加工方式可采用“自干自”的加工方法。 數(shù)控工作臺的型號的表示方法如圖4.1所示： 圖4.1 數(shù)控工作臺的型號的表示方法 4.1導軌 導軌采用直線導軌[8]。其優(yōu)點有：（1）噪音低，音質好；（2）卓越的高速性，壽命長；（3）長期無需維修保養(yǎng)；（4）運動平滑穩(wěn)定，磨擦阻力小。 4.2進給機械系統(tǒng) 進給機械系統(tǒng)均采用滾珠絲杠和滾動導軌副。其優(yōu)點：（1）傳動效率高；（2）運動平穩(wěn)；（3）高精度；（4）高耐用性；（5）同步性好；（6）高可靠性；（7）無背隙與預緊。 4.3驅動方式 采用交流伺服同步電機。其優(yōu)點有：（1）無電刷和換向器，因此工作可靠，對維護和保養(yǎng)的要求低；（2）定子繞組散熱比較方便；（3）慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性；（4）適應于高速大力矩的工作狀態(tài)；（5）同功率下有較小的體積和重量。 4.4直線導軌 有兩條直線導軌安裝在底板上，在導軌上安裝有兩個導軌副，它支撐著整個工作臺的重量，但絲杠本身幾乎不承載重量。 4.5滾珠絲杠 滾珠絲杠的型號規(guī)格如圖4.2所示： 圖4.2 滾珠絲杠的型號規(guī)格 4.6電機的選定 驅動轉矩Mta(Mta＝Fa×Ph0/(2000×π×η))與由預加載荷而產生的轉矩Mte(Mte＝Fa0×Ph0×Kp/(2000×π×η))在電機選型時需要進行適當?shù)姆治?在精確設計中還要考慮各方面的轉矩，如：加速度時的負載轉矩及馬達所負荷的總慣性矩等。 平均速度時最大驅動轉矩Mt1為：Mt1＝Mta＋Mte。 電機的選定，一般來說以平均速度時的Mt1在電機額定轉矩的30%以內情況下使用，則電機額定轉矩為M＝Mt1/0.3。 查交流伺服電機性能表，選取符合規(guī)格的電機型號。 4.7校驗及其他 （1） 絲杠理論容許軸向載荷Fk Fk＝fFk×(d2)4/(LK)2×104 （2） 絲杠工作容許軸向載荷Fkzul Fkzul＝Fk/2 （3） 臨界轉速nk nk＝fnk×d2/Ln2×107 （4） 允許工作轉速nkper nkper≤0.8×nk 數(shù)控機床系統(tǒng)的聯(lián)接結構采用電機與滾珠絲杠直接相聯(lián)的方式，就需要借助聯(lián)軸器讓它們相聯(lián)。聯(lián)軸器是用來將原動機所產生的轉矩傳遞給從動機的裝置。 5數(shù)控工作臺的應用 雙坐標X-Y數(shù)控工作臺可廣泛應用于測量、激光焊接、激光切割，涂膠、插件、射線掃描、機械手、搬運、機床改造、專機制造及實用教學等領域?？筛鶕?jù)生產的實際需要選擇步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機作為驅動；并且在特殊需要的情況下，還可以安裝防塵、電器限位等裝置。 6數(shù)控工作臺的日常維護 通過對機械狀態(tài)測試、數(shù)據(jù)分析與故障診斷，可以確定機械的實時工作狀態(tài)及所需的各種參數(shù)以及確定機械的故障形式和故障部位，直至檢測出發(fā)生故障的零部件或元器件，從而可以對有故障的機械進行快速監(jiān)測和維修[9]。 故障診斷就其診斷內容來說極為廣泛，包含有命令，運行參數(shù)，軸的運行失調等。故障診斷模塊的主要功能是當主機向運動控制器發(fā)送命令出錯時，顯示出錯的原因，根據(jù)出錯的原因，排除故障使系統(tǒng)恢復正常工作。 7中國數(shù)控機床的未來之路 (1)提高技術開發(fā)和技術創(chuàng)新能力,鼓勵產、學、研結合,理順研發(fā)機制[10]。數(shù)控機床要實現(xiàn)產業(yè)化發(fā)展,首先必須擁有較強的產品開發(fā)能力,要具備快速反應市場需求、運用各種先進設備技術、及時推出新產品的綜合能力。只有針對中國國情并參考發(fā)達國家經驗,建立起產、學、研相結合的技術創(chuàng)新體系,集中產品研發(fā)優(yōu)勢,不斷提升產品的技術含量,企業(yè)才能形成核心競爭力,并保持技術優(yōu)勢,獲得持續(xù)發(fā)展的空間。 (2)制造裝備的高水平和高效率。數(shù)控機床產業(yè)化基地的自身裝備水平應該首先達到高質量、高效率,這也是與一般機床制造企業(yè)的最大區(qū)別之一。 (3)發(fā)展功能部件,打造現(xiàn)代化機床。數(shù)控功能部件是指數(shù)控系統(tǒng)、主軸單元、數(shù)控刀架和轉臺、滾珠絲杠副和滾動直線導軌副、刀庫和機械手、高速防護裝置等。功能部件技術水平及社會整體配套水平直接決定和影響著數(shù)控機床的整機水平和性能。 (4)擴大生產規(guī)模,提升產業(yè)水平。首先,我國數(shù)控機床制造要在規(guī)模生產上取得突破,形成以產業(yè)鏈組成的相對穩(wěn)定的企業(yè)合作群體。其次,我國數(shù)控機床制造企業(yè)要以自主技術創(chuàng)新為主,通過信息技術的應用,提高產品的檔次和水平,使企業(yè)擁有自己的核心技術、核心產品和核心人才。在數(shù)控機床產業(yè)化建設中,企業(yè)要打造自己的產品品牌,提高企業(yè)和產品的信譽度,讓國產數(shù)控機床得到廣大用戶的認同。再次,提升企業(yè)適應市場變化的能力。 我國數(shù)控機床裝備制造業(yè)只要堅持以市場為導向、高效運營、人才激勵、增強凝聚力的發(fā)展原則,就一定能在數(shù)控機床產業(yè)化中取得新的突破,也一定會使中國的數(shù)控機床裝備制造業(yè)早日跨入世界數(shù)控機床制造強國的行列。 參考文獻 [1] 楊萍.數(shù)控工作臺的設計[J].組合機床與自動化加工技術,1996,08期，18-20. 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