數(shù)控專業(yè)開題報告
畢業(yè)設(shè)計（論文）題目確定后，學(xué)生應(yīng)盡快征求指導(dǎo)教師意見，討論題意與整個畢業(yè)設(shè)計（論文）的工作計劃，然后根據(jù)課題要求查閱、收集有關(guān)資料并編寫開題報告。以下是小編整理的數(shù)控專業(yè)開題報告，歡迎閱讀。
課題目的、意義及相關(guān)研究動態(tài)：
一、目的及意義：
當今世界，工業(yè)發(fā)達國家對機床工業(yè)高度重視，競相發(fā)展機電一體化、高精、高效、高自動化先進機床，以加速工業(yè)和國民經(jīng)濟的發(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、計算機技術(shù)的進步，數(shù)控機床在20世紀80年代以后加速發(fā)展，各方用戶提出更多需求，四大國際機床展早已成為各國機床制造商競相展示先進技術(shù)、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(yè)實力、加速數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)發(fā)展，實是緊迫而又艱巨的任務(wù)。
隨著世界科技進步和機床工業(yè)的發(fā)展，數(shù)控機床作為機床工業(yè)的主流產(chǎn)品，已成為實現(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(fā)展數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)也是我國裝備制造業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實要求。根據(jù)中國機床工具工業(yè)協(xié)會組織用戶調(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)控機床；汽車、摩托車、家電制造業(yè)需求高效、高可靠性、高自動化的數(shù)控機床和成套柔性生產(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)控機床；工程機械、農(nóng)業(yè)機械等傳統(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)控機床進行裝備。當今數(shù)控機床的發(fā)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(xiàn)代數(shù)控機床日益向著高速化、高性能、高精度方向發(fā)展，傳統(tǒng)的設(shè)計方法己無法滿足數(shù)控機床發(fā)展的要求[1].
數(shù)控機床床屬于大型機械設(shè)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(guān)鍵零部件的作用。數(shù)控機床立柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計尺寸和布局形式， 決定了其本身的各個動態(tài)特性。往往由于立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理， 導(dǎo)致立柱的剛度不足， 產(chǎn)生各種變形、振動，加工時刀具與工件間產(chǎn)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(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(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。同時立式車床還具有很好的主軸旋轉(zhuǎn)精度和較強的切削能力，更加有利于實現(xiàn)生產(chǎn)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(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、動態(tài)性能是決定整機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行靜、動態(tài)特性計算比較困難。如何對立柱等部件進行精確、合理、科學(xué)可行的計算，是機床結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中需要迫切解決的重要課題[2].
因此，在設(shè)計數(shù)控機床立柱結(jié)構(gòu)時， 考慮立柱的動態(tài)特性顯得尤為重要。針對這些因素，有必要對數(shù)控機床的立柱部分進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，本課題對數(shù)控機床的立柱部分進行優(yōu)化設(shè)計有重要的.實際意義。
二、研究動態(tài)：
1、 國外研究動態(tài)：
國外的機床結(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)計方面都有不少研究，美國機械工程師學(xué)會“Optimal synthesis ofcompliantmechanisms using subdivision and commercial FEA”一文中，利用有限元軟件分析機械結(jié)構(gòu)，提出全程參數(shù)化設(shè)計，并對其進行拓撲優(yōu)化，全面分析了設(shè)計變量在優(yōu)化程序中的變數(shù)。
國外機床結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計存在以下特點：
（1）設(shè)計與分析平行。從以滿足一定性能要求為目標的結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計， 到具體設(shè)計方案的比較及確定、設(shè)計方案的模擬試驗等。床身結(jié)構(gòu)設(shè)計的各個階段均有結(jié)構(gòu)分析的參與。床身結(jié)構(gòu)分析貫穿了整個設(shè)計過程，這樣確定的床身結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，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(shè)計方案中選擇最優(yōu)，減少設(shè)計的盲目性，另一方面可以及早發(fā)現(xiàn)在設(shè)計中的問題。從而減少設(shè)計成本，縮短設(shè)計周期[4].
隨著工業(yè)的發(fā)展，對數(shù)控機床的要求越來越高。在機床的設(shè)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(nèi)研究動態(tài)：
目前國內(nèi)在機床結(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域的研究比較活躍，機床結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的內(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，拓撲優(yōu)化，模態(tài)分析，動力學(xué)分析等。目前有限元方法在機床結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用主要有以下幾個方面：
�。�1）靜力學(xué)分析。這是對二維或者三維機床零件承載后的應(yīng)力和應(yīng)變的分析，是有限元在機床設(shè)計中最基本、最常用的分析類型。
�。�2）模態(tài)分析。這是動力學(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特性，進行這種分析時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)動力學(xué)分析。這兩類分析也屬于動力學(xué)分析，用于研究機床對周期載荷和非周期載荷的動態(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，以及機床內(nèi)部的熱應(yīng)力。
�。�5）接觸分析。用于分析兩個結(jié)構(gòu)件接觸時的接觸面狀態(tài)和法向力。
國內(nèi)的機床結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計主要是應(yīng)用在剛度和強度分析方面。廣西大學(xué)陳文鋒、毛漢領(lǐng)“MXBS.1320型高速外圓磨床動態(tài)性能的試驗研究‘’一文中，對 MXBS.1320型高速外圓磨床的動態(tài)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(tài)的頻率和振型圖，尋找出機床振動的薄弱環(huán)節(jié)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(yōu)化零部件結(jié)構(gòu)的設(shè)計[6].東南大學(xué)和無錫機床股份有限公司對內(nèi)圓磨床M2120A床身結(jié)構(gòu)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(nèi)部筋板布置對結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的影響。張海偉，利用動態(tài)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(tài)性能進行了分系，通過實驗測試數(shù)據(jù)與理論計算結(jié)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(huán)節(jié)，并進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。優(yōu)化后分析結(jié)果證明機床結(jié)構(gòu)的最大變形值都相應(yīng)降低。陳慶堂，運用工程軟件ANSYS的優(yōu)化設(shè)計模塊，根據(jù)主軸箱的實際工況及機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)以減輕重量為目標進行優(yōu)化設(shè)計。通過優(yōu)化設(shè)計及分析，主軸箱結(jié)構(gòu)重量減輕了23.2%,三個方向上剛度和應(yīng)力得到了合理的分布[7].東南大學(xué)機械工程系，利用有限元法對機床床身進行靜、動態(tài)分析，并使用漸進結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法對床身結(jié)構(gòu)進行基于基頻約束和剛度約束的拓撲優(yōu)化，為ESO方法在機床大件結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化中的應(yīng)用做了有益的嘗試。王艷輝、伍建國等人，在”精密機床床身結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計‘’一文中，在確定精密機床床身合理結(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)計語言和優(yōu)化設(shè)計方法，以床身的肋板布置和肋板厚度為設(shè)計參數(shù)，對床身進行結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(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)控機床立柱體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計以及實現(xiàn)方案；
2、 確立數(shù)控機床立柱系統(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現(xiàn)的M代碼等）；
3、 加工過程的動態(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)計方案：
1、研究方法：
以WINDOWS為平臺，以CAD軟件為工作語言設(shè)計系統(tǒng)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(xiàn)數(shù)控代碼的實時、動態(tài)的切削過程。
2、設(shè)計方案：
系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，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軟件對整個系統(tǒng)的零件進行設(shè)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(jié)構(gòu)。
�。�4） 檢查裝配中零件設(shè)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(huán)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(yù)期進度：
�、� 畢業(yè)設(shè)計課題調(diào)研階段：（第1~2周）：課題調(diào)研及文獻檢索、完成英文翻譯；
�、� 畢業(yè)設(shè)計開題報告階段：（第3~4周）：完成開題報告；
�、� 畢業(yè)設(shè)計主要工作階段：（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。（第7~9周）；
�。�3）數(shù)控仿真。（第10周）；
（4）完成設(shè)計說明書的撰寫工作。（第11~12周）；
�、� 畢業(yè)設(shè)計答辯階段：（第13~15周）。
主要參考資料：
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