数控车床机械系统的设计[含全套机械毕业设计图纸].rar

课题名称:数控车床机械系统的设计(更多机械毕业设计图纸请点击）

摘要:本文提出一种可加工性几何分析方法。该战略的实施决定了由设置单一 方向旋转轴的多元化 3 轴加工业务处理可加工部分。来自立体几何模型的切片用 于切削组成多边形链的每个不同环节。采取的片正交旋转轴，因此，无论两个和 三个二维（2D 和 3D）机械加工性能分析都从垂直和倾斜方向上计算。这种可加工 方法扩展了对早期二维快速制造能见度分析和采用数控加工的原型设计组件。 

关键词:可加工性，工具易用性，数控加工，片几何 1 导言 在各种各样复杂曲面的零件设计上可加工性分析起到越来越重要的作用。当前计算机辅助制造 CAM 软件由于刀具容易产生一套表面组成部分和切割方向。然而，确定安装方向很困难且确定部分是否可以加工是很大的挑战。一个适当的安 装方向才能保证一个表面有效切断，而一个不恰当的会留在某些地区过多材料。 先进的 5 轴数控铣床似乎缓解了这一局面，但是成本和或编程的困难往往限制了 5 轴机床的广泛使用。三轴铣床，由于经济和技术设备未成熟的原因，在 multisetup 设备帮助下对于复杂曲面加工进行特殊对待。 瑞和李 【1】 使用了旋转倾斜式 3 轴机床来替代 5 轴球头铣刀。绪伊特尔 【2】 提 供了一个额外轴加工的理论依据。最近，弗兰克 【3】 使用了 3 轴铣床和第 4 轴索引 作为一个有效的快速成型机。铣刀被证明可以更好的匹配的零件几何表面，较高 的材料去除率，以及比球铣刀更长的刀具寿命 【4】 。叶和洛夫特斯 【5】 展示了在 3 轴机床上利用斜立铣刀生产低曲率表面的能力。然而，大表面曲率变化对机器来 说有必要确定一个加工方向和在与每一个方向上相关联的顺与加工方式。因此， 对于复杂零件来说成功创建实施一个有效的多方向的 3 轴可加工性分析是至关重 要的。许多研究人员研究了加工性能分析和与之密切相关的工件安装问题。大部 分的方法都是基于光线的无障碍和能见度。苏和慕克吉 【6】 提出了一个方法来确定 可加工性的多面体对象。凸封闭对象由在封闭面对象水平方向上的每个正交可见 的零件组成。然后，该部分被认为是在封闭对象的水平矢量方向进行切削的。后 来，陈和胡利用能见度分析计算几何球面 【7】 他们开始执行了可用于确定工件安装 和机械的选择几何算法。汤 【8】 制定作为球形找到最大的交集多边形的工件定位的 问题。甘 【9】 讨论它的性质并提出了建设球形图的有效方法：用高斯图形计算能见 度图形。陈等 【10】 在球型凸多边形领域解决 3、4、5 轴球头铣刀确定工件最优方 向几何问题。通过使用一个零件表面特定部分可以产生能见度图形；因此，它不 能保证整体无障碍。杨等 【11】 在凸面分析的基础上不依赖图形能见度来计算锥体 能见度。尹等 【12】 定义完全可视性和部分能见度并提交了一份 C 空间为基础来计 算锥体能见度。在某些情况下，表面有一个很大的修改。瑞和康 【14】 建造了一个 球形映射二进制数计算椎体能见度，以解决加工的配置问题，包括工件安装定位。 一个已用的三角形补丁是在单元球上测试整体能见度。达利瓦等。 【15】 提出了用锥 体无障碍来计算多面体对象的类似的方法，但必须有确切的数学条件和算法。巴 拉苏布拉马尼亚姆等。 【16】 通过计算机硬件分析能见度。弗兰克等 【17】 分析了两维 的立体片整体可见性，并搜查了第四轴通过执行一个算法来转移刀具的加工方向。 所有这些能见度为基础的做法确定了可加工性的必要条件; 但是，他们忽视了几 何工具，因此，真正的可加工性是没有保障。图 1 显示基于-线光能见度的锥体不 能保证用大型工具加工的 1 段 ij 实现真正的无障碍。 图1根据光线和工具的大小来实现无障碍 苏和慕克吉 【6】 考虑通过抵消原来零件表面刀具半径建立一个新的零件模型。 通过此偏移零件来使实现可加工性得到进一步保证。此方法对球头铣刀加工性分 析是有效的。但现在没有这样平面铣刀, 因为通过工具倾斜角度的转变平面铣刀 的有效半径也是可变的。Haghpassand和奥利弗[ 【18】 和拉泽维奇和古德曼 【19】 考 虑零件表面和刀具几何形状。不过，工具的大小是没有考虑到，因为高斯映射不 传达任何部分的表面和工具的大小的信息。巴拉苏布拉马尼亚姆等。 【16,20】 通过之 前进行碰撞结果检测的5轴加工刀具插补路径来验证工具的态势。 在过去几年，基于特征技术在制造业研究界有积极的作用Regli 【21】 Regli等。 【22】 ，和古普塔和钮 【23】 通过计算功能无障碍的数量和检验与零件特征无障碍体相 交来讨论和检查功能无障碍。古普塔和钮 【23】 承认所有的加工操作，是由机器生 成的计划的一部分，并根据不同的计划的设计需要进行检查和评价。阿由古普塔 等人制造的全面调查文件。[24]审查基于特征的可制造性评价系统。陈和沙 【25】  在去除量和工件之间的功能分类和分析面临的自由度来检查功能无障碍。盖恩斯 等调解员制度的报告。 【26】 用知识的生产设备，以确定在部分模型制作功能。测试 与相交部分进行无障碍的研究。法拉杰 【27】 双方讨论了2.5维正面和负面的辅助功 能。其他研究人员提出了功能为基础的方法来确定工件设置 【28-31】 。 虽然基于特征的方法有能力来处理基于特征的设计，他们不能把自己放在自 由曲面的定义功能可能不存在的地方。此外，基于特征的方法，建议所有的专题， 包括几何元素被视为一个实体。在实际上加以限制规定，成一个零件分析模型。 例如，在一个方向可能是机器的一个零件特征的一部分，然后在一个或多个连续 的方向上完成其余表面的功能。目前的问题是弗兰克等人提出的基于快速加工战 略的文件的地址。 【3】 即一部分用设置一个单一的方向旋转轴的多数 3 轴机床来加 工。 图 2 安装快速加工程序 该战略用带第四轴索引的 3 轴数控铣床实施。圆的储备材料是用来固定的两 个对立的夹头与操作旋转的索引。对于每个方向，所有可见的表面利用简单的工 具规划加工路径。每个工件通过设置碰撞抵销来实施快速加工，可避免工具与持 有人之间碰撞的危险。最大刀具直径用来计算碰撞抵消使得在每一个碰撞不必要 的部分抵销这一功能，这种方法的性质表明，没有必要进行任何表面完全是在任 何特定方向加工。我们的目标是在所有方向上简化机械的所有表面。所需的机器 模型旋转次数与其几何复杂性相关。图 3 说明了创建一个典型的复杂零件采用这 一战略的过程步骤。 图 3 快速加工过程步骤 当前，必要的切割方向是由不能进入正交旋转轴的二维能见度图决定的。几 何片的横截面从一个用于二维能见度映射的 STL 模型来的。这些片由于生成的正 交轴能见度接近了沿旋转轴零件的整个表面。上述文献的审查表明，现有的可加 工方法无法计算设置的方向，这样，人们可以机器上切削所有表面。因为以无论 二维或三维椎体能见度为基础的办法没有传达的工具和工件的大小信息，因此， 不能保证真正的无障碍，或基于特征的办法不能应付复杂曲面加工，因为一些传 统功能可用自由形式确定零件表面。 一种有效的机械加工性能的分析方法是对 multisetup 3 成功实施轴端铣的先 决条件，以达到需要的 4 - 或许 5 轴加工。一种有效的可加工性分析方法，将决 定，给予加工方向一个特定大小的立铣刀，有多少零件表面可以加工就这项加工 方向相关联。本文的重点是目前分析功能有无可加工性，用一轴的旋转设置可以 判断所需的全部机器的零件表面设置编号。在本文所提出的机械加工性能分析方 法完全有别于以往的工作。我们把表面部分见到了简单的片上线段；因此，任何 CAD 模型可以导出为一个 STL 文件和研究。因为我们只是假定部分是旋转轴加工； 因此，它比简单地分析三维表面几何二维切片简单得多。 本文的其余部分安排如下。在科 2 所使用的定义整个文件列。科 3 讨论了进 一步详细可加工性分析方法，科 4 列出的可加工性分析方法的实施。最后，提供 结论和未来的研究事业。 2 定义 尽管以前的研究人员已经确定在其工作中的知名度和可加工性的概念，首先， 相似的定义用来澄清可见性和可切削性之间的区别。其次，工具空间的概念介绍 机器障碍空间的范围。获得确定可切削性的存在的情况。在本节规定的定义，用 于在本文的其余部分随后的讨论。 •能见度：表面 S 上的一个点 p 由是可见的外部点 q 发出了一个光线，如果 满足条件 。pq()pq •可加工性：表面 S 上的一个点 p 是由某类型和大小的工具 T 加工，如果 、 。T 在刀具位置 CL 代表工具表面从方向接近 。T(CL,)(-=  根据定义，可切削性与可见性拥有可及性的同一个概念，但是他们并不相同， 也就是说可切削性考虑到切割工具的大小和形状而不是对待它作为光线。所以， 可切削性可能保证真实的可及性，而可见性仅是可切削性的一个必要条件。因此， 可见性是可切削性的一个子集。换句话说，可加工性可以保证能见度。 不同的是能见度角方向的表达，形成一个锥形物，有被用于描述可加工性的 两个参数。如果一种刀具的类型和大小是指定的话，他们是刀具位置和接近的方 向。在接近的方向上仅允许切割工具接近和触到第 p 点的刀具位置，可加工性没 有任何其他表面部分存在。 类似于一个特性的能见度的概念，一个特性的可加工性(一条线，一条曲线， 或者由一套点组成的几何学的一块表面) 是属于每个机械加工的该特征点。类似 局部能见度的概念(PV)，除完全可切削性之外的概念的部份可切削性也可能被定 义。 •部分可加工性：如果在那个这样的特性上至少存在一个点没有刀具位置 CL， 一个特性沿着方向 是部分地可加工的。为了它存在满足条件 、pT 。T(CL,)(S-p= •完全可加工性：一个功能在方向 上是完全可切削的，如果每个特征点至少 有一个到位的 CL 能被用来保证 、 。pT(CL,)(S-p= 注意到，完全的可加工性可能为了一个点或者一个特性存在，而部分的可加 工性仅仅为了一个特性存在，因为一个点只能是据说可加工或非可加工。 如果可切削性存在一个接近的取向，切实可行的刀具位置 CLs 的数字可能随着 一个表面上的不同的点变化。因为更可能是以 CLs 为工具道路和设定计划，提供 更多选择与更加可行的 CLs 点则更加容易用机器制造。需要测量刀具的位置空间 导致概念空间的工具。 工具功能 F 空间，是每一个属于至 F 点工具空间联盟，当在几何学的实体周 围没有障碍时，一个工具空间到达其最大限度工具价值空间。在这里，我们除去 考虑部分之外的整个表面障碍。从而，相应的障碍空间被定义为障碍空间。 •刀具空间：所有可行的刀具地点合计为从一个方向形成一个区域称为工具的 空间一点 p， TS(,)={CL: pT(,) and(CL,)(S-p=}。 因为它将进入障碍，刀具不能进入障碍域空间。 计算工具空间是从最大限度工具空间减去所有障碍空间。 如果使用 Eq 计算工具空间。(1)不是空的，那么可加工性存在； 否则，几何 学的实体是非机器。在本文中提出的可加工性分析方法基于 Eq。 （2） 。工具空间实 际上是可切削性措施，因为它告诉可切削性的存在，如果它存在。 一旦工具空间被决定了，它导致的可加工的范围能被获得。 •可加工范围: 最高切削部分的特征功能给了符合功能范围的刀具空间，MR={pF andTS(p,)} 上述的定义将在整个本文的其余部分中被使用。 3 可加工性分析 TS=M-(1)iOS 本文提出的可切削性分析方法根据位形空间的概念（C 空间） 。机器人空间行 动计划首先由佩雷斯申请 C 空间的概念 【32】 。C 空间的基本的想法是对于它周围障 碍的一种环境中的一种活动的机制里找到聚合有效的空间配置。最近，C 空间已用 于工具的多轴加工路径规划。蔡等人。 【33】 提出一种基于 C 空间的方法，用工具加 工的 3 轴数空机床制造通过变换被设计的部分表面在 C 空间的元素和切削刀作为 在安全空间的一个移动的对象。以 C 空间代表和计算使用部分的 Z 地图模型。蔡 和高 【34】 被合并的 C 空间到自由形态模子洞用机器制造的电脑自动处理计划里。 Morishige 等。 【35】 使用 C 空间引起 5 轴圆头槽铣刀的工具道路 【36】 5 轴平端铣的 优化工具取向用在 C 空间的一个查寻方法。C 空间的切割工具，被定义当在 Sec.2 的工具空间，为工具道路计划提供安全空间;因此，基于 C 空间的工具道路总是半 圆凿自由冲撞。工具空间能被视为聚合所有可能的工具道路。如果工具空间存在， 则至少一个工具道路可以引起零件表面对应的几何点，因而，这个点有可加工性。 所以，通过测试在表面的每点工具空间，这表面点是否有可加工性在理论上是可 行的。 本文的可加工性方法沿着旋转轴输入的是一个 STL 模型的片段文件。一个 STL 模型是一个近似于三角形的部分，目前是事实上的快速原型系统的标准文件格式。 镶嵌工艺的设立指定使一个 STL 模型可以持续逼近误差，部分表面和镶嵌三角形 之间的偏差。每一三角形的大小和形状得创造对其部分表面上的当地的地区是适 应的。因此，与 Choi 使用 Z 地图模型相比。 【33】 ，实质上是一个相等间距抽样模型， STL 模型的切片文件是原始部分表面的一个更加精确和更加高效率的表示法。零件 的 STL 模型的切的过程，也许是一个基于特点的部分或自由几何形态，分解成许 多线段的多边形表面的部分。这些线段基本上是在本文提出的方法里唯一代表的 “功能” 。 其目的是绘制段或部分，在每个方向切削的部分，以便为取向的最低 值，可以发现，这样各阶层在安装方向完成后加工。每一片段文件的线片断关于 工具接近方向是或者是垂直或者是倾斜的。如果垂直的情况发生，对于每一那条 线片断上的点的障碍和他们的相应的障碍空间是同样的。这实际上是静态障碍情 况。一二维的 C 空间分析同时能为了所有那些点被执行，考虑到上述所有相邻节 段障碍。第 3.1 节详细讨论了垂直案。然而，如果被检查的线片断在工具方向上 是倾斜的，则每个片段上的点的障碍是可变的。电动-障碍环境为机械加工分析程 序产生困难。对于这一个情形的解决将会在段被呈现 3.2。 3.1 垂直的情况： 用于本文的坐标系统与 3 轴铣削中心的一致，据此，部分切片沿 x 轴的机器 发生的坐标系，每片是在 YZ 平面。我们使用 Pi,jPi,j 1 代表当前进行可切削性 分析过程的段 TS =M(,)(,)OSimnOSLR（ ， ） 图 4 可加工性的垂直情况 3.2 倾斜情况： 3.2.1 动态障碍物环境。对于多数案件的可切削性分析的线段，切口取向是没有垂 直，而是倾斜的。这制定在相当大的程度上不同于以前描述的仅仅有静态障碍的 垂直情况的可加工性分析。基本的原因是基于二维的 C 空间的静态障碍可加工性 分析不为了倾斜的情况工作，其特点是动态的障碍。用机器制造的每点最大工具 空间在间接格之下是不变式半圈弧，在图 5 显示 图 5 倾斜切割的最大工具空间 3.2.2 有效的障碍的相对移动。虽然整个三维 C 空间不会为每线段修建，每一在不 同的高度的障碍片断的有效的障碍空间能被人们认为将有具有分析下面的点的相 对的运动能力，指的是第 6 图中的例子。 图 6 有效障碍的变化 基于上述情况下，一旦阶段的有效障碍属于已知的的价值，挖出的空间弧工 具可以计算如下： 对于第1阶段dm 。,1,,,,1,,1[()()]ijijijijijijpyzpyz,ijz,1ij 参数t来自参数 。,1ij()*FMn 所有点 ，2pR ,1,,,1,,0ijijijijyyzM,1,,,1,,1,,ijijijijijijijijzyzyzN 同为线段 ,1,,;ijijijzz ,1,,,,,10ijijijijyyzM,1,,,1,,,1,ijijijijijijijzyzyzzN 3.2.3.2映射多边形障碍 图8在YZ平面上的多边形障碍 图9在DT平面上的多边形障碍 3.2.4机械加工图。 图10机械加工图 4 执行 为了验证本文提出的方法，可切削性算法可以用奔腾IV的C程序语言实施，在 运行Windows XP的3.06 GHz的电脑上。可切削性软件使用可见性数据切片，选择 末端工具的大小，并且作为一种指定的切割方向输入。它可以生成每个切片段切 削部分作为有关的切割方向输出。我们提出二表面零件例子核实可切削性分析方 法。第一部分是选择非常简单让不可加工性对读者更直观。第二部分是一个更复 杂的零件，一个玩具“杰克” ，在逆向工程中的应用3D检测软件评价这部分。 图11半圆柱体挤压口袋的机械加工 例1图12显示了挤出一个半圆柱形的一块，我们选择旋转正交轴45度方向作为 切割方向。末端工具直径设置为0.25英寸。切片间距是0.01英寸。从图12显示的 可加工性分析结果，表明有二个不可加工性区域，标为S1和S2 。因为这个是挤压 模型，沿转动轴的几何形状不改变。所以在沿转动轴的每个切片上的可切削性分 析的结果应该相同。一个片段的可加工的概况在图13（a）中被显示。O-A-B，当 B-C和 D-E是不可加工区域时，C-D和E-F-G是可加工的区域。这部分实际上在 Mastercam也是可加工性的。加工量被保存为 STL文件， 2004年进口到RapidForm。 图13 B显示了通过使用RapidForm检查跨本STL的截面轮廓。图13（b）中显示的配 置方向是与水平线成45度方向。与图14显示的加工方向是相同的。O-A-B，C-D ， 并且E-F-G 是可加工的地区，而在图13（b）中B - C和D - E是不可加工性区域。 从可加工性分析为了证实结果，二个坐标系分别在点 O和 被设定。不可加工性 边界坐标点 CDE是从我们开发的可加工性分析软件计算出来的，坐标 在快速表格2004测量出来。每个点的坐标如表1所示。这些数据非常接近， 并且该错误是可以使用STL近似预期和行扫雷算法找到切削区域。 图12二维切屑概况示意图 例2。第二部分模型为例，使用的是一个玩具“杰克” ，首先分析了能见度， 并利用这种方法进行可加工性分析。图15显示了杰克STL模型，由可视软件处理这 一个模型而且提供的结果模型是透过四定方位是100%看得见的。为了显示能见度 分析的缺陷，杰克可加工性区域和非可加工性区域由四个长方形显示。 图13杰克”的模式的加工结果 由于沿着旋转轴变化的杰克片形状模型，在不可加工性区域相应的改变，因 此是不正常的形状。为了表明，可加工性分析方法可以预测不可加工性地区，我 们实际在MasterCAM以50度方向加工杰克并保存为一个加工后的STL虚拟文件。该 文件是2004年进口到RapidForm，并与原有的CAD模型的重叠。利用RapidForm检查 职能，我们能够映射出STL模型偏离原来的零件模型的加工路线。图16说明了 MasterCAM中加工表面零件模型旋转了50度的方向。该地区的圆圈标记包含了不可 加工性表面。图17 B说明由RapidForm 2004导致的偏差。该器件模型显示在着色 模式，以显示表面轮廓点。图17（a）显示了我们的可加工性分析软件的结果，与 它对应的图17（b）显示的图形。 图14在MasterCAM中杰克机械加工表面 图15鉴定“杰克”的不可加工地区 以上的例子表明可加工性软件不仅可预测STL模型切片可加工和不可加工区域， 而且可以确定可加工部分的确切坐标位置。因此，给一种切割的方向和一个尺寸 工具可以获得可加工和不可加工部分精确信息。因此，尺寸工具可以评价某个设 计制造商提供的产品。另一个应用程序可以确定用四轴机床设置部分加工最低数 量。这可能是第一次实现了运行在减少，因为一个指定的增量角度间隔方向的机 械加工软件。然后使用优化算法寻找设定方向的最低数量。在这种方式，本文提 出的可加工性分析不被归入一个核实工具，相反，它提供的信息可以用来计算加 工安装信息和工具、刀具路径规划。 5 结论和未来研究 本文提出了一种以C -空间概念为基础的3轴平面端铣可加工性分析方法。这 种方法是为了找到真正的近似光线能见度的无障碍。输入信息是一个限制旋转轴 的STL文件切片几何模型，该模型可以是基于特征或功能免费作为可加工性分析方 法。本文提出不需要特征识别。相反，它分析了从STL的切片文件的基本几何图。 除了检查二维可加工，该分析方法还可以处理三维的机械加工。目前，我们的做 法是仅限于3轴平面端铣。球头立铣刀和圆角端铣刀的机械加工分析可能是未来研 究重点。此外，如何扩展目前研究的4轴或者5轴铣削可能会纳入另一给考虑范围 之内。  南 京 理 工 大 学 紫 金 学 院 毕业设计(论文)开题报告 学 生 姓 名： 张炜澍 学 号： 060104245 专   业 ： 机械工程及自动化 设计 (论文 )题目 ： 数控车床机械系统的设计 指 导 教 师 : 黄晓华 2010 年 3 月 19 日 开题报告填写要求 1．开题报告（含“文献综述” ）作为毕业设计（论文）答辩委 员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指 导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签 署意见及所在专业审查后生效； 2．开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设 计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印 在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见； 3． “文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印） 在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于 15 篇（不包括辞典、手册） ； 4．有关年月日等日期的填写，应当按照国标 GB/T 7408— 2005《数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法》规定的 要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2007 年 3 月 15 日”或 “2007-03-15”。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 1．结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写 2000 字左右的文献综述： 文 献 综 述 摘 要 本文主要讲述了数控机床的背景、在制造业中的地位及未来发展趋势，意在进 一步加深对数控机床的了解。 关键词 数控车床  发展趋势  制造业 1 引言 数控机床是现代制造业的关键设备，一个国家数控机床的产量和技术水平在某种 程度上就代表这个国家的制造业水平和竞争力。2003 年我国机床消费额达到 67.3 亿美 元，居世界第一位，其中数控机床占 57%（37.5 亿美元） 。国内生产数控机床 36813 台 （产值约 10.4 亿美元） ，创历史新高。但是，我国数控机床的技术水平、性能和质量 与国外还有很大差距，技术含量较低的简易数控车床仍占主导地位，高档数控机床及 功能部件大多数依靠进口。特别应该引起注意的是，国产数控机床市场占有率逐年下 降，1999 年是 33.6%，2003 年仅占 27.7%，而进口额逐年上升，1999 年为 8.78 亿美元 （7624 台） ，2003 年达 27.1 亿美元（23320 台） ，相当于同年国内数控机床产值的 2.7 倍。因此，尽管当前市场活跃、需求旺盛，如果只顾眼前生产，不了解国外数控机床 的发展趋势，提高自主开发能力，积极培育新产品，那么在高潮过去以后，我国的机 床工业将更加缺乏竞争力，有可能在家门口就被人家打得一败涂地。 2 课题背景 随着生产和科学技术的飞速发展，社会对机械产品多样化的要求日益强烈，产品 更新越来越快，多品种、中小批量生产的比重明显增加，同时随着汽车工业和轻工业 消费品的高速增长，机械产品的结构日趋复杂，其精度日趋提高，性能不断改善，激 烈的市场竞争要求产品研制生产周期越来越短，传统的加工设备和制造方法已难以适 应这种多样化、柔性化、高效和高质量复杂零件加工要求。因此具 有 高 精 度 、 高 效 率 、 高 自 动 化 和 高 柔 性 化 等 优 点 的 数控机床就是在这样的背景下产生和发展起来的。当 前数 控 机 床 的 技 术 水 平 高 低 及 其 在 金 属 切 削 加 工 机 床 产 量 和 总 拥 有 量 的 百 分 比 是 衡 量 一 个 国 家 国 民 经 济 发 展 和 工 业 制 造 整 体 水 平 的 重 要 标 志 之 一 。 而 数 控 车 床 是 数 控 机 床 的 主 要 品 种 之 一 ， 它 在 数 控 机 床 中 占 有 非 常 重 要 的 位 置 ， 几 十 年 来 一 直 受 到 世 界 各 国 的 普 遍 重 视 并 得 到 了 迅 速 的 发 展 。 因 此 ， 研 究 数 控 车 床 是 非 常 有 必 要 的 。 3 国内外数控系统发展现状 数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的 象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国计民生的一些重要行 业(IT、汽车、轻工、医疗等)的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备 的数字化已是现代发展的大趋势。目 前 ， 国 内 外 数 控 机 床 产 品 技 术 发 展 方 向 主 要 体 现 在 高 速 、 复 合 、 精 密 、 智 能 、 环 保 等 方 面 。 3.1 高 速 高 速 切 削 加 工 不 仅 可 以 提 高 生 产 效 率 ， 而 且 可 以 改 善 加 工 质 量 ， 所 以 自 20 世 纪 90 年 代 初 以 来 ， 便 成 为 机 床 技 术 重 要 的 发 展 方 向 。 各 国 相 继 推 出 了 许 多 主 轴 转 速 10,000r/min 至 60,000r/min 以 上 的 加 工 中 心 和 数 控 铣 床 。 高 速 切 削 加 工 正 与 硬 切 削 加 工 、 干 切 削 和 准 干 切 削 加 工 以 及 超 精 密 切 削 加 工 相 结 合 ； 正 从 铣 削 向 车 、 钻 、 镗 等 其 他 工 艺 扩 展 ； 正 向 较 大 切 削 负 荷 方 向 发 展 。 高 速 加 工 对 机 床 的 要 求 是 ： 主 轴 速 度 应 能 达 到 12,000～ 40,000r/min； 进 给 速 度 应 达 到 40～ 60 m/min； 快 速 移 动 速 度 应 达 到 80m/min； 加 速 度 达 到 1g； 高 刚 性 的 机 械 结 构 ； 高 稳 定 、 高 刚 度 、 冷 却 良 好 的 高 速 主 轴 ； 精 确 的 热 补 偿 系 统 ； 高 速 处 理 能 力 的 控 制 系 统 （ 具 有 NURBS 插 补 功 能 和 预 处 理 能 力 的 控 制 系 统 ） 。 在 数 控 机 床 高 速 化 上 ， 国 外 直 线 电 机 驱 动 技 术 应 用 于 进 给 驱 动 已 实 用 化 、 普 及 化 ； 机 床 的 主 轴 转 速 和 切 削 进 给 速 度 普 遍 提 高 。 主 轴 转 速 一 般 都 在 10,000 r/min 以 上 ， 快 移 速 度 也 因 普 遍 采 用 直 线 电 机 而 提 高 到 100m/min 以 上 ， 很 多 机 床 的 直 线 运 动 加 速 度 达 到 1～ 2g， 少 数 可 达 3g 以 上 。 瑞 士 的 MIKRON 公 司 生 产 的 HSM 立 式 加 工 中 心 ， 它 在 主 轴 转 速 为 30000 r/min(12.5kW)、 进 给 速 度 40m/min、 加 速 度 17m/s2 的 情 况 下 ， 实 现 平 稳 运 行 ； 日 本 安 田 公 司 生 产 的 YBM950V 型 立 式 加 工 中 心 ， 其 主 轴 在 20000～ 30000 r/min 高 速 运 转 时 ， 仍 十 分 平 稳 ， 铣 削 平 面 的 粗 糙 度 可 达 0.4μ m。 3.2 复 合 数 控 机 床 复 合 以 功 能 复 合 为 基 础 ， 以 提 高 工 序 集 中 度 为 目 标 ， 尽 量 减 少 重 复 装 卡 次 数 ， 可 大 幅 度 提 高 生 产 效 率 和 工 作 精 度 。 近 几 年 ， 数 控 机 床 复 合 又 在 向 更 高 层 次 发 展 ， 国 际 上 已 经 出 现 了 加 工 中 心 与 车 削 中 心 复 合 机 床 ， 加 工 中 心 与 激 光 加 工 复 合 机 床 ， 集 车 、 磨 、 铣 、 钻 、 铰 、 镗 、 滚 齿 等 工 序 于 一 体 的 车 磨 复 合 机 床 ， 集 平 磨 、 内 圆 磨 、 外 圆 磨 为 一 体 的 磨 削 中 心 ， 集 各 种 机 床 及 测 量 机 于 一 体 的 虚 拟 轴 机 床 ， 五 轴 联 动 激 光 切 割 机 等 。 日 本 MAZAK 公 司 的 MACTURN 250/350 系 列 车 铣 中 心 ， 可 进 行 外 径 车 削 、 倾 斜 面 加 工 、 滚 齿 加 工 、 凸 轮 和 偏 心 加 工 ； 德 国 BWF 公 司 开 发 的 STRATOS 系 列 车 磨 中 心 ， 可 以 对 齿 轮 和 类 似 工 件 以 及 内 孔 、 端 面 、 锥 面 进 行 硬 车 和 磨 削 。 我 国 复 合 加 工 机 床 从 1999 年 刚 刚 起 步 ， 发 展 速 度 较 快 ， 主 要 是 车 铣 复 合 加 工 机 。 3.3 精 密 精 密 加 工 须 由 高 精 度 机 床 保 证 。 高 速 高 精 度 加 工 机 床 ， 不 仅 要 有 高 切 削 速 度 ， 而 且 要 有 高 进 给 速 度 和 加 速 度 ， 同 时 应 当 具 有 微 米 级 的 加 工 精 度 。 在 高 精 度 机 床 领 域 ， 直 线 电 机 驱 动 和 滚 珠 丝 杠 驱 动 方 式 虽 然 还 会 并 存 相 当 长 一 段 时 间 ， 但 总 的 趋 势 是 直 线 电 机 驱 动 所 占 比 重 愈 来 愈 大 ， 很 有 可 能 在 不 久 的 将 来 成 为 此 种 机 床 进 给 驱 动 的 主 流 。 当 前 ， 在 数 控 机 床 精 密 化 方 面 ， 美 国 的 水 平 最 高 ， 不 仅 生 产 中 小 型 精 密 机 床 ， 而 且 由 于 国 防 和 尖 端 技 术 的 需 要 ， 研 究 开 发 了 大 型 精 密 机 床 。 其 代 表 产 品 有 LLNL 实 验 室 研 制 成 功 的 DTM-3 型 精 密 车 床 和 LODTM 大 型 光 学 金 刚 石 车 床 ， 它 们 是 世 界 公 认 水 平 最 高 的 、 达 到 当 前 技 术 最 前 沿 的 大 型 精 密 机 床 。 其 它 国 家 也 相 应 研 制 成 功 各 种 类 似 的 装 备 ， 如 英 国 的 Cranfield、 日 本 的 东 芝 机 械 等 。 近 年 来 我 国 对 超 精 密 机 床 的 研 制 也 一 直 在 进 行 。 北 京 机 床 研 究 所 研 制 成 功 了 JCS-027 型 超 精 密 车 床 、 JCS-031 型 超 精 密 铣 床 、 JCS-035 型 数 控 超 精 密 车 床 等 。 3.4 智 能 智 能 机 床 是 指 能 对 制 造 过 程 主 动 作 出 最 优 运 动 决 策 的 机 床 ， 它 能 采 集 整 个 制 造 过 程 中 的 参 数 ， 通 过 诊 断 分 析 ， 应 用 监 控 、 补 偿 等 措 施 及 时 进 行 调 整 ， 并 能 判 断 机 床 中 轴 承 、 导 轨 等 关 键 件 的 磨 损 和 刀 具 的 寿 命 情 况 ， 作 出 维 修 和 更 换 的 合 理 时 间 建 议 。 在 上 世 纪 80 年 代 ， 虽 然 美 国 曾 提 出 智 能 化 雏 形 的 适 应 控 制 机 床 ， 但 由 于 受 到 自 动 化 检 测 、 控 制 和 动 态 补 偿 等 技 术 的 制 约 ， 除 了 在 控 制 因 素 较 简 单 的 电 加 工 机 床 和 注 塑 机 上 得 到 应 用 外 ， 总 体 上 进 展 较 为 缓 慢 。 但 是 进 入 本 世 纪 后 ， 由 于 信 息 技 术 和 控 制 技 术 的 发 展 ， 出 现 了 新 一 代 智 能 型 数 控 系 统 ， 它 具 有 强 大 的 信 息 分 析 处 理 能 力 和 优 化 控 制 的 功 能 。 其 次 微 机 电 系 统 型 传 感 器 技 术 的 应 用 ， 以 及 机 床 结 构 的 振 动 、 热 误 差 等 机 理 的 深 入 研 究 ， 可 实 施 在 多 信 息 融 合 下 的 优 化 重 构 ， 实 现 经 济 地 优 质 高 产 的 集 约 制 造 。 计 算 机 技 术 及 其 软 件 控 制 技 术 在 数 控 机 床 技 术 含 量 中 所 占 比 重 越 来 越 大 ， 计 算 机 系 统 及 应 用 软 件 的 复 杂 化 同 时 带 来 机 床 系 统 及 其 硬 件 结 构 的 简 化 。 通 过 赋 予 机 床 网 络 化 功 能 ， 使 机 床 的 远 程 通 讯 、 远 程 控 制 、 远 程 故 障 排 除 和 维 护 、 远 程 服 务 成 为 可 能 。 日 本 MAZAK 公 司 的 日 本 工 厂 是 世 界 上 为 数 不 多 的 智 能 管 理 的 代 表 。 整 个 工 厂 实 行 计 算 机 网 络 智 能 化 管 理 。 2006 年 的 美 国 IMTS 和 日 本 JIMTOF 国 际 机 床 展 览 会 上 ， 日 本 MAZAK 公 司 展 出 智 能 机 床 具 有 自 动 抑 制 振 动 、 优 化 控 制 热 位 移 、 防 止 碰 撞 的 智 能 安 全 防 护 以 及 语 音 提 示 等 四 大 智 能 。 日 本 OKUMA 公