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1、燕 山 大 学本科毕业设计文献综述课题名称： 模块化数控机床实验系统设计 学 院 （ 系 ） ： 机 械 工 程 学 院 年级专业： 07 级机 械 设 计 制 造 及 其 自 动 化 学生姓名： 黄东梅 指导教师： 胡占齐 教授 完成日期： 2011-3-24 一、课题国内外现状及主要成果自从20世纪中叶数控技术出现以来，数控机床技术得到了长足的发展。数控铣床是一种加工能力很强的数控机床，目前迅速发展起来的加工中心、柔性加工单元都是在数控铣床的基础上生产的，所以对数控铣床及铣削加工的研究一直是数控机床行业研究工作的重点。从数控铣床性能角度来看，随着制造业对数控机床的大量需求，汽车、国防、航空
2、、航天等行业的高速发展以及铝合金等新材料的应用，数控铣床的发展总体呈现出高速化、高精度化、多轴化、复合化、网络化、智能化等趋势 1，2 。从数控铣床的设计角度来看，由于市场已经转向以用户为主导的买方市场，产品需求呈现多样化和个性化，大规模定制 3，4 成为主要的生产模式。实现大规模定制的关键就是对现代先进设计方法和手段的使用。这些设计方法包括模块化设计、柔性化设计、计算机辅助设计，并行设计等。其中，模块化设计是实现大规模定制的基本设计方法。不同于传统的设计方法，模块化设计是一种“自上而下”的设计方法，有利于并行设计、协同设计，缩短设计周期；产品设计的主要任务也转向选用模块，并进行接口和组装设计
3、，简化了设计，实现了技术和资源共享，使设计人员能将更多的精力和时间投入到产品的创新发展中。所以为了满足用户和市场的需要，数控铣床设计朝着模块化设计的方向发展实属必然，并且模块化的程度将越来越高。模块化设计是一种高度综合、概括、凝练的方法，对其有效的实施离不开必要的技术手段，计算机辅助设计技术就是其中的关键。通过计算机辅助设计技术，可以实现模块的重复利用、技术资源的共享等，极大提高设计的效率。文献5综合目前国内外在模块化设计方面的应用情况，提出了模块化设计过程的3个层次，即产品模块化分解、模块系列设计及产品配置与组装。其中，模块系列设计过程，是对模块进行详细设计的过程，是一个机械结构设计过程，但
4、其设计对象是模块，而非独立的机械零部件；产品模块化分解过程、产品配置与组装过程，是模块化设计过程与传统机械设计过程之间最明显的区别之处，其中涉及到的关键技术有模块划分、模块综合等，同时这些关键技术也是当今模块化设计的研究热点。它们的研究现状如下：(一)模块划分技术的研究现状及成果模块划分是模块化设计的前提和基础。模块划分是否合理，直接影响模块化系统的功能、性能和成本。模块划分可以有不同的方法和层次，但一般主要从功能的角度进行分析和讨论模块的划分问题。在功能分析的基础上，进行合理的功能分解，实现合理的模块划分，创建出满足特定功能的模块。文献6-9对模块划分技术进行了研究，分别提出了不同的模块划分
5、算法，并将这些算法应用于实际的模块化设计工作中。(二)模块组合技术的研究现状及成果模块组合就是选择合适的模块进行组合，以得到满足用户需求的产品。前苏联学者证明，在模块组合时，对所有可能组合的每个方案进行简单枚举是不可行的，他们使用有向图来表示机床的布局结构，用图的顶点表示模块，顶点之间的边连接表示模块之间的装配关系；把机床划分为动力部分和安装部分，分别用两个子图表示，通过对子图上始点与终点问路径的分析确定可能的组合 6。此外，文献6,7中对模块组合技术算法也进行了深入的研究。模块化设计的研究内容除了以上提及的模块划分技术的研究、模块组合技术的研究外，还包括计算机辅助模块化设计的研究，以及其他诸
6、如模块化设计条件下的管理技术等方面的研究 9,10。模块化本身是现代设计方法之一，必须充分综合运用其它各种现代设计方法和手段才能充分发挥模块化设计的优势。将计算机辅助技术与模块化技术结合起来的计算机辅助模块化设计充分利用计算机辅助工具进行产品模块化的数据管理、产品设计需求的分析、模块化设计方案的求解；通过CAD系统构造模块结构模型，实现产品模块化的结构装配；用CAE工具分析、优化产品动、静态性能。目前，计算机辅助模块化设计技术得到大量的研究，大量文献5,11-15阐述了不同的系统建立方法和相关技术。它也是目前模块化设计研究的热点之一。二、发展趋势：与计算机相结合的数控机床的模块化设计成为发展的
7、一个趋势 首先数控机床结构简化，有其自身的特点，并且结构中存在许多功能独立的单元，如动力头、导轨件、丝杆副等，数控铣床的设计过程中不可避免会遇到许多设计原理和准则；同时，不同型号的数控铣床在结构上具有相似之处，也存在使用相同的标准件的实际，所以在数控机床设计过程中将会存在许多的重复劳动。无论是对有经验的数控机床机械设计工程师或是新入行的设计人员，这些因素都会降低其设计效率和效益。传统的计算机辅助设计技术，诸如优化设计或是计算机辅助绘图等，都是利用计算机帮助人类处理数学模型和图形信息，大大限制了CAD系统在某一特定设计领域中的推广和使用，对于数控机床行业也是如此。所以一个基于专家经验的知识系统，
8、对提高数控机床模块化设计的效率，推广专家的经验和提高设计的自动化程度，起着非常重要的作用。在数控机床计算机辅助 16模块化工业设计方面，计算机辅助工业设计与计算机辅助机械设计间还未实现无缝连接。工业设计与机械设计所用的计算机辅助软件的不同，前者分为设计造型和设计表现两类辅助软件，设计造型软件(如Alias，Rhino等)多为自由曲面造型系统，且非参数化造型系统，而设计表现软件(如3DMax，Maya等)则大多源自于媒体、动画等领域；后者则是基于参数化技术和特征造型的机械设计系统。虽然软件间都有通用的文件转换格式(如IGES，STEP等)，但从工业设计辅助软件，通过格式转换，导入机械设计软件后的
9、模型文件大多都会存在模型畸变及数据丢失现象，给后续的机械结构设计工作造成诸多的不便。另外，虽然大多数机械设计软件本身同样具有曲面造型功能，但其操作相对复杂繁琐，且不易对造型进行控制，效率相对较低。所以找到工业设计与机械设计有效结合的计算机辅助设计方法，是提高数控机床模块化工业设计的必然要求。三、存在问题我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代，通过“六五”期间引进数控技术，“七五”期间组织消化吸收“科技攻关”，以及“八五”、“九五”期间数控车床和加工中心(包括数控铣床)产业化基地的形成，数控技术和数控产业取得了相当大的成绩，所生产的中档普及型数控机床的功能、性能和可靠性方面己具有较强的市场竞争
10、力。但在中、高档数控机床方面，与国外一些先进产品相比，仍存在较大差距，具体表现为：产品开发和交货周期长，产品性能差距大，质量不稳定，可靠性低等 2，17 。造成这种差距的原因除了国外厂商不断地进行科技创新和新产品开发，国内企业始终处于跟随状态外，还有许多存在于国内数控机床制造企业内部的因素 18-20：首先研究开发深度不够。国产数控机床缺乏核心技术，从高性能数控系统到关键功能部件基本都依赖进口，近几年国产数控机床制造商通过技术引进、海内外并购重组以及国外采购等途径获得了一些先进数控技术，但缺乏对机床结构与精度、可靠性、人性化设计等基础性技术的研究，忽视了自主开发能力的培育。其次制造水平和管理手
11、段依然落后。一些国内数控机床制造商不够重视整体工艺与制造水平的提高，加工手段基本以普通机床与低效刀具为主，装配调试基本依赖手工，加工质量在生产进度的紧逼下不能得到稳定与提高。另外还有很多国内数控机床制造商的工艺水平和管理效率低下，使得企业无法形成足够生产规模。再次服务意识与能力欠缺。由于数控机床产业发展迅速，一部分企业只顾眼前利益，对提高自身的综合服务水平不够重视，甚至对服务缺乏真正的理解，注重推销而不注重售前与售后服务。有些企业派出的人员对生产的数控机床缺乏足够了解，不会使用或使用不好数控机床，更不能指导用户使用好机床：有的对高性能刀具缺乏基本了解，不能提供较好的工艺解决方案。最后数控系统生
12、产应用推广不力及数控人才缺乏。从我国数控机床的发展形式来看需要三类层次的数控技术人才：第一类是熟悉数控机床的操作及加工工艺、懂得机床维护、能够进行手工或自动编程的车间技术操作人员：第二类是熟悉数控机床机械结构及数控系统软硬件知识的中级人才，掌握复杂模具的设计和制造知识，能够熟练应用UG、PR0E等CADCAM软件，同时有扎实的专业理论知识、较高的英语水平并积累了大量的实践经验：第三类是精通数控机床结构以及数控电气系统、能够进行数控机床产品开发及技术创新的数控技术高级设计人才。四、主要参考文献 1 文怀兴，夏田数控机床系统设计M北京：化学工业出版社，20062 鲁方霞，邓朝晖数控机床的发展趋势及
13、国内发展现状J工具技术，2006，40(3)：44483 Liang， P.O.G.W.An Object Oriented Approach to Design with ModulesJ.Computer Intergrated Macufacturing System，1998,11(4)：267-283.4 KUMAR，A.Mass Customization：Metrics and ModularityJ.The International Joural of Flexible Manufacturing Systems，2004(16)：267-311.5 桂林，李国嘉，龚京忠等模
14、块化设计支持系统研究.中国制造业信息化J.2003，32(8)：109一1126 齐尔麦机械产品快速设计原理、方法、关键技术和软件工具研究D天津：天津大学机械制造及其自动化系，20037 王海军面向大规模定制的产品模块化若干设计方法研究D大连：大连理工大学机械制造及其自动化系，20058 高淑英粗纱机广义模块化设计及其软件实现技术D天津：天津大学机械制造及其自动化系，20059 Crawford， RBSK.LW：RH A heuristic method for identifying modules for product architecturesJDesign Studies，2000
15、，22(1)： 15-3 110 Reich，G.D.Y.Progressive sharing of modules among product variantsJ.Computer-Aided Design，2003，12(35)：79180611 应建平计算机辅助模块化设计系统研究D合肥：合肥工业大学机械电子工程系，200612 徐燕申，张学玲机床结构模块化中CAD模型与有限元模型的数据交换J组合机床与自动加工技术，2003，(10)：30，3l，3413 赵韩，宋晖，朱家诚.基于S01idworks的模块化设计关键技术研究J组合机床与自动加工技术，2004，(11)：242614 李国喜，桂林，龚京忠，吴宝忠，张宝辉计算机辅助模块化设计系统的研究与开发J机械制造，2004，42(478)：252815 黄辽宁复杂机械的计算机辅助模块化、参数化设计方法研究D南京：南京理工大学机械电子工程系，200316 Sehyun Myung，S.H.Knowledge-based parametric design of mechanical products based on configuration design methodJ.Expert Systems with Application
