1、1南京理工大学硕士研究生学位论文开题报告姓 名： 学 号： 学 科： 机械制造及其自动化 所在院系： 机 械 工 程 指导教师： 2015 年 10 月 5 日填2一、 拟选定学位论文的题目名称数控车削中心动力刀架的计算机辅助设计二、 选题的科学意义和应用前景制造业是所有与制造有关企业机构的总体，是一个国家国民经济的支柱产业。随着科学技术的发展，制造业对产品质量和品种多样性的要求愈加强烈，机械产品也日益向高速、高效、精密、轻量化和自动化方向发展，产品结构日益趋于复杂，对其工作性能的要求也是越来越高，机械制造技术产生了深刻的变化。现在制造业所面对的经常是具有复杂型腔的高精度模具及复杂型面产品的外
2、形加工，其共同的特点是以复杂三维型面为结构主体，整体结构紧凑，制造精度要求高，加工成型难道较大。为此，现代制造技术应运而生，它以微电子技术为基础，将传统的机械制造技术与现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术及网络通信技术等有机结合到一起，构成高度信息化、高度柔性、高度自动化的制造系统。它从根本上改变了过去手工绘图、晒图，凭图纸组织整个生产过程的技术管理方式。现代制造技术可以大幅度降低产品设计、制造周期，提高产品设计、制造质量，以适应当前空前激烈的市场竞争。目前，随着电子、信息等高新技术的不断发展及市场需求个性化与多样化，世界各国都把机械制造技术的研究和开发工作作为国家的关键技术进行优先发展，
3、将其他学科的高技术成果引入机械制造业中。因此，机械制造业的内涵与水平已今非昔比，它是基于先进制造技术的现代制造产业。纵观现代机械制造技术的新发展，其重要特征主要体现在它的绿色制造、计算机集成制造、柔性制造、虚拟制造、智能制造、并行工程、敏捷制造和网络制造等方面。在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它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的发展起着越来越重要的作用。数控技术也最能体现现代制造技术的高效益和软硬件发展的综合水平，它的发展可以保证产品得到极高的加工精度和稳定的加工质量，提高加工的自动
4、化程度和生产效率，缩短加工时间和生产周期，使产品具有精度协调性和互换性，增强了对复杂曲面的设计和加工能力等，从而为现代制造技术的完善和发展提供了保证。图形交互式自动编程使数控编程的工作大大简化，是目前 CAD/CAM 软件的发展方向。本课题在基于 UG 软件平台结合数控车削中心动力刀架部件，通过对数控车削中心动力刀架各个零部件进行分析、计算、造型以及对箱体进行数控加工编程和切削仿真，研究复杂形状零件 CAD/CAM 的方法和应用效果。3三、 背景科研项目情况简介数控车削中心是在数控车床发展过程中开发出的一种具有多工序加工能力的数控车床，它兼有数控车床和加工中心的加工性能，是目前各主要工业发达国
5、家竞相发展的一种极为重要的数控机床品种。它能够完成一般车削以外的工序，是数控车床在扩大工艺范围方面的发展。不少回转体零件上通常需要进行钻孔、铣削等，比如钻油孔、钻横向孔、铣键槽、铣扁及铣油槽等。在这种情况下，所有工序最好能够在一次装夹下完成。这对于降低成本、缩短加工周期、保证加工精度等都具有非常重要的意义，特别是对重型机床，由于其加工的重型工件不容易吊装，更能够显示其优点。动力刀架是数控车削中心的重要功能部件之一，一般数控车削中心在刀架上备有刀具主轴电动机，自动无级变速，通过传动机构驱动装在刀架上的刀具主轴，这种刀架称为动力刀架。动力刀架的结构和性能在一定程度上标志着数 控车削中心的技术水平，
6、并且与加工精度、生产效率密切相关，体现了数控 车削中心的设计和制造技术水平。其质量的优劣、性能的好坏以及选用的合适 与否都直接影响着数控车削中心的应用效果。动力刀架的档次是评判数控车削 中心高中低档的依据之一。动力刀架技术含量高，已趋向专业化开发生产，对 动力刀架的研究开发及应用已引起数控车削中心行业的重视。四、学位论文主要研究内容研究内容：1、复杂箱体零件加工：在对形状较为复杂的箱体零件加工过程中，改变以往采用普通机床加工的方法，采用五轴数控机床对其进行加工。在保证加工精度的同时，加工过程尽量采用一次定位进行多工序加工的方式，大大提高了加工效率和加工精度。2、分析数控车削中心动力刀架结构，对
7、动力刀架进行总体方案设计，对各零部件进行结构设计；3、利用 UG/CAD 功能对动力刀架所有零件进行造型设计，并生成装配图、零件图和工程图；4、利用 UG/CAM 功能对动力刀架箱体进行加工编程，生成数控刀具轨迹程序，并进行干涉和碰撞检查；5、对刀具轨迹文件进行后置处理生成 NC 程序，并进行动力刀架箱体加工切削仿真校验。4五、 预期解决的主要问题问题 1：通过对数控车削中心动力刀架结构进行分析，对动力刀架的整体方案进行了设计，特别是对动力刀架需要实体造型的典型零件进行了详细的设计和选用，这是 CAD 造型的基础，只有了解动力刀架每个零件的形状特征才能够更好的对其进行实体造型。问题 2：需要采
8、用 UG/CAD 功能模块完成动力刀架所有零件的实体造型，对动力刀架的刀架轴、刀盘、渐开线齿轮、圆柱凸轮及箱体的造型过程进行详细设计，进一步的生成总的装配图、零件图及工程图，这样可以为下一章的数控加工编程奠定基础。问题 3：采用 UG/CAM 功能对动力刀架箱体进行加工编程，利用 UG 软件生成箱体数控加工刀具轨迹程序，并进一步的论证了在编程过程中容易遇到的刀具干涉和碰撞问题及解决的方法。同时结合箱体加工实例建立了 UG 后置处理程序，生成了 NC 程序，并且应用Vericut 功能软件对生成的 NC 程序进行了切削仿真。技术路线图：六、开题条件（包括学术条件、设备条件、经费概算及其落实情况）
9、本人具备本论文研究的相关理论知识及实践方面的经验，如具备机械制造技术、先进制造技术、数控机床结构及应用、数控机床编程、CAD/CAM 软件应用、UG 软件应用、现代数控机床、计算机辅助造型技术等方面的理论知识及应用实践。完成本论文所需要的设备条件，如相关的 UG 软件、CAD 软件等都已具备，进行箱体切削加工的仿真实验条件等也已具备，进行本课题需要的数控车削中心也已具备等。8七、文献综述1、国内外数控车床的研究状况及成果数控车削中心是在数控车床发展过程中开发出的一种具有多工序加工能力的数控车床，它兼有数控车床和加工中心的加工性能，是目前各主要工业发达国家竞相发展的一种极为重要的数控机床品种。它
10、能完成一般车削以外的工序,是数控车床在扩大工艺范围方面的发展。 不少回转体零件上常常需要进行钻孔、铣削等，例如钻油孔、钻横向孔、铣键槽、铣扁及铣油槽等。在这种情况下，所有工序最好能在一次装夹下完成。这对于降低成本、缩短加工周期、保证加工精度等都有重要意义，特别是对重型机床，由于其加工的重型工件不容易吊装，更能显示其优点.动力刀架是数控车削中心的重要功能部件之一，一般数控车削中心在刀架上备有刀具主轴电动机，自动无级变速， 通过传动机构驱动装在刀架上的刀具主轴，这种刀架称为动力刀架。动力刀架的结构和性能在一定程度上标志着数控车削中心的技术水平，并且与加工精度、生产效率密切相关，体现了数控车削中心的
11、设计和制造技术水平。其质量的优劣、性能的好坏以及选用的合适与否都直接影响着数控车削中心的应用效果。动力刀架的档次是评判数控车削中心高中低档的依据之一。动力刀架技术含量高，已趋向专业化开发生产，对动力刀架的研究开发及应用已引起数控车削中心行业的重视.经过近 20 年的发展，动力刀架逐渐演变为电动和液动两大类别。电动刀架以欧洲为代表。由力矩电机驱动，凸轮控制齿盘的松开和刹紧，预定位动作由电磁铁完成，位置信号由编码器发出，采用齿轮减速完成分度、松开、刹紧动作。这类刀架使用方便，应用最多。液动刀架以日本技术为基础，日本、韩国和我国台湾省为代表。采用液压马达驱动，采用间歇分度机构平行共轭凸轮分度和预定位
12、，液压松开刹紧，位置信号用组合传感器发信。这类刀架刚性好，适用于重负荷切削，且易取向转位就近换刀，大型数控车床应用较多.国外世界著名数控动力刀架生产企业一个是德国的 Sauter(肖特)公司，另一个意大利Baruffaldi(巴鲁法蒂)公司，其中德国的 Sauter(肖特)公司 生产的刀架转位时间最短，且转位准确、定位精度高、动作迅速、稳定可靠，走在世界的前列。国内刀架生产相对还有一定的差距，国内厂家中技术规格参数指标较高的是烟台环球机床附件集团和沈阳车床数控刀架厂，这两家都是引进了意大利 Baruffaldi(巴鲁法蒂)公司技术进行生产的。其中烟台环球机床附件集团有限公司生产的 AK33 系
13、列数控转塔刀架可多刀夹持，双向转位和任意刀位就近选刀，实现了加工程序的自动化、高效化。 它采用端齿盘作为分度定位元件，分度工位由二进制绝对值编码器识别。结构简单性能可靠，配合主机可完成车、铣、钻、镗等工序，特别适合车削中心全功能数控车床。2、对 CAD/CAM 的发展状况进行概述计算机辅助设计（ Computer Aided Design,简称 CAD） 和计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing， 简称 CAM)， 是近 30 年来快速发展起来的计算机应用技术,可用于各种行业。如机械、汽车、船舶、机电、建筑、化工、航空航天等工业。CAD/CAM 是一种硬、软件
14、系统，可直接面向产品或工程设计及制造的全过程。即方案设计、总体设计、施工设计和加工制造等作业设计。它不仅为人们提供实现设计及制造某个环节的先进工具,而且结合具体设计及制造过程,提供整套为设计制造系统服务的具有智能性质的辅助手段。1946 年， 美国麻省理工学院（MIT）研制成功世界上第一台电子计算机，它的高运算能力和大容量的信息存储能力，使得很多数值分析方法能在计算机上完成。之后，人们不断将计算机引入设计制造领域。1952 年，世界第一台数控机床在美国 MIT 试制成功，通过改变数控程序就可实现9对不同零件的加工。之后，MIT 研制开发了 APT 自动编程语言，通过描述走刀轨迹的方法来实现计算
15、机辅助数控编程。在次基础上人们联想到，能否不描述走刀轨迹，而通过直接描述零件本身来实现数控编程？这就是 CAD 的最初概念。人们设想如何通过直接自动运行各个程序来实现计算机辅助设计过程，并能由此解决不同复杂程度的生产计算问题的各个过程。此间 CAD 处于准备孕育阶段，因整个 20 世纪 50 年代电子计算机仍处于电子管时代，计算机主要用于科学计算，且使用的是计算机语言编程，图形设计仅具有输出功能。1963 年，美国 MIT 学者 I.E. Sutherland 有关人机对话图形通信系统的论文问世，研制成功了世界上第一套实时交互功能的二维 SKETCHPAD 系统。该系统允许设计者操作光笔和键盘
16、，在荧光屏上显示图形，实现人机交互作业。这项成果标志着 CAD 技术的诞生，为以后 CAD 技术的发展提供了基本条件和理论基础。此后陆续出现了许多商品化的 CAD 系统与设备：美国 IBM 公司开发了以大型机为基础的 CAD/CAM 系统， 具有绘图，数控编程和强度分析功能；通用汽车公司为实现各个阶段的汽车设计，研制了 CAD-1 系统；洛克西德公司出台了 CAD/CAM 系统等。1966 年又出现了采用通用计算机直接控制多台数控机床的 DNC 系统。1978 年前后 CAD/CAM 技术发展趋于成熟。伴随计算机硬件的发展，以小型机，微型机为主机的 CAD 系统逐渐引入市场。为了适应设计与加工
17、的要求，三维几何处理技术应运而生，出现了面向中小企业的 CAD/CAM 商品化软件系统。英国莫林公司研制的由计算机集中控制的自动化制造系统，包含 6 台加工中心和一条自动运输线，可进行连续作业，并可用计算机编制 NC 程序，作业计划，统计报表等；美国辛辛那提公司成功地研制了一条 FMS 柔性制造系统。1980 年以后，CAD/CAM 技术进入迅速发展期。计算机外围设备已逐渐成为系列产品，超大规模集成电路的出现，使计算机硬件成本大幅度下降。相应的软件技术（如优化设计，有限元设计，数据库技术等）迅速提升，出现了很多商品化软件，推动了 CAD/CAM 技术的应用和推广，并使其他发达国家向发展中国家发
18、展，从大型企业向中小型企业发展，从军用产品设计向工程产品设计发展，他还使一些与制造过程密切相关的计算机辅助技术得以发展，如计算机辅助 工 艺 规 程 （ CAPP） ， 计 算 机 辅 助 工 装 与 夹 具 设 计 ， 计 算 机 辅 助 质 量 控 制（CAQ）等。1990 年以后，CAD/CAM 技术一改过去的单一功能，单一领域，单一内容的运行模式，转向集成化，智能化，标准化的方向发展。系统的继承，是为了实现资源共享，实现产品生产与组织管理的高度自动化，提高产品的市场竞争能力，缩短产品研发周期，加速新产品对市场需求的响应。为此，国际标准化组织及一些工业发达国家都在从事标准接口的开发；同时
19、，面向对象技术，并行工程思想，人工智能技术，计算机集成制造系统，快速成型技术，敏捷制造技术的研究，又极大地推进了 CAD/CAM 技术更高水平的发展。经过五十多年的发展，CAD/CAM 技术有了长足的进步。现在 CAD/CAM 主要运运行在工作站或微机平台上。工作站虽然性能优越，图形处理速度快，但价格却十分昂贵，这在一定程度上限制了 CAD/CAM 技术的推广。随着 Pentium 芯片和 Windows NT 操作系统的出现并流行，以前只能运行在工作站上的 CAD/CAM 软件现在也可以运行在微机上。由于微机的价格远远比工作站低，性能也不比中 低 档 工 作 站 逊 色 多 少 ， 并 且
20、windows NT 操 作 系 统 的 安 全 性 与 DOS 、Windows3.x、Windows95/98 等操作系统相比有了很大提高。所以，微机平台为普及 CAD 应用创造了绝好的条件。在此基础上， CAD/CAM 软件厂商展开了新一轮的竞争。一方面工作站上著名的 CAD/CAM 的软件( 如 UG、CATIA)全功能地移植到微机平台，使微机完全对等地实现了工作站环境的处理能力；另一方面 CAD/CAM 软件打破了原有 Unix 环境的桎梏，在 Windows 平台上全面拓展。 Pentium 以上处理器和 NT 环境已经或者正在成为 CAD/CAM 软件运行和应用的主流平台。103
21、、对 UG 辅助产品设计过程进行概述UG NX 是 Unigraphics Solutions 公司推出的集 CAD/CAM/CAE 于一体的三维参数化设计软件，在汽车、交通、航空航天、日用消费品、通用机械及电子工业等工程设计领域得到了大规模的应用。UG NX6.0 是目前 NX 系列的最新版本，在原有基础上做了大量的改进。UG NX 软件是由多个模块组成的，主要包括 CAD、CAM、CAE、注塑模、钣金件、Web、管路应用、质量工程应用、逆向工程等应用模块，其中每个功能模块都以 Gateway 环境为基础，它们之间既有联系又相互独立。UG 进行产品开发时，所有数控加工都是 CAD 建模开始，
22、也是对产品开发的第一步，以后的所有工作都是建立在它的基础之上的，也就是说 CAD 是 CAM 的基础。在 CAM 中需要 CAD 进行曲面设计、复杂零件造型和模具设计；在 CAD 中对零件及部件所做的任何改变，都会在 CAM 有所反应。UG CAD/ CAM 集成编程的主要特点是:在零件设计阶段，零件的几何形状可采用CAD/CAM 集成系统中的几何设计模块在图形交互方式下进行定义、显示和修改，最终得到零件的几何模型。数控编程的一般过程包括刀具的定义或选择、刀具相对于零件表面的运动方式的定义、切削参数的确定、走刀轨迹的生成、加工过程的动态仿真显示、NC 程序的生成等。该方法一般都是在菜单及命令驱
23、动等图形交互方式下完成的，具有形象、直观和高效等优点。11八、学位论文工作进度安排2016 年 6 月至 9 月，通过图书馆、互联网等方式阅读大量文献资料，包括数控车床、机械制造技术、先进制造技术、CAD/CAM 等方面的知识，然后再结合自身工作情况，确定论文题目及大纲，并完成论文开题报告；2016 年 10 月至 12 月，完成论文初稿，并上交给老师进行检查；2017 年 1 月至 3 月，对论文初稿进行修改；2017 年 4 月，定稿，并准备毕业论文答辩；硕士生签名： 年 月 日12九、指导教师意见指导教师签名： 年 月 日查阅主要文献资料目录清单序号 作 者 题 目 刊物名称 期（卷）号
24、年份 起止页码1 任小中 先进制造技术 华中科技大学出版社 2013 89-1082 盛晓敏 先进制造技术 机械工业出版社 2012 45-613 王爱玲 数控机床结构及应用 机械工业出版社 2013 112-1174 宋天麟 数控机床及其使用与维修 东南大学出版社 2005 85-975 吴明友 数控机床与编程 华中科技大学出版社 2013 78-956 孙恒 机械原理 高等教育出版社 2013 210-2147 马振福 液压与气动传动 机械工业出版社 2015 176-1798 现代实用机床设计手册编委会现代实用机床设计手册 机械工业出版社 2006 178-1929 李庆余 机械制造装备
25、设计 机械工业出版社 2013 54-6110 王海勇 数控机床结构与维修 化学工业出版社 2009 109-12111 隋秀凛 实用机床设计手册 机械工业出版社 2010 166-17312 成大先 机械设计手册单行本轴承 化学工业出版社 2010 78-821313 吕修海 机械 CAD/CAM 应用技术- 基于 UG NX 6.0北京航空航天大学出版社2011 115-12814 庞恩泉 CAD/CAM 数控编程技术一体化教程山东大学出版社 2009 34-4215 宁汝新 CAD/CAM 技术 机械工业出版社 2011 49-5216 乔立红 计算机辅助设计与制造 机械工业出版社 20
26、14 106-12117 北京兆迪科技有限公司UG NX 10.0 运动仿真与分析教程机械工业出版社 2015 98-11318 鞠成伟 中文版 UG NX 曲面造型完全学习手册清华大学出版社 2015 67-8819 李小静 数控电动刀架的故障诊断与维修工业技术与职业教育 1 2013 6-820 骆铭 数控机床刀具夹紧系统的改进设计天津理工大学学报 4 2009 83-8821 谢祥强 数控车床电动刀架故障的深度剖析制造业自动化 17 2012 73-7522 张光宇 数控车床的电动刀架故障诊断与维修研究科技风 5 2015 13523 沈会 数控立式车床刀架改制研究 机械工程师 6 20
27、15 170-17124 X D Fang ,N J Lee.A New Tooling Machanism for CNC Machine Tools &Manufacture 41(1) 2011 103-10725 Steve Krar,Gill A.CNC technology and programming.NEW York:McGraw-Hill Publishing Company2010 20-3726 Kirnura F. Product and Process moxlelling as a kernel for virtual manufacturing environm
28、entAnnals of the CIRP 42(1) 2008 147-15527 BeDis,QuanN Spline interpolation technique for NC machinesComputers in Industry (18) 2012 307-31828 L.M.Reissell Wavelet Multiresolution Representation of Curves and SurfacesGraphical Models and Image Processing58(3) 2006 198-21829 CHih-Ching Lo.A New approach to CNC tool path generation.Computer-Aided Design 2008 15-2630 王太勇 高档数控装备的发展趋势 中国机械工程 10 2011 1247-125231 马仕龙 动力刀架的动力刀座接口研究 机械设计与制造 12 2010 124-12532 卢晓红 动力刀架刀盘结构参数优化 组合机床与自动化加工 4 2011 82-85
