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东北大学博士学位论文 摘要 数控机床防护及外观造型设计研究 摘要 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在某种程度 上就代表这个国家的制造业水平和竞争力。 随着科学技术的不断进步，机床的制造水平越来越高，从过去各种专用的普通机 床向复合型、多功能的数控机床发展。在数控机床的设计中要从人机工程学的角度出 发，秉承以人为本的设计原则，这是数控机床防护形成的重要原因。另外，数控机床 在加工过程中伴随着发热，这种发热现象会引起机床结构的热变形，从而降低机床的 加工精度。因此，对数控机床合理的防护散热结构的设计也是十分重要的。 数控机床是多种技术的综合体，在满足功能的前提下研究机床造型设计，赋予机 床“从内到外的”高品质。不断提高其外观质量和宜人性，增强产品的附加值与整体 造型效果，满足市场竞争的需要，已经成为机床制造业刻不容缓的问题。 本文所研究的数控机床防护及外观造型是根据人机工程学、热学和美学的理论来 完成的，将技术与艺术完美的结合，运用虚拟设计的手段，将机床的防护结构设计与 外观设计结合起来，为改善我国数控机床在防护及外观造型设计奠定了理论基础。具 体研究内容包括以下内容： ( 1 ) 提出了数控机床防护的结构框图，并加以定义；对数控机床防护结构的布局 进行研究，制订了数控机床防护结构布局规则。 ( 2 ) 给出了数控机床内防护结构分类；对数控机床传输系统进行了研究，制订了 数控系统管线布置规则；给出了影响数控机床导轨防护罩设计的因素；制订了数控机 床内防护的要求。 ( 3 ) 根据数控机床外防护的作用，制订了数控机床外防护的设计要求；给出了数 控机床外防护结构分类，对其各个部分的结构形式、规格及材料进行详细地说明；制 订了数控机床外防护的设计规则 ( 4 ) 通过仿真分析，在外防护中的左防护罩的下部开一散热孔可以降低整个外防 护的温度。 ( 5 ) 应用人机工程学理论，给出了站立式观察的数控机床显示器的位置；给出了 观察窗的位置，及其观察窗自身的最小尺寸；给出了数控机床工作台位置。采用人机 - 东北大学博士学位论文 摘要 工程学理论设定的参数，可以减少操作者的疲劳强度，从而提高生产效率。 ( 6 ) 根据美学理论，制订了数控机床造型设计的规则；给出了数控机床的色彩设 计、数控机床的整体设计及外观造型制造工艺的要求；给出了数控机床外观造型风格 流派分类，并加以说明。 ( 7 ) 最后，将对数控机床防护及外观造型设计研究的结果应用在s s c k 4 0 数控车 床的设计过程中。该产品的样机参加了2 0 0 6 年2 月在上海召开的中国数控机床展览 会，在展会上获得了好评。 关键词：数控机床；防护；外观造型；人机工程学；内防护；外防护；美学 i i i - 东北走学博士学位论文a b s t r a c t s t u d y o nd e s i g nf o rs h i e l da n da p p e a r a n c e m o d e l i n go f c n cm a c h i n e1 0 0 l a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o n so fc n ct e c h n i c a ln o to n l yb r i n gr e v o l u t i o n a r yc h a n g et ot r a d i t i o n m a n u f a c t u r i n gb u ta l s ob e c o m et h es y m b o l i z a t i o no fi n d u s t r i a l i z a t i o n ，t h ec o m b i n a t i o no f c n ca n dm a c h i n e w h i c hi sn a m e dc n cm a c h i n et o o li st h ek e ye q u i p m e n to fm o d e m m a n u f a c t u r i n g ；t h eo u t p u ta n dt e c h n i q u eo fc h i cm a c h i n ei nc o u n t r yr e p r e s e n tt h el e v e l a n d c o m p e t i t i o no f m a n u f a c t u r i n g w i t ht h es c i e n c et e c h n o l o g yd e v e l o p i n g ，t h et e c h n o l o g yo fm a n u f a c t u r i n gm a c h i n e h a sh i g t a yb e e ni n c r e a s e d t h ed e v e l o p i n gt r e n do fm a c h i n eh a sc h a n g e df r o ms p e c i a l g e n e r a lm a c h i n e ，s u c ha s , l a t h e ，g r i n d i n gm a c h i n e , m i l l i n gm a c h i n et o t h ec o m p l e xa n d m u l f i f u n c t i o n a lc n cm a c h i n et 0 0 1 i nt h ep r o c e s so fc n cm a c h i n et 0 0 1 t h eu n s a f ef a c t o r s w h i c ht h eh i g h - t e m p e r a t u r ec h i pa n dt h ec u t t e ra n da b r a s i v ed a m a g e dw h e e l sa r es p l a s h i n g a r e g e n e r a l l yh a p p e n e d c o n s e q u e n t l y , i ti sn e c e s s a r yt h a tt h ed e s i g n i n ge r g o n o m i c s c o n c e p ti si n c l u d e di nt h ed e s i g n i n gp r o c e s so fc n c m a c h i n et 0 0 1 i na d d i t i o n ，t h eh e a t w h i c hi sg e n e r a t e di nt h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s i n go fc n cm a c h i n et o o lh a si n f l u e n c eo n t h em a c h i n i n gp r e c i s i o no fc n cm a c h i n et 0 0 1 t h e r e f o r e ，t h er a t i o n a lr a d i a t o rs t l r u c t u l ei s e s s e n t i a li nt h ec n cm a c h i b et 0 0 1 t h ec n cm a c h i n et o o li sam u l t i t e c h n i c a lc o m p l e x ，s ot h em o d c l i n go fm a c h i n et o o l i sd e s i g n e di nt h ep r e c o n d i t i o no ff u l f i l li t sf u n c t i o n ，a n dt h ef u n c t i o no fi n d u s t r yd e s i g n a n de r g o n o m i ci nm a c h i n et o o ld e s i g nm u s tb ep l a y e df u l l y , t h eh i g hq u a l i t yo fm a c h i n e t o o lw h i c hf r o mi n n e rt oo u t s i d ei sg i v t h ep r o b l e mo fc o n t i m m le n h a n c i n ga p p e a r a n c e q u a l i t ya n dp l e a s a n ta n da d d e dv a l u ea n di n t e g e rm o d e l i n ge f f e c t ，s a t i s f y i n gt h ed e m a n do f m a r k e tc o m p e t i t i o nh a v en ot i m et od e l a yt om a c h i n et o o lm a n u f a c t u r i n g t h ep a p e rw h i c hr e s e a r c h e st h es h i e l da n da p p e a r a n c em o d e l i n go f c n cm a c h i n et o o l i sa c c o m p l i s h e dt h r o u g ht h ee r g o n o m i c st h e o r ya n dt h e r m a lt h e o r ya n da e s t h e t i c st h e o r y i t c o m b i n e st e c h n i q u ea n da r t b yt h ev i r t u a ld e s i g nm e t h o d ，i ti n t e g r a t e st h ec n cm a c h i n e t o o ls h i e l ds t r u c t u r ed e s i g nw i t ha p p e a r a n c em o d e l i n gd e s i g n i tw i l lp r o v i d et h et h e o r y f o u n d a t i o nf o ri m p r o v i n gt h es h i e l da n da p p e a r a n c em o d e l i n gd e s i g no ft h ec n cm a c h i n e 东北大学博士学位论文 a b s t r a c t t o o li n0 1 1 1 c o u n t r y t h es p e c i f i cc o n t e n ti ns t u d yi nt h i sp a p e ra sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ec n cm a c h i n et o o ls h i e l ds t r u c t u r ed i a g r a mi sb u i l ta n de x p l a i n e d b yt h e r e s e a r c ho ft h ec n cs h i e l ds t r u c t u r el a y o u t t h ep r i n c i p l e sw h i c hi n f l u e n c eo nt h es h i e l d l a y o u to f t h ec n c m a c h i n et o o l sa r eg i v e n ( 2 ) t h ec n cm a c h i n et o o li n n es h i e l ds t r u c t u r ei sd i v i d e d t h r o u g ht h er e s e a r c ho f t h ec n ct r a n s f e r ss y s t e m , t h ep r i n c i p l eo f t h ec n cm a c h i n et o o lp i p e l i n el a y o u ti sm a p p e d o u t t h ef a c t o r sw h i c hi n f l u e n c eo nt h er a i ls h i e l dt y p e so ft h ec n cm a c h i n et o o la r e d e s c r i b e d 1 1 1 ed e m a n do f t h ec n cm a c h i n et o o li n n e rs h i e l di sm a p p e do u t ( 3 ) t h ed e i g nr e q u i r e m e n to ft h e c n cm a c h i n et o o le x t e r n a ls h i e l di sw o r k e do u t a c c o r d i n gt oi t sf u n c t i o n 1 1 1 es t r u c t u r et y p eo fe x t e r n a ls h i e l di sg i v e n s t r u c t u r ef o r mo f e v e r yp a r ta n di t ss p e c i f i c a t i o na n di t sm a t e r i a la r ee x p a t i a t e d a n dt h ed e s i g np r i n c i p l eo f e x t e r n a ls h i e l di sg i v e n ( 4 ) t h ee x t e r n a l s h i e l dt h e r m a lc h a r a c t e r i s t i co fs s c k 4 0c n cm a c h i n et o o li s a n a l y z e do nt h eb a s i so ft h e r m a lt h e o r y i ti sn e c e s s a r yt h a tar a d i a t o rh o l eo nt h ee x t e r n a l s h i e l di ss e t i ti sf o u n dt h a tt h ee x t e n t a ls h i e l dt e m p e r a t u r eo fs s c k 4 0c n cm a c h i n et o o t i sd e c r e a s e d ( 5 ) o nt h eb a s i so fe r g o n o m i c st h e o r y , t h eh e i g h tb e t w e e nt h ed i s p l a yp a n e lc e n t e ro f t h ec l q cm a c h i n et o o la n dt h eg r o u n di ss e t t h eh e i g h tb e t w e e nt h ec e n t e ro fo b s e r v a t i o n w i n d o wa n dt h eg r o u n di ss e t t l e d n 把m i n i m u mp l a n a rd i m e n s i o no fo b s e r v a t i o nw i n d o w i sg i v e n t h eh e i i g h to fw o r k i n gt a b l ei sl o c a t e d i ft h ed a t aa r ea p p l i e di nt h ed e s i g n i n g p r o c e s so f t h ec n c m a c h i n et o o l ，i tw i l ld e c r e a s eo p e r a t o r s f a t i g u e ，t h e r e f o r e ，i n c r e a s et h e p r o d u c t i o ne f f i c i e n c y ( 6 ) o nt h eb a s i so fa e s t h e t i c st h e o r y , t h ea p p e a r a n c em o d e l i n gp r i n c i p l eo ft h ec n c m a c h i n et o o li sd r a w no u t t h ea p p e a r a n c em o d e l i n gd e m a n d sf o rd e s i g n i n gc o l o ra n dt h e w h o l ed e s i g na n dm a n u f a c t u r et e c h n i q u ea r eg i v e n t h es t y l ea n dg e n r eo ft h ec n c m a c h i n et o o la r ed i v i d e da n di l l u r n i n a t e d ( 7 ) f i n a l l y , t h er e s u l t so ft h ep a p e rr e s e a r c ha r ea p p l i e di nd e s i g n i n gp r o c e s so f s s c i ( 4 0c n cl a t h e t h es s c k 4 0p r o t o t y p eh a se x h i b i t e di n t h e2 0 0 6 c h i n ac n c m a c h i n et o o le x p oi ns h a n g h a ia n dh a sg a i n e dt h eh i g hr e p u t a t i o n k e y l v o r d s ：c n cm a c h i n et o o l ，s h i e l d ，a p p e a r a n c em o d e l i n g ，e r g o n o m i c s ，i n n e rs h i e l d ， e x t e r n a ls h i e l d ，a e s t h e t i c s v 一 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发 表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 “ i 学位论文作者签名：髫b 日期：矽z 箩易 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用 学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 学位论文作者签名： 纵少跏 日 期：夕删多、矿、初 另外，如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视 为同意。 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学博士学位论文 第一章绪论 第一章绪论弟一早三百下匕 1 1 数字控制技术的产生与数控机床的发展趋势 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在某种程度 上就代表这个国家的制造业水平和竞争力【l 】。数控机床是采用了数控技术的机床，或者 说是装备了数控系统的机床。数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业( 如 信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业) 的使能技术和最 基本的装备【2 “，在提高生产率、降低成本、保证加工质量及改善工人劳动强度等方面， 都有突出的优点；特别是在适应机械产品迅速更新换代、小批量、多品种生产方面， 各类数控装备是实现先进制造技术的关键1 5 ，6 】。当代国际数字化制造技术及装备的新成 就和数控机床进一步向高速、精密、复合、智能、环保的趋势发展。 1 1 1 数字控制技术的产生 采用数字控制技术进行机械加工的思想，最早是在2 0 世纪4 0 年代初提出的。当 时，美国北密执安的一个小型飞机工业承包商帕森公司( p a r s o n sc o ) 在制造飞机框架 及直升机叶片轮廓用样板时，利用全数字电子计算机对轮廓路径进行数据处理，并考 虑了刀具直径对n i 路径的影响，提高了加工精度 7 1 。1 9 4 9 年帕森公司正式接受美空 军委托，在麻省理工学院伺服机构实验室的协助下，开始从事数控机床的研制工作。 在1 9 5 2 年研制成功了世界上第一台采用脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制 铣床，其控制装置出约2 0 0 0 多个电子管组成，大小占了一个普通实验室那么大，这 便是数控机床的第一代。 1 9 5 2 年，第一代数控机床的数控装置采用了电子管、继电器等元件构成模拟电路； 1 9 5 9 年，出现了晶体管，数控装置中广泛采用晶体管和印刷线路板，构成晶体管数字 电路，使体积缩小，进入第二代；1 9 6 5 年，出现了小规模集成电路，用它构成集成数 字电路作数控装置，使体积更小，功率更低，系统可靠性进一步提高，发展到第三代。 以上三代数控系统主要是由电路的硬件和连线组成，所以称为接线逻辑数控系统 ( w i r e dl o g i en c ) 或硬数控系统，简称n c 系统。这是数控系统发展的第一阶段，它 东北大学博士学位论文 第一章绪论 的特点是具有很多硬件电路和连接结点，电路复杂，可靠性不好。 2 0 世纪6 0 年代末，小型计算机逐渐普及并被应用于数控系统，数控系统中的许 多功能可由软件实现，简化了系统设计并增加了系统的灵活性和可靠性，计算机数控 ( c n c ) 技术从此面世，数控系统发展到第四代。1 9 7 4 年以微处理器为基础的c n c 系 统问世，标志着数控系统进入了第五代，1 9 7 7 年麦道飞机公司推出了多处理器的分布 式c n c 系统，到1 9 8 1 年c n c 达到了全功能的技术特征，具体系统结构朝柔性模块 化方向发展。1 9 8 6 年以后，3 2 位c p u 在c n c 中得到了应用，c n c 系统进入了面向 高速、高精度、柔性制造系统( f m s ) 和自动化工厂( f a ) 的发展阶段。2 0 世纪9 0 年代 以来，受通用微机技术飞速发展的影响，数控系统朝着以通用微机为基础、体系结构 开放和智能化的方向发展。1 9 9 4 年基于p c 的n c 控制器在美国首先出现于市场，此 后得到迅速发展。由于基于p c 的开放式数控系统可充分利用通用微机丰富的硬软件 资源和适用于通用微机的各种先进技术，已成为数控技术发展的潮流和趋势。后三代 是数控系统发展的第二阶段，其数控系统主要是由计算机硬件和软件组成，称为c n c 系统。其晟大特点是利用存储在存储器里的软件控制系统工作，因此也称软数控系统。 这种系统容易扩大功能，柔性好，可靠性高。 数控技术的发展极大地推动了数控机床的发展，数控系统经过5 0 多年的不断发 展，从控制单机到生产线以至整个车间和整个工厂。近年来，随着微电子和计算机技 术的日益成熟，其成果正在不断渗透到机械制造的各个领域中，先后出现了计算机直 接数控系统( d n c ) 、柔性制造系统( f m s ) 和计算机集成制造系统( c i m s ) 。这些高级 的自动化生产系统均是以数控机床为基础，它们代表着数控机床今后的发展趋势。目 前，c n c 的故障率已达0 0 1 次( 月厶) ，即无故障时间( m t b f ) 为1 0 0 个月，数控性 能大大提高。以f a n u c 公司为例，1 9 7 1 年开发的f s 2 2 0 系统与1 9 9 1 年开发成功的 f s l 5 系统相比，体积只有前者的1 1 0 ，加工度提高1 0 倍，加工速度提高了2 0 倍，可 靠性提高了3 0 倍以上。 1 1 2 数控机床的发展趋势 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( i t 、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0 , 7 5 , 7 6 , 9 ”。当前世界上数控技术及其装备的发展呈现 如下发展趋势： 2 东北大学博士学位论文第一章绪论 ( 1 ) 高精密化 新一代数控机床只有通过高速化大幅度缩短切削工时才可能进一步提高其生产 率。超高速加工特别是超高速铣削与新一代高速数控机床的开发应用紧密相关。2 0 世纪9 0 年代以来，欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，加快机床高 速化发展步伐。高速主轴单元( 电主轴，转速1 5 0 0 0 r n f i n | 0 0 0 0 0r m m ) 、高速且高 加减速度的进给运动部件( 快移速度6 0r i n i n 1 2 0r n f i n ，切削进给速度高达6 0 r m i n ) 、高性能数控和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突破，达到了新的技 术水平。随着超高速切削机理、超硬耐磨长寿刀具材料和磨料模具、大功率高速电主 轴、高加减速度直线电机驱动进给部件以及高性能控制系( 含监控系统) 和防护装置 等一系列技术领域中关键技术的解决，应不失时机地开发应用新一代高速数控机床。 为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、赢线电机得到了快速的发 展，应用领域迸一步扩大。 从精密加工发展到超精密加工( 特高精度加工) ，是世界各工业强国致力发展的方 向。其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级( 1 0 岫) ，其应用范围日趋广泛。超精 密加工主要包括超精密切削( 车、铣) 、超精密磨研磨抛光以及超精密特种加工( 三束 加工及微细电火花加工、微细电解加工和各种复合加工等) 。随着现代科学技术的发 展，对超精密加工技术不断提出了新的要求，新材料及新零件的出现，更高精度要求 的提出等都需要超精密加工工艺，发展新型超精密加工机床，完善现代超精密加工技 术，以适应现代科技的发展。 ( 2 ) 高可靠性 数控机床的可靠性是数控机床产品质量的一项关键性指标。数控机床能否发挥其 高性能、高精度、高效率，并获得良好的效益，关键取决于可靠性。衡量可靠性重要 的量化指标是平均无故障工作时间( m e a n t i m eb e t w e e nf a i l u r e s m t b f ) 。作为数控机 床的大脑一数控系统的m t b f 已由2 0 世纪7 0 年代的大于3 0 0 0 h ，8 0 年代大于1 0 0 0 0 h ， 提高到9 0 年代初的大于3 0 0 0 0 h 。据日本近期介绍，f a n u c 的c n c 系统已达到 m t b f l 2 5 个月( 9 0 0 0 0 h ) 。 高可靠性是指数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性在一个数量级以上，但 也不是可靠性越高越好，仍然要适度可靠。在可靠性方面，国外数控装置的m t b f 值 已达6 0 0 0 0 h 以上，伺服系统的m t b f 值达到3 0 0 0 0 h 以上，表现出非常商的可靠性。 目前，很多企业正在对可靠性设计技术、可靠性试验技术、可靠性评价技术、可 靠性增长技术以及可靠性管理与可靠性保证体系等进行深入研究和广泛应用，以期使 数控机床的整机可靠性水平提高到一个新水平。 - 3 东北大学博士学位论文 第一章绪论 ( 3 ) 数控机床设计的c a d 化、功能多样化 随着计算机应用的普及及软件技术的发展，c a d ( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ，计算机 辅助设计) 技术得到了广泛发展。c a d 不仅可以替代人工完成浩繁的绘图工作，更重 要的是可以进行设计方案选拔和大件整机的静、动态特性的分析、计算、预测和优化 设计，可以对整机各工作部件进行动态模拟仿真。在模块化的基础上，在设计阶段就 可以看出产品的立体几何模型和逼真的色彩。采用c a d 还可以大大提高工作效率， 提高设计的一次成功率，从而缩短试制周期，降低成本，增加市场竞争能力。数控机 床的设计是一项要求较高、综合性强、工作量大的工作，故应用c a d 技术就更有必 要、更迫切，具体如下所述： ( a ) 结构设计模块化 任何一类机床都是由若干基础件、标准件和功能部件组成的，尽管在同一类机床 中有规格大小和立、卧等形式之分，但大体上功能部件都是相似的。为便于发展同系 列和跨系列变形品种，满足用户市场的需要，现在许多机床生产厂家都在发展自己产 品的模块化结构设计。 ( b ) 结构的创新 数控机床的结构技术重大突出表现是在1 9 9 4 年，被称为“2 1 世纪新一代数控加工 设备”的虚拟轴机床六条腿机床问世了。这种机床被称为并联机床( p a r a l l e lm a c h i n e t o o l s ) ，又称为并联结构机床【2 0 , 2 l 3 1 】( p a r a l l e ls t r u c t u r e d t o o l s ) 、虚拟轴机床( v i r t u a l a x i s m a c h i n et o o l s ) 、六足虫( h e x a p o d s ) 。虚轴机床的机械结构相对简单，而控制技术较 为复杂，这使得虚轴机床具有较高的技术附加值，同时也具有较高的研制难度。虽然 某些产品的性能尚不尽人意，但虚轴机床确实具有提高刚度、精度、轮廓加工速度的 潜力，这终将会使这种新产品在未来的机床家族中占有一席之地。当人们需要一种可 以快速、灵活、准确地实现六自由度运动，同时又有足够刚度的机床时，虚轴机床或 许是最好的选择。 ( c ) 功能的多样化 随着计算机技术的飞速发展，数控机床的功能越来越多，具体体现在：用户界面 图形化、科学计算可视化、插补和补偿方式多样化、内装高性能p l c 数控系统、多 媒体技术应用。 ( d ) 智能化、网络化、柔性化、集成化 2 l 世纪的数控装备将是具有定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中 的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制， 工艺参数自动生成：为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参 数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面 a 东北大学博士学位论文第一章绪论 的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方 面的内容、方便系统的诊断及维修等。 ( e ) 控制性能的智能化 随着人工智能在计算机领域的渗透和发展，数控系统引入自适应控制、模糊系统 和神经网络的控制机理，不断具有自动编程、前馈控制、模糊控制、学习控制、自适 应控制、工艺参数自动生成、立体刀具补偿，运动参数动态补偿等功能，而且人机界 面极为友好，并具有故障诊断专家系统使自诊断和故障监控功能更趋完善。伺服系统 智能化的主轴交流驱动和智能化进给伺服装置，能自动识别负载并自动优化调整参 数。直线电机驱动系统已实用化。 ( 4 ) 数控机床向柔性自动化系统发展 从点( 数控单机、数控机床和数控复合加工机床) 、线( f m c 、f m s 、f t l 、f m l ) 向面( 工段车间独立制造岛，f a ) 、体( c 1 m s 、分布式网络集成制造系统) 的方向发展， 另一方面向注重应用性和经济性方向发展。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需 求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基 础技术。其重点是以提高系统的可靠性、实用化为前提，以易于联网和集成为目标； 注重加强单元技术的开拓、完善；c n c 单机向高精度、高速度和高柔性方向发展；数 控机床及其构成柔性制造系统能方便地与c a d 、c a m 、c a p p 、m t s 联结，向信息 集成方向发展；网络系统向开放、集成和智能化方向发展。 近年来，又相继出现了许多跨度更大的、功能集中的复合化数控机床。日本池贝 铁工所的t v 4 li i 立式数控机床，由于采用了u 轴，亦可进行车加工。东芝机械的 g m c - 9 5 立式数控机床，在一根主轴上即可进行切削又可进行磨削。美国c i n c i n n a t i l im 1 l a c r o n 公司的车、铣、镗多用途制造中心，在一台车削中心上不仅可以 完成回转体的外圆和端面的车削加工，还可完成铣平面、钻偏心孔、开曲线槽等加工， 使刀具回转的数控机床和磨削中心与工件回转的车削中心复合，如意大利s a f o p 的 车、镗、铣、磨复合机床，德国v o e s t - a l p i n t - s t e i n n e l 公司m 3 0 型铣削一车 削复合中心，e t a 公司g i l d e m i s t e r 复合车一铣机床。还有成型机床与切削机床的 复合，如瑞士r a s k i n 的冲孔、成型与激光切割复合，w h i t n e t 公司的等离子加工 与冲压复合等。在多轴和多轴联动控制方面，日本的f a n u c l 5 系统为2 1 5 轴，西 门子8 8 0 系统控制轴数达2 4 轴等。 ( 5 ) 串行总线计算机数控系统 在计算机系统中，总线接口对整个系统的性能和功能都有直接影响，有关专家认 为，2 1 世纪串行总线将逐步取代并行总线。同并行总线相比，串行总线具有许多优点。 串行总线连接引脚数量少，连接简单，成本较大，系统可靠性商。串行总线对系统体 5 东北大学博士学位论文第一章绪论 系结构具有重大的影响，它的应用有助于数据流计算机体系结构的实现。对于高速计 算机系统，串行总线比并行总线更容易使用。在并行总线中，传输数据的各个位必须 处于一个时钟周期内的相同位置，频率越高，对器件的传输性能和电路结构要求越严 格，系统设计难度加大，致使系统成本提高，可靠性降低。相比之下，使用串行总线 时，数据的各个位是串行传输的。在串行总线设计时，既可以嵌入时钟信号，也可以 采用锁相环的时钟恢复方式；同并行总线相比，串行总线的传输线效应容易处理，从 而降低设计难度和系统成本。另外，以串行信息包为机床的系统，不需要编写驱动程 序。当断开任何一根互联线，对全部信息包机械解码时，串行总线将这些信息包移入 存储器并中断处理器，这是一种局部的中断或事件。随着微处理器将查看这些信息包， 而不需要用驱动程序进行上述工作。系统将成为一种信息传递系统，而不是事件驱动 系统。串行总线数控系统在大型、特大型机床机械( 如龙门铣、印刷机等) 中已得到 应用、在检测点和控制轴( 或点) 很多的情况下其优点更加明显。系统与系统之间、单 元与单元之间容易隔离，系统可靠性高。随着计算机技术和现代信息技术的不断前进， 实时通信速度已不存在问题。 1 2 数控机床防护与外观造型的意义 数控机床是在数控技术基础上，根据多品种小批量加工工艺的要求，结合当代新 技术、新材料、新工艺和新的机床功能部件以及人们发展了的新的审美意识与需求， 运用产品造型的形式美、色彩美、材质美以及人机工程学的基本法则、理论和现代设 计观念与技巧等多种高技术设计结合而成的具有高精度、高速度、高效率和高自动化 的现代化生产设备i l u 5 1 。它不仅在结构性能方面相对于普通机床发生了根本的变化， 而且在数控机床防护与外观造型设计方面也形成了自身独特的风格与特点【2 7 0 们。研究 数控机床防护与造型设计的特点，旨在提高数控机床外观造型质量，以求进一步提高 其在国内外市场的竞争力与附加值，使产品立于不败之地。 1 2 1 数控机床防护的意义 在1 7 7 4 年，机床才真正意义上的出现。随着产业革命在欧洲的兴起，机床技术、 种类与型号迅速发展f 2 2 1 。但早期的机床设计工作主要集中于产品的功能实现上，对造 型设计并无太多的顾及，其功能部件大多是外露式的，如图1 1 所示为怀特渥斯于1 8 5 0 年设计的具有高精度测量装置的机床。随着机床技术的发展以及对机械化生产造成频 发的工伤事故的愈加重视，防护开始出现在机床设备上。图1 2 为1 8 7 4 年美国人布朗发 一6 一 东北大学博士学位论文第一章绪论 明的第一台万能外圆磨床，在这台机床身上，我们可以看到机床防护的雏形已经形成。 对数控机床的安全防护是指配置在数控机床上能防止危险因素引起人身伤害，保 障人身和设备安全的所有装置，它对人机系统的安全性起着重要作用。数控机床防护 的作用主要体现在安全防护作用、精度保持作用、环境保护作用、隔声降噪作用以及 防潮隔湿作用。 图1 1 怀特渥斯的机床 f i g 。i 1m a c h i n ed e s i g n e db yw h i t ew a t c h 图1 2 第一台万能外圆磨床机床 f i g 1 2t h ef i r s tc i r c u l a rg r i n d i n gm a c h i n e 随着科学技术的不断进步，机床的制造水平越来越高，从过去各种专用的普通机 床，如车床、铣床、磨床、数控机床发展到复合型、多功能的数控机床。在数控机床 加工的过程中，会产生高温飞溅的切屑，刀具或砂轮损坏后高速飞出等不安全因素， 经常对操作者造成机床伤害事故，诸如，操作者的局部卷入或夹入机床旋转部件和运 动部件造成的伤害事故；操作者与机床相碰引起的伤害事故；被飞溅的砂轮细磨料及 切屑划伤和烫伤；飞溅的磨料和崩碎的切屑极易伤害人的眼睛；操作者滑倒或跌倒而 造成的事故；冷却液对皮肤的侵蚀和噪声对人体的危害。因此，在数控机床的设计中 要从人机工程学的角度出发，秉承以人为本的设计原则，这是数控机床防护形成的另 一重要原因。 另外，数控机床在加工过程中伴随着发热，这种发热现象会引起机床结构的热变 形，从而降低机床的加工精度。随着机床向高速度、高精度和柔性自动化方向发展， 热变形对产品质量的影响日趋严重，因此，对数控机床合理的防护散热结构的设计也 是十分重要的。还有，数控机床加工过程中产生的切屑、冷却液都会对机床内导轨有 损害和腐蚀作用，以及冷却、润滑系统工作状态不佳对高速主轴及加工精度所产生影 响，所以对数控机床防护措施的深入研究是必不可少的。 - 7 东北大学博士学位论文 第一章绪论 1 2 2 数控机床外观造型的意义 制造业是一个国家或地区经济发展的重要支柱，其发展水平标志着该国家或地区 的经济实力、科技水平、生活水准和国防实力。而制造业的生产能力主要取决于制造 装备机床的先进程度。最初的机床是由一个电机驱动或分组由几个电机驱动，一根 天轴把运动传给若干台机床，即所谓的“天轴传动”，完全是外鼹式的皮带传动。机 床上所有零件机械地集合在一起，单纯满足功能需要，总体布局凌乱、粗糙、丑陋， 无暇顾及外观、色彩和人机关系，安全性能差【6 ”“。 机床工业设计是将机床的结构设计与外观设计结合起来，不仅确保产品的技术功 能，而且赋予产品更多的艺术美感1 3 2 1 。这就要求机床造型设计既要遵循工业设计的 原则又要有其自身的表现特征。 机器造型设计【5 7 】是指与机器造型形态方面有关的设计。它包括充分表现机器功能 的形态构成设计、实现形态的结构方法和工艺方面的设计及达到方便宜人与环境协调 的人机关系设计，通过机器的造型设计，把机器的功能、结构、工艺、材料、人机关 系、形态、色彩等因素与造型设计有关的工程技术问题，以及造型形态的艺术表现自 然地融合起来。机器的造型设计【6 ”是具有精神和物质两种功能的造型。机床造型设计 是机床系统全面设计中的一个重要组成部分，其任务不仅在于使产品外观形态符合时 代的审美要求，还在于决定产品的功能与结构的关系，使其充分满足使用者的要求， 并符合现代工业生产的特点。新颖的机床造型能完美地体现机床功能的合理性、内外 质量的统一性以及技术的先进性。 数控机床是科学技术发展的必然产物。随着工业化革命的开始，计算机的迅速发 展和广泛应用，使机床发生了根本的变革，由传统的机械化发展到现代的自动化，进 而发展到当今的由数控技术发展起来的数控机床，功能和结构的交化又带来了机床造 型的变化。因此，数控机床的外观造型要具有时代感。数控机床外观造型是根据工业 设计、人机工程学的理论来设计完成的。工业设计将技术与艺术完美的结合，在机床 设计与制造领域中发挥着重要的作用。人机工程学研究的重要内容是人的因素，是人 机系统优化设计的核心【眇9 1 】。因此，外观造型的设计将直接影响数控机床的整体效果 和使用性能，主要表现在： ( 1 ) 提高数控机床美学质量 数控机床的美学质量是指机床的外观质量，包括形态、色彩、质感和装饰等综合 整体给予人们的审美形象1 1 4 l 以4 3 j 。要塑造美的形式在很大程度上受到相对独立的审美法 则的制约，机床造型设计同样也需要一些审美法则来加以指导。在数控机床造型设计 一8 东北大学博士学位论文第一章绪论 中要贯彻：统一与变化、比例与尺度、节奏与韵律、对称与平衡、稳定与轻巧、调和 与对比、过渡与呼应、主从与重点、比拟与联想九大造型法则，有利于处理好机床局 部部件造型与整体造型之间的关系，以获得风格统一、比例协调的数控机床造型。 ( 2 ) 提高数控机床宜人性 人机工程学口6 ，2 7 1 通过研究人体对环境中各种物理、化学因素的反应和适应能力， 分析声、光、