中国象棋棋盘与棋子的设计与加工 数控毕业设计论文Word格式.docx
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数控机床问世以来，数控技术大幅度推进了制造技术与制造业的发展，数控技术应用课程在我国已成为各大院校机电类专业的主要课程之一。
数控技术是一门综合性专业技术，涉及到设计、工艺、机床、夹具、材料、数字控制、电机、检测等等。
特别是CAD/CAM一体化技术、FMS、CIMS、它们是集设备、信息、物流、能量流与一体的综合的自动化设计与制造系统，而是一门综合设计、工艺、制造及自动控制的多科学交叉型的科学技术。
数控机床和加工中心是典型的机电一体化产品，同时又是用于产品制造的机电一体化生产设备。
目前，随着数控技术的发展，数控机床已经成为我国在用机床的主流，在数控铣削中，对于非圆曲线、曲面、圆角、倒角的加工，当机床内存容量较小时，如何使技工程序变得简洁对实现加工来说，有着很重要的实际意义，相对普通程序编制更加容易和灵活。
本文通过中国象棋的设计与加工实例绍数控车削加工和数控铣削加工中注意的问题，以及数控车床和加工中心在操作方面的不同和容易出现的问题。
通过对中国象棋的设计与加工课题的研究来全面了解工件加工与制造的整个过程。
本课题的最大特点是将所学知识进行联合，综合了设计、制图、仿真、数控机床操作等各个方面。
避免了学生普遍存在的眼高手低现象。
第1章中国象棋的简介
（一）、中国象棋的起源与发展
1、象棋的起源
象棋，又称中国象棋，是传统的古老棋种。
象棋作为我国传统的文化娱乐用品，其历史源远流长。
作为传统文化的一部分，象棋具有广泛的社会影响力，是一种深受广大群众喜爱的棋类，基础极为深厚。
象棋融汇了古代战争与和平的思想和意识。
中国象棋是中华民族几千年历史文化的瑰宝，有着悠久的历史，源远流长博大精深，内容极其丰富。
象棋除具有雅俗共赏的娱乐性外，还兼有体育竞技，艺术欣赏等功能于一身，可以说象棋是高度浓缩了的我国古代历史文化的结晶中国象棋具有悠久的历史，它的出现代表着中国民族的智慧结晶。
中国象棋的起源还要追溯到远古时期，
2、象棋的发展
早期的象棋，棋制由棋、箸、局等三种器具组成。
两方行棋，每方六子，分别为：
枭、卢、雉、犊、塞（二枚）。
棋子用象牙雕刻而成。
箸，相当于骰子，在棋之前先要投箸。
秦汉时期出现雏形，秦汉时期，塞戏颇为盛行，古代象棋具时又称塞戏为"
格五"
。
三国时期，象棋的形制不断地变化，并已和印度有了传播关系。
唐代以前，象棋只有将、车、马、卒4个兵种。
宋晁无咎的“广象棋”有棋子32个，与现代象棋棋子总数相同，但是不知道棋盘上有没有河界。
宋代，中国象棋基本定型，除了因火药的发明增加了“炮”之外，还增加了“士”、“象”。
到了明代，可能为了下棋和记忆的方便，才将一方面的“将”改为“帅”，和现代中国象棋一样了。
直至今日象棋作为一项体育运动传到了各个国家。
（二）、象棋介绍
1、棋子介绍
棋子共有三十二个，分为红黑两组，各有十六个，由对弈的双方各执一组。
兵种是一样的，分为七种：
帅（将）、仕、相（象）、车、马、炮、兵（卒）。
红方持有棋子：
帅一个，仕、相、车、马、炮各两个，兵五个。
黑方持有棋子：
黑方有将一个，士、象、车、马、炮各两个，卒五个。
其中帅与将；
仕与士；
相与象；
兵与卒的作用完全相同，仅仅是为了区别红棋和黑棋而已。
2、棋盘介绍
棋子活动的场所，叫作“棋盘”。
在长方形的平面上，绘有九条平行的竖线和十条平行的横线相交组成，共有九十个交叉点，棋子就摆在交叉点上。
中间部分，也就是棋盘的第五，第六两横线之间末画竖线的空白地带称为“河界”。
两端的中间，也就是两端第四条到第六条竖线之间的正方形部位，以斜交叉线构成“米”字方格的地方，叫作“九宫”，在中国象棋的棋盘中间，常有一区空隙，上写有“楚河”、“汉界”字样，做为红方和黑方的分界线。
这是以下棋比喻历史上西楚霸王项羽与汉高祖刘邦之间的一场楚汉相争。
（三）、中国象棋游戏规则
帅（将）：
红方为“帅”，黑方为“将”。
帅和将是棋中的首脑，是双方竭力争夺的目标。
它只能在"
九宫"
之内活动，可上可下，可左可右，每次走动只能按竖线或横线走动一格。
帅与将不能在同一直线上直接对面，否则走方判负。
仕（士）：
仕（士）是将（帅）的贴身保镖，它也只能在九宫内走动。
它的行棋路径只能是九宫内的斜线。
象（相）：
红方为“相”，黑方为“象”。
相（象）的主要作用是防守，保护自己的帅（将）。
它的走法是每次循对角线走两格，俗称“象飞田”。
相（象）的活动范围限于"
河界"
以内的本方阵地，不能过河，且如果它走的"
田"
字中央有一个棋子，就不能走，俗称“塞象眼”。
车（jū 车）：
车在象棋中威力最大，无论横线、竖线均可行走，只要无子阻拦，步数不受限制。
因此，一车可以控制十七个点，故有“一车十子寒”之称。
炮：
炮在不吃子的时候，走动与车完全相同，但炮在吃子时，必须跳过一个棋子，我方的和敌方的都可以，俗称“炮打隔子”
马：
马走日与蹩马腿，马走动的方法是一直一斜，即先横着或直着走一格，然后再斜着走一个对角线，俗称“马走日”。
马一次可走的选择点可以达到四周的八个点，故有"
八面威风"
之说。
如果在要去的方向有别的棋子挡住，马就无法走过去，俗称“蹩马腿”。
兵（卒）：
红方为“兵”，黑方为“卒”。
兵（卒）在未过河前，只能向前一步步走，过河以后，除不能后退外，允许向前、左、右移动，但也只能一次一步，即使这样，兵（卒）的威力也大大增强，故有“过河的卒子顶半个车”之说。
第二章数控机床概述
（一）、数控机床的产生与发展
20世纪40年代，随着科学技术和社会产生的发展，机械产品的形状和结构不断改进,对零件的加工质量要求越来越高，零件的形状越来越复杂，传统的机械加工方法已无法达到零件的加工要求，迫切需要新的加工方法。
于是在1952年试制成功世界上第一台数控机床。
至此，机械加工的设备又增加了新的成员。
机械加工登上了机电一体化的新台阶，机械加工行业进入了一个崭新天地。
数控机床从单一功能到复合功能。
从数控车床到车削中心，从数控铣到加工中心，从单轴到多轴，从立式或卧式到立卧转换，以至于到车削中心，近年来数控机床的发展趋势向高速度、高精度、高可靠性、多功能方向发展。
而且还朝着智能化、复合化方向发展，自适应控制、人机对话自动编程。
立卧转换中心，车铣万能加工中心及四轴联动车削中心等先进技术发展与应用。
使数控加工的能力得到了极大增强。
（二）、数控机床的特点
数控机床的特点：
1、适应性强适合单件小批量复杂零件的加工。
2、加工精度高，加工质量稳定。
3、生产效率高。
4、操作着劳动强度低，但技术水平要求高。
5、有利于生产，经营管理的现代化，市场响应快，可获得良好的经济效益。
（三）、数控机床分类
1、按加工工艺方法分类
（1）、金属切削类数控机床
与传统的车、铣、钻、磨、齿轮加工相对应的数控机床有数控车床、数控铣床、数控钻床、数控磨床、数控齿轮加工机床等。
尽管这些数控机床在加工工艺方法上存在很大差别，具体的控制方式也各不相同，但机床的动作和运动都是数字化控制的，具有较高的生产率和自动化程度。
（2）、特种加工类数控机床
车铣刨磨各个种类的机床都属于通用型机床，除了切削加工数控机床以外，数控技术也利用其他方法进行加工，因此数控电火花线切割机床、数控电火花成型机床、数控等离子弧切割机床、数控火焰切割机床以及数控激光加工机床等特种加工机床便应运而生。
2、按控制运动轨迹分类
（1）、点位控制数控机床
位置的精确定位，在移动和定位过程中不进行任何加工。
机床数控系统只控制行程终点的坐标值，不控制点与点之间的运动轨迹，因此几个坐标轴之间的运动无任何联系。
可以几个坐标同时向目标点运动，也可以各个坐标单独依次运动。
（2）、直线控制机床
直线控制机床可控制刀具或工作台以适当的进给速度，沿着平行于坐标轴的方向进行移动和切削加工，进给速度能在一定的范围内变化。
（3）、轮廓控制数控机床
它不仅能控制机床移动部件的起点与终点坐标，而且能控制整个加工轮廓每一点的速度和位移，将工件加工成要求的轮廓形状。
3、按驱动装置的特点分类
（1）、开环控制数控机床
开环控制类机床即数控系统每发出一个进给指令，经驱动电路功率放大后，驱动步进电机旋转一个角度，再经过齿轮减速装置带动丝杠旋转，通过丝杠螺母机构转换为移动部件的直线位移。
移动部件的移动速度与位移量是由输入脉冲的频率与脉冲数所决定的。
此类数控机床的信息流是单向的，即进给脉冲发出去后，实际移动值不再反馈回来，所以称为开环控制数控机床。
这类机床加工精度不高，大部分经济型机床为开环控制系统。
（2）、闭环控制数控机床
闭环控制类机床是在控制系统中安装了位置反馈装置，并且其反馈装置安装在工作台上，因此可直接将工作台前进的距离反馈给数控装置，因此能实时监控工作台的位置，如果工作台没有达到程序给定值，则数控装置将会根据反馈，重新发出脉冲信号。
因此其加工精度高。
（3）、半闭环控制数控机床
此类控制机床也装有位置检测与反馈装置，但是其位置检测反馈装置不是安装在工作台上，而是安装在机床的滚珠螺母丝杠副上。
由于滚珠螺母副之间存在间隙，因此此类控制机床的精度不如闭环控制类，但是却好于开环控制类。
第三章中国象棋的设计
（一）、中国象棋的设计理念
中国象棋有着悠久的历史，从古至今都一直为人们所喜欢，中国象棋自诞生
到现在的发展经历了很多次创新和改良。
我们今天所看到的象棋是前人智慧的结晶。
此次象棋的设计遵循人们的传统习惯，外形仍和现代象棋一样。
但是此次的设计也有创新之处，如从制作象棋的材料来看，改变了市面上出售的木质棋子，而是选用金属材料作为原料，给人一种眼前一亮的感觉。
不仅是因为材料的创新使得本次设计出彩，更为关键的是此次棋子的尺寸设计方面也是充分体现人性化设计。
在设计象棋子尺寸的时候，参照了很多副象大小各异的象棋。
大的象棋子会给人一种笨笨的感觉，而过小的棋子会使人在对弈的时候没有手感。
因此综合以上的因素最终将棋子的尺寸定为直径52mm，字体大小为35mm，字体深度为0.3mm，棋子厚度为15mm。
（二）、象棋的草图设计及绘制
象棋草图的绘制完全按照大学所学机械制图知识先进行草图的手绘，然后结合所学绘图软件（CAXA）进行草图的电子版的绘制。
基于CAXA画出的草图如下图1所示：
图1象棋草图
（三）、象棋实体造型
1、象棋的外轮廓造型
（1）、任何一件工件在正式生产加工之前，都要有实体模型的生成，本次中国象棋的制作也采用了模型的生成，依旧是基于CAXA制造工程师软件实现造型，以便于对前期设计不足之处进行修改。
现将实体造型的具体步骤演示如下：
1.打开CAXA制造工程师，找到零件特征按钮单击将其打开，用鼠标单击选择XY平面，再用鼠标单击左侧菜单栏里的绘制草图按钮，此时已在XY平面建立草图。
选择绘图栏中的整圆命令利用圆心-半径的方法绘制直径为52mm的圆，并且选择直线命令中的水平线指令将其直径也画出来。
下面选择曲线修剪命令将刚画的圆的下半部分进行修剪。
（如左图）
图2造型草图
（2）、在图2的基础上点击“检查草图环是否闭合”按钮，检查草图是否存在开口点。
然后单击鼠标右键选择退出草图，选择直线命令过圆心画一条长度为65mm的直线作为生成球面的旋转轴。
如图3所示。
图3造型草图
（3）、在图3的基础上选择菜单栏中的“旋转增料”指令，按照所跳出菜单的提示拾取刚画的草图和旋转轴线（长度为65mm的直线）。
生成一个球体如图4所示：
图4造型草图
（4）、在图4的基础上，摁键盘上的F6键切换平面，切换成YZ平面，然后以球心为中点运用直线命令画一条长为65mm的直线，选择“直线偏移”指令，选择刚画的65mm的线使其往两边各偏移7.5mm。
如图5所示：
图5造型草图
（5）、利用鼠标是所画立体图旋转一定角度，使所画的所有线可见，选用“直线命令”选择平行线—过点方式，根据提示拾取直线（转换平面后所画的直线），根据提示拾取点（此时摁一下空格键选择端点），然后过偏移之后的两条直线的端点画平行线。
如图6所示：
图6造型草图
（6）、在图6的基础上，选择“导动面”指令，根据提示拾取导动线、导动方向以及截面曲线。
如图七所示：
图7造型草图
（7）、绘制出图7的导动面之后，选择“曲面裁剪除料”指令，根据提示选择除料方向和拾取曲面。
如图8所示：
图8造型草图
（8）、删除两个截面以及多余的直线，只保留实体部分，即为所设计的象棋外轮廓模型。
如图九所示：
图9造型草图
2、象棋字体造型
（1）、在生成象棋模型后，摁F5键使图形复位，选中象棋的一个平面，点击绘制草图，点击“造型”—“文字”设定楷体，字体高度为35mm。
选择字体的定位点，并选用“移动指令”将在字体居中（可画一个直径为35mm的辅助圆）。
如图10所示：
图10造型草图
（2）、选用工具栏中的“拉伸除料”设置字体深度为0.3mm。
象棋整体效果如图11所示：
图11造型草图
第四章中国象棋的数控加工
（一）、中国象棋加工工艺分析
1、象棋图纸分析
图12象棋草图
图纸所示为中国象棋的设计图，其实象棋的组成可以看成是两部分的结合，即象棋外形和象棋上面的不同的字。
因此对其分析可以从以下两方面进行。
首先分析象棋的外形轮廓，象棋的外形为传统的呈带有腰鼓状的饼形。
腰鼓状的圆弧正是象棋的独特之处，也是在实际加工中比较难加工的一项，最后加工出来的弧度的完美与否将直接影响到象棋的整个外观。
在象棋的整个加工过层中具体的尺寸没有严格的公差要求。
因此在加工过程中只需保证两个直径方向上的尺寸分别为49.73mm和52mm，和一个长度方向的尺寸15mm。
其次是象棋上的字体，字体高度为35mm，深度为0.3mm。
仅有此两个尺寸，这两个尺寸也无严格的公差要求，只需在编程时对尺寸进行设定。
2、确定加工方案
象棋的加工方法依然要和图纸分析的一样，要分为两大步进行加工，也就是说要使用两种不同的数控机床进行加工。
就象棋的外轮廓而言，除去字体加工的部分都可使用数控车床进行加工。
在车床上加工象棋表面以及腰鼓状的外形。
然后和利用切断刀将其切断成为一粒粒的棋子外形。
就象棋上的字而言，需要将其刻到上面。
显然此时的刻字加工不能使用数控车床，则要使用数控铣床或者加工中心多轴联动进行加工。
总之，要想将一个完整的象棋加工出来，则需要运用到车铣结合。
3、加工顺序
车削部分：
加工准备—端面精车—车削腰鼓形状—保证长度—切断（循环32粒棋子）
铣削部分：
加工准备—精铣切断面—字体铣削
4、毛坯选择
传统的中国象棋多取材为木头，因此如果依然选用木料的话缺乏新意，并且
在车间实习时加工工件多为金属，使用金属能给人眼前一亮的感觉，更受人喜欢，除此之外选用金属作为毛坯制成成品后比木质象棋更具有观赏性和收藏价值。
而在金属之间进行选择的话，有三种金属材料可以选择：
钢料、铝料和铜料。
但是进过充分的论证之后，本次设计的金属毛坯决定选择铝棒料。
其原因有二：
首先，在这三种材料的金属当中适合长期保存且不易生锈的是铝料和铜料，其次从经济方面考虑，市场上铜的价格将近是铝的二倍。
因此从综合美观和节约成本来看铝棒料是最合适的。
而所要加工的棋子最大直径为52mm，因此毛坯尺寸为直径55mm的铝棒。
5、机床的选择
由于此次加工分为数车加工部分和数铣加工部分，因此在选择机床时既要选择数控车床，又要选择数控铣床或加工中心。
数控车床的选择为学校车间中型号为CJK6140A的车床。
机床外形如图13所示：
图13车削部分所选用机床图片
此台数控车床最大回转直径为400mm，最大加工工件长度为150mm,主轴孔径为55mm，采用的是交流伺服电动机进行驱动，以及四工位电动刀架，机床最大功率为9KW。
数控铣削部分选择的机床是型号为CY-VM850加工中心。
如图14所示：
图14铣削部分所选机床图片
6、装夹方案的确定
（1）装夹方式
①车削部分：
由于本次车削只涉及简单的圆弧与切断，没有涉及同轴度、圆跳动等要求，因此在夹具选用方面选用上文提到的通用夹具即可，也就是说只选用三爪卡盘即可完成对车削部分的加工要求。
②铣削部分：
在铣削时，也就是在利用加工中心进行加工时大多数情况下会选择机床所带的通用夹具平口钳对工件进行定位和夹紧。
因为平口钳对方形毛坯装夹比较方便，而此次所需要加工的象棋子其外形是一个带有腰鼓状的圆弧，如果依旧使用平口钳进行装夹时，夹具与工件之间的接触面积比较小，容易形成欠定位的情况。
因此在这里对象棋进行装夹时应该选用卡盘。
并且当象棋装在卡盘上时应在象棋的下面垫上几个平行板，对象棋起到支撑作用，其次为了使象棋的被加工区域敞开，加工时不受其他因素干涉，并且方便下一个工件的装夹，缩短了整体的加工时间。
其装夹方式如图15所示：
图15所选夹具图片
7、刀具的选择
金属切削刀具是完成切削加工的重要工具。
它直接参与切削过程，从工件上切除多余的金属层，因为刀具变化灵活，作用显著，所以它是切削加工中影响生产率、加工质量和成本的最活跃的因素。
在数控机床的自身技术性能不断提高的情况下，刀具的性能直接决定机床性能的发挥。
（1）车削部分：
车削部分包括象棋外形的车削以及切断加工，因此只需在刀架上安装两把刀，一把用来车削腰鼓状轮廓，另一把用来把象棋子从毛坯上切下来。
因此选用93度尖刀以及切削刃宽为3mm，切削部分长度为20mm的手磨切断刀。
由于棋子的端面为了美观要达到较好的光洁度，因此要选取93度机夹刀进行切削。
（2）铣削部分：
铣削部分包括字体的加工，由于一般的立铣刀直径较大，对字体加工不太合适，因此在对字体进行加工时选用直径为2mm的中心钻，因为中心钻的切屑刃顶部有一定的角度，不容易发生干涉现象。
由于在上一个工序中完成了对棋子的切断，由于手磨切断刀在刃磨时角度不是很标准，并且安装时存在误差都会影响到表面粗糙度，而象棋的加工则要求两个表面都很光滑，因此在刻字之前应该对切断的表面精铣一刀。
为了保证铣削后的表面光洁度较好，此时应选用机夹式端铣刀进行铣削。
综上所述，在整个加工过程中一共需要选择四把道具：
机夹93度尖刀、切削刃宽度为3mm，切削部分长度为25mm的手磨切断刀、机夹式端铣刀以及直径为2mm的中心钻。
8、切削用量的选择
正确地选择切削用量对提高生产率、保证加工质量有着很重要的作用。
对于不同的加工方法，需要选用不同的切削用量。
切削用量的选择原则是:
保证零件加工精度和表面粗糙度，充分发挥刀具切削性能，保证合理的刀具耐用度，并充分发挥机床的性能，最大限度提高生产率，降低成本。
数控机床的切削用量包括背吃刀量、切削速度vf和进给量，选择切削用量时，应在保证加工质量的前提下，在工艺系统刚度允许的条件下，充分利用数控机床功率，最大限度地发挥刀具的切削性能，同时要使切削速度、背吃刀量和进给量三者能相互适应，形成最佳的切削效果。
具体的原则是，粗加工时，首先选取尽可能大的背吃刀量，其次要根据数控机床功率和刚度的限制条件选取尽可能大的进给量，最后根据刀具耐用度确定最佳的切削速度。
精加工时，首先要根据被加工表面的表面粗糙度要求选取进给量，其次根据粗加工后的余量确定背吃刀量，最后在保证刀具寿命的前提下，尽可能选取较高的切削速度。
（1）背吃刀量的确定
背吃刀量的确定应在工艺系统刚度允许的前提下，以最少的进给次数切除加工余量，提高加工效率。
当零件的加工精度和表面质量要求较高时，还应注意保留半精加工和精加工所需的余量。
（2）进给量的确定
进给量是直接影响零件加工表面粗糙度和切削效率的重要参数。
在确定进给数控机床量时，要考虑被加工零件的精度和表面粗糙度要求、刀具及零件的材料、机床的性能等因素。
在保证加工表面质量的前提下，应选择较大的进给量，以提高加工效率。
在数控车削编程中，一般用进给量表示刀具进给速度，单位为mm／r。
（3）切削速度yc的确定
提高切削速度，一方面可以提高生产效率，但另一方面常常使刀具耐用度降低。
所以切削速度vc的选取，要依据被加工零件和刀具的材料和机床的性能，并参照实际经验和相关的数控加工切削用量资料。
具体的切削用量如表1所示：
表1切削用量的选择
主轴转速s/（r/min）
进给量f/（mm/r）
背吃刀量ap/mm
外圆弧车削
800
0.2
1.5
象棋切断
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