数控机床.docx

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数控机床

3.2课题主要研究技术的国内外发展现状与趋势，课题主要研究技术国内外专利授权情况

1、1、 机床模块化设计与关键功能部件的开发

模块化和参数化设计方法自20世纪50年代被欧美一些国家提出以来，已被应用到许多行业。

国内外对于机床的模块化设计研究包括：

1）对模块化设计方法的研究；2）对模块编码的研究、模块化机床布局表示及模块组合算法的研究；3）模块化思想在FMC、FMS、车间布置、工厂重组等方面应用的研究。

机床功能部件的生产也是模块化思想的重要体现。

在机床制造业中，随着专业化生产和分工的不断深入，数控机床功能部件，如床身、导轨、主轴、工作台等技术水平的高低，直接决定和影响着数控机床整机的技术水平和性能，也制约着主机的发展速度。

关键功能部件已成为高档机床模块化与系列化设计中极为重要的制约因素。

数控机床功能部件的研发与创新，由于其门类较多，功能又各异，大体可归纳为以下四方面：

1）功能和性能方面的研发与创新：

即研发增添功能部件的新功能和提高功能部件的性能质量。

如给数控系统增添更多的CAM系统功能、仿真功能、诊断功能、网络通讯功能和提高系统处理数据信息的精度、速率和分辨能力；给主轴部件增加C轴功能、B轴功能、振动和温升监测功能，提高主轴转速和加速度特性、主轴输出扭矩和主轴回转精度等。

2）传动和控制原理方面的研发与创新：

即研发采用新的科学技术原理来实现功能部件的运动传动与控制。

如研发采用新的机械原理、气动及液压原理，机电结合或光电效应、热电效应、磁电效应等原理来实功能部件的运动传输和控制等。

3）设计理论和结构设计方面的研发与创新：

即为了提高产品的性能质量或满足用户的特殊要求而研究提出新的设计理论、原理和开发新型的结构设计方法。

如过去为了提高功能部件的工作精度和可靠性而提出的刚度设计理论、振动设计理论、热对称的结构设计、“重心驱动”（驱动力的作用线应通过被驱动物体的重心）理论和减少中间环节提高可靠性的理论等；又如为了提高部件的运动速度/加速度特性和控制的可靠性，而采用的机电一体化结构设计的高速电主轴、电滚珠丝杠副或直线电机直接驱动的工作台，用力矩伺服电机代替蜗轮蜗杆副直接驱动回转工作台等；另外还有许许多多或为了产品的外观美观大方，或为了节材节能，或为了制造简单、使用方便又环保宜人而研发和采用的新颖结构等。

4）用材和制造工艺方面的创新：

即在为了提高产品的性能质量或在保证产品性能质量和满足用户要求的前提下，为了降低成本或更具有环保性而研发采用新材料、新的制造工艺方法。

如为了提高主轴轴承的高速性能研发采用陶瓷球代替传统的钢球作为主轴轴承，为了减少高速移动部件的重量采用铝合金材料或钢焊接结构来代替铸铁和铸造工艺制作溜板或工作台等。

相对数控机床主机来说，国产功能部件发展滞后已成为中国数控机床制造业发展中公认的瓶颈。

其中整机厂与配套厂缺少有密切的技术合作关系也是原因之一。

近年来沈阳机床为保证产品研发技术的先进性，通过国际化合作方式，与德国知名机床设计公司联合开发了八个系列的产品。

在合作开发中发现国外主机厂与功能部件配套厂有着密切的合作关系，配套厂家根据主机厂的要求为其量身定制，确保设计的功能既满足整机的特性要求，又没有多余的性能和功能浪费。

因此，在高档数控机床开发过程中，功能部件的选用及与整机性能的匹配是设计中面临的重要问题。

2、2、 虚拟产品开发与数字样机的研究动态

过去十几年里，虚拟现实（VirtualReality）技术在虚拟装配和虚拟原型机领域取得了很大成就。

美国Seattle波音高级技术中心开发的虚拟空间实验（VSX）飞行器相当于一个飞行器的虚拟原型机；Tecnomatix技术有限公司开发的计算机辅助生产工程（CAPE）产品涉及到了设计、优化、制造可行性评价等技术；美国波音公司采用虚拟原型机技术设计的包含300万个零件的波音777飞机的虚拟原型机，波音777飞机的虚拟原型机获得了无图纸设计和生产的巨大成功。

目前欧洲客车与戴姆勒克莱斯勒汽车等公司正在联合开发增强现实（AugmentedReality）技术，试图将虚拟现实技术与物理产品实现融合。

国内也有许多单位开展了相关的研究，例如，西飞公司研制的数字化产品设计制造系统能完成产品零件的三维模型设计、数字化预装配、空间检查等功能。

国外对数字样机技术的研究也是综合了先进的三维建模技术、现代仿真分析技术以及数据存贮交换技术和并行分布处理技术等基础上进行的。

较有影响的数字样机相关产品有美国机械动力公司（MechanicalDynamicsInc.）的ADAMS，CADSI的DADS，德国航天局的SIMPACK，其它的还有WorkingModel、Flow3D、IDEAS、Phoenics、ANSYS、Pamcrash等。

现今主流机械CAD软件有UG、CATIA、Pro/E等。

用于仿真分析的软件主要有Matlab、Matrix、Ansys等。

波音公司的EASY5软件包就是综合以上各软件而集成的一个数字样机平台。

在仿真分析和设计验证技术方面，目前国内还没有大型通用的软件可用，大多只是对某一单项领域进行仿真。

国内正在航空、航天、汽车、矿山机械、和武器系统等领域对数字样机技术进行有益的探索和尝试，但还是停留在总体框架研究的阶段。

3、3、 高档数控机床数字样机发展趋势分析

数字样机（DigitalMockup，DMU）的概念起源于采用三维CAD系统后不久的20世纪80年代晚期，目前许多高端商用软件（例如Dassault公司）已将数字样机技术与与CAD设计软件、产品数据管理（PDM）或计算机辅助制造（CAM）等应用部分集成，试图将产品性能仿真评测数据反馈到设计阶段，以实现“设计的闭环”。

目前研究的数字样机开发平台大多建立在PDM系统的基础上，部分功能是基于PDM系统进行二次开发和功能定制而成，以充分利用产品数据管理系统PDM的文档管理、版本管理、配置管理和工作流管理等功能，实现对仿真信息的统一管理。

但PDM系统的通用性较强，并不能完全满足数控机床集成开发的需求，主要表现在数据管理粒度、协同耦合程度和协同交互实时性三个方面，因此需要开发专门针对数控机床的协同仿真开发平台。

目前在高档数控机床数字样机集成开发平台方面还没有专业的商用软件，在面对缩短产品开发周期和提高产品质量等竞争压力的今天，该问题正不断地显露出来。

因此如何实现数字样机应用的集成化、实现高档数控机床的“设计闭环”、获取仿真评估后的反馈信息并将反馈信息及时返回到机床设计应用中，是高档数控机床数字样机一个必然的发展趋势。

。

高档数控机床的开发涉及多个学科领域，其仿真模型也由多个学科领域的仿真模型组成，这些模型需要协同起来，共同完成多领域仿真，才能真正满足高档数控机床的设计和验证的需要。

而多领域协同仿真需要相应的仿真平台支持，通过平台解决不同领域仿真模型的异构问题，为参与仿真的多领域模型在仿真运行中提供数据交换和时间同步功能。

另外，仿真建模是一个复杂的活动，仿真模型也需要平台进行统一而有效的管理。

因此，构建数控机床开发设计平台是数控机床开发过程中的核心部分，是“建模-仿真-评估/优化”的一体化平台。

4、4、 数字样机仿真与性能预测的现状与发展趋势

为了研究高档数控机床的高转速、高进给移动速度和加速度引起惯性力和振动、机床温升和热变形、连接和接触刚度等问题，需要综合使用最新结构分析方法和仿真技术，认识和掌握高速、高效数控机床的本质问题，掌握这类机床设计的关键技术，进行性能预测和评价。

在现阶段，数控机床特性研究的焦点是通过理论与实验相结合的手段，对机床进行动态特性和热特性等的研究，从而实现机床的优化设计。

随着生产过程自动化的飞速发展和精密加工的广泛应用，对数控机床加工精度的要求日益提高。

机床的热变形是影响系统加工精度的关键因素，大量研究表明，热误差是数控机床的最大误差源，占机床总误差的70％左右，因此减小热误差对提高机床的加工精度至关重要。

目前，减小热误差的方法主要有在线间接补偿和机床结构优化。

由于计算机等分析工具和远红外热像仪、激光全息照相等测试技术在热变形研究中的有效应用，使机床热变形研究进入了定量分析的新阶段，开始利用有限差分法和有限仿真计算复杂的机床基础件的瞬态、稳态温度场和热变形。

通过对机床结构进行计算机辅助设计，根据相变材料在发生相变时吸收或放出能量而温度保持不变的特性，将相变材料注入到机床基础件中，可在一定范围内消除机床基础件的热变形，为研究减小机床基础件的热变形提供了新思路；利用自准直原理设计新型导轨磨床，这种新型自准直导轨磨床可基本消除由于环境温度变化引起的基础—床身—工作台的变形。

从20世纪90年代初开始，仿真技术在飞机、汽车和造船行业等产品开发过程中得到了成功应用，但在数控机床的开发、设计中的应用还不够成熟，没有达到标准化和规范化。

目前所进行的工作表现在两个方面:

一是软件系统功能集成，同一个软件系统，基于某种相近的理论实现多功能的集成，如有限元软件NASTRAN、ANSYS都实现了基于有限元的多种功能，MATLAB在控制领域应用时可以实现基于控制理论的诸多功能。

二是面向机床建模与仿真实现全分析功能的集成，例如数控机床开发的建模与仿真分析，涉及到运动特性、结构、振动与噪声、控制等特性或领域。

建立能够进行数控机床的所有特性分析的数字样机模型是有待深入研究的问题。

目前此类研究有硬件在环仿真控制（HardwareinLoop），和虚拟机床等，例如SIEMENS公司资助德国汉诺威技术大学开发了针对SIEMENS840D数控系统的虚拟数控机床，以研究数控系统与机床样机的匹配问题。

5、5、 数字样机特性测试与仿真系统的匹配

数控机床在静、动态特性和热特性测试方面的研究取得了许多成果，技术已相对成熟，但因其数字样机技术尚待开发，因此目前迫切需要解决的是数字样机特性测试与仿真系统的匹配问题，即将测试结果引入数字样机模型，从而为数控机床的结构和功能设计提供依据，同时依据测试数据，运用仿真集成技术、多学科联合优化设计技术、数据提取及共享技术及专用支持模块的研究，构建优化设计知识库，进而实现静、动、热态特性分析及运动部件控制等机床特性分析；并通过仿真实验评估，最终实现优化设计；达到缩短新产品开发周期、增强企业高档数控机床的快速自主开发能力的目的。

综上，在高档数控机床数字样机开发平台的研究上存在以下迫切需要解决的问题：

●●       尽管CAD/CAM/ERP/PDM、VR、AR等技术已相对成熟，有许多商用软件可用，通用性强，但针对高档数控机床数字样机集成开发平台的专用平台还没有。

●●       机床快速开发中共性技术的研究缺乏，还没有把共性技术研究成果与开发手段整合起来，尤其是缺少功能部件与整机开发匹配的手段与方法。

●●       在高档数控机床开发中还不能在物理样机造出前，给出整机性能的评判与预测。

●●       缺少行业性的产品开发过程管理标准。

6、6、 参考文献：

[1]熊光楞，李伯虎，柴旭东.虚拟样机技术.系统仿真学报.2001,13

（1）

[2]王军，李金良.机床的模块化设计与专家系统技术.机床与液压.2002（6）：

199-200

[3]郭旭伟，王知行，钟诗胜，卓桂荣.虚拟环境下并联机床的参数化建模与干涉校验.计算机集成制造系统.2003,9（6）：

465-469

[4]Anon.RightfirsttimefortheAirbusA380.ManufacturingComputerSolutions.February,2005,Volume11,Issue:

n2

[5]熊光楞，郭斌，陈晓波，赛佳.协同仿真与虚拟样机技术.北京:

清华大学出版社，2004.

[6]张和明，曹军海，范文慧，王克明等.虚拟样机多学科协同设计与仿真平台实现技术.计算机集成制造系统-CIMS.2003,9（12）:

1105-1111.

[7]新华社.我国需加快功能部件产业化强健数控机床业软肋.

[8]PahlG.,WBeitz.EngineeringDesign-asystematicapproach.Springer-Verlag.London,U.K,1996

[9]KarlUlrich.Theroleofproductarchitectureinthemanufacturingfirm.Researchinindustry.1997.33:

165-178

[10]谢列卫，程耀东，祁国宁.集成化产品开发过程管理的复杂性及其性能评价.机械工程学报.2000,36（10）

3.3课题主要研究内容、拟解决的技术难点和主要创新点，现有研究基础

本课题的目的是构建一个基于功能部件支持知识驱动和应用系统嵌入的高档数控机床数字样机集成开发平台，在此平台支持下的数控机床设计流程如下图所示。

课题主要研究内容有：

1、高档数控机床设计过程管理和规范。

内容包括：

●●       建模过程的标准化，建立高档数控机床的设计流程规范；

●●       数据交换的标准化。

制定高档数控机床设计过程中的知识获取、交换、存储及扩充的数据格式；

●●       过程管理控制的标准化。

2、高档数控机床关键功能部件选用、组合及匹配优化。

内容包括：

●●       建立功能部件特征数据库及数控机床案例库；

●●       智能搜索与导航引擎设计，通过寻优匹配算法实现功能部件的快速选用和匹配。

3.高档数控机床系统建模、结构功能设计等关键共性技术研究。

内容包括：

●●       机床各子系统的功能、结构分析与建模；

●●       机、电、液匹配分析与设计；

●●       子系统交互数据接口模板设计。

4.多学科多平台协同仿真关键技术研究。

内容包括：

多学科仿真集成技术、多学科联合优化设计技术、数据提取及共享技术及专用支持模块的研究；数字化设计及仿真平台的集成技术。

5、机床物理性能快速测试及其知识集成关键技术研究。

研究机床物理性能快速测试的方案方法，以及测试数据知识的提取与共享技术。

内容包括：

●●       数控机床静、动态性能快速测试技术；

●●       数控机床热态性能快速测试技术；

●●       数控机床运动精度快速测试技术；

●●       物理性能测试数据提取与共享技术；

●●       物理性能测试与仿真集成技术。

6、高档数控机床数字样机集成开发平台构建关键技术。

依据企业积累的测试、设计数据，构建优化设计知识库，并设计基于知识的寻优算法，以实现设计方案的快速参数化建模，进而实现静、动、热态特性分析及运动部件控制等机床特性分析。

内容包括：

●●       分析结果可视化；

●●       系统性能参数提取；

●●       综合评估系统设计。

研究内容框架如下图所示：

拟解决的技术难点：

1、功能部件特征提取及匹配优化

对于不同机床系列的主要功能部件，需设计标准化的功能参数模板，以完成功能部件特征参数的提取及实例库的构建。

而智能搜索与导航引擎及寻优算法的开发设计将为新产品开发提供支持，为设计者快速提供功能部件选择方案及优化匹配方案。

2、多学科多平台协同仿真及其数字化设计集成关键技术

在企业的机床数字化设计过程中，将进行大量的不同领域的仿真工作，企业也积累了大量的仿真结果及设计知识。

因此，通过设计平台与多学科平台的集成技术，完成仿真及设计数据知识的提取并在平台内共享，是实现高档数控机床创新设计的前提。

同时，通过多学科仿真平台的协同工作及其与设计平台的集成，可在设计阶段对机床的物理性能及工作性能作出有效预测，从而确定设计优化的重点方向。

此阶段工作的成功与否将直接关系到创新设计平台的有效运行及其系统扩展特性，多学科联合优化方法的确定也是给出机床优化设计结果的关键所在。

3、高档数控机床集成开发平台的构建技术

通过集成开发平台的构建，可以实现主要功能部件的自动选取与匹配、多学科仿真平台的集成、数字化设计与仿真平台的集成、知识的自动提取与扩充、开发平台的跨行业应用及系统嵌入。

此技术的研究是整个开发平台能否有效运行的关键。

主要创新点：

1、建立了高档数控机床数字化设计方法和流程规范。

针对高档数控机床，提出标准化的高档数控机床数字化设计方法和流程，以期规范高档数控机床的设计过程，为设计平台的知识扩充与延展打下基础。

2、建立了高档数控机床主要功能部件的设计选择、组合及匹配优化方法，为整体设计平台的构建提供了保证。

3、提出了多学科多平台协同仿真的集成方法。

结合多学科多平台仿真技术，研究了高档数控机床的控制系统仿真方法，并据此给出了多学科多平台协同仿真的集成方法和途径。

4、给出了多学科多平台仿真的知识提取与共享及其设计平台集成方法。

给出了设计平台与多学科仿真平台的集成方法，实现了仿真及设计数据知识的提取并在平台内共享。

现有研究基础：

沈阳机床（集团）有限责任公司是我国数控机床研发和产业化基地，拥有国家级博士后流动站，是国内最大的机床制造集团。

主要生产地分布在中国的沈阳、昆明以及德国的阿瑟斯雷本。

公司主导产品为金属切削机床，包括两大类：

一类是数控机床，主要有数控车床、数控镗铣床、立式加工中心、卧式加工中心、龙门式加工中心、数控钻床、重大型数控机床、高速铣削中心、质量定心机以及各种数控专用机床等；另一类是普通机床，主要有普通车床、摇臂钻床、卧式镗床等，共300多个品种、千余种规格。

市场覆盖全国，并出口80多个国家地区。

目前，公司的中高档数控机床已成批量进入汽车、国防军工、航空航天、轨道交通等重点行业的核心制造领域。

2006年机床产销量突破7.5万台，其中数控机床产销量突破1.5万台，海外市场收入突破1亿美元。

近年来，随着沈阳机床坚持走自主创新的道路，学习国际先进的产品开发流程，利用CAD/CAE/CAM/PDM数字化设计方法，推动数控机床领域基础、共性及关键技术的研究和数控机床新产品的研发，尤其近五年来，共承担国家、省、市级科技项目23项，其中“轿车发动机缸体、缸盖高效加工生产线项目”、“数控车床设计、制造与控制共性关键技术研究”、“面向飞机大型板类件加工的横梁移动式五轴联动加工中心关键技术开发及应用”三项为国家863计划项目，“大型镗铣数控机床及关键技术开发”、“高速、高效车削中心及关键技术开发”、“车铣复合加工中心及关键技术研究项目”三项为国家十五攻关课题。

通过这些课题的研究，在数控机床的共性及关键技术研究上取得重大突破。

沈阳机床通过国际化合作方式，保证产品研发技术的先进性，其中通过与德国知名机床设计公司联合开发八个系列的产品，学习国际先进的设计方法和流程；通过与柏林工业大学机床研究所合作，掌握国际先进的机床测试方法。

同时，沈阳机床与同济大学、北京航空航天大学、吉林大学、东北大学等国内知名高校有着广泛的合作关系，具有较强的组织协调各方资源的能力，拥有良好的行业基础、社会资源和先进的实验设备；拥有充分的人才资源储备，并有后备人才资源的保证。

协作单位同济大学是国家“985工程”重点建设的大学之一，课题组由中德学院和现代制造技术研究所相关人员组成。

协作单位多年来在制造装备的远程服务及其关键技术的研究方面有较多的积累，并有部分研究成果已阶段性地获得工业应用。

承担或参与了多项国家级及省部级科研项目，完成科研成果多项，曾多次获得国家和省部级奖项。

在数字化设计、数字化制造及自动化技术研究、快速产品开发方面具有较强的学科优势和明显特色。

近几年先后完成了国家“十五”重大科技攻关项目“制造业信息化关键技术攻关及应用工程-网络化制造平台”，国家863项目“面向工程机械行业区域制造ASP平台开发及应用推广”、“RP&M网络化服务集成系统”、“产品数字化创新开发网络化支持系统”，上海市重大/重点项目“基于SMVPN的公共技术和服务平台系统建立及其在快速制造中的应用”、“面向网络化制造的ASP构件和集成技术的研究开发”等，具备了较多的理论研究基础和实际应用经验，为本课题的研究奠定了良好的工作基础。

3.4课题预期达到的目标、主要技术指标，可获得专利等知识产权及人才培养情况

1、以沈阳机床集团的高档数控机床的开发为对象，构建一个具有自主知识产权的支持知识驱动和应用系统嵌入的机床集成开发平台，平台能为机床设计快速提供优化解决方案；

2、提交一套高档数控机床数字化设计过程管理规范及标准；

3、完成6个系列高档数控机床参数模板并实际应用，缩短开发周期30%以上；

4、申请专利2-3项；

5、软件著作权2项；

5、核心刊物发表论文3-5篇；

6、培养博士后2人，博士、硕士研究生3-5人；

7、组织研讨会1-2次，推广介绍科研成果。

3.5课题拟采取的研究方法，课题技术路线（或实施方案）及其可行性分析（如有协作单位，请说明课题的任务分工）

课题研究从高档数控机床设计过程管理和规范入手，研究构建高档数控机床集成开发平台的相关技术与方法，总体技术路线如图3所示。

1、高档数控机床设计过程管理和规范（图4）

课题研究从高档数控机床数字化设计过程的管理和流程规范入手，结合世界先进的机床开发设计思想，提出标准化的高档数控机床数字化设计过程管理方法和流程，规范高档数控机床的设计过程。

以项目管理方式设计多专业协同工作流程标准配置和开发进程控制模板。

1）在对已有的开发流程分析基础上，设计数字化开发过程管理模板；2）对构建的开发流程建模仿真，实现流程的优化，从而建立高档数控机床的设计流程规范；3）过程管理模板与PDM系统的映射实现。

2、高档数控机床关键功能部件选用、组合及匹配优化（图5）

1）基于CAD开发平台，根据企业及功能部件配套厂家的开发经验，设计针对不同数控机床序列的功能部件结构和工作特性特征描述模板；2）将特征描述模板与数据库联接，利用企业积累及配套厂家提供的特性参数，建立功能部件特征数据库，特征可按不同的参数要求进行动态分类，以符合下一步研究工作的搜索要求；3）结合自身积累及具体测试，对配套厂家进行调研，以积累不同功能部件在不同布置情况下的匹配特性，同时设计匹配特性描述模板，以建立功能组合匹配案例库；4）设计智能搜索引擎及寻优匹配算法，在接到用户有关设计参数和要求的输入后，实现功能部件的快速选用和匹配。

3.高档数控机床系统建模、结构功能设计等关键共性技术研究（图6）

通过以上工作，用户可以在输入设计参数及要求的前提下得到功能部件设计与匹配方案建议，接下来应做以下研究工作：

1）对机床各子系统进行功能、结构分析，以验证各子系统是否能达到设计要求，从而从结构上确定各子系统设计方案，完成各子系统的结构建模；2）设计子系统机、电、液匹配特性描述模板，建立机、电、液匹配案例数据库，以完成机、电、液匹配的分析与设计；3）设计子系统交互数据接口模板，为子系统的外部控制、数据提取等操作做好准备。

4.多学科多平台协同仿真关键技术研究（图7）

运动学、静、动态特性仿真、热态特性仿真、控制特性仿真等涉及多个学科领域，且各个仿真过程结果相互独立，集成多项仿真结果寻找优化设计方案是设计过程的关键内容。

设计专用模块，通过可视化灵敏度分析方法，完成多个仿真平台结果数据的集成并通过优化算法为设计优化提供支持，同时模块可以为仿真知识库提供知识扩充。

多学科仿真平台集成技术的解决为下一步仿真平台与设计平台的集成及整体开发平台的构建打下了基础。

5、机床物理性能快速测试及其知识集成关键技术研究（图8）