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外文資料翻譯 1 護(hù)理床動(dòng)力學(xué)優(yōu)化 5 1 引言 動(dòng) 力 學(xué) 是 理 論 力 學(xué) 的 一 個(gè) 分 支 學(xué) 科 它 主 要 研 究 作 用 于 物 體 的 力 與 物 體 運(yùn) 動(dòng) 的 關(guān) 系 動(dòng) 力 學(xué) 的 研 究 對(duì) 象 是 運(yùn) 動(dòng) 速 度 遠(yuǎn) 小 于 光 速 的 宏 觀 物 體 動(dòng) 力 學(xué) 是 物 理 學(xué) 和 天 文 學(xué) 的 基 礎(chǔ) 也 是 許 多 工 程 學(xué) 科 的 基 礎(chǔ) 動(dòng)力學(xué)以牛頓第二定律為核心 這個(gè)定律指出了力 加速度 質(zhì)量三者間 的關(guān)系 牛頓首先引入了質(zhì)量的概念 而把它和物體的重力區(qū)分開(kāi)來(lái) 說(shuō)明物 體的重力只是地球?qū)ξ矬w的引力 多功能醫(yī)用護(hù)理床的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是基于 ADAMS 建立于在運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的基 礎(chǔ)之上的 根據(jù)先前的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 以運(yùn)動(dòng)學(xué)分析結(jié)果作為動(dòng)力學(xué)分析的初始 值 綜合考慮線(xiàn)性推桿的推 拉力的限制以及機(jī)架各支點(diǎn)的受力狀況 主要對(duì) 線(xiàn)性推桿的受力狀況及各床架支點(diǎn)的受力狀況進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析 5 2 側(cè)翻機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析 5 2 1 為機(jī)構(gòu)添加外力 側(cè)翻機(jī)構(gòu)在運(yùn)行的過(guò)程中 會(huì)有以下幾個(gè)方面對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響 它們 是機(jī)構(gòu)自身質(zhì)量 患者體重以及各個(gè)運(yùn)動(dòng)副之間的摩擦力 由于摩擦力很小 在此忽略不計(jì) 只考慮機(jī)構(gòu)的重量及患者的體重 通過(guò) solidworks 軟件對(duì)虛擬樣機(jī)進(jìn)行質(zhì)量測(cè)量 測(cè)得背板質(zhì)量為 20kg 通 過(guò)設(shè)計(jì)手冊(cè)查得我國(guó)身高 1 85m 的成年人平均體重為 83kg 左右 為了真實(shí)的模 擬虛擬樣機(jī)的性能 本文采用背板質(zhì)量為 20kg 人體背部重量為 50kg 對(duì)機(jī)構(gòu) 添加力之后 運(yùn)行一次動(dòng)力學(xué)仿真 測(cè)量各個(gè)點(diǎn)的受力以及電機(jī)的受力 仿真 時(shí)間為 25s 步數(shù)為 500 步 添加力測(cè)量 測(cè)得的各點(diǎn)受力曲線(xiàn)如圖 5 1 所示 圖 5 1 各點(diǎn)受力曲線(xiàn) 外文資料翻譯 2 5 2 MARKER 5 點(diǎn)優(yōu)化前后受力曲線(xiàn) 5 3 MARKER 1 點(diǎn)優(yōu)化前后受力曲線(xiàn) 5 4 MARKER 21 點(diǎn)優(yōu)化前后受力曲線(xiàn) 5 5 各參數(shù)下的翻轉(zhuǎn)角度值 5 2 2 側(cè)翻機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)優(yōu)化仿真 從圖 5 1 中 得知 MAKER 5 點(diǎn)的受力最大 機(jī)構(gòu)的受力優(yōu)化就從 MARKER 5 著入 首先 測(cè)試各個(gè)設(shè)計(jì)變量對(duì) MARKER 5 的受力變化的敏感 度 運(yùn)行一次動(dòng)力學(xué)仿真 時(shí)間為 25s 步數(shù)為 500 步 線(xiàn)性推桿移動(dòng)速度為 5 5mm s 背板質(zhì)心處加力 500N 背板自重 20kg 運(yùn)行優(yōu)化設(shè)計(jì) 優(yōu)化的目標(biāo) 為將 MARLKER 5 點(diǎn)的受力的最大值進(jìn)行最小化 仿真后優(yōu)化數(shù)據(jù)如下 Model Name model 1 Date Run 2009 04 14 17 13 51 Objectives O1 Maximum of MARKER 5 MEA 1 Units newton Initial Value 1444 34 Final Value 1130 2 21 7 Iter O1 DV 1 DV 2 DV 8 0 1444 3 150 00 295 00 136 30 1 1133 7 165 00 265 50 135 83 2 1130 2 165 00 265 50 134 94 3 1130 2 165 00 265 50 134 94 從圖 5 2 至 5 4 中 可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)動(dòng)力學(xué)優(yōu)化之后 各支點(diǎn)受力均有明顯的改 善 其中圖 5 2 中 MARKER 5 點(diǎn)受力從 1443N 減至 1133N 從圖 5 5 中 背 板的轉(zhuǎn)動(dòng)角度在角度約束的范圍之內(nèi) 外文資料翻譯 3 5 2 3 樣機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu) 通過(guò)以上的分析 在實(shí)際設(shè)計(jì)中 各關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)取值為如表 5 1 所示 表 5 1 各關(guān)鍵點(diǎn)實(shí)際取值 DV L1 mm DV L2 mm DV L4 mm DV L7 mm DV L8 mm 初始值 250 245 330 400 370 優(yōu)化值 265 215 346 1 390 28 359 94 此時(shí) 樣機(jī)的背板轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度最小且各支點(diǎn)的受力也達(dá)到了最小化 滿(mǎn)足了 機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求 動(dòng)力學(xué)優(yōu)化前后機(jī)構(gòu)構(gòu)件尺寸表如表 5 2 所示 表 5 2 優(yōu)化前后桿件尺寸對(duì)比 A B 水平距離 mm A B 豎直距離 mm BD mm 初始值 50 65 98 4 優(yōu)化值 35 19 118 5 3 抬背機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析 5 3 1 為機(jī)構(gòu)添加力 為了較為真實(shí)的模擬人體的質(zhì)量 以及考慮背板的推 拉力的限制 在抬 背機(jī)構(gòu)的背部添加豎直向下的均布力 大小為 400N 在臀部床板添加 400N 的 力 運(yùn)行一次動(dòng)力學(xué)優(yōu)化仿真 5 3 2 抬背機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)優(yōu)化仿真 為了進(jìn)一步研究線(xiàn)性推桿的受力狀況 以及機(jī)架上各支點(diǎn)的受力狀況 使 得機(jī)構(gòu)工作得更安全及更可靠 以抬背機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化數(shù)據(jù)為動(dòng)力學(xué)優(yōu)化的初 始數(shù)據(jù) 優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為抬背過(guò)程中線(xiàn)性推桿受力的最大值最小化 進(jìn)行動(dòng)力 學(xué)優(yōu)化仿真 已得到滿(mǎn)足機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求的最優(yōu)化參數(shù) 通過(guò)設(shè)計(jì)研究對(duì)各個(gè)設(shè) 計(jì)變量進(jìn)行敏感度測(cè)試 根據(jù)設(shè)計(jì)研究對(duì)各設(shè)計(jì)變量的測(cè)試 得到的數(shù)據(jù)報(bào)表 如下 Trial O1 DV 1 Sensitivity 1 1914 3 369 00 10 740 2 2134 5 389 50 0 021580 3 1913 4 410 00 2 5693 4 2029 1 430 50 0 019588 5 1912 6 451 00 5 6838 Trial O1 DV 2 Sensitivity 1 1913 3 18 000 0 0037970 2 1913 3 27 000 0 0031447 外文資料翻譯 4 3 1913 4 36 000 11 532 4 2120 9 45 000 0 0029932 5 1913 5 54 000 23 048 Trial O1 DV 3 Sensitivity 1 1925 6 90 000 22 755 2 2039 4 95 000 1 2229 3 1913 4 100 00 12 825 4 1911 2 105 00 0 42287 5 1909 2 110 00 0 39627 Trial O1 DV 4 Sensitivity 1 1912 8 50 800 0 079290 2 1913 3 57 150 0 044021 3 1913 4 63 500 0 042952 4 1913 9 69 850 0 069998 5 1914 3 76 200 0 062845 Trial O1 DV 5 Sensitivity 1 1913 5 3 9200 0 011536 2 1913 4 0 00000 0 0081747 3 1913 4 3 9200 0 012181 4 1913 5 7 8400 3 5109 5 1940 9 11 760 6 9926 Trial O1 DV 6 Sensitivity 1 2163 3 111 15 40 476 2 1913 4 117 32 20 238 3 1913 4 123 50 15 895 4 2109 7 129 68 0 0067767 5 1913 5 135 85 31 777 Trial O1 DV 7 Sensitivity 1 1985 6 306 74 4 2359 2 1913 4 323 78 2 1180 3 1913 4 340 82 6 3905 4 2131 2 357 86 0 0011642 5 1913 4 374 90 12 779 Trial O1 DV 8 Sensitivity 1 2163 3 111 15 40 476 外文資料翻譯 5 2 1913 4 117 32 20 238 3 1913 4 123 50 15 895 4 2109 7 129 68 0 0067767 5 1913 5 135 85 31 777 通過(guò)設(shè)計(jì)研究 觀察計(jì)算結(jié)果 可以發(fā)現(xiàn)實(shí)際變量 DV 3 DV 4 DV 6 DV 8 的敏感度最大 所以在優(yōu)化設(shè)計(jì)的時(shí)候著重考慮 上述幾個(gè)設(shè)計(jì)變量 對(duì)它們進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì) 以期望得到滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的機(jī)構(gòu)最 優(yōu)化參數(shù) 5 3 3 樣機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu) 通過(guò)以上的分析 在實(shí)際設(shè)計(jì)中 各關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)取值為如表 5 3 所示 表 5 3 各關(guān)鍵點(diǎn)實(shí)際取值 DV 2 mm DV 5 mm DV 6 mm DV 8 mm 初始值 390 458 330 275 優(yōu)化值 381 452 603 32317 278 8 優(yōu)化前后桿件尺寸變化如表 5 4 所示 表 5 4 優(yōu)化前后桿件尺寸變化表 A C 豎直距 離 mm BC mm CD mm DE mm 初始值 60 236 256 667 優(yōu)化值 62 228 248 659 圖 5 6 抬背機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)優(yōu)化前后電機(jī)受力曲線(xiàn) 觀察圖 5 6 可以得知在機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真之后 機(jī)構(gòu)表現(xiàn)出了良好的動(dòng)力學(xué) 性能 機(jī)構(gòu)的受力狀況得到了有效的改善 達(dá)到了預(yù)期的效果 即電機(jī)受力的 最大值最小化 5 4 曲腿機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析 為了真實(shí)的模擬曲腿機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過(guò)程中的受力性能 以及線(xiàn)性推桿的受力 外文資料翻譯 6 狀況 所以對(duì)曲腿機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真的基礎(chǔ)之上進(jìn)行一次動(dòng)力學(xué)仿真 為了得 到較為真實(shí)的機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀況 并進(jìn)行優(yōu)化仿真 得到理想機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù) 5 4 1 為機(jī)構(gòu)添加外力 綜合考慮人體的自身重量以及床板的重量 在小腿板的質(zhì)心處及腳板的質(zhì) 心處各添加豎直向下的力 大小為 500N 5 4 2 曲腿機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真 以運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化的數(shù)據(jù)作為動(dòng)力學(xué)優(yōu)化的初始數(shù)據(jù) 進(jìn)行動(dòng)力學(xué)優(yōu)化 優(yōu)化 的目標(biāo)函數(shù)為電機(jī)受力最大值的最小化 首先 對(duì)各個(gè)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行設(shè)計(jì)研究 設(shè)計(jì)研究的報(bào)表如下 Trial O1 DV 1 Sensitivity 1 4229 0 270 00 10 633 2 4548 0 300 00 10 659 3 4868 5 330 00 10 686 Trial O1 DV 2 Sensitivity 1 4435 8 56 700 17 645 2 4519 2 61 425 18 141 3 4607 2 66 150 18 637 Trial O1 DV 3 Sensitivity 1 4833 0 156 75 32 756 2 4427 7 169 12 28 017 3 4139 6 181 50 23 278 Trial O1 DV 4 Sensitivity 1 3850 1 243 00 25 573 2 4367 9 263 25 26 353 3 4917 4 283 50 27 134 Trial O1 DV 5 Sensitivity 1 4792 4 81 498 55 604 2 4434 7 87 932 51 809 3 4125 8 94 366 48 013 Trial O1 DV 6 Sensitivity 1 4541 0 597 60 0 10561 2 4548 0 664 00 0 098506 3 4554 0 730 40 0 091406 根據(jù)上述的設(shè)計(jì)研究的結(jié)果對(duì) 外文資料翻譯 7 DV 1 DV 2 DV 3 DV 4 DV 5 DV 7 DV 9 七變量 作為優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí) 的設(shè)計(jì)變量 進(jìn)行動(dòng)力學(xué)優(yōu)化仿真 圖 5 7 曲腿機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)優(yōu)化前后電機(jī)受力曲線(xiàn)圖 觀察圖 5 7 可以得知 經(jīng)過(guò)動(dòng)力學(xué)優(yōu)化后的電機(jī)受力的最大值由原來(lái)的 4550N 減小為優(yōu)化后的 2850N 電機(jī)的受力大大的減小 從而保證了機(jī)構(gòu)運(yùn)行 的安全性及運(yùn)行的穩(wěn)定性 5 4 3 樣機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu) 通過(guò)以上的分析 在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)選取上述設(shè)計(jì)變量作為優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)的設(shè)計(jì)變 量 進(jìn)行動(dòng)力學(xué)優(yōu)化 經(jīng)過(guò)動(dòng)力學(xué)優(yōu)化之后 各關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)取值為如表 5 5 所示 表 5 5 各關(guān)鍵點(diǎn)實(shí)際取值 DV 1 mm DV 2 mm DV 3 mm DV 4 mm DV 5 mm 初始值 300 63 165 270 85 788 優(yōu)化值 270 56 7 181 5 243 94 36 此時(shí) 樣機(jī)的線(xiàn)性推桿的受力最小且各支點(diǎn)的受力也達(dá)到了最小化 滿(mǎn)足 了機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求 優(yōu)化前后機(jī)構(gòu)桿件尺寸變化見(jiàn)表 5 6 表 5 6 優(yōu)化前后構(gòu)件尺寸變化表 AB mm BC mm CD mm DE mm BE mm 初始值 380 144 6 85 207 5 185 6 優(yōu)化值 350 136 7 83 6 209 35 192 8 5 5 本章小結(jié) 本章在運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的基礎(chǔ)之上的 利用運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的數(shù)據(jù)作為動(dòng)力學(xué)分析 的初始數(shù)據(jù) 對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析 在滿(mǎn)足機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)要求的基礎(chǔ)上改善機(jī) 構(gòu)的動(dòng)力學(xué)性能及機(jī)架的受力性能 使得樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)性能及受力性能達(dá)到最好 滿(mǎn)足人體工學(xué)以及機(jī)構(gòu)在工作過(guò)程中的穩(wěn)定性及安全性 本章是進(jìn)行樣機(jī)物理 設(shè)計(jì)的依據(jù) 外文資料翻譯 8 6 護(hù)理床的力學(xué)分析 6 1 引言 多功能醫(yī)用護(hù)理床在滿(mǎn)足運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)性能要求的基礎(chǔ)上 需要對(duì)其中 的一些主要零件進(jìn)行強(qiáng)度校核 以便在設(shè)計(jì)的時(shí)候合理的選材 在保證多功能 醫(yī)用護(hù)理床安全性和穩(wěn)定型以及盡可能的降低生產(chǎn)成本 6 2 力學(xué)計(jì)算 護(hù)理床各主要部件及連桿材料均選用 Q235A 鋼 6 2 1 床底架桿校核 考慮到由于多功能醫(yī)用護(hù)理床內(nèi)的機(jī)構(gòu)角度 不可避免的會(huì)使床的質(zhì)量增 加 由于整床的重量將全部壓在床底架長(zhǎng)桿上 所以底架長(zhǎng)桿將會(huì)是受力最大 的桿件 根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸 底架長(zhǎng)桿的長(zhǎng)度為 1440mm 床底架長(zhǎng)桿上有兩個(gè)支 撐點(diǎn) 假設(shè)床身的質(zhì)量為 400kg 人體的質(zhì)量為 150kg 總重為 550kg 具體計(jì) 算如下所示 圖 6 1 床底架受力示意圖 根據(jù) solidworks 的稱(chēng)重功能 測(cè)得床的質(zhì)量為 365kg 假設(shè)床身的質(zhì)量為 400kg 人體的質(zhì)量為 150kg 總重為 550kg 所以 F2 F3 2750N 1440mm 1020mm 70mm ADlBClCDl 根據(jù)力矩平衡公式 F1 F2 F3 ADlBlCl 得 F1 2215 3N27501927504 F1 F4 F2 F3F 外文資料翻譯 9 得 F4 3284 7N 通過(guò)上述已知條件 計(jì)算桿各段所受的剪力及彎矩 以 A 為原點(diǎn) 在 AB 端內(nèi) 剪力 F F1 2215 3N 方向向下 彎矩 M F1 x 得 M 0 775 355N M 方向?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)较?在 BC 段內(nèi) 剪力 F F2 F1 534 7N 方向向上 彎矩 M F1 x F2 x 0 35 得 M 229 9 775 355N M 方向?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)?向 在 CD 段內(nèi) 剪力 F F4 3284 7N 方向向上 彎矩 M F4 x 得 M 0 229 9N M 方向?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)较?所以 根據(jù)計(jì)算分析 得出的結(jié)果為 B 點(diǎn)的受力最大且彎矩也最大 所以 B 點(diǎn)所在在截面為危險(xiǎn)截面 計(jì)算后的剪力圖及彎矩圖如圖 6 2 所示 圖 6 2 床底架剪力及彎矩圖 根據(jù)剪力及彎矩圖說(shuō)明了床底架桿在整體上的受力并沒(méi)有發(fā)生突變 同時(shí) 也不存在在某段的力值特別大的現(xiàn)象 所以從整體上而言 床框架的力學(xué)性能 良好 受力情況滿(mǎn)足了機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求 6 2 2 抬背桿校核 多功能醫(yī)用護(hù)理床在抬背的時(shí)候 其抬背擺桿將是受力較大的桿件 由于 人的背部質(zhì)量較大 所以其將會(huì)時(shí)比較危險(xiǎn)的桿件 對(duì)其的力學(xué)計(jì)算如下 外文資料翻譯 10 圖 6 3 抬背桿受力示意圖 按照人體的質(zhì)量及床板的質(zhì)量均分 則圓整后的數(shù)據(jù)為 F1 500N 方向向 上 F3x 950N F3y 2039N 830mm 680mm 54mm AClABlBDl F2x F3x 950N F2y F1 F3y 500 2039 2539N 在 AB 段 剪力 F F1 500N 方向向上 彎矩 M F x 得 M 0 340N M 方向?yàn)轫槙r(shí)針?lè)较?在 BC 段 剪力 F F3y 2039N 方向向下 彎矩 M F2y x 0 68 F1 x 0 68 x 0 734 得 M 229 9 340N M 方向逆時(shí)針?lè)较?M F2y x 0 68 F2x F1 x 0 734 x 0 83 0 734 得 M 18 5 229 9 N M 方向逆時(shí)針?lè)较?所以 根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果 得知 B 點(diǎn)的剪力最大且所受的彎矩也是最大 綜上所述 B 點(diǎn)所在的截面為危險(xiǎn)截面 根據(jù)計(jì)算結(jié)果畫(huà)出的剪力圖及彎矩圖 如圖 6 4 所示 外文資料翻譯 1 NC and CNC 數(shù)控技術(shù) The History of NC and CNC Development 數(shù)字控制與計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的發(fā)展歷史 Numerical Control NC is any machining process in which the operations are executed automatically in sequences as specified by the program that contains the information for the tool movements The NC concept was proposed in the late 1940s by John Parsons of Traverse City Michigan Parsons recommended a method of automatic machine control that would guide a milling cutter to produce a thru axis curve in order to generate smooth profiles on work pieces 數(shù)字控制是按照含有機(jī)床 刀具 運(yùn)動(dòng)信息程序所指定的順序自動(dòng)執(zhí)行操作 的加工過(guò)程 數(shù)控這一概念是由密歇根洲特拉華城的約翰 帕森于 20 世紀(jì)四十 年代后期提出的 為了在工件上加工光滑的輪廓 帕森提出了一種自動(dòng)的機(jī)床 控制方式 它能夠引導(dǎo)銑床刀具加工出一種 過(guò)軸曲線(xiàn) In 1949 The U S Air Force awarded Parsons a contract to develop a new type of machine tool that would be able to speed up production methods Parsons commissioned the Massachusetts Institute of Technology M I T to develop a practical implementation of his concept Scientists and engineers at M I T built a control system for a two axis milling machine that used a perforated paper tape as the input media In a short period of time all major machine tool manufacturers were producing some machines with NC but it was not until the late 1970s that computer based NC became widely used NC matured as an automation technology when inexpensive and powerful microprocessors replaced hard wire logic making computer based NC systems 1949 年 美國(guó)空軍與帕森簽署了合同 要求開(kāi)發(fā)一種能夠提高生產(chǎn)率的新 型機(jī)床 帕森委托麻省理工學(xué)院 MIT 來(lái)開(kāi)發(fā)一種新概念機(jī)床 麻省理工學(xué)院的 科學(xué)家和工程師研制出了一種用穿孔紙帶作為輸入媒介的二軸聯(lián)動(dòng)銑床控制系 統(tǒng) 在較短時(shí)間內(nèi) 當(dāng)時(shí)所有主要的機(jī)床生產(chǎn)商都生產(chǎn)了一些數(shù)控機(jī)床 但直 到 20 世紀(jì)七十年代后期 基于計(jì)算機(jī)的數(shù)字控制才被得到廣泛的使用 只有價(jià) 格低廉且功能強(qiáng)大的微處理芯片代替了計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中的硬連線(xiàn)邏輯發(fā)生器 后 NC 才真正成為一門(mén)自動(dòng)化技術(shù) 外文資料翻譯 2 When Numerical Control is performed under computer supervision it is called Computer Numerical Control CNC Computers are the control units of CNC machines they are built in or linked to the machines via communications channels When a programmer input some information in the program by tape and so on the computer calculates all necessary data to get the job done 當(dāng)數(shù)控機(jī)床在計(jì)算機(jī)監(jiān)控下工作時(shí) 它就被稱(chēng)為計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床 CNC 計(jì)算機(jī)是 CNC 機(jī)床的控制單元 它們內(nèi)嵌于數(shù)控機(jī)床或者通過(guò)通訊渠道與數(shù)控 機(jī)床聯(lián)接 當(dāng)程序員編程時(shí) 通過(guò)紙帶或磁盤(pán)將一些信息輸入 計(jì)算機(jī)將對(duì)一 些必要的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算的完成工作 On the first Numerically Controlled NC machines were controlled by tape and because of that the NC systems were known as tape controlled machines They were able to control a single operation entered into the machine by punched or magnetic tape There was no possibility of editing the program on the machine To change the program a new tape had to be made 由于第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床的數(shù)據(jù)是由紙帶控制的 因此數(shù)控系統(tǒng)被稱(chēng)為紙帶控 制機(jī)床 它們只能控制由輸入到機(jī)床內(nèi)的紙帶或磁帶所規(guī)定的單一操作 輸入 到機(jī)床內(nèi)的程序是不能被編輯的 要改變程序必須重做新紙帶 Today s systems have computers to control data they are called Computer Numerically Controlled CNC machines For both NC and CNC systems work principles are the same Only the way in which the execution is controlled is different Normally new systems are faster more powerful and more versatile 當(dāng)今的系統(tǒng)都由計(jì)算機(jī)來(lái)控制數(shù)據(jù) 因而稱(chēng)之為計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床 簡(jiǎn)稱(chēng) CNC 機(jī)床 NC 和 CNC 系統(tǒng)兩者的工作原理一樣 僅僅控制執(zhí)行的方式不同 新型的數(shù)控系統(tǒng)通常速度更快 功率更大 功能更齊全 The Applications of NC CNC 數(shù)字控制與計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的應(yīng)用 Since its introduction NC technology has found many applications including lathes and turning Centers milling machines and machining centers punches electrical discharg machines EDM Flame cutters grinders and inspection equipment the most complex CNC machine tools are the turning center shown in Fig 4 1 Amodern turning center with a ten station turret that accepts quick chang 外文資料翻譯 3 tools Each tool can be positioned in Seconds with the press of a button And the machine center shown in Fig 4 2 Vertical machining center the tool magazine is on the machine the control panel on the right can be swiveled by the operator and Fig 4 3 horizontal machining center equipped with an automatic tool changer tool magazines can store 200 ctting tools 數(shù)控技術(shù)自創(chuàng)立以來(lái)就得到了廣泛的應(yīng)用 包括車(chē)床和車(chē)削中心 銑床和 加工中心 沖床 電火花 EDM 加工機(jī)床 線(xiàn)切割機(jī)床 磨床以及測(cè)試檢測(cè)裝 置等 最復(fù)雜的計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床是車(chē)削中心 圖 4 1 所示一個(gè)具有十轉(zhuǎn)位的刀 架能進(jìn)行快速換刀的現(xiàn)代車(chē)削中心 立式加工中心如圖 4 2 所示 刀具庫(kù)在機(jī) 床的左邊 右邊的控制面板可由操作者通過(guò)轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng) 以及臥式加工中心 通 過(guò)按下按鈕每把刀可在數(shù)秒鐘內(nèi)定位 如圖 4 3 所示 配有自動(dòng)換刀系統(tǒng) 刀 具庫(kù)儲(chǔ)備有 200 把切削工具 When preparing a progam for a particular operation the prommer must select all cutting data using recommendations for conventional machining this includes proper Selection of cutting speeds feedrate tools and tool geometry and so on when the programmer has chosen all of the necessary information properly the operator loads the programme into the machine and presses a button to start the cutting crycle the CNC machine moves automatically from one maching operation to another changing the cutting tols and applying the coolent in a surprisingly short time the workpiece is Machined according to the highest quality stangards But that is not all no matter how big the work series is all of the parts will be almost identical in size and surface finishing At this time of advanced technology with its high demands for surface finishing and tolerances of components in for example aerospace nuclear and medical equipment manufacturing only CNC machines provide successful results 當(dāng)為某項(xiàng)操作編程時(shí) 程序員必須選擇傳統(tǒng)的加工切削數(shù)據(jù)推薦值 這些 切削數(shù)據(jù)包括切削速度 進(jìn)給率 刀具和刀具幾何形狀等 當(dāng)程序員正確選擇 所有必要信息后 操作人員將程序載入機(jī)床并按下按鈕 切削循環(huán)就開(kāi)始 Numerical control NC is a form of programmable automation in which the processing equipment is controlled by means of numbers letters and other symbols The numbers letters and symbols are coded in an appropriate format to define a program of instructions for a particular workpart or job The instructions are provided 外文資料翻譯 4 by either of the two binary coded decimal systems the Electronic Industries Association EIA code or the American Standard Code for Information Interchange ASCII ASCII coded machine control units will not accept EIA coded instructions and vice versa Increasingly however control units are being made to accept instructions in either code 121Automation operation by NC is readily adaptable to the operation of all metalworking machines Lathes milling machines drill presses boring machines grinding machines turret punches flame or wire cutting and welding machines and even pipe benders are available with numerical controls 數(shù)控技術(shù)是一種利用程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制的技術(shù) 加工制造設(shè)備采用數(shù)控技 術(shù)后能由數(shù)字 字符和符號(hào)等進(jìn)行控制 這些數(shù)字 字符和符號(hào)等被編碼成按 一定格式定義的指令程序用于一個(gè)特定的加工或工件 這些指令可以采用兩種 二進(jìn)制編碼的數(shù)字系統(tǒng)中的任意一種進(jìn)行定義 這兩種二進(jìn)制編碼數(shù)字系統(tǒng)分 別為電工協(xié)會(huì)代碼 EIA 和美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)信息交換代碼 ASCII 一般來(lái)說(shuō) ASCII 編 碼的機(jī)床控制系統(tǒng)不能接受 EIA 編碼的指令 反之亦然 當(dāng)然 這樣的問(wèn)題已 經(jīng)逐漸得到解決 數(shù)控加工制造目前已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于幾乎所有的金屬加工機(jī) 床 車(chē)床 銑床 鉆床 鏜床 磨床 回轉(zhuǎn)沖床 電火化 線(xiàn)切割和焊接機(jī)床 甚至彎管機(jī)也采用數(shù)控加工技術(shù) Basic Components of NC 數(shù)控技術(shù)的基本組成 A numerical control system consists of the following three basic components 一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)主要由以下 3 個(gè)部分組成 1 Program instructions 1 程序指令 2 Machine control unit 2 加工控制單元 3 Processing equipment 3 制造裝備 The program instructions are the detailed step by step commands that direct the processing equipment 31In its most common form the commands refer to positions of a machine tool spindle with respect to the worktable on which the part is fixtured More advanced instructions include selection of spindle speeds cutting tools and 外文資料翻譯 5 other functions 程序指令是由一條一條的詳細(xì)指令所組成 制造裝備按要求執(zhí)行這些指令 最常用的指令有 可以按要求使機(jī)床刀具主軸位于工作臺(tái)上的具體位置 工作 臺(tái)是用于固定加工零件的 許多更高級(jí)的指令還包括用于主軸速度的選擇 刀 具速度的選擇及其他一些功能 The machine control unit MCU consists of the electronics and control hardware that reads and interprets the program of instructions and convert it into mechanical actions of the machine tool or other processing equipment 加工控制單元 MCU 包括一些用于閱讀和解釋程序指令并將其轉(zhuǎn)換為機(jī)床 刀具或其他制造裝備的機(jī)械動(dòng)作的電子和控制硬件 The processing equipment is the component that performs metal process In the most common example of numerical control it is used to perform machining operations The process ing equipment consists of the worktable and spindle as well as the motors and controls needed to drive them 制造裝備是一種進(jìn)行金屬加工的數(shù)控技術(shù)裝備 在常用的數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域中 制造裝備用于進(jìn)行機(jī)械制造 制造裝備包括工作臺(tái) 主軸 電機(jī)及控制驅(qū)動(dòng)單 元 Types of NC 數(shù)控技術(shù)的類(lèi)型 There are two basic types of numerical control systems point to point and contouring 數(shù)控技術(shù)系統(tǒng)主要有兩種類(lèi)型 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)控系統(tǒng)和輪廓線(xiàn)數(shù)控系統(tǒng) Point to point control system also called positioning is simpler than contouring control system Its primary purpose is to move a tool or workpiece from one programmed point to another Usually the machine function such as a drilling operation is also activated at each point by command from the NC program Point to point systems are suitable for hole machining operations such as drilling countersinking couterbofing reaming boring and tapping Hole punching machines spotwelding machines and assembly machines also use point to point NC systems 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)控系統(tǒng)也稱(chēng)為位置數(shù)控系統(tǒng) 比輪廓線(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)簡(jiǎn)單 其主要的 原理是移動(dòng)刀具或工件從一個(gè)程序控制點(diǎn)到另一一個(gè)控制點(diǎn) 通常像鉆床這樣 外文資料翻譯 6 的加工功能 每個(gè)點(diǎn)幫司以通過(guò) NC 程序中的指令進(jìn)行控制 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)控系統(tǒng) 適用于像鉆孔 沉孔加工 沉孔鏜孔 鉸孔和攻絲等 其他沖孔機(jī)床 點(diǎn)焊機(jī) 和裝配機(jī)床等也都采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)控系統(tǒng) Contouring system also known as the continuous path system positioning and cutting operations are both along controlled paths but at different velocities Because the tool cuts as it travels along a prescribed path accurate control and synchronization of velocities and movements are important The contouring system is used on lathes milling machines grinders incrementally by one of several basic methods There are a number of interpolation schemes that have been developed to deal with the various problems that are encountered in generating a smooth continuous path with a contouring type NC system They include linear interpolation circular interpolation helical interpolation parabolic interpolation and cubic interpolation In all interpolations the path controlled is that of the center of rotation of the tool Compensation for different tools different diameter tools or tools wear during machining can be made in the NC 輪廓線(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)也稱(chēng)為輪廓線(xiàn)路徑數(shù)控系統(tǒng) 定位和切割操作都是以不同 的速度沿著控制的路徑進(jìn)行的 由于刀具沿路徑進(jìn)行切削 因此刀具的運(yùn)動(dòng)和 速度的精確控制和同步性能是非常重要的 輪廓線(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)常應(yīng)用于車(chē)床 銑床 磨床 焊接機(jī)床和加工中心中 刀具沿著路徑的運(yùn)動(dòng) 或稱(chēng)為插補(bǔ)逐漸 出現(xiàn)了幾個(gè)不同的方法 有許多類(lèi)型的插補(bǔ)方法用于處理輪廓線(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)中生 成光滑的輪廓線(xiàn)時(shí)遇到的各種問(wèn)題 幾種比較常用的方法有線(xiàn)性插補(bǔ) 圓形插 補(bǔ) 螺旋形插補(bǔ) 拋物線(xiàn)插補(bǔ)和立方插補(bǔ)等 在所有的插補(bǔ)方法中 路徑控制 是以刀具的旋轉(zhuǎn)中心為標(biāo)準(zhǔn) 對(duì)于不同類(lèi)型 不同直徑的刀具 加工過(guò)程中的 不同刀具磨削量在數(shù)控程序中獲得不同的補(bǔ)償 Programming for NC 數(shù)控系統(tǒng)的編程 A program for numerical control consists of a sequence of directions that causes an NC machine to carry out a certain operation machining being the most commonly used process Programming for NC may be done by an internal programming department on the shop floor or purchased from an outside source Also programming may be done manually or with computer assistance 外文資料翻譯 7 一個(gè)數(shù)控系統(tǒng) NC 的程序包括使數(shù)控 NC 機(jī)床進(jìn)行操作和加工的一系列指 令 數(shù)控程序可以由數(shù)控機(jī)床內(nèi)部的程序庫(kù)開(kāi)發(fā)生成 也可以從外面采購(gòu)獲得 另外 程序可以通過(guò)手工編寫(xiě) 也可以進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助編程 The program contains instructions and commands Geometric instructions pertain to relative movements between the tool and the workpiece Processing instructions pertain to spindle speeds feeds tools and so on Travel instructions pertain to the type of interpolation and slow or rapid movements of the tool or worktable Switching commands pertain to on off position for coolant supplies spindle rotation direction of spindle rotation tool changes workpiece feeding clamping and so on The first NC programming language was developed by MIT developmental work on NC programming systems in the late 1950s and called APT Automatically Programmed Tools 數(shù)控程序包括一系列指令系統(tǒng)和命令系統(tǒng) 幾何類(lèi)指令用于定義刀具和工 件之間的相對(duì)位置和運(yùn)動(dòng) 加工類(lèi)指令用于定義主軸轉(zhuǎn)速 進(jìn)給 刀具轉(zhuǎn)速等 傳送類(lèi)指令用于定義刀具或工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度和插補(bǔ)的類(lèi)型等 開(kāi)關(guān)類(lèi)指令用 于冷卻液供給 主軸旋轉(zhuǎn) 主軸旋轉(zhuǎn)方向選擇 換刀 工件進(jìn)給 夾具等的開(kāi) 關(guān) 第一個(gè)用于數(shù)控編程的數(shù)控編程語(yǔ)言是 20 世紀(jì) 50 年代由麻省理工學(xué)院數(shù) 控編程系統(tǒng)開(kāi)發(fā)小組專(zhuān)家開(kāi)發(fā)的 并被命名為自動(dòng)編程工具 APT DNC and CNC 直接數(shù)字控制 DNC 和計(jì)算機(jī)數(shù)字控制 CNC The development of numerical control was a significant achievement in batch and job shop manufacturing from both a technological and a commercial viewpoint There have been two enhancements and extensions of NC technology including 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展在批量生產(chǎn)和車(chē)間生產(chǎn)加工中 不管是在技術(shù)上還是在商 業(yè)上都獲得了巨大的成功 目前 已經(jīng)有兩種數(shù)控技術(shù)系統(tǒng)得到了發(fā)展 分別 是 1 Direct numerical control 1 直接數(shù)字控制 DNC 2 Computer numerical control 2 計(jì)算機(jī)數(shù)字控制 CNC Direct numerical control can be defined as a manufacturing system in which a 外文資料翻譯 8 number of machines are controlled by a computer through direct connection and in real time The tape reader is omitted in DNC thus relieving the system of its least reliable component Instead of using the tape reader the part program is transmitted to the machine tool directly from the computer memory In principle one computer can be used to control more than 100 separate machines One commercial DNC system during the 1970s boasted a control capability of up to 256 machine tools The DNC computer is designed to provide instructions to each machine tool on demand When the machine needs control commands they are communicated to it immediately 直接數(shù)字控制 DNC 可以被定義為這樣一個(gè)生產(chǎn)制造系統(tǒng) 該制造系統(tǒng)有 許多臺(tái)加工機(jī)床 而相互之間由一臺(tái)計(jì)算機(jī)采用直接連接 進(jìn)行實(shí)時(shí)控制 這 樣 在傳統(tǒng)的數(shù)字控制技術(shù)中采用的磁帶閱讀器在直接數(shù)字控制中被取消 從 而保證了系統(tǒng)的可靠性 不使用磁帶閱讀器 被加工的零件程序就從計(jì)算機(jī)的 存儲(chǔ)器中直接傳送到進(jìn)行加工的刀具上 從原理上講 一臺(tái)計(jì)算機(jī)可以控制多 達(dá) 100 臺(tái)加工機(jī)床 在 20 世紀(jì) 70 年代一個(gè)商業(yè)使用的 DNC 系統(tǒng)宣稱(chēng)可以控 制多達(dá) 256 個(gè)機(jī)床刀具 直接數(shù)字控制計(jì)算機(jī)用于按要求提供加工指令給每個(gè) 進(jìn)行加工的刀具上 當(dāng)機(jī)床需要控制指令時(shí) 計(jì)算機(jī)就可以馬上將指令傳送到 機(jī)床上 Since the introduction of DNC there have been dramatic advances in computer technology The physical size and cost of a digital computer has been significantly reduced at the same time that its computational capabilities have been substantially increased In numerical control the result of these advances has been that the large hard wired MCUs of conventionalNC have been replaced by control units based on the digital computer Initially minicomputers were utilized in the early 1970s As further miniaturization occurred in computers minicomputers were replaced by today s microcomputers 隨著直接數(shù)字控制 DNC 技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展 數(shù)字式計(jì)算機(jī)的 尺寸和價(jià)格的大幅度的降低 數(shù)字式計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力的大大提高 大量傳統(tǒng) 的以硬件線(xiàn)路為基礎(chǔ)的加工控制單元被以數(shù)字計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的數(shù)字控制單元所 替代 最初在 20 世紀(jì) 70 年代使用了小型計(jì)算機(jī) 后來(lái) 隨著計(jì)算機(jī)的進(jìn)一步 小型化 早期的小型計(jì)算機(jī)逐漸被現(xiàn)在的微型計(jì)算機(jī)所取代 外文資料翻譯 9 Computer numerical control is an NC system using dedicated microcomputer as the machine control unit Because a digital computer is used in both CNC and DNC it is appropriate to distinguish between the two types of system There are three principal differences 計(jì)算機(jī)數(shù)控 CNC 使用專(zhuān)用的微型計(jì)算機(jī)作為加工控制單元 因?yàn)閿?shù)字計(jì) 算機(jī)都用于計(jì)算機(jī)數(shù)控 CNC 和直接數(shù)控 DNC 所以應(yīng)該注意兩者之間的區(qū)別 可以從 3 個(gè)方面來(lái)加以區(qū)分 1 DNC computers distribute instructional data to and collect data from a large number of machines CNC computers control only one machine or a small number of machines 1 DNC 計(jì)算機(jī)是將指令數(shù)據(jù)發(fā)送到許多機(jī)床去或從許多機(jī)床中收集數(shù)據(jù) 而 CNC 計(jì)算機(jī)每次只控制一臺(tái)或幾臺(tái)機(jī)床 2 DNC computers occupy a location that is typically remote from the machines under their control CNC computer are located very near their machine tools 2 DNC 計(jì)算機(jī)一般位于距機(jī)床一定距離的位置 而 CNC 計(jì)算機(jī)一般都位 于距機(jī)床較近的位置 3 DNC software is developed not only to control individual pieces of production equipment but also to serve as part of a management information system in the manufacturing sector of the firm CNC software is developed to augment the capabilities of a particular machine Tool 3 DNC 計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)的軟件不僅可以用于控制單件生產(chǎn) 而且可以用于一 個(gè)企業(yè)制造部門(mén)的管理信息系統(tǒng) 而 CNC 計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)的軟件一般只用于某個(gè)特 殊加工的工具