开题报告-不同类型数学模型(典型件)在数控加工中的应用

第一篇：开题报告-不同类型数学模型(典型件)在数控加工中的应用

不同类型数学模型（典型件）在数控加工中的应用

开题报告

班级（学号）： 机0303-38 姓名：刘小川

指导老师： 孙江宏

一、综述

随着数控加工技术的迅速发展，设备类型的增多，零件品种的增加以及形状的日益复杂，迫切需要速度快、精度高的编程，以便于直观检查。为了弥补手工编程和NC语言编程的不足，近年来开发出多种自动编程系统，如图形交互式编程系统、数字化自动编程系统、会话型自动编程系统、语音数控编程系统等，其中图形交互式编程系统的应用越来越广泛。图形交互式编程系统是以计算机辅助设计（CAD）软件为基础，首先形成零件的图形文件，然后在调用数控编程模块，自动编制加工程序，同时可动态显示刀具的加工轨迹。其特点是速度快、精度高、直观性好、使用简便，已成为国内外先进的CAD/CAM(computer Aided Manufacturing)软件所采用的数控编程方法。目前常用的图形交互式软件有MsterCAM, NC3APS M, HZAPTⅡ, MAPT，EdgeCAM等。

在图形交互式编程系统中，零件CAD模型可分为线框模型、曲面模型和实体模型。这三种模型以不同的角度来描述一个物体。

1.线框模型

线框模型用来描述三维对象的轮廓，主要由点、直线、曲面等组成，不具有面和体的特征，不能进行消隐、渲染等操作，也不能直接产生刀具路径。

2.曲面模型

在曲面造型中，利用已有的线框模型，通过不同的熔接转换可以创建不同类型的曲面模型。这些曲面包括：举升曲面（Loft）、昆氏曲面（Coons）、直纹曲面（Ruled）、旋转曲面（Revolve）、扫描曲面（Sweep）和牵引曲面（Draft）。曲面模型表示工件曲面的真是形状，具有立体感。能在曲面模型上进行编辑和着色，可以直接产生刀具路径来加工曲面。

3.实体模型

实体模型是一个单个图案，不管多么复杂，还是一个图素，是一个整体。在实体造型中，可通过对绘制的曲线串联进行挤出操作、旋转操作、扫描操作或拉伸操作来创建实体模型。

三维模型的三种表现形式如图1所示。

c)实体模型 a)线框模型

b)曲面模型

图1 三维模型的三种表现形式

其中，适用于数控编程的主要有曲面模型和实体模型，其中以曲面模型在目前的数控编程中应用较为广泛。图形交互式编程系统的主要特点是零件的几何形状可在零件设计阶段采用CAD/CAM集成系统的几何设计模块在图形交互式下进行定义、显示和修改，最终得到零件的几何模型（可以是表面模型，也可是实体模型）。以实体模型为基础的数控编程方法比以表面模型为基础的数控编程方法较为复杂，基于后者的数控编程系统一般只用于数控编程，就是说，其零件的设计功能（或几何造型功能）是专为数控编程服务的，针对性强，也容易使用。前者则不同，其实体一般都不是专为数控编程服务的，甚至不是为数控编程而设计的，为了用于数控编程往往需要对实体模型进行可加工性分析，识别加工特征（加工表面或加工区域），并对加工特征进行加工工艺规划，最后才进行数控编程，其中每一步都很复杂，需要在人工交互方式下进行。

然而实体模型能够完整且无二意性地表示实体。依靠计算机实体模型中完整的几何与拓扑信息，可以顺利完成从消隐、剖切、有限元网格划分、NC刀具轨迹生成到计算实体体积、重量、重心、惯性矩等质量特性等问题，具有实际意义。从产品设计、分析测试、图样生成到产品加工等等，实体模型已经成为CAD/CAM/CAE/CIMS的基础。而且由于着色、光照及纹理处理等技术的运用，使物体的可视性更为出色。此外，运用提示模型进行加工，可通过自动查找加工特征、自动设置加工参数等功能，大大减少了编程的操作过程。

实体模型是几何造型的高级模型，它可提供三维形体的最完整的几何和拓扑信息。从技术发展的趋势看，它在 CAD/CAM中的重要性将越来越大。在计算机集成制造的环境下，需要将产品的有关设计制造管理信息尽量完整地包含在数字化定义中，以便提高生产过程中各个环节的自动化和智能化处理水平。使用实体模型将有助于推动设计工作中自动推理机制的运用，提高成组技术的应用水平，实现数控加工刀具轨迹的自动生成和校验加工过程的动态仿真和干涉检查，因此有着广阔的发展和应用前景。

随着数控技术的进步，数控加工正朝着自动化和智能化的方向发展。而零件模型的造型方式对数控加工造成了很大的影响。虽然自20世纪60年代末期各国研究工作者为建立实体模型进行了长期深入的理论研究和试验探索，但很少有文章探讨零件模型建模方式对数控加工影响。本课题将对三维模型的三种表现形式进行分析，并预测哪种建模形式将是未来数控加工的方向。

二、研究内容

主要研究方向：主要研究线框模型、曲面模型和实体模型这三类数学模型在数控加工当中的应用，以及对刀具加工路径、加工精度、加工效率等方面的影响。主要设计任务是复杂零件的设计和夹具设计，并对夹具的传动和动力进行计算。

本次研究由北京第一机床厂提供数控加工设备，该加工中心如图2所示。要求了解该加工中心的工作原理及其加工特点，并在此机床上对研究的理论进行验证。

图2 CHA6130数控加工中心

本次课题主要研究内容有：

1.分别建立典型的线框模型、曲面模型和实体模型，辨别其不同。

2.分别利用三种模型，完成一个零件的设计到加工过程，分析不同类别的模型对数控加工的影响。

3.在EDGECAM软件中完成一个实体模型的加工编程过程。4.对未来的STEP-NC前景进行适当的探索研究。

5.部分解决当前工厂中所遇到的复杂模型的建模问题，并在实验台上完成实际加工，并对仿真过程与加工过程进行比较。

三、实现方法及预期目标

本次研究主要利用数控机床插补原理以及刀具轨迹的计算方法，辨别并研究这三种三维模型的特点及其对数控加工的影响，并在CXHA6130加工中心中进行验证。

为了实现本次研究的所有目标，重点需要完成如下任务：（1）三维模型的表现形式及其来源；

（2）找到合适的刀具轨迹算法，计算和分析不同类型的模型对数控加工的影响；（3）三维实体模型对数控加工的影响，并与其他形式三维模型进行比较；（4）接合前面做出的理论研究，对未来STEP-NC前景进行适当的探索研究；

（5）运用前面做出的理论研究，部分解决工厂中所遇到的复杂模型的建模和加工问题； 针对上述问题，提出如下解决方案：

（1）在建模软件中建立复杂零件的线框模型、曲面模型和实体模型，要求其复杂程度能满足理论研究的要求；观察不同类型的模型之间的差别，并重理论上分析它们的特点。

（2）结合数控机床插补原理，利用多轴数控加工刀具轨迹生成方法计算出不同类型模型中的刀具轨迹。辨别和分析这些刀具轨迹的区别，并且与实际机床相结合，分析对数控加工过程中的对加工精度、加工效率等方面的影响，以及各种数学模型适合于何种加工环境。这部分是该研究的核心部分。

（3）在EDGECAM中对该零件的三种模型进行加工，注意其加工参数设置的差异以及加工方式是否有差别。尝试用不同的方法进行加工，观察刀具路径的细微变化，比较找出最优的刀具路径。

（4）STEP-NC的基本原理是基于制造特征进行编程，而不是直接对刀具运动进行编程。基于这个原理，采用STEP-NC的方式更有利于本次研究。此外STEP-NC对数控编程接口以及加工方式都产生了极大的变革，是未来数控系统的发展趋势。因此在这里很有必要对对对未来STEP-NC前景进行适当的探索研究。

（5）解决当前工厂中所遇到的复杂模型的建模问题，并运用前面做出的理论研究优化刀具路径，在试验台上完成实际加工，验证前面得出的理论是否正确。同时对仿真过程与加工过程进行比较，观察二者之间是否存在差异，并分析原因。

此外，本课题还包含夹具的设计任务，设计指导思想是：结构简单，加紧力能满足加工时的要求，与机床的配合简单合理，装夹过程简单易操作。夹具设计重点应考虑机床干涉问题，在设计夹具时应同机床一起进行三维干涉检查，以保证并联机床在工作空间内安全操作。

四、对进度的具体安排

3月1日－26日完成调查研究和开题报告。

3月26日－4月20日完成夹具的设计、复杂零件的三种形式建模。4月20日－4月25日审查图纸。

4月25日－5月15日完成零件的加工编程，仿真校验，G代码的后处理，在工作台上进行实际加工。5月15日－6月10写毕业论文。

五、参考文献

1.王润孝，秦显生编著.机床数控原理与系统[M].西安：西北工业大学出版社，1997 2.刘雄伟 等编著.数控加工理论与编程技术[M].北京：机械工业出版社，2001 3.庄海军等.一种基于实体模型的三轴数控加工刀轨生成算法[J].南京航空航天大学学 报.2002, 34(4):332-335 4.郭朝勇，黄海英.自由曲面数控加工刀具轨迹曲线的一种生成算法[J].现代制造工程.2005（1）：39-40 5.曹炜，曾忠，李合生.快速成形技术及其发展趋势[J].机械设计与制造.2006（5）：104-106 6.杜文杰.管联结密封垫圈三种建模方法[J].机械设计与制造.2006（1）：53-54 7.王文中，杨君顺.快速成型制造技术的逆运算[J].机械设计与制造.2006(1):113-114 8.黄建波，李凤学，黄海英.面向制造的产品三维建模特征规划研究[J].现代制造工程.2005(1):32-34 9.周济，周艳红编著.数控加工技术[M].北京：国防工业出版社，2002 10.李业农.数控机床及其应用[M].北京：国防工业出版社，2006

指导教师：

督导教师：

领导小组审查意见：

审查人签字：

年 月 日

第二篇：文献综述报告-不同类型数学模型(典型件)在数控加工中的应用

不同类型数学模型（典型件）在数控加工中的应用

文献综述报告

班级（学号）： 机0303-38 姓名：刘小川

指导老师： 孙江宏

一、零件的三种建模方法

这部分资料主要关于零件的三种建模方法、零件模型在数控加工中的应用、实体零件模型的优点和发展前途等。详细资料有：

1.王文中，杨君顺.快速成型制造技术的逆运算[J].机械设计与制造.2006(1):113-114 2.黄建波，李凤学，黄海英.面向制造的产品三维建模特征规划研究[J].现代制造工程.2005(1):32-34 3.杜文杰.管联结密封垫圈三种建模方法[J].机械设计与制造.2006（1）：53-54 4.曹炜，曾忠，李合生.快速成形技术及其发展趋势[J].机械设计与制造.2006（5）：104-106 5.麻东升,李艳萍.机械产品的CAD/CAM应用及三维造型技术[J].承德职业学院学报.2006(4):73-75 6.沈春龙,张友良.三维虚拟加工环境及其关键技术的研究[J].计算机辅助设计与图形学学报.2001,13(1):890-894

7.高利辉等.基于三维实体模型的多坐标数控加工过程仿真[J].机械设计与制造.2002(3):87-89 8.马亚良, 陈仁竹.复杂模型的建模技术[J].测量与设备.2001(2):28-29 9.杨晓红, 戴庆辉,王藏柱.基于特征的参数化实体造型系统[J].煤矿机械.2009(9):19-21

二、数控加工理论

该部分资料不要介绍数控加工机床的工作原理、数控加工算法等相关理论知识以及数控技术的发展，这部分资料主要以教材居多。详细资料有：

1.王润孝，秦显生编著.机床数控原理与系统[M].西安：西北工业大学出版社，1997 2.刘雄伟 等编著.数控加工理论与编程技术[M].北京：机械工业出版社，2001 3.周济，周艳红编著.数控加工技术[M].北京：国防工业出版社，2002 4.李业农.数控机床及其应用[M].北京：国防工业出版社，2006 5.陈乃峰.计算机辅助技术对高速加工的影响[J].吉林师范大学应用工程学院.2006(24):54-56

三、插补、拟合以及刀具轨迹算法

介绍数控加工控制装置的内部算法，如数控加工中通常用到的插补、拟合算法等，还有刀具的轨迹计算、在不同模型中的刀具切削力的计算，以及曲面的构建算法等。详细资料有：

1.庄海军等.一种基于实体模型的三轴数控加工刀轨生成算法[J].南京航空航天大学学 报.2002, 34(4):332-335 2.郭朝勇，黄海英.自由曲面数控加工刀具轨迹曲线的一种生成算法[J].现代制造工程.2005（1）：39-40 3.杨树莲.快速数字积分插补算法及其实现[J].机床电器.2003(6):12-14 4.岳秋琴.数控直线插补的优化算法[J].机床电器.2003（2）：8-9 5.庄海军等.实体模型的三轴数控粗加工刀轨生成算法[J].计算机辅助设计与图形学学报.2003,15(1):81-84 6.田美丽.ＣＡＤ/ＣＡＭ集成系统中孔加工刀具路径的优化[J].制造技术与机床.2002(10):16-17 7.罗凯华.点位控制加工中刀具路径的优化设计[J].南平师专学报.2004,23(2):24-26 8.孔亚洲等.非均匀Ｂ样条曲线的插补算法[J].华中科技大学学报.2001,29(1):69-71 9.潘建新，陈儒军.高速铣削时生成刀具路径的优化策略[J].长沙航空职业技术学院学报.2005,5(4):61-63 10.梁锡坤,董文.基于测量数据优化修匀的特性曲线样条插值方法[J].传感技术学报.2006,19(6):2585-2587 11.俞芙芳.基于极坐标投影法的五轴加工刀具路径生成法[J].广西工学院学报.2006,17(3):5-8 12.陈敏等.数控加工中平面参数曲线的拟合[J].机床与液压.2006(4):70-72

四、STEP－NC

STEP－NC技术是一种先进的面向对象的加工方法。该部分资料介绍了STEP－NC技术的原理和发展前景。详细资料有：

1.刘日良，张承瑞.STEP-NC数据模型和数控程序[J].中国制造业信息化.2004,33(10):102-104 2.李伟光等.新型STEP-NC数控加工方式[J].CAD/CAM与制造业信息化.90-93

第三篇：开题报告-高速加工(铣)中典型零件数控编程及处理

高速加工（铣）中典型零件数控编程及处理

开题报告

班级（学号）机0304（24）姓名 邓荣军 指导老师 孙江宏

一、综述

目前，我国的工业处于发展阶段，由于起步晚、技术研究人员缺乏等原因，生产制造水平落后于国外行业。在数控行业中，这个现象更为明显。我国机床工业的发展速度在近几年虽然很快，但与世界先进水平相比差距依然很大,主要体现在企业的核心竞争力还不强，市场占有率不高。特别是国产高档数控机床无论在品种、水平上都与市场需求相差甚远，市场占有率不到10%。而中、低档数控机床在价格、交货期和服务上，也存在竞争力不强的问题，特别值得一提的是国内数控功能部件发展滞后的矛盾还相当突出。[1] 数控高速切削加工作为工业生产制造中重要的一项先进制造技术，是集高效、优质、低耗于一身的先进制造技术。在常规切削加工中备受困扰的一系列问题，通过高速切削加工的应用得到了解决。其切削速度、进给速度相对于传统的切削加工，以级数级提高，切削机理也发生了根本的变化。与传统切削加工相比，切削加工发生了本质性的飞跃，其单位功率的金属切除率提高了30%～40%，切削力降低了30%，刀具的切削寿命提高了70%，留于工件的切削热大幅度降低，低阶切削振动几乎消失。随着切削速度的提高，单位时间毛坯材料的去除率增加，切削时间减少，加工效率提高，从而缩短了产品的制造周期，提高了产品的市场竞争力。同时，高速加工的小量快进使切削力减少，切屑的高速排除，减少了工件的切削力和热应力变形，提高了刚性差和薄壁零件切削加工的可能性。由于切削力的降低，转速的提高使切削系统的工作频率远离机床的低阶固有频率，而工件的表面粗糙度对低阶频率最为敏感，由此降低了表面粗糙度。

高速切削技术是切削加工的发展方向，也是时代发展的产物。高速切削技术是切削加工技术的主要发展方向之一，它随着CNC技术、微电子技术、新材料和新结构等基础技术的发展而迈上更高的台阶。高速切削加工所用的CNC机床、刀具和CAD/CAM软件等，技术含量高，价格昂贵，使得高速切削投资很大，这在一定程度上制约了高速切削技术的推广应用。高速切削的高效应用要求机床系统中的部件都必须先进。

在铣削加工的数控机床方面，发展非常迅速。1948年，美国的Parson公司与麻省理工学院在美国空军部门的支持下，开始研制数控机床，以便用于加工直升飞机叶片轮廓检验用的样板和制造形状复杂、改型频繁、精度要求越来越高的飞机导弹零件[2]。经过三年多的努力，于1952年研制出第一台3坐标数控铣床，标志着数控加工技术正式走向应用。我国是从1958年开始研制数控机床，在研制与推广使用数控机床方面取得了一定成绩。如北京第一机床厂在一机部北京机床研究所、清华大学等单位的协助下研制了数控铣床，上海第三机床厂在上海精密机床研究所、上海交通大学、上海科技大学等单位的协助下研制了数控键床[3]。近年来，由于引进国外的数控系统与伺服系统的制造技术，使我国的数控机床在品种、数量和质量方面都得到了迅速发展。目前我国的北京、上海、江苏、山东和辽宁等有几十家机床厂，能够生产不同类型的数控机床和加工中心。虽然在数控技术领域中，我国与发达国家之间还存在着较大的差距，但随着工厂、企业技术改造的深入开展，将有力的促进数控机床的发展和大幅度增加数控机床的需求量，使这种差距不断缩小。

下面介绍目前现有的数控机床类型：

① 升降台铣床：有万能式、卧式和立式等，主要用于加工中小型零件，应用最广。② 龙门铣床：包括龙门铣镗床 龙门铣刨床和双柱铣床，均用于加工大型零件。

③ 单柱铣床和单臂铣床：前者的水平铣头可沿立柱导轨移动，工作台作纵向进给；后者的立铣头可沿悬臂导轨水平移动，悬臂也可沿立柱导轨调整高度。两者均用于加工大型零件。

④ 工作台不升降铣床：有榘形工作台式和圆工作台式两种，是介于升降台铣床和龙门铣床之间的一种中等规格的铣床。其垂直方向的运动由铣头在立柱上升降来完成。⑤ 仪表铣床：一种小型的升降台铣床，用于加工仪器仪表和其他小型零件。⑥ 工具铣床：用于模具和工具制造，配有立铣头、万能角度工作台和插头等多种附件，还可进行钻削、镗削和插削等加工。

⑦其他铣床：如键槽铣床、凸轮铣床、曲轴铣床、轧辊轴颈铣床和方钢锭铣床等，是为加工相应的工件而制造的专用铣床。按控制方式，铣床又分为仿形铣床、程序控制铣床和数字控制铣床。

二、研究内容

针对典型件斜齿轮的数控加工进行研究。斜齿轮成形铣削原理：

采用盘铣刀进行斜齿轮加工仿真,最主要的是要建立铣刀和毛坯相对运动关系式,盘形铣刀与齿轮毛坯位置关系如图5 所示,铣刀相对直齿加工要旋转一个螺旋角β,即铣刀处于图5 所示位置2 ,在加工过程中,工件仅绕自身轴线作旋转运动,而铣刀既要绕自身轴线作旋转运动,又要沿毛坯轴线作垂直进给运动,运动方式如图6 所示.每加工完一个齿后,齿轮毛坯退刀并作分度转动,分度角为2π/ z.由斜齿轮螺旋线性质可知,螺旋线沿轴线移动一个螺旋线导程p 的同时必须绕轴线旋转2π ,即

ptand（1）

式中 d 齿轮分度圆直径

图5 铣刀和齿轮位置和运动关系

图6 螺旋线展开示意

利用AutoL ISP 语言、调用了CAD 的内置命令进行斜齿轮仿真加工，能够准确的加工出斜齿轮，并且能保证很高的加工精度[2]。因此对于本次课题，在第一机床厂对一个S型铣削试切件进行模拟仿真加工是可行的。

本次研究的重要内容有：

1.针对类似上述典型的零件，在试验台上进行夹具设计，机床传动机构的三维建模，工作环境的三维干涉检查等。

2.结合高速加工的工艺特点制定数控加工工艺。并在EDGECAM中，找到和应用适合高速加工的参数，并应用到实际加工中。

3.了解高速铣削加工的特点和优势，在EDGECAM中，完成复合设备的数控加工编程工作。

4.完成铣削的虚拟环境下的仿真校验。

5.能够实际加工完成典型零件，并对仿真过程与加工过程进行比较。目前较为类似的五轴联动数控龙门铣床如下：

三、实现方法及预测目标

本次研究的主要任务是进行机床传动与动力的设计计算、夹具的设计、完成典型零件 的NC数控编程。主要原则是：传动与动力设计合理，夹具简单有效、易于装卸以及在加工过程中不会与机床发生干涉。

初步解决方案：

（1）对机床进行三维建模，通过对机床进行数据调查，知道机床传动与动力机构的所有参数以及机构简图，并进行分析计算，通过EdgeCAM软件对机床进行三维建模，得出机床准确的三维模型。

（2）进行夹具设计，针对要加工的零件，分析其在加工过程中的受力以及运动状况，提出简单易行，方便可靠的夹具方案，并在EdgeCAM软件中对该夹具进行三维建模。

（3）对零件加工过程的模拟仿真，运用EdgeCAM软件，对加工零件在（1）（2）中得出的机床和夹具下进行模拟仿真，分析是否有干涉发生，若有，应及时提出改进方案。

（4）若上述过程均无错误发生，则生成该零件的G 代码，同时对G代码进行检查并相对于要加工的机床的系统进行必要的修改。检查无误后，输入相应的机床加工出零件实体。

（5）针对该零件的仿真过程与实际加工过程进行对比得出结论。实施难点：

（1）准确的机床三维建模（2）夹具的设计（3）干涉分析（4）G代码检验

（5）实际零件的加工

四、对进度的具体安排

1、第1至第2周为调研阶段，查找资料，对胶管增强层缠绕机的总体认识。

2、第3周完成英文文献的翻译工作

3、第4周完成调研报告、开题报告及外文翻译。

4、第5至第6周为设备功能原理分析、方案设计阶段，完成机构草图的绘制。

5、第7至第8周完成胶管增强层缠绕机的传动结构设计及动力计算，主要参数计算。

6、第9至第12周完成胶管缠绕机的总体结构设计，完成三张A0图。

7、第13至第14周完成论文初稿，上交导师审阅并修改。

8、第15至第16周完成正式总体结构装配图设计工作并检查。

9、第17周完成论文撰写，并进行预答辩。

10、第18周进行毕业论文答辩。

五、参考文献

1、王良,我国机床工业与世界机床业的差距.机械工业信息研究院产业与市场研究所.市场报告2 0 0 6 年第1 1期,23-27.2、陈晓飞,黄筱调,方成刚.基于AutoL ISP 斜齿轮成形铣削加工的几何仿真.机械与电子,2006(8),6-8.3、申丽国，张昆，黄征.国外数控技术的研究动向和发展趋势.机械工业自动化，1994，Vol,18,No.2:19-23.4、唐家锡.CAD/CAM技术.北京：北京航天航空大学出版社.1994.5、唐锐.普通铣床专用化数控改造设计.工程硕士专业学位论文.2006.6、田华.数控机床高速电主轴结构设计及性能分析.硕士学位论文.2006.7、王鹏远.三抽数控枕创加工图形仿真技术的研究与实现.硕士学位论文.2006.8、徐东.模具型腔数控铣削技术研究与应用.硕士学位论文2006.9、陆名彰.高硬度材料的超高速铣削.现代制造工程2006年第5期.10、基于数控铣削的逆铣和顺铣.机械研究与应用.2006年12月第19卷第6期

指导教师:

****年**月**日

督导教师:

****年**月**日

领导小组审核意见:

审查人签字:

****年**月**日

第四篇：幼儿园中不同类型玩具设计初探开题报告

浙江师范大学

本科生论文（设计）开题报告

设计题目：幼儿园中不同类型玩具设计初探 学院：杭州幼儿师范学院 专业：学前教育 班级：本科0202班 学号：20020232 作者姓名：王燕飞

指导老师：王春燕

前言：玩具已经成为当代儿童生活中不可缺少的东西，在儿童的成长过程中扮演着不可替代的角色。至今为止，不管是幼儿教育的理论研究者还是实践者，都对玩具做了一定的研究，促进了玩具的发展。

一、幼儿玩具研究综述

（一）“玩具”的界定及其历史

“玩具”是一个非常宽泛的概念，它除了指工厂里生产出来的精美玩具外，还可以包括儿童或成人利用各种废旧物品及材料自己制作出来的玩具，以及那些生活中纯天然的材料。总之，任何可以拿来玩耍的东西我们都可以把它称为“玩具”。

玩具也有悠久的历史，特别是我国的民族、民间玩具，大约出现于新石器时代，并随着社会的发展而不断发展。如春秋鲁班制造了能飞三天三夜的木鸟，汉朝有风筝，还有七巧板、拨浪鼓等很多民间玩具都流传至今。而在国外，早在一百多年前，幼儿教育家福禄培尔就在他的教育实践中创造了玩具，并把它们称之为“恩物”，来引导幼儿认识世界，发展能力。杜威，蒙台梭利等教育家也都提到了玩具。随着工业和科学技术的不断发展，现代玩具更是加入了先进的科学技术和设计理念而开辟了玩具的新天地。

（二）国内外玩具市场相关状况

玩具业发展到现在已经成为一个非常有潜力的行业。我国成了世界各国玩具的主要供应地，而玩具也成了我国出口的“支柱商品”之一。但是，我国的玩具设计水平还比较薄弱，玩具业和发达国家相比还有一定的差距。

科技的发展，提升了玩具的科技含量及价值。而经济的国家发展和国民文化素质的提高，提升了人们的观念，教育在人们心中的地位不断提高。社会、家庭对于儿童的培养、教育也更加重视。因此，人们在购买玩具时就不再简单的看其娱乐功能了，娱乐功能与教育功能的结合更加受到消费者的关注。据调查，玩具市场中，消费者首选的就是“智慧型”的玩具。各种玩具生产企业也都以开发儿童创造力、智力等有利于儿童发展的教育理念作为自己的设计理念。如深圳市“正邦”文化发展有限公司直接用“玩中学”作为产品的品牌。

而在美国，早在上世纪40至50年代，就出现了“教育玩具”的销售热，到上世纪末，“教育玩具”就成了欧美市场的宠儿。欧洲的许多玩具品牌也都非常重视玩具教育功能的开发。如：著名玩具公司LEGO成立了“乐高学习研究中心”，致力于儿童的娱乐与学习的研究，力求在强化玩具产品的玩乐体验的同时提升教育价值。

那么，玩具到底具有怎样的教育功能呢？

（三）玩具的教育功能及现有研究

关于玩具及其教育功能，古今中外，很多幼儿教育的理论研究者、实践者、心理学家都做了很多的研究，还有涉及玩具设计方面的，主要表现在以下几个方面：

1、玩具与游戏的关系

玩具是游戏的工具，是游戏的物质条件。幼儿需要游戏，渴望游戏，通过游戏进入成人的世界，来满足他们的愿望。幼儿游戏又是在使用玩具中发展的，帮助幼儿满足愿望。我国伟大的思想家、文学家鲁迅说：“游戏是儿童最正当的行为，玩具是儿童的天使。”在西方，不管是裴斯泰洛齐，还是福禄培尔、杜威，都认为“游戏”是儿童生活的主要内容，而玩具则在这个过程中扮演着相当重要的角色，儿童借由玩具的游戏过程学习世界的真理。

很多幼教工作者也致力于玩具的投放对游戏的影响方面的研究。研究表明，玩具的创设和提供都会影响游戏的发生和发展，而且也是游戏发展价值得以实现的基本环节，玩具的种类、特点、数量及搭配关系也都影响着儿童的游戏。而不同年龄特征的儿童选择的玩具也应有所不同。

2、玩具的教育功能罗列 儿童玩具可能不是为教育而产生的，却在其诞生的那一刻起，即被赋予了教育功能。而且在现代玩具中教育功能越来越受到重视，那么玩具到底具有怎样的教育功能呢？

首先玩具以其生动的形象，斑斓的色彩以及声响等吸引着儿童，以儿童容易接受的方式，帮助幼儿认识周围的世界，增长见识。

其次，玩具是儿童生活的伴侣，玩玩具符合幼儿心理发展的规律。幼儿通过玩具进入游戏，从而满足自己的愿望，并获得快乐。

最后，玩具能促进幼儿健康成长，促进幼儿感觉、运动器官的发展，及智力的发展。还可以培养幼儿的创造力、想象力，同时也可以促进其社会性发展。

3、玩具的分类

面对着千资百态的各种玩具，研究者从不同的角度对玩具进行了分类，常见的有以下几种：

从总体上来说，可以将玩具分为三类：（１）依照玩具的性质而分（２）依照玩具的质料而分（３）依照儿童年龄分

从玩具的专门化程度来分，又可将玩具分为专门化玩具和非专门化玩具材料。专门化玩具的功能确定性强，大都是工厂里制造出来的，比较适合小年龄段的儿童。而非专门化玩具的功能具有可变性，包括日常生活中的废旧物品或一些天然的材料，以及某些结构造型的材料。主要是通过儿童自己想象的心理活动过程进行游戏，与儿童的已有经验有关，更适合４岁以上的儿童使用。

从玩具的功能特点分，又可以大体划分为：

（１）形象玩具。主要有玩具娃娃，玩具动物，模拟日常用品的玩具（如碗，杯子）等，此类玩具在象征性游戏的角色扮演中占重要的地位。

（２）智力玩具。主要有拼图，魔方，套塔等。此类玩具促进幼儿智力发展，在智力游戏中较为常用。

（３）结构造型玩具。主要指积木，泥塑，沙等各种结构造型材料，在建构活动中比较常见。

（４）体育玩具。主要指在体育活动中使用的各种器材和设备，如（秋千，皮球）等。这类玩具有助于促进儿童基本动作和动作技能的发展，增强体质。

（５）音乐玩具。能发出悦耳声响的玩具，如：小铃铛，小喇叭等。

（６）娱乐玩具：主要是一些小动物或人物的滑稽造型，如：不倒翁，小鸭戏水等。（７）某些废旧的日常物品或天然材料及自制玩具。自制玩具是在教育活动中用的比较多的一种玩具，它有区别于成品玩具的独特作用。成品玩具的玩法比较固定，束缚了孩子的想象力，创造力，而自制玩具不仅可以提高幼儿的动手能力，玩法多样，容易发展幼儿的想象力，创造力，并可以使幼儿从中体验成功的乐趣。我国的幼教工作者也有对自制玩具做过专门的研究，提出了许多自制玩具应掌握的原则和方法。

4、玩具设计方面的研究

在玩具设计上，许多研究者都从儿童的心理发展的特点，儿童的年龄特征来考虑玩具设计的因素。也有人提出了玩具设计的个性化，及与艺术教育相结合的玩具设计。但我国的玩具设计水平与发达国家相比还是比较薄弱的。

（四）发展趋势

玩具不仅伴随着游戏研究的发展而发展，也伴随着科技的发展和人们观念的转变而发展。在今后的发展中，玩具的“娱乐”与“教育”相结合的趋势将更加明显，其教育功能将受到更多的关注。玩具也向着多功能化，个性化，操作化及科技化的方向发展。

二、结论 从上面所给出的信息中，我们可以看到：玩具的教育价值已受到了全面的关注，玩具设计也将教育功能作为其中一个重要的考虑因素。那么设计人员在设计玩具中的教育功能是否真的能发挥其所被赋予的作用，或怎样才能更好的使设计师更加合理的设计教育功能，从而使玩具中的教育功能能够充分发挥其作用。因此，我们将从玩具本身来看玩具设计，也就是不同种类玩具对儿童的独特功能中来谈玩具设计应注意的问题，使得所属种类玩具的独特功能可以充分发挥作用。

三、研究意义

（一）理论意义：

玩具与玩具设计作为一个产业已有一定的历史，但玩具设计作为一个专门的理论研究方向还是比较年轻的。对于玩具现有研究主要是将玩具作为一种教育或治疗的手段，研究玩具与游戏的关系，研究如何运用设计玩具进行教育与治疗。而现有玩具设计的理论研究大多从心理学入手，从儿童心理发展的特点，年龄特征等方向进行影响玩具设计的因素的研究。武汉理工大学的吴玉树也做了基于艺术教育的儿童玩具设计的研究。

而我们主要是想借鉴前人的研究，并从不同种类的玩具对儿童的独特功能的研究出发，提出玩具设计中应注意的因素。把玩具所具有的教育功能与玩具设计有机结合在一起，从而可以为玩具设计理论研究的发展提供一点理论依据。

（二）实践意义：

从不同类型的玩具对儿童的不同影响入手进行研究，使得玩具设计中所设计的教育功能更加合理，从而使这类玩具所特有的教育功能得以充分发挥，对幼儿的发展具有现实意义。

四、研究方法

主要采取文献法和观察法。通过运用儿童心理学，教育学，设计心理学等相关理论，运用分析、归纳的研究方法，结合实地观察和案例的研究，探讨从各类型所特有的功能反思玩具设计。

五、方案拟定

主要分两个阶段：第一阶段研究不同类型的玩具所特有的功能，对儿童产生的不同影响。根据儿童心理学，教育学，结合实践工作中观察的案例进行研究。主要定在12月到2月中的时间。

第二阶段进行针对各种类型的玩具设计所应注意的问题进行。主要以理论研究为主。研究时间大致定于2月中到3月底，并基本完成整个论文的写作。

六、论文框架结构

幼儿园中不同类型玩具设计初探

摘要： 关键词： 一．前言

二．玩具在儿童发展中的作用

三．不同玩具对儿童发展的独特作用

（一）形象玩具

（二）结构造型玩具

（三）智力玩具

（四）体育玩具

四．玩具设计应注意的问题

（一）形象玩具

（二）结构造型玩具

（三）智力玩具

（四）体育玩具

五．参考文献

（１）吴玉树 儿童玩具的艺术教育功能 武汉理工大学硕士学位论文库（２）许政涛、幼儿园游戏与玩具、北京：北京师范大学出版社。2001（３）丁海东、学前游戏论、济南：山东人民出版社。2001

（４）钱玲娟、玩具伴孩子健康成长、北京：人民卫生出版社、2000（５）靳桂芳、玩具设计个性化要求及相关问题、天津轻工业学院学报、2003（3）

（６）孟海、徐秋枫、影响儿童玩具设计的因素、河南轻工业高等专科学校学报、2000（2）

第五篇：光电编码器在数控加工机床中的应用

光电编码器在数控机床中的应用探究

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（中原工学院 机电学院，河南 郑州 450007）

摘要：在对数控机床功能需求分析的基础上，将光电编码器进行工艺性和实用性分析，证明其在数控加工的应用是符合功能要求的。

关键词：光电编码器；数控机床；检测元件

Abstract:：The manufacturability and practical applicability analysis of photoelectric encode was based on the analysis of numerical control machine’s demand.We can prove its use is very successful.Key words：

photoelectric encode;numerical control machine;detecting element

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数控机床是一种高精度、高效率的加工设备，而实现其安全可靠的运行需要精确的检测和控制，本文在对数控机床功能需求分析的基础上，将光电编码器进行工艺性和实用性分析，验证其使用的可靠性。

1.数控机床对检测元件的功能需求

数控机床作为一种生产设备，依靠其高精度、高效率的加工优势，在我国的应用已日趋广泛。数控机床要实现其安全、可靠的运行，离不开各种各样的检测元件。检测元件是数控机床伺服系统的重要组成部分，起着检测各控制轴的位移和速度的作用，它把检测到的信号反馈回去，构成闭环系统。测量方式可分为直接测量和间接测量。直接测量，就是对机床的直线位移采用直线型检测元件测量，直接测量常用的检测元件一般包括：直线感应同步器、计量光栅、磁尺激光干涉仪。间接测量就是对机床的直线位移采用回转型检测元件测量，间接测量常用的检测元件一般包括：脉冲编码器、旋转变压器、圆感应同步器、圆光栅和圆磁栅。

位置检测装置是数控机床的重要组成部分，其作用就是检测位移量，并发出反馈信号与数控装置发出的指令信号相比较，若有偏差，经放大后控制执行部件使其向着消除偏差的方向运动，直至偏差等于零为止。为了提高数控机床的加工精度，必须提高检测元件和检测系统的精度。

光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感 器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动 机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图1所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电 动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90º的两路脉冲信号。根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。

图1 光电编码器的工作原理

2.1 增量式编码器

增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90º，从而可方便地判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于 基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。[1] 2．光电编码器的实用性分析

图2 增量式光电编码器

2.2 绝对式编码器

绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透 光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏 元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有 N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。

图3 绝对式光电编码器

目前生产和使用的机床大多采用的是半闭环控制方式。大多数的系统生产厂家，均将位置编码器内置于驱动电机端部，间接测量执行部件的实际位置或位移。光电编码器是一种光学式位置检测元件，编码盘直接装在电机的旋转轴上，以测出轴的旋转角度位置和速度变化，其输出信号为电脉冲。这种检测方式的特点，是非接触式的，无摩擦和磨损，驱动力矩小，响应速度快。而缺点是抗污染能力差，容易损坏。

3．光电编码器在数控机床中的应用

增量式编码器以转动时输出脉冲，通过计数器来知道其位置。当编码器停电时，存放在缓冲器或外部计数器中的数值将丢失。这说明如果机床因下班或维修而被迫关机时，重新启动后，编码器将无法知道其确切位置。解决的方法是增加参考点，编码器每经过参考点，缓冲器或计数器被清零，数控系统才知道确切的位置。在回过参考点以前，是不能保证位置的准确性的。为此，在数控机床控制中就有每次开机先回参考点的操作。机床的刀具在发生故障时通常还处于加工位置，与工件有直接接触，有时甚至还处于工件的内部（如钻孔、攻螺纹等），为了安全地进行过参考点动作，必须首先手动将刀具移出加工位置。如果此时刀具的指向与 X，Y，Z 轴成一定角度（多轴机床），此项操作则变得尤其困难，往往要耗费大量的时间和人力。如图4所示，为FANUC的编码器为增量使用时，利用挡铁回零。

图4

FANUC 参考点返回示意图

而绝对编码器的出现，则很好的解决了这一问题。绝对值编码器旋转时，有与位置一一对应的代码（二进制、BCD 码等）输出，从代码的变更即可判别正反方向和位移所处的位置，而无需判向电路。它有一个绝对零位代码，当停电或关机后再开机时，仍可准确地读出停电或关机位置的代码，并准确地找到零位代码，可大幅度降低待机时间与开机时间，有效缩短原点复归时间，还可省略限位开关，节省成本。现我国台湾省及国外的数控机床，大多采用绝对式编码器。

数控机床中编码器的一些使用实例如下所示：

②角编码器与旋转刀库连接，编码器的输出为当前的道具号，如图6所示。

图5 编码器在定位加工中的应用

①已知增量式光电编码器的参数和大、小皮带轮的传动比，若希望当加工好一个元件后紧接着加工另一元件，可计算出编码器给出多少脉冲数时，电动机停转，从而加工工件。如图5所示。

图7 编码器在伺服电机中的应用

③利用编码器测量伺服电机的转速，并通过伺服控制系统控制其各种运行参数，如图7所示。

4．结 语

目前，市场竞争愈演愈烈，数控机床的高精度和高效率是发展的方向。利用绝对式编码器在断电时仍可读取机床的绝对位置，大幅降低开机时间和待机时间，提高了效率，还可节省限位开关，节省成本。所以光电编码器特别是绝对式光电编码器，在数控机床中作为检测元件的使用是相当符合其功能要求的。

图6 编码器在刀库选刀控制中的应用

参考文献：

[1]陆伟.数控机床典型检测元件的应用研究[J].Equipment Manufactring Technology,2010,(7):11-12.[2]汤彩萍.FANUC编码器的研究与应用[J].机床电器,2008,(3):17-18.[3]杨元庆.光电编码器分类及应用[J].仪表技术与传感器.1993,(1)：29-30.