虚拟样机技术论文范文

导语：如何才能写好一篇虚拟样机技术论文，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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（①中国75240部队，潮州 521000；②中国65370部队，长春 130000；

③中国93593部队，三河 065200）

（①Unit 75240 of PLA，Chaozhou 521000，China；②Unit 65370 of PLA，Changchun 130000，China；

③Unit 93593 of PLA，Sanhe 065200，China）

摘要： 为有效解决虚拟维修训练系统通用、共享和跨平台重用的问题，借鉴IETM的S1000D标准以数据模块方式组织数据这一思想，构建了基于IETM虚拟维修数据模型。经应用证明，基于IETM的虚拟维修数据模型有利于系统的数据标准化和技术文档。

Abstract： To provide effective support for currency, communion and transplantation of Virtual Maintenance Training System, the Virtual Maintenance Data Model was designed based on Interactive Electronic Technology Manual. According to the data module of S1000D, the data model was built. The application showed that the model was useful for data standardization and technology document publishing of the Virtual Maintenance Training System.

关键词 ： 虚拟维修数据模型；交互式电子技术手册；维修过程

Key words： Virtual Maintenance Data Model；Interactive Electronic Technology Manual；maintenance process

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）34-0230-02

作者简介：石永亮（1986-），男，陕西宝鸡人，助理工程师，主要研究方向为装备虚拟维修。

0 引言

虚拟维修训练系统与交互式电子技术手册（Interactive Electronic Technology Manual, IETM）在装备知识与维修素材等数据方面基本一致。

本文主要研究如何借鉴IETM的S1000D标准，设计虚拟维修数据模型（Virtual Maintenance Data Model, VMDM），解决虚拟维修训练系统中数据重用和共享问题。

1 IETM简介

IETM的概念最先是由美军提出来的，其定义是从事武器装备系统的故障诊断和维护保障工作所需要的一组信息包，其中的信息内容和格式均以最优方式进行了组织和编排，以便于最终用户通过数字屏幕以交互方式使用。当前应用最广泛的标准当属美军标准MIL-PRF-87269和欧洲标准ASD S1000D。

2 基于IETM的虚拟维修训练系统

S1000D作为IETM在装备全生命周期保障方面的重要标准，在其标准下制作的交互式电子技术手册可以存储大量的装备保障数据，不仅包括文本、图标、图片信息，还包括视频、音频等多媒体信息，以及和用户进行交互的信息。因此借鉴IETM相关标准S1000D设计VMDM层次结构如图1所示。训练数据包括了虚拟维修训练过程数据、虚拟样机数据和工具设备数据。

2.1 维修过程VMDM 过程VMDM设计如图2所示，数据标记的具体含义以及其所包含内容的定义如下。

2.1.1 procedural元素 procedural元素是描述整个虚拟维修训练过程的根元素，由若干个嵌套的子元素和相应的属性构成，具有的属性包括维修过程起始步骤编号startId、用来判断维修过程是否结束的步骤编号endId、进行本次维修训练的维修操作人员姓名的operatorName以及维修人员编号operatorId，同时描述人员所应该具有的维修水平、技能skillLevel。

2.1.2 step元素 step是具体维修训练步骤元素，是可以重复、并列的元素，它有四个属性值：partStateType属性表示样机对象子单元的运动属性，主要包括平移运动、旋转运动和复合运动三种；stepId表示维修过程中的当前维修步骤编号；name表示当前维修操作的名称；partname表示本次维修操作的样机对象单元名称，该名称与虚拟维修样机模型中对该部件的命名一致。

2.2 工具/设备VMDM 工具/设备模型设计如3所示，数据标记的具体含义以及其所包含内容的定义如下。

2.2.1 tool_Equipments tool_Equipments元素是工具/设备数据模型的根元素。

2.2.2 toolList toolList元素用来描述工具/设备，是可以重复的、并列出现的非空元素，具有三个属性值和一个元素：toolpackageName描述专用工具包的名称；toolname属性值为工具设备的名称；toolId属性值为工具/设备型号编码；pic元素描述设备工具的名称、型号、在工具栏中的布局以及二维图标文件的存储路径等。

2.3 虚拟样机VMDM 虚拟样机，根据运动方式，分为平移运动样机、旋转运动样机和复合运动（旋转＋平移）样机。本文以复合运动样机为例，进行介绍。

复合运动样机单元VMDM设计如图4所示。

transRotate元素是描述复合运动样机单元对象信息的根元素，由若干嵌套的Parts子元素构成。Parts元素是可重复、并列出现的非空元素，具有以下属性：①ID属性。②PartID属性。③partname属性，为相对应样机单元汉语名称。相关子元素有endXposition元素、endYposition元素、endZposition元素、attributeToObject以及attachToObject描述的内容与平移样机信息单元模型中所提及元素的内容相同、类型相同。AxisRotate元素、rotateDegree元素，与旋转类平移样机信息单元模型中所提及的内容相同、类型相同。transScale元素描述虚拟维修样机单元在复合运动过程中平移段的步长。rotateScale元素描述在复合运动过程中的旋转平移段的步长。length元素描述典型对象单元如螺钉的长度，proportion元素描述旋转圈数与位移的比例关系。

3 应用验证

某型复杂装备虚拟维修训练系统，基于上述方法建立VMDM，如图5所示，编辑完成的系统能够进行，使得系统的推广使用变得更为方便。

4 结束语

本文参考IETM的S1000D标准对于内容数据模型的组织方法，设计了基于IETM的虚拟维修训练系统结构框架以及虚拟维修数据模型，并利用XML Schema设计了虚拟维修训练系统的数据模型，包括维修训练过程数据模型、工具/设备数据模型、以及样机对象单元数据模型，并分析了模型中各个元素及属性的具体描述含义，最后进行了应用验证。

参考文献：

[1]张宏亮.基于IETM的虚拟维修系统研究[D].南京：南京航空航天大学硕士学位论文，2008.

[2]李星新.虚拟维修训练的模型研究与通用平台实现[D].石家庄：军械工程学院博士论文，2010，06.

[3]梁伟杰.装备IETM全寿命过程建模与实现[D].石家庄：军械工程学院博士论文，2009，06.

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论文摘要:介绍了机械零部件结构可靠性虚拟疲劳设计的软件及疲劳寿命预测方法。根据断裂力学理论和虚拟疲劳预测方法，利用系统动力学软件ADAMS模拟42CrMo硬齿面齿轮加工过程，分析了对应的疲劳载荷谱，得到了齿轮应力寿命S一N曲线。

1、引言

机械产品全寿命设计是衡量产品设计水平先进与否的重要指标，现代设计过程迫切需要通过工程分析手段预测产品的结构可靠性。近年来研究人员试图将虚拟设计思想更多地融人到复杂机械产品的结构可靠性设计中，借助工程分析软件对计算机中虚拟的产品样机进行应力分布、疲劳寿命和可靠性设计等，大大提高了可靠性设计水平。

利用国外先进有限元软件丰富的试验数据，应用项目组成员进行的42CrMo硬齿面齿轮的弯曲疲劳可靠性试验及资料，提出该硬齿面齿轮的结构可靠性虚拟疲劳设计方法，由虚拟零部件疲劳工作的情况快捷地得到应力一寿命(S一N)曲线，推知其疲劳寿命大样本，以供可靠性分析设计使用。

2、结构可靠性虚拟疲劳设计方法

2.1结构可靠性虚拟疲劳设计软件

进行产品零部件结构可靠性虚拟疲劳设计首先需要构造产品虚拟样机，目前国内外比较成熟实用的样机几何造型CAD软件有AutoCAD， Pro/E等，同时还有可以进行各种系统仿真分析的多体运动学、动力学软件ADAMS， SIMPACK等。

目前国际知名的通用有限元工程分析软件大多可完成对产品结构进行应力分析、疲劳寿命测试及寿命概率分析的功能，目前见长的软件有ANSYS，MSC/Fatigue， MSC/Nastran，考虑虚拟环境的CFX及FLUENT。近年来，样机的运动、动力学及疲劳分析技术正处于逐渐深人和系统化阶段，但有许多重要内容要填补，如虚拟环境的融入、几何造型、动力学、疲劳分析技术的集成及开放式。

2.2疲劳寿命预测方法

多年来人们发展了各种疲劳寿命预测方法，其中名义应力寿命法(S-N法)、局部应变法(E-N法)与基于断裂力学理论的疲劳裂纹扩展寿命方法，已成为三种经典的疲劳寿命预测方法。

(1)名义应力寿命法(S-N法)

名义应力寿命法通常称为总寿命法。该方法用于构件总寿命的预测，是以材料或零部件的疲劳寿命曲线为基础的。该方法可以考虑构件表面加工和表面处理对其疲劳寿命的影响，也可以考虑构件焊缝的疲劳寿命，适用于低应力高周疲劳问题。

(2)局部应变法(E-N法)

局部应变寿命法通常称为裂纹萌生法。该方法用于预测构件的裂纹萌生寿命。它应用了材料的“记忆特性”，计人了名义应力无法计及的载荷循环顺序的影响，使寿命估算结果更接近实际情况，适用于高应变低周疲劳问题。

(3)疲劳裂纹扩展寿命方法

基于断裂力学理论的疲劳裂纹扩展寿命方法主要用于预测构件从裂纹产生到发生破坏的疲劳寿命。该方法结合模拟材料微观结构变形的数值方法，是数值模拟断裂的主要发展方向之一。

3、在硬齿面齿轮弯曲疲劳试验中的应用

根据项目要求对42CrMo材质的硬齿面齿轮进行了弯曲疲劳可靠性全寿命试验，试验在机械部机械科学研究院英国产INSTRON1603型电磁谐振疲劳试验机上进行。采用4级应力水平，即作4组不同应力的轮齿全寿命大样本试验，得到了硬齿面齿轮定寿命下的R-S-N曲线(见图4中实线部分)。本文以此试验为研究基础，进行42CrMo硬齿面齿轮的结构可靠性虚拟疲劳设计和试验，得到了虚拟试验的各应力水平下疲劳寿命数据，即S-N曲线。

3.1三维几何造型设计

三维CAD软件为构造精准的零部件虚拟几何造型设计打下软件基础。42CrMo硬齿面齿轮是斜齿圆柱齿轮按渐开线形成的，为从齿轮的造型机理开始就严格遵循渐开线齿面生成和加工机理，应用三维虚拟造型软件MDI公司的ADAMS能在几何形体上展成曲面和使曲面扭曲变形的功能，开发出以法平面标准渐开线齿形为基准的斜齿模拟加工过程。

3.2疲劳载荷谱分析

载荷谱是有限寿命设计的依据之一。因此，掌握载荷谱的变化规律是进行寿命设计的先决条件。通常，载荷谱是由现场数据采集并经数据处理与统计分析获得。现场采集的载荷时间历程具有很大的随机性，并且因现场各种因素如开关信号、电磁干扰等影响，会造成原始信号记录失真，出现伪信号。齿轮结构所承受的疲劳载荷，实际上是一连续的随机过程，借助动力学分析软件Adams平台，可直接给出机械构件在整个装置工作过程中的疲劳载荷谱F-t曲线(见图2)，以此作为理论分析和结构可靠性虚拟疲劳设计的基础。

3.3有限元分析软件中的应力分析

建立一对轮齿的有限元模型并进行网格划分，模型主要为六节点五面体单元，单元总数为63359个，节点总数为15213个。这样有利于单元自动生成，有利于提高计算精度。有限元计算中，齿轮材料的弹性模量为4. 6 x 107MPa，波松比为0.3。

由有限元法(FEM)分析计算出随机动载荷谱下轮齿在啮合过程中最大动应力齿轮的位置、数值及周期。

3.4基于断裂力学的疲劳裂纹寿命预测

断裂力学是在承认裂纹存在的前提下进行疲劳强度计算(即微裂纹形成忽略)，失效判据是裂纹扩展到临界尺寸时发生疲劳断裂，应力强度因子幅度可用以下关系表示

对裂纹半长a的积分求出裂纹扩展的应力循环次数，即疲劳寿命。计算N时，应力强度因子幅}k、裂纹初始半长a1、裂纹半长极限值a2由式(1)计出。其中:c为与材料有关的系数，a为几何效应因子，山为复应力变化范围。

3.5虚拟试验结果分析

以实作齿轮试验的4级应力水平作虚拟疲劳试验，求得各应力水平下的疲劳寿命数据，这样可用最小二乘法得出待试验材料齿轮的S一N曲线。

图4虚线部分为42CrMo材料齿轮采用上述虚拟技术所作的S一N曲线，试验中取5个寿命水平N= 0.5 x 1护，1.0 x 1护，1.5 x 1护，2.0 x 1护，2.5 x 1护的应力分布。与图4中实线部分的实作齿轮试验S一N曲线对比可知，虚拟试验得到的S一N曲线与实际齿轮高可靠度下的S一N曲线比较接近，有一定的参考价值。

4、结语

(1)采用全寿命成组试验法得到产品的全寿命概率分布依据的是大样本试验，因此解决复杂机电系统使用期限内无故障的全寿命设计具有极高的经济价值和十分深远的应用前景。全寿命设计已成为衡量一个国家机电产品设计水平先进与否的重要指标，只有攻克使零部件全寿命试验与环境相容这一难题，才能更好地发挥全寿命设计对国民经济发展的促进作用，迅速把我国的可靠性设计水平提高到主动可靠性设计的国际前沿水平。

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关键词：液压；凿岩机；设计研究；建议

中图分类号：TD421.2 文献标识码：C

Abstract： The paper analyzes various design and research literature on hydraulic rock drills in China， enumerates major arguments in some related papers， points out the imperative problems， and puts forward academic and policy-related advice on the R&D of the hydraulic rock drills industry in China.

Keywords： hydraulic； rock drill； design & research； opinion

1 我国液压凿岩机设计研究历史回顾

我国液压凿岩机的研制起步非常早，距今已近50年。我国液压凿岩机技术研究也很早，二十世纪七十年代，我国长沙矿冶研究院等就翻译了大量国外液压凿岩机专利和论文，七十年代后期，我国作者撰写了大量液压凿岩机的技术论文，直到现在，关于液压凿岩机的论文与专利仍然不断出现在各类期刊与网络上。

我国液压凿岩机设计研究方面的论文，有博士论文，硕士论文，学士论文，有期刊论文，也有网络论文，在整个液压凿岩机技术论文中，占据了很大一部分。

估计有20个高等学校（其中包括3所师范大学）和近10个研究院所的作者发表过液压凿岩机技术论文，其中大部分是关于液压凿岩机设计研究方面的论文。专利文献更是与液压凿岩机结构设计有关。可见，液压凿岩机设计研究在我国并非冷门。

我国液压凿岩机的技术论文与设计研究论文大量产出。与此形成鲜明对比，我国液压凿岩机产品发展很缓慢，独立开发的产品，很少能在市场站住脚。

2 我国液压凿岩机文献的分类

2.1 研究型论文

2.1.1 设计计算型论文

此类论文数量多。

设计计算型论文包括了仿真计算，优化设计，活塞间隙优化设计，蓄能器设计优化，换向阀设计优化，活塞缓冲设计，钎尾缓冲设计，冲击频率调节方法等等。

博士、硕士、学士的论文几乎全部属于此类。高校与研究院所作者的论文大都属于此类。此类论文数量多。

2.1.2 实验研究型论文

实验研究型论文包括实验方法介绍，实验设备和仪器介绍，实验项目介绍，测试结果与测试曲线分析，误差分析等等。

此类论文中介绍实验原理与实验方法的较多。专门介绍液压凿岩机测试结果与曲线，并且进行分析的论文较少，大多散见于设计计算论文中，作为计算正确性的证明。

高校与研究院所作者有些论文属于此类，此类论文数量不多。

2.1.3 材料热处理研究型论文

材料热处理研究型论文包括活塞、钎尾的选材与热处理，铜套的选材等等。关于活塞、钎尾的选材与热处理的论文较多，关于其他零件的论文数量少。

2.1.4 加工工艺型论文

加工工艺型论文包括凿岩机主要零件的机加工的设备，工装夹具，量具与测量方法，工序与工艺步骤，怎样保证尺寸精度与位置精度，等等，大概是技术保密的原因，此类论文数量极少。

2.2 综述型论文

2.2.1 产品品种型号综述型论文

产品品种型号综述型论文包括当时国内外液压凿岩机产品的厂家，系列，型号，主要性能参数等等。

此类论文数量较多，但大多是介绍阿特拉斯、山特维克公司的液压凿岩机产品，介绍国内产品的较少。

2.2.2 产品历史发展综述型论文

产品历史发展综述型论文包括介绍国内外液压凿岩机历史发展，产品型号推出的年代，市场情况等等， 此类论文数量不多，但大多是介绍蒙特贝塔、阿特拉斯、山特维克公司的液压凿岩机产品历史，介绍国内产品历史的较少。

2.2.3 产品技术综述型论文

产品技术综述型论文包括液压凿岩机结构类型，技术进展，等等。此类论文数量少而且内容重复较多。

2.2.4 产品市场调研分析指导型论文

产品市场调研分析指导型论文包括当时国内使用的液压凿岩机产品的主要型号，市场保有量，年销售量与销售额，备件销售量与销售额，市场的细分，将来市场的趋势预测，市场对液压凿岩机的性能与技术要求。

此类论文很重要，对于国家的产业政策和企业的产品规划指导意义很大。

此类论文数量极少，几乎没有，倒是在网络上各种市场调查公司的广告不少，只提供提纲，具体内容要付费才能提供。

由于我国缺乏市场液压凿岩机产品销售数据统计，要写出高可信度的此类论文，必然要花费巨大的人力财力，只靠个人或一个单位的力量难以完成，最好有行业组织与行政力量的参与。

2.3 使用维修型论文

2.3.1 产品使用方法型论文

产品操作方法型论文包括凿岩机冲击压力，旋转压力，推进压力的优化匹配，钻头直径与旋转速度的匹配，操作方法等等。

此类论文数量不多，有北京科技大学高澜庆教授等的论文“液压凿岩机主要工作参数对凿岩速度影响的试验研究”，有广东省水利水电第二工程局梁明华论文“液压凿岩机旋转速度与凿孔直径的关系” [1]，是凿岩机使用实践总结，指导意义更大。

2.3.1 产品维修与故障分析型论文

产品维修与故障分析型论文多数为水电工程局、铁路隧道工程局的技术人员所写。此类论文来源于生产实践，言之有物，参考价值很大，数量不多，列举如下：

煤科总院北京建井所黄园月、李耀武、郭孝先“液压凿岩机的故障分析与防治”；

广东省水利水电第二工程局何雄彬“HDl35A和COPl238ME型液压凿岩机工作原理及常见故障处理” [2]；

广东水电二局股份有限公司李同明“阿特拉斯ROCD7钻机使用中易出现的问题与改进” [3]；

李强“Atlas 1838型凿岩机六种常见故障的排除”[4]；

张兆钦“COP1238凿岩机技术特点及使用维护” [5]；

田华军“HL500型液压凿岩机的日常维护保养” [6]。

2.4 产品介绍型论文

2.4.1 产品性能介绍型论文

产品性能介绍型论文多为介绍阿特拉斯、山特维克公司产品的论文，也有少量介绍国内海卓公司产品，乐清采矿机械厂的液压凿岩机产品的论文。

2.4.2 市场应用报道型论文

国外作者关于液压凿岩机市场应用报道型论文很多，国内此类论文数量很少，有少量关于YYT26支腿式液压凿岩机工程案例，使用成本效益分析的报道。

2.5 专利文献

最近的十几年关于凿岩机械的专利有六十多件，大都是液压凿岩机械的结构设计方面的专利。尚未见到有重大影响，或产生效益的专利。

3 我国液压凿岩机技术研究的不足

3.1 凿岩机文献的五多五少现象

通过对我国液压凿岩机文献的分析，我们发现有五多五少现象。

（1） 设计论文多，实验与工艺论文少；

（2） 研究论文多，使用维修论文少；

（3） 性能介绍型论文多，市场应用报道型论文少；

（4） 历史发展综述论文多，市场调研分析指导型论文少；

（5） 专利多，影响小。

3.2 缺少学术交流讨论

我国大概有20多年没有开过全国性液压凿岩机技术方面的交流会或研讨会。

我们众多的论文作者，都是在自说自话，没有交流，没有讨论，更没有争论。论文提出的论点，基本没有人跟进，进行理论与实践两个方面的证明或证伪，或补充，只是不加评价的引用。

我怀疑，很少有人认真阅读这众多的论文，如果不是博士生，硕士生，大学生因为做毕业论文的需要，阅读的人就更少了。我国关于液压凿岩机论文的影响力实在有限。

3.3 设计理论研究与产品生产脱节

我国大概可称得上液压凿岩机设计研究论文数量大国，但是我国自行开发的液压凿岩机产品多数从市场上消失，现在还能在市场上站住脚，有一定销售量的产品，多数为1980年代技术引进的产品。这种情况至少说明我们的设计研究和产品生产是脱节的，或者说明我们的设计理论还不成熟，还要不断改进。

4 我国液压凿岩机设计理论的主要论点

4.1 关于凿岩机冲击机构设计理论

4.1.1 三段法理论

认为活塞往复运动一个周期是由活塞回程加速、回程减速、冲程加速三个阶段组成的。4.1.2 设计变量理论

将一个无量纲数称为设计变量，这个无量纲数可以是：

（1） 冲程时间与活塞运动周期之比；

（2） 活塞回程加速度与冲程加速度之比；

（3） 活塞行程与可能最大行程之比；

（4） 活塞后腔受压面积与前腔受压面积之比，很明显，第四个无量纲数最直观，最易检验。

4.1.3 优化设计理论

根据以下5个设计目标，求得一个最佳设计变量。

（1） 蓄能器容积变化的最大值最小；

（2） 蓄能器隔膜震动次数最小；

（3） 能量利用效率最高；

（4） 冲程时，最大瞬时流量最小；

（5） 回程时，最大瞬时流量最小。

4.2 关于换向阀设计理论

4.2.1 换向阀中位正开口理论

换向阀在中位时，换向阀的高压窗口与低压窗口都有微小开启，叫正开口。认为正开口有益于冲击机构性能改善。主张应该采用正开口。

4.2.2 换向阀最优行程理论

换向阀行程的选取受到阀口通流面积，换向时间与阀耗油量三重制约，存在一个优化点。

4.3 关于蓄能器设计理论

4.3.1 高压蓄能器与活塞运动的最佳耦合理论

蓄能器的蓄油与排油量不仅与蓄能器的容积有关，而且与系统的工作频率有关，如果蓄能器固有频率选择不合适，即使加大蓄能器容积，也不能增大蓄能器的蓄油与排油量。

在蓄能器结构参数固定，凿岩机进油压力确定的情况下，可以改变蓄能器充气压力来改变谐振频率，使得系统处于最佳工作状态。

这个理论是极有理论研究价值与学术价值的，是一个动态的理论，是北京科技大学首先进行研究的，可惜无人跟进，这方面的论文太少。

4.3.2 蓄能器一次振动理论

在活塞运动一个周期内，蓄能器隔膜只有一次振动。这个理论已经包含在第4.1.2小节的优化设计理论中了，这是一个静态的理论。

4.4 关于信号孔位置

4.4.1 活塞回程换向信号孔位置的计算

这个理论是由北京科技大学与中南大学提出的，这是极其重要的计算，缺了这个计算公式，无法进行凿岩机的图纸设计。

4.4.2 活塞冲程换向信号孔位置的确定

这个理论是由北京科技大学与中南大学提出的，这也是极其重要的计算。既不能换向太早，使得撞击钎尾时，活塞已经被减速，也不能换向太晚，造成活塞二次打击钎尾。

4.5 钎尾反弹缓冲动力计算

研究这个理论的有浙江大学张新等人，广东工业大学机电工程学院刘智等人，中南大学机电工程学院赵宏强等人，杨国平等人，难能可贵的是，张新做了实验研究，有实验曲线图。

4.6 其他理论

（1）活塞密封间隙与长度优化理论；

（2） 活塞空打缓冲结构计算；

（3） 冲击频率无级调节自动换挡理论。

以上3种理论均有，就不一一论述了。

5 我国液压凿岩机设计研究亟待解决的问题

5.1 换向阀的结构尺寸问题

（1） 换向阀中位负开口的优缺点分析；

（2） 最优负开口量的计算与实验验证；

（3） 换向阀最优行程理论与实验验证。

5.2 活塞与缸体结构尺寸问题

（1） 活塞前后腔面积的确定及优化；

（2） 活塞回程换向信号孔位置的确定；

（3） 最优冲程换向信号孔位置计算与实验验证。

5.3 蓄能器与活塞运动的最佳耦合理论

研究蓄能器隔膜的动态频率响应，蓄能器最佳充气压力的计算。

5.4 钎尾反弹缓冲系统动力计算与实验验证

不但研究缓冲机构本身，进行静力学计算，更要研究钎尾反弹缓冲系统的动态响应，将缓冲机构，钎具与缓冲液压油路作为一个系统，研究缓冲活塞的频率响应，缓冲液压系统是否能有效吸收钎尾反弹的能量，又是否能迅速将钎头重新抵紧岩石。

5.5 凿岩机反打系统动力计算

既要研究反打机构本身，进行静力学计算。更要将反打机构与反打液压油路作为一个系统，研究反打活塞的位移，运动速度与冲击能量。

5.6 零件的气蚀与腐蚀问题

（1）活塞前后腔气蚀问题的计算与解决方法；

（2）凿岩机壳体联接平面点蚀的原因与预防。

6 我国液压凿岩机设计研究的学术建议

6.1 反求法

对国外高端液压凿岩机结构尺寸的分析，用反求法研究凿岩机冲击机构的设计计算公式与方法。反求法基本属于归纳法，反求法需要统计多台高端液压凿岩机的结构尺寸，统计数据越多，代数计算公式越接近实际，设计指导作用越大。这方面的工作似乎还没有人去做。

6.2 验证法

将我们国内的设计理论，如用最佳设计变量理论，换向阀最优行程理论，蓄能器设计理论，分析国外高端液压凿岩机的结构尺寸、充气压力等参数，检验是否符合我们的理论。如果大致符合，则验证了我们理论的正确性，如果相差很大，则要寻找原因。

6.3 代数计算公式研究

6.3.1 液压凿岩机设计研究方法的分类

理论分析与公式计算，实验研究，计算机数值仿真是凿岩机设计研究的三驾马车。

三段法，最佳设计变量等属于理论分析计算。

理论分析与公式计算是凿岩机设计研究的基础，是实验研究与数值计算的的基础与指导。

6.3.2 液压凿岩机代数设计计算公式的建立

公式计算必须将凿岩机的物理（实际）模型简化为力学模型，再进一步简化为数学模型，再简化为代数公式。简化必须是合理的，不能与力学模型有大的矛盾和冲突。

在不断的简化中，必然有失真，这时就要用经验系数去校正。这方面我们还有许多工作要做，对每一结构类型的凿岩机，都可以研究出一套基本通用的计算公式。

6.3.3 液压凿岩机代数设计计算公式的输入输出

代数公式计算输入的是冲击能，冲击频率，冲击末速度，进油压力， 输出的是活塞质量，活塞前后受压面积，活塞行程，信号孔位置，阀的结构尺寸，阀行程，开口量，凿岩机进油流量等等。

6.4 强化实验研究

6.4.1 液压凿岩机实验的分类

在理论分析指导下的实验研究是必不可少的，我们的力学模型，数学模型是否正确，简化是否合理，都需要实验验证。数值仿真计算就更需要实验验证了。

这里所说的实验主要是凿岩机内部机理实验，也可是型式实验，而不是出厂实验。

6.4.2 液压凿岩机实验的规范

实验的各种条件，包括样机，液压系统，测量方法，仪器仪表，都应该是明确的，实验的结果应该是真实的，可重复的，重复实验的误差应该进行分析。实验的时间、地点与参加人应该注明。

6.5 数值计算研究

6.5.1 数值计算的定义

数值计算就是虚拟样机技术，因此数学模型要尽可能逼近力学模型与物理模型，数值计算需要输入的数据很多，需要详细的凿岩机图纸数据，否则不能称之为虚拟样机。

数值计算又叫动态仿真，我国在数值计算方面的论文太多了。有基于AMESim的仿真，基于Simulink的动态仿真，基于MATLAB的计算机仿真，准匀加速度法仿真计算，键合图方法仿真，等等。

6.5.2 液压凿岩机数值计算输入输出的基本要求

冲击机构数值计算中，进油流量必须是输入值，而压力是输出值。

数值计算输出结果不能仅仅是冲击能，冲击频率等，必须能输出活塞运动速度、位移，换向阀的速度、位移，活塞前后腔压力的曲线。并且能够描述出液压油的空化与气蚀现象。

数值计算的结果曲线应该用实验曲线验证，未经实验验证的仿真计算是不可信的。

数值计算的结果应该是真实的，不能弄虚作假，其他人也可以重复运行程序。

6.5.3 液压凿岩机数值计算程序的基本要求

数值计算的程序应该模块化，数值计算需要花费大量的精力与时间，不是一个人短时间能够完成的，因此数值计算的程序应该模块化，可以由一组人员分工，进行编写。

数值计算程序应该界面友好，参数的改变，应在界面中进行，而不应在程序中进行。

数值计算的模型与程序应该是持续改进的，和所有的计算机软件一样，应该有版本号。液压凿岩机数值计算程序应该通用工具化，不要搞成专用工具。不能只有作者自己用，换一个人就不能用。

6.5.3 液压凿岩机数值计算程序的难点

虚拟样机技术是一项浩繁的工程，但是并不是遥不可及。内燃机的燃烧过程，牵涉到化学，燃烧学，热学，力学，都可以做到数值仿真，并且在发动机设计中起到重要作用。冲击机构的数值仿真也一定能做到，但是这要求有一个精干的团队和一个好的实验条件。

数值计算程序都是针对某一个特定的图纸的，因此通用性较差。不要指望适合于单腔回油的凿岩机，也能适合非单腔回油的凿岩机。也不要指望适合于芯阀结构的凿岩机，也能适合套阀结构的凿岩机。这也是数值计算应用的一个难点。我们至少应该做到，对某一相同结构类型的液压凿岩机，具有通用性。

7 我国液压凿岩机设计研究的政策建议

7.1 以企业为主体，产学研结合

过去几十年，我国液压凿岩机设计研究是以高校和研究所为主体的，和企业产品开发联系较少。事实证明，我国液压凿岩机设计研究进步不大，只有以有实力的大企业为主体，厂学研结合，学校与研究所自己不搞产品生产，只为社会和企业提供知识与技术，各自发挥自己的优势，才是我国液压凿岩机技术与产品的发展道路。

7.2 以行业协会为主体，组织技术交流

与凿岩机的生产、使用有关的行业有凿岩机械气动工具、煤炭、矿山、铁路、水电、冶金等等，在1980年代，矿山机械行业组织过液压凿岩机技术交流会， 1990年代初期， 煤炭建井行业组织过液压凿岩机技术交流会。

8 结语

（1）对我国液压凿岩机研究文献进行了分类，5大类，13个小类；

（2）分析了我国液压凿岩机技术研究的不足，3个方面的不足；

（3）列举了我国液压凿岩机设计理论的主要观点，6大类，13个观点；

（4）列举了我国液压凿岩机设计中亟待解决的5大类共11个问题；

（5）提出了我国液压凿岩机设计研究的5条学术建议；

（6）提出了我国液压凿岩机设计研究的2条政策建议。

参考文献：

[1] 梁明华.液压凿岩机旋转速度与凿岩直径的关系[J].工程机械，2001，32（6）.

[2]何雄彬.HDl35A和COPl238ME型液压凿岩机工作原理及常见故障处理[J].广东水利水电，2001（8）.

[3] 李同明.阿特拉斯ROCD7钻机使用中易出现的问题与改进[J].四川水利，2004（3）.

[4] 李强.Atlas 1838型凿岩机六种常见故障的排除[J].工程机械，2005，36（3）.

篇4

关键词：汽车电子；电力电子；教学改革

作者简介：吴晓刚（1981-），男，黑龙江哈尔滨人，哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，副教授；周美兰（1962-），女，黑龙江哈尔滨人，哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，教授。（黑龙江 哈尔滨 150080）

基金项目：本文系黑龙江省高等教育教学改革项目（项目编号：JG2201201107）、哈尔滨理工大学高等教育研究重点项目（项目编号：A201200004）的研究成果。

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）28-0098-02

随着汽车产业的发展，电子技术在汽车上的应用已成为汽车设计研究部门考虑汽车结构革新的重要原因。在国外，平均每辆汽车上的电子装置在整车成本中占20%～25%，一些豪华轿车上装有40多个微处理器，有的汽车电子产品甚至占整车成本的50%以上。许多汽车制造商都认为，增加汽车电子装备的数量，促进汽车电子化是夺取未来汽车市场的有效手段。[1]

在对汽车电子技术的教学研究中，文献[2]提出优化“汽车电子与控制”配置课程的内容、改革结构体系、改革教学方法和手段、加强实验建设和课程设计环节等改革思路。文献[3]分析了“汽车电子控制技术”课程在理论教学和实践教学方面的问题，提出了灵活多样的理论教学改革方案和采用项目教学法等加强实践环节教学的建议。文献[4]介绍了汽车电子控制技术课程精品实验项目的设计思想、主要环节及具体实践。文献[5]将虚拟仪器LabVIEW软件应用于汽车电子技术综合性和设计性虚拟实验中，并进行了实验教学的实践。文献[6]开发了汽车电子控制系统实验教学所需要的嵌入式系统，完成了实验箱硬件及教学实验所需的支撑软件，并在此基础上开展了教学实践。文献[7]介绍了在电子信息工程专业开设汽车电子系列特色课程的研究。

在汽车电子中，涉及到电力电子技术的内容通常称为汽车电力电子技术，并且成为了电力电子技术的重要分支。哈尔滨理工大学（以下简称“我校”）电气工程及其自动化专业下的电力电子方向，在汽车电子研究上已有了十几年的基础。在依托汽车电子驱动控制与系统集成教育部工程研究中心和黑龙江汽车电子技术研究中心科研基地的基础上，形成了以新能源汽车动力系统控制和汽车电子驱动控制为特色的研究方向，并培养了大量的硕士研究生和博士。因此，为了在本科教学中体现我校电气工程及其自动化专业的办学特色，结合在汽车电子方向上的研究成果，在2010年制定的电气工程及其自动化专业电力电子方向本科生培养方案中，特别增设了“汽车电子技术”专业方向选修课。本文以“汽车电子技术”课程作为研究和实践对象，通过课程结构优化设置和考核方式改革，结合现场教学和研究性教学的教学方法，实现具有特色的专业选修课教学。

一、“汽车电子技术”课程结构

“汽车电子技术”课程开设在大学四年级上学期，为专业选修课程，2学分，共32学时。其中理论教学22学时，实践教学10学时。根据电气工程及其自动化专业的基础课程和平台课程设置，结合汽车电子技术的主要特点，“汽车电子技术”课程的理论教学可分为6个模块，如图1所示。

在“汽车电子技术”课的理论教学环节中，第一部分，先介绍汽车电子的基本概念，回顾汽车电子技术的发展历史，通过实例分析介绍汽车电子对汽车安全与节能的影响，结合电气工程及其自动化专业的相关知识，讲述汽车电子与电力电子的关系。

第二部分，介绍汽车电子技术中常用的器件。包括光电、霍尔、电阻等各类传感器，常用于汽车电子控制系统中的单片机选型及选用依据，汽车电子控制系统中所用的交直流电机、电磁阀等执行器件的工作原理和控制方法。

第三部分，在以上介绍的基础上，着重介绍汽车变速器电控、ABS系统、动力转向电控等汽车电子控制系统的设计方法，主要内容包括电控系统开发遵循的标准、硬件电路设计和软件编程方法，特别强调目前汽车电子控制系统中所用的V流程开发模式。

第四部分，结合新能源汽车的热点问题，充分发挥电气工程及其自动化专业知识在电动汽车方面的运用。本门课与目前车辆工程专业所开设的“汽车电子技术”不同之处在于，省去了传统以发动机作为主导的汽车动力系统控制部分，强化了电驱动系统的匹配与设计部分。该部分内容除了包含对于汽车动力系统设计方法和匹配规律的介绍外，还增加了对于电动汽车动力系统控制的一般方法介绍。

第五部分，介绍汽车电器系统，包括汽车仪表系统、灯光照明系统、电动门锁系统、电动车窗、电动后视镜、电动天窗、电动座椅、车载空调系统、车载音响系统、车载电视娱乐系统、车载无线通讯系统、电子导航与全球定位系统、智能交通系统和车载网络系统等方面的内容。

第六部分是课程的最后部分，介绍汽车电子控制系统中可靠性的评价标准和一般的故障诊断方法。

以上六部分构成了我校电气工程及其自动化专业“汽车电子技术”理论教学的主要内容。

在“汽车电子技术”课程的实践教学过程中，主要有实验和课程设计两种方式。实验课作为学生在校内实现理论联系实际的一种比较有效的手段，学生通过实验能够加深对课程理论知识的理解，并能够培养一定的实践能力。我校在电气工程及其自动化专业“汽车电子技术”实验课的设置上，主要分为5个部分，如图2所示。

课程设计是提高学生分析问题和解决问题能力的重要手段，它不但可以使学生加深对理论和实验课程的理解，而且能够使学生将所学的课程内容与相关课程综合起来，提高了知识的应用能力。[8]“汽车电子技术”是一门实践性很强的课程，课程设计主要结合我校电气工程及其自动化专业平台课的知识，以电动汽车控制系统作为设计目标，让学生结合电力电子技术的相关知识进行设计。

二、“汽车电子技术”课程教学方法的改革

对于“汽车电子技术”课程来说，涉及到的汽车电子控制系统单靠语言描述是很难讲清楚的，而通过传统的板书教学方式，也很难清晰勾勒出汽车电子控制系统的原理和工作过程。因此本门课在授课方式上采用多媒体教学的方式，通过多媒体课件制作出的动画及示意图等来展示汽车电子控制系统的结构、组成及工作原理，使教学的内容直观清晰，易于理解。

在“汽车电子技术”课程的教学过程中，除了正常的多媒体课堂教学外，还采用了现场教学结合研究性教学的授课方法。现场教学即依托我校汽车电子驱动控制与系统集成教育部工程中心的实验平台，使学生到工程中心参观现场演示，并试用工程中心开发的汽车电子产品实验样机。这些教学手段可以使学生对汽车电子的功能及开发有更直观的认识。除此之外，教学内容中以汽车电子产品的项目开发作为主导。例如在“汽车电子控制系统的设计”这部分内容讲授时，可自始至终以工程中心开发的汽车变速器控制单元作为对象，从汽车电子产品开发的前期调研、方案论证，到中间环节的样机开发、功能验证，再到最后环节的样机标定、测试等进行全方位的介绍。通过这样的讲授，学生对汽车电子的感性知识加深，在理论学习中的目的就会变得明确，清楚地认识到需要掌握的主要内容。

三、“汽车电子技术”课程考核方式

为了有效地组织教学，突出“汽车电子技术”课程的实践性，改革了这门课程的考核方式。我校其他专业课程的考核方式大部分是以平时成绩占30%，期末卷面成绩占70%的比例进行综合评定。而由于“汽车电子技术”课程面向电气工程及其自动化专业电力电子方向的本科生，选课人数基本维持在40～60人范围内，这样的人数规模便于授课教师进行小范围内的专业指导，因此在考核方式上提出了平时成绩、作业成绩、实验成绩、课程设计与专业论文撰写相结合评定的方式。与其他课程不同之处还在于，其他课程安排的课程设计都是最终给定一个独立的成绩，而作为专业选修课，本门课程的课程设计成绩只是最终成绩的其中一部分。

目前该门课程的考核采用平时成绩占10%，作业成绩占10%，实验成绩占10%，课程设计占30%，专业小论文占40%的比例权重进行成绩的评定。这样做的好处是，不但能够充分发挥本门课理论与实践紧密结合的特点，并且可以充分激发学生的学习兴趣，培养学生的团队合作精神。

专业小论文作为考核的主要部分，在撰写过程中，授课老师首先利用2学时的时间对学生进行科技论文撰写的培训，而后引导学生充分利用学校图书馆的资源，根据各自分配到的科技论文主题进行文献的检索；学生分成了3至4名成员一组，选择关于汽车电子的主题项目，可建议主题为电动汽车整车控制器的设计、汽车防抱死ABS系统设计、汽车自动变速器控制系统设计等，学生也可以自己提出新的主题。给定主题一段时间以后，学生提交科技论文，并以学术会议的形式在课堂上进行交流，老师和其他同学可以自由根据报告者的内容提问，并提出意见和建议。该部分成绩可以当场给出，这样做的好处是激发学生的积极性，所给定的成绩能够实现主观与客观兼顾的效果，令所有同学信服。

四、结论

根据“汽车电子技术”理论与实际紧密结合的特点，结合所开设课程在电气工程及其自动化专业的实际情况，提出了教学中课程内容优化配置，现场教学结合研究性教学的授课方法；考核上提出了平时、作业、实验、课程设计与科技论文撰写相结合的方式。通过这些教学改革，提高学生学习的积极性和主动性，真正能够在有限的学时内获得最实用的知识，增强学生的实践能力。

参考文献：

[1]李建秋，赵六奇，韩晓东.汽车电子学教程[M].第2版.北京：清华大学出版社，2011.

[2]周雅夫，连静，李琳辉，等.《汽车电子与控制》课程教学改革的探析[J].科技创新导报，2010，（16）：190.

[3]赵科.汽车电子控制技术教学探讨[J].新西部：理论版，2011，（27）：221-222.

[4]赵秀春，徐国凯，陈晓云.汽车电子控制技术精品实验项目设计与实践[J].大连民族学院学报，2010，12（5）：497-499.

[5]仇成群.LabVIEW在汽车电子虚拟实验教学中的应用[J].仪器仪表用户，2011，18（6）：97-98.

[6]张新丰，陈慧，孟宗良，等.控制器V型开发模式实验教学探索[J].实验室研究与探索，2012，31（2）：131-134.

篇5

无

(f0003)《武汉理工大学学报（信息与管理工程版）》征稿启事 无

科技信息

(i0001)《武汉理工大学学报（信息与管理工程版）》第34卷（2012）总目次 无

学术论文

(667)开沟铺管机自动导航系统设计与试验 伟利国 胡小安 王丽丽

(671)基于虚拟样机的减振器阻尼特性仿真与调试 张杰 谌文思 李伯华 毛利剑 胡三宝

(675)混合数据模型在建筑物三维建模中的应用 王育坚 许承福 刘立平

(680)基于进程核心的网络仿真建模及统计分析 李清平

(684)一个分布式可信中心的门限盲签名方案 胡建军

(687)凹版印刷电雕网点自动检测系统研究与设计 孟艳敏

(690)基于evm矩阵求解关键路径的方法 林铭德 戴一?

(695)基于floyd算法的校园最短路径问题分析与实现 严晓凤 陆济湘 唐双平

(699)基于本体的移动商务信息检索 毛一梅

(704)城市应急平台地名查询方法研究 张郁 王叙泉

(708)柴油机添蓝供给系统试验研究平台设计及应用 颜伏伍 芮鹏飞 刘传宝 胡杰

(712)大功率智能充电机的设计 罗冰洋 徐文静 刘思宁 莫易敏

(715)基于空间扩散模型的重金属污染源位置的研究 方玺 葛权耕 何朗

(719)外转子谐波电机的研究与分析 吴应军 乔维高 蹇林旎

(723)一类负系数解析函数族的子族 李小飞 朱志锋 王今朝

(726)基于克隆选择的免疫算法研究 周金龙 王仲君

(729)网格环境下汽车营销资源配置及其效率评估 王虎 张建友 李冰

(733)基于危机周期理论的应急管理技术创新体系 冯艳飞 黄宏纯

(737)新时期下我国经济增长传导路径的实证研究 张泉乐

(742)基于主成分分析的运输型物流企业竞争力研究 刘丹 陈丽芳

(746)名人微博的影响力评价指标研究 刘雁妮 贺和平 彭文莎

(751)基于arcgis的三维辅助规划设计 龚珍 吴浩 黎华

(754)个人所得税和企业所得税的一体化研究 徐进 杨双

(759)舰船维修经费投向的群决策分析 李璐 张亚迪 彭志高

(763)上市公司社会责任绩效影响因素实证研究 陈晓芳 孔繁国

(767)基于garch模型的证券市场风险的var度量 程淑芳 陈盛双

(772)校园一卡通资金的财务核算与核对问题研究 龚林红

(776)基于粗糙集的空管安全风险预警指标优选 杨智 罗帆

(781)b2b市场中基于mediator调节的双边协商模型 库洪锋 吴清烈

(785)动态产品供应链绩效及其驱动因素结构分析 刘进

(789)厦

市住宅地价预警研究 孙宇 叶青

(793)厦门市地价时空动态变化分析与研究 袁琳 叶青

篇6

根据肌电触发的神经肌肉电刺激(neuromuscular electrical stimulation，NMES)能改善患者肢体功能的作用、小脑顶核电刺激(fastigial nucleus stimulation， FNS)的神经源性保护原理、脊髓电刺激(spinal cord stimulation， SCS)促使大脑动脉血流分布增高的效应以及认知重新学习法(cognitive relearning，CR)的心理康复作用，本文提出了一种新型的“物理+心理”的综合康复疗法，并研制了相关的康复平台样机。该样机采用主从式结构，下位机包括肌电采集、NMES、FNS&SCS 等功能相对独立的电路模块，并通过串口与上位机(PC)进行通信。其中，NMES 模块采用了一种低频可调制方波作为电刺激波形；为了能有效地分离治疗阈值与疼痛阈值，FNS&SCS 模块则采用了随机信号调幅的无极性中频指数波；这两种电刺激波形均能解决对机体的适应性问题。

本论文主要的研究内容是基于PC 的康复平台软件的实现，按照软件工程思想、采用统一建模语言(unified modeling language， UML)、面向对象的程序设计技术(oriented object programming， OOP)，本文具体运用BCB6.0 研究并设计了自动、人工、循环三种可视化的可交互的治疗模式，为“物理+心理”疗法的实现提供了软件平台的支持。同时利用数据库、API函数、多线程、双缓冲等技术完成了治疗参数控制、串口通信、方案维护、病历登记、复诊登记、信息查询、科室信息维护、绘图参数设置等功能模块。

【关键词】 脑卒中；神经肌肉电刺激；小脑顶核电刺激；脊髓电刺激；认知重新学习法

[Abstract] The movement function diseases and such syndromes as depression etc resulted from the stroke all do badly harm to human beings’ health and mentality. It’s well known that our nerve centre (brain & spinal cord) has the outstanding plasticity， which is one of the most important discoveries of ‘Brain’s 10-Years Plan’. Although， some ordinary rehabilitation methods derived from facilitation technique can help the recovery of the patient’s movement ability， the clinical result is not satisfied.According to the improvement effect from the EMG-triggered neuromuscular electrical stimulation to the limbs，the principle of neurogenic neuroprotective electrical stimulation to the cerebella fastigial nucleus， the increase action to the cerebral artery blood stream from spinal cord stimulation and the positive mentality function from cognitive

relearning method. The integration rehabilitation method of ‘Physical & Mental’ is brought forward and the medical instrument sample has been developed.The designed therapy instrument adopts the framework of distributed control system that comprises the extension set and PC. The extension set comprises several correspondingly independent circuit modules as EMG collection，NMES and FNS&SCS， which all communicate with PC by the standard serial port. Moreover， NMES module use one of the low frequency modulating rectangle wave as the stimulation output， and in order to separate therapy threshold and ache threshold， FNS&SCS module make use of the random signal modulating and non-polar differential exponent medium frequency pulse signal as carrier wave. Both of them can effectively solve the adaptability problem of simulating waveform to the human body.

This paper’s main work is the study of PC-based rehabilitation platform software， which complies with Software Engineering， adopts Unified Modeling Language and Oriented Object Programming and uses BCB6.0. We finished three visualized and alternating treatment modes (auto， manual， circular) to afford the ‘physical & mental’ therapy

method for the patient. Utilizing database，API functions，multithread，double-buffer and other technologies， the platform software has been finished with many functions and modules， such as cure parameters control， cure project setting，serial port communication， case register， re-enroll case， patient information query，department information maintenance，drawing parameters setting etc.[Keywords] Stroke; Neuromuscular electrical stimulation; Fastigial nucleus stimulation; Spinal cord stimulation; Cognitive re-learning

认知重新学习法（CR）是源于国外一个全新的概念，它已经被证实不仅是一种有效的脑卒中康复方法，而且还具有独特的心理辅助治疗作用。CR的一般作用方式是以自发肌电所触发的NMES 等生物反馈法为基础，让患者尽力思考，增加中枢神经对痪肢的控制，增加瘫痪肌肉的肌电水平，从而在达到或超过仪器所设定阈值后能够触发电刺激。如此反复作用，一方面，也会使患者意识到这是自己主动想象的结果，从而更加努力运动，可以增强治疗信心，明显改善抑郁情绪；另一方面，随着患者认知心理的重新学习和恢复，不仅可以促进脑部功能的重新组织，还可以激活一些原来闲置不用的神经通路，使其能够替代已受损的神经功能，从而使新的神经网络得以建立，肢体功能最终得以恢复。

1 系统总体设计的原则和思路

1.1 设计原则

现代医疗仪器的设计原则一般包括：信号因素、环境因素、医学因素、经济与时代因素5 个方面，这也是本文全部设计工作的基本准则。毋庸置疑，现代医疗仪器的一个重要发展方向是数字化和智能化；而且随着“以人为本”医疗理念的逐步深入，微创、无创的治疗方式更易于让患者、医院以及社会所接受。

1.2 设计思路

①无创性的要求：传统的电刺激以有创伤的方式为主，比如单独植入电极或全部植入刺激电极、脉冲发生器和导联线等，这不仅加深了病人的痛苦，使其产生抵触心理，而且也会引起交叉感染等。

由于近年来采用表面电极的电刺激疗法(比如NMES 或TENS 等)在脑卒中康复工作中取得了良好的效果，所以，本康复平台所有的电刺激均通过表面电极来实现。②有效性的要求：所研制的康复平台以肌电触发的NMES 为主，以经皮的FNS 和SCS 为辅，并利用计算机技术为CR 疗法提供实现的手段，期望通过上述“物理+心理”疗法促使患者运动功能、脑神经以及心理功能全面有效的康复。③安全性的要求：首先，相关电路模块的电气安全是设计中需要始终贯穿的问题；其次，探讨并选取安全、合适的电刺激波也是保证疗效的关键。④直观性的要求：为了使患者和医护人员能够观察所采集到的肌电、治疗参数等数据，借以发挥视觉信号的心理反馈作用，该平台需要配置一台能旋转的15”/17”的显示器(CRT 或LCD，分辨率1024*768，256 色以上为宜)。⑤模块化的要求：考虑系统功能的扩展和后期临床实验的要求，应该将相关电路和软件设计成相对独立的模块，这样便于组装和维护。⑥信息化的要求：康复平台的软件系统不只局限于为心理疗法和治疗控制提供支持，还应该提供病历登记、信息查询、治疗方案维护等软件功能，以便将来诊断工作以及科室间的信息共享工作的开展。⑦人性化的要求：应注重医护人员使用的简便性，比如，软件中的各种治疗参数要易于维护和控制；另外，成型后的仪器样机也能在病房和科室间移动。⑧可扩展性的要求：由于所提出的创新性的康复方法需要临床实验进行验证，所以在软硬件的设计中应该尽量采用便于功能扩展的技术和方法。

2 设计策略与技术路线

2.1 设计策略

当前数字医疗仪器的设计结构和方式有以下几种：①采用传统的基于单片机或DSP(数字信号处理器)控制的一体化式结构，体积小巧，结构紧凑，但功能不够强大，难于维护和升级。②运用新兴的虚拟仪器(virtual instruments， VI)技术，虽然设计周期短，技术更新快，但是专业软硬件设备的成本过高，也不符合仪器的后期小型化的需求。③ 使用当前流行的嵌入式技术(embedded technology，ET)，那么仅在嵌入式系统的移植、搭建交叉编译环境、驱动与GUI 设计等方面就会耗费大量的时间和精力；此外市场上能符合本系统性能要求的开发板也是寥寥无几，价格不菲。④采用模块化电路结合PC 的方式，首先在制定好通信接口与协议的前提下，电路模块和软件系统可以分别独立设计；其次电路模块可以采用成熟的技术来实现(如51 单片机)，而且PC 价格低廉，设计资料丰富；最后成型的电路模块分别与PC 上的软件进行联调组装即可。此外，这种方式也便于今后向工控机上移植。根据上述分析，作者借鉴了多参数生理监护仪和B 超工作站的设计方式，采用这种电路模块结合PC 的主从式结构以及“总—分—总”的设计策略，即先进行总体设计，再分别实现各个软/硬件模块，最后修改、调试、组装，完成样机。

2.2 技术路线

本设计主要的技术路线如下所述：①康复平台总体采用上述“主从式”结构，下位机的各个电路采用模块化设计方法；上位机(PC)的软件系统主要负责治疗参数控制，进行视觉信号反馈等。②具体而言，下位机应该至少包括肌电采集、NMES、FNS 以及SCS 电路，并统一使用MCS51作为主控单片机；考虑到所需要的肌电信号的频率范围，上下位机间通过标准的RS232 串口进行通信即可。考虑到一般的PC 配置有两个串口，所以可以把作为主要治疗手段的NMES 模块以及采集电路与串口1 连接，而将作为辅助治疗方法的 FNS、SCS 合并为一个模块并且与串口2 相连。③上位机软件主要实现以下功能：①借助软件所提供的视觉反馈引出CR 的心理作用，即肌电信号超过预定阈值后能触发NMES 的反馈作用；②通过串口控制采集电路和刺激电路模块；③提供病历登记、信息查询、治疗参数维护等功能模块。④成型后的样机拟组装于能移动的推车中以方便医护人员的使用。

总体的技术路线可总结为：立足于脑卒中康复理论和方法的创新，尽量采用成熟稳定的技术和方法。这样能尽快地完成样机的设计工作，从而能较快地对所采用的综合康复方法进行验证，并为后期的临床实验和技术升级做好准备。

3 系统总体设计

3.1 系统总体结构设计

综上所述，所设计的脑神经网络综合康复平台包括四部分，分别为肌电采集模块、NMES 模块、FNS&SCS 模块和康复平台软件系统(总体结构如1所示)。

其中，肌电采集模块和NMES 模块通过串口1与PC 进行通信，FNS&SCS 模块通过串口2 与PC进行通信。

3.2 物理+心理疗法的总体设计

本设计所提出的这种“物理+心理”的综合康复疗法无疑是整个系统的立足点，它不仅决定着系统性能的优劣，而且直接影响着软硬件的设计思路和实现方式。经过对生物反馈方法以及心理疗法的分析，结合医疗仪器控制与反馈技术的发展，作者提出了“开环治疗”及“闭环治疗”这两种主要的康复治疗模式。①闭环治疗这里的“闭环治疗”指的就是自发肌电所触发的NMES，其治疗流程如图2 所示。①首先让患者尽力思考，增加痪肢的肌电水平，由肌电采集模块检测并发送所采集到的微弱信号。②上位机软件同步显示所采集到的肌电以及预置的电刺激阈值，当某一时刻，患者努力活动的肌电最值超过这个阈值时，系统就启动一次NMES，从而引起一次有功能活动的肌肉收缩作为对患者努力的“回报”和“奖

励”。③软件的阈值能根据患者的肌电水平自动进行调节，从而促使患者不断地努力活动，不断得到这种奖励性质的电刺激。④如此反复，形成一种自发肌电触发NMES 的“闭环治疗”方式。总体而言，它在理论上可以为CR 的实现提供支持，即通过这种视觉信号的反馈使患者意识到这是自己想象和运动的结果，从而更加主动地去活动。在通过NMES改善脑卒中患者运动能力、重建大脑和瘫痪肌肉的

功能联系的同时，也能增强患者的治愈信心，改善抑郁情绪，从而促使患者认知的重新学习和心理功能的康复。

②开环治疗

“开环治疗”方式指的是传统的被动的康复方法，即系统只进行常规的电刺激(包括NMES，或FNS&SCS)治疗，此时系统所采集并描绘的肌电信号只起一种显示作用，而不再触发NMES，即是一种单向的开环的治疗。一般而言，这种方式适用于当患者肢体功能有一定恢复的中后期阶段的康复治疗。

当然，系统所提供的FNS&SCS 模块也能单独使用，比如在康复早期对患者进行FNS，借以发挥其改善患者大脑血流、保护脑神经组织、促进神经功能恢复的功效。此外，由于脑卒中患者在发病初期的自发肌电水平是非常微弱的，一般在2~20μV之间，远远不能达到促使肢体正常运动的目的。所以，可设想在康复初期经过本康复平台的FNS 或SCS 后，待其自发肌电水平有一定增加的情况下，再进行上述的“闭环治疗”，这也是一种可能的策略。

4 总结

篇7

目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，CAD/CAM与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。长期以来，我国的数控系统为传统的封闭式体系结构，CNC只能作为非智能的机床运动控制器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实际加工前用手工方式或通过CAD/CAM及自动编程系统进行编制。CAD/CAM和CNC之间没有反馈控制环节，整个制造过程中CNC只是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加工参数，无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环节随机修正CAD/CAM中的设定量，因而影响CNC的工作效率和产品加工质量。由此可见，传统CNC系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构，限制了CNC向多变量智能化控制发展，已不适应日益复杂的制造过程，因此，对数控技术实行变革势在必行。

二、数控技术发展趋势

（一）性能发展方向

（1）高速高精高效化。速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速高精高效化已大大提高。（2）柔性化。包含两方面：数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖面大，可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；群控系统的柔性，同一群控系统能依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大限度地发挥群控系统的效能。（3）工艺复合性和多轴化。以减少工序、辅助时间为主要目的的一种复合加工，正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。数控技术轴，西门子880系统控制轴数可达24轴。（4）实时智能化。而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。

（二）功能发展方向

（1）用户界面图形化。用户界面是数控系统与使用者之间的对话接口。由于不同用户对界面的要求不同，因而开发用户界面的工作量极大，用户界面成为计算机软件研制中最困难的部分之一。图形用户界面极大地方便了非专业用户的使用，人们可以通过窗口和菜单进行操作，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。（2）科学计算可视化。科学计算可视化可用于高效处理数据和解释数据，使信息交流不再局限于用文字和语言表达，而可以直接使用图形、图像、动画等可视信息。可视化技术与虚拟环境技术相结合，进一步拓宽了应用领域，如无图纸设计、虚拟样机技术等，这对缩短产品设计周期、提高产品质量、降低产品成本具有重要意义。（3）多媒体技术应用。多媒体技术集计算机、声像和通信技术于一体，使计算机具有综合处理声音、文字、图像和视频信息的能力。在数控技术领域，应用多媒体技术可以做到信息处理综合化、智能化，在实时监控系统和生产现场设备的故障诊断、生产过程参数监测等方面有着重大的应用价值。

（三）体系结构的发展

（1）集成化。采用高度集成化CPU、RISC芯片和大规模可编程集成电路FPGA、EPLD、CPLD以及专用集成电路ASIC芯片，可提高数控系统的集成度和软硬件运行速度。应用FPD平板显示技术，可提高显示器性能。平板显示器具有科技含量高、重量轻、体积小、功耗低、便于携带等优点，可实现超大尺寸显示，成为和CRT抗衡的新兴显示技术，是21世纪显示技术的主流。应用先进封装和互连技术，将半导体和表面安装技术融为一体。通过提高集成电路密度、减少互连长度和数量来降低产品价格，改进性能，减小组件尺寸，提高系统的可靠性。（2）模块化。硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化。根据不同的功能需求，将基本模块，如CPU、存储器、位置伺服、PLC、输入输出接口、通讯等模块，作成标准的系列化产品，通过积木方式进行功能裁剪和模块数量的增减，构成不同档次的数控系统。（3）网络化。机床联网可进行远程控制和无人化操作。通过机床联网，可在任何一台机床上对其它机床进行编程、设定、操作、运行，不同机床的画面可同时显示在每一台机床的屏幕上。（4）通用型开放式闭环控制模式。由于制造过程是一个具有多变量控制和加工工艺综合作用的复杂过程，包含诸如加工尺寸、形状、振动、噪声、温度和热变形等各种变化因素，因此，要实现加工过程的多目标优化，必须采用多变量的闭环控制，在实时加工过程中动态调整加工过程变量。加工过程中采用开放式通用型实时动态全闭环控制模式，易于将计算机实时智能技术、网络技术、多媒体技术、CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，构成严密的制造过程闭环控制体系，从而实现集成化、智能化、网络化。

三、智能化新一代PCNC数控系统

当前开发研究适应于复杂制造过程的、具有闭环控制体系结构的、智能化新一代PCNC数控系统已成为可能。智能化新一代PCNC数控系统将计算机智能技术、网络技术、CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，形成严密的制造过程闭环控制体系。

参考文献：

[1]电动机降压起动器的选择与分析，凌浩，2000.12vol.20P66.

[2]交流异步电动机的软起动与保护探讨，何友全矿山机械，2000.5.

[3]陈伯时、陈敏逊，交流调速系统，机械工业出版社，1997.

篇8

关键词：ZDJ9电动转辙机CREO1.0 Pro/INTRALINK自顶向下 协同化

中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）01（b）-0036-02

西安铁路信号有限责任公司隶属于中国铁路通信信号集团公司，是1959年由铁道部直接规划和创建的、铁道部定点研发、生产铁路信号设备的专业重点企业。多年来，公司先后研制了多种型号的道岔转换设备产品，包括各种铁路道岔用的ZD6系列转辙机、ZD（J）9系列电动转辙机、外锁闭装置、安装装置等多种产品，图纸数量庞大。

随着铁路技术的进步，铁路系统对铁路信号产品的性能要求越来越高，设计和改型任务越来越多，设计和生产的时间要求也越来越紧，原始的图纸管理、设计管理凸显落后，存在的问题如下：（1）现有的产品研发模式设计周期长、难度大、效率低。（2）数据的安全性和准确性差。（3）数据积累和重用困难。（4）标准件、通用件、外购件缺乏有效管理。（5）无法开展有效的协同设计。

基于以上问题，公司引入了PTC公司的CREO1.0、Pro/INTRALINK软件来管理数据，它能对工程数据信息进行同时地传达交流操作，以及对复杂产品的相互关系进行管理。通过INTRALINK的数据管理功能，实现了ZDJ9电动转辙机的协同化设计，缩短了设计周期，为加工生产争取更多的时间成为可能。通过数字样机和仿真分析，减少了样机试制的费用，降低了研发成本。本文围绕ZDJ9电动转辙机对INTRALINK下的协同化设计实施进行介绍。

1 设计方法及步骤

使用Creo1.0、Pro/INTRALINK软件，采用自顶向下的设计方法，完成了ZDJ9电动转辙机的协同化设计，提高了设计效率和设计质量。其方法和步骤如以下几点。

1.1 确定设计师系统及产品功能划分

根据设计目的，在Pro/INTRALINK系统中确定产品的各个功能模块，形成产品结构树。并按照模块要求设定设计师的权限。如图1所示

1.2 总体设计师确定产品组成、布局和关键尺寸

ZDJ9转辙机总体设计师根据铁路道岔转换设备的总体要求、转辙机的相关技术要求和性能及可靠性要求，按优化设计原则，确定ZDJ9电动转辙机的功能模块、关键尺寸以及各模块之间的接口尺寸，形成了满足产品功能要求的总体设计方案；然后在此基础上，通过AutoCAD、word等软件构建ZDJ9转辙机整机草图，将关键尺寸、接口尺寸、约束条件、关键设计参数等设计信息进行汇总，以驱动整个产品的设计、修改；确定产品的装配关系；建立部件参数表，表中包括全局参数、关系和全局位置信息，以及组件、约束条件、需求、各部件的装配技术要求、整机装配技术要求。如图2所示

1.3 总体设计师创建ZDJ9转辙机整机骨架模型

总体设计师在CREO1.0中创建ZDJ9转辙机的整机骨架模型，将转辙机的真实结构，用线链、曲面、基准表达出来，建立转辙机的主要模块的主要结构、空间装配位置和各模块之间的接口。ZDJ9转辙机的整机骨架模型如图3所示。

1.4 骨架模型的检入及分发

总体设计师完成骨架模型的设计后，便可以通过CREO1.0的几何功能，自上而下地分解设计目标，将设计信息传递给各个模块的具体设计师。各模块的设计师从整机骨架模型中通过复制整机骨架模型中的几何来获取自己模块范围内的定位基准和关键的尺寸，而展开整个产品的设计过程是在上级模块所确定的边界内部，最后完成产品总体性能上的最优设计。各模块的设计人员和总体设计的人员通过采用INTRALINK软件就可以同时的开展设计，这两组工作人员还可以进行相互参考设计。主要是由总体设计人员先将骨架模型加入到INTRALINK软件的公用区内，然后，各模块的设计人员便可从公用区中得到自己模块所属的几何，完成骨架零件分发。因此，各设计人员在INTRALINK软件的公用区中可以得到自己需要的最新的设计资料。

1.5 各模块设计师开展自己的设计工作

各个功能模块的设计师根据上一级设计师给出的骨架文件在本地具体化后开始设计工作，创建方法有如下两种，可按实际情况选择。

（1）在装配中，建立零部件，然后利用复制几何功能复制属于本功能模块的几何，做为生成实体的基础。

（2）简单零件直接根据需要设计。如图4所示

1.6 ZDJ9电动转辙机整机的装配

各级设计师根据骨架信息，自下往上，逐级构造装配件，直至完成最终产品的装配。如图5所示

2 自顶向下进行协同化研发的优势

2.1 有效的协同化开发团队

在没有INTRALINK之前，团队之间的协同只能通过开会，面对面地交流，以及数据的拷贝，进行信息共享。INTRALINK通过提供单一的数据存储空间，不但将不同的设计人员组织在一起，共同完成一个项目的设计任务，还实现了设计数据的及时共享。每个设计人员不仅是数据的提交者，也是数据的使用者。设计团队在INTRALINK提供的虚拟空间中协同工作，减少因沟通不便带来的设计延误。在Pro/INTRALINK中，团队是按角色进行管理，每个人可以在一个团队中承当不同的角色，每个角色被赋予不同的权限。

2.2 信息共享和安全控制

在某些方面，信息的共享和安全是相互排斥的，但是它们在INTRALINK中得到很好的统一。INTRALINK不仅通过公共区实现了数据的共享，还通过状态以及权限策略保证数据的安全性。它通过基于文件夹的权限设计，为数据提供安全访问。系统可以定义，谁可以访问什么状态的数据。为了防止两个以上人员同时修改同一个数据的情况，INTRALINK提供了检出/检入机制，保证在一个人员修改数据的时候，其他人员只能查看而不能修改该数据。所有修改的数据都保存在INTRALINK中，便于查询和使用历史数据。

2.3 设计人员可集中精力进行设计，无须做数据管理工作

数据管理工作完全由INTRALINK系统实现，各设计师不必花费精力去考虑数据文件的存储、版本、更新以及设计变更后通知相关人员的问题。INTRALINK系统是控制数据相关性和变更在所有设计部门间传递的极佳工具。

2.4 转阶段管理

通过阶段基线，对特定时间点的技术状态进行标识和记录，获得特定状态唯一的模型结构树。通过批量转换阶段标识和调整模型结构树，简化新阶段的初始化工作。通过转阶段管理不仅保证数据的齐套性，方便设计评审，还可以对设计历史进行追溯，提高设计质量，缩短设计复查时间。

2.5 可有效提高设计效率

使用INTRALINK系统，采用自顶向下的协同化设计方法，可保证产品的关键信息始终处于整个设计的核心，而设计过程则是通过捕捉核心设计信息的修改将自动更新整个产品系统。总体设计师对于总体结构、尺寸和分系统接口尺寸的更改能迅速自顶向下传递到各个子系统并自动更改，分系统设计工程师无需进行更改工作。增加了设计的灵活性，极大提高了设计效率。

2.6 可有效避免人为错误

在设计过程中可有效避免接口不一致、零部件干涉等人为错误；若要求生成二维图，则可完全避免视图错误和画法几何错误。

2.7 可有效避免重复工作

在INTRALINK环境中建立标准件库、常用件库，在设计师需要时直接插入模型即可。由于INTRALINK采用开放的产品模型信息访问环境，因而在进行设计工作时，对于INTRALINK系统中已存在的数据均可方便的直接使用或借用，避免了重复工作，提高设计效率。

3 结论

通过使用CREO1.0、Pro/INTRALINK软件，并使用自顶向下的设计方法，圆满完成了ZDJ9电动转辙机的协同化研发设计。ZDJ9电动转辙机协同化设计小组第一次近距离的在工作中接触到和使用到了先进的产品数据管理方法，提高了工作效率，加强了团队设计协同。借此契机，以企业信息化带动整个工作效率和管理效率的提高成为今后工作的一个方向。同时，企业级的信息化工作还要面临更多的挑战，将先进的解决方案引入的同时，更多的工作是将其与企业实际相结合并发挥作用。

参考文献

[1] 李凯.宇航火箭发动机自顶向下的并行设计[D].PTC技术论文精选，2003.

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随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理。

长期以来，我国的数控系统为传统的封闭式体系结构，CNC只能作为非智能的机床运动控制器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实际加工前用手工方式或通过CAD/CAM及自动编程系统进行编制。CAD/CAM和CNC之间没有反馈控制环节，整个制造过程中CNC只是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加工参数，无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环节随机修正CAD/CAM中的设定量，因而影响CNC的工作效率和产品加工质量。由此可见，传统CNC系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构，限制了CNC向多变量智能化控制发展，己不适应日益复杂的制造过程，因此，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为我们国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。

2.数控技术的发展趋势

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，他对国计民生的一些重要行业的发展起着越来越重要的作用。从目前世界上数控技术发展的趋势来看，主要有如下几个方面：

2.1高精度、高速度的发展趋势

尽管十多年前就出现高精度高速度的趋势，但是科学技术的发展是没有止境的，高精度、高速度的内涵也在不断变化，目前正在向着精度和速度的极限发展。

效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一，国际生产工程学会将其确定为21世纪的中心研究方向之一。在轿车工业领域，年产30万辆的生产节拍是40秒/辆，而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝合金坯料"掏空"的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。

2.25轴联动加工和复合加工机床快速发展

采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，1台5轴联动机床的效率可以等于2台3轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，5轴联动加工可比3轴联动加工发挥更高的效益。但过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比3轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了5轴联动机床的发展。当前由于电主轴的出现，使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床（含5面加工机床）的发展。

2.3智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势

21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，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、自动识别负自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，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。为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。

目前许多国家对开放式数控系统进行研究，数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。

3.结束语

随着人们对数控技术重视，它的发展越发迅速。文中简要陈述当前的发展趋势，另外数控技术的正不断走向集成化，并行化，仍有广阔的发展空间。

参考文献

[1]王立新.浅谈数控技术的发展趋势[J].赤峰学院学报.2007.

[2]董淳.数控系统技术发展的新趋势[J].可编程控制器与工厂自动化.2006.

[3]张亚力.简述数控发展的新趋势[J].国土资源高等职业教育研究.2005.

[4]陈芳.数控技术的发展和途径[J].科技资讯.2008.

篇10

（安徽省新技术推广站，合肥 230061）

摘要：我国制造业规模居世界第一位，但大而不强，能力过剩和结构性短缺反差强烈，高端装备的核心、关键零部件受制于人，成为制造业转型升级瓶颈。国内大部分企业以传统的生产方式已达到极限水平，难以满足高端装备对核心、关键零部件的精密、小体积、高靠性等要求。信息技术与制造业协同创新、深度融合正在引领制造业向智能制造变革。

本文以提高零部件的装配精度为切入点，探索在现有加工设备的条件下，利用成熟的精密测量、数据存储和计算机软硬件等技术，以传统选配工艺和全零件测量数据为基础，解决传统选配方案凭经验和判断性测量，难以确定本企业最优分组数和最佳装配精度，实现企业的制造工艺向拥有核心灵魂的原始创新跨越，突破高端装备核心、关键零部件的制造瓶颈。

关键词 ：高端装备核心零部件; 性能; 装配精度; 集成创新

收稿日期：2015-06-30，修回日期：2015-08-04

作者简介：杨成，男，安徽省新技术推广站推广二室主任。上海交通大学机械制造及工艺专业毕业，长期从事企业信息化和技术创新体系建设的推广工作。对企业信息化和技术创新体系建设内容、步骤及实施方法论有一定造诣，形成了一套数据分析、建模及异常数据模型优化的方法论，主持编制了安徽省地方标准《中小企业成长性评价》（DB34/T 2330 ～ 32）。

1 装备制造转型升级的瓶颈和机遇

制造业是国民经济的主体，是立国之本、兴国之器、强国之基。经过几十年快速发展，我国制造业规模跃居世界第一位，但制造业大而不强，总体仍处于国际分工和产业链的中低端，尤其在经济增速放缓以及市场需求下降的今天，高端装备核心、关键零部件为发达国家所掌控，受制于人的矛盾会愈发突出，能力过剩和结构性短缺反差强烈，加剧了产业“国退洋进”风险，严重制约了制造业转型升级，是制造业“由大变强”的瓶颈。如挖掘机的液压系统和发动机两项组成的核心零部件就占成本的42%，工业机器人三大核心零部件减速器、控制器和伺服电机占成本的75%，市场份额占据了国内70% 以上，且外商凭借市场垄断制定了大量“霸王条款”，要求国内企业提前订货期，甚至延长订单交货期等，严重影响了行业正常生产秩序。

当前，新一代信息技术与制造业深度融合，正在引发影响深远的产业变革。基于信息系统的智能装备、数字车间和智能工厂等智能制造正在引领制造方式变革。跨领域、跨行业协同创新，为高端核心、关键零部件等重点领域关键共性技术的突破提供了新的路径。本文以提高零部件装配精度为切入点，将现代精密测量、大数据存储计算与传统的选配工艺融合，探索跨领域跨行业协同创新的新路径。

2 改善零部件装配精度的理论思考

高端装备的核心、关键零部件结构复杂、精密度高，且要求体积小、重量轻、噪音低、振动小、可靠性高、运行平稳和寿命长。随着相关产业的快速发展，对产品的性能指标提出了越来越高的要求。在制造上，业内基本是提高零件的加工精度或装配精度来解决。作为本身精密度要求极高的产品，大部分零件的加工精度己经达到了当前生产设备的极限水平。如果再提高零件的加工精度，势必要对加工设备更新换代，这将使生产成本以指数级增加，如没有批量和高技术工人保障，不具有可行性。在现有的生产设备的条件下，调整装配工艺是可行的途径。

对传统手工模式而言，调整精密产品的装配工艺难度极高。一方面，精密产品零件数量多、精度高，且零件间配合关系复杂，任何细微差错都会体现在产品的最终性能上；另一方面，调整选配方案，无论是方案设计、验证工作量，还是执行过程中的测量、保管、运输和分组等工作量都将呈指数倍增加。随着高精度检测、计算机和存储技术的发展，网络化、数字化和智能化闭环制造系统成为高端制造的发展方向，制约选配方案优化的零件检测量、检测精度、人工分组计算验证工作量和生产成本等制约因素得到了很大改善。

3 关联技术的发展现状

3.1 传统的装配工艺

（1）机械装配。

按照设计的技术要求，实现机械零件或部件的连接，组合成机器。机械装配是机器制造的重要环节，装配工作的好坏对机器的效能、修理的工期、工作的劳力和成本等都起着非常重要的作用。零件的装配有互换、选配、修配和调整4 种配合方法，批量生产主要是互换法和选配法。

（2）互换法。

装配的同一种零件能互换装入。零件加工公差要求严格，它与配合件公差之和应符合装配精度要求，装配质量稳定可靠，装配过程简单，装配效率高，易于实现自动装配,便于组织流水作业，产品维修方便，主要适用于生产批量大的产品。但是对设备精度要求较高，尤其组成环数较多时，组成环的制造公差规定得严，零件制造困难，加工成本高。

（3）选配法。

对于组成环数少而装配精度又要求特别高的机器结构，为了提高加工经济性，将精度高的零件的加工公差放宽,然后按照实际尺寸的大小分成若干组, 使各对应的组内相互配合的零件仍能按配合要求实现互换装配。特点：①零件的制造精度不高，却可获得很高的装配精度；②组内零件可以互换，装配效率高；③凭经验和判断性测量来分组，在很大程度上取决于人的技术水平，不易准确控制装配精度；④零件的分组数不宜太多，否则会因零件测量、分类、保管和运输工作量的增大而使生产组织工作变得相当复杂；⑤难以控制各组零件数完全匹配，多余零部件浪费大。

3.2 数字化精密量具的发展现状及趋势

数字化测量是高端制造的关键技术。高环境适应性、亚微米、纳米级测量仪器从计量室进入生产现场，为高端制造网络化、数字化和智能化奠定了的基础。

（1）数字化量具发展现状及趋势。

在生产实践中，根据普通的工件精度要求，一般使用直尺、游标卡尺和千分尺等测量工具数字显示已基本普及，位移传感器的测量精度从微米量级向纳米量级提升已经成为发展趋势。Heindenhain、日本三丰及SONY 等国外公司近年来都相继推出精度达到纳米级的光栅式长度计，北京标普公司采用了有自主知识产权开发的SGG-01 型0.1 纳米测长仪, 分辨力达0.1nm，示值误差±（3+0.03L）nm。

量具基本都有数据通讯接口，但这些测量手段的准确率和效率往往与操作者的经验和工作态度有关，难以满足一些现代化生产制造场合的高效的在线100％检测要求，同时测量的数据极少在线存储。

（2）机器视觉引领高精度尺寸测量。

基于机器视觉的检测技术，以其自动化、非接触、高可靠性和多工件多尺寸（长度、距离、角度、形状和位置）高精度测量，不受操作者的疲劳度、责任心和经验等因素影响的特点，在国内外制造业得到了深入研究和广泛应用。测量仪从检验室进入车间、对生产现场零部件100%检测成为发展趋势。目前机器视觉测量精度已经达到亚微米级以上，能够满足绝大部分高精度零部件的检测要求。

德国MAHR 公司、瑞士TESA 公司和日本三丰公司等三维视像测量系统，仪器分辨力0.01μm，测量精度XY 轴（0.3+L/1000）μm，Z 轴（1+2L/1000）μm。国内西安爱德华、东莞万濠、苏州怡信、深圳鑫磊以及北京天地宇等公司也有类似产品，贵阳新天光电公司的仪器测量精度达到（1.0+L/100）μm。

3.3 数据存储发展现状与演变趋势

数据存储是增长最快的半导体技术。每12 到18 个月，存储能力就会提升一倍。如今，台式机硬盘存储容量最高可达4TB，这意味着能装下1 万张照片或562 个小时的高清视频。硬盘制造商希捷表示，到2020 年，热辅助磁记录技术将给世界带来60TB 台式机硬盘，足够存储12 万张照片或6,750 小时高清视频。

与有着60 年悠久历史的硬盘驱动器技术不同，NAND 闪存技术还很年轻，有很大的发展提升空间。如今，NAND 闪存的存储能力以每年175% 的速度增长。

MicroSD NAND 存储卡的体积比指甲还小，存储容量却超过100 亿字节。

大数据时代，云存储(Cloud Storage) 应运而生。与传统存储设备相比，云存储不再仅是一个硬件，而是一个由网络设备、存储设备和应用软件等多个部分组成的复杂系统。“云存储可颠覆磁盘阵列所代表的传统存储需求。”基于x86 服务器的分布式存储系统、虚拟化技术和闪存的广泛普及，以及软件定义的存储技术等，都使云存储能够以更低的成本快速向前发展。数据量的大小由TB 级增长至PB 级，云环境下的大数据存储成为未来的发展趋势。

4 大数据环境下的选配工艺技术实现

4.1 前期准备

（1）建立机器视觉检测线或利用现有数字化量具100% 测量加工零件精度，并在线存储，建立全部零件加工精度数据库，积累海量的零部件精度数据，通过数据统计，找到各零件基本尺寸、公差和偏差稳定的分布概率。

（2）制定产品精度提升的目标，确定组成环零件组的基本尺寸、偏差和配合公差，按照产品装配图进行数字装配，仿真运行，检查、验证验证各组成环精度可行性；并根据装配合格率、零件剩余率和生产效率，建立优化模型，经反复优化，确定加工零件分组数和选配公差。

（3）预测投入产出，确定建立数字化检测线和自动分拣生产线的可行性。

4.2 过程优化

（1）建立数字化检测线和自动分拣生产线，保证零件加工精度100% 的记录和存储。

（2）实施基于物联网的库房库位管理，对全部零部件可识别分类包装。库管人员只需将生产指令、数量输入电脑，系统会自动匹配各组别零件的库存数量，选择最佳的组别，并将所需零部件从库位上取出，送往装配车间。

（3）详细记录每个产品的出厂质量，建立产品可追溯档案；尽可能多地收集客户对产品的满意度，对客户返厂产品进行质量分析和记录。

（4）按照装配合格率、零件剩余率、生产效率、客户满意度和返厂产品质量等因素，准确及时掌握工艺系统的工作状态和误差变化趋势，持续完善优化模型、优化加工零件选配公差和分组数

（5）产品升级。利用国家的扶持政策，充分发挥科研机构理论研究优势，构建经实践验证的产品全生命周期的大数据平台，研究全生命周期数据统一模型及现场运行过程检测技术、面向故障与效率的数据关联分析技术，形成面向产品的海量实践数据和理论研究深度融合的产学研合作，实现产品从模仿设计向拥有核心灵魂的原始创新跨越。

5 大数据环境下的选配工艺的意义

5.1 低投入、高产出，突破制造业“由大变强”的瓶颈增加的检测、工艺优化和分拣设备的投入，相对研发试制高端装备核心、关键零部件巨额的研发成本微不足道。零部件制造厂商转换产品升级换代观念，走从中低端向中高端的策略，即企业以现有满足主机厂中低端产品，通过优化装配工艺，主动提高产品的性能指标，必然完全满足主机厂中低端产品的要求，一方面使主机厂用户在原机型无障碍采用，经一段时间应用后，以“实效”树立主机厂的信心，逐步推动主机厂在高端机型的核心、关键零部件上应用；另一方面，零部件制造厂商通过海量数据的积累，不断优化装配工艺，形成具有真正灵魂的、稳定的、难以模仿的工艺，保证产品的性能质量，形成经济增长新动力，塑造国际竞争优势。

5.2 效益驱动，推动零部件制造厂商智能工厂建设

通过零部件制造厂商将新一代信息技术与装配过程融合，建立零部件加工精度和装配过程的数字化——建设数字化装配车间，形成的产学研合作经验，其成果可有效树立企业两化深度融合的信心，推动企业进一步推进信息技术与制造过程深度融合，建立从毛坯、粗加工、热处理、精加工、毛刺和飞边清理打磨等到零件加工全过程的数字化，并在海量数据积累的基础上，持续优化改造现有加工工艺流程，在有限的设备投入下，实现零件的加工精度或装配精度双向提高——建设智能工厂，全面提升企业的资源配置优化、实时在线优化、生产管理精细化和智能决策科学化水平，新一轮产业竞争中，抢占智能制造这一制高点。

5.3 零件精度分组工艺不可复制，成功经验可推广

基于企业个性化设备和人员加工出零部件海量精度数据的概率分布，并根据装配合格率、零件剩余率、生产效率、客户满意度和返厂产品质量等因素，确定组成环分组数，每组零件的基本尺寸、配合公差等工艺参数和优化模型是企业产品的核心灵魂，同行企业简单复制无效，也就是企业的核心知识沉淀不可复制，可以有效保护企业产品的竞争力。本文以提高装配精度为切入点，技术创新上，需要将现代精密测量、大数据存储计算与传统的选配工艺融合，实施跨领域跨行业的协同创新，企业可完成海量的数据采集和存储，提出客户的要求，大量的理论研究、数字仿真、模型提炼优化等研究工作，企业不具优势，势必要引进专业研究机构，进行产学研合作。因此，通过项目实施，总结出的实施方法论，采用的检测设备，数字仿真软件、优化模型规则的提炼方法等，以及形成的专家团队，可在行业内共享，推动行业内企业从模仿设计向拥有核心灵魂的原始创新跨越。

6 结语

我国经济发展进入新常态，经济增速放缓，市场需求下降，资源和环境约束不断强化，劳动力等生产要素成本不断上升的环境下，整机生产企业在核心、关键零部件受制于人的背景下，难以继续通过内部挖潜以及产品提价等方式部分的转嫁上游供货商提高配件价格产生的高成本，维持较稳定的盈利能力；而新一代信息技术与制造业深度融合，基于信息物理系统的智能装备、智能工厂等智能制造正在引领制造方式变革。以市场需求为导向，利用相关领域的创新成果，通过创新链的资源配置，实施跨行业协同创新，建立以企业为主体，政产学研用相结合的制造业创新体系，是可以突破制造业核心、关键零部件的瓶颈，促进制造业数字化网络化智能化，走创新驱动的发展道路。

《智能制造》杂志征稿通知

一、征文范围

1. 数字化设计与制造

2. 智能设计理论、方法及系统

3. 自动化与现代制造系统

4. 机器人技术及应用

5. 虚拟设计与虚拟样机

6. 网络化控制与制造技术

7. 绿色设计与绿色制造中的智能技术

8. 智能加工、智能检测与控制

9. 数字企业与数字化工厂

10. 制造系统建模、运行、控制、优化与调度

11. 先进制造模式与战略

12. 制造信息与知识处理

13. 数控技术与数字化装备

14. 现场总线与无线传感网技术

注：以上内容范畴供参考，围绕智能制造全领域，具体题目请自拟。

二、论文遴选、刊录出版和基本要求

1.《智能制造》编辑部组织编委会有关专家，对投稿进行审查、遴选，择优刊登。审查遴选期限为自编辑部收到稿件后的三个月。

对于刊登的论文，编辑部提供正式录用通知。

2. 论文内容必须是作者未正式发表过的研究成果，论文主题与智能制造相关，投稿作者须恪守学术道德规范，文责自负，严禁一稿多投及中途撤稿。论文字数4000 ～ 7000 字。

3. 论文应包括以下项目：论文题目；作者简介（200 字以内，包括姓名、工作单位、通信地址、电话、手机、电子信箱等）；中文摘要、

关键词 、标题和正文、

参考文献。

三、编辑部投稿联系方式

联系人：张友苹