應用計算機輔助工程技術(shù)提升數(shù)控機床產(chǎn)品質(zhì)量

福州大學機械工程及自動化學院 聶曉根 劉艷斌

長期以來，在數(shù)控機床研發(fā)中，國內(nèi)還主要依靠仿制、經(jīng)驗設(shè)計和靜態(tài)精度檢測等為主的傳統(tǒng)的設(shè)計模式。按照這種模式，一種數(shù)控裝備的研發(fā)通常要經(jīng)過設(shè)計→試制→測試→改進設(shè)計→再試制的重復過程，產(chǎn)品研發(fā)成本高、周期長，反復性試驗難以做到充分、完善，設(shè)計人員難以對復雜形狀零部件的靜、動態(tài)強度進行精密分析，仿制雖可模仿尺寸，做到形似，但性能及核心技術(shù)難以模仿，難以做到神似，更談不上產(chǎn)品的優(yōu)化，因此傳統(tǒng)設(shè)計方法不能適應當今數(shù)控機床的研發(fā)要求[1]。

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，工程設(shè)計的理論、方法和手段發(fā)生了很大變化。近年來，集模擬分析、優(yōu)化設(shè)計、仿真等技術(shù)于一體的計算機輔助工程(Computer Aided Engineering：CAE）技術(shù)引起了人們的廣泛重視，并越來越多地應用于工程設(shè)計實踐。CAE技術(shù)是對傳統(tǒng)設(shè)計方法的一次歷史性的革命，改變了傳統(tǒng)以物理樣機為基礎(chǔ)的設(shè)計方式，大大減少了物理樣機昂貴而費時的制造及試驗過程，設(shè)計人員可以直接在計算機上，對設(shè)計對象進行造型設(shè)計、快速分析、多種設(shè)計方案比較、優(yōu)化設(shè)計等，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計問題，提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低產(chǎn)品開發(fā)成本和新產(chǎn)品開發(fā)的風險。

現(xiàn)代數(shù)控機床向著高速、高精、高效和復合化方向發(fā)展，對機床的運動性能、動力性能、機械結(jié)構(gòu)性能、加工性能，以及伺服控制等方面提出了越來越高的要求，先進設(shè)計、分析工具的缺乏，嚴重影響著我國數(shù)控機床的自主創(chuàng)新發(fā)展和產(chǎn)品競爭力[2]。在機床的研發(fā)過程中引入CAE技術(shù)，為數(shù)控機床開發(fā)研制提供一種全新的設(shè)計方法，可大幅縮短機床的研發(fā)周期、降低機床的研發(fā)成本、提高設(shè)計質(zhì)量和效率，增強企業(yè)的市場競爭能力。

一、CAE技術(shù)及其功效

CAE技術(shù)是計算機技術(shù)和工程分析技術(shù)相結(jié)合形成的新興技術(shù)，并通過各種CAE軟件發(fā)揮效能。CAE軟件是由計算力學、計算數(shù)學、結(jié)構(gòu)動力學、數(shù)字仿真技術(shù)、工程管理學與計算機等技術(shù)相結(jié)合而形成的一種綜合性、知識密集型信息產(chǎn)品，它是實現(xiàn)重大工程和工業(yè)產(chǎn)品計算分析、模擬仿真與優(yōu)化設(shè)計的工程軟件，是支持工程師、科學家進行創(chuàng)新研究、產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計最重要的工具和手段[3]。

應用CAE，可對工程或產(chǎn)品未來的結(jié)構(gòu)和運行狀態(tài)進行各種模擬，及早地發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷，并證實未來工程或產(chǎn)品功能和性能的可用性和可靠性，使產(chǎn)品的大多數(shù)問題在設(shè)計階段就可通過仿真得到解決，同時支持工程或產(chǎn)品的協(xié)同、優(yōu)化設(shè)計，使產(chǎn)品輕量化、性能最優(yōu)化和設(shè)計高效化成為可能。

從20世紀60年代初開始對CAE探索性研究與應用，到今天已經(jīng)歷了40多年的發(fā)展歷史。隨著技術(shù)學科的交互性發(fā)展，計算機智能化的不斷提高、有限元算法的成熟，以及各門實用科學的突飛猛進，使基于虛擬樣機的CAE技術(shù)日趨成熟?；谔摂M樣機的數(shù)控機床設(shè)計流程如圖1所示，它以虛擬樣機設(shè)計為中心，對產(chǎn)品進行虛擬設(shè)計，通過虛擬仿真分析，預測實際產(chǎn)品的特性，包括外觀、空間關(guān)系及運動學和動力學等特性，提供一個全面研究產(chǎn)品工作性能的方法，并通過設(shè)計中的反饋信息不斷地指導修改初始設(shè)計，保證產(chǎn)品優(yōu)化開發(fā)過程順利進行。

圖1 基于虛擬樣機的數(shù)控機床設(shè)計流程

設(shè)計過程實際上就是尋找最佳設(shè)計方案的過程。CAE技術(shù)已成為工程和產(chǎn)品設(shè)計中(如航空、航天、機械、船舶等領(lǐng)域）必不可少的數(shù)值計算、結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要工具。當今國際大型企業(yè)在產(chǎn)品研發(fā)的全生命周期中已普遍應用了CAE技術(shù)，在許多行業(yè)中，計算機輔助分析已經(jīng)成為產(chǎn)品設(shè)計與制造流程中不可逾越的一種強制性的工藝規(guī)范，CAE分析工具的應用水平成為評定企業(yè)技術(shù)水平等級、產(chǎn)品質(zhì)量和成本管理的決定性因素。然而我國機床制造企業(yè)對CAE的應用還遠不夠深入，企業(yè)在認知、掌握和應用CAE的程度遠遠低于CAD、CAM等技術(shù)，企業(yè)對CAE在產(chǎn)品開發(fā)中的創(chuàng)新作用重視不夠。增強產(chǎn)品開發(fā)能力，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高設(shè)計質(zhì)量及優(yōu)化產(chǎn)品開發(fā)流程，降低產(chǎn)品開發(fā)和維護成本，大力推廣CAE技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計和制造過程中的應用，已成為提升制造企業(yè)核心競爭力的當務之急。

二、CAE軟件平臺

1.CAE軟件分類

當前，國際上出現(xiàn)了許多商業(yè)化CAE軟件平臺，其功能攘括了結(jié)構(gòu)分析、CFD(流體動力學分析)、NVH(震動與噪聲分析)、多體動力學分析、材料成型性能分析、熱力分析、電磁分析及巖土力學分析等應用領(lǐng)域[4]。由于CAE軟件具有交叉性，其軟件平臺分類復雜，如按其研究對象可分為：靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析和動態(tài)結(jié)構(gòu)分析；按研究問題可分為線性問題和非線性問題；按物理場可分為：結(jié)構(gòu)(固體）、流體和電磁等。而結(jié)構(gòu)分析又可以分為剛度分析、強度分析、碰撞分析、疲勞分析和優(yōu)化分析等；NVH分析又可分為模態(tài)分析、頻響分析、震動分析及噪聲分析等。根據(jù)CAE軟件的應用及其特點，可將CAE軟件按如圖2所示進行分類：

通用型CAE軟件可對各類產(chǎn)品的物理力學性能進行分析、優(yōu)化，它包含了面向結(jié)構(gòu)領(lǐng)域 (如Msc.Nastran)、流體力學領(lǐng)域 (如Fluent)、多物理場耦合和多體系統(tǒng) (如ADAMS)。行業(yè)專用型是針對特定類型的工程或產(chǎn)品開發(fā)的。如用于汽車工程方面的VPG、鑄造行業(yè)的ProCAST，管道設(shè)計行業(yè)的CAEPIPE，噪聲和聲場分析的Sysnoise、AutoSEA和Actran，板材成型行業(yè)的Autoform，疲勞分析領(lǐng)域的MSC.Fatigue、FE Fatigue等。每一種CAE軟件都有自己的特點，如在線性方面有Msc.Nastran、Ansys等，隱式非線性方面有Msc.Marc、ABAQUS/Standard、ADINA等，顯式高度非線性方面有Msc.Dytran、LSDyna、ABAQUS/Explicit、Radioss等。在大多數(shù)CAE分析軟件中一般都帶有優(yōu)化算法，也有一些較專業(yè)的優(yōu)化軟件，如 Optistruct、ptiShape和Tosca等。也有CAD/CAE/CAM集成的軟件系統(tǒng)，如Pro/Engineer、 UG、 CATIA等。

圖2 CAE軟件平臺分類

2.數(shù)控機床CAE軟件平臺

數(shù)控機床是一種典型的高精密、高度自動化的復雜機電產(chǎn)品，不僅涉及到結(jié)構(gòu)單元的布局、材料的選取、結(jié)構(gòu)強度、剛度、穩(wěn)定性、加工工藝的可行性、產(chǎn)品的可維修性及可靠性，而且還涉及到光、機、電等各子系統(tǒng)相互間匹配性等諸多相互關(guān)聯(lián)的因素。因此，對數(shù)控機床進行CAE分析需要功能強大的軟件平臺支撐。

(1）分布式軟件平臺。盡管CAE技術(shù)發(fā)展迅速，但目前仍然缺乏普遍適用的支持數(shù)控機床產(chǎn)品設(shè)計全過程的數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)。目前，應用最廣泛的是分布式軟件平臺，即以一些具有良好工程實踐基礎(chǔ)的專用三維設(shè)計和動態(tài)仿真軟件為核心，配備中間轉(zhuǎn)換程序構(gòu)成一個集成的設(shè)計仿真環(huán)境。如以三維設(shè)計軟件SolidWorks、機械動力學仿真軟件ADAMS、大型有限元分析軟件ANSYS和控制仿真軟件MATLAB/SIMULIINK為核心構(gòu)建的集成化軟件平臺(如圖3所示），可對設(shè)計的數(shù)控機床進行全面的CAE分析，且具有較高的可信度和良好的適應性。

圖3 分布式CAE設(shè)計平臺

然而，這種分布式軟件平臺也有很多不足，往往不能很好地支持產(chǎn)品全過程的數(shù)字化設(shè)計和仿真，成為實施CAE的技術(shù)瓶頸：由于其采用相互獨立的三維設(shè)計和仿真軟件，造成各個軟件之間的數(shù)據(jù)交流困難，常常出現(xiàn)如點、面、線的丟失，無法對模型中的一些特征進行網(wǎng)格劃分等問題，需要花費大量的時間和精力在CAE軟件中進行幾何模型的修補工作，這必然導致模型的不一致且增加設(shè)計工作量；反復的仿真分析和反饋修改大大降低了實施CAE的效率，影響設(shè)計流程；利用參數(shù)化三維建模軟件構(gòu)建的參數(shù)化三維模型，導入到ADAMS/View之后，模型卻不再具備參數(shù)化的特性，不能滿足機構(gòu)動作可靠性分析的需要；再者，對于許多中小企業(yè)來說，目前主流CAE商業(yè)軟件還是 “買不起”的奢侈工具，如果企業(yè)購買各種不同的軟件搭建所需的平臺，必然增加開發(fā)成本，而且由于多種軟件的存在，設(shè)計人員和分析人員要花很多的時間學習這些軟件，也對這些人員提出了更高的要求。為高效、快速地實現(xiàn)虛擬設(shè)計、分析與優(yōu)化，需要高度集成的軟件平臺。

(2）集成化軟件平臺。隨著CAD/CAE/CAM高度一體化軟件的不斷發(fā)展和成熟，不僅設(shè)計造型技術(shù)更加先進，其自帶的各種仿真功能模塊也越來越強大，在很多領(lǐng)域大有和專用仿真軟件一爭高下之勢，因此，一體化的軟件平臺正逐漸受到工程人員的重視，在CAE實現(xiàn)方面的應用也越來越廣泛，Pro/E就是其中的杰出代表，其一體化軟件平臺及其設(shè)計流程如圖4所示。Pro/E融產(chǎn)品設(shè)計、仿真和管理等各個模塊為一體，可以為產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)提供一個實現(xiàn)完全一體化的虛擬樣機集成環(huán)境，在這樣一種集成環(huán)境下，Pro/E在設(shè)計虛擬樣機階段自始至終都采用一個主模型，隨時保持主模型數(shù)據(jù)的一致性，而下游的仿真及制造都以該主模型為基礎(chǔ)展開，保證了數(shù)據(jù)的無縫集成，Pro/E還可以根據(jù)仿真分析結(jié)果得到的改進模型來直接升級主模型，無需數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，非常便捷，可明顯提高分析和優(yōu)化效率[5]。使用Pro/E這一軟件平臺可以快速實現(xiàn)機床產(chǎn)品的設(shè)計、分析與優(yōu)化，對于企業(yè)來說，大大降低了軟件的投資成本以及人員的培訓難度，值得推廣。

圖4 基于PRO／E的一體化軟件平臺及其設(shè)計流程

三、應用實例

應用Pro/E一體化平臺為某公司開發(fā)了五軸數(shù)控刻楦機，以下介紹該軟件在五軸數(shù)控刻楦機創(chuàng)新設(shè)計、精確建模及模態(tài)分析等方面的應用及其特點。

刻楦機是制鞋的關(guān)鍵設(shè)備，現(xiàn)廣泛采用的三軸數(shù)控刻楦機存在許多不足：經(jīng)三軸數(shù)控刻楦機加工的鞋楦必須在切跟機上經(jīng)手工操作切去楦頭和楦跟夾持處未加工部分，并通過手工打磨拋光才能獲得最后的成品楦。楦頭和楦跟在夾持部位為自由曲面，形狀復雜，楦頭和楦跟夾持部分的去除和打磨對工人操作技能要求很高，且加工的鞋楦一致性不高；加工中旋風刀只能作X、Z向的平動，容易產(chǎn)生與坯楦干涉、碰撞現(xiàn)象，導致高幫鞋楦不能加工。五軸數(shù)控刻楦機是根據(jù)鞋楦的形狀結(jié)構(gòu)及其日益提高的質(zhì)量要求而創(chuàng)新研究開發(fā)的，可從根本上克服三軸數(shù)控刻楦機的不足，楦頭和楦跟可直接加工出來，無需手工操作切去楦頭和楦跟的夾持部分，實現(xiàn)了鞋楦的完整、高效加工[6]。其加工原理如圖5所示。

1.虛擬樣機的建模與裝配

圖5 三軸和五軸數(shù)控刻楦機工作原理圖

五軸數(shù)控刻楦機是一種非常復雜的機械系統(tǒng)，傳統(tǒng)二維設(shè)計手段難以清晰表達該機床的結(jié)構(gòu)，同時，只有建立其計算機數(shù)字模型 (即虛擬樣機)，并對它的運動、動力學性能、機械結(jié)構(gòu)性能以及工件加工性能等進行全面的仿真分析才能確保機床成功研發(fā)。

數(shù)控機床虛擬樣機的建模與裝配是CAE分析的基礎(chǔ)，通過虛擬樣機建立數(shù)控機床的完整數(shù)字模型，不僅能夠反映真實機床的外觀、顏色、材質(zhì)、質(zhì)量及位置等各種特性，還可包含質(zhì)量、重心位置、轉(zhuǎn)動慣量等內(nèi)在特征以進行精確的機械系統(tǒng)動力學仿真運算。應用PRO/E建模和裝配模塊(PRO/E part/assembly module)可以快速準確地建立數(shù)控機床的零部件模型，并將它們按照實際位置和配合關(guān)系進行裝配，通過干涉檢查后將真實機床在計算機里完全再現(xiàn)，同時可以通過建立人機環(huán)境，使操作者和數(shù)控機床達到最佳匹配。圖6所示是利用PRO/E建立的五軸數(shù)。

圖6 五軸數(shù)控刻楦機數(shù)字模型

2.五軸數(shù)控刻楦機的的運動仿真

應用PRO/E(Mechanism)運動模塊在機床數(shù)字模型基礎(chǔ)上添加必要的運動仿真信息 (如運動副、約束和原動機等)來建立機床的運動仿真模型，在該模塊中可對機床進行運動分析和動力學分析。

根據(jù)五軸數(shù)控刻楦機的加工原理，構(gòu)建了如圖7所示加工楦跟時刀具的運動仿真模型，在定義了相關(guān)運動關(guān)系、接觸、驅(qū)動后，按照實際加工中5min內(nèi)完成一次加工的要求設(shè)置主運動參數(shù)，同時，限制Y軸運動，通過仿真得出了在滿足實際加工效率的要求下加工鞋楦同口部位時，刀盤中心在X軸方向的速度和加速度曲線。從仿真結(jié)果中可知，為達到設(shè)計效率，刀盤在加工鞋楦輪廓陡峭處的速度和加速度過大，為此，加工中應從控制上采取措施，協(xié)調(diào)控制X、Y向伺服軸的運動，以確保機床運動運動平穩(wěn)，提高系統(tǒng)運動的穩(wěn)定性。

圖7 刀具運動仿真

3.五軸數(shù)控刻楦機的的結(jié)構(gòu)分析

PRO/E結(jié)構(gòu)模塊 (Pro/Mechanica)具有強大的結(jié)構(gòu)分析功能，可以對機床的零、部件乃至整機進行各種結(jié)構(gòu)分析，包括靜力分析、動態(tài)分析、模態(tài)分析、諧響應分析和熱變形分析等[7]，可全面分析所設(shè)計的零部件及整機的機械性能是否滿足要求。

在機床上加工工件時，機床的零件和部件因受力而產(chǎn)生變形，使刀具和工件間產(chǎn)生相對的彈性位移，影響到工件的加工精度和生產(chǎn)效率。數(shù)控機床的底座、滑鞍、工作臺、立柱和主軸箱是重要的基礎(chǔ)件，其結(jié)構(gòu)形式、材料等都將影響它們的動、靜剛度及抗振性能，設(shè)計時應予以分析。

五軸數(shù)控刻楦機旋風刀刀座用以支撐刀具，加工時帶動刀具作高速、高加速往復運動，并承受切削力、皮帶張力及慣性力，刀座質(zhì)量對X向進給系統(tǒng)影響大。應用Pro/Mechanica模塊，對其進行了靜剛度分析，分析結(jié)果如圖8所示。仿真結(jié)果表明，通過添加加強筋和掏空，在不增加部件質(zhì)量的前提下，刀座剛度有顯著提高(在同等工作負荷下最大應變從0.035248mm降至0.007583mm）。

數(shù)控機床在切削工件時，會有周期性的激振力作用在工件上，當激振力的頻率與機床的固有頻率相同時，會發(fā)生共振，這不僅不利于保證加工精度，而且會對刀具及機床本身造成嚴重的破壞，因此有必要運用諧響應分析技術(shù)，對機床的動力響應作出分析。通過模態(tài)分析，可以確定結(jié)構(gòu)的固有頻率，而固有頻率和振型是結(jié)構(gòu)設(shè)計中承受動態(tài)載荷的重要參數(shù)，了解結(jié)構(gòu)本身具有的固有頻率和振型，就可避免在使用中因共振因素造成不必要的損失；其次還能確定固有頻率是否安全可靠，振型是否影響加工精度，根據(jù)此數(shù)據(jù)還可對機床床身相關(guān)的部件進行優(yōu)化設(shè)計，使它滿足機床對加工質(zhì)量和加工精度的要求[8]。

圖8 旋風刀刀座剛性分析

應用Pro/Mechanica模塊對該機床床身進行了模態(tài)分析，得床身前四階固有頻率分別為49.86Hz、57.80Hz、69.92Hz、91.34Hz， 固有頻率比較低(該機工作激振頻率為2～16Hz），表現(xiàn)出焊接床身靜剛度強而動態(tài)特性較差的特性。同時，從振型圖可以看出，床身上部Y軸導軌橫梁的振幅最大，剛度不夠，如圖9a所示。通過加厚橫梁厚度，并在橫梁底部增加兩條加強肋，大大提高了床頭架的動態(tài)剛度，如圖9b所示。另外，根據(jù)機床特點采取床身底部封砂結(jié)構(gòu)，提高了床身的阻尼，進一步改善了機床的動態(tài)特性。

圖9 床身模態(tài)分析

四、結(jié)論

介紹計算機輔助工程技術(shù)、技術(shù)平臺及其設(shè)計流程。以五軸數(shù)控刻楦機開發(fā)為例，介紹了基于Pro/E、Pro/Mechanism與Pro/Mechanica的機床精密設(shè)計、精確建模及模態(tài)分析方法。該方法具有以下特點：

(1)Pro/MECHANICA與Pro/E是無縫連接關(guān)系，不存在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換問題，故其設(shè)計階段的分析、優(yōu)化高效、可靠。

(2)通過加工運動分析，合理配置機床運動，運動仿真曲線可為控制策略的制定提供依據(jù)。

(3)通過對床身的模態(tài)分析，算出了該床身的前四階固有頻率和振型，直觀地分析了其動態(tài)性能和薄弱環(huán)節(jié)。

通過在五軸數(shù)控刻楦機設(shè)計中充分應用PRO/E的設(shè)計、分析模塊的實踐，充分證明了 Pro/E的高度集成度及其能滿足數(shù)控機床設(shè)計分析的要求，是提高機床設(shè)計性能強有力的工具。

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