淺析虛擬樣機(jī)技術(shù)的機(jī)床現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法

張群

摘 要：機(jī)床是工業(yè)生產(chǎn)中常用的一種機(jī)械設(shè)備，為提升生產(chǎn)效率與產(chǎn)品精度，某些產(chǎn)品制造中總是利用機(jī)床。作為一種自動(dòng)化設(shè)備，如何提高機(jī)床設(shè)計(jì)與制造的科學(xué)性和合理性是行業(yè)人士一直關(guān)注的問(wèn)題。對(duì)此，本文基于虛擬樣機(jī)技術(shù)提出了一種新的數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)方法，減少設(shè)計(jì)失誤，促進(jìn)機(jī)床設(shè)計(jì)思想的不斷發(fā)展與設(shè)計(jì)水平的不斷提高，滿足現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)制作的需求。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床 虛擬樣機(jī)技術(shù) 設(shè)計(jì)方法 現(xiàn)代化 設(shè)計(jì)過(guò)程

在以往的機(jī)床設(shè)計(jì)中，主要包括四個(gè)環(huán)節(jié)，過(guò)程過(guò)于復(fù)雜而繁瑣，不利于提升機(jī)床設(shè)計(jì)工作的水平，也不利于保證機(jī)床設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性。為提高機(jī)床自動(dòng)化水平，適應(yīng)信息化的生產(chǎn)環(huán)境，不少行業(yè)人士一直在探討利用信息技術(shù)優(yōu)化機(jī)床設(shè)計(jì)方法的有效途徑。虛擬樣機(jī)技術(shù)，作為一種智能化的設(shè)計(jì)技術(shù)，能夠很好的滿足機(jī)床現(xiàn)代設(shè)計(jì)需求，基于它構(gòu)建機(jī)床現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法是可行，也是行之有效的，下面將對(duì)這一種設(shè)計(jì)方法進(jìn)行扼要論述。

一、虛擬樣機(jī)技術(shù)

虛擬樣機(jī)技術(shù)是在計(jì)算機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上產(chǎn)生的一種新概念技術(shù)，其興起于20世紀(jì)80年代，并逐漸在設(shè)計(jì)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用起來(lái)?；谔摂M樣機(jī)技術(shù)的設(shè)計(jì)，指的是利用虛擬樣機(jī)代替原來(lái)常用的物理樣機(jī)，并對(duì)候選設(shè)計(jì)的樣機(jī)各種性能進(jìn)行測(cè)試和評(píng)價(jià)，根據(jù)測(cè)試結(jié)果而優(yōu)選出最適合的設(shè)計(jì)方案，達(dá)到產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最優(yōu)目標(biāo)。

在利用虛擬樣機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)過(guò)程中，先要利用計(jì)算機(jī)仿真和建模技術(shù)構(gòu)建虛擬產(chǎn)品模型，然后再進(jìn)行各種性能測(cè)試。這一過(guò)程是智能化設(shè)計(jì)的過(guò)程，也是產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)果優(yōu)選的過(guò)程，很好的把仿真、模型和仿真者集合在一起，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化和組合，追求的是最優(yōu)化的設(shè)計(jì)結(jié)果，能很好的滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)精益化、科學(xué)化、智能化的需求。

二、基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的機(jī)床現(xiàn)代設(shè)計(jì)

（一）虛擬樣機(jī)建造環(huán)境

虛擬樣機(jī)環(huán)境是指包含虛擬樣機(jī)，將CAD實(shí)體造型技術(shù)、系統(tǒng)仿真、人機(jī)交互技術(shù)等集成，形成的一個(gè)支持虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)集成仿真環(huán)境。國(guó)外U.Jasnoch和H.KresS等人從并行工程方法角度理解，認(rèn)為虛擬樣機(jī)環(huán)境是將多個(gè)CAD過(guò)程、知識(shí)推理過(guò)程等，通過(guò)CSCW技術(shù)、用戶界面技術(shù)、設(shè)計(jì)過(guò)程管理和文檔化技術(shù)集成起來(lái)，形成一個(gè)分布式環(huán)境以支持產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中并行工程方法。

（二）機(jī)床零件實(shí)體建模及虛擬裝配

虛擬樣機(jī)生成的前提是虛擬部件的“制造”。成熟的CAD三維幾何造型軟件能快速、便攜地設(shè)計(jì)和生成三維造型。虛擬部件必須包含顏色、材質(zhì)、外表紋理等外在特征以顯示真實(shí)的外觀，同時(shí)還必須包含質(zhì)量、重心位置、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等內(nèi)在特征以進(jìn)行精確的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力

學(xué)仿真運(yùn)算。CAD生成的三維造型數(shù)據(jù)必須導(dǎo)入虛擬樣機(jī)環(huán)境，在虛擬環(huán)境中能測(cè)量和裝配，并能顯示出三維的外觀造型后才成為真正意義上的虛擬部件。CAD三維造型還是實(shí)現(xiàn)最終從虛擬部件“制造”到現(xiàn)實(shí)部件制造的基礎(chǔ)。

（三）關(guān)鍵有限元分析

利用Solid一Edge軟件進(jìn)行三維實(shí)體建模，可以利用ANSYS有限元分析軟件，對(duì)機(jī)床的各個(gè)部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分和計(jì)算分析；根據(jù)ANSYS分析所得到的結(jié)果，判斷設(shè)計(jì)的合理性，以達(dá)到設(shè)計(jì)最優(yōu)化的目的二在solid-Edge軟件環(huán)境下設(shè)計(jì)的數(shù)控機(jī)床虛擬樣機(jī)，能夠在ANSYS環(huán)境下進(jìn)行載荷實(shí)驗(yàn)、剛度實(shí)驗(yàn)、精度分析、抗振性實(shí)驗(yàn)、熱變形實(shí)驗(yàn)等。應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件來(lái)分析機(jī)床受到外力負(fù)載后，根據(jù)出現(xiàn)的最大應(yīng)力、位移、溫度和扭矩與實(shí)際產(chǎn)品相比較，進(jìn)而判斷設(shè)計(jì)是否符合要求，這樣就提高了產(chǎn)品開發(fā)效率，降低風(fēng)險(xiǎn)和實(shí)驗(yàn)成本。如果在ANSYS環(huán)境下得到的計(jì)算數(shù)據(jù)證明機(jī)床虛擬樣機(jī)的某個(gè)機(jī)構(gòu)或部件不能滿足設(shè)計(jì)要求，那么就必須回到501記一Edge軟件環(huán)境下重新設(shè)計(jì)，直到滿足要求。

（四）運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真

采用ADAMS作為數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真支撐，ADAMS軟件可以利用交互式圖形環(huán)境和零件、約束、力庫(kù)建立機(jī)械系統(tǒng)三維參數(shù)化模型。該模型既可以是在ADAMS軟件中直接建造的幾何模型，也可以是從其它CAD軟件中傳過(guò)來(lái)的造型逼真的幾何模型。在Solid一Edge軟件環(huán)境下建好模型，干涉檢查后，可以保存為IGES、STEP、PARASOUD格式的CAD圖形文件，再將CAD數(shù)據(jù)輸入到ADAMS中口刊。

圖1為在上述數(shù)控機(jī)床虛擬樣機(jī)導(dǎo)人到ADAMS中，可以根據(jù)各個(gè)零部件的裝配關(guān)系，給虛擬樣機(jī)添加約束與驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)要求的運(yùn)動(dòng)仿真和動(dòng)力學(xué)分析。

（五）伺服控制系統(tǒng)仿真

MATLAB是目前應(yīng)用最廣泛的工程計(jì)算語(yǔ)言，具有用法簡(jiǎn)單、靈活、功能強(qiáng)又兼具延展性的特點(diǎn)。SIMULINK模塊是MATLAB提供給控制領(lǐng)域的用戶，用于對(duì)線性/非線性、離散的控制系統(tǒng)進(jìn)行分析的工具包，可用于建立數(shù)控機(jī)床的仿真模型。伺服系統(tǒng)的研究一直是自動(dòng)控制領(lǐng)域的一大熱門方向，伺服系統(tǒng)性能的優(yōu)劣直接影響到整機(jī)的工作性能，是機(jī)床最重要的組成部分，數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)是由伺服電路、伺服驅(qū)動(dòng)裝置、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及執(zhí)行部件等組成。在傳統(tǒng)的、復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，機(jī)械工程師和控制工程師如果發(fā)現(xiàn)什么問(wèn)題，他們只有回到各自的模型中，修改機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，然后再進(jìn)行物理樣機(jī)的調(diào)試。數(shù)控機(jī)床虛擬樣機(jī)是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化地聯(lián)合仿真分析，這樣機(jī)械工程師和電氣控制師可以共同享有一個(gè)樣機(jī)模型，進(jìn)行設(shè)計(jì)、調(diào)試和實(shí)驗(yàn)，利用虛擬樣機(jī)對(duì)機(jī)械和控制系統(tǒng)進(jìn)行反復(fù)的聯(lián)合調(diào)試，直到獲得滿意的設(shè)計(jì)結(jié)果，然后再進(jìn)行物理樣機(jī)的建造和調(diào)試，反復(fù)測(cè)試后確定各項(xiàng)性能符合要求后，方能確定最終的設(shè)計(jì)方案。之后，才能根據(jù)這一設(shè)計(jì)方案進(jìn)行大批量的數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)。

三、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在機(jī)床設(shè)計(jì)中運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)，能夠在計(jì)算機(jī)仿真與模型技術(shù)支持下構(gòu)建機(jī)床的設(shè)計(jì)產(chǎn)品模型，對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品模型性能進(jìn)行測(cè)試后做出最優(yōu)化的設(shè)計(jì)結(jié)果選擇。這樣的設(shè)計(jì)方法，不僅優(yōu)化了機(jī)床設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程，也極大的縮短了機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)間，進(jìn)一步提高了機(jī)床設(shè)計(jì)水平。由此可見，基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的機(jī)床現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在現(xiàn)實(shí)生活中有著巨大的工程應(yīng)用價(jià)值，既可以應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)機(jī)床，也可以把這一技術(shù)延伸到其它機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)生產(chǎn)工作中去，未來(lái)的發(fā)展前景遠(yuǎn)大，值得進(jìn)一步深入研究。

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