基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的數(shù)控機(jī)床集成軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的數(shù)控機(jī)床集成軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)的理論、方法和方法發(fā)生了很大變化。近年來(lái),集計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)、分析、仿真技術(shù)于一體的虛擬樣機(jī)技術(shù),引起了人們的廣泛重視,并越來(lái)越多地應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)實(shí)踐。虛擬樣機(jī)技術(shù)是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)過程中,在計(jì)算機(jī)上建造出產(chǎn)品的模型,并進(jìn)行仿真分析,預(yù)測(cè)產(chǎn)品的性能,進(jìn)而改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì),提高產(chǎn)品性能的一種新的設(shè)計(jì)方法。數(shù)字化的虛擬樣機(jī)技術(shù)是對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的一次歷史性的革命,以其為基礎(chǔ)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的出現(xiàn),改變了傳統(tǒng)以物理樣機(jī)為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì),大大減少昂貴而費(fèi)時(shí)的物理樣機(jī)制造及試驗(yàn)過程,設(shè)計(jì)人員可以直接在計(jì)算機(jī)進(jìn)行快速分析,比較多種設(shè)計(jì)方案,進(jìn)行優(yōu)化,在設(shè)計(jì)中及時(shí)發(fā)現(xiàn)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。數(shù)控機(jī)床是一種高度自動(dòng)化的典型機(jī)電產(chǎn)品,在設(shè)計(jì)過程中,對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制性能等方面都有較高的設(shè)計(jì)要求。因此,在數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)中應(yīng)用新的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法十分必要?；谔摂M樣機(jī)技術(shù)的數(shù)控機(jī)床現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法,是將虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用于機(jī)床的設(shè)計(jì)開發(fā),為數(shù)控機(jī)床開發(fā)研制提供一種全新的設(shè)計(jì)方法。在我國(guó),提高數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)能力和水平尤為迫切。我國(guó)是世界上機(jī)床產(chǎn)量最多的國(guó)家,但在國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中卻處于較低水平。即使在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)也面臨著嚴(yán)峻的形勢(shì),一方面是國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)各類機(jī)床產(chǎn)品特別是數(shù)控機(jī)床有大量的需求,而另一方面卻是國(guó)外數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品充斥市場(chǎng),國(guó)內(nèi)機(jī)床積壓難銷,影響著我國(guó)數(shù)控機(jī)床的自主發(fā)展。其中主要的原因是我國(guó)數(shù)控機(jī)床品種、性能和結(jié)構(gòu)不夠先進(jìn),新產(chǎn)品的開發(fā)周期長(zhǎng),從而不能及時(shí)針對(duì)用戶的需求提供滿意的產(chǎn)品。例如,我國(guó)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品的開發(fā)周期約為15～18個(gè)月,其中設(shè)計(jì)時(shí)間約為5～8個(gè)月,占總周期的40%左右。而國(guó)外一些先進(jìn)機(jī)床廠同類產(chǎn)品的開發(fā)周期為6～9個(gè)月,其中設(shè)計(jì)約1～2個(gè)月,只占25%。產(chǎn)品開發(fā)周期以及設(shè)計(jì)所占的時(shí)間比例均與國(guó)外先進(jìn)水平有很大的差距。此外,在數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)中,由于缺乏先進(jìn)的設(shè)計(jì)分析工具,如分析和評(píng)價(jià)軟件等,自行開發(fā)的新產(chǎn)品大多基于直觀經(jīng)驗(yàn)和類比設(shè)計(jì),使設(shè)計(jì)一次成功的把握性降低,往往需要反復(fù)試制才能定型,從而可能錯(cuò)過新產(chǎn)品推向市場(chǎng)的良機(jī)。為解決這些問題,必須對(duì)產(chǎn)品開發(fā)的整個(gè)過程綜合應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù),發(fā)展優(yōu)化和仿真技術(shù),提高產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能,并建立起基于并行工程的設(shè)計(jì)、分析協(xié)同工作和知識(shí)共享的產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)境,應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)、測(cè)試和評(píng)估,縮短開發(fā)周期,降低成本,改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量,提高數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)能力。1數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)的程序數(shù)控機(jī)床虛擬樣機(jī)技術(shù)實(shí)質(zhì)上就是以設(shè)計(jì)為中心,對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)。其過程是在計(jì)算機(jī)上建立數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品的數(shù)字模型,進(jìn)行仿真分析,預(yù)測(cè)實(shí)際產(chǎn)品的特性,包括外觀、空間關(guān)系以及運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)等特性。提供一個(gè)全面地研究產(chǎn)品工作性能的方法。并通過設(shè)計(jì)中的反饋信息不斷地指導(dǎo)修改初始設(shè)計(jì),保證產(chǎn)品優(yōu)化開發(fā)過程順利進(jìn)行?；谔摂M樣機(jī)技術(shù)的數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)流程如圖1所示。在數(shù)控機(jī)床虛擬樣機(jī)概念設(shè)計(jì)階段,主要進(jìn)行調(diào)研分析,明確設(shè)計(jì)要求,確定所設(shè)計(jì)機(jī)床的工作參數(shù),如運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力、尺寸、控制系統(tǒng)類型,然后通過功能分解,創(chuàng)新出或類比出可以實(shí)現(xiàn)要求的各種方案。初步確定數(shù)控機(jī)床的總體設(shè)計(jì)方案、主軸設(shè)計(jì)方案、進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及其它附屬部件的設(shè)計(jì)方案。詳細(xì)設(shè)計(jì)是在方案基本確定后,對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)零部件進(jìn)行主要形狀和尺寸的設(shè)計(jì),數(shù)控機(jī)床零部件外形結(jié)構(gòu)、尺寸的設(shè)計(jì)對(duì)整機(jī)性能有直接的影響。參數(shù)化的CAD三維設(shè)計(jì)軟件能方便地設(shè)計(jì)生成數(shù)控機(jī)床虛擬樣機(jī)的“虛擬零部件”,并可進(jìn)行裝配,建立直觀的數(shù)控機(jī)床實(shí)體模型。數(shù)控機(jī)床虛擬樣機(jī)性能測(cè)試是利用計(jì)算機(jī)輔助分析仿真軟件,對(duì)虛擬樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試分析,如同對(duì)機(jī)床物理樣機(jī)的試驗(yàn)研究一樣。對(duì)數(shù)控機(jī)床主要部件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真,從仿真的結(jié)果不僅可以得到產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)的動(dòng)畫、速度、加速度、位移、軌跡,檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)是否合理,是否出現(xiàn)干涉、卡死等問題,還可以得到各零部件實(shí)際所受的各種載荷。有了零件所受的力和力矩作為載荷條件,可以將載荷傳遞給有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵零件的剛度、熱變形、振動(dòng)、動(dòng)態(tài)特性等分析,獲得零件的應(yīng)力、應(yīng)變分布、位移以及固有頻率和振型等。同時(shí),也可以對(duì)數(shù)控機(jī)床整機(jī)特性進(jìn)行分析。在對(duì)數(shù)控機(jī)床虛擬樣機(jī)性能測(cè)試不能滿足要求時(shí),返回概念設(shè)計(jì)或詳細(xì)設(shè)計(jì)中,進(jìn)行方案修改或變化有關(guān)參量,直至測(cè)試滿足要求。2pro/e仿真軟件及anasis軟件數(shù)控機(jī)床虛擬樣機(jī)的建立需要功能強(qiáng)大的軟件平臺(tái)支撐。盡管虛擬樣機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速,但目前仍然缺乏普遍適用的支持產(chǎn)品設(shè)計(jì)全過程的數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)。為了使利用虛擬樣機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法更具有可行性,并且普遍適用于企業(yè),采用以成熟的具有良好工程實(shí)踐基礎(chǔ)的三維設(shè)計(jì)軟件PRO/E、機(jī)械動(dòng)力學(xué)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)建集成的軟件平臺(tái),形成一個(gè)數(shù)據(jù)聯(lián)調(diào)、并行的設(shè)計(jì)過程,改觀傳統(tǒng)的CAD設(shè)計(jì)過程、設(shè)計(jì)環(huán)境和設(shè)計(jì)思路。優(yōu)秀的三維CAD軟件有PRO/E,UG,Solidwork等。PRO/E是一個(gè)設(shè)計(jì)思想先進(jìn)、面向機(jī)械工程、集設(shè)計(jì)制造一體的自動(dòng)化設(shè)計(jì)軟件,它具有參數(shù)化設(shè)計(jì)、特征功能和統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)的特點(diǎn)。PRO/E的參數(shù)化功能可任意建立實(shí)體上的尺寸和功能之間的關(guān)系,任何一個(gè)參數(shù)值改變,其相關(guān)的特征也會(huì)自動(dòng)修正,真正實(shí)現(xiàn)了參數(shù)化幾何建模,為虛擬樣機(jī)柔性化打下了基礎(chǔ)。采用PRO/E軟件,能產(chǎn)生具有外觀材質(zhì)特征,又包含質(zhì)心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等內(nèi)在特征的參數(shù)化“虛擬零部件”。PRO/E生成的三維和二維圖還可通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交換格式或接口模塊與其它應(yīng)用軟件集成。因此,應(yīng)用PRO/E軟件可建立數(shù)控機(jī)床實(shí)體模型。ADAMS是權(quán)威的機(jī)械系統(tǒng)多體動(dòng)力學(xué)仿真設(shè)計(jì)軟件。用戶通過ADAMS界面,利用其零件庫(kù)、運(yùn)動(dòng)約束庫(kù)、力庫(kù)等模塊能方便地建立復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)/動(dòng)力學(xué)仿真模型,ADAMS能自動(dòng)計(jì)算輸出機(jī)械系統(tǒng)部件的運(yùn)動(dòng)位移、速度、加速度和反作用力,仿真結(jié)果不僅可以曲線圖形輸出,還可以顯示動(dòng)畫仿真。通過仿真得到機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)的動(dòng)畫以及速度、加速度、位移等運(yùn)動(dòng)特性,同時(shí),也可以分析機(jī)床零部件的力學(xué)特性,得到所受的各種載荷。ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電磁場(chǎng)、聲場(chǎng)和耦合場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。它能與多數(shù)CAD軟件接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換。ANSYS軟件主要包括三個(gè)部分:前處理模塊、分析計(jì)算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具,用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型;分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析、熱分析等;后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示等圖形方式顯示出來(lái),也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。因此,應(yīng)用ANSYS分析軟件,進(jìn)行機(jī)床零件的剛度、熱變形、振動(dòng)、動(dòng)態(tài)特性等分析,獲得零件的應(yīng)力、應(yīng)變分布以及固有頻率和振型等。有限元分析的結(jié)果可以返回設(shè)計(jì)階段并指導(dǎo)修改初始設(shè)計(jì),甚至還可以利用以有限元分析結(jié)果為基礎(chǔ),直接對(duì)模型的尺寸和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化。MATLAB軟件是目前應(yīng)用最為廣泛的工程計(jì)算語(yǔ)言,在MATLAB環(huán)境中,有超過500種數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)、科學(xué)及工程方面的函數(shù)可使用。此外,MATLAB工具箱提供了在許多應(yīng)用領(lǐng)域所需的函數(shù),如:符號(hào)運(yùn)算、圖像處理、信號(hào)分析、控制系統(tǒng)仿真等。SIMULINK是MATLAB提供給控制領(lǐng)域的用戶,用于對(duì)線性、非線性、離散控制系統(tǒng)進(jìn)行分析的工具。因此,應(yīng)用MATLAB/SIMULINK可方便地建立數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)的仿真模型,并進(jìn)行控制系統(tǒng)性能的仿真分析。經(jīng)多年計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的推廣應(yīng)用,一些機(jī)床企業(yè)已逐步使用上述軟件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析與制造。因此,以三維設(shè)計(jì)軟件PRO/E、機(jī)械動(dòng)力學(xué)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)建集成的軟件環(huán)境,從而建立微機(jī)平臺(tái)上的虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)平臺(tái),提供一種新型的、具實(shí)用價(jià)值的工程設(shè)計(jì)方法,使企業(yè)都能夠應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)。數(shù)控機(jī)床軟件集成的虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)平臺(tái)框圖如圖2所示。3實(shí)行pro/e仿真與性能分析以經(jīng)濟(jì)型數(shù)控鉆銑床設(shè)計(jì)為例,采用基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì),即在PRO/E,ADAMS,ANSYS等軟件集成平臺(tái)上建立數(shù)控機(jī)床虛擬樣機(jī),并進(jìn)行仿真與性能分析。在PRO/E軟件環(huán)境下,建立了數(shù)控鉆銑床零件的實(shí)體模型和樣機(jī)的虛擬裝配,如圖3所示。把PRO/E建立的實(shí)體模型傳送到ADAMS軟件里,轉(zhuǎn)換成運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析模型,添加運(yùn)動(dòng)副約束、運(yùn)動(dòng)約束以及施加載荷,進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)特性分析。圖4所示是對(duì)數(shù)控鉆銑床進(jìn)給部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。對(duì)于數(shù)控機(jī)床,機(jī)械部件的剛