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虚拟样机在数控机床中的应用


科研实践论文
题 目: 虚拟样机在数控机床中的应用 虚拟样机在数控机床中的应用

学 专 年 学 姓

院: 业: 级: 号: 名:

机械工程及自动化学院 机械设计制造及其自动化 2008 级 020800218 林冬文

指导教师: 孙晓林

职称: 副教授

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虚拟样机在数控机床中的应用 虚拟样机在数控机床中的应用
摘要:虚拟样机技术(VPT,virtual prototyping technology)是一种基于虚
拟样机的数字化设计方法,是各领域CAx/DFx技术的发展和延伸。虚拟样机技术 进一步融合了先进建模/仿真技术,现代信息技术,先进设计制造技术和现代管 理技术,将这些技术应用于复杂产品全生命周期和全系统的设计,并对他们进行 综合管理。虚拟样机技术在产品开发中占的地位越来越重要,在介绍虚拟样机概 念的基础上,以数控机床为例,阐述了数控机床设计特点,介绍了虚拟样机技术 在数控机床设计中的应用,最后对虚拟样机技术的应用前景进行了展望。

关键词:虚拟样机;数控机床;虚拟加工; PRO/ E 关键词:

0 前言
数控机床是一种高度自动化的典型机电产品,在设计过程中,对运动学、动 力学、机械结构、控制性能等方面都有较高的设计要求。因此,在数控机床的设 计中应用新的现代设计方法十分必要。 基于虚拟样机技术的数控机床现代设计方 法是将虚拟样机技术应 用于机床的设计开发,为数控机床开发研制提供一种全 新的设计方法。 数控机床虚拟样机实质上就是以设计为中心,对数控机床进行 虚拟设计。其过程是在计算机上建立数控机床产品的数字模型,进行仿真分析, 预测实际产品的特性。提供一个全 面地研究产品工作性能的方法。并通过设计 中的反馈信息不断地指导修改初始设 计,保证产品优化开发过程顺利进行。 在 对数控机床虚拟样进行机性能测试时,就是利 用计算机辅助分析仿真软件,对 建立的虚拟样机进行 测试分析。为分析研究数控机床在加工时的性能情况,如 同在机床物理样机上进行加工实验一样,需要 在数控机床虚拟样机上进行虚拟 加工,在虚拟加工中 不仅可以得 到加工过程的动画、速度 、加速度、位 移、 轨迹 ,检验机构运动是否合理,是否出现干涉等 问题 。还可以得到各零部件 实际所受的各种载荷。有 了零件所受的力和力矩作为载荷条件,可以将载荷传 递给有限元分析软件进行数控机床关键零件的刚度、 热变形、振动、动态特性 等分析,获得零件的应力、 应变分布、位移以及固有频率和振型等。同时也可 以对数控机床整机特性进行分析。在虚拟样机性能测试不能满足要求时,返回概 念设计或详细设计中进行方案修改或变化有关参量,直至测试满足要求。 随着 各种先进 的、功能强大的 CAD/CAE/CAM 高端软件的不断发展,使得在建立数 控机床虚拟样机后,在虚拟样机上进行虚拟加工变得容易实现,应用 UG IS&V 模 块实现虚拟加工正是其中典型的代表。

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1 虚拟样机发展历史
20 世纪 90 年代初, 美国波音公司 正式启动波音 777 飞机研制计划, 采用 一 种全新的设计与制造方式, 年半之 后, 1994 年 6 月 12 日直接进行了第 1 架 4 于 波音 777 的首飞。波音 777 飞机的研 制采用了全数字化的无纸设计技术, 整机 外型、结构件和整机飞机系统 100%采用三维数字化定义,100%应用 数字化预装 配,整个设计制造过程无需模型和样机,一次成功,首次实现 了整机数字化设 计、 数字化制造和数 字化协同。 对比以往的飞机研制, 波音 777 成本降低了 25%, 出错返工率减 少了 75%,制造周期缩短了 50%。波音 777 的成功研制成为了现代 产品开发新 技术应用的里程碑,其采用的开发过 程现在称之为虚拟产品开发 (Virtual Product Development,VPD),应用的 开发技术称之为虚拟样机技术 (Virtual Prototyping,VP)。 虚拟产品开发和虚拟样机技术的 出现是市场激烈竞争和技术迅速发展 共 同作用的结果。随着世界经济的一 体化,市场竞争日趋激烈,多品种小批 量生 产和大批量定制生产逐渐成为主导 的生产形式。在这种情况下,企业要求 得生 存与发展, 就必须调整其产品开发 和生产组织模式, 解决 T(最快的上市 时间)、 Q(最好的产品质量)、C( 最低的产品成本)、S(良好的产品服 务)和 E(尽少的环 境污染)等难题。 另一方面,世界已经进入全球化的知 识经济时代,现代信息 技术特别是计算机技术得到飞速发展与广泛应用, 这为 TQCSE 难题的解决提供了 机遇。在这样的背景下,虚拟产品开发和虚拟 样机技术应运而生。 虚拟样机技术是面向系统级设计的、应用于基于仿真的设计过程的技术,包 含有数字化物理样机(Digital Mock-up)、功能虚拟样机(Functional Virtual Prototyping)和虚拟工厂仿真(Virtual Factory Simulation)三个方面的内容。 功能虚拟样机(FVP,Functional Virtual Prototyping)解决方案充分 利用 三维零件的实体模型,通过 CAE 技术在虚拟实验室或虚拟试验场中精 确地预测 产品的操作性能,如运动/操 纵性、振动/ 噪声、耐久性/ 疲劳、安 全性/ 冲 击和工效学/ 舒适性等。 在这 方面居领先地位的主要公司和产品有 MSC/ADAMS、 LMS/DADS 和 FunvtionBay/ RecurDry 等。

数控机床虚拟样机技术 2 数控机床虚拟样机技术
数控机床虚拟样机技术实质上就是以设计为中心 ,对数控机床进行虚拟设 计。 其过程是在计算机上建立数控机床产品的数字模型 ,进行仿真分析 ,预测实 际产品的特性 ,包括外观、空间关系以及运动学和动力学等特性。提供一个全面 地研究产品工作性能的方法。并通过设计中的反馈信息不断地指导修改初始设 计 ,保证产品优化开发过程顺利进行。 在数控机床虚拟样机概念设计阶段 ,主要

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进行调研分析 ,明确设计要求 ,确定所设计机床的工作参数 , 如运动、动力、 尺寸、 控制系统类型 ,然后通过功能分解 ,创新出或类比出可以实现要求的各种 方案。初步确定数控机床的总体设计方案、主轴设计方案、进给系统设计方案及 其它附属部件的设计方案。详细设计是在方案基本确定后 对机械结构零部件进 行主,要形状和尺寸的设计 ,数控机床零部件外形结构、尺寸的设计对整机性能 有直接的影响。参数化的 CAD 三维设计软件能方便地设计生成数控机床虚拟样 机的“虚拟零部件”,并可进行装配 ,建立直观的数控机床实体模型。 数控机床虚拟样机性能测试是利用计算机辅助分析仿真软件 ,对虚拟样机 进行测试分析 ,如同对机床物理样机的试验研究一样。 对数控机床主要部件进行 动力学和运动学仿真 ,从仿真的结果不仅可以得到产品运动的动画、速度、加速 度、位移、轨迹 ,检验机构运动是否合理 ,是否出现干涉、卡死等问题 ,还可以 得到各零部件实际所受的各种载荷。有了零件所受的力和力矩作为载荷条件 , 可以将载荷传递给有限元分析软件进行数控机床关键零件的刚度、 热变形、 振动、 动态特性等分析 ,获得零件的应力、应变分布、位移以及固有频率和振型等。同 时 ,也可以对数控机床整机特性进行分析。 在对数控机床虚拟样机性能测试不能 满足要求时 ,返回概念设计或详细设计中 ,进行方案修改或变化有关参量 ,直 至测试满足要求。

3 新一代虚拟样机技术特征
针对传统虚拟样机技术的局限性, 目前的虚拟样机产品提供商通过各种途 径来改变这种现状。 1.C3P 技术无缝集成 目前主流的 CAD 厂家通过收购、整合来实现 C3P 技术无缝集成。如法国达索 公司收购了 Matrix OneAbaqus、Insight 等具有行业领先地位的产品,来提升其 原有产品在 PLM、CAE、优化等方面的缺陷,并实现技术架构无缝整合。 对于传统 CAE 厂家也积极寻求突破, 如美国 ANSYS 公司, 在收购 CFX、 Fluent、 Ansoft 等多家产品的基础上,将 FEA、CFD、电磁和爆炸等多学科技术整合在其 Workbench 平台上。为了弥补其在 CAD 技术集成上的缺陷,近期也与 SpaceClaim 公司达成合作协议在其新发布的 ANSYS 12.0 上使用 SpaceClaim 公司的三维模型 直接编辑技术,实现与三维 CAD 产品的整合。 另外, 对于一开始就基于 Windows 系统开发的平台, SolidWorks, 如 其基 于 微软 Windows 操作系统的架构,采用微软的开发工具,天然具有了易于开发、易 于扩展、易于集成的优势。因此,SolidWorks 公司先后在其平台上合并了原 COSMOSWorks、COSMOSMotion、 COSMOSFloWorks 和 Enterprise PDM 等软 件。

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并在其基础上,对于集成性做了大 量的调研和开发工作。因此,在这个平 台上 有超过 1 千家的合作伙伴,基本具 有了新型虚拟样机平台的雏形。 2.降低技术门槛 针对虚拟样机技术难于普及使用 的问题,各家软件公司都做了大量的技术 工作。其中比较重要的工作,就 是封装求解器,使不同学科的专业分 析软件具 有统一的界面,降低学习和 操作的难度。 这里以 SolidWorks 的多体动力学软 件 SolidWorks Motion2010 为例介绍一 下,SolidWorks Motion2010 是极具创新 特色的一款动力学分析软件。对于复 杂 机械装置的运动仿真一直都是一个挑 战, 因为在虚拟样机的仿真中, 涉及 到 机构不同阶段的控制,而且涉及到运 动触发。例如,当前一个运动完成后, 会 触发后面几个不同的运动,或者当某机构运动到某个位置,会触发另外一个 运 动。 这在传统的多体动力学分析系统 中, 需要设定很多函数来激活和实效马 达、 运动副,极易出错。 那么这种复杂机械装置(如机器人 和生产线等)的仿真分析, 即使采用集 成 在 CAD 环境下的传统运动学分析,也 是非常困难的事情。传统的集成于 CAD 环 境的多体动力学软件,仅仅解决了装 配关系到运动付的映射,使用分析树技 术 使分析的需要元素可视化,如图 2 所 示。但是它还是没有解决复杂运动模拟 的 控制问题。如果对于图 3 所示的生产 线要进行仿真,对普通设计者或分析者 而 言,其工作量之大不可想象。 SolidWorks 公司发布的 Motion2010, 针对虚拟样机技术的重要组成部分— — 虚拟样机的运动模拟, 引入了一个基于 事件的运动学仿真平台, 如图 4 所示。 基于事件和操作而不是仅基于时间来创建运动模拟。现在,上一项任务完成,或 运动传感器激活,如图 5、6 所示,以及时间均可触发操作。使用新的伺服马 达 可通过真正的输入控制法创建驱动元器件。 基于事件而不是时间进行模拟更为灵活。现在,可在设计阶段的早期,尚不 知时间安排的情况下进行模拟。基于事件的模拟可以用于设置最佳时间安排,以 便在避免零件和运动驱动器过载的情况下确保产品性能良好, 其具有良好的商业 前景,帮助使用者在短时间内完成复杂运动设备的设计和优化工作。 3.简化仿真数据管理 由于仿真软件的复杂性,存在着极 其复杂的仿真数据,如何解决仿真数据 的管理。有两条措施。 ( 1 ) 简化仿真数据。使不同的仿真数据,基于统一的规则(如 Step 标准) 进行生成和交流,避免多种类型的异构数据库,降低数据交换量和错误率。便地

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设计生成数控机床虚拟样机的“虚拟零部件”,并可进行装配 ,建立直观的数控 机床实体模型。 (2)统一 PLM 和 SDM 平台。避免 企业使用不同的平台进行数据管理, 选择 统一架构的 PLM 数据平台,来统一 管理设计、仿真、试验、制造和检测等数据。

4 基于虚拟样机技术的数控机床设计实践
以经济型数控钻铣床设计为例 ,采用基于虚拟样机技术的现代设计方法进 行产品设计 ,即在 PRO/ E,ADAMS,ANSYS 等软件集成平台上建立数控机床虚拟样 机 ,并进行仿真与性能分析。在 PRO/ E 软件环境下 ,建立了数控钻铣床零件的 实体模型和样机的虚拟装配 ,如图 3 所示。

图3 利用 PRO/ E 建立的数控钻铣床实体模型把 PRO/ E 建立的实体模型传送到 ADAMS 软件里 ,转换成运动学、动力学分析模型 ,添加运动副约束、运动约束以 及施加载荷 ,进行运动学、动力学特性分析。

图4 图 4 所示是对数控钻铣床进给部件进行运动分析。ADAMS 软件上数控钻铣床进 给部件运动分析对于数控机床 ,机械部件的刚度、热变形、抗振性等对机床的精 度有着重要的影响。

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图 5

所示是把 PRO/ E 建立的实体模型传送到 ANSYS 软件里进行了底座静刚度的分 析。

5 结束语
数控机床虚拟样机是数控机床开发研制一种全新的设计方法。 它孕育着一种 先进的设计、生产和开发理念,而为分析数控机床在加工时的性能情况,需要在 数控机床虚拟样机上进行虚拟加工。通过虚拟加工分析之后,可对设计的机床进 行性能预测和评价并提出修正和改进方案来细化精确化初步设计。 这对提高数控 机床设计水平具有重要的意义。

参考文献:
[ 1 ] [ [ [ [ 2 3 4 5 ] ] ] ] 王国强, 张进平,等. 虚拟样机技术及其在ADAMS上的实践[M] .西安:西 北工业大学出版社,2002. 王爱玲, 白恩远,等. 现代数控机床[M] . 北京:国防工业出版社,2003. 李军锋.数控机床加工仿真应用[J].计算机仿真,2003,20(4). 廖效果.数控技术[M].武汉:湖北科学技术出版社,2000. 杨晓京,刘剑雄. 基于虚拟样机技术的数控机床现代设计方法[J] .机 械设计, 1001-2354(2005)02-0016-03 杨晓京,傅中裕,史孝文. 数控机床虚拟样机的虚拟加工实现[J] . 机 床与液压, 1001—3881(2007)1—045—3

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