淺析虛擬樣機技術的機床現代設計方法

張群

摘 要：機床是工業生產中常用的一種機械設備，為提升生產效率與產品精度，某些產品制造中總是利用機床。作為一種自動化設備，如何提高機床設計與制造的科學性和合理性是行業人士一直關注的問題。對此，本文基于虛擬樣機技術提出了一種新的數控機床設計方法，減少設計失誤，促進機床設計思想的不斷發展與設計水平的不斷提高，滿足現代化工業生產制作的需求。

關鍵詞：數控機床 虛擬樣機技術 設計方法 現代化 設計過程

在以往的機床設計中，主要包括四個環節，過程過于復雜而繁瑣，不利于提升機床設計工作的水平，也不利于保證機床設計的科學性和合理性。為提高機床自動化水平，適應信息化的生產環境，不少行業人士一直在探討利用信息技術優化機床設計方法的有效途徑。虛擬樣機技術，作為一種智能化的設計技術，能夠很好的滿足機床現代設計需求，基于它構建機床現代設計方法是可行，也是行之有效的，下面將對這一種設計方法進行扼要論述。

一、虛擬樣機技術

虛擬樣機技術是在計算機技術基礎上產生的一種新概念技術，其興起于20世紀80年代，并逐漸在設計領域廣泛應用起來。基于虛擬樣機技術的設計，指的是利用虛擬樣機代替原來常用的物理樣機，并對候選設計的樣機各種性能進行測試和評價，根據測試結果而優選出最適合的設計方案，達到產品設計的最優目標。

在利用虛擬樣機進行設計過程中，先要利用計算機仿真和建模技術構建虛擬產品模型，然后再進行各種性能測試。這一過程是智能化設計的過程，也是產品設計結果優選的過程，很好的把仿真、模型和仿真者集合在一起，強調系統的優化和組合，追求的是最優化的設計結果，能很好的滿足產品設計精益化、科學化、智能化的需求。

二、基于虛擬樣機技術的機床現代設計

（一）虛擬樣機建造環境

虛擬樣機環境是指包含虛擬樣機，將CAD實體造型技術、系統仿真、人機交互技術等集成，形成的一個支持虛擬產品設計集成仿真環境。國外U.Jasnoch和H.KresS等人從并行工程方法角度理解，認為虛擬樣機環境是將多個CAD過程、知識推理過程等，通過CSCW技術、用戶界面技術、設計過程管理和文檔化技術集成起來，形成一個分布式環境以支持產品設計過程中并行工程方法。

（二）機床零件實體建模及虛擬裝配

虛擬樣機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、便攜地設計和生成三維造型。虛擬部件必須包含顏色、材質、外表紋理等外在特征以顯示真實的外觀，同時還必須包含質量、重心位置、轉動慣量等內在特征以進行精確的機械系統動力

學仿真運算。CAD生成的三維造型數據必須導入虛擬樣機環境，在虛擬環境中能測量和裝配，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三維造型還是實現最終從虛擬部件“制造”到現實部件制造的基礎。

（三）關鍵有限元分析

利用Solid一Edge軟件進行三維實體建模，可以利用ANSYS有限元分析軟件，對機床的各個部件進行網格劃分和計算分析；根據ANSYS分析所得到的結果，判斷設計的合理性，以達到設計最優化的目的二在solid-Edge軟件環境下設計的數控機床虛擬樣機，能夠在ANSYS環境下進行載荷實驗、剛度實驗、精度分析、抗振性實驗、熱變形實驗等。應用ANSYS有限元分析軟件來分析機床受到外力負載后，根據出現的最大應力、位移、溫度和扭矩與實際產品相比較，進而判斷設計是否符合要求，這樣就提高了產品開發效率，降低風險和實驗成本。如果在ANSYS環境下得到的計算數據證明機床虛擬樣機的某個機構或部件不能滿足設計要求，那么就必須回到501記一Edge軟件環境下重新設計，直到滿足要求。

（四）運動學、動力學仿真

采用ADAMS作為數控機床進給系統的動力學仿真支撐，ADAMS軟件可以利用交互式圖形環境和零件、約束、力庫建立機械系統三維參數化模型。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軟件中傳過來的造型逼真的幾何模型。在Solid一Edge軟件環境下建好模型，干涉檢查后，可以保存為IGES、STEP、PARASOUD格式的CAD圖形文件，再將CAD數據輸入到ADAMS中口刊。

圖1為在上述數控機床虛擬樣機導人到ADAMS中，可以根據各個零部件的裝配關系，給虛擬樣機添加約束與驅動，實現要求的運動仿真和動力學分析。

（五）伺服控制系統仿真

MATLAB是目前應用最廣泛的工程計算語言，具有用法簡單、靈活、功能強又兼具延展性的特點。SIMULINK模塊是MATLAB提供給控制領域的用戶，用于對線性/非線性、離散的控制系統進行分析的工具包，可用于建立數控機床的仿真模型。伺服系統的研究一直是自動控制領域的一大熱門方向，伺服系統性能的優劣直接影響到整機的工作性能，是機床最重要的組成部分，數控機床伺服系統是由伺服電路、伺服驅動裝置、機械傳動機構及執行部件等組成。在傳統的、復雜的機械系統設計過程中，機械工程師和控制工程師如果發現什么問題，他們只有回到各自的模型中，修改機械系統和控制系統，然后再進行物理樣機的調試。數控機床虛擬樣機是實現機電一體化地聯合仿真分析，這樣機械工程師和電氣控制師可以共同享有一個樣機模型，進行設計、調試和實驗，利用虛擬樣機對機械和控制系統進行反復的聯合調試，直到獲得滿意的設計結果，然后再進行物理樣機的建造和調試，反復測試后確定各項性能符合要求后，方能確定最終的設計方案。之后，才能根據這一設計方案進行大批量的數控機床設計。

三、結束語

綜上所述，在機床設計中運用虛擬樣機技術，能夠在計算機仿真與模型技術支持下構建機床的設計產品模型，對設計產品模型性能進行測試后做出最優化的設計結果選擇。這樣的設計方法，不僅優化了機床設計的整個過程，也極大的縮短了機床設計時間，進一步提高了機床設計水平。由此可見，基于虛擬樣機技術的機床現代設計方法在現實生活中有著巨大的工程應用價值，既可以應用虛擬樣機技術設計機床，也可以把這一技術延伸到其它機械設備的設計生產工作中去，未來的發展前景遠大，值得進一步深入研究。

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