數(shù)控機床數(shù)字化設計體系的研究與應用

徐玉平

（南京技師學院，南京 210033）

數(shù)控機床是自動化技術發(fā)展的一部分。近年來，隨著機電自動化技術的不斷發(fā)展，自動化技術的革新越來越受重視。但是，人們對自動化技術的使用方法還存在很多問題。例如，大部分自動化技術的操作方法冗雜，且操作過程繁雜。此外，數(shù)控機床向智能化與數(shù)字化方向發(fā)展的過程中仍然存在著各種問題。因此，本文將重點研究數(shù)控機床的數(shù)字化設計體系及其具體應用，以更好地服務我國的機械自動化行業(yè)，促使數(shù)控機床的發(fā)展邁向新的臺階。

1 數(shù)控機床設計過程中存在的問題

目前，我國數(shù)控機床在國際上競爭力不足的主要原因是智能化發(fā)展緩慢，對世界格局的影響力較小。第一，產(chǎn)品的自主設計研發(fā)較差，大部分依靠仿造。目前，我國的自動化技術不成熟且不完善，存在較大問題。尤其是在自主研發(fā)階段，我國的自動化企業(yè)大多數(shù)不重視創(chuàng)新能力發(fā)展，而是以仿造或者生產(chǎn)低端產(chǎn)品為主[1]。因此，對于數(shù)控機床這種大型高精密的設備，我國的設計制造能力與先進國家相比還存在較大的差距。第二，只能滿足用戶的功能需求，深入研究不到位。機床的設計可滿足用戶的功能要求，但對于用戶功能的需求較差，整體研究不夠深入。第三，核心競爭力較弱。雖然我國越來越重視高端科技產(chǎn)品的研發(fā)力度，尤其是將先進制造業(yè)與智能化企業(yè)的發(fā)展相結合，但是總體上尚處于初級發(fā)展階段，核心競爭力較弱。

2 數(shù)控機床數(shù)字化設計體系的研究

2.1 開發(fā)創(chuàng)新設計模塊

創(chuàng)新的設計模適用于新產(chǎn)品開發(fā)。它采用常規(guī)的設計模型，可在滿足功能和運動的基礎上解決數(shù)控機床運行中存在的突出問題。創(chuàng)新設計模塊的模型在系統(tǒng)運算過程中使用多變量模糊數(shù)，結合機床傳動復合機構的設計，可獲得新的產(chǎn)品設計原型。這種構建創(chuàng)新設計模塊的思想是將未引用的新產(chǎn)品開發(fā)納入計算分析開發(fā)模型，以提供可追溯的創(chuàng)新產(chǎn)品開發(fā)方法，并用于開發(fā)設計平臺。數(shù)控機床創(chuàng)新設計模塊平臺，如圖1 所示。

圖1 是完整的設計平臺。對數(shù)控機床產(chǎn)品結構處理中的創(chuàng)新設計、快速設計、虛擬設計以及機床的壽命設計，可結合三維CAM 采用多結構多優(yōu)化的方式來完成整體的設計平臺，如CAPP、PRO/E 以及ANSYS 等軟件設計平臺。

2.2 快速設計模塊

縮短整個研發(fā)周期且能夠快速進行設計，是數(shù)控機床發(fā)展的一大趨勢。目前，快速設計模塊可實現(xiàn)以二維為主且以三維為架構的基礎功能，但很難完成整個項目的設計。該模塊選擇PRO/E 設計軟件的TOOL-Link 參數(shù)化特征設計，并成加工中心的序列化開發(fā)。開發(fā)內(nèi)容包括主要制造零件的功能驅(qū)動參數(shù)設計、主要采購零件的自動計算和選擇以及主要結構的自動組裝3 個主要部分[2]。此外，該模塊建立了機床設計數(shù)據(jù)庫，以支持加工中心的快速串行設計。基于功能驅(qū)動的參數(shù)設計，當前平臺適用于相對定型且具有穩(wěn)定的市場需求和生產(chǎn)條件的產(chǎn)品。串行處理中心的主要零件、采購零件和自動組裝平臺的開發(fā)以及完整數(shù)據(jù)庫的構建均需要進行大量工作。因此，企業(yè)和大學有必要建立長期合作關系，以不斷改進和維護平臺，并提高平臺使用效率。快速設計模塊的開發(fā)適用于具有一定規(guī)模且產(chǎn)品相對穩(wěn)定的企業(yè)。數(shù)控機床快速設計模塊，如圖2 所示。

圖2 中，數(shù)控機床的快速設計模塊是現(xiàn)階段適應社會制造業(yè)發(fā)展的一大關鍵技術。隨著數(shù)控加工技術的迅速發(fā)展，人們對設備的要求越來越嚴，而如何快速設計將是未來發(fā)展的一大趨勢。首先，通過三維架構設計所需要的加工平臺，其中部分設備利用該平臺可以完成所需數(shù)控機床的設備零件的架構；其次，通過虛擬裝配等技術設計所需要的參數(shù)；最后，將仿真模擬應用于實際產(chǎn)品的加工生產(chǎn)，有效提高整體的創(chuàng)新效率[3]。

2.3 計算機仿真分析模塊

計算機仿真分析的主要目的是改進機床結構，即通過仿真分析發(fā)現(xiàn)結構存在的問題，并經(jīng)過初步設計到深入設計的過程進行深入計算和分析。在機床設計階段，應盡可能多地通過計算提高設計質(zhì)量，為開發(fā)高水平的產(chǎn)品帶來動力。目前，仿真技術在機床數(shù)字化領域中應用十分廣泛，且在新機床產(chǎn)品研發(fā)中處于快速發(fā)展階段。

圖1 數(shù)控機床創(chuàng)新設計模塊平臺

圖2 數(shù)控機床快速設計模塊

此外，計算機仿真分析技術的應用應與機床技術緊密集成。仿真分析旨在提高設計質(zhì)量，因此在設計仿真中仿真目標的選擇、方法的選擇、計算的準確性以及仿真結果的可信度和準確性都非常重要[4]。豐富的機床設計知識與高端仿真技術的緊密結合，可獲得令人滿意的結果。

優(yōu)化主要是通過優(yōu)化算法或軟件來獲得全局或局部的最佳結果，但實際上很難達到最佳的設計效果，只能盡力完成整個設計過程，提供相對優(yōu)勢的設計效果。為了修改結構并優(yōu)化設計，計算機仿真分析模塊根據(jù)機床的應用目標提供了優(yōu)化和相對優(yōu)化選項，分別設置優(yōu)化目標以實現(xiàn)最優(yōu)的剛度、最輕的質(zhì)量（高速）、最小的結構（改善有效的處理空間）以及最高的效率控制，且應考慮整體的協(xié)調(diào)和優(yōu)化。

2.4 機床設計產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理

數(shù)字設計技術歸根結底是為了提高機床的整體性能，為制造生產(chǎn)帶來便利。數(shù)字設計技術是以計算機軟硬件搭建的平臺為出發(fā)點，并通過數(shù)字信息等手段建模以分析、修改和優(yōu)化相關產(chǎn)品[5]。此外，在設計過程中需要擁有高效合理的信息管理，以便信息的交流和共享等。該項目平臺采用產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理這一實用模塊，以產(chǎn)品的創(chuàng)新為中心，通過計算機網(wǎng)絡與數(shù)據(jù)庫將所有與機床有關的信息和流程集中起來進行統(tǒng)一管理和修改，從而為實際開發(fā)更高水平的機床數(shù)字化技術提供便利。

3 結語

本文主要研究數(shù)控機床數(shù)字化設計體系整個平臺的設計，通過三維架構和有限元分析，在最初產(chǎn)品設計中實現(xiàn)機床的快速設計，進而實現(xiàn)整個設計。這個階段可以設計出適合時代發(fā)展的新產(chǎn)品，可為未來的數(shù)控機床自動化技術的發(fā)展提供廣闊的發(fā)展空間。