虛擬樣機(jī)技術(shù)在機(jī)床設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用

嚴(yán)偉 葉斌炳 史璐冰 魏峰

【摘 要】介紹了虛擬樣機(jī)技術(shù)的概念及特點(diǎn)，同時(shí)展望了虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展前景。運(yùn)用ProE零件設(shè)計(jì)模塊及其裝配模塊，在機(jī)床設(shè)計(jì)過程實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)及虛擬裝配，并通過Mech/Pro接口實(shí)現(xiàn)ProE及Adams模型及裝配關(guān)系的傳遞，通過Adams進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，同時(shí)將仿真過程中零件所受的外界載荷導(dǎo)入Ansys，通過Ansys實(shí)現(xiàn)對(duì)零件動(dòng)態(tài)受力的分析，再通過ProE與Ansys接口對(duì)零件部件實(shí)現(xiàn)靜態(tài)分析，從而實(shí)現(xiàn)零件部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】虛擬樣機(jī)技術(shù)；機(jī)床；設(shè)計(jì)；應(yīng)用

一、前言

在機(jī)床設(shè)計(jì)過程中，由于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的激烈性以及客戶需求的多樣化和個(gè)性化等前提下，對(duì)于機(jī)床設(shè)計(jì)研制和生產(chǎn)提出了更高的要求，即解決新機(jī)型的上市時(shí)間，質(zhì)量，成本以及服務(wù)等問題。正是因?yàn)橛羞@些需求，虛擬樣機(jī)技術(shù)在設(shè)計(jì)過程中才有廣泛的應(yīng)用，并可以通過此技術(shù)很大程度上加快設(shè)計(jì)研發(fā)和生產(chǎn)周期以及服務(wù)響應(yīng)周期。

二、虛擬樣機(jī)技術(shù)的定義及特點(diǎn)

虛擬樣機(jī)技術(shù)（Virtual Prototyping Technology，VPT）是一種基于產(chǎn)品計(jì)算機(jī)仿真模型的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法，這些數(shù)字模型即虛擬樣機(jī)（Virtual Prototyping）支持并行工程方法學(xué)。虛擬樣機(jī)技術(shù)涉及多體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)建模理論及其技術(shù)實(shí)現(xiàn)，是基于先進(jìn)建模技術(shù)，多領(lǐng)域仿真技術(shù)，信息管理技術(shù)，交互式用戶界面技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的綜合應(yīng)用技術(shù)。虛擬樣機(jī)技術(shù)具有如下特點(diǎn)：

1.可以替代物理樣機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證和測(cè)試。

2.用于產(chǎn)品開發(fā)的全生命周期，并隨產(chǎn)品生命周期演進(jìn)而不斷豐富和完善。

3.與常規(guī)的仿真相比，其涉及的設(shè)計(jì)領(lǐng)域更廣，考慮也較周全，因而可以產(chǎn)品的質(zhì)量。

4.支持產(chǎn)品全方位測(cè)試，分析與評(píng)估。支持多領(lǐng)域并行工程。

三、虛擬樣機(jī)技術(shù)在機(jī)床設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用

（一）模型的建立

運(yùn)用ProE零件設(shè)計(jì)模塊，以及根據(jù)設(shè)計(jì)的要求建立等效參數(shù)化床身模型。在建立完各個(gè)零部件模型后，運(yùn)用ProE裝配體模塊將各個(gè)零部件組裝成數(shù)字原型機(jī)。

（二）原型機(jī)的虛擬驗(yàn)證

驗(yàn)證設(shè)計(jì)效果的傳統(tǒng)方式是將設(shè)計(jì)成果等比例的生產(chǎn)出物理樣機(jī)，而生產(chǎn)周期也等同于產(chǎn)品的生產(chǎn)。通過采用虛擬樣機(jī)技術(shù)便可以更快的而且廉價(jià)的對(duì)設(shè)計(jì)成果進(jìn)行早期驗(yàn)證。更有利于產(chǎn)品問題的反饋和改進(jìn)。

1.利用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)原型機(jī)進(jìn)行靜態(tài)性能驗(yàn)證

我們運(yùn)用了一款有限元分析軟件Ansys對(duì)于此原型機(jī)的靜態(tài)性能驗(yàn)證。將組裝完成的原型機(jī)通過ProE和Ansys的接口，將模型導(dǎo)入Ansys Workbench中，利用AnsysWorkbench Static Structural （靜態(tài)結(jié)構(gòu)）模塊，對(duì)原型機(jī)進(jìn)行靜力學(xué)分析。將導(dǎo)入的ProE模型加載到Static Structural中，并且在Engineering Data中加載我們所需的材料性能，此次靜力學(xué)驗(yàn)證中，床身，立柱以及工作臺(tái)用的材料均為HT300材料，而線軌所用材料為40Cr。完成材料和模型加載后，進(jìn)入網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分完成后，對(duì)各個(gè)零部件進(jìn)行材料的定義。

完成以上步驟之后，對(duì)原型機(jī)施加載荷和約束：由于此次驗(yàn)，證假設(shè)在工況條件下，即工作臺(tái)承重3t，立柱和主軸箱總重3t，以全地腳方式安裝，且由于是靜態(tài)驗(yàn)證為此將溫度恒定于22℃。然后對(duì)模型進(jìn)行求解，此次驗(yàn)證結(jié)果如上圖。

分析結(jié)果在工況條件下，床身的變形量?jī)H0.003mm，最大3MPa。由于此次床身已經(jīng)設(shè)計(jì)完成，所以在靜態(tài)性能上已經(jīng)滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。假設(shè)變形量及應(yīng)力問題還未滿足設(shè)計(jì)要求，則需設(shè)計(jì)人員對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，直至達(dá)到設(shè)計(jì)要求。虛擬樣機(jī)技術(shù)正好可以解決我們處理前期設(shè)計(jì)問所遇到的設(shè)計(jì)問題以及及時(shí)的問題糾錯(cuò)。

2.頻率虛擬計(jì)算

運(yùn)用Ansys 下的Modal模塊進(jìn)行床身頻率的計(jì)算。由于材料已定義完成，為此僅需將模型導(dǎo)入此模塊中同時(shí)進(jìn)行網(wǎng)格劃分（以上步驟已在上邊闡述完成，就不再重復(fù)）。再對(duì)床身進(jìn)行約束的加載，求解得到床身頻率（如右圖）。不難看出1到5階的頻率均高于200Hz，為此床身可避開機(jī)床加工的振動(dòng)頻率，從而不會(huì)形成共振。

（三）對(duì)原型機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能驗(yàn)證

運(yùn)用ADAMS對(duì)原型機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證。運(yùn)用ProE與ADAMS的Mech/Pro接口完成這兩個(gè)軟件的模型傳遞，通過ADAMS中的運(yùn)動(dòng)副及動(dòng)力的定義完成系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)關(guān)系的搭建，以完成動(dòng)態(tài)仿真。通過ProE裝配體模塊下的Mech/Pro菜單中完成ADAMS所需剛體的定義，再將模型導(dǎo)入ADAMS中。

進(jìn)行運(yùn)動(dòng)副的定義，運(yùn)用ADAMS工具欄將床身與地面固定，運(yùn)用運(yùn)動(dòng)副translation將立柱和床身及工作臺(tái)與床身進(jìn)行運(yùn)動(dòng)副連接。同時(shí)在連接副上施加摩擦因數(shù)0.003。再進(jìn)行驅(qū)動(dòng)添加24m/s的線速度。進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，通過仿真得到運(yùn)動(dòng)副的受力狀態(tài)，以便對(duì)絲杠及其他相關(guān)零件進(jìn)行受力分析。通過運(yùn)動(dòng)副受力狀況分析以及立柱中心的加速度狀態(tài)可以得到機(jī)床運(yùn)行平穩(wěn)。

（四）驗(yàn)證總結(jié)

通過對(duì)原型機(jī)的虛擬驗(yàn)證后，便可以從中提早發(fā)現(xiàn)研發(fā)過程中的干涉，剛性，以及運(yùn)動(dòng)性能的問題。同時(shí)由于代替了物理樣機(jī)便可以物理樣機(jī)重復(fù)制造帶來的成本，生產(chǎn)時(shí)間以及反饋速度等問題，也為設(shè)計(jì)人員提供理論驗(yàn)證的直接參數(shù)，有利于產(chǎn)品的研發(fā)的知識(shí)積累。

【參考文獻(xiàn)】

[1]虛擬樣機(jī)技術(shù)在機(jī)床運(yùn)動(dòng)分析中的研究[J]. 韓彥勇，鄭喜貴，朱永剛，胡小靜.中國(guó)科技信息.2015（24）