數(shù)控機床設計中虛擬樣機技術的運用

張會民

摘要：復合加工技術作為適應現(xiàn)代化制造業(yè)的一種技術，能夠為復雜零件和高精密儀器零件設計提供有效的加工解決方案，也是未來先進制造技術發(fā)展的主要方向。數(shù)控機床是近年來迅速發(fā)展的技術之一，可以代替人工完成各項產(chǎn)品的管理和操作。數(shù)控機床虛擬樣機技術作為全新的設計方法，可以有效降低設計成本，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，從根源上提升制造能力和水平。

關鍵詞：數(shù)控機床設計;虛擬樣機技術;運用

0 ?引言

市場競爭在現(xiàn)代變得更加激烈，對于產(chǎn)品的要求也變得更加多樣化，在此背景下，產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度加快，各行各業(yè)在復雜零件的需求量上明顯增加。數(shù)控機床作為將計算機技術應用于機床的控制技術，將機械加工中的不同控制信息以代碼表示，通過信息載體展開管理控制。虛擬樣機的出現(xiàn)也可以解決傳統(tǒng)生產(chǎn)過程中的高成本和低效率問題。

1 ?虛擬樣機技術的功能和特征

1.1 虛擬樣機技術

虛擬樣機技術指的是在產(chǎn)品開發(fā)的過程中，將分散的零件設計與技術分析融為一體的模型化管理，主要針對產(chǎn)品投入使用后的不同情況展開仿真分析，從而預測產(chǎn)品的性能，對產(chǎn)品設計進行優(yōu)化管理。虛擬樣機作為計算機模型，既能夠反映出產(chǎn)品的特征和外觀空間關系，也能了解產(chǎn)品的運動動力學特點。借助于這項技術，設計者可以直接在計算機上建立系統(tǒng)化模型，通過三維可視化處理，模擬在真實環(huán)境下的運動特征?？傮w來看，虛擬樣機技術具有可視化優(yōu)勢和虛擬探索功能，能夠對產(chǎn)品進行多功能和多方面的建模分析，在產(chǎn)品研發(fā)方面更加智能化。其主要的技術功能包括以下幾個方面。

首先是產(chǎn)品的設計性能分析，按照不同產(chǎn)品的工作環(huán)境需要和技術特點針對性進行關鍵因素的測試分析。

其次是制造過程的可行性分析，借助虛擬樣機展開產(chǎn)品建模，分析設計過程的可裝配性。

之后是虛擬樣機建模，利用虛擬樣機的CAD技術，從產(chǎn)品角度進行數(shù)字建模，對產(chǎn)品數(shù)據(jù)展開綜合管理措施。

1.2 特征

虛擬樣機技術的特征需要考慮到建模仿真工具的集成技術。某些物理樣機的生產(chǎn)過程需要耗費大量的時間和成本，特別是在一些極端情況下實驗風險較高，例如我們熟知的汽車碰撞試驗等。如果在設計計算當中采用相對傳統(tǒng)的計算方法，不僅計算速度無法保障，且計算精度無法從方案的角度進行分析和比較。在不斷變化的客戶需求下，虛擬樣機的特征和優(yōu)勢也體現(xiàn)得更加突出。

首先是研發(fā)模式更加現(xiàn)代化。傳統(tǒng)的研發(fā)過程無論是設計環(huán)節(jié)還是生產(chǎn)環(huán)節(jié)都是串行過程，該方法本身存在弊端。但是虛擬樣機技術的出現(xiàn)真正地改善了系統(tǒng)層面的產(chǎn)品優(yōu)化，能夠在設計階段進行分析和比較，將方案中某些影響到性能的敏感參數(shù)通過可視化技術進行響應，模擬不同工況下的關鍵信息，直至獲得最佳的工作性能。

其次是成本方面和生產(chǎn)周期方面都得到了大幅控制，從而穩(wěn)定工作質量。具體來看，虛擬樣機設計能夠有效地擺脫對于物理樣機的束縛，并通過計算機技術建立產(chǎn)品的數(shù)字化模型，可以完成多次物理樣機無法實現(xiàn)的虛擬試驗。這樣一來，不僅物理樣機的數(shù)量得到降低，整體的產(chǎn)品研發(fā)周期和產(chǎn)品質量得到了穩(wěn)定提升。

最后是動態(tài)聯(lián)盟模式。當前世界范圍內已經(jīng)廣泛接受了動態(tài)聯(lián)盟的概念，目的在于減少單個企業(yè)在資源方面的局限性劣勢，從而通過互聯(lián)網(wǎng)臨時締結契約，按照企業(yè)之間的產(chǎn)品信息交流進行相應的操作。虛擬樣機作為數(shù)字化模型，可以直接通過網(wǎng)絡傳輸產(chǎn)品信息將信息進行快速反饋，動態(tài)聯(lián)盟間的活動也實現(xiàn)了穩(wěn)定的并行化。

1.3 虛擬加工仿真技術

對于數(shù)控加工過程而言，加工程序的重要性顯而易見，無論采取什么系統(tǒng)進行編制，都有可能面臨系統(tǒng)錯誤。所以在進行產(chǎn)品加工前，要進行多次檢查和程序模擬，通過對數(shù)控機床建模來仿真數(shù)控加工過程。通常情況下虛擬數(shù)控加工仿真有兩種類型，一種是幾何仿真，用于驗證NC代碼的合理性;另一種則是物理仿真，將工作中的物理因素變化映射到虛擬制造系統(tǒng)中展開分析，用于分析切削參數(shù)的變化情況以及不同的干擾因素對加工過程產(chǎn)生的影響。

2 ?數(shù)控機床設計中虛擬樣機技術的應用

2.1 設計過程和設計步驟

總體方案設計包括對運動功能、傳統(tǒng)系統(tǒng)、尺寸參數(shù)等指標的設計。目前數(shù)控機床的加工對象主要是各類回轉體零件，通過執(zhí)行數(shù)控程序完成切削加工過程。另外在模塊化設計方面，當前的電子行業(yè)和機械行業(yè)都采用模塊化設計模式，將機床產(chǎn)品的同一種類型和要素進行組合，進行產(chǎn)品的模塊化管理。一來只需要進行單次設計，就能滿足客戶的基本需求，對產(chǎn)品設計效率提升具有明確作用。另外還可以將某些系列化和通用化的結構模塊展開規(guī)劃設計，將機床劃分為床身和車削傳動系統(tǒng)等多個模塊[1]。

2.2 虛擬樣機建立

虛擬樣機的建立一般有兩種方法，第一種方法是直接利用ADAMS模塊提供建模工具，從而直接地創(chuàng)建模型。該方法相對簡單，不會出現(xiàn)因模型導入而產(chǎn)生失真問題。但此方法在面臨一些復雜的零件時效果有限，更多地應用在某些簡單零件的建模環(huán)節(jié)當中。所以可以考慮采用第二種替代方式，即在其它的CAD軟件當中進行零件設計，再將不同的零件進行裝配，經(jīng)過專用接口導入ADAMS當中。這樣做的優(yōu)勢在于可以借助專業(yè)CAD軟件進行精確建模，了解到零件應該具備的質量標準，大幅降低了產(chǎn)品的分析時間和分析精度。

數(shù)控機床本身是一個較為復雜的機械系統(tǒng)，包含多種類型的零部件。如果將所有零部件的三維模型都導入ADAMS環(huán)境當中，必然會使得有些仿真方法無法順利進行。此時為了保障虛擬模型仿真分析時的工作效率，可以在模型導入之前進行簡化，刪除一些零件特征和模型細節(jié)，避免在仿真過程中出現(xiàn)錯誤提升結果的精確度。例如將一些用于定位的零部件直接刪除，在進行動力學和運動學分析時，也不考慮床身結構等參數(shù)指標[2]。

2.3 仿真結果分析

在設計和裝配三維零件模型之后，就需要對虛擬模型展開運動學仿真，了解模型是否滿足設計指標要求，各個構件之間是否發(fā)生相互干擾。這樣一來也能獲取不同構件在特殊時刻下的變化規(guī)律。我們可以在數(shù)控機床刀尖區(qū)域添加一個運動曲線方程，以逆運動學仿真的方式得出速度變化趨勢，并假設在車削加工過程中刀尖的不同運動規(guī)律。

3 ?結語

數(shù)控機床在制造行業(yè)得到了廣泛應用，而對機床進行虛擬樣機技術研究，有助于了解機床的動力學和運動學特性，為今后的設計工作提供有效參考依據(jù)。我國機床技術在近年來取得巨大進步，特別是復合加工技術的應用成為了行業(yè)領域的關鍵改革，也說明虛擬樣機技術的運用研究也具有重要的現(xiàn)實意義。

參考文獻：

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