應用計算機輔助工程技術提升數控機床產品質量

福州大學機械工程及自動化學院 聶曉根 劉艷斌

長期以來，在數控機床研發中，國內還主要依靠仿制、經驗設計和靜態精度檢測等為主的傳統的設計模式。按照這種模式，一種數控裝備的研發通常要經過設計→試制→測試→改進設計→再試制的重復過程，產品研發成本高、周期長，反復性試驗難以做到充分、完善，設計人員難以對復雜形狀零部件的靜、動態強度進行精密分析，仿制雖可模仿尺寸，做到形似，但性能及核心技術難以模仿，難以做到神似，更談不上產品的優化，因此傳統設計方法不能適應當今數控機床的研發要求[1]。

隨著科學技術的發展，工程設計的理論、方法和手段發生了很大變化。近年來，集模擬分析、優化設計、仿真等技術于一體的計算機輔助工程(Computer Aided Engineering：CAE）技術引起了人們的廣泛重視，并越來越多地應用于工程設計實踐。CAE技術是對傳統設計方法的一次歷史性的革命，改變了傳統以物理樣機為基礎的設計方式，大大減少了物理樣機昂貴而費時的制造及試驗過程，設計人員可以直接在計算機上，對設計對象進行造型設計、快速分析、多種設計方案比較、優化設計等，及時發現設計問題，提高產品質量，縮短產品開發周期，降低產品開發成本和新產品開發的風險。

現代數控機床向著高速、高精、高效和復合化方向發展，對機床的運動性能、動力性能、機械結構性能、加工性能，以及伺服控制等方面提出了越來越高的要求，先進設計、分析工具的缺乏，嚴重影響著我國數控機床的自主創新發展和產品競爭力[2]。在機床的研發過程中引入CAE技術，為數控機床開發研制提供一種全新的設計方法，可大幅縮短機床的研發周期、降低機床的研發成本、提高設計質量和效率，增強企業的市場競爭能力。

一、CAE技術及其功效

CAE技術是計算機技術和工程分析技術相結合形成的新興技術，并通過各種CAE軟件發揮效能。CAE軟件是由計算力學、計算數學、結構動力學、數字仿真技術、工程管理學與計算機等技術相結合而形成的一種綜合性、知識密集型信息產品，它是實現重大工程和工業產品計算分析、模擬仿真與優化設計的工程軟件，是支持工程師、科學家進行創新研究、產品創新設計最重要的工具和手段[3]。

應用CAE，可對工程或產品未來的結構和運行狀態進行各種模擬，及早地發現設計缺陷，并證實未來工程或產品功能和性能的可用性和可靠性，使產品的大多數問題在設計階段就可通過仿真得到解決，同時支持工程或產品的協同、優化設計，使產品輕量化、性能最優化和設計高效化成為可能。

從20世紀60年代初開始對CAE探索性研究與應用，到今天已經歷了40多年的發展歷史。隨著技術學科的交互性發展，計算機智能化的不斷提高、有限元算法的成熟，以及各門實用科學的突飛猛進，使基于虛擬樣機的CAE技術日趨成熟。基于虛擬樣機的數控機床設計流程如圖1所示，它以虛擬樣機設計為中心，對產品進行虛擬設計，通過虛擬仿真分析，預測實際產品的特性，包括外觀、空間關系及運動學和動力學等特性，提供一個全面研究產品工作性能的方法，并通過設計中的反饋信息不斷地指導修改初始設計，保證產品優化開發過程順利進行。

圖1 基于虛擬樣機的數控機床設計流程

設計過程實際上就是尋找最佳設計方案的過程。CAE技術已成為工程和產品設計中(如航空、航天、機械、船舶等領域）必不可少的數值計算、結構分析和結構優化的重要工具。當今國際大型企業在產品研發的全生命周期中已普遍應用了CAE技術，在許多行業中，計算機輔助分析已經成為產品設計與制造流程中不可逾越的一種強制性的工藝規范，CAE分析工具的應用水平成為評定企業技術水平等級、產品質量和成本管理的決定性因素。然而我國機床制造企業對CAE的應用還遠不夠深入，企業在認知、掌握和應用CAE的程度遠遠低于CAD、CAM等技術，企業對CAE在產品開發中的創新作用重視不夠。增強產品開發能力，縮短產品開發周期，提高設計質量及優化產品開發流程，降低產品開發和維護成本，大力推廣CAE技術在產品設計和制造過程中的應用，已成為提升制造企業核心競爭力的當務之急。

二、CAE軟件平臺

1.CAE軟件分類

當前，國際上出現了許多商業化CAE軟件平臺，其功能攘括了結構分析、CFD(流體動力學分析)、NVH(震動與噪聲分析)、多體動力學分析、材料成型性能分析、熱力分析、電磁分析及巖土力學分析等應用領域[4]。由于CAE軟件具有交叉性，其軟件平臺分類復雜，如按其研究對象可分為：靜態結構分析和動態結構分析；按研究問題可分為線性問題和非線性問題；按物理場可分為：結構(固體）、流體和電磁等。而結構分析又可以分為剛度分析、強度分析、碰撞分析、疲勞分析和優化分析等；NVH分析又可分為模態分析、頻響分析、震動分析及噪聲分析等。根據CAE軟件的應用及其特點，可將CAE軟件按如圖2所示進行分類：

通用型CAE軟件可對各類產品的物理力學性能進行分析、優化，它包含了面向結構領域 (如Msc.Nastran)、流體力學領域 (如Fluent)、多物理場耦合和多體系統 (如ADAMS)。行業專用型是針對特定類型的工程或產品開發的。如用于汽車工程方面的VPG、鑄造行業的ProCAST，管道設計行業的CAEPIPE，噪聲和聲場分析的Sysnoise、AutoSEA和Actran，板材成型行業的Autoform，疲勞分析領域的MSC.Fatigue、FE Fatigue等。每一種CAE軟件都有自己的特點，如在線性方面有Msc.Nastran、Ansys等，隱式非線性方面有Msc.Marc、ABAQUS/Standard、ADINA等，顯式高度非線性方面有Msc.Dytran、LSDyna、ABAQUS/Explicit、Radioss等。在大多數CAE分析軟件中一般都帶有優化算法，也有一些較專業的優化軟件，如 Optistruct、ptiShape和Tosca等。也有CAD/CAE/CAM集成的軟件系統，如Pro/Engineer、 UG、 CATIA等。

圖2 CAE軟件平臺分類

2.數控機床CAE軟件平臺

數控機床是一種典型的高精密、高度自動化的復雜機電產品，不僅涉及到結構單元的布局、材料的選取、結構強度、剛度、穩定性、加工工藝的可行性、產品的可維修性及可靠性，而且還涉及到光、機、電等各子系統相互間匹配性等諸多相互關聯的因素。因此，對數控機床進行CAE分析需要功能強大的軟件平臺支撐。

(1）分布式軟件平臺。盡管CAE技術發展迅速，但目前仍然缺乏普遍適用的支持數控機床產品設計全過程的數字化產品開發系統。目前，應用最廣泛的是分布式軟件平臺，即以一些具有良好工程實踐基礎的專用三維設計和動態仿真軟件為核心，配備中間轉換程序構成一個集成的設計仿真環境。如以三維設計軟件SolidWorks、機械動力學仿真軟件ADAMS、大型有限元分析軟件ANSYS和控制仿真軟件MATLAB/SIMULIINK為核心構建的集成化軟件平臺(如圖3所示），可對設計的數控機床進行全面的CAE分析，且具有較高的可信度和良好的適應性。

圖3 分布式CAE設計平臺

然而，這種分布式軟件平臺也有很多不足，往往不能很好地支持產品全過程的數字化設計和仿真，成為實施CAE的技術瓶頸：由于其采用相互獨立的三維設計和仿真軟件，造成各個軟件之間的數據交流困難，常常出現如點、面、線的丟失，無法對模型中的一些特征進行網格劃分等問題，需要花費大量的時間和精力在CAE軟件中進行幾何模型的修補工作，這必然導致模型的不一致且增加設計工作量；反復的仿真分析和反饋修改大大降低了實施CAE的效率，影響設計流程；利用參數化三維建模軟件構建的參數化三維模型，導入到ADAMS/View之后，模型卻不再具備參數化的特性，不能滿足機構動作可靠性分析的需要；再者，對于許多中小企業來說，目前主流CAE商業軟件還是 “買不起”的奢侈工具，如果企業購買各種不同的軟件搭建所需的平臺，必然增加開發成本，而且由于多種軟件的存在，設計人員和分析人員要花很多的時間學習這些軟件，也對這些人員提出了更高的要求。為高效、快速地實現虛擬設計、分析與優化，需要高度集成的軟件平臺。

(2）集成化軟件平臺。隨著CAD/CAE/CAM高度一體化軟件的不斷發展和成熟，不僅設計造型技術更加先進，其自帶的各種仿真功能模塊也越來越強大，在很多領域大有和專用仿真軟件一爭高下之勢，因此，一體化的軟件平臺正逐漸受到工程人員的重視，在CAE實現方面的應用也越來越廣泛，Pro/E就是其中的杰出代表，其一體化軟件平臺及其設計流程如圖4所示。Pro/E融產品設計、仿真和管理等各個模塊為一體，可以為產品設計開發提供一個實現完全一體化的虛擬樣機集成環境，在這樣一種集成環境下，Pro/E在設計虛擬樣機階段自始至終都采用一個主模型，隨時保持主模型數據的一致性，而下游的仿真及制造都以該主模型為基礎展開，保證了數據的無縫集成，Pro/E還可以根據仿真分析結果得到的改進模型來直接升級主模型，無需數據轉換，非常便捷，可明顯提高分析和優化效率[5]。使用Pro/E這一軟件平臺可以快速實現機床產品的設計、分析與優化，對于企業來說，大大降低了軟件的投資成本以及人員的培訓難度，值得推廣。

圖4 基于PRO／E的一體化軟件平臺及其設計流程

三、應用實例

應用Pro/E一體化平臺為某公司開發了五軸數控刻楦機，以下介紹該軟件在五軸數控刻楦機創新設計、精確建模及模態分析等方面的應用及其特點。

刻楦機是制鞋的關鍵設備，現廣泛采用的三軸數控刻楦機存在許多不足：經三軸數控刻楦機加工的鞋楦必須在切跟機上經手工操作切去楦頭和楦跟夾持處未加工部分，并通過手工打磨拋光才能獲得最后的成品楦。楦頭和楦跟在夾持部位為自由曲面，形狀復雜，楦頭和楦跟夾持部分的去除和打磨對工人操作技能要求很高，且加工的鞋楦一致性不高；加工中旋風刀只能作X、Z向的平動，容易產生與坯楦干涉、碰撞現象，導致高幫鞋楦不能加工。五軸數控刻楦機是根據鞋楦的形狀結構及其日益提高的質量要求而創新研究開發的，可從根本上克服三軸數控刻楦機的不足，楦頭和楦跟可直接加工出來，無需手工操作切去楦頭和楦跟的夾持部分，實現了鞋楦的完整、高效加工[6]。其加工原理如圖5所示。

1.虛擬樣機的建模與裝配

圖5 三軸和五軸數控刻楦機工作原理圖

五軸數控刻楦機是一種非常復雜的機械系統，傳統二維設計手段難以清晰表達該機床的結構，同時，只有建立其計算機數字模型 (即虛擬樣機)，并對它的運動、動力學性能、機械結構性能以及工件加工性能等進行全面的仿真分析才能確保機床成功研發。

數控機床虛擬樣機的建模與裝配是CAE分析的基礎，通過虛擬樣機建立數控機床的完整數字模型，不僅能夠反映真實機床的外觀、顏色、材質、質量及位置等各種特性，還可包含質量、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。應用PRO/E建模和裝配模塊(PRO/E part/assembly module)可以快速準確地建立數控機床的零部件模型，并將它們按照實際位置和配合關系進行裝配，通過干涉檢查后將真實機床在計算機里完全再現，同時可以通過建立人機環境，使操作者和數控機床達到最佳匹配。圖6所示是利用PRO/E建立的五軸數。

圖6 五軸數控刻楦機數字模型

2.五軸數控刻楦機的的運動仿真

應用PRO/E(Mechanism)運動模塊在機床數字模型基礎上添加必要的運動仿真信息 (如運動副、約束和原動機等)來建立機床的運動仿真模型，在該模塊中可對機床進行運動分析和動力學分析。

根據五軸數控刻楦機的加工原理，構建了如圖7所示加工楦跟時刀具的運動仿真模型，在定義了相關運動關系、接觸、驅動后，按照實際加工中5min內完成一次加工的要求設置主運動參數，同時，限制Y軸運動，通過仿真得出了在滿足實際加工效率的要求下加工鞋楦同口部位時，刀盤中心在X軸方向的速度和加速度曲線。從仿真結果中可知，為達到設計效率，刀盤在加工鞋楦輪廓陡峭處的速度和加速度過大，為此，加工中應從控制上采取措施，協調控制X、Y向伺服軸的運動，以確保機床運動運動平穩，提高系統運動的穩定性。

圖7 刀具運動仿真

3.五軸數控刻楦機的的結構分析

PRO/E結構模塊 (Pro/Mechanica)具有強大的結構分析功能，可以對機床的零、部件乃至整機進行各種結構分析，包括靜力分析、動態分析、模態分析、諧響應分析和熱變形分析等[7]，可全面分析所設計的零部件及整機的機械性能是否滿足要求。

在機床上加工工件時，機床的零件和部件因受力而產生變形，使刀具和工件間產生相對的彈性位移，影響到工件的加工精度和生產效率。數控機床的底座、滑鞍、工作臺、立柱和主軸箱是重要的基礎件，其結構形式、材料等都將影響它們的動、靜剛度及抗振性能，設計時應予以分析。

五軸數控刻楦機旋風刀刀座用以支撐刀具，加工時帶動刀具作高速、高加速往復運動，并承受切削力、皮帶張力及慣性力，刀座質量對X向進給系統影響大。應用Pro/Mechanica模塊，對其進行了靜剛度分析，分析結果如圖8所示。仿真結果表明，通過添加加強筋和掏空，在不增加部件質量的前提下，刀座剛度有顯著提高(在同等工作負荷下最大應變從0.035248mm降至0.007583mm）。

數控機床在切削工件時，會有周期性的激振力作用在工件上，當激振力的頻率與機床的固有頻率相同時，會發生共振，這不僅不利于保證加工精度，而且會對刀具及機床本身造成嚴重的破壞，因此有必要運用諧響應分析技術，對機床的動力響應作出分析。通過模態分析，可以確定結構的固有頻率，而固有頻率和振型是結構設計中承受動態載荷的重要參數，了解結構本身具有的固有頻率和振型，就可避免在使用中因共振因素造成不必要的損失；其次還能確定固有頻率是否安全可靠，振型是否影響加工精度，根據此數據還可對機床床身相關的部件進行優化設計，使它滿足機床對加工質量和加工精度的要求[8]。

圖8 旋風刀刀座剛性分析

應用Pro/Mechanica模塊對該機床床身進行了模態分析，得床身前四階固有頻率分別為49.86Hz、57.80Hz、69.92Hz、91.34Hz， 固有頻率比較低(該機工作激振頻率為2～16Hz），表現出焊接床身靜剛度強而動態特性較差的特性。同時，從振型圖可以看出，床身上部Y軸導軌橫梁的振幅最大，剛度不夠，如圖9a所示。通過加厚橫梁厚度，并在橫梁底部增加兩條加強肋，大大提高了床頭架的動態剛度，如圖9b所示。另外，根據機床特點采取床身底部封砂結構，提高了床身的阻尼，進一步改善了機床的動態特性。

圖9 床身模態分析

四、結論

介紹計算機輔助工程技術、技術平臺及其設計流程。以五軸數控刻楦機開發為例，介紹了基于Pro/E、Pro/Mechanism與Pro/Mechanica的機床精密設計、精確建模及模態分析方法。該方法具有以下特點：

(1)Pro/MECHANICA與Pro/E是無縫連接關系，不存在數據轉換問題，故其設計階段的分析、優化高效、可靠。

(2)通過加工運動分析，合理配置機床運動，運動仿真曲線可為控制策略的制定提供依據。

(3)通過對床身的模態分析，算出了該床身的前四階固有頻率和振型，直觀地分析了其動態性能和薄弱環節。

通過在五軸數控刻楦機設計中充分應用PRO/E的設計、分析模塊的實踐，充分證明了 Pro/E的高度集成度及其能滿足數控機床設計分析的要求，是提高機床設計性能強有力的工具。

[1]楊曉京，劉劍雄.基于虛擬樣機技術的數控機床現代設計方法 [J].機械設計，2005，22(2）:16-18.

[2]張耀滿.高速機床若干關鍵技術問題研究 [D].沈陽：東北大學，2006：1-10.

[3]吳寶貴.基于仿真分析的復雜機械產品多學科設計優化方法研究 [D].大連：大連理工大學，2008：1-15.

[4]CAE設計的分類及發展方向 [EB/OL].http://wenku.baidu.com/view/6feff3da50e2524de5187ef4.html.

[5]二代龍震工作室.Pro/Mechanica wildfire結構/熱力分析 [M].北京：電子工業出版社，2008.4.

[6] Xiaogen NIE,Yanbin LIU.Research and Development of the 5-axis Shoe Last NC Machine[J].Advanced Materials Research， Switzerland，2010，139 (2010):1869-1873

[7]戴磊，關振群，單菊林,等.機床結構三維參數化形狀優化設計 [J].機械工程學報，2008，44(5):152-159.

[8]周曉玲，汪中厚.基于Pro/MECHANICA的深孔內圓磨床內圓磨具的精確建模及模態分析 [J].精密制造與自動化，2006，165(1):42-44.