虛擬樣機技術在機床設計過程中的應用

嚴偉 葉斌炳 史璐冰 魏峰

【摘 要】介紹了虛擬樣機技術的概念及特點，同時展望了虛擬樣機技術的發展前景。運用ProE零件設計模塊及其裝配模塊，在機床設計過程實現參數化設計及虛擬裝配，并通過Mech/Pro接口實現ProE及Adams模型及裝配關系的傳遞，通過Adams進行動態仿真，同時將仿真過程中零件所受的外界載荷導入Ansys，通過Ansys實現對零件動態受力的分析，再通過ProE與Ansys接口對零件部件實現靜態分析，從而實現零件部件的優化設計。

【關鍵詞】虛擬樣機技術；機床；設計；應用

一、前言

在機床設計過程中，由于市場競爭的激烈性以及客戶需求的多樣化和個性化等前提下，對于機床設計研制和生產提出了更高的要求，即解決新機型的上市時間，質量，成本以及服務等問題。正是因為有這些需求，虛擬樣機技術在設計過程中才有廣泛的應用，并可以通過此技術很大程度上加快設計研發和生產周期以及服務響應周期。

二、虛擬樣機技術的定義及特點

虛擬樣機技術（Virtual Prototyping Technology，VPT）是一種基于產品計算機仿真模型的數字化設計方法，這些數字模型即虛擬樣機（Virtual Prototyping）支持并行工程方法學。虛擬樣機技術涉及多體系統運動學與動力學建模理論及其技術實現，是基于先進建模技術，多領域仿真技術，信息管理技術，交互式用戶界面技術和虛擬現實技術的綜合應用技術。虛擬樣機技術具有如下特點：

1.可以替代物理樣機進行設計驗證和測試。

2.用于產品開發的全生命周期，并隨產品生命周期演進而不斷豐富和完善。

3.與常規的仿真相比，其涉及的設計領域更廣，考慮也較周全，因而可以產品的質量。

4.支持產品全方位測試，分析與評估。支持多領域并行工程。

三、虛擬樣機技術在機床設計過程中的應用

（一）模型的建立

運用ProE零件設計模塊，以及根據設計的要求建立等效參數化床身模型。在建立完各個零部件模型后，運用ProE裝配體模塊將各個零部件組裝成數字原型機。

（二）原型機的虛擬驗證

驗證設計效果的傳統方式是將設計成果等比例的生產出物理樣機，而生產周期也等同于產品的生產。通過采用虛擬樣機技術便可以更快的而且廉價的對設計成果進行早期驗證。更有利于產品問題的反饋和改進。

1.利用虛擬樣機技術對原型機進行靜態性能驗證

我們運用了一款有限元分析軟件Ansys對于此原型機的靜態性能驗證。將組裝完成的原型機通過ProE和Ansys的接口，將模型導入Ansys Workbench中，利用AnsysWorkbench Static Structural （靜態結構）模塊，對原型機進行靜力學分析。將導入的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，此次靜力學驗證中，床身，立柱以及工作臺用的材料均為HT300材料，而線軌所用材料為40Cr。完成材料和模型加載后，進入網格劃分。網格劃分完成后，對各個零部件進行材料的定義。

完成以上步驟之后，對原型機施加載荷和約束：由于此次驗，證假設在工況條件下，即工作臺承重3t，立柱和主軸箱總重3t，以全地腳方式安裝，且由于是靜態驗證為此將溫度恒定于22℃。然后對模型進行求解，此次驗證結果如上圖。

分析結果在工況條件下，床身的變形量僅0.003mm，最大3MPa。由于此次床身已經設計完成，所以在靜態性能上已經滿足設計目標。假設變形量及應力問題還未滿足設計要求，則需設計人員對結構進行進一步優化，直至達到設計要求。虛擬樣機技術正好可以解決我們處理前期設計問所遇到的設計問題以及及時的問題糾錯。

2.頻率虛擬計算

運用Ansys 下的Modal模塊進行床身頻率的計算。由于材料已定義完成，為此僅需將模型導入此模塊中同時進行網格劃分（以上步驟已在上邊闡述完成，就不再重復）。再對床身進行約束的加載，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，為此床身可避開機床加工的振動頻率，從而不會形成共振。

（三）對原型機進行動態性能驗證

運用ADAMS對原型機進行驗證。運用ProE與ADAMS的Mech/Pro接口完成這兩個軟件的模型傳遞，通過ADAMS中的運動副及動力的定義完成系統運動關系的搭建，以完成動態仿真。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，再將模型導入ADAMS中。

進行運動副的定義，運用ADAMS工具欄將床身與地面固定，運用運動副translation將立柱和床身及工作臺與床身進行運動副連接。同時在連接副上施加摩擦因數0.003。再進行驅動添加24m/s的線速度。進行動態仿真，通過仿真得到運動副的受力狀態，以便對絲杠及其他相關零件進行受力分析。通過運動副受力狀況分析以及立柱中心的加速度狀態可以得到機床運行平穩。

（四）驗證總結

通過對原型機的虛擬驗證后，便可以從中提早發現研發過程中的干涉，剛性，以及運動性能的問題。同時由于代替了物理樣機便可以物理樣機重復制造帶來的成本，生產時間以及反饋速度等問題，也為設計人員提供理論驗證的直接參數，有利于產品的研發的知識積累。

【參考文獻】

[1]虛擬樣機技術在機床運動分析中的研究[J]. 韓彥勇，鄭喜貴，朱永剛，胡小靜.中國科技信息.2015（24）