數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)中虛擬樣機(jī)技術(shù)的運(yùn)用

張會(huì)民

摘要：復(fù)合加工技術(shù)作為適應(yīng)現(xiàn)代化制造業(yè)的一種技術(shù)，能夠?yàn)閺?fù)雜零件和高精密儀器零件設(shè)計(jì)提供有效的加工解決方案，也是未來(lái)先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的主要方向。數(shù)控機(jī)床是近年來(lái)迅速發(fā)展的技術(shù)之一，可以代替人工完成各項(xiàng)產(chǎn)品的管理和操作。數(shù)控機(jī)床虛擬樣機(jī)技術(shù)作為全新的設(shè)計(jì)方法，可以有效降低設(shè)計(jì)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(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì);虛擬樣機(jī)技術(shù);運(yùn)用

0 ?引言

市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)在現(xiàn)代變得更加激烈，對(duì)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(fù)雜零件的需求量上明顯增加。數(shù)控機(jī)床作為將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于機(jī)床的控制技術(shù)，將機(jī)械加工中的不同控制信息以代碼表示，通過(guò)信息載體展開管理控制。虛擬樣機(jī)的出現(xiàn)也可以解決傳統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程中的高成本和低效率問(wèn)題。

1 ?虛擬樣機(jī)技術(shù)的功能和特征

1.1 虛擬樣機(jī)技術(shù)

虛擬樣機(jī)技術(shù)指的是在產(chǎn)品開發(fā)的過(guò)程中，將分散的零件設(shè)計(jì)與技術(shù)分析融為一體的模型化管理，主要針對(duì)產(chǎn)品投入使用后的不同情況展開仿真分析，從而預(yù)測(cè)產(chǎn)品的性能，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化管理。虛擬樣機(jī)作為計(jì)算機(jī)模型，既能夠反映出產(chǎn)品的特征和外觀空間關(guān)系，也能了解產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)。借助于這項(xiàng)技術(shù)，設(shè)計(jì)者可以直接在計(jì)算機(jī)上建立系統(tǒng)化模型，通過(guò)三維可視化處理，模擬在真實(shí)環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)特征。總體來(lái)看，虛擬樣機(jī)技術(shù)具有可視化優(yōu)勢(shì)和虛擬探索功能，能夠?qū)Ξa(chǎn)品進(jìn)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(shù)功能包括以下幾個(gè)方面。

首先是產(chǎn)品的設(shè)計(jì)性能分析，按照不同產(chǎn)品的工作環(huán)境需要和技術(shù)特點(diǎn)針對(duì)性進(jìn)行關(guān)鍵因素的測(cè)試分析。

其次是制造過(guò)程的可行性分析，借助虛擬樣機(jī)展開產(chǎn)品建模，分析設(shè)計(jì)過(guò)程的可裝配性。

之后是虛擬樣機(jī)建模，利用虛擬樣機(jī)的CAD技術(shù)，從產(chǎn)品角度進(jìn)行數(shù)字建模，對(duì)產(chǎn)品數(shù)據(jù)展開綜合管理措施。

1.2 特征

虛擬樣機(jī)技術(shù)的特征需要考慮到建模仿真工具的集成技術(shù)。某些物理樣機(jī)的生產(chǎn)過(guò)程需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和成本，特別是在一些極端情況下實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)較高，例如我們熟知的汽車碰撞試驗(yàn)等。如果在設(shè)計(jì)計(jì)算當(dāng)中采用相對(duì)傳統(tǒng)的計(jì)算方法，不僅計(jì)算速度無(wú)法保障，且計(jì)算精度無(wú)法從方案的角度進(jìn)行分析和比較。在不斷變化的客戶需求下，虛擬樣機(jī)的特征和優(yōu)勢(shì)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(guò)程無(wú)論是設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)還是生產(chǎn)環(huán)節(jié)都是串行過(guò)程，該方法本身存在弊端。但是虛擬樣機(jī)技術(shù)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(shè)計(jì)階段進(jìn)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(guò)可視化技術(shù)進(jìn)行響應(yīng)，模擬不同工況下的關(guān)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(zhì)量。具體來(lái)看，虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)能夠有效地?cái)[脫對(duì)于物理樣機(jī)的束縛，并通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)建立產(chǎn)品的數(shù)字化模型，可以完成多次物理樣機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的虛擬試驗(yàn)。這樣一來(lái)，不僅物理樣機(jī)的數(shù)量得到降低，整體的產(chǎn)品研發(fā)周期和產(chǎn)品質(zhì)量得到了穩(wěn)定提升。

最后是動(dòng)態(tài)聯(lián)盟模式。當(dāng)前世界范圍內(nèi)已經(jīng)廣泛接受了動(dòng)態(tài)聯(lián)盟的概念，目的在于減少單個(gè)企業(yè)在資源方面的局限性劣勢(shì)，從而通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)臨時(shí)締結(jié)契約，按照企業(yè)之間的產(chǎn)品信息交流進(jìn)行相應(yīng)的操作。虛擬樣機(jī)作為數(shù)字化模型，可以直接通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸產(chǎn)品信息將信息進(jìn)行快速反饋，動(dòng)態(tài)聯(lián)盟間的活動(dòng)也實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的并行化。

1.3 虛擬加工仿真技術(shù)

對(duì)于數(shù)控加工過(guò)程而言，加工程序的重要性顯而易見(jiàn)，無(wú)論采取什么系統(tǒng)進(jìn)行編制，都有可能面臨系統(tǒng)錯(cuò)誤。所以在進(jìn)行產(chǎn)品加工前，要進(jìn)行多次檢查和程序模擬，通過(guò)對(duì)數(shù)控機(jī)床建模來(lái)仿真數(shù)控加工過(guò)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(yàn)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(duì)加工過(guò)程產(chǎn)生的影響。

2 ?數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)中虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用

2.1 設(shè)計(jì)過(guò)程和設(shè)計(jì)步驟

總體方案設(shè)計(jì)包括對(duì)運(yùn)動(dòng)功能、傳統(tǒng)系統(tǒng)、尺寸參數(shù)等指標(biāo)的設(shè)計(jì)。目前數(shù)控機(jī)床的加工對(duì)象主要是各類回轉(zhuǎn)體零件，通過(guò)執(zhí)行數(shù)控程序完成切削加工過(guò)程。另外在模塊化設(shè)計(jì)方面，當(dāng)前的電子行業(yè)和機(jī)械行業(yè)都采用模塊化設(shè)計(jì)模式，將機(jī)床產(chǎn)品的同一種類型和要素進(jìn)行組合，進(jìn)行產(chǎn)品的模塊化管理。一來(lái)只需要進(jìn)行單次設(shè)計(jì)，就能滿足客戶的基本需求，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)模塊展開規(guī)劃設(shè)計(jì)，將機(jī)床劃分為床身和車削傳動(dòng)系統(tǒng)等多個(gè)模塊[1]。

2.2 虛擬樣機(jī)建立

虛擬樣機(jī)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(duì)簡(jiǎn)單，不會(huì)出現(xiàn)因模型導(dǎo)入而產(chǎn)生失真問(wèn)題。但此方法在面臨一些復(fù)雜的零件時(shí)效果有限，更多地應(yīng)用在某些簡(jiǎn)單零件的建模環(huán)節(jié)當(dāng)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(dāng)中進(jìn)行零件設(shè)計(jì)，再將不同的零件進(jìn)行裝配，經(jīng)過(guò)專用接口導(dǎo)入ADAMS當(dāng)中。這樣做的優(yōu)勢(shì)在于可以借助專業(yè)CAD軟件進(jìn)行精確建模，了解到零件應(yīng)該具備的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，大幅降低了產(chǎn)品的分析時(shí)間和分析精度。

數(shù)控機(jī)床本身是一個(gè)較為復(fù)雜的機(jī)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(dǎo)入ADAMS環(huán)境當(dāng)中，必然會(huì)使得有些仿真方法無(wú)法順利進(jìn)行。此時(shí)為了保障虛擬模型仿真分析時(shí)的工作效率，可以在模型導(dǎo)入之前進(jìn)行簡(jiǎn)化，刪除一些零件特征和模型細(xì)節(jié)，避免在仿真過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤提升結(jié)果的精確度。例如將一些用于定位的零部件直接刪除，在進(jìn)行動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析時(shí)，也不考慮床身結(jié)構(gòu)等參數(shù)指標(biāo)[2]。

2.3 仿真結(jié)果分析

在設(shè)計(jì)和裝配三維零件模型之后，就需要對(duì)虛擬模型展開運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，了解模型是否滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，各個(gè)構(gòu)件之間是否發(fā)生相互干擾。這樣一來(lái)也能獲取不同構(gòu)件在特殊時(shí)刻下的變化規(guī)律。我們可以在數(shù)控機(jī)床刀尖區(qū)域添加一個(gè)運(yùn)動(dòng)曲線方程，以逆運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真的方式得出速度變化趨勢(shì)，并假設(shè)在車削加工過(guò)程中刀尖的不同運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

3 ?結(jié)語(yǔ)

數(shù)控機(jī)床在制造行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，而對(duì)機(jī)床進(jìn)行虛擬樣機(jī)技術(shù)研究，有助于了解機(jī)床的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，為今后的設(shè)計(jì)工作提供有效參考依據(jù)。我國(guó)機(jī)床技術(shù)在近年來(lái)取得巨大進(jìn)步，特別是復(fù)合加工技術(shù)的應(yīng)用成為了行業(yè)領(lǐng)域的關(guān)鍵改革，也說(shuō)明虛擬樣機(jī)技術(shù)的運(yùn)用研究也具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]姜雨，李立軍，丁明.工作臺(tái)回轉(zhuǎn)式五軸數(shù)控機(jī)床虛擬樣機(jī)建模與數(shù)控仿真[J].機(jī)床與液壓，2012（23）：139-142，161.

[2]羅衛(wèi)平.數(shù)控機(jī)床虛擬樣機(jī)的有效性研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2010，39（5）：41-44.

[3]劉超穎，杜啟鑫，王戰(zhàn)中，熊蒙，楊長(zhǎng)建，王文龍，靳超松.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的3自由度數(shù)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)及聯(lián)合仿真[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2013（05）：130-132.

[4]呂勇，徐曉華.以數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)為主線的機(jī)械設(shè)計(jì)課程群教學(xué)項(xiàng)目構(gòu)建[J].教育觀察，2019（35）：98-101.

[5]卞昌軍.虛擬樣機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀——評(píng)《計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)及其在農(nóng)業(yè)工程中的應(yīng)用》[J].中國(guó)食用菌，2019（12）：8.

[6]熊智文，李剛炎.虛擬樣機(jī)技術(shù)研究及其在高功率激光加工設(shè)備中的實(shí)踐[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2004（02）：99-100.