數(shù)控機(jī)床數(shù)字化設(shè)計(jì)體系的研究與應(yīng)用

徐玉平

（南京技師學(xué)院，南京 210033）

數(shù)控機(jī)床是自動化技術(shù)發(fā)展的一部分。近年來，隨著機(jī)電自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，自動化技術(shù)的革新越來越受重視。但是，人們對自動化技術(shù)的使用方法還存在很多問題。例如，大部分自動化技術(shù)的操作方法冗雜，且操作過程繁雜。此外，數(shù)控機(jī)床向智能化與數(shù)字化方向發(fā)展的過程中仍然存在著各種問題。因此，本文將重點(diǎn)研究數(shù)控機(jī)床的數(shù)字化設(shè)計(jì)體系及其具體應(yīng)用，以更好地服務(wù)我國的機(jī)械自動化行業(yè)，促使數(shù)控機(jī)床的發(fā)展邁向新的臺階。

1 數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)過程中存在的問題

目前，我國數(shù)控機(jī)床在國際上競爭力不足的主要原因是智能化發(fā)展緩慢，對世界格局的影響力較小。第一，產(chǎn)品的自主設(shè)計(jì)研發(fā)較差，大部分依靠仿造。目前，我國的自動化技術(shù)不成熟且不完善，存在較大問題。尤其是在自主研發(fā)階段，我國的自動化企業(yè)大多數(shù)不重視創(chuàng)新能力發(fā)展，而是以仿造或者生產(chǎn)低端產(chǎn)品為主[1]。因此，對于數(shù)控機(jī)床這種大型高精密的設(shè)備，我國的設(shè)計(jì)制造能力與先進(jìn)國家相比還存在較大的差距。第二，只能滿足用戶的功能需求，深入研究不到位。機(jī)床的設(shè)計(jì)可滿足用戶的功能要求，但對于用戶功能的需求較差，整體研究不夠深入。第三，核心競爭力較弱。雖然我國越來越重視高端科技產(chǎn)品的研發(fā)力度，尤其是將先進(jìn)制造業(yè)與智能化企業(yè)的發(fā)展相結(jié)合，但是總體上尚處于初級發(fā)展階段，核心競爭力較弱。

2 數(shù)控機(jī)床數(shù)字化設(shè)計(jì)體系的研究

2.1 開發(fā)創(chuàng)新設(shè)計(jì)模塊

創(chuàng)新的設(shè)計(jì)模適用于新產(chǎn)品開發(fā)。它采用常規(guī)的設(shè)計(jì)模型，可在滿足功能和運(yùn)動的基礎(chǔ)上解決數(shù)控機(jī)床運(yùn)行中存在的突出問題。創(chuàng)新設(shè)計(jì)模塊的模型在系統(tǒng)運(yùn)算過程中使用多變量模糊數(shù)，結(jié)合機(jī)床傳動復(fù)合機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，可獲得新的產(chǎn)品設(shè)計(jì)原型。這種構(gòu)建創(chuàng)新設(shè)計(jì)模塊的思想是將未引用的新產(chǎn)品開發(fā)納入計(jì)算分析開發(fā)模型，以提供可追溯的創(chuàng)新產(chǎn)品開發(fā)方法，并用于開發(fā)設(shè)計(jì)平臺。數(shù)控機(jī)床創(chuàng)新設(shè)計(jì)模塊平臺，如圖1 所示。

圖1 是完整的設(shè)計(jì)平臺。對數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品結(jié)構(gòu)處理中的創(chuàng)新設(shè)計(jì)、快速設(shè)計(jì)、虛擬設(shè)計(jì)以及機(jī)床的壽命設(shè)計(jì)，可結(jié)合三維CAM 采用多結(jié)構(gòu)多優(yōu)化的方式來完成整體的設(shè)計(jì)平臺，如CAPP、PRO/E 以及ANSYS 等軟件設(shè)計(jì)平臺。

2.2 快速設(shè)計(jì)模塊

縮短整個(gè)研發(fā)周期且能夠快速進(jìn)行設(shè)計(jì)，是數(shù)控機(jī)床發(fā)展的一大趨勢。目前，快速設(shè)計(jì)模塊可實(shí)現(xiàn)以二維為主且以三維為架構(gòu)的基礎(chǔ)功能，但很難完成整個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。該模塊選擇PRO/E 設(shè)計(jì)軟件的TOOL-Link 參數(shù)化特征設(shè)計(jì)，并成加工中心的序列化開發(fā)。開發(fā)內(nèi)容包括主要制造零件的功能驅(qū)動參數(shù)設(shè)計(jì)、主要采購零件的自動計(jì)算和選擇以及主要結(jié)構(gòu)的自動組裝3 個(gè)主要部分[2]。此外，該模塊建立了機(jī)床設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫，以支持加工中心的快速串行設(shè)計(jì)?；诠δ茯?qū)動的參數(shù)設(shè)計(jì)，當(dāng)前平臺適用于相對定型且具有穩(wěn)定的市場需求和生產(chǎn)條件的產(chǎn)品。串行處理中心的主要零件、采購零件和自動組裝平臺的開發(fā)以及完整數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建均需要進(jìn)行大量工作。因此，企業(yè)和大學(xué)有必要建立長期合作關(guān)系，以不斷改進(jìn)和維護(hù)平臺，并提高平臺使用效率。快速設(shè)計(jì)模塊的開發(fā)適用于具有一定規(guī)模且產(chǎn)品相對穩(wěn)定的企業(yè)。數(shù)控機(jī)床快速設(shè)計(jì)模塊，如圖2 所示。

圖2 中，數(shù)控機(jī)床的快速設(shè)計(jì)模塊是現(xiàn)階段適應(yīng)社會制造業(yè)發(fā)展的一大關(guān)鍵技術(shù)。隨著數(shù)控加工技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對設(shè)備的要求越來越嚴(yán)，而如何快速設(shè)計(jì)將是未來發(fā)展的一大趨勢。首先，通過三維架構(gòu)設(shè)計(jì)所需要的加工平臺，其中部分設(shè)備利用該平臺可以完成所需數(shù)控機(jī)床的設(shè)備零件的架構(gòu)；其次，通過虛擬裝配等技術(shù)設(shè)計(jì)所需要的參數(shù)；最后，將仿真模擬應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品的加工生產(chǎn)，有效提高整體的創(chuàng)新效率[3]。

2.3 計(jì)算機(jī)仿真分析模塊

計(jì)算機(jī)仿真分析的主要目的是改進(jìn)機(jī)床結(jié)構(gòu)，即通過仿真分析發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)存在的問題，并經(jīng)過初步設(shè)計(jì)到深入設(shè)計(jì)的過程進(jìn)行深入計(jì)算和分析。在機(jī)床設(shè)計(jì)階段，應(yīng)盡可能多地通過計(jì)算提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，為開發(fā)高水平的產(chǎn)品帶來動力。目前，仿真技術(shù)在機(jī)床數(shù)字化領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛，且在新機(jī)床產(chǎn)品研發(fā)中處于快速發(fā)展階段。

圖1 數(shù)控機(jī)床創(chuàng)新設(shè)計(jì)模塊平臺

圖2 數(shù)控機(jī)床快速設(shè)計(jì)模塊

此外，計(jì)算機(jī)仿真分析技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)與機(jī)床技術(shù)緊密集成。仿真分析旨在提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，因此在設(shè)計(jì)仿真中仿真目標(biāo)的選擇、方法的選擇、計(jì)算的準(zhǔn)確性以及仿真結(jié)果的可信度和準(zhǔn)確性都非常重要[4]。豐富的機(jī)床設(shè)計(jì)知識與高端仿真技術(shù)的緊密結(jié)合，可獲得令人滿意的結(jié)果。

優(yōu)化主要是通過優(yōu)化算法或軟件來獲得全局或局部的最佳結(jié)果，但實(shí)際上很難達(dá)到最佳的設(shè)計(jì)效果，只能盡力完成整個(gè)設(shè)計(jì)過程，提供相對優(yōu)勢的設(shè)計(jì)效果。為了修改結(jié)構(gòu)并優(yōu)化設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)仿真分析模塊根據(jù)機(jī)床的應(yīng)用目標(biāo)提供了優(yōu)化和相對優(yōu)化選項(xiàng)，分別設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的剛度、最輕的質(zhì)量（高速）、最小的結(jié)構(gòu)（改善有效的處理空間）以及最高的效率控制，且應(yīng)考慮整體的協(xié)調(diào)和優(yōu)化。

2.4 機(jī)床設(shè)計(jì)產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理

數(shù)字設(shè)計(jì)技術(shù)歸根結(jié)底是為了提高機(jī)床的整體性能，為制造生產(chǎn)帶來便利。數(shù)字設(shè)計(jì)技術(shù)是以計(jì)算機(jī)軟硬件搭建的平臺為出發(fā)點(diǎn)，并通過數(shù)字信息等手段建模以分析、修改和優(yōu)化相關(guān)產(chǎn)品[5]。此外，在設(shè)計(jì)過程中需要擁有高效合理的信息管理，以便信息的交流和共享等。該項(xiàng)目平臺采用產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理這一實(shí)用模塊，以產(chǎn)品的創(chuàng)新為中心，通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)庫將所有與機(jī)床有關(guān)的信息和流程集中起來進(jìn)行統(tǒng)一管理和修改，從而為實(shí)際開發(fā)更高水平的機(jī)床數(shù)字化技術(shù)提供便利。

3 結(jié)語

本文主要研究數(shù)控機(jī)床數(shù)字化設(shè)計(jì)體系整個(gè)平臺的設(shè)計(jì)，通過三維架構(gòu)和有限元分析，在最初產(chǎn)品設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)機(jī)床的快速設(shè)計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)設(shè)計(jì)。這個(gè)階段可以設(shè)計(jì)出適合時(shí)代發(fā)展的新產(chǎn)品，可為未來的數(shù)控機(jī)床自動化技術(shù)的發(fā)展提供廣闊的發(fā)展空間。