基于虚拟样机技术的数控机床现代设计方法
基于虚拟样机的机械产品设计与优化
基于虚拟样机的机械产品设计与优化在当今科技快速发展的时代，虚拟样机已经逐渐成为机械产品设计和优化的重要工具。
基于虚拟样机的设计方法不仅能够提高产品设计的效率，还可以降低开发成本和风险。
本文将探讨基于虚拟样机的机械产品设计与优化的意义和方法。
虚拟样机是一种以计算机辅助设计和仿真技术为基础的产品开发工具。
它通过建立真实产品的3D模型，并应用物理仿真和虚拟现实技术，能够在计算机上模拟产品在不同环境和工况下的运行情况。
与传统的实物样机相比，虚拟样机具有成本低、灵活性高等优势。
首先，基于虚拟样机的设计方法能够提高产品设计的效率。
传统的产品设计方法往往需要制作实物样机，并进行实际测试才能验证设计方案的可行性。
这不仅费时费力，还存在很大的不确定性。
而虚拟样机可以在计算机上模拟产品的运行情况，包括结构强度、运动性能等方面的分析。
设计者可以根据模拟结果进行优化，从而节省了重复制作实物样机的时间和成本。
其次，基于虚拟样机的设计方法可以降低开发成本和风险。
传统的产品开发过程中，开发人员需要购买材料、加工零件并进行实物测试，这不仅需要大量的投资，还存在失败的风险。
而基于虚拟样机的设计方法可以在计算机上进行模拟测试，避免了上述开支和风险。
设计者可以通过虚拟样机对产品进行多次优化，降低了故障风险，提高了产品的可靠性。
此外，基于虚拟样机的设计方法还能够提供更多的设计自由度。
在传统的产品设计中，设计师需要考虑物理空间的限制，可能会受到零件加工方式的限制。
而虚拟样机可以将产品的设计和制造过程完全数字化，设计师可以在虚拟环境中灵活调整产品的参数和结构，实现更加创新的设计。
那么，应该如何进行基于虚拟样机的机械产品设计与优化呢？首先，设计者需要建立产品的3D模型。
这包括产品的外观和内部结构，以及各种零部件的尺寸和形状。
设计者可以使用计算机辅助设计软件进行建模，并为每个零部件分配合适的材料属性。
其次，设计者需要应用物理仿真技术对产品进行分析和测试。
基于虚拟样机的机械设计与制造方法研究
基于虚拟样机的机械设计与制造方法研究近年来，随着科技的不断发展，虚拟样机技术在机械设计与制造中得到了广泛应用。
虚拟样机是利用计算机辅助设计和技术手段，将产品的三维模型与物理性能相结合，在数字环境中模拟产品的工作情况。
它可以为机械设计与制造提供快速、准确、高效的解决方案。
本文将探讨基于虚拟样机的机械设计与制造方法，并分析其优势和应用前景。
首先，虚拟样机技术可以大大缩短产品的设计周期。
传统的机械设计需要通过手动绘图和样机制作来验证是否满足设计要求，这个过程既费时又费力。
而虚拟样机技术则可以在计算机中直接进行设计和验证，减少了设计与制造之间的沟通成本，加快了产品上市时间。
其次，虚拟样机技术可以提高产品的精度和可靠性。
虚拟样机技术能够模拟产品在不同环境下的工作状况，通过对产品进行多方位的物理仿真分析，预测和排除潜在的设计缺陷，确保产品的性能符合设计要求。
这种准确性和可靠性将有助于提高产品的质量和竞争力。
此外，虚拟样机技术还可以优化产品的制造工艺。
通过虚拟样机技术，制造工程师可以在产品设计阶段就对制造工艺进行全面评估和优化。
他们可以使用虚拟样机进行装配工艺分析，模拟产品的加工和装配过程，识别潜在的制造问题，降低生产成本，并确保产品的可制造性。
虚拟样机技术正在在多个领域得到应用。
在航空航天领域，虚拟样机技术可以用于飞机的设计与测试，可以模拟飞机在高速飞行时的气动力学性能，减少了实际试飞的风险和成本。
在汽车工业中，虚拟样机技术可以用于汽车的设计和碰撞测试，提高汽车的安全性和耐久性。
在医疗设备制造中，虚拟样机技术可以用于仿真手术和训练，提高手术技术水平和患者的安全性。
虚拟样机技术的应用前景是广阔的。
随着计算机和仿真技术的不断进步，虚拟样机技术将会在机械设计与制造领域发挥更大的作用。
未来，我们可以预见，虚拟样机将会成为机械设计与制造的重要工具，为工程师们提供更多可能性和创新的空间。
总之，基于虚拟样机的机械设计与制造方法是一个快速、准确、高效的解决方案。
基于虚拟样机的机械工程设计方法研究
基于虚拟样机的机械工程设计方法研究在过去的几十年中，虚拟样机 (Virtual Prototyping) 技术在机械工程设计中得到了广泛应用。
虚拟样机是一种通过计算机模拟来替代实际制造物理样机的方法。
这种方法可以大大降低成本和时间，并提高产品设计的效率和精确度。
本文将探讨基于虚拟样机的机械工程设计方法，并介绍其在不同阶段的应用。
一、建立虚拟样机模型虚拟样机的建模是实现虚拟样机技术的第一步。
在机械工程设计过程中，通过计算机辅助设计软件，可以将产品的外观、结构和性能进行三维建模，使用虚拟样机技术来模拟真实的工作环境。
通过对模型进行分析和测试，可以在设计阶段识别和解决潜在的问题，从而避免在实际制造过程中出现不必要的错误和成本。
二、虚拟样机的动力学仿真虚拟样机还可以进行动力学仿真，即对机械系统在不同工况下的运动和力学特性进行模拟。
通过将各种负载和约束条件应用到虚拟样机模型上，可以获得机械系统的运动轨迹、速度、加速度和力学响应等重要参数。
同时，虚拟样机还可以通过仿真分析来评估不同设计方案的可行性和性能，从而指导工程师进行优化设计和改进。
三、虚拟样机的结构优化虚拟样机不仅可以模拟机械系统的动力学行为，还可以进行结构优化。
结构优化是指通过改变组件的形状、材料和布局，以提高机械系统的强度、刚度和耐久性。
在虚拟样机中，可以使用优化算法并结合有限元分析，来寻找最优的结构设计方案。
这样可以避免制造和测试多个实际样机的时间和成本，同时还能大大提高设计的效率和精度。
四、虚拟样机的流体动力学分析除了机械系统的动力学分析，虚拟样机还可以进行流体动力学分析。
在许多机械系统中，流体的行为对性能起着关键作用。
通过虚拟样机技术，可以模拟不同流体介质的流动、压力分布和阻力特性等。
这对于设计涉及输送、泵送、喷射或润滑等流体系统的机械工程师来说尤为重要。
虚拟样机的流体动力学分析可以预测系统的性能，并帮助改进设计，减少能源消耗和损耗。
五、虚拟样机的人机交互界面随着虚拟样机技术的不断发展，人机交互界面的设计变得更加重要。
数控机床设计中虚拟样机技术的运用
Internal Combustion Engine&Parts0引言市场竞争在现代变得更加激烈，对于产品的要求也变得更加多样化，在此背景下，产品的更新换代速度加快，各行各业在复杂零件的需求量上明显增加。
数控机床作为将计算机技术应用于机床的控制技术，将机械加工中的不同控制信息以代码表示，通过信息载体展开管理控制。
虚拟样机的出现也可以解决传统生产过程中的高成本和低效率问题。
1虚拟样机技术的功能和特征1.1虚拟样机技术虚拟样机技术指的是在产品开发的过程中，将分散的零件设计与技术分析融为一体的模型化管理，主要针对产品投入使用后的不同情况展开仿真分析，从而预测产品的性能，对产品设计进行优化管理。
虚拟样机作为计算机模型，既能够反映出产品的特征和外观空间关系，也能了解产品的运动动力学特点。
借助于这项技术，设计者可以直接在计算机上建立系统化模型，通过三维可视化处理，模拟在真实环境下的运动特征。
总体来看，虚拟样机技术具有可视化优势和虚拟探索功能，能够对产品进行多功能和多方面的建模分析，在产品研发方面更加智能化。
其主要的技术功能包括以下几个方面。
首先是产品的设计性能分析，按照不同产品的工作环境需要和技术特点针对性进行关键因素的测试分析。
其次是制造过程的可行性分析，借助虚拟样机展开产品建模，分析设计过程的可装配性。
之后是虚拟样机建模，利用虚拟样机的CAD技术，从产品角度进行数字建模，对产品数据展开综合管理措施。
1.2特征虚拟样机技术的特征需要考虑到建模仿真工具的集成技术。
某些物理样机的生产过程需要耗费大量的时间和成本，特别是在一些极端情况下实验风险较高，例如我们熟知的汽车碰撞试验等。
如果在设计计算当中采用相对传统的计算方法，不仅计算速度无法保障，且计算精度无法从方案的角度进行分析和比较。
在不断变化的客户需求下，虚拟样机的特征和优势也体现得更加突出。
首先是研发模式更加现代化。
传统的研发过程无论是设计环节还是生产环节都是串行过程，该方法本身存在弊端。
基于虚拟样机技术的机械系统建模与仿真
基于虚拟样机技术的机械系统建模与仿真在当今科技飞速发展的时代，机械系统的设计和优化变得越来越复杂，传统的设计方法往往难以满足日益增长的需求。
虚拟样机技术的出现为机械系统的研发带来了革命性的变化，它能够在产品设计的早期阶段就对机械系统的性能进行预测和评估，从而大大缩短了产品的开发周期，降低了成本，提高了产品质量。
虚拟样机技术是一种基于计算机技术的数字化设计方法，它将机械系统的物理模型转化为数字模型，并通过计算机仿真来模拟机械系统的运动和力学行为。
这种技术融合了多学科的知识，包括机械工程、力学、控制工程、计算机科学等，能够实现对机械系统的全面分析和优化。
在机械系统建模方面，首先需要对机械系统的结构和组成进行详细的分析。
这包括确定各个零部件的几何形状、材料属性、连接方式等。
然后，利用专业的建模软件，如 Pro/Engineer、SolidWorks 等，建立机械系统的三维实体模型。
在建模过程中，要确保模型的准确性和完整性，以便后续的仿真分析能够真实地反映机械系统的性能。
建立好机械系统的实体模型后，接下来就是对其进行运动学和动力学建模。
运动学建模主要是研究机械系统中各个零部件的运动规律，包括位移、速度、加速度等。
动力学建模则是考虑力和力矩对机械系统运动的影响，建立起力与运动之间的关系。
这通常需要运用力学原理，如牛顿定律、拉格朗日方程等，来推导数学模型。
完成建模工作后，就可以利用仿真软件对机械系统进行仿真分析。
常见的仿真软件有 ADAMS、MATLAB/Simulink 等。
在仿真过程中，可以设置不同的工况和边界条件，如载荷、约束、初始条件等，然后观察机械系统的运动状态和性能参数。
通过对仿真结果的分析，可以评估机械系统的设计是否合理，发现潜在的问题，并提出改进方案。
例如，在汽车悬架系统的设计中，利用虚拟样机技术可以建立悬架系统的模型，并对其在不同路面条件下的行驶性能进行仿真分析。
通过调整悬架的参数，如弹簧刚度、减震器阻尼等，可以优化悬架系统的性能，提高汽车的行驶舒适性和操控稳定性。
虚拟样机技术在机械产品设计中的应用
虚拟样机技术在机械产品设计中的应用随着市场经济不断的全球化发展，使得企业之间进入到激烈的企业竞争环境中，为了更好的提升自身的竞争实力，企业不断的将产品的设计技术进行研发。
虚拟样机技术就是在这样的背景中应运而生。
虚拟样机技术在机械产品设计中的应用可以有效的提高了产品设计的效率降低了成本投入，促进了企业竞争力的提高。
本文通过对虚拟样机技术的了解，探究了其在机械产品设计中的具体应用。
标签：虚拟样机技术；机械产品；设计；应用0 引言虚拟样机技术是一种基于计算机技术建立起来的仿真模拟技术，它可以通过相关的建模软件进行产品设计的仿真设计。
并通过相关的仿真模拟运行根据产品的不足进行完善改进，提高了产品的整体运行的稳定性，使得产品在生产中具有很高的性能优势，提高了产品设计的效率降低了生产运行的成本投入。
现阶段这种技术已经被广泛的应用于机械产品的设计中。
1 虚拟样机技术虚拟样机的仿真技术就是在机械产品的设计中通过计算机技术与相关的仿真模拟系统构建三维的仿真模型，并进行虚拟的仿真模拟实验[1]。
它不同于传统的机械产品设计，它是一种仿真模拟系统中并不实际存在的一种模型。
在设计人员的操作中，可以进行仿真模拟实验，帮助设计人员找出设计产品在运行中存在的一些问题，更好的将设计产品的缺陷进行改进。
就是在设计人员不断地进行仿真模拟运行中针对不足之处进行改进，最后将完善的虚拟样机模型确定并投入生产，有效的提高了机械产品的设计效率。
2 虚拟样机技术的特点虚拟样机技术不同于传统的CAD/CAM/CAE等技术，传统中的CAD/CAM/CAE等技术在对机械产品设计中注重的是机械产品中的某一部件，确保的是某一部件的运行质量[2]。
这样的技术使得机械产品的零部件的质量与性能良好，但是组合在一其并不能保证整体系统运行的稳定。
所以，为了更好的将零部件联合在一起组成一个完善的整体系统，虚拟样机技术应运而生。
有效的提高了整体系统间的运行性能。
因此，基于CAD/CAM/CAE等技术而言，虚拟样机技术具有三个主要的特点：一是虚拟样机技术不仅仅是针对整体机械产品的设计和仿真模拟实验，还可以面向单个的零部件进行质量与性能的测试。
基于虚拟技术的精密数控车削加工中心的开发
［］ 张广鹏 ， 文浩 ， ４ 史 黄玉美 ， ． 床整机 动态特 性的预测 解析 等 机
建模 方法［］ 上海交通大学 学报 ，０ １ １ ）１８ ４—１８ ８ Ｊ． ２ ０ （２ ： ３ ３ ． ［］ 张 ５ 烨 ．基于 ＶＥ ＴＩ Ｒ ＣＵＴ机床建模 和数控车削加 工仿 真技
术［ ］合肥 ： Ｄ． 合肥工业大学 ， １ ： — ． ２ ０５ ７ ０
正是 由于这样高集成度的结构设计 ， 以及对机 床在正式投人生产制造之前进行热力学和运动学 的性能检验， 使得生产厂商在很大程度上降低了机
收稿 日期 ：０ １ １一Ｏ ２ １ —１ １
基金项 目： 数控重大专项 （００ Ｘ ４ ０ — ７ ）南京航 空航天大学基本科研项 目（ Ｓ ０ ０ ４ ） ２１Ｚ ００１ ０１ ； Ｎ ２ １ １３
１ ６
２ １ 年 ４ 中国制造业信息化 第 ４ 卷 第 ７ ０２ 月 １ 期
基 于虚 拟 技 术 的精密 数 控 车 削加 工 中心 的开发
涂芬芬 张 ， 霖 张 志英 赵 义顺 ， ，
（ ． 京航 空航 天大学 机 电学 院 ， １南 江苏 南京 （ ． 京数 控机 床有 限公 司 ， ２南 江苏 南京
作者 简介： 涂芬芬 （９ ７一）女 ， １８ ， 江苏扬 州人 ， 南京航空航天大学硕士研究生 ， 主要研究方向为数控 医疗器械制造。
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现代 设计 与先 进制 造技 术 ・
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张志 英 等
基 于虚拟 技术 的精 密数 控车 … … １ ～ ９
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以及辅助部件的逻 辑控制过程 ， 可清晰地看 出， 机 床行程满足起初 的设计要求 ， 各个运动部件的空间
基于虚拟样机技术的机械产品设计研究
基于虚拟样机技术的机械产品设计研究引言：随着科技的快速发展，虚拟样机技术在机械产品设计领域中得到了广泛的应用。
本文将探讨虚拟样机技术在机械产品设计研究中的应用及其优势。
一、虚拟样机技术的概念及原理虚拟样机技术（Virtual Prototyping Technology）是一种基于计算机仿真的技术，它通过对设计产品进行数字化建模、材料仿真、运动仿真等过程，实现对产品性能及行为的模拟与分析，从而避免了传统实体样机制作的繁琐和高成本。
1. 数字化建模：虚拟样机技术基于计算机辅助设计（CAD）软件，将机械产品的形状、尺寸、结构等信息进行数字化建模。
2. 材料仿真：通过对产品所用材料在不同工况下的变形、破坏等行为进行仿真分析，确定产品在实际使用中的稳定性和可靠性。
3. 运动仿真：模拟机械产品在使用中的运动行为，包括受力情况、运动轨迹等，验证产品设计的合理性和可操作性。
二、虚拟样机技术在机械产品设计中的应用虚拟样机技术在机械产品设计中有着广泛的应用，下面将从产品设计优化、成本控制和生产效率三个方面展开讨论。
1. 产品设计优化：虚拟样机技术可以帮助设计师快速进行多次方案验证和优化，通过模拟分析来改进产品的功能性、可靠性、安全性等。
比如，在车辆设计中，虚拟样机技术可以模拟车辆在不同路况下的行驶情况，优化悬挂系统的设计，提高乘坐舒适度和安全性。
2. 成本控制：传统机械产品设计中，制作实体样机的成本较高，而虚拟样机技术可以有效地降低成本。
通过虚拟样机技术，可以在设计阶段及时发现和解决问题，减少了重新修改样机的次数，进一步降低了开发成本。
3. 生产效率：虚拟样机技术可以帮助企业提早介入产品开发流程，加快产品的研发速度。
在产品设计完成后，即可进行虚拟样机的制作，进行模拟测试和优化；一旦样机设计优化完成，就可以直接投入生产。
这种方式不仅节省了开发周期，还提高了生产效率。
三、虚拟样机技术的优势和挑战虚拟样机技术在机械产品设计研究中具有许多优势，也面临一些挑战。
基于虚拟样机技术的机械产品开发方法研究
基于虚拟样机技术的机械产品开发方法研究近年来，随着科技的不断发展，虚拟样机技术在机械产品开发中的应用越来越广泛。
虚拟样机技术是一种通过计算机模拟和仿真的方式，对机械产品进行开发和测试的方法。
它可以有效降低产品开发的成本和周期，提高产品的质量和可靠性。
本文将从几个方面探讨基于虚拟样机技术的机械产品开发方法的研究。
首先，虚拟样机技术可以在机械产品的设计阶段提供强大的辅助工具。
传统的机械产品开发需要依靠实物样机进行测试和验证，这不仅需要大量的时间和资金，而且还可能会损坏原材料。
而虚拟样机技术可以通过建立精确的数学模型，模拟出产品在各种工况下的运行情况。
设计师可以通过虚拟样机对产品进行分析和测试，及时发现潜在的问题，并进行改进。
这不仅可以减少实物样机的数量和使用频率，还能够大大缩短产品的开发周期，提高开发效率。
其次，虚拟样机技术在产品的制造过程中也起到了重要的作用。
通过对产品进行虚拟装配和模拟制造，可以在生产之前发现和解决可能出现的问题，提前优化产品的制造流程和工艺参数。
此外，虚拟样机技术还可以帮助企业建立数字化工厂，实现生产过程的智能化管理和控制。
通过虚拟样机技术，企业可以对生产线进行仿真和优化，提高生产效率和质量，降低成本和资源的浪费。
再次，虚拟样机技术在产品维护和售后服务中也有不可忽视的作用。
通过建立虚拟样机模型，可以对产品进行故障诊断和预测，提前发现并解决潜在的问题。
同时，虚拟样机技术还可以提供产品的操作和维护指南，帮助用户更好地使用和保养产品。
这不仅可以提升产品的可靠性和使用寿命，还能够降低售后服务的成本和工作量。
最后，虚拟样机技术在机械产品开发中所带来的好处是显而易见的，但是它也面临一些挑战和局限性。
首先，虚拟样机技术的应用需要高度的专业知识和技术支持，这对于一些中小型企业来说可能存在一定的难度。
其次，虚拟样机技术在模拟实际情况时可能存在一定的误差，这需要设计师和工程师在建模过程中进行合理假设和调整。
基于数字孪生的数控机床虚拟交互系统设计与实现
基于数字孪生的数控机床虚拟交互系统设计与实现一、概述随着工业0时代的到来，数字化转型已成为制造业发展的重要趋势。
数控机床作为制造业的核心设备，其智能化、数字化水平直接关系到生产效率和产品质量。
构建基于数字孪生的数控机床虚拟交互系统，对于提升数控机床的智能化水平、优化生产流程、降低生产成本具有重要意义。
数字孪生技术是指通过数据模型、传感器更新、历史数据等，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。
将数字孪生技术应用于数控机床，可以实现对机床运行状态、加工过程等的实时监测与模拟，为机床的优化设计、故障诊断和远程维护提供有力支持。
本文旨在设计并实现一种基于数字孪生的数控机床虚拟交互系统。
该系统通过构建机床的数字孪生模型，实现对机床的虚拟仿真和实时交互。
通过该系统，用户可以在虚拟环境中对机床进行操作和调试，预测机床的加工效果和潜在问题，从而在实际加工前进行优化和调整。
该系统还可以与实体机床进行实时数据交换，实现对机床运行状态的实时监测和故障预警，提高机床的可靠性和稳定性。
本文将从系统架构设计、数字孪生模型构建、虚拟交互功能实现等方面进行详细阐述，并通过实验验证该系统的可行性和有效性。
本文将总结该系统的优点和不足之处，并展望其在未来制造业中的应用前景和发展方向。
1. 数字孪生技术在工业制造领域的应用背景随着工业0时代的来临，全球制造业正面临着前所未有的转型挑战。
在这一背景下，数字孪生技术以其独特的优势，正在工业制造领域发挥着越来越重要的作用。
数字孪生技术，作为连接物理世界与数字世界的桥梁，通过集成物理模型、传感器更新、历史和实时数据，实现了对实际生产过程的精确模拟和优化。
在制造业中，数字孪生技术的应用不仅可以帮助企业更好地理解和掌握生产过程中的各种参数和变量，还可以通过模拟和预测，优化生产流程，提高生产效率，降低生产成本。
随着物联网、大数据、云计算等新一代信息技术的快速发展，数字孪生技术在工业制造领域的应用范围也在不断扩大。
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基于虚拟样机技术的数控机床现代设计方法*杨晓京1,2,刘剑雄1(1.昆明理工大学机电工程学院,云南昆明650093;2.浙江大学现代制造工程研究所,浙江杭州310027)摘要:讨论了基于虚拟样机技术的数控机床设计流程,分析了以三维实体建模软件P R O/E、机械动力学仿真软件A D AM S、大型有限元分析软件A N S Y S和控制仿真软件MA T L A B/S I MU L I I N K为核心的数控机床虚拟样机实现的集成软件平台,以数控钻铣床为例,将虚拟样机技术应用于机床的设计开发,对开创数控机床工程设计新方法具有重要的意义。
关键词:虚拟样机;数控机床;P R O/E;A D AM S;A N S Y S中图分类号:T P391文献标识码:A文章编号:1001-2354(2005)02-0016-03随着科学技术的发展,工程设计的理论、方法和手段发生了很大变化。
近年来,集计算机设计、分析、仿真技术于一体的虚拟样机技术,引起了人们的广泛重视,并越来越多地应用于工程设计实践。
虚拟样机技术是在产品设计开发过程中,在计算机上建造出产品的模型,并进行仿真分析,预测产品的性能,进而改进产品设计,提高产品性能的一种新的设计方法。
数字化的虚拟样机技术是对传统设计方法的一次历史性的革命,以其为基础的现代设计方法的出现,改变了传统以物理样机为基础的设计,大大减少昂贵而费时的物理样机制造及试验过程,设计人员可以直接在计算机进行快速分析,比较多种设计方案,进行优化,在设计中及时发现问题,提高产品质量,缩短产品开发周期,降低产品开发成本。
数控机床是一种高度自动化的典型机电产品,在设计过程中,对运动学、动力学、机械结构、控制性能等方面都有较高的设计要求。
因此,在数控机床的设计中应用新的现代设计方法十分必要。
基于虚拟样机技术的数控机床现代设计方法,是将虚拟样机技术应用于机床的设计开发,为数控机床开发研制提供一种全新的设计方法。
在我国,提高数控机床的设计能力和水平尤为迫切。
我国是世界上机床产量最多的国家,但在国际市场竞争中却处于较低水平。
即使在国内市场也面临着严峻的形势,一方面是国内市场对各类机床产品特别是数控机床有大量的需求,而另一方面却是国外数控机床产品充斥市场,国内机床积压难销,影响着我国数控机床的自主发展。
其中主要的原因是我国数控机床品种、性能和结构不够先进,新产品的开发周期长,从而不能及时针对用户的需求提供满意的产品。
例如,我国数控机床产品的开发周期约为15～18个月,其中设计时间约为5～8个月,占总周期的40%左右。
而国外一些先进机床厂同类产品的开发周期为6～9个月,其中设计约1～2个月,只占25%。
产品开发周期以及设计所占的时间比例均与国外先进水平有很大的差距。
此外,在数控机床的设计中,由于缺乏先进的设计分析工具,如分析和评价软件等,自行开发的新产品大多基于直观经验和类比设计,使设计一次成功的把握性降低,往往需要反复试制才能定型,从而可能错过新产品推向市场的良机。
为解决这些问题,必须对产品开发的整个过程综合应用计算机技术,发展优化和仿真技术,提高产品结构性能,并建立起基于并行工程的设计、分析协同工作和知识共享的产品设计环境,应用虚拟样机技术对数控机床进行创新设计、测试和评估,缩短开发周期,降低成本,改进产品设计质量,提高数控机床的设计能力。
1数控机床虚拟样机技术数控机床虚拟样机技术实质上就是以设计为中心,对数控机床进行虚拟设计。
其过程是在计算机上建立数控机床产品的数字模型,进行仿真分析,预测实际产品的特性,包括外观、空间关系以及运动学和动力学等特性。
提供一个全面地研究产品工作性能的方法。
并通过设计中的反馈信息不断地指导修改初始设计,保证产品优化开发过程顺利进行。
基于虚拟样机技术的数控机床设计流程如图1所示。
在数控机床虚拟样机概念设计阶段,主要进行调研分析,明确设计要求,确定所设计机床的工作参数,如运动、动力、尺寸、控制系统类型,然后通过功能分解,创新出或类比出可以实现要求的各种方案。
初步确定数控机床的总体设计方案、主轴设计方案、进给系统设计方案及其它附属部件的设计方案。
详细设计是在方案基本确定后,对机械结构零部件进行主要形状和尺寸的设计,数控机床零部件外形结构、尺寸的设计对整机性能有直接的影响。
参数化的C A D三维设计软件能方便地设计生成数控机床虚拟样机的“虚拟零部件”,并可进行装配,建立直观的数控机床实体模型。
第22卷第2期2005年2月机械设计J O U R N A LO F MA C H I N ED E S I G NV o l.22N o.2F e b.2005*收稿日期:2004-05-17;修订日期:2004-08-17基金项目:云南省自然科学基金资助项目(2001E0010Q)作者简介:杨晓京(1971-),男(白族),云南大理人,昆明理工大学机电工程学院副教授,浙江大学现代制造工程研究所博士研究生,主要从事数控技术、计算机辅助工程技术等方面的研究工作,已发表论文30余篇。
图1基于虚拟样机技术的数控机床设计流程数控机床虚拟样机性能测试是利用计算机辅助分析仿真软件,对虚拟样机进行测试分析,如同对机床物理样机的试验研究一样。
对数控机床主要部件进行动力学和运动学仿真,从仿真的结果不仅可以得到产品运动的动画、速度、加速度、位移、轨迹,检验机构运动是否合理,是否出现干涉、卡死等问题,还可以得到各零部件实际所受的各种载荷。
有了零件所受的力和力矩作为载荷条件,可以将载荷传递给有限元分析软件进行数控机床关键零件的刚度、热变形、振动、动态特性等分析,获得零件的应力、应变分布、位移以及固有频率和振型等。
同时,也可以对数控机床整机特性进行分析。
在对数控机床虚拟样机性能测试不能满足要求时,返回概念设计或详细设计中,进行方案修改或变化有关参量,直至测试满足要求。
2数控机床虚拟样机技术的软件环境数控机床虚拟样机的建立需要功能强大的软件平台支撑。
尽管虚拟样机技术发展迅速,但目前仍然缺乏普遍适用的支持产品设计全过程的数字化产品开发系统。
为了使利用虚拟样机进行设计的方法更具有可行性,并且普遍适用于企业,采用以成熟的具有良好工程实践基础的三维设计软件P R O/E、机械动力学仿真软件A D AM S、大型有限元分析软件A N S Y S和控制仿真软件MA T L A B/S I MU L I I N K为核心,构建集成的软件平台,形成一个数据联调、并行的设计过程,改观传统的C A D设计过程、设计环境和设计思路。
优秀的三维C A D软件有P R O/E,U G,S o l i d w o r k等。
P R O/E是一个设计思想先进、面向机械工程、集设计制造一体的自动化设计软件,它具有参数化设计、特征功能和统一数据库的特点。
P R O/E的参数化功能可任意建立实体上的尺寸和功能之间的关系,任何一个参数值改变,其相关的特征也会自动修正,真正实现了参数化几何建模,为虚拟样机柔性化打下了基础。
采用P R O/E软件,能产生具有外观材质特征,又包含质心、转动惯量等内在特征的参数化“虚拟零部件”。
P R O/E 生成的三维和二维图还可通过标准数据交换格式或接口模块与其它应用软件集成。
因此,应用P R O/E软件可建立数控机床实体模型。
A D AM S是权威的机械系统多体动力学仿真设计软件。
用户通过A D AM S界面,利用其零件库、运动约束库、力库等模块能方便地建立复杂机械系统的运动学/动力学仿真模型, A D AM S能自动计算输出机械系统部件的运动位移、速度、加速度和反作用力,仿真结果不仅可以曲线图形输出,还可以显示动画仿真。
通过仿真得到机床运动部件运动的动画以及速度、加速度、位移等运动特性,同时,也可以分析机床零部件的力学特性,得到所受的各种载荷。
A N S Y S软件是融结构、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体的大型通用有限元分析软件。
它能与多数C A D软件接口实现数据的共享和交换。
A N S Y S软件主要包括三个部分:前处理模块、分析计算模块和后处理模块。
前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具,用户可以方便地构造有限元模型;分析计算模块包括结构分析、热分析等;后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示等图形方式显示出来,也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。
因此,应用A N S Y S分析软件,进行机床零件的刚度、热变形、振动、动态特性等分析,获得零件的应力、应变分布以及固有频率和振型等。
有限元分析的结果可以返回设计阶段并指导修改初始设计,甚至还可以利用以有限元分析结果为基础,直接对模型的尺寸和拓扑结构进行自动优化。
MA T L A B软件是目前应用最为广泛的工程计算语言,在MA T L A B环境中,有超过500种数学、统计、科学及工程方面的函数可使用。
此外,MA T L A B工具箱提供了在许多应用领域所需的函数,如:符号运算、图像处理、信号分析、控制系统仿真等。
S I MU L I N K是MA T L A B提供给控制领域的用户,用于对线性、非线性、离散控制系统进行分析的工具。
因此,应用MA T L A B/S I MU L I N K可方便地建立数控机床进给系统伺服控制系统的仿真模型,并进行控制系统性能的仿真分析。
经多年计算机辅助技术的推广应用,一些机床企业已逐步使用上述软件进行产品设计、分析与制造。
因此,以三维设计软件P R O/E、机械动力学仿真软件A D AM S、大型有限元分析软件A N S Y S和控制仿真软件MA T L A B/S I MU L I I N K为核心,构建集成的软件环境,从而建立微机平台上的虚拟样机设计平台,提供一种新型的、具实用价值的工程设计方法,使企业都能够应用虚拟样机技术进行产品设计与开发。
数控机床软件集成的虚拟样机设计平台框图如图2所示。
图2数控机床虚拟样机集成软件平台框图3基于虚拟样机技术的数控机床设计实践以经济型数控钻铣床设计为例,采用基于虚拟样机技术的现代设计方法进行产品设计,即在P R O/E,A D AM S,A N S Y S 等软件集成平台上建立数控机床虚拟样机,并进行仿真与性能分析。
712005年2月杨晓京,等:基于虚拟样机技术的数控机床现代设计方法在P R O/E软件环境下,建立了数控钻铣床零件的实体模型和样机的虚拟装配,如图3所示。
图3利用P R O/E建立的数控钻铣床实体模型把P R O/E建立的实体模型传送到A D AM S软件里,转换成运动学、动力学分析模型,添加运动副约束、运动约束以及施加载荷,进行运动学、动力学特性分析。
图4所示是对数控钻铣床进给部件进行运动分析。