浅析虚拟样机技术的机床现代设计方法

摘 要：机床是工业生产中常用的一种机械设备，为提升生产效率与产品精度，某些产品制造中总是利用机床。作为一种自动化设备，如何提高机床设计与制造的科学性和合理性是行业人士一直关注的问题。对此，本文基于虚拟样机技术提出了一种新的数控机床设计方法，减少设计失误，促进机床设计思想的不断发展与设计水平的不断提高，满足现代化工业生产制作的需求。

关键词：数控机床 虚拟样机技术 设计方法 现代化 设计过程

在以往的机床设计中，主要包括四个环节，过程过于复杂而繁琐，不利于提升机床设计工作的水平，也不利于保证机床设计的科学性和合理性。为提高机床自动化水平，适应信息化的生产环境，不少行业人士一直在探讨利用信息技术优化机床设计方法的有效途径。虚拟样机技术，作为一种智能化的设计技术，能够很好的满足机床现代设计需求，基于它构建机床现代设计方法是可行，也是行之有效的，下面将对这一种设计方法进行扼要论述。

一、虚拟样机技术

虚拟样机技术是在计算机技术基础上产生的一种新概念技术，其兴起于20世纪80年代，并逐渐在设计领域广泛应用起来。基于虚拟样机技术的设计，指的是利用虚拟样机代替原来常用的物理样机，并对候选设计的样机各种性能进行测试和评价，根据测试结果而优选出最适合的设计方案，达到产品设计的最优目标。

在利用虚拟样机进行设计过程中，先要利用计算机仿真和建模技术构建虚拟产品模型，然后再进行各种性能测试。这一过程是智能化设计的过程，也是产品设计结果优选的过程，很好的把仿真、模型和仿真者集合在一起，强调系统的优化和组合，追求的是最优化的设计结果，能很好的满足产品设计精益化、科学化、智能化的需求。

二、基于虚拟样机技术的机床现代设计

（一）虚拟样机建造环境

虚拟样机环境是指包含虚拟样机，将CAD实体造型技术、系统仿真、人机交互技术等集成，形成的一个支持虚拟产品设计集成仿真环境。国外U.Jasnoch和H.KresS等人从并行工程方法角度理解，认为虚拟样机环境是将多个CAD过程、知识推理过程等，通过CSCW技术、用户界面技术、设计过程管理和文档化技术集成起来，形成一个分布式环境以支持产品设计过程中并行工程方法。

（二）机床零件实体建模及虚拟装配

虚拟样机生成的前提是虚拟部件的“制造”。成熟的CAD三维几何造型软件能快速、便携地设计和生成三维造型。虚拟部件必须包含颜色、材质、外表纹理等外在特征以显示真实的外观，同时还必须包含质量、重心位置、转动惯量等内在特征以进行精确的机械系统动力

学仿真运算。CAD生成的三维造型数据必须导入虚拟样机环境，在虚拟环境中能测量和装配，并能显示出三维的外观造型后才成为真正意义上的虚拟部件。CAD三维造型还是实现最终从虚拟部件“制造”到现实部件制造的基础。

（三）关键有限元分析

利用Solid一Edge软件进行三维实体建模，可以利用ANSYS有限元分析软件，对机床的各个部件进行网格划分和计算分析；根据ANSYS分析所得到的结果，判断设计的合理性，以达到设计最优化的目的二在solid-Edge软件环境下设计的数控机床虚拟样机，能够在ANSYS环境下进行载荷实验、刚度实验、精度分析、抗振性实验、热变形实验等。应用ANSYS有限元分析软件来分析机床受到外力负载后，根据出现的最大应力、位移、温度和扭矩与实际产品相比较，进而判断设计是否符合要求，这样就提高了产品开发效率，降低风险和实验成本。如果在ANSYS环境下得到的计算数据证明机床虚拟样机的某个机构或部件不能满足设计要求，那么就必须回到501记一Edge软件环境下重新设计，直到满足要求。

（四）运动学、动力学仿真

采用ADAMS作为数控机床进给系统的动力学仿真支撑，ADAMS软件可以利用交互式图形环境和零件、约束、力库建立机械系统三维参数化模型。该模型既可以是在ADAMS软件中直接建造的几何模型，也可以是从其它CAD软件中传过来的造型逼真的几何模型。在Solid一Edge软件环境下建好模型，干涉检查后，可以保存为IGES、STEP、PARASOUD格式的CAD图形文件，再将CAD数据输入到ADAMS中口刊。

图1为在上述数控机床虚拟样机导人到ADAMS中，可以根据各个零部件的装配关系，给虚拟样机添加约束与驱动，实现要求的运动仿真和动力学分析。

（五）伺服控制系统仿真

MATLAB是目前应用最广泛的工程计算语言，具有用法简单、灵活、功能强又兼具延展性的特点。SIMULINK模块是MATLAB提供给控制领域的用户，用于对线性/非线性、离散的控制系统进行分析的工具包，可用于建立数控机床的仿真模型。伺服系统的研究一直是自动控制领域的一大热门方向，伺服系统性能的优劣直接影响到整机的工作性能，是机床最重要的组成部分，数控机床伺服系统是由伺服电路、伺服驱动装置、机械传动机构及执行部件等组成。在传统的、复杂的机械系统设计过程中，机械工程师和控制工程师如果发现什么问题，他们只有回到各自的模型中，修改机械系统和控制系统，然后再进行物理样机的调试。数控机床虚拟样机是实现机电一体化地联合仿真分析，这样机械工程师和电气控制师可以共同享有一个样机模型，进行设计、调试和实验，利用虚拟样机对机械和控制系统进行反复的联合调试，直到获得满意的设计结果，然后再进行物理样机的建造和调试，反复测试后确定各项性能符合要求后，方能确定最终的设计方案。之后，才能根据这一设计方案进行大批量的数控机床设计。

三、结束语

综上所述，在机床设计中运用虚拟样机技术，能够在计算机仿真与模型技术支持下构建机床的设计产品模型，对设计产品模型性能进行测试后做出最优化的设计结果选择。这样的设计方法，不仅优化了机床设计的整个过程，也极大的缩短了机床设计时间，进一步提高了机床设计水平。由此可见，基于虚拟样机技术的机床现代设计方法在现实生活中有着巨大的工程应用价值，既可以应用虚拟样机技术设计机床，也可以把这一技术延伸到其它机械设备的设计生产工作中去，未来的发展前景远大，值得进一步深入研究。

参考文献：

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