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機床總體方案虛擬設計技術(shù)
引言
市場(chǎng)的開(kāi)放性和全球化，促使機床產(chǎn)品的競爭日趨激烈，而決定機床產(chǎn)品競爭力的指標是產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)時(shí)間(Time)、產(chǎn)品質(zhì)量(Quality)、成本(Cost)、創(chuàng )新能力(Creation)和服務(wù)(Service)。用戶(hù)在追求高質(zhì)量產(chǎn)品的同時(shí)，會(huì )更多地追求低的價(jià)格和短的交貨期。這就要求企業(yè)改變過(guò)去傳統的設計、生產(chǎn)和管理模式，最大限度地利用虛擬設計手段，以提高產(chǎn)品的質(zhì)量和性能，降低成本，并努力縮短交貨期，同時(shí)還需要快速響應市場(chǎng)和用戶(hù)的變化，利用有利時(shí)機快速搶占市場(chǎng)。美國制造業(yè)在50至60年代主要以擴大生產(chǎn)規模作為企業(yè)競爭力的第一要素，而在70年代競爭力的第一要素為降低生產(chǎn)成本，80年代為提高產(chǎn)品質(zhì)量，90年代為市場(chǎng)響應速度。所以現代每個(gè)企業(yè)都期望通過(guò)提高自身的科技含量，采用先進(jìn)的設計技術(shù)和手段，以加快設計速度，提高設計質(zhì)量，增強競爭力。機床總體方案虛擬設計技術(shù)就是為適應這種形勢的變化而提出來(lái)的。
1、我國機床設計現狀和存在的問(wèn)題
我國是世界上機床產(chǎn)量最多的國家，但在國際市場(chǎng)競爭中仍處于較低水平;即使國內市場(chǎng)也面臨著(zhù)嚴峻的形勢，一方面國內市場(chǎng)對各類(lèi)機床產(chǎn)品特別是數控機床有大量的需求，而另一方面卻有不少?lài)a(chǎn)機床滯銷(xiāo)積壓，國外機床產(chǎn)品充斥市場(chǎng)。90年國外數控機床在我國市場(chǎng)的占有率僅達15%左右，而95年已達77%。嚴重影響我國數控機床自主發(fā)展的勢頭。
這種現象的出現，除了有經(jīng)營(yíng)上、產(chǎn)品制造質(zhì)量上和促銷(xiāo)手段上等原因外，一個(gè)主要的原因是我國生產(chǎn)的數控機床品種、性能和結構不夠先進(jìn)，新產(chǎn)品(包括基型、變型和專(zhuān)用機床)的開(kāi)發(fā)周期長(cháng)，從而不能及時(shí)針對用戶(hù)的需求提供滿(mǎn)意的產(chǎn)品。具體地說(shuō)，這個(gè)問(wèn)題反映在下列五個(gè)方面：
(1) 我國機床廠(chǎng)目前開(kāi)發(fā)基型產(chǎn)品的周期約為15～18個(gè)月，其中設計時(shí)間約為5～8個(gè)月，占總周期的40%左右。而國外一些先進(jìn)機床廠(chǎng)同類(lèi)基型產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期為6～9個(gè)月，其中設計約1.5～2個(gè)月，只占25%。因此無(wú)論是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的總周期還是設計所占的時(shí)間比例均與國外先進(jìn)水平有很大的差距。
(2) 我國工廠(chǎng)由于缺乏設計的科學(xué)分析工具(如分析和評價(jià)軟件、整機結構有限元分析方法以及機床性能測試裝置等)，自行開(kāi)發(fā)的新產(chǎn)品大多基于直觀(guān)經(jīng)驗和類(lèi)比設計，使設計一次成功的把握性降低，往往需要反復試制才能定型，從而可能錯過(guò)新產(chǎn)品推向市場(chǎng)的良機。
(3) 用戶(hù)根據使用需要，在訂貨時(shí)往往提出一些特殊要求，甚至在產(chǎn)品即將投產(chǎn)時(shí)有的用戶(hù)臨時(shí)提出一些要求，這就需要迅速變型設計和修改相應的圖紙及技術(shù)文件。在國外，這項修改工作在計算機的輔助下一般僅需數天至一周，而在我國機床廠(chǎng)用手工操作就至少需1～2個(gè)月，且由于這些圖紙和文件涉及多個(gè)部門(mén)，常會(huì )出現漏改和失誤的現象，影響了產(chǎn)品的質(zhì)量和交貨期。
(4) 現在我國工廠(chǎng)設計和工藝人員中青年占多數，他們的專(zhuān)業(yè)知識和實(shí)際經(jīng)驗不足， 又擔負著(zhù)開(kāi)發(fā)的重任。
(5)由于長(cháng)期以來(lái)形成的設計、工藝和制造部門(mén)分立，缺乏有效的協(xié)同開(kāi)發(fā)的模式，不能從制訂方案開(kāi)始就融入各方面的正確意見(jiàn)，容易造成產(chǎn)品的反復修改，延長(cháng)了開(kāi)發(fā)的周期。
為解決這些問(wèn)題，必須對產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的整個(gè)過(guò)程綜合應用計算機技術(shù)，發(fā)展優(yōu)化和仿真技術(shù)，提高產(chǎn)品結構性能，并建立起基于并行工程(Concurrent Engineering)的使設計、工藝和制造人員協(xié)同工作和知識共享的產(chǎn)品虛擬開(kāi)發(fā)環(huán)境，使用相應的產(chǎn)品虛擬開(kāi)發(fā)軟件，這樣才能有效地解決產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的落后局面，使企業(yè)取得良好的經(jīng)濟效益。
2、解決問(wèn)題的可能途徑
根據上述分析，目前我國亟需研究以期建立：
(1) 適于設計人員操作的和開(kāi)放的CAD應用軟件
這樣的軟件系統應采用特征建模技術(shù)、具有完備的圖庫結構、面向產(chǎn)品對象的數據管理系統并與企業(yè)的管理、工藝、制造等建立交換信息的接口;同時(shí)軟件系統是一種開(kāi)放環(huán)境，使設計人員可以根據自身產(chǎn)品設計的需要，對軟件系統方便地進(jìn)行修改和補充開(kāi)發(fā)，建立起本企業(yè)的應用軟件系統。
(2) 機床總體方案的虛擬設計軟件
整機的總體方案設計是保證產(chǎn)品布局合理、性能全局最優(yōu)和成本合理的主要環(huán)節。但機床整機總體方案設計在傳統上往往依賴(lài)于人的 “智慧”，隨意性很大，成為影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素，隨著(zhù)CAD技術(shù)、計算技術(shù)和設計方法學(xué)的發(fā)展，以及市場(chǎng)競爭的需要， 必須發(fā)展既基于知識，又具有科學(xué)分析和預測功能的總體方案虛擬設計軟件。
(3)整機結構優(yōu)化方法
主要從保證整機性能的角度來(lái)研究機床總體結構的優(yōu)化。這里既有建模的算法問(wèn)題，也有確定載荷和邊界條件的問(wèn)題，更有設計人員直接參與應用和分析的問(wèn)題。發(fā)展仿真技術(shù)在該領(lǐng)域的應用，使性能評價(jià)更直觀(guān)和全面，可以使設計人員的經(jīng)驗和科學(xué)計算分析完美地結合在一起，以推進(jìn)結構設計的創(chuàng )新發(fā)展。
3、機床總體方案虛擬設計軟件
機床總體方案虛擬設計軟件主要由機床總體方案設計、性能優(yōu)化與仿真、結構特征建模、報價(jià)與評價(jià)四大模塊組成。參見(jiàn)圖1。
(1)機床總體方案設計
總體方案設計包含功能設計、結構設計和性能設計三部分。
功能設計，即在調研分析，確定了所設計機床的工作參數(運動(dòng)、動(dòng)力、尺寸)之后，通過(guò)功能分解，創(chuàng )新出或類(lèi)比出可以實(shí)現加工要求的各種總體布局方案。創(chuàng )新設計，主要通過(guò)對運動(dòng)功能的分解和合成來(lái)確定其布局方案，這對于設計加工特定零件的專(zhuān)用機床較為有效。而變型設計或類(lèi)比設計主要通過(guò)查詢(xún)比較確定可參照的機床布局方案，大量用于設計一般的通用性機床。
結構設計是在總體布局方案基本確定后，對機械結構件進(jìn)行主要形狀和尺寸的設計，這同樣有類(lèi)比和創(chuàng )成設計兩類(lèi)。類(lèi)比設計是建立在成組技術(shù)和模塊化技術(shù)的基礎上，采用參數化設計方法來(lái)實(shí)現。而創(chuàng )成式設計主要是按照設計人員的意志，通過(guò)對基礎模塊(板、梁、筋、孔、凸緣、法蘭等)的實(shí)體進(jìn)行拼裝、重迭等操作來(lái)實(shí)現。
性能設計是根據機床的總體性能要求對運動(dòng)誤差、精度和剛度等進(jìn)行設計分配，并綜合應用有限元法、邊界元法、分布參數法等方法快速計算和比較各種可能方案的優(yōu)劣。
(2)性能優(yōu)化與仿真
優(yōu)化是利用數學(xué)方法和計算機手段實(shí)現主要結構件的形狀和尺寸優(yōu)化，同時(shí)還可實(shí)現功能部件的特性?xún)?yōu)化。如主軸部件中主軸的支距及其靜動(dòng)態(tài)特性、伺服進(jìn)給系統的驅動(dòng)特性和響應特性等。而對一些機床常用零部件(軸、軸承、齒輪、鍵、帶、離合器、聯(lián)軸器、彈簧等)可進(jìn)行設計計算和校核計算，以保證計算的準確性和快速性。
仿真是以動(dòng)態(tài)的或直觀(guān)的方法使設計人員了解整機的特性。它包括整個(gè)工作范圍的運動(dòng)仿真和干涉檢查、機床整機的靜動(dòng)態(tài)和熱態(tài)特性分析、工作精度的仿真等。特別是通過(guò)特性的計算分析和仿真可及時(shí)發(fā)現問(wèn)題，修改薄弱環(huán)節，以確保整機特性的良好性。
(3)結構特征建模
這是設計人員進(jìn)行結構細化設計的主要工作平臺，為統一數據結構，信息共享和協(xié)同工作的需要，同時(shí)也是為了CAD/CAE/CAPP/CAM一體化的需要，必須采用特征建模技術(shù)，使建立起的零件模型不僅包含幾何信息，還包含工藝、精度、管理、技術(shù)等非幾何信息。而裝配圖的繪制有其特殊性，為了設計人員的使用方便性，在軟件中設立了專(zhuān)門(mén)的裝配圖設計環(huán)境。并建立了多種圖庫、數據庫，包括符號庫、標準件庫、通用件庫、外購件庫、典型零件庫、漢字庫、特征圖庫、主要構件結構圖庫等。同時(shí)還建立了工程數據管理功能，以便將同一零件的多種類(lèi)型數據(圖紙、裝配、加工、檢驗)進(jìn)行統一的管理;并建立零部件間的相關(guān)性信息，以便對某一零件進(jìn)行修改時(shí)，能自動(dòng)更新相關(guān)的信息，這樣既能提高更改速度，又能防止差錯和遺漏。
在軟件中為了集成的方便性，建立了多種接口，以便與CAD、CAPP、CAE、CAM進(jìn)行聯(lián)接。
(4)報價(jià)與評價(jià)
主要由周期預測、成本預測、報價(jià)體系和評估體系組成。以便對設計周期和成本、制造周期和成本進(jìn)行預估，并按報價(jià)規則進(jìn)行報價(jià)。最后利用模糊數學(xué)和價(jià)值工程原理對整臺機床的功能、性能、運動(dòng)、精度、成本、周期、價(jià)格作一個(gè)總體綜合的評價(jià)。
在軟件系統中還有數據庫的管理更新、樣本制作等模塊，以便用戶(hù)擴充數據庫，并在使用中不斷充實(shí)建立自己的實(shí)用系統。
總的來(lái)說(shuō)，機床總體方案虛擬設計軟件具有如下主要特點(diǎn)：
a.從確定主參數和機床總體布局入手，逐步走向零部件的設計，符合設計人員的習慣，并利用計算機技術(shù)實(shí)現虛擬設計，使總體布局富于直觀(guān)性�；窘鉀Q了過(guò)去總體布局難以確定和設計時(shí)間過(guò)長(cháng)的問(wèn)題。
b.由于建立了動(dòng)態(tài)樣本等多種數據庫和基礎圖庫，所以不管是類(lèi)比設計還是創(chuàng )成設計都具有快捷性的特點(diǎn)，且積累的材料越多，模塊化越好，設計的速度就越快。
c.所有設計均從三維入手，不但直觀(guān)性強，而且便于生成二維圖，以利于修改與仿真分析。
d.不僅有代替手工繪圖的CAD部份，而且有優(yōu)化、仿真、報價(jià)評估等模塊，使設計更科學(xué)。并用計算機技術(shù)替代了設計人員感到繁雜的常用零部件的設計和校核計算，即節省了時(shí)間，又減少出錯率，使設計人員有更多的時(shí)間和精力投入到創(chuàng )造性設計中。
4、總結
要解決長(cháng)期困擾機械產(chǎn)品設計人員的方案設計完全依靠個(gè)別有經(jīng)驗人員和整機結構性能優(yōu)化無(wú)從下手的問(wèn)題，又要為廣大設計人員提供一個(gè)經(jīng)過(guò)二次開(kāi)發(fā)的CAD應用軟件的設計系統，還需做大量的研究開(kāi)發(fā)工作。還需加大對并行工程、造型、可靠性、優(yōu)化設計、報價(jià)體系、評價(jià)體系和軟件一體化等方面的研究工作。
通過(guò)機床總體方案虛擬設計技術(shù)的研究，不僅可建立起虛擬設計環(huán)境，在較短時(shí)間內確定出合理的方案，而且能為報價(jià)提供依據，因而是對市場(chǎng)需求作出快速反映的有利措施，同時(shí)也解決了目前國內有經(jīng)驗設計人員不多，方案設計水平不高的問(wèn)題，又能使有經(jīng)驗的設計人員從事更多的創(chuàng )造性工作，這將有利于促進(jìn)我國機床產(chǎn)品的創(chuàng )新發(fā)展。
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