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機床總體方案虛擬設(shè)計技術(shù)
引言
市場的開放性和全球化，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)品的開發(fā)時間(Time)、產(chǎn)品質(zhì)量(Quality)、成本(Cost)、創(chuàng)新能力(Creation)和服務(wù)(Service)。用戶在追求高質(zhì)量產(chǎn)品的同時，會更多地追求低的價格和短的交貨期。這就要求企業(yè)改變過去傳統(tǒng)的設(shè)計、生產(chǎn)和管理模式，最大限度地利用虛擬設(shè)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，同時還需要快速響應(yīng)市場和用戶的變化，利用有利時機快速搶占市場。美國制造業(yè)在50至60年代主要以擴大生產(chǎn)規(guī)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年代為市場響應(yīng)速度。所以現(xiàn)代每個企業(yè)都期望通過提高自身的科技含量，采用先進的設(shè)計技術(shù)和手段，以加快設(shè)計速度，提高設(shè)計質(zhì)量，增強競爭力。機床總體方案虛擬設(shè)計技術(shù)就是為適應(yīng)這種形勢的變化而提出來的。
1、我國機床設(shè)計現(xiàn)狀和存在的問題
我國是世界上機床產(chǎn)量最多的國家，但在國際市場競爭中仍處于較低水平;即使國內(nèi)市場也面臨著嚴峻的形勢，一方面國內(nèi)市場對各類機床產(chǎn)品特別是數(shù)控機床有大量的需求，而另一方面卻有不少國產(chǎn)機床滯銷積壓，國外機床產(chǎn)品充斥市場。90年國外數(shù)控機床在我國市場的占有率僅達15%左右，而95年已達77%。嚴重影響我國數(shù)控機床自主發(fā)展的勢頭。
這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，除了有經(jīng)營上、產(chǎn)品制造質(zhì)量上和促銷手段上等原因外，一個主要的原因是我國生產(chǎn)的數(shù)控機床品種、性能和結(jié)構(gòu)不夠先進，新產(chǎn)品(包括基型、變型和專用機床)的開發(fā)周期長，從而不能及時針對用戶的需求提供滿意的產(chǎn)品。具體地說，這個問題反映在下列五個方面：
(1) 我國機床廠目前開發(fā)基型產(chǎn)品的周期約為15～18個月，其中設(shè)計時間約為5～8個月，占總周期的40%左右。而國外一些先進機床廠同類基型產(chǎn)品的開發(fā)周期為6～9個月，其中設(shè)計約1.5～2個月，只占25%。因此無論是產(chǎn)品開發(fā)的總周期還是設(shè)計所占的時間比例均與國外先進水平有很大的差距。
(2) 我國工廠由于缺乏設(shè)計的科學分析工具(如分析和評價軟件、整機結(jié)構(gòu)有限元分析方法以及機床性能測試裝置等)，自行開發(fā)的新產(chǎn)品大多基于直觀經(jīng)驗和類比設(shè)計，使設(shè)計一次成功的把握性降低，往往需要反復試制才能定型，從而可能錯過新產(chǎn)品推向市場的良機。
(3) 用戶根據(jù)使用需要，在訂貨時往往提出一些特殊要求，甚至在產(chǎn)品即將投產(chǎn)時有的用戶臨時提出一些要求，這就需要迅速變型設(shè)計和修改相應(yīng)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(shù)天至一周，而在我國機床廠用手工操作就至少需1～2個月，且由于這些圖紙和文件涉及多個部門，常會出現(xiàn)漏改和失誤的現(xiàn)象，影響了產(chǎn)品的質(zhì)量和交貨期。
(4) 現(xiàn)在我國工廠設(shè)計和工藝人員中青年占多數(shù)，他們的專業(yè)知識和實際經(jīng)驗不足， 又擔負著開發(fā)的重任。
(5)由于長期以來形成的設(shè)計、工藝和制造部門分立，缺乏有效的協(xié)同開發(fā)的模式，不能從制訂方案開始就融入各方面的正確意見，容易造成產(chǎn)品的反復修改，延長了開發(fā)的周期。
為解決這些問題，必須對產(chǎn)品開發(fā)的整個過程綜合應(yīng)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(jié)構(gòu)性能，并建立起基于并行工程(Concurrent Engineering)的使設(shè)計、工藝和制造人員協(xié)同工作和知識共享的產(chǎn)品虛擬開發(fā)環(huán)境，使用相應(yīng)的產(chǎn)品虛擬開發(fā)軟件，這樣才能有效地解決產(chǎn)品開發(fā)的落后局面，使企業(yè)取得良好的經(jīng)濟效益。
2、解決問題的可能途徑
根據(jù)上述分析，目前我國亟需研究以期建立：
(1) 適于設(shè)計人員操作的和開放的CAD應(yīng)用軟件
這樣的軟件系統(tǒng)應(yīng)采用特征建模技術(shù)、具有完備的圖庫結(jié)構(gòu)、面向產(chǎn)品對象的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)并與企業(yè)的管理、工藝、制造等建立交換信息的接口;同時軟件系統(tǒng)是一種開放環(huán)境，使設(shè)計人員可以根據(jù)自身產(chǎn)品設(shè)計的需要，對軟件系統(tǒng)方便地進行修改和補充開發(fā)，建立起本企業(yè)的應(yīng)用軟件系統(tǒng)。
(2) 機床總體方案的虛擬設(shè)計軟件
整機的總體方案設(shè)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(jié)。但機床整機總體方案設(shè)計在傳統(tǒng)上往往依賴于人的 “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CAD技術(shù)、計算技術(shù)和設(shè)計方法學的發(fā)展，以及市場競爭的需要， 必須發(fā)展既基于知識，又具有科學分析和預(yù)測功能的總體方案虛擬設(shè)計軟件。
(3)整機結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法
主要從保證整機性能的角度來研究機床總體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。這里既有建模的算法問題，也有確定載荷和邊界條件的問題，更有設(shè)計人員直接參與應(yīng)用和分析的問題。發(fā)展仿真技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用，使性能評價更直觀和全面，可以使設(shè)計人員的經(jīng)驗和科學計算分析完美地結(jié)合在一起，以推進結(jié)構(gòu)設(shè)計的創(chuàng)新發(fā)展。
3、機床總體方案虛擬設(shè)計軟件
機床總體方案虛擬設(shè)計軟件主要由機床總體方案設(shè)計、性能優(yōu)化與仿真、結(jié)構(gòu)特征建模、報價與評價四大模塊組成。參見圖1。
(1)機床總體方案設(shè)計
總體方案設(shè)計包含功能設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能設(shè)計三部分。
功能設(shè)計，即在調(diào)研分析，確定了所設(shè)計機床的工作參數(shù)(運動、動力、尺寸)之后，通過功能分解，創(chuàng)新出或類比出可以實現(xiàn)加工要求的各種總體布局方案。創(chuàng)新設(shè)計，主要通過對運動功能的分解和合成來確定其布局方案，這對于設(shè)計加工特定零件的專用機床較為有效。而變型設(shè)計或類比設(shè)計主要通過查詢比較確定可參照的機床布局方案，大量用于設(shè)計一般的通用性機床。
結(jié)構(gòu)設(shè)計是在總體布局方案基本確定后，對機械結(jié)構(gòu)件進行主要形狀和尺寸的設(shè)計，這同樣有類比和創(chuàng)成設(shè)計兩類。類比設(shè)計是建立在成組技術(shù)和模塊化技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用參數(shù)化設(shè)計方法來實現(xiàn)。而創(chuàng)成式設(shè)計主要是按照設(shè)計人員的意志，通過對基礎(chǔ)模塊(板、梁、筋、孔、凸緣、法蘭等)的實體進行拼裝、重迭等操作來實現(xiàn)。
性能設(shè)計是根據(jù)機床的總體性能要求對運動誤差、精度和剛度等進行設(shè)計分配，并綜合應(yīng)用有限元法、邊界元法、分布參數(shù)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(shù)學方法和計算機手段實現(xiàn)主要結(jié)構(gòu)件的形狀和尺寸優(yōu)化，同時還可實現(xiàn)功能部件的特性優(yōu)化。如主軸部件中主軸的支距及其靜動態(tài)特性、伺服進給系統(tǒng)的驅(qū)動特性和響應(yīng)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)可進行設(shè)計計算和校核計算，以保證計算的準確性和快速性。
仿真是以動態(tài)的或直觀的方法使設(shè)計人員了解整機的特性。它包括整個工作范圍的運動仿真和干涉檢查、機床整機的靜動態(tài)和熱態(tài)特性分析、工作精度的仿真等。特別是通過特性的計算分析和仿真可及時發(fā)現(xiàn)問題，修改薄弱環(huán)節(jié)，以確保整機特性的良好性。
(3)結(jié)構(gòu)特征建模
這是設(shè)計人員進行結(jié)構(gòu)細化設(shè)計的主要工作平臺，為統(tǒng)一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，信息共享和協(xié)同工作的需要，同時也是為了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(shè)計人員的使用方便性，在軟件中設(shè)立了專門的裝配圖設(shè)計環(huán)境。并建立了多種圖庫、數(shù)據(jù)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(gòu)件結(jié)構(gòu)圖庫等。同時還建立了工程數(shù)據(jù)管理功能，以便將同一零件的多種類型數(shù)據(jù)(圖紙、裝配、加工、檢驗)進行統(tǒng)一的管理;并建立零部件間的相關(guān)性信息，以便對某一零件進行修改時，能自動更新相關(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進行聯(lián)接。
(4)報價與評價
主要由周期預(yù)測、成本預(yù)測、報價體系和評估體系組成。以便對設(shè)計周期和成本、制造周期和成本進行預(yù)估，并按報價規(guī)則進行報價。最后利用模糊數(shù)學和價值工程原理對整臺機床的功能、性能、運動、精度、成本、周期、價格作一個總體綜合的評價。
在軟件系統(tǒng)中還有數(shù)據(jù)庫的管理更新、樣本制作等模塊，以便用戶擴充數(shù)據(jù)庫，并在使用中不斷充實建立自己的實用系統(tǒng)。
總的來說，機床總體方案虛擬設(shè)計軟件具有如下主要特點：
a.從確定主參數(shù)和機床總體布局入手，逐步走向零部件的設(shè)計，符合設(shè)計人員的習慣，并利用計算機技術(shù)實現(xiàn)虛擬設(shè)計，使總體布局富于直觀性�；窘鉀Q了過去總體布局難以確定和設(shè)計時間過長的問題。
b.由于建立了動態(tài)樣本等多種數(shù)據(jù)庫和基礎(chǔ)圖庫，所以不管是類比設(shè)計還是創(chuàng)成設(shè)計都具有快捷性的特點，且積累的材料越多，模塊化越好，設(shè)計的速度就越快。
c.所有設(shè)計均從三維入手，不但直觀性強，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、報價評估等模塊，使設(shè)計更科學。并用計算機技術(shù)替代了設(shè)計人員感到繁雜的常用零部件的設(shè)計和校核計算，即節(jié)省了時間，又減少出錯率，使設(shè)計人員有更多的時間和精力投入到創(chuàng)造性設(shè)計中。
4、總結(jié)
要解決長期困擾機械產(chǎn)品設(shè)計人員的方案設(shè)計完全依靠個別有經(jīng)驗人員和整機結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化無從下手的問題，又要為廣大設(shè)計人員提供一個經(jīng)過二次開發(fā)的CAD應(yīng)用軟件的設(shè)計系統(tǒng)，還需做大量的研究開發(fā)工作。還需加大對并行工程、造型、可靠性、優(yōu)化設(shè)計、報價體系、評價體系和軟件一體化等方面的研究工作。
通過機床總體方案虛擬設(shè)計技術(shù)的研究，不僅可建立起虛擬設(shè)計環(huán)境，在較短時間內(nèi)確定出合理的方案，而且能為報價提供依據(jù)，因而是對市場需求作出快速反映的有利措施，同時也解決了目前國內(nèi)有經(jīng)驗設(shè)計人員不多，方案設(shè)計水平不高的問題，又能使有經(jīng)驗的設(shè)計人員從事更多的創(chuàng)造性工作，這將有利于促進我國機床產(chǎn)品的創(chuàng)新發(fā)展。
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