仿真驱动设计:从预研开始

来源:用户上传      作者: 杜 莹

　　有数据显示，1999年～2006年，我国国产数控机床产量平均年增长率超过35％。国产数控机床的快速发展，使得市场消费继续保持强劲发展。
　　然而，在爆发式增长的过程中，我们却很难看到技术创新等质的飞跃。安世亚太黄志新博士表示“这种增长源于上游产业，如航天，军工，船舶等对于制造业的需求。机床行业的发展需要以来更多新技术来提升研发能力，并从应用中获得启发。”
　　纵观机床产品的设计发展历程，从三维设计，到几何样机，到功能样机。到性能样机，最后到精益样机，产品的设计正在向精益研发发展。黄志新说，“这正符合安世亚太的精益研发理念，使产品从快速上市发展为正确上市，最终实现增值上市。”
　　而这一过程，离不开CAE技术的支持，而且在整个机床研发的过程当中，CAE技术应用的比重也越来越高。CAE不仅可以缩短物理样机试验的次数，降低成本，也可以通过仿真模拟来发现潜在的质量问题，以提高产品和工程的可靠性。“现在，国内的情况是，CAE技术更多地用于试验验证过程，处于事后分析的状态。”黄志新说，“然而，这是一种本末倒置的现象。以仿真驱动设计，就应该将仿真用于预研阶段，即概念设计阶段。”
　　黄志新以机床的零部件六轴的运动机构设计为例对CAE的应用进行了全方位解析。
　　首先，机械零部件强度钢度的设计。“机械零部件强度钢度的设计是机床在研发过程当中最重要的部分，因为它对钢度的要求是最高的，而且整个机床的精度以及加工的保障都与其钢度息息相关。”黄志新说。通过仿真技术进行强度的钢度分析、材料的接触分析等，为技术人员提供理论依据，帮助下一步设计。
　　其次，机床设备的振动和减震设计在机床研发当中也是很关键的一个方面。机床的一些主要的构件，如主轴、床身等的振动都会对加工精度产生很大的影响。同时，动力来源或动力系统会产生一些输入载荷，因此需要进行模态分析。模态分析主要是了解这些结构零部件的本身的钢度和固有特性，对于一些精度要求比较高的加工设备，这种振动分析是必不可少的。
　　第三，冲击模拟。实际上，在整个机床的运用当中，冲击是不可避免的。此外，在机床的研发过程当中，冲击模拟还能够对机构运动规律以及轨迹进行研究，这对控制的要求非常高。
　　第四，机床的冷却系统。机床热分析包括两部分，一是机床运动过程当中产生大量的热，二是工件的温度控制引发的热，目前，很多工件对加工技术要求和加工过程当中温度控制要求很高。这两种温度变化都会造成变形，进而影响精度。但是国内还没有利用CAE技术对机床加工技术冷却模拟的先例，主要都应用于相关流体和喷雾的模拟当中。
　　此外，受此启发，黄志新说，还可以模拟工件或机床的整个加工过程，不仅可以优化刀具，也可以预测变形或加工切线以及刀具扭矩等参数，反过来为机床的设计提供基础数据。

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