通過機(jī)床總體方案虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)的研究，不僅可建立起虛擬設(shè)計(jì)環(huán)境，在較短時(shí)間內(nèi)確定出合理的方案，而且能為報(bào)價(jià)提供依據(jù)，因而是對市場需求作出快速反映的一種有利措施。 引言市場的開放性和全球化，促使機(jī)床產(chǎn)品的競爭日趨激烈，而決定機(jī)床產(chǎn)品競爭力的指標(biāo)是產(chǎn)品的開發(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)改變過去傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和管理模式，最大限度地利用虛擬設(shè)計(jì)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(yīng)市場和用戶的變化，利用有利時(shí)機(jī)快速搶占市場。美國制造業(yè)在50至60年代主要以擴(kuò)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(gè)企業(yè)都期望通過提高自身的科技含量，采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)和手段，以加快設(shè)計(jì)速度，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，增強(qiáng)競爭力。機(jī)床總體方案虛擬設(shè)計(jì)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(jī)床設(shè)計(jì)現(xiàn)狀和存在的問題我國是世界上機(jī)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(yán)峻的形勢，一方面國內(nèi)市場對各類機(jī)床產(chǎn)品特別是數(shù)控機(jī)床有大量的需求，而另一方面卻有不少國產(chǎn)機(jī)床滯銷積壓，國外機(jī)床產(chǎn)品充斥市場。90年國外數(shù)控機(jī)床在我國市場的占有率僅達(dá)15%左右，而95年已達(dá)77%。嚴(yán)重影響我國數(shù)控機(jī)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(gè)主要的原因是我國生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床品種、性能和結(jié)構(gòu)不夠先進(jìn)，新產(chǎn)品(包括基型、變型和專用機(jī)床)的開發(fā)周期長，從而不能及時(shí)針對用戶的需求提供滿意的產(chǎn)品。具體地說，這個(gè)問題反映在下列五個(gè)方面： 我國機(jī)床廠目前開發(fā)基型產(chǎn)品的周期約為15～18個(gè)月，其中設(shè)計(jì)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(jī)床廠同類基型產(chǎn)品的開發(fā)周期為6～9個(gè)月，其中設(shè)計(jì)約1.5～2個(gè)月，只占25%。因此無論是產(chǎn)品開發(fā)的總周期還是設(shè)計(jì)所占的時(shí)間比例均與國外先進(jìn)水平有很大的差距。 我國工廠由于缺乏設(shè)計(jì)的科學(xué)分析工具(如分析和評價(jià)軟件、整機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析方法以及機(jī)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(yàn)和類比設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)一次成功的把握性降低，往往需要反復(fù)試制才能定型，從而可能錯(cuò)過新產(chǎn)品推向市場的良機(jī)。 用戶根據(jù)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)有的用戶臨時(shí)提出一些要求，這就需要迅速變型設(shè)計(jì)和修改相應(yīng)的圖紙及技術(shù)文件。在國外，這項(xiàng)修改工作在計(jì)算機(jī)的輔助下一般僅需數(shù)天至一周，而在我國機(jī)床廠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，常會(huì)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。 現(xiàn)在我國工廠設(shè)計(jì)和工藝人員中青年占多數(shù)，他們的專業(yè)知識和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)不足， 又擔(dān)負(fù)著開發(fā)的重任。 由于長期以來形成的設(shè)計(jì)、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(fù)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(gè)過程綜合應(yīng)用計(jì)算機(jī)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(jì)、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(jì)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： 適于設(shè)計(jì)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(shí)軟件系統(tǒng)是一種開放環(huán)境，使設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)自身產(chǎn)品設(shè)計(jì)的需要，對軟件系統(tǒng)方便地進(jìn)行修改和補(bǔ)充開發(fā)，建立起本企業(yè)的應(yīng)用軟件系統(tǒng)。 機(jī)床總體方案的虛擬設(shè)計(jì)軟件 整機(jī)的總體方案設(shè)計(jì)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(jī)床整機(jī)總體方案設(shè)計(jì)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(jì)算技術(shù)和設(shè)計(jì)方法學(xué)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(xué)分析和預(yù)測功能的總體方案虛擬設(shè)計(jì)軟件。 整機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法 主要從保證整機(jī)性能的角度來研究機(jī)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(jì)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(jià)更直觀和全面，可以使設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和科學(xué)計(jì)算分析完美地結(jié)合在一起，以推進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新發(fā)展。 3 機(jī)床總體方案虛擬設(shè)計(jì)軟件機(jī)床總體方案虛擬設(shè)計(jì)軟件主要由機(jī)床總體方案設(shè)計(jì)、性能優(yōu)化與仿真、結(jié)構(gòu)特征建模、報(bào)價(jià)與評價(jià)四大模塊組成。
機(jī)床總體方案設(shè)計(jì) 總體方案設(shè)計(jì)包含功能設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能設(shè)計(jì)三部分。 功能設(shè)計(jì)，即在調(diào)研分析，確定了所設(shè)計(jì)機(jī)床的工作參數(shù)(運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力、尺寸)之后，通過功能分解，創(chuàng)新出或類比出可以實(shí)現(xiàn)加工要求的各種總體布局方案。創(chuàng)新設(shè)計(jì)，主要通過對運(yùn)動(dòng)功能的分解和合成來確定其布局方案，這對于設(shè)計(jì)加工特定零件的專用機(jī)床較為有效。而變型設(shè)計(jì)或類比設(shè)計(jì)主要通過查詢比較確定可參照的機(jī)床布局方案，大量用于設(shè)計(jì)一般的通用性機(jī)床。 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在總體布局方案基本確定后，對機(jī)械結(jié)構(gòu)件進(jìn)行主要形狀和尺寸的設(shè)計(jì)，這同樣有類比和創(chuàng)成設(shè)計(jì)兩類。類比設(shè)計(jì)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(jì)方法來實(shí)現(xiàn)。而創(chuàng)成式設(shè)計(jì)主要是按照設(shè)計(jì)人員的意志，通過對基礎(chǔ)模塊(板、梁、筋、孔、凸緣、法蘭等)的實(shí)體進(jìn)行拼裝、重迭等操作來實(shí)現(xiàn)。 性能設(shè)計(jì)是根據(jù)機(jī)床的總體性能要求對運(yùn)動(dòng)誤差、精度和剛度等進(jìn)行設(shè)計(jì)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(jì)算和比較各種可能方案的優(yōu)劣。 性能優(yōu)化與仿真 優(yōu)化是利用數(shù)學(xué)方法和計(jì)算機(jī)手段實(shí)現(xiàn)主要結(jié)構(gòu)件的形狀和尺寸優(yōu)化，同時(shí)還可實(shí)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(dòng)態(tài)特性、伺服進(jìn)給系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)特性和響應(yīng)特性等。而對一些機(jī)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(shè)計(jì)計(jì)算和校核計(jì)算，以保證計(jì)算的準(zhǔn)確性和快速性。 仿真是以動(dòng)態(tài)的或直觀的方法使設(shè)計(jì)人員了解整機(jī)的特性。它包括整個(gè)工作范圍的運(yùn)動(dòng)仿真和干涉檢查、機(jī)床整機(jī)的靜動(dòng)態(tài)和熱態(tài)特性分析、工作精度的仿真等。特別是通過特性的計(jì)算分析和仿真可及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，修改薄弱環(huán)節(jié)，以確保整機(jī)特性的良好性。 結(jié)構(gòu)特征建模這是設(shè)計(jì)人員進(jìn)行結(jié)構(gòu)細(xì)化設(shè)計(jì)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(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(shè)計(jì)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(jì)環(huán)境。并建立了多種圖庫、數(shù)據(jù)庫，包括符號庫、標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(yàn))進(jìn)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(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(cuò)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。 報(bào)價(jià)與評價(jià) 主要由周期預(yù)測、成本預(yù)測、報(bào)價(jià)體系和評估體系組成。以便對設(shè)計(jì)周期和成本、制造周期和成本進(jìn)行預(yù)估，并按報(bào)價(jià)規(guī)則進(jìn)行報(bào)價(jià)。最后利用模糊數(shù)學(xué)和價(jià)值工程原理對整臺機(jī)床的功能、性能、運(yùn)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(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(kuò)充數(shù)據(jù)庫，并在使用中不斷充實(shí)建立自己的實(shí)用系統(tǒng)。總的來說，機(jī)床總體方案虛擬設(shè)計(jì)軟件具有如下主要特點(diǎn)： 從確定主參數(shù)和機(jī)床總體布局入手，逐步走向零部件的設(shè)計(jì)，符合設(shè)計(jì)人員的習(xí)慣，并利用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)計(jì)，使總體布局富于直觀性。基本解決了過去總體布局難以確定和設(shè)計(jì)時(shí)間過長的問題。,li>由于建立了動(dòng)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(jì)還是創(chuàng)成設(shè)計(jì)都具有快捷性的特點(diǎn)，且積累的材料越多，模塊化越好，設(shè)計(jì)的速度就越快。 所有設(shè)計(jì)均從三維入手，不但直觀性強(qiáng)，而且便于生成二維圖，以利于修改與仿真分析。 不僅有代替手工繪圖的CAD部份，而且有優(yōu)化、仿真、報(bào)價(jià)評估等模塊，使設(shè)計(jì)更科學(xué)。并用計(jì)算機(jī)技術(shù)替代了設(shè)計(jì)人員感到繁雜的常用零部件的設(shè)計(jì)和校核計(jì)算，即節(jié)省了時(shí)間，又減少出錯(cuò)率，使設(shè)計(jì)人員有更多的時(shí)間和精力投入到創(chuàng)造性設(shè)計(jì)中。 4 總結(jié)要解決長期困擾機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員的方案設(shè)計(jì)完全依靠個(gè)別有經(jīng)驗(yàn)人員和整機(jī)結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化無從下手的問題，又要為廣大設(shè)計(jì)人員提供一個(gè)經(jīng)過二次開發(fā)的CAD應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)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(jì)、報(bào)價(jià)體系、評價(jià)體系和軟件一體化等方面的研究工作。 通過機(jī)床總體方案虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)的研究，不僅可建立起虛擬設(shè)計(jì)環(huán)境，在較短時(shí)間內(nèi)確定出合理的方案，而且能為報(bào)價(jià)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(shí)也解決了目前國內(nèi)有經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)人員不多，方案設(shè)計(jì)水平不高的問題，又能使有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員從事更多的創(chuàng)造性工作，這將有利于促進(jìn)我國機(jī)床產(chǎn)品的創(chuàng)新發(fā)展。
