应用计算机辅助工程技术提升数控机床产品质量

福州大学机械工程及自动化学院 聂晓根 刘艳斌

长期以来，在数控机床研发中，国内还主要依靠仿制、经验设计和静态精度检测等为主的传统的设计模式。按照这种模式，一种数控装备的研发通常要经过设计→试制→测试→改进设计→再试制的重复过程，产品研发成本高、周期长，反复性试验难以做到充分、完善，设计人员难以对复杂形状零部件的静、动态强度进行精密分析，仿制虽可模仿尺寸，做到形似，但性能及核心技术难以模仿，难以做到神似，更谈不上产品的优化，因此传统设计方法不能适应当今数控机床的研发要求[1]。

随着科学技术的发展，工程设计的理论、方法和手段发生了很大变化。近年来，集模拟分析、优化设计、仿真等技术于一体的计算机辅助工程(Computer Aided Engineering：CAE）技术引起了人们的广泛重视，并越来越多地应用于工程设计实践。CAE技术是对传统设计方法的一次历史性的革命，改变了传统以物理样机为基础的设计方式，大大减少了物理样机昂贵而费时的制造及试验过程，设计人员可以直接在计算机上，对设计对象进行造型设计、快速分析、多种设计方案比较、优化设计等，及时发现设计问题，提高产品质量，缩短产品开发周期，降低产品开发成本和新产品开发的风险。

现代数控机床向着高速、高精、高效和复合化方向发展，对机床的运动性能、动力性能、机械结构性能、加工性能，以及伺服控制等方面提出了越来越高的要求，先进设计、分析工具的缺乏，严重影响着我国数控机床的自主创新发展和产品竞争力[2]。在机床的研发过程中引入CAE技术，为数控机床开发研制提供一种全新的设计方法，可大幅缩短机床的研发周期、降低机床的研发成本、提高设计质量和效率，增强企业的市场竞争能力。

一、CAE技术及其功效

CAE技术是计算机技术和工程分析技术相结合形成的新兴技术，并通过各种CAE软件发挥效能。CAE软件是由计算力学、计算数学、结构动力学、数字仿真技术、工程管理学与计算机等技术相结合而形成的一种综合性、知识密集型信息产品，它是实现重大工程和工业产品计算分析、模拟仿真与优化设计的工程软件，是支持工程师、科学家进行创新研究、产品创新设计最重要的工具和手段[3]。

应用CAE，可对工程或产品未来的结构和运行状态进行各种模拟，及早地发现设计缺陷，并证实未来工程或产品功能和性能的可用性和可靠性，使产品的大多数问题在设计阶段就可通过仿真得到解决，同时支持工程或产品的协同、优化设计，使产品轻量化、性能最优化和设计高效化成为可能。

从20世纪60年代初开始对CAE探索性研究与应用，到今天已经历了40多年的发展历史。随着技术学科的交互性发展，计算机智能化的不断提高、有限元算法的成熟，以及各门实用科学的突飞猛进，使基于虚拟样机的CAE技术日趋成熟。基于虚拟样机的数控机床设计流程如图1所示，它以虚拟样机设计为中心，对产品进行虚拟设计，通过虚拟仿真分析，预测实际产品的特性，包括外观、空间关系及运动学和动力学等特性，提供一个全面研究产品工作性能的方法，并通过设计中的反馈信息不断地指导修改初始设计，保证产品优化开发过程顺利进行。

图1 基于虚拟样机的数控机床设计流程

设计过程实际上就是寻找最佳设计方案的过程。CAE技术已成为工程和产品设计中(如航空、航天、机械、船舶等领域）必不可少的数值计算、结构分析和结构优化的重要工具。当今国际大型企业在产品研发的全生命周期中已普遍应用了CAE技术，在许多行业中，计算机辅助分析已经成为产品设计与制造流程中不可逾越的一种强制性的工艺规范，CAE分析工具的应用水平成为评定企业技术水平等级、产品质量和成本管理的决定性因素。然而我国机床制造企业对CAE的应用还远不够深入，企业在认知、掌握和应用CAE的程度远远低于CAD、CAM等技术，企业对CAE在产品开发中的创新作用重视不够。增强产品开发能力，缩短产品开发周期，提高设计质量及优化产品开发流程，降低产品开发和维护成本，大力推广CAE技术在产品设计和制造过程中的应用，已成为提升制造企业核心竞争力的当务之急。

二、CAE软件平台

1.CAE软件分类

当前，国际上出现了许多商业化CAE软件平台，其功能攘括了结构分析、CFD(流体动力学分析)、NVH(震动与噪声分析)、多体动力学分析、材料成型性能分析、热力分析、电磁分析及岩土力学分析等应用领域[4]。由于CAE软件具有交叉性，其软件平台分类复杂，如按其研究对象可分为：静态结构分析和动态结构分析；按研究问题可分为线性问题和非线性问题；按物理场可分为：结构(固体）、流体和电磁等。而结构分析又可以分为刚度分析、强度分析、碰撞分析、疲劳分析和优化分析等；NVH分析又可分为模态分析、频响分析、震动分析及噪声分析等。根据CAE软件的应用及其特点，可将CAE软件按如图2所示进行分类：

通用型CAE软件可对各类产品的物理力学性能进行分析、优化，它包含了面向结构领域 (如Msc.Nastran)、流体力学领域 (如Fluent)、多物理场耦合和多体系统 (如ADAMS)。行业专用型是针对特定类型的工程或产品开发的。如用于汽车工程方面的VPG、铸造行业的ProCAST，管道设计行业的CAEPIPE，噪声和声场分析的Sysnoise、AutoSEA和Actran，板材成型行业的Autoform，疲劳分析领域的MSC.Fatigue、FE Fatigue等。每一种CAE软件都有自己的特点，如在线性方面有Msc.Nastran、Ansys等，隐式非线性方面有Msc.Marc、ABAQUS/Standard、ADINA等，显式高度非线性方面有Msc.Dytran、LSDyna、ABAQUS/Explicit、Radioss等。在大多数CAE分析软件中一般都带有优化算法，也有一些较专业的优化软件，如 Optistruct、ptiShape和Tosca等。也有CAD/CAE/CAM集成的软件系统，如Pro/Engineer、 UG、 CATIA等。

图2 CAE软件平台分类

2.数控机床CAE软件平台

数控机床是一种典型的高精密、高度自动化的复杂机电产品，不仅涉及到结构单元的布局、材料的选取、结构强度、刚度、稳定性、加工工艺的可行性、产品的可维修性及可靠性，而且还涉及到光、机、电等各子系统相互间匹配性等诸多相互关联的因素。因此，对数控机床进行CAE分析需要功能强大的软件平台支撑。

(1）分布式软件平台。尽管CAE技术发展迅速，但目前仍然缺乏普遍适用的支持数控机床产品设计全过程的数字化产品开发系统。目前，应用最广泛的是分布式软件平台，即以一些具有良好工程实践基础的专用三维设计和动态仿真软件为核心，配备中间转换程序构成一个集成的设计仿真环境。如以三维设计软件SolidWorks、机械动力学仿真软件ADAMS、大型有限元分析软件ANSYS和控制仿真软件MATLAB/SIMULIINK为核心构建的集成化软件平台(如图3所示），可对设计的数控机床进行全面的CAE分析，且具有较高的可信度和良好的适应性。

图3 分布式CAE设计平台

然而，这种分布式软件平台也有很多不足，往往不能很好地支持产品全过程的数字化设计和仿真，成为实施CAE的技术瓶颈：由于其采用相互独立的三维设计和仿真软件，造成各个软件之间的数据交流困难，常常出现如点、面、线的丢失，无法对模型中的一些特征进行网格划分等问题，需要花费大量的时间和精力在CAE软件中进行几何模型的修补工作，这必然导致模型的不一致且增加设计工作量；反复的仿真分析和反馈修改大大降低了实施CAE的效率，影响设计流程；利用参数化三维建模软件构建的参数化三维模型，导入到ADAMS/View之后，模型却不再具备参数化的特性，不能满足机构动作可靠性分析的需要；再者，对于许多中小企业来说，目前主流CAE商业软件还是 “买不起”的奢侈工具，如果企业购买各种不同的软件搭建所需的平台，必然增加开发成本，而且由于多种软件的存在，设计人员和分析人员要花很多的时间学习这些软件，也对这些人员提出了更高的要求。为高效、快速地实现虚拟设计、分析与优化，需要高度集成的软件平台。

(2）集成化软件平台。随着CAD/CAE/CAM高度一体化软件的不断发展和成熟，不仅设计造型技术更加先进，其自带的各种仿真功能模块也越来越强大，在很多领域大有和专用仿真软件一争高下之势，因此，一体化的软件平台正逐渐受到工程人员的重视，在CAE实现方面的应用也越来越广泛，Pro/E就是其中的杰出代表，其一体化软件平台及其设计流程如图4所示。Pro/E融产品设计、仿真和管理等各个模块为一体，可以为产品设计开发提供一个实现完全一体化的虚拟样机集成环境，在这样一种集成环境下，Pro/E在设计虚拟样机阶段自始至终都采用一个主模型，随时保持主模型数据的一致性，而下游的仿真及制造都以该主模型为基础展开，保证了数据的无缝集成，Pro/E还可以根据仿真分析结果得到的改进模型来直接升级主模型，无需数据转换，非常便捷，可明显提高分析和优化效率[5]。使用Pro/E这一软件平台可以快速实现机床产品的设计、分析与优化，对于企业来说，大大降低了软件的投资成本以及人员的培训难度，值得推广。

图4 基于PRO／E的一体化软件平台及其设计流程

三、应用实例

应用Pro/E一体化平台为某公司开发了五轴数控刻楦机，以下介绍该软件在五轴数控刻楦机创新设计、精确建模及模态分析等方面的应用及其特点。

刻楦机是制鞋的关键设备，现广泛采用的三轴数控刻楦机存在许多不足：经三轴数控刻楦机加工的鞋楦必须在切跟机上经手工操作切去楦头和楦跟夹持处未加工部分，并通过手工打磨抛光才能获得最后的成品楦。楦头和楦跟在夹持部位为自由曲面，形状复杂，楦头和楦跟夹持部分的去除和打磨对工人操作技能要求很高，且加工的鞋楦一致性不高；加工中旋风刀只能作X、Z向的平动，容易产生与坯楦干涉、碰撞现象，导致高帮鞋楦不能加工。五轴数控刻楦机是根据鞋楦的形状结构及其日益提高的质量要求而创新研究开发的，可从根本上克服三轴数控刻楦机的不足，楦头和楦跟可直接加工出来，无需手工操作切去楦头和楦跟的夹持部分，实现了鞋楦的完整、高效加工[6]。其加工原理如图5所示。

1.虚拟样机的建模与装配

图5 三轴和五轴数控刻楦机工作原理图

五轴数控刻楦机是一种非常复杂的机械系统，传统二维设计手段难以清晰表达该机床的结构，同时，只有建立其计算机数字模型 (即虚拟样机)，并对它的运动、动力学性能、机械结构性能以及工件加工性能等进行全面的仿真分析才能确保机床成功研发。

数控机床虚拟样机的建模与装配是CAE分析的基础，通过虚拟样机建立数控机床的完整数字模型，不仅能够反映真实机床的外观、颜色、材质、质量及位置等各种特性，还可包含质量、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。应用PRO/E建模和装配模块(PRO/E part/assembly module)可以快速准确地建立数控机床的零部件模型，并将它们按照实际位置和配合关系进行装配，通过干涉检查后将真实机床在计算机里完全再现，同时可以通过建立人机环境，使操作者和数控机床达到最佳匹配。图6所示是利用PRO/E建立的五轴数。

图6 五轴数控刻楦机数字模型

2.五轴数控刻楦机的的运动仿真

应用PRO/E(Mechanism)运动模块在机床数字模型基础上添加必要的运动仿真信息 (如运动副、约束和原动机等)来建立机床的运动仿真模型，在该模块中可对机床进行运动分析和动力学分析。

根据五轴数控刻楦机的加工原理，构建了如图7所示加工楦跟时刀具的运动仿真模型，在定义了相关运动关系、接触、驱动后，按照实际加工中5min内完成一次加工的要求设置主运动参数，同时，限制Y轴运动，通过仿真得出了在满足实际加工效率的要求下加工鞋楦同口部位时，刀盘中心在X轴方向的速度和加速度曲线。从仿真结果中可知，为达到设计效率，刀盘在加工鞋楦轮廓陡峭处的速度和加速度过大，为此，加工中应从控制上采取措施，协调控制X、Y向伺服轴的运动，以确保机床运动运动平稳，提高系统运动的稳定性。

图7 刀具运动仿真

3.五轴数控刻楦机的的结构分析

PRO/E结构模块 (Pro/Mechanica)具有强大的结构分析功能，可以对机床的零、部件乃至整机进行各种结构分析，包括静力分析、动态分析、模态分析、谐响应分析和热变形分析等[7]，可全面分析所设计的零部件及整机的机械性能是否满足要求。

在机床上加工工件时，机床的零件和部件因受力而产生变形，使刀具和工件间产生相对的弹性位移，影响到工件的加工精度和生产效率。数控机床的底座、滑鞍、工作台、立柱和主轴箱是重要的基础件，其结构形式、材料等都将影响它们的动、静刚度及抗振性能，设计时应予以分析。

五轴数控刻楦机旋风刀刀座用以支撑刀具，加工时带动刀具作高速、高加速往复运动，并承受切削力、皮带张力及惯性力，刀座质量对X向进给系统影响大。应用Pro/Mechanica模块，对其进行了静刚度分析，分析结果如图8所示。仿真结果表明，通过添加加强筋和掏空，在不增加部件质量的前提下，刀座刚度有显著提高(在同等工作负荷下最大应变从0.035248mm降至0.007583mm）。

数控机床在切削工件时，会有周期性的激振力作用在工件上，当激振力的频率与机床的固有频率相同时，会发生共振，这不仅不利于保证加工精度，而且会对刀具及机床本身造成严重的破坏，因此有必要运用谐响应分析技术，对机床的动力响应作出分析。通过模态分析，可以确定结构的固有频率，而固有频率和振型是结构设计中承受动态载荷的重要参数，了解结构本身具有的固有频率和振型，就可避免在使用中因共振因素造成不必要的损失；其次还能确定固有频率是否安全可靠，振型是否影响加工精度，根据此数据还可对机床床身相关的部件进行优化设计，使它满足机床对加工质量和加工精度的要求[8]。

图8 旋风刀刀座刚性分析

应用Pro/Mechanica模块对该机床床身进行了模态分析，得床身前四阶固有频率分别为49.86Hz、57.80Hz、69.92Hz、91.34Hz， 固有频率比较低(该机工作激振频率为2～16Hz），表现出焊接床身静刚度强而动态特性较差的特性。同时，从振型图可以看出，床身上部Y轴导轨横梁的振幅最大，刚度不够，如图9a所示。通过加厚横梁厚度，并在横梁底部增加两条加强肋，大大提高了床头架的动态刚度，如图9b所示。另外，根据机床特点采取床身底部封砂结构，提高了床身的阻尼，进一步改善了机床的动态特性。

图9 床身模态分析

四、结论

介绍计算机辅助工程技术、技术平台及其设计流程。以五轴数控刻楦机开发为例，介绍了基于Pro/E、Pro/Mechanism与Pro/Mechanica的机床精密设计、精确建模及模态分析方法。该方法具有以下特点：

(1)Pro/MECHANICA与Pro/E是无缝连接关系，不存在数据转换问题，故其设计阶段的分析、优化高效、可靠。

(2)通过加工运动分析，合理配置机床运动，运动仿真曲线可为控制策略的制定提供依据。

(3)通过对床身的模态分析，算出了该床身的前四阶固有频率和振型，直观地分析了其动态性能和薄弱环节。

通过在五轴数控刻楦机设计中充分应用PRO/E的设计、分析模块的实践，充分证明了 Pro/E的高度集成度及其能满足数控机床设计分析的要求，是提高机床设计性能强有力的工具。

[1]杨晓京，刘剑雄.基于虚拟样机技术的数控机床现代设计方法 [J].机械设计，2005，22(2）:16-18.

[2]张耀满.高速机床若干关键技术问题研究 [D].沈阳：东北大学，2006：1-10.

[3]吴宝贵.基于仿真分析的复杂机械产品多学科设计优化方法研究 [D].大连：大连理工大学，2008：1-15.

[4]CAE设计的分类及发展方向 [EB/OL].http://wenku.baidu.com/view/6feff3da50e2524de5187ef4.html.

[5]二代龙震工作室.Pro/Mechanica wildfire结构/热力分析 [M].北京：电子工业出版社，2008.4.

[6] Xiaogen NIE,Yanbin LIU.Research and Development of the 5-axis Shoe Last NC Machine[J].Advanced Materials Research， Switzerland，2010，139 (2010):1869-1873

[7]戴磊，关振群，单菊林,等.机床结构三维参数化形状优化设计 [J].机械工程学报，2008，44(5):152-159.

[8]周晓玲，汪中厚.基于Pro/MECHANICA的深孔内圆磨床内圆磨具的精确建模及模态分析 [J].精密制造与自动化，2006，165(1):42-44.