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現代精密磨床設計思想及精密磨床設計發展現狀閱讀次數 [1053] 發布時間 :2019-08-15 15:48:10

精密磨床是現代制造技術的重要生產工具,在某種意義上,一個國家機床設計和制造水平的高低,決定著這個國家整個制造業水平的高低。近年來,由于和機床振動和結構分析理論的迅速發展,先進的動態試驗和分析技術的不斷出現,機床設計思想不斷進步,為生產高速、高精度、高剛性的機床提供了條件。尤其是隨著信息技術的發展, 計算機在控制、計算、分析處理、仿真和管理等方面的廣泛應用,使機床的設計方法和手段日漸豐富。現代機床正向高速、大功率、高精度、模塊化、全自動方向發展[9]。



1 現代精密磨床設計思想



本世紀初以來隨著科學技術的飛速發展,對機床產品的質量要求越來越高。新材料、新技術的應用也同時有了很大發展,國內外出現了許多新型設計理論和方法,這些都使得現代機床設計思想進入了一個以實驗研究及理論計算為基礎的較高級階段。研究設計程序、規律及設計思維和工作方法,不僅尋求產品本身的最佳化,還要實現從產品設計到制造、試驗、檢驗的全過程以至整個系統的最佳化。現代機床設計思想是與現代利技發展相適應的一種先進的設計思想[10]。其主要內容包括:


(1)設計對象系統化


把設計對象即機床產品視為一個系統不僅關注其組成單元要素,還要考慮邊界、環境和輸入輸出等特征,避免傳統設計的那種局部、孤立地處理問題,而是整體、系統地對待設計對象。這還有助于引入系統論、信息論和控制論等現代科學理論,用系統觀點進行全方位設計。


(2)設計內容完善化


現代機床設計思想已超出常規的運動設計、動力設計和結構設計范疇,擴展到概念設計、可靠性設計和宜人性設計等更加完善的內容。


(3)設計目標最優化


現代機床設計思想追求的是目標最優化,不僅是對某項設計參數的單一目標最優化,而且要對系統的諸多參數進行多目標的整體最優化,利用計算機求得理論上的精確解即最佳方案,使產品設計在各項技術性能、可靠性及經濟性等方面,實現最優效果。


(4)設計問題模型化


模型是對設計問題的高度概括和抽象,數學模型是最適合于分析和研究的一種形式。通過數學模型可以把工程問題和數學理論緊密結合起來,借助計算機對設計問題進行定量運算和優化處理,并可應用動態設計和動態仿真等現代技術。


(5)設計過程動態化


現代機床設計思想更加注重產品的動態性能,在設計階段就要對產品的動態性能進行預測和優化。動態設計首先要建立系統的動力學數學模型,并通過驗算或實際測試加以驗證然后用計算機對模型進行動態分析,修改某項參數,比較相應結果,直至達到滿意的動態性能,最后獲得最優動態設計方案。


(6)設計手段計算機化


計算機輔助設計(CAD)已成為現代設計方法中必不可少的設計手段和強大支柱。在初步設計階段,可進行方案的分析、選擇、評價和決策。在技術設計階段,可進行結構和參數的確定,運動、動力或其他特性分析,材料選擇、成本計算、參數優化和繪圖等工作。在工作圖設計階段,可繪制零件圖、標注尺寸和公差配合,編制、存貯和管理各種技術文件。



2 CAD/CAE/MSS 技術在機床設計中的應用



長期以來,機床的結構設計基本上是根據經驗和類比的方法進行的,對它的動態性能只能作粗略的原則性考慮。為了獲得具有較高動態性能的結構,往往需要經歷多次試驗改進設計這樣一個漫長的過程。這種傳統的設計方法增加了產品開發的周期和生產成本,一次性成功率很低[11]。


近年來,由于計算機硬件和軟件技術的飛速發展,為機床設計的發展提供了新的方法和手段。CAD/CAE/MSS 技術作為現代設計分析方法,正逐步運用于各項工程設計分析領域。三維 CAD 造型軟件(如 SolidWorks,Pro/E,UG)不但使產品直觀性強,而且便于生成二維圖和便于修改與仿真分析。尤其是參數化建模,目前已成為 CAD 中最為熱門的應用技術之一,通過參數化設計,可實現系統優化方案的選擇。CAE 技術是采用數值計算和數值模擬方法,對計算機建立的實體模型進行計算分析。通過有限元分析, 獲得零件的應力,應變分布規律,優化零件結構。常用的 CAE 軟件有 ANSYS, NASTRAN,ABAQUS, I-DEAS 等。MSS(Mechanical System Simulation)技術即機械系統仿真技術,是指在制造物理樣機之前,利用仿真軟件建立機械系統的計算機模型并對其進行仿真分析,基于虛擬樣機技術的運動仿真,能真正實現系統角度的產品優化,它使產品在概念設計階段就可以迅速地分析,比較多種設計方案,確定影響性能的敏感參數,并通過可視化技術設計產品,預測產品在真實工況下的特征及所具有的響應,直至獲得最優工作性能。動力學仿真軟件 ADAMS 是目前世界上最廣泛使用的機械系統動力學仿真軟件之一[12]。


目前,CAD/CAF/MSS 技術在機械制造領域的應用已成為熱點問題。它對提高設計水平和生產效率起著巨大的推動作用。應用 CAD/CAF/MSS 技術對機床進行仿真分析與研究,全面考慮機床結構的靜態和動態性能,以達到機床結構設計中總體設計參數得到優化的目標。