数控机床设计中虚拟样机技术的运用

张会民

摘要：复合加工技术作为适应现代化制造业的一种技术，能够为复杂零件和高精密仪器零件设计提供有效的加工解决方案，也是未来先进制造技术发展的主要方向。数控机床是近年来迅速发展的技术之一，可以代替人工完成各项产品的管理和操作。数控机床虚拟样机技术作为全新的设计方法，可以有效降低设计成本，缩短产品的开发周期，从根源上提升制造能力和水平。

关键词：数控机床设计;虚拟样机技术;运用

0  引言

市场竞争在现代变得更加激烈，对于产品的要求也变得更加多样化，在此背景下，产品的更新换代速度加快，各行各业在复杂零件的需求量上明显增加。数控机床作为将计算机技术应用于机床的控制技术，将机械加工中的不同控制信息以代码表示，通过信息载体展开管理控制。虚拟样机的出现也可以解决传统生产过程中的高成本和低效率问题。

1  虚拟样机技术的功能和特征

1.1 虚拟样机技术

虚拟样机技术指的是在产品开发的过程中，将分散的零件设计与技术分析融为一体的模型化管理，主要针对产品投入使用后的不同情况展开仿真分析，从而预测产品的性能，对产品设计进行优化管理。虚拟样机作为计算机模型，既能够反映出产品的特征和外观空间关系，也能了解产品的运动动力学特点。借助于这项技术，设计者可以直接在计算机上建立系统化模型，通过三维可视化处理，模拟在真实环境下的运动特征。总体来看，虚拟样机技术具有可视化优势和虚拟探索功能，能够对产品进行多功能和多方面的建模分析，在产品研发方面更加智能化。其主要的技术功能包括以下几个方面。

首先是产品的设计性能分析，按照不同产品的工作环境需要和技术特点针对性进行关键因素的测试分析。

其次是制造过程的可行性分析，借助虚拟样机展开产品建模，分析设计过程的可装配性。

之后是虚拟样机建模，利用虚拟样机的CAD技术，从产品角度进行数字建模，对产品数据展开综合管理措施。

1.2 特征

虚拟样机技术的特征需要考虑到建模仿真工具的集成技术。某些物理样机的生产过程需要耗费大量的时间和成本，特别是在一些极端情况下实验风险较高，例如我们熟知的汽车碰撞试验等。如果在设计计算当中采用相对传统的计算方法，不仅计算速度无法保障，且计算精度无法从方案的角度进行分析和比较。在不断变化的客户需求下，虚拟样机的特征和优势也体现得更加突出。

首先是研发模式更加现代化。传统的研发过程无论是设计环节还是生产环节都是串行过程，该方法本身存在弊端。但是虚拟样机技术的出现真正地改善了系统层面的产品优化，能够在设计阶段进行分析和比较，将方案中某些影响到性能的敏感参数通过可视化技术进行响应，模拟不同工况下的关键信息，直至获得最佳的工作性能。

其次是成本方面和生产周期方面都得到了大幅控制，从而稳定工作质量。具体来看，虚拟样机设计能够有效地摆脱对于物理样机的束缚，并通过计算机技术建立产品的数字化模型，可以完成多次物理样机无法实现的虚拟试验。这样一来，不仅物理样机的数量得到降低，整体的产品研发周期和产品质量得到了稳定提升。

最后是动态联盟模式。当前世界范围内已经广泛接受了动态联盟的概念，目的在于减少单个企业在资源方面的局限性劣势，从而通过互联网临时缔结契约，按照企业之间的产品信息交流进行相应的操作。虚拟样机作为数字化模型，可以直接通过网络传输产品信息将信息进行快速反馈，动态联盟间的活动也实现了稳定的并行化。

1.3 虚拟加工仿真技术

对于数控加工过程而言，加工程序的重要性显而易见，无论采取什么系统进行编制，都有可能面临系统错误。所以在进行产品加工前，要进行多次检查和程序模拟，通过对数控机床建模来仿真数控加工过程。通常情况下虚拟数控加工仿真有两种类型，一种是几何仿真，用于验证NC代码的合理性;另一种则是物理仿真，将工作中的物理因素变化映射到虚拟制造系统中展开分析，用于分析切削参数的变化情况以及不同的干扰因素对加工过程产生的影响。

2  数控机床设计中虚拟样机技术的应用

2.1 设计过程和设计步骤

总体方案设计包括对运动功能、传统系统、尺寸参数等指标的设计。目前数控机床的加工对象主要是各类回转体零件，通过执行数控程序完成切削加工过程。另外在模塊化设计方面，当前的电子行业和机械行业都采用模块化设计模式，将机床产品的同一种类型和要素进行组合，进行产品的模块化管理。一来只需要进行单次设计，就能满足客户的基本需求，对产品设计效率提升具有明确作用。另外还可以将某些系列化和通用化的结构模块展开规划设计，将机床划分为床身和车削传动系统等多个模块[1]。

2.2 虚拟样机建立

虚拟样机的建立一般有两种方法，第一种方法是直接利用ADAMS模块提供建模工具，从而直接地创建模型。该方法相对简单，不会出现因模型导入而产生失真问题。但此方法在面临一些复杂的零件时效果有限，更多地应用在某些简单零件的建模环节当中。所以可以考虑采用第二种替代方式，即在其它的CAD软件当中进行零件设计，再将不同的零件进行装配，经过专用接口导入ADAMS当中。这样做的优势在于可以借助专业CAD软件进行精确建模，了解到零件应该具备的质量标准，大幅降低了产品的分析时间和分析精度。

数控机床本身是一个较为复杂的机械系统，包含多种类型的零部件。如果将所有零部件的三维模型都导入ADAMS环境当中，必然会使得有些仿真方法无法顺利进行。此时为了保障虚拟模型仿真分析时的工作效率，可以在模型导入之前进行简化，删除一些零件特征和模型细节，避免在仿真过程中出现错误提升结果的精确度。例如将一些用于定位的零部件直接删除，在进行动力学和运动学分析时，也不考虑床身结构等参数指标[2]。

2.3 仿真结果分析

在设计和装配三维零件模型之后，就需要对虚拟模型展开运动学仿真，了解模型是否满足设计指标要求，各个构件之间是否发生相互干扰。这样一来也能获取不同构件在特殊时刻下的变化规律。我们可以在数控机床刀尖区域添加一个运动曲线方程，以逆运动学仿真的方式得出速度变化趋势，并假设在车削加工过程中刀尖的不同运动规律。

3  结语

数控机床在制造行业得到了广泛应用，而对机床进行虚拟样机技术研究，有助于了解机床的动力学和运动学特性，为今后的设计工作提供有效参考依据。我国机床技术在近年来取得巨大进步，特别是复合加工技术的应用成为了行业领域的关键改革，也说明虚拟样机技术的运用研究也具有重要的现实意义。

参考文献：

[1]姜雨，李立军，丁明.工作台回转式五轴数控机床虚拟样机建模与数控仿真[J].机床与液压，2012（23）：139-142，161.

[2]罗卫平.数控机床虚拟样机的有效性研究[J].机械设计与制造工程，2010，39（5）：41-44.

[3]刘超颖，杜启鑫，王战中，熊蒙，杨长建，王文龙，靳超松.基于虚拟样机技术的3自由度数控实验平台设计及联合仿真[J].机械设计与制造，2013（05）：130-132.

[4]吕勇，徐晓华.以数控机床设计为主线的机械设计课程群教学项目构建[J].教育观察，2019（35）：98-101.

[5]卞昌军.虚拟样机技术在农业工程中的应用现状——评《计算机模拟技术及其在农业工程中的应用》[J].中国食用菌，2019（12）：8.

[6]熊智文，李刚炎.虚拟样机技术研究及其在高功率激光加工设备中的实践[J].机械设计与制造，2004（02）：99-100.