機床總體方案虛擬設計技術
引言
市場的開放性和全球化，促使機床產品的競爭日趨激烈，而決定機床產品競爭力的指標是產品的開發時間(Time)、產品質量(Quality)、成本(Cost)、創新能力(Creation)和服務(Service)。用戶在追求高質量產品的同時，會更多地追求低的價格和短的交貨期。這就要求企業改變過去傳統的設計、生產和管理模式，最大限度地利用虛擬設計手段，以提高產品的質量和性能，降低成本，并努力縮短交貨期，同時還需要快速響應市場和用戶的變化，利用有利時機快速搶占市場。美國制造業在50至60年代主要以擴大生產規模作為企業競爭力的第一要素，而在70年代競爭力的第一要素為降低生產成本，80年代為提高產品質量，90年代為市場響應速度。所以現代每個企業都期望通過提高自身的科技含量，采用先進的設計技術和手段，以加快設計速度，提高設計質量，增強競爭力。機床總體方案虛擬設計技術就是為適應這種形勢的變化而提出來的。
1、我國機床設計現狀和存在的問題
我國是世界上機床產量最多的國家，但在國際市場競爭中仍處于較低水平;即使國內市場也面臨著嚴峻的形勢，一方面國內市場對各類機床產品特別是數控機床有大量的需求，而另一方面卻有不少國產機床滯銷積壓，國外機床產品充斥市場。90年國外數控機床在我國市場的占有率僅達15%左右，而95年已達77%。嚴重影響我國數控機床自主發展的勢頭。
這種現象的出現，除了有經營上、產品制造質量上和促銷手段上等原因外，一個主要的原因是我國生產的數控機床品種、性能和結構不夠先進，新產品(包括基型、變型和專用機床)的開發周期長，從而不能及時針對用戶的需求提供滿意的產品。具體地說，這個問題反映在下列五個方面：
(1) 我國機床廠目前開發基型產品的周期約為15～18個月，其中設計時間約為5～8個月，占總周期的40%左右。而國外一些先進機床廠同類基型產品的開發周期為6～9個月，其中設計約1.5～2個月，只占25%。因此無論是產品開發的總周期還是設計所占的時間比例均與國外先進水平有很大的差距。
(2) 我國工廠由于缺乏設計的科學分析工具(如分析和評價軟件、整機結構有限元分析方法以及機床性能測試裝置等)，自行開發的新產品大多基于直觀經驗和類比設計，使設計一次成功的把握性降低，往往需要反復試制才能定型，從而可能錯過新產品推向市場的良機。
(3) 用戶根據使用需要，在訂貨時往往提出一些特殊要求，甚至在產品即將投產時有的用戶臨時提出一些要求，這就需要迅速變型設計和修改相應的圖紙及技術文件。在國外，這項修改工作在計算機的輔助下一般僅需數天至一周，而在我國機床廠用手工操作就至少需1～2個月，且由于這些圖紙和文件涉及多個部門，常會出現漏改和失誤的現象，影響了產品的質量和交貨期。
(4) 現在我國工廠設計和工藝人員中青年占多數，他們的專業知識和實際經驗不足， 又擔負著開發的重任。
(5)由于長期以來形成的設計、工藝和制造部門分立，缺乏有效的協同開發的模式，不能從制訂方案開始就融入各方面的正確意見，容易造成產品的反復修改，延長了開發的周期。
為解決這些問題，必須對產品開發的整個過程綜合應用計算機技術，發展優化和仿真技術，提高產品結構性能，并建立起基于并行工程(Concurrent Engineering)的使設計、工藝和制造人員協同工作和知識共享的產品虛擬開發環境，使用相應的產品虛擬開發軟件，這樣才能有效地解決產品開發的落后局面，使企業取得良好的經濟效益。
2、解決問題的可能途徑
根據上述分析，目前我國亟需研究以期建立：
(1) 適于設計人員操作的和開放的CAD應用軟件
這樣的軟件系統應采用特征建模技術、具有完備的圖庫結構、面向產品對象的數據管理系統并與企業的管理、工藝、制造等建立交換信息的接口;同時軟件系統是一種開放環境，使設計人員可以根據自身產品設計的需要，對軟件系統方便地進行修改和補充開發，建立起本企業的應用軟件系統。
(2) 機床總體方案的虛擬設計軟件
整機的總體方案設計是保證產品布局合理、性能全局最優和成本合理的主要環節。但機床整機總體方案設計在傳統上往往依賴于人的 “智慧”，隨意性很大，成為影響產品質量的關鍵因素，隨著CAD技術、計算技術和設計方法學的發展，以及市場競爭的需要， 必須發展既基于知識，又具有科學分析和預測功能的總體方案虛擬設計軟件。
(3)整機結構優化方法
主要從保證整機性能的角度來研究機床總體結構的優化。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，更有設計人員直接參與應用和分析的問題。發展仿真技術在該領域的應用，使性能評價更直觀和全面，可以使設計人員的經驗和科學計算分析完美地結合在一起，以推進結構設計的創新發展。
3、機床總體方案虛擬設計軟件
機床總體方案虛擬設計軟件主要由機床總體方案設計、性能優化與仿真、結構特征建模、報價與評價四大模塊組成。參見圖1。
(1)機床總體方案設計
總體方案設計包含功能設計、結構設計和性能設計三部分。
功能設計，即在調研分析，確定了所設計機床的工作參數(運動、動力、尺寸)之后，通過功能分解，創新出或類比出可以實現加工要求的各種總體布局方案。創新設計，主要通過對運動功能的分解和合成來確定其布局方案，這對于設計加工特定零件的專用機床較為有效。而變型設計或類比設計主要通過查詢比較確定可參照的機床布局方案，大量用于設計一般的通用性機床。
結構設計是在總體布局方案基本確定后，對機械結構件進行主要形狀和尺寸的設計，這同樣有類比和創成設計兩類。類比設計是建立在成組技術和模塊化技術的基礎上，采用參數化設計方法來實現。而創成式設計主要是按照設計人員的意志，通過對基礎模塊(板、梁、筋、孔、凸緣、法蘭等)的實體進行拼裝、重迭等操作來實現。
性能設計是根據機床的總體性能要求對運動誤差、精度和剛度等進行設計分配，并綜合應用有限元法、邊界元法、分布參數法等方法快速計算和比較各種可能方案的優劣。
(2)性能優化與仿真
優化是利用數學方法和計算機手段實現主要結構件的形狀和尺寸優化，同時還可實現功能部件的特性優化。如主軸部件中主軸的支距及其靜動態特性、伺服進給系統的驅動特性和響應特性等。而對一些機床常用零部件(軸、軸承、齒輪、鍵、帶、離合器、聯軸器、彈簧等)可進行設計計算和校核計算，以保證計算的準確性和快速性。
仿真是以動態的或直觀的方法使設計人員了解整機的特性。它包括整個工作范圍的運動仿真和干涉檢查、機床整機的靜動態和熱態特性分析、工作精度的仿真等。特別是通過特性的計算分析和仿真可及時發現問題，修改薄弱環節，以確保整機特性的良好性。
(3)結構特征建模
這是設計人員進行結構細化設計的主要工作平臺，為統一數據結構，信息共享和協同工作的需要，同時也是為了CAD/CAE/CAPP/CAM一體化的需要，必須采用特征建模技術，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、技術等非幾何信息。而裝配圖的繪制有其特殊性，為了設計人員的使用方便性，在軟件中設立了專門的裝配圖設計環境。并建立了多種圖庫、數據庫，包括符號庫、標準件庫、通用件庫、外購件庫、典型零件庫、漢字庫、特征圖庫、主要構件結構圖庫等。同時還建立了工程數據管理功能，以便將同一零件的多種類型數據(圖紙、裝配、加工、檢驗)進行統一的管理;并建立零部件間的相關性信息，以便對某一零件進行修改時，能自動更新相關的信息，這樣既能提高更改速度，又能防止差錯和遺漏。
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進行聯接。
(4)報價與評價
主要由周期預測、成本預測、報價體系和評估體系組成。以便對設計周期和成本、制造周期和成本進行預估，并按報價規則進行報價。最后利用模糊數學和價值工程原理對整臺機床的功能、性能、運動、精度、成本、周期、價格作一個總體綜合的評價。
在軟件系統中還有數據庫的管理更新、樣本制作等模塊，以便用戶擴充數據庫，并在使用中不斷充實建立自己的實用系統。
總的來說，機床總體方案虛擬設計軟件具有如下主要特點：
a.從確定主參數和機床總體布局入手，逐步走向零部件的設計，符合設計人員的習慣，并利用計算機技術實現虛擬設計，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計時間過長的問題。
b.由于建立了動態樣本等多種數據庫和基礎圖庫，所以不管是類比設計還是創成設計都具有快捷性的特點，且積累的材料越多，模塊化越好，設計的速度就越快。
c.所有設計均從三維入手，不但直觀性強，而且便于生成二維圖，以利于修改與仿真分析。
d.不僅有代替手工繪圖的CAD部份，而且有優化、仿真、報價評估等模塊，使設計更科學。并用計算機技術替代了設計人員感到繁雜的常用零部件的設計和校核計算，即節省了時間，又減少出錯率，使設計人員有更多的時間和精力投入到創造性設計中。
4、總結
要解決長期困擾機械產品設計人員的方案設計完全依靠個別有經驗人員和整機結構性能優化無從下手的問題，又要為廣大設計人員提供一個經過二次開發的CAD應用軟件的設計系統，還需做大量的研究開發工作。還需加大對并行工程、造型、可靠性、優化設計、報價體系、評價體系和軟件一體化等方面的研究工作。
通過機床總體方案虛擬設計技術的研究，不僅可建立起虛擬設計環境，在較短時間內確定出合理的方案，而且能為報價提供依據，因而是對市場需求作出快速反映的有利措施，同時也解決了目前國內有經驗設計人員不多，方案設計水平不高的問題，又能使有經驗的設計人員從事更多的創造性工作，這將有利于促進我國機床產品的創新發展。
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