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                现代精密磨床设计思想及精密磨床设计发展现状阅读次数 [1367] 发布时间 :2019-08-15 15:48:10

                精密磨床是现代制造技术的重要生产工具,在某种意义上,一个国家机床设计和制造水平的高低,决定着这个国家整个制造业水平的高低。近年来,由于和机床振动和结构分析理论的迅速发展,先进的动态试验和分析技术的不断出现,机床设计思想不断进步,为生产高速、高精度、高刚性的机床提供了条件。尤其是随着信息技术的发展, 计算机在控制、计算、分析处理、仿真和管理等方面的广泛应用,使机床的设计方法和手段日渐丰富。现代机床正向高速、大功率、高精度、模块化、全自动方向发展[9]。



                1 现代精密磨床设计思想



                本世纪初以来随着科学技术的飞速发展,对机床产品的质量要求越来越高。新材料、新技术的应用也同时有了很大发展,国内外出现了许多新型设计理论和方法,这些都使得现代机床设计思想进入了一个以实验研究及理论计算为基础的较高级阶段。研究设计程序、规律及设计思维和工作方法,不仅寻求产品本身的最佳化,还要实现从产品设计到制造、试验、检验的全过程以至整个系统的最佳化。现代机床设计思想是与现代利技发展相适应的一种先进的设计思想[10]。其主要内容包括:


                (1)设计对象系统化


                把设计对象即机床产品视为一个系统不仅关注其组成单元要素,还要考虑边界、环境和输入输出等特征,避免传统设计的那种局部、孤立地处理问题,而是整体、系统地对待设计对象。这还有助于引入系统论、信息论和控制论等现代科学理论,用系统观点进行全方位设计。


                (2)设计内容完善化


                现代机床设计思想已超出常规的运动设计、动力设计和结构设计范畴,扩展到概念设计、可靠性设计和宜人性设计等更加完善的内容。


                (3)设计目标最优化


                现代机床设计思想追求的是目标最优化,不仅是对某项设计参数的单一目标最优化,而且要对系统的诸多参数进行多目标的整体最优化,利用计算机求得理论上的精确解即最佳方案,使产品设计在各项技术性能、可靠性及经济性等方面,实现最优效果。


                (4)设计问题模型化


                模型是对设计问题的高度概括和抽象,数学模型是最适合于分析和研究的一种形式。通过数学模型可以把工程问题和数学理论紧密结合起来,借助计算机对设计问题进行定量运算和优化处理,并可应用动态设计和动态仿真等现代技术。


                (5)设计过程动态化


                现代机床设计思想更加注重产品的动态性能,在设计阶段就要对产品的动态性能进行预测和优化。动态设计首先要建立系统的动力学数学模型,并通过验算或实际测试加以验证然后用计算机对模型进行动态分析,修改某项参数,比较相应结果,直至达到满意的动态性能,最后获得最优动态设计方案。


                (6)设计手段计算机化


                计算机辅助设计(CAD)已成为现代设计方法中必不可少的设计手段和强大支柱。在初步设计阶段,可进行方案的分析、选择、评价和决策。在技术设计阶段,可进行结构和参数的确定,运动、动力或其他特性分析,材料选择、成本计算、参数优化和绘图等工作。在工作图设计阶段,可绘制零件图、标注尺寸和公差配合,编制、存贮和管理各种技术文件。



                2 CAD/CAE/MSS 技术在机床设计中的应用



                长期以来,机床的结构设计基本上是根据经验和类比的方法进行的,对它的动态性能只能作粗略的原则性考虑。为了获得具有较高动态性能的结构,往往需要经历多次试验改进设计这样一个漫长的过程。这种传统的设计方法增加了产品开发的周期和生产成本,一次性成功率很低[11]。


                近年来,由于计算机硬件和软件技术的飞速发展,为机床设计的发展提供了新的方法和手段。CAD/CAE/MSS 技术作为现代设计分析方法,正逐步运用于各项工程设计分析领域。三维 CAD 造型软件(如 SolidWorks,Pro/E,UG)不但使产品直观性强,而且便于生成二维图和便于修改与仿真分析。尤其是参数化建模,目前已成为 CAD 中最为热门的应用技术之一,通过参数化设计,可实现系统优化方案的选择。CAE 技术是采用数值计算和数值模拟方法,对计算机建立的实体模型进行计算分析。通过有限元分析, 获得零件的应力,应变分布规律,优化零件结构。常用的 CAE 软件有 ANSYS, NASTRAN,ABAQUS, I-DEAS 等。MSS(Mechanical System Simulation)技术即机械系统仿真技术,是指在制造物理样机之前,利用仿真软件建立机械系统的计算机模型并对其进行仿真分析,基于虚拟样机技术的运动仿真,能真正实现系统角度的产品优化,它使产品在概念设计阶段就可以迅速地分析,比较多种设计方案,确定影响性能的敏感参数,并通过可视化技术设计产品,预测产品在真实工况下的特征及所具有的响应,直至获得最优工作性能。动力学仿真软件 ADAMS 是目前世界上最广泛使用的机械系统动力学仿真软件之一[12]。


                目前,CAD/CAF/MSS 技术在机械制造领域的应用已成为热点问题。它对提高设计水平和生产效率起着巨大的推动作用。应用 CAD/CAF/MSS 技术对机床进行仿真分析与研究,全面考虑机床结构的静态和动态性能,以达到机床结构设计中总体设计参数得到优化的目标。