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仿真与优化技术在机床研发中的应用

—— 华中科技大学王书亭教授在2012中国制造业产品创新数字化国际峰会的发言

2012/12/28    来源:e-works    作者:e-works整理      
关键字:仿真技术  优化技术  机床研发  
2012年11月22日至23日,以“数字化技术驱动产品创新”为主题的“2012(第八届)中国制造业产品创新数字化国际峰会”在深圳宝利来国际大酒店隆重召开。在22日下午的“虚拟仿真在产品创新中的应用”分论坛上,华中科技大学王书亭教授发表了《仿真与优化技术在机床研发中的应用》的主题演讲,以下文字整理自他在会上的发言。

    华中科技大学 王书亭教授

华中科技大学 王书亭教授

1 虚拟样机技术在机床研发中的意义

    机床作为现代化“工业母机”,其性能、质量好坏是衡量一个国家工业先进水平的重要标志。近些年机床行业发展迅猛,机床已经发展成为集机、电、液、控、热等各种子系统于一体的高速、高精、高效的复杂机电产品。而在高性能机床研发中我们面临着整机系统优化配置、部件高刚度轻量化、整机结构热稳定性、高速进给系统、高速电主轴单元等技术难题,要解决这些难题,传统的机械加工分析理论和试验研究手段远远不能满足要求,所以我们引进了虚拟样机技术。通过多学科领域物理建模、多体动力学建模、多物理场有限元分析、计算机辅助结构优化等数字化建模仿真技术逐步取代物理试验,大幅度地使用虚拟样机代替物理样机去进行机床的创新设计,最终开发出高性能水平的机床。

    在传统的机床研发模式中,首先在CAD平台上进行模型设计,然后制造出物理样机并进行测试,根据测试中发现的问题来修改设计和机床原型,随后继续测试,经过这样的漫长反复迭代最终确定方案。而与传统的研发模式相比,引入虚拟样机技术之后所有的计算分析、仿真优化以及检测评价都可以通过虚拟样机在计算机上实现,大幅度缩短机床研发周期的同时也保证了机床的质量性能。所以虚拟样机技术的应用对于机床研发水平的提升具有重大的意义。

2 虚拟样机

    2.1 虚拟样机的概念

    与传统的物理样机不同,机床的虚拟样机是在计算机上建立起来的机床系统模型,随后可以利用各种数字化仿真分析软件对虚拟样机进行计算分析、仿真优化,从而代替传统的物理样机设计模式,大幅度缩短机床的设计周期,提高机床的性能质量。

虚拟样机

    图1 虚拟样机

    2.2 系统性能样机

    机床是集机、电、液、控、热等各种子系统于一体的复杂机电系统,各子系统性能之间是高度的非线性耦合,单个系统的性能好并不能保证整个系统性能好。这时需要进行机床系统级的宏观参数匹配以满足整机性能,因此近几年也出现了一项新技术——多领域物理建模技术,利用多领域物理建模方法对数控机床各子系统建立统一模型,通过动态仿真优化求解系统动态特性。

    以机床领域的一款核心产品——电主轴为例,由于国内生产的电主轴在高速运转时很容易出现发热量大从而导致抱死、振动等一系列状况,所以以前我国机床中使用的高速电主轴主要是从国外进口。对此我们通过多领域物理建模技术建立了机床的统一模型,从系统级层面分析不同子系统之间的匹配。单独让冷却强度变化而保持其它参数不变,分析出冷却强度对整个系统的敏感程度,通过不断仿真优化确定出最优的匹配方案。现在我们已经成功地将高端加工中心的机床电主轴的转速从8000转每分钟提高到15000转每分钟。

 

责任编辑:程玥
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