虚拟样机技术在加工中心动态设计的应用分析

虚拟样机技术在加工中心动态设计中的应用分析1/24/2020目录1、虚拟样机的背景2、虚拟样机技术在加工中心动态设计中的研究状况3、结论与启示1/24/20201.1虚拟样机技术的产生美国B777的应用效果开发周期：9年－4.5年成本降低：25％100％整机数字化设计世界垄断与霸主地位1/24/20201.1虚拟样机技术的产生虚拟样机产品概念基于虚拟样机的设计的开发时间无虚拟样机的设计的开发时间1/24/2020•虚拟样机是由分布的、不同工具开发的、甚至异构的子模型组成的模型联合体：–产品的CAD模型–产品的外观表示模型–产品的功能和性能仿真模型–产品的各种分析模型（可制–造性、可装配性等）–产品的使用和维护模型–以及环境模型等；1.2虚拟样机技术的组成1/24/2020需求样机概念样机工程样机最终样机需求论证概念设计详细设计生产、装配维护1/24/2020虚拟样机技术是以并行工程思想为指导，建模仿真理论为核心，以各领域CAx（如CAD、CAM、CAE等）/DFx（如DFA、DFM等）/仿真为工具的一种综合应用技术。测量装配序列装配过程仿真–多CAD模型集成装配动态干涉检查动态剖面检查接近度阵列1/24/20201.3虚拟样机的仿真•机械动力学仿真通常被人们用来研究机械系统的位移、速度、加速度与其所受力（力矩）之间的关系。•多体动力学仿真则将机械系统建模成由一系列的刚体（可以包含柔性体）通过对相互之间的运动进行约束的关节（joints）连接而成的系统。1/24/2020增加发动机、车身后的整车多体动力学模型1/24/2020第一类是：碰撞建模技术。第二类是：大规模并行计算技术。通常需要对机车的整个结构进行网格划分，相邻网格的实体则互相作用。为了取得足够的置信度，往往需要对机车结构进行十万数量级（20万、40万）的网格实体划分。目前，这方面的研究已经基本实用化，机车碰撞仿真已经被人们用于车碰撞性能测试，以全部或者部分代替实物样车试验。机车碰撞性能是衡量机车安全性的重要指标。碰撞发生时，机车结构在巨大碰撞冲击力的作用下，发生大位移的弹性变形。碰撞仿真涉及两类关键技术：碰撞仿真1/24/2020大变形碰撞仿真摆式车空调通风仿真工业设计疲劳分析仿真动力学仿真气流噪声仿真气动压力仿真结构噪声仿真双层车模态仿真温度场仿真D38轻量化设计强度分析制动及冲击响应仿真1/24/2020协同仿真•协同仿真既包含时间轴上对产品全生命周期的单点仿真分析，亦强调同一时间点上，基于不同人员/工具对同一产品对象在系统层面上的联合仿真分析。•协同仿真技术是指异地、分布的建模、仿真分析人员可在一个协同、互操作的环境中方便、快捷和友好地采用各自领域的专业分析工具对构成系统的各子系统进行建模与仿真分析，或从不同技术视图进行功能、性能的单点分析，并透明地支持它们参与整个系统的联合仿真，协作完成对系统的仿真的一种复杂系统仿真分析方法。1/24/2020•虚拟样机技术在机械工程领域内应用十分广泛，主要集中在汽车、铁路机车、工程机械等领域，但就加工中心动态设计领域的应用在国内尚处于起步阶段，特别是加工中心是一种复杂的系统，对整机的虚拟样机技术几乎空白。•大量的文献都应用Aadms软件进行虚拟样机的开发和研究，Aadms软件可以估计机械系统性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的载荷输入。人们只需做的就是前期的建模和后期的数据处理技术。对于复杂系统的研究关键，也就在于后期数据的提取。下面，本人就虚拟样机技术后期数据的提取，从“复杂样机的子系统开发”、“联合仿真开发”、“单软件体的二次开发”、“有效性研究”四个方面展开分析：2、虚拟样机技术在加工中心动态设计中的研究状况1/24/20202.1复杂样机的子系统开发•Paredis提出基于组件的建模法和子系统层次建模法。基于组件的建模方法，根据模型内部功能结构关系，将模型分解为若干相对独立的组件，通过定义组件外部接口描述组件行为，封装各组件的内部实现细节，解耦组件间的耦合关系。•Diaz在组件建模方式基础上，提出可配置建模的概念，提高模型组件的可重用性。子系统层次法是一种自顶向下的建模方式，采用逐层分解的方法逐步细化复杂模型，在不同层次上建立子系统模型，更加有利于建模人员对模型整体的理解和把握，并可在不同聚集程度和颗粒度上分解子系统，为系统仿真提供了灵活性。1/24/2020•国内，华中科技大学的夏鸿建博士提出一个支持模型数据共享和求解器兼容的软件平台框架，研制开发了机械系统虚拟样机软件平台—InteDyna，并成功应用于汽车的整车开发。1/24/2020•重庆大学的郑太雄，分析了虚拟装配系统中，零件模型由CAD系统导入虚拟装配系统时设计信息发生丢失等问题，提出了虚拟环境中零件的虚拟模型与零件的CAD模型之间的映射机制。1/24/2020•南京航空航天大学的陆晓，在分析装配模型信息内容的基础上，构建了开放式统一装配模型（OUAM）结构，并提出了模型信息的表达方式和处理方法。1/24/2020•Adams是处理多体动力学的有利环境，但是它擅长于刚体动力学问题，柔性体的动力学问题其他软件更具优势，如ANSYS等。此外，在解决机械部分和控制部分的协调，使整机具备较好仿真效果，就必须使用到联合仿真技术，如Adams和Matlab等软件的联合开发。下面就此问题，结合国内学者的研究，展开叙述：2.2联合仿真开发（耦合）汽车控制系统前作动器整车机械系统控制目标反馈信号后作动器驾驶人员1/24/2020•中国科技大学杨秀清博士，对搬运机械手的虚拟样机进行了研究，其中包括虚拟样机模型的建立、运动学和动力学建模、位姿调整、轨迹规划、液压关节的摩擦补偿、轨迹跟踪控制、联合仿真平台的搭建、联合仿真研究以及动态有限元分析等，最终实现了机电液耦合的机械手设计。1/24/2020•西安工程大学的王叙臣等，为了对数控铣床结构进行优化设计,运用系统建模与仿真以及虚拟样机技术,分别在Pro/E、ADAMS和ANSYS平台上建立数控铣床的三维模型和立柱有限元模型,进行了数控铣床的运动仿真和立柱的模态分析,得到立柱前20阶频率.通过对变形云图的分析,确定电机主轴的转速不宜大于12000r/min.1/24/2020•联合开发仿真是当今虚拟样机技术的关键。然而，我们所依赖的技术手段大多是Adams等软件，这些软件都是国外公司开发的软件系统。近年来，国内一些院校展开了自主研发的尝试。试验大多从单一软件的二次开发入手，研究条件成熟之后进行自主的“专机”软件的研发。下面就“专机”软件的研发展开论述：2.3单软件体的二次开发+-+-dUdIMndnuFxFxM路面++--()Ut()itLR()cUtC1hhq1qty22()dxdxabcxytdtdtcuuxyxhq系统模型1/24/2020•东南大学李文威等，为实现复杂机械产品虚拟样机的复用,提出了一种由程序驱动参数化虚拟样机尺寸参数来自动重建虚拟样机的方法。并采用Solidworks为载体，进行二次开发。1/24/2020•上海大学邵小委，针对某类航空叶片的客户需求，通过研究其结构特点和加工工艺流程，应用现代设计方法及虚拟样机技术，合作研制一台成本低、符合叶片精度要求的数控叶片加工专用机床。1/24/2020•罗卫平等人，为提高虚拟样机系统的有效性,针对所建立的五坐标龙门数控机床虚拟样机模型,对虚拟样机的可信度判定进行了研究。通过运用相似理论,选择构造合适的相似元,给出了系统相似度及相关的计算公式,得出了相应数据。2.4有效性研究•东北大学隋天中等从现代设计与制造的发展和特点出发,建立了二维四层的虚拟坐标测量机的体系结构,在此基础上结合三维建模系统,在ADAMS环境中构建了虚拟坐标测量机.同时就虚拟坐标测量机中的关键技术测头补偿问题,提出了具有独特结构的半球形测头测量及半径补偿方法,大大简化了测量和数据处理过程,为在虚拟坐标测量机上进行CAD模型形体表面的任意截形测量提供了一种快速、精确、方便的测量解决方案。1/24/20203、结论与启示•并行工程是虚拟样机技术指导思想，建模/仿真是虚拟样机技术的核心，联合仿真是虚拟样机技术的关键；•从ADAMS软件入手，展开加工中心在整体装配、运动干涉及运动特性参数等刚体动力学的研究，在此基础上，结合单体软件开发“专机”系统。该系统主要实现虚拟装配、关键零部件虚拟测试、样机数据库设计等功能。1/24/2020参考文献•[1]ParedisCJJ,Diaz-CalderonA,SinhaR,KhoslaPK.Composablemodelsforsimulation-baseddesign.EngineeringwithComputers,2001,17(2):112~128•[2]金伟新,肖田元,胡晓峰等.多层多视多体建模方法研究.计算机仿真,2004,21(7),39~42•[3]Diaz-CalderonA,ParedisCJJ,KhoslaPK.OrganizationandSelectionofReconfigurableModels.ProceedingsoftheWinterSimulationConference.NewYork,NY,USA:WSCACMPress,2000:386~393•[4]熊光楞,李伯虎,柴旭东.虚拟样机技术.系统仿真学报,2001,13(1):114~117•[5]刘小平等.虚拟样机及其相关技术研究和实践.机械科学与技术,2003,22(1):235~238•[6]王国强,张进平,马若丁编著.虚拟样机技术及其在ADAMS上的实践.西安:西北工业大学出版社,20021/24/2020［7］张俊，魏红根．数控技术发展趋势———智能化数控系统［J］．制造技术与机床，2000(4):7-9．［8］葛宝明，蒋静坪．永磁同步电动机传动系统的模型算法控制［J］．中国电机工程学报，1999，19(10):27-31．［9］王小东，王大承．基于Matlab/Smiulink数控伺服系统的建模仿真［J］．组合机床与自动化加工技术，2006(8):67-69．［10］郑建荣．虚拟样机技术入门与提高［M］．北京:机械工业出版社，2001:1-5．［11］郭卫东．虚拟样机技术与ADAMS应用实例教程［M］．北京航空航天大学出版社，2008:136-138．［12］薛定宇．控制系统仿真与计算机辅助设计［M］．北京:机械工业出版社，2005:75-78．［13］李增刚．ADAM入门详解与实例［M］．北京:国防工业出版社，2006:236-241．MakePresentationmuchmorefunof6谢谢聆听！