机床总体方案虚拟设计方法印台

机床总体方案虚拟设计方法

机床总体方案虚拟设计方法 2011： 0、引言

市场的开放性和全球化，促使机床产品的竞争日趋激烈，而决定机床产品竞争力的指标是产品的开发时间（Time）、产品质量（Quality）、成本（Cost）、创新能力(Creation）和服务（Service）。用户在追求高质量产品的同时，会更多地追求低的价格和短的交货期。这就要求企业改变过去传统的设计、生产和管理模式，最大限度地利用虚拟设计手段，以提高产品的质量和性能，降低成本，并努力缩短交货期，同时还需要快速响应市场和用户的变化，利用有利时机快速抢占市场。美国制造业在50至60年代主要以扩大生产规模作为企业竞争力的第一要素，而在70年代竞争力的第一要素为降低生产成本，80年代为提高产品质量，90年代为市场响应速度。所以现代每个企业都期望通过提高自身的科技含量，采用先进的设计技术和手段，以加快设计速度，提高设计质量，增强竞争力。机床总体方案虚拟设计技术就是为适应这种形势的变化而提出来的。

1、我国机床设计现状和存在的问题

我国是世界上机床产量最多的国家，但在国际市场竞争中仍处于较低水平；即使国内市场也面临着严峻的形势，一方面国内市场对各类机床产品特别是数控机床有大量的需求，而另一方面却有不少国产机床滞销积压，国外机床产品充斥市场。90年国外数控机床在我国市场的占有率仅达15%左右，而95年已达77%。严重影响我国数控机床自主发展的势头。

这种现象的出现，除了有经营上、产品制造质量上和促销手段上等原因外，一个主要的原因是我国生产的数控机床品种、性能和结构不够先进，新产品(包括基型、变型和专用机床)的开发周期长，从而不能及时针对用户的需求提供满意的产品。具体地说，这个问题反映在下列五个方面：

(1) 我国机床厂目前开发基型产品的周期约为15～18个月，其中设计时间约为5～8个月，占总周期的40%左右。而国外一些先进机床厂同类基型产品的开发周期为6～9个月，其中设计约1.5～2个月，只占25%。因此无论是产品开发的总周期还是设计所占的时间比例均与国外先进水平有很大的差距。

(2) 我国工厂由于缺乏设计的科学分析工具(如分析和评价软件、整机结构有限元分析方法以及机床性能测试装置等)，自行开发的新产品大多基于直观经验和类比设计，使设计一次成功的把握性降低，往往需要反复试制才能定型，从而可能错过新产品推向市场的良机。

(3) 用户根据使用需要，在订货时往往提出一些特殊要求，甚至在产品即将投产时有的用户临时提出一些要求，这就需要迅速变型设计和修改相应的图纸及技术文件。在国外，这项修改工作在计算机的辅助下一般仅需数天至一周，而在我国机床厂用手工操作就至少需1～2个月，且由于这些图纸和文件涉及多个部门，常会出现漏改和失误的现象，影响了产品的质量和交货期。

(4) 现在我国工厂设计和工艺人员中青年占多数，他们的专业知识和实际经验不足， 又担负着开发的重任。

(5)由于长期以来形成的设计、工艺和制造部门分立，缺乏有效的协同开发的模式，不能从制订方案开始就融入各方面的正确意见，容易造成产品的反复修改，延长了开发的周期。

为解决这些问题，必须对产品开发的整个过程综合应用计算机技术，发展优化和仿真技术，提高产品结构性能，并建立起基于并行工程(Concurrent Engineering)的使设计、工艺和制造人员协同工作和知识共享的产品虚拟开发环境，使用相应的产品虚拟开发软件，这样才能有效地解决产品开发的落后局面，使企业取得良好的经济效益。

2、解决问题的可能途径

根据上述分析，目前我国亟需研究以期建立：

(1) 适于设计人员操作的和开放的CAD应用软件

这样的软件系统应采用特征建模技术、具有完备的图库结构、面向产品对象的数据管理系统并与企业的管理、工艺、制造等建立交换信息的接口；同时软件系统是一种开放环境，使设计人员可以根据自身产品设计的需要，对软件系统方便地进行修改和补充开发，建立起本企业的应用软件系统。

(2) 机床总体方案的虚拟设计软件

整机的总体方案设计是保证产品布局合理、性能全局最优和成本合理的主要环节。但机床整机总体方案设计在传统上往往依赖于人的 “智慧”，随意性很大，成为影响产品质量的关键因素，随着CAD技术、计算技术和设计方法学的发展，以及市场竞争的需要， 必须发展既基于知识，又具有科学分析和预测功能的总体方案虚拟设计软件。

(3)整机结构优化方法

主要从保证整机性能的角度来研究机床总体结构的优化。这里既有建模的算法问题，也有确定载荷和边界条件的问题，更有设计人员直接参与应用和分析的问题。发展仿真技术在该领域的应用，使性能评价更直观和全面，可以使设计人员的经验和科学计算分析完美地结合在一起，以推进结构设计的创新发展。

3、机床总体方案虚拟设计软件

机床总体方案虚拟设计软件主要由机床总体方案设计、性能优化与仿真、结构特征建模

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