内容提要：本文从现代设计技术的现状和发展趋势出发，分析我国机床行业所面临的严峻形势，论述了研究机床总体方案虚拟设计技术的重要性，并指出目前我国在机床设计及CAD应用方面所存在的主要问题，介绍了机床总体方案虚拟设计软件的构成。
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、报价与评价四大模块组成设计、重新制造等一系列的反复试制过程，许多不合理设计和错误设计只能等到制造、装配过程中，甚至到样机试验时才能发现。产品的质量和工作性能也只能当产品生产出来后，通过试运转才能判定。这时，多数问题是无法更改的，修改设计就意味着部分或全部的报废和重新试制。因此常常要进行多次试制才能达到要求，试制周期长，费用高。而采用虚拟制造技术，可以在设计阶段就对设计的方案、结构等进行仿真，解决大多数问题，提高一次试制成功率。采用虚拟现实技术，可以方便、直观地进行工作性能检查。例如，美国的John Deere公司，采用该技术，对新产品 反铲装载机的三个技术方案进行建模仿真，结果否定了其中的两个方案，节约了大量的研制经费。如图1所示是利用dVISE制作的虚拟装载机模型。
⑺.产品广告与漫游：
用虚拟现实或三维动画技术制作的产品广告具有逼真的效果，不仅可显示产品的外形，还可显示产品的内部结构、装配和维修过程、使用方法、工作过程、工作性能等，尤其是利用网络进行的产品介绍，广告效果很好。例如，在internet网络上某复印机的产品介绍和用户使用说明，可在网上进行操作：复印、打开复印机侧板显示内部结构，更换墨盒，清洁磁鼓，去除卡着的纸，关上侧板等，生动、直观。
漫游技术使人们能在城市、工厂、车间、机器内部乃至图纸和零部件之间进行漫游，直观方便地获取信息。
3、虚拟现实环境下的产品制造技术
虚拟现实环境下的产品设计、制造和评价，首先是进行产品的立体建模，然后将这个模型置于虚拟环境中实施控制和分析。由于虚拟现实技术正在发展中，虚拟现实的环境软件相对较成熟，如WTK、dVISE、VRT等，而用于机械设计、制造的仿真和控制的软件功能比较分散，两者之间的连接尚不成熟，是研究和开发的热点。如机械运动仿真、薄板冲压成型分析与仿真、零件加工和装配仿真等。目前，基于特征的3D建模技术正逐渐进入实用并开始推广应用，为我们提供了坚实的基础。但这些建模软件不支持虚拟现实环境，必须进行转换和数据处理。
（1）机床总体方案设计
总体方案设计包含功能设计、结构设计和性能设计三部分。
功能设计,即在调研分析，确定了所设计机床的工作参数（运动、动力、尺寸）之后，通过功能分解,创新出或类比出可以实现加工要求的各种总体布局方案。创新设计，主要通过对运动功能的分解和合成来确定其布局方案，这对于设计加工特定零件的专用机床较为有效。而变型设计或类比设计主要通过查询比较确定可参照的机床布局方案,大量用于设计一般的通用性机床。
结构设计是在总体布局方案基本确定后，对机械结构件进行主要形状和尺寸的设计，这同样有类比和创成设计两类。类比设计是建立在成组技术和模块化技术的基础上，采用参数化设计方法来实现。而创成式设计主要是按照设计人员的意志，通过对基础模块（板、梁、筋、孔、凸缘、法兰等）的实体进行拼装、重迭等操作来实现。
性能设计是根据机床的总体性能要求对运动误差、精度和刚度等进行设计分配，并综合应用有限元法、边界元法、分布参数法等方法快速计算和比较各种可能方案的优劣。
（2）性能优化与仿真
优化是利用数学方法和计算机手段实现主要结构件的形状和尺寸优化，同时还可实现功能部件的特性优化。如主轴部件中主轴的支距及其静动态特性、伺服进给系统的驱动特性和响应特性等。而对一些机床常用零部件（轴、轴承、齿轮、键、带、离合器、联轴器、弹簧等）可进行设计计算和校核计算，以保证计算的准确性和快速性。
仿真是以动态的或直观的方法使设计人员了解整机的特性。它包括整个工作范围的运动仿真和干涉检查、机床整机的静动态和热态特性分析、工作精度的仿真等。特别是通过特性的计算分析和仿真可及时发现问题，修改薄弱环节，以确保整机特性的良好性。
（3）结构特征建模
这是设计人员进行结构细化设计的主要工作平台，为统一数据结构，信息共享和协同工作的需要，同时也是为了CAD/CAE/CAPP/CAM一体化的需要，必须采用特征建模技术，使建立起的零件模型不仅包含几何信息，还包含工艺、精度、管理、技术等非几何信息。而装配图的绘制有其特殊性，为了设计人员的使用方便性，在软件中设立了专门的装配图设计环境。并建立了多种图库、数据库，包括符号库、标准件库、通用件库、外购件库、典型零件库、汉字库、特征图库、主要构件结构图库等。同时还建立了工程数据管理功能，以便将同一零件的多种类型数据（图纸、装配、加工、检验）进行统一的管理；并建立零部件间的相关性信息，以便对某一零件进行修改时，能自动更新相关的信息，这样既能提高更改速度，又能防止差错和遗漏。
在软件中为了集成的方便性，建立了多种接口，以便与CAD、CAPP、CAE、CAM进行联接。
（4）报价与评价
主要由周期预测、成本预测、报价体系和评估体系组成。以便对设计周期和成本、制造周期和成本进行预估，并按报价规则进行报价。最后利用模糊数学和价值工程原理对整台机床的功能、性能、运动、精度、成本、周期、价格作一个总体综合的评价。
在软件系统中还有数据库的管理更新、样本制作等模块，以便用户扩充数据库，并在使用中不断充实建立自己的实用系统。
总的来说，机床总体方案虚拟设计软件具有如下主要特点：
a.从确定主参数和机床总体布局入手，逐步走向零部件的设计，符合设计人员的习惯，并利用计算机技术实现虚拟设计，使总体布局富于直观性。基本解决了过去总体布局难以确定和设计时间过长的问题。
b.由于建立了动态样本等多种数据库和基础图库，所以不管是类比设计还是创成设计都具有快捷性的特点，且积累的材料越多，模块化越好，设计的速度就越快。
c.所有设计均从三维入手，不但直观性强，而且便于生成二维图，以利于修改与仿真分析。
d.不仅有代替手工绘图的CAD部份，而且有优化、仿真、报价评估等模块，使设计更科学。并用计算机技术替代了设计人员感到繁杂的常用零部件的设计和校核计算，即节省了时间，又减少出错率，使设计人员有更多的时间和精力投入到创造性设计中。
4、总结
要解决长期困扰机械产品设计人员的方案设计完全依靠个别有经验人员和整机结构性能优化无从下手的问题,又要为广大设计人员提供一个经过二次开发的CAD应用软件的设计系统,还需做大量的研究开发工作。还需加大对并行工程、造型、可靠性、优化设计、报价体系、评价体系和软件一体化等方面的研究工作。
通过机床总体方案虚拟设计技术的研究，不仅可建立起虚拟设计环境，在较短时间内确定出合理的方案,而且能为报价提供依据,因而是对市场需求作出快速反映的有利措施,同时也解决了目前国内有经验设计人员不多，方案设计水平不高的问题,又能使有经验的设计人员从事更多的创造性工作,这将有利于促进我国机床产品的创新发展。
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主要参考文献
1．Zhao Honglin,Sheng Bohao,Developing CAD/CAE Integrative Technology to Predict Whole Machine Tool Behavior.INCOM’95,p295～299,Beijing,1995.10
2．赵宏林,张文河等,机床整机综合特性的预测 制造技术与机床,1998.3:12-14 |
