LMS解決方案幫助機(jī)床制造廠商縮短仿真時(shí)間超過50%

 沈陽機(jī)床采用西門子工業(yè)軟件的非線性動(dòng)力學(xué)分析解決方案，幫助設(shè)計(jì)高易用和可靠性的機(jī)床設(shè)備。

挑戰(zhàn)

• 減少機(jī)床振動(dòng)和噪聲，提升用戶使用安全性

• 優(yōu)化機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，提升機(jī)床設(shè)備易用性

• 為智能化機(jī)床的全新挑戰(zhàn)提供仿真解決方案

• 盡早實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)決策，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期

成功關(guān)鍵

• 采用先進(jìn)的仿真和測(cè)試手段對(duì)機(jī)床的模態(tài)特性進(jìn)行研究

• 進(jìn)行非線性動(dòng)力學(xué)分析以獲取部件動(dòng)態(tài)應(yīng)力

• 具備機(jī)電聯(lián)合仿真的解決方案

結(jié)果

• 優(yōu)化機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提升設(shè)備易用性

• 在設(shè)計(jì)早期就能夠?qū)赡艽嬖诘娘L(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估并改進(jìn)

• 縮短產(chǎn)品開發(fā)過程中的結(jié)構(gòu)仿真時(shí)間

設(shè)計(jì)復(fù)雜的工業(yè)機(jī)械

當(dāng)今激烈的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境和對(duì)能源效率的普遍要求推動(dòng)工業(yè)機(jī)械和重型設(shè)備制造商快速研發(fā)出高效能和低成本的創(chuàng)新性產(chǎn)品?？蛻粝ＭO(shè)備廠商能夠提供最優(yōu)的產(chǎn)品性能，同時(shí)還要滿足日益嚴(yán)格的行業(yè)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。除了環(huán)保因素，還需要考慮安全性和可靠性。這就需要評(píng)估設(shè)計(jì)的振動(dòng)和噪聲性能，因?yàn)閺?qiáng)烈振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效，甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)設(shè)備的損壞。

所有這些導(dǎo)致機(jī)床設(shè)計(jì)成為一項(xiàng)需要平衡各種沖突需求的復(fù)雜任務(wù)。對(duì)加工效率和精度的要求需要采用高速、多部件聯(lián)動(dòng)的設(shè)計(jì)方案，但這又會(huì)導(dǎo)致較大的內(nèi)部載荷，從而可能對(duì)加工質(zhì)量、設(shè)備耐久性和噪聲問題產(chǎn)生負(fù)面影響。客戶希望機(jī)床減重設(shè)計(jì)，以節(jié)省材料和物流成本，但對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的要求卻保持不變。越來越多的控制和智能電氣系統(tǒng)的使用幫助優(yōu)化了產(chǎn)品性能，但同時(shí)也提升了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

中國國有大型機(jī)床設(shè)備制造廠商沈陽機(jī)床研發(fā)中心的設(shè)計(jì)工程師趙峰說：“機(jī)床技術(shù)發(fā)展非常迅速。與之前相比，客戶給我們提出了更多的要求，他們一方面希望機(jī)床設(shè)備具有高加工精度、效率和易用性，同時(shí)還提出其它方面越來越嚴(yán)格的要求，比如考慮到機(jī)床操作工的健康問題，我們需要盡可能的降低機(jī)床噪聲。由于要考慮越來越多方面的因素，這就需要我們建立一套更加標(biāo)準(zhǔn)和高效的產(chǎn)品開發(fā)方法和流程。”

采用仿真技術(shù)縮短產(chǎn)品開發(fā)周期

對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和改進(jìn)過去曾經(jīng)是一個(gè)非常漫長的過程，往往需要借助若干次的工程樣機(jī)反復(fù)試驗(yàn)和設(shè)計(jì)更改，但是越來越緊的產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)度和預(yù)算要求已經(jīng)不容許再采用這種落后的方式。越來越多的機(jī)床設(shè)備制造商開始尋找不同的仿真技術(shù)手段以幫助在設(shè)計(jì)階段就能夠?qū)赡艽嬖诘娘L(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估和改進(jìn)，以在第一輪工程樣機(jī)試驗(yàn)之前就能夠達(dá)到一個(gè)高可靠性和優(yōu)化的設(shè)計(jì)。這顯著縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期并降低了成本。

沈陽機(jī)床的技術(shù)工程師找到了西門子工業(yè)軟件的LMS解決方案，能夠覆蓋整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)周期各個(gè)階段的業(yè)界最完整的工程解決方案。LMS通過多學(xué)科多領(lǐng)域的系統(tǒng)級(jí)仿真、三維結(jié)構(gòu)性能仿真和試驗(yàn)技術(shù)，為從概念設(shè)計(jì)到最后工程樣機(jī)驗(yàn)證的整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)過程提供端到端的解決方案，能為客戶帶來比市場(chǎng)上其它競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手更加創(chuàng)新、高質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)友好的設(shè)計(jì)。它們可以幫助像沈陽機(jī)床這樣的工程機(jī)械和重型設(shè)備制造廠商應(yīng)對(duì)越來越高的技術(shù)挑戰(zhàn)和隨著工業(yè)4.0時(shí)代到來所伴隨的更加復(fù)雜嚴(yán)苛的客戶需求。

“通過縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，我們的產(chǎn)品能夠更加快速的投放市場(chǎng)，這使得沈陽機(jī)床能夠成為行業(yè)技術(shù)標(biāo)桿和創(chuàng)新先鋒”，趙峰說，“西門子工業(yè)軟件的LMS解決方案為我們提供了快速提升機(jī)床設(shè)備穩(wěn)定性和可靠性的所有必要工具，這幫助我們提升了產(chǎn)品質(zhì)量和品牌價(jià)值。另外，這些解決方案和西門子數(shù)控系統(tǒng)和西門子伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，為我們提供了完整的集成解決方案來制造我們的機(jī)床設(shè)備。”

切削機(jī)床模態(tài)分析

沈陽機(jī)床的工程師在第一個(gè)CNC立式機(jī)床項(xiàng)目中成功驗(yàn)證了LMS三維仿真解決方案的準(zhǔn)確性。這種機(jī)床特別適合切削像陶瓷這樣的難切削材料，因而為保證加工的穩(wěn)定性和精度，減少機(jī)床振動(dòng)就顯得特別重要。工程師用LMS Samtech Samcef軟件進(jìn)行了機(jī)床結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，并與LMS SCADAS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和LMS Test Lab測(cè)試系統(tǒng)得到的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。

“LMS Samcef軟件通過獨(dú)特的方式將有限元與多體動(dòng)力學(xué)結(jié)合起來。”趙峰說，“通過這一獨(dú)特技術(shù)，我們可以進(jìn)行機(jī)床的剛?cè)狁詈戏抡?。軟件包含非常?qiáng)大的求解器，具有世界級(jí)的求解技術(shù)，特別是大變形的非線性問題的求解，同時(shí)還支持并行計(jì)算。第一次對(duì)比驗(yàn)證，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的頻率誤差最高不超過16%，這驗(yàn)證了柔性體建模的準(zhǔn)確性。”

“模態(tài)分析的結(jié)果已經(jīng)能為設(shè)計(jì)改進(jìn)提供一些方向性的指導(dǎo)。我們發(fā)現(xiàn)第一階模態(tài)振型主軸箱和機(jī)床床體之間有較大的模態(tài)振型。”趙峰說，“這導(dǎo)致機(jī)床主軸和工作臺(tái)之間產(chǎn)生相對(duì)位移，這對(duì)于機(jī)床是不好的。這警示了我們主軸箱和機(jī)床床體之間的連接剛度較低，因此我們得到結(jié)論需要加強(qiáng)主軸箱結(jié)構(gòu)以提升連接剛度。”

高級(jí)非線性動(dòng)力學(xué)分析

經(jīng)過成功的模態(tài)驗(yàn)證，沈陽機(jī)床的工程師們進(jìn)一步進(jìn)行了機(jī)床的非線性機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析。柔性部件之間通過鉸鏈、螺紋連接、滑動(dòng)副等不同的約束連接方式實(shí)現(xiàn)了精確建模，通過剛?cè)狁詈戏治龅玫綑C(jī)床工作過程中柔性體的動(dòng)態(tài)應(yīng)力。通過這種方式可以對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌、滑塊、滾珠絲杠、床身、箱體等各主要部件在不同載荷工況下的情況進(jìn)行評(píng)估。該解決方案在設(shè)計(jì)早期就能夠?qū)撛诘脑O(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，證明了其價(jià)值所在，將成為未來機(jī)床產(chǎn)品開發(fā)流程中的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)節(jié)。

和西門子工業(yè)軟件技術(shù)專家的緊密合作幫助沈陽機(jī)床的工程師快速掌握了LMS Samcef解決方案。通過項(xiàng)目合作和專門的培訓(xùn)，LMS Samcef可以非常容易被掌握。“我們還評(píng)估了具有類似非線性分析能力的其他軟件。”趙峰說，“但LMS Samcef軟件具有更加高效的建模和求解效率，也正因此，LMS Samcef是進(jìn)行機(jī)床和機(jī)器人建模和動(dòng)力學(xué)仿真的較佳選擇。這在軟件評(píng)估時(shí)被西門子工業(yè)軟件的技術(shù)專家進(jìn)行了非常清晰的證明。”

這種高效性幫助沈陽機(jī)床縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。“擁有這一有限元與多體動(dòng)力學(xué)耦合的獨(dú)特解決方案避免了我們之前仿真流程中不同仿真軟件之間數(shù)據(jù)傳遞的繁瑣過程。”趙峰說，“由于LMS Samcef解決方案，我們可以把所有的仿真縮短到2天時(shí)間完成。以前，同樣的仿真需要花至少5天的時(shí)間。我們可以說LMS Samcef幫助我們縮短開發(fā)過程中的仿真時(shí)間超過50%，同時(shí)，它的仿真結(jié)果也更加精確。”

未來應(yīng)用計(jì)劃

沈陽機(jī)床的工程師希望將LMS Samcef用于未來更多的項(xiàng)目之中，他們甚至計(jì)劃將應(yīng)用提高到更高層次。他們選擇LMS解決方案的另一個(gè)原因是LMS Samcef聯(lián)合LMS Imagine. Lab AmesimTM可以將機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)聯(lián)合起來進(jìn)行分析。“這將是我們的下一個(gè)挑戰(zhàn)。”趙峰說，“我們希望提供給客戶更好的用戶體驗(yàn)，智能化制造是我們的未來，通過將LMS Samcef機(jī)械系統(tǒng)仿真與LMS Amesim電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)仿真結(jié)合起來，LMS解決方案將具備所有的能力幫助我們開發(fā)下一代的智能機(jī)床設(shè)備。”

客戶主營業(yè)務(wù)

沈陽機(jī)床股份有限公司成立于1995年，是中國國有大型機(jī)床設(shè)備制造廠商。沈陽機(jī)床提供一系列不同的機(jī)床產(chǎn)品，包括普通車床、CNC數(shù)控機(jī)床、管螺紋車床和銑鏜加工中心。這些產(chǎn)品被應(yīng)用于各種不同行業(yè)，如汽車、航空航天和國防以及鐵路運(yùn)輸行業(yè)等。

“LMS Samcef幫助我們縮短開發(fā)過程中的仿真時(shí)間超過50%，同時(shí)，仿真結(jié)果也更加精確。”

“通過將LMS Samcef機(jī)械系統(tǒng)仿真與LMS Amesim電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)仿真結(jié)合起來，LMS解決方案將具備所有的能力幫助我們開發(fā)下一代的智能機(jī)床設(shè)備。”

“LMS Samcef軟件包含非常強(qiáng)大的求解器，具有世界級(jí)的求解技術(shù)，特別是對(duì)于大變形的非線性問題的求解，同時(shí)還支持并行計(jì)算。”

“得益于 LMS Samcef 解決方案，我們可以把所有的仿真縮短到 2天時(shí)間完成。以前，同樣的仿真需要花至少5天的時(shí)間。”