1、 基于虚拟样机的 CNC 机床性能测试方法及应用研究 河北工业大学硕士学位论文 基于虚拟样机的 CNC 机床性能测试方法及应用研究 摘 要 测试作为人类认识客观对象内在联系与变化规律的一种科学方法，在新产品的性能评估方面起着关键作用，它是产品研发过程中的一个重要环节。然而，传统的物理测试手段耗时长、费用高，且有时具有破坏性等，已经无法适应现代市场的需求。 虚拟测试以产品的虚拟样机为基础，通过应用计算机仿真技术、可视化技术等将反映产品性能的数据以更加直观、容易理解的二维图形或是三维实体的形式显示出来。应用虚拟测试可以在产品的实物样机制造和使用之前发现潜在的问题和缺陷，而且可以在任意的工况下，尤其
2、是极其复杂危险的工况下，对产品性能进行测试验证，从 而节省了测试的成本、提高了测试的安全性，已广泛应用于航空航天测试、汽车测试、复杂机电产品测试、电路测试等各个领域。 本文在深入了解和充分理解虚拟测试及其应用状况的基础下，建立了以虚拟样机建 模、虚拟仿真试验以及智能数据处理为核心的产品性能虚拟测试平台，并以某新型 CNC 机床关键部件的热态性能测试为工程实例对该方法的可行性进行了验证。本文主要分为以下几部分：首先，分别研究了基于物理样机的产品性能测试手段与基于虚拟样机的产品性能测试手段，指出了物理测试的不足以及虚拟测试手段的优势；其次，在明确了虚拟测试定义以及分类方法的基础上，分别对其在国内外
3、的发展现状进行了概述；再次，研究了虚 拟测试的理论模型、体系结构、实现的理论方法以及关键技术；最后，对某新型 CNC 机床主轴系统的热态特性进行测试，通过将仿真试验与虚拟仪器相结合，达到了在设计阶段全面评测其性能的测试目的，在一定程度 上减少了人力资源的消耗，提高了测试的效率和精度，对机床产品的性能测试工作具有一定的参考价值。 关键字： 虚拟样机，虚拟测试， CNC 机床 ,热态性能测试，虚拟仪器 i 基于虚拟样机的 CNC 机床性能测试方法及应用研究 目 录 第一章 绪论 . 1 1 -1 课题提出的背景和意义 . 1 1-1-1 课题的背景 . 1 1-1-2 课题的意义 . 2 1 -2
4、 国内外 研究现状 . 3 1-2-1 基于虚拟现实的虚拟测试技术发展现状 . 4 1-2-2 基于虚拟仪器的虚拟测试技术发展现状 . 4 1-2-3 基于软件仿真的虚拟测试技术发展现状 . 5 1-2-4 虚拟测试技术在机床热态性能测试上的研究现状 . 5 1 -3 论文的研究内容 . 6 第二章 产品性能的虚拟测试技术 . 7 2 -1 虚拟测试技术的理论模型 . 7 2 -2 虚拟测试系统的体系结构 . 8 2-2-1 基于虚拟现实的虚拟测试系统的体系结构 . 8 2-2-2 基于虚拟仪器的虚拟测试系统的体系结构 31 . 10 2 -3 虚拟测试实现的理论方法 .11 2 -4 本章小
5、结 . 12 第三章 产品性能虚拟测试的实现技术 . 13 3 -1 测试技术 . 13 3 -2 虚拟样机建模技术 . 14 3 -3 有限元分析技术 . 16 3 -4 仿真技术 . 17 3 -5 可视化技术 . 19 3 -6 虚拟仪器技术 . 21 3 -7 本章小结 . 23 第四章 机床热态性能测试方法研究 . 24 4 -1 机床热态性能简介 . 24 4 -2 机床热态性能测试的基本方法 . 25 4-2-1 模拟法与图解法 . 25 4-2-2 分析解法 . 25 4-2-3 近似分析法 . 26 4-2-4 数值计算法 . 26 4 -3 温度场计算的有限元法 . 28
6、4-3-1 温度场基本方程 . 28 4-3-2 温度场数学模型及边界条件 . 29 4-3-3 稳态温度场计算的有限元法 . 32 4 -4 热变形计算的有限元方法 . 35 ii 河北工业大学硕士学位论文 4-4-1 热变形基本方程 . 35 4-4-2 热变形计算的有限元法 . 37 4 -5 本章小结 . 40 第五章 机床主轴系统的热态性能虚拟测试 . 41 5 -1 主轴的热变形机理 . 41 5 -2 主轴系统热态性能评价指标和测试方案的确定 . 41 5-2-1 热态性能评价指标的确定 . 41 5-2-2 热态性能测试方案的确定 . 42 5 -3 主轴系统热态性能测试系统的
7、构建 . 44 5 -4 主轴系统虚拟样机模型的建立 . 45 5-4-1 主轴系统有限元热模型的建立 . 45 5-4-2 主轴系统有限元热模型的简化 . 45 5 -5 主轴系统热态性能的虚拟仿真试验 . 45 5-5-1 模型的导入 . 46 5-5-2 单元类型及材料属性的选定 . 47 5-5-3 模型的网格划分 . 47 5-5-4 热源及散热条件的分析与计算 . 49 5-5-5 稳态温度场的求解与结果的后处理 . 53 5-5-6 热变形的求解及结果的后处理 . 55 5 -6 试验数据的后处理 . 57 5-6-1 用户管理 . 58 5-6-2 测试项目 . 59 5-6-
8、3 数据查询 . 64 5 -7 本章小结 . 66 第六章 总结与展望 . 66 参考文献 . 67 致 谢 . 70 攻读学位期间所取得的相关科研成果 . 71 iii 河北工业大学硕士学位论文 第一章 绪论 1 -1 课题提出的背景和意义 1-1-1 课题的背景 测试作为人类认识客观对象内在联系与变化规律的一种科学方法，在新产品的性能评估方面起着关 键作用，它是产品研发过程中的一个重要环节。随着国内外市场竞争的加剧，科学技术发展迅速，产品 更新换代速度加快并呈现出个性化、多样化的趋势。在这种情况下，如何高效的进行新产品的性能测试 以缩短产品推向市场的周期成为企业所亟待解决的问题。 传统的
9、产品开发流程一般为新产品的概念设计与详细设计、物理样机的制造与测试、测试结果分析 与改进设计、重新制造物理样再测试，如此反复，直到达到设计要求后产品才能定性并进入到最后的实际生产阶段，图 1.1 为传统的产品开发流程图。 设计阶段 测试阶段 生产阶段 概念设计 详细设计 制造物理样机 样机性能测试 产品定型投产 修改 修改 测试结果分析图 1.1 传统的产品开发流程 Fig.1.1 The traditional product development flow chart 由图 1.1 可以看出，在传统的产品开发过程中，产品性能的测试工作往往是在按照设计图纸制造出的能实现产品部分 /全部功能
10、或真实再现产品外观的物理样机（ Physical Prototying）后才能进行。测试人员通过对该物理样机进行各种相关的试验来测试各组成部件或整机的实际性能和外观效果等是否符合设计要求，这些试验有时是具有破坏性的。当测试人员通过试验发现设计中存在缺陷时，就需要将相关测试结果反馈给设计人员以帮助其对该设计进行修改，然后再按照新的设计图纸制造出新的物理样机再次进行试验，这样通过不断地重复设计 试验 再设计 再试验的过程，才能使新产品的性能达到要求，并最终得以投放市场。这种基于物理样机的产品性能测试方法在样机的制造环节消耗掉了大量的时间、费用，从而导致新产品的整个研发周期过长，已 经不适于应用在数
11、控机床这类复杂的机电产品的研发过程中。在这种情况下，全新的基于虚拟样机的产品性能虚拟测试方法开始逐步替代传统的物理测试方法，并开始逐渐应用于新产品的开发过程中。 所谓的虚拟样机就是在计算机上构造产品数字模型，是实际生产加工中的实物在计算机中的一种数字描述与映射，它不仅可以反映物理样机的外观、质量、尺寸、重心等特征，而且可以反映各个零部件之间的相互装配关系，甚至可以反映物理样机的零部件成本及其实际装配的时间和成本。一般意义上说 1 基于虚拟样 机的 CNC 机床性能测试方法及应用研究 的虚拟样机是指样机的整机，它可以包括机械系统、液压系统、气动系统、管路系统、电气线路系统以 及控制系统等，是由数
12、字化的零部件在计算机上虚拟装配而成，其中还包含一些重要的仿真信息和数据 用于后续的仿真分析 1。 图 1.2 是基于虚拟样机的产品开发流程图。从图 1.2 可以看出，在基于虚拟样机的产品开发过程中增 加了虚拟样机建模和虚拟样机仿真测试这两个环节，这使得测试人员可以在物理样机制造之前按照设计 图纸构建新产品的虚拟样机模型，然后通过仿真试验对产品进行产品设计质量、制造工艺性、可靠性等 指标进行评测。当虚拟测试结果满足设计要求后再制造产品的物理样机并对其进行物理试验，这在很大 程度上提高了测试的效率、节省了研发的费用等。 设计阶段 测试阶段 生产阶段 虚 样 制 样 产 概 详 拟 机 造 机 品
13、念 细 样 仿 物 性 定 设 设 机 真 理 能 型 计 计 建 测 样 测 投 模 试 机 试 产 修改修改 测试结果分析 Fig.1.2 The virtual-prototype-based product development flow chart 基于虚拟样机的产品开发过程中所使用的虚拟测试技术是计算机技术与测试技术相结合的产物，是 计算机辅助测试（ CAT）智能检测技术的最新发展。虚拟测试技术在可视化、虚拟化、集成化的计算机 或网络环境下，以产品的虚拟样机代替产品的物理样机，通过软件实现测量的部分或全部功能，并且可 以在虚拟环境中对实际的测量过程进行仿真，从而完成对产品创新设计
14、的测试和评估，若对测试结果不 满意，可以返回虚拟样机构建这一环节，通过修改甚至重新构建虚拟样机，直至得到满意的虚拟样机； 而且，利用虚拟样机可以在很短的时间内快速完成 一次甚至多次物理样机无法完成的试验，以及对不同 的设计方案进行测试，直至获得系统级别的最优方案 2。另外 ,采用虚拟测试技术还能够进行系统极端 工作情况的试验，如系统安全性能试验、核爆炸试验等。因此，若在整个产品开发过程中采用虚拟测试 技术，可以在新产品开发过程中减少物理样机的试验次数甚至取消物理样机的试验环节，这样在保证产 品质量的前提下可大大缩短开发周期，降低开发成本，使企业在激烈的市场竞争中尽早推出新产品占领 市场并取得领
15、先优势，已广泛应用于航空航天、汽车、船舶等大规模复杂系统的开发与制造过 程中。 1-1-2 课题的意义 进入二十一世纪以来，为保持其在制造技术上的竞争力，各发达工业国家将发展精密和超精密加工 技术作为本国发展经济的重要途径。机床工业作为国家基础工业的基础，对提高各个工业部门装备的自 动化水平和劳动生产效率以及实现国防现代化起着重要的作用，所以发展高速、高效、高精度和自动化 2 河北工业大学硕士学位论文 的数控机床，尤其是高速精密数控机床已成为我国机床行业的重要研究方向。然而，由于我国数控机床 产品开发理念相对落后，导致研发出的数控机床在结构、性能、精度及自动化水平上与国外同类数控产 品差距都很
16、大，并且研发周期长、研发成本高，这严重影响了产品更新换代的速度，从而导致我国的机 床制造企业的数控机床无法在国际市场上与国外同类产品展开竞争。为此，我国的数控机床制造企业必 须尽快将先进的开发理念应用到新产品的开发过程中，以开发出适合国内外市场需求的高速精密数控机 床，从而提高我国数控产品的市场竞争力。 随着零件加工精度要求的不断提高，以及产品总量的不断增长，对数控加工机床性能的要求也越来 越高。据资料表明，在现代高速切削加工过程中，因切削深度与进给量都比较小，所以切削力也相对较 小，这导致因热变形产生的加工误差远大于因受力变形产生的加工误差，从而使得机床热变形成为影响加工精度的重要因素之一。
17、据英国伯明翰大学 J.Peclenik 教授的调查统计表明，在精密机械加工过程中，由机床热变形所产生的制造误差占到了总制造误差的 40%70%；日本京都大学的垣野义昭教授也有类 似的结论 3。因此，加强对数控 机床新产品的热态性能的测试工作以最大限度的减少因热变形产生的加工误差，成为提高机床机械加工精度的重要手段之一。 本课题对产品性能的虚拟测试技术进行了相关的研究，并将其有效地应用于某新型 CNC 机床主轴系统的热态性能测试工作中，其研究意义主要体现在以下几点： （ 1）借助于产品性能的虚拟测试技术，测试及研究人员可以进入虚拟测试环境，在不同的时间和空间尺度上对产品机型观察和研究，寻求不同数
18、据集之间的逻辑关系和物理关系。通过在虚拟环境中对测试系统和测试过程进行仿真，可以很方便地对测试方案进行规划、修改、优化和评估，这是目前其他测试手段所无法比拟的。 （ 2）由于引入了计算机可视化技术，测试技术的表达手段得到了加强，并且可以适用于极为广泛的测试应用场合，为解决虚拟制造系统中的测试问题提供了一种有效的新方法。在仿真测试工作环境中，人由滞后的、被动的参与者变成了领先的、主动的参 与者，对发展产品测试技术有着广阔的应用前景和较大的学术意义。 （ 3）产品性能的虚拟测试技术具有很大的灵活性、适应性和经济性。通过修改软件中有关的参数设置，就可以改变产品模型的物理参数，这样随着测试任务的变化对
19、已有的软件进行修改即可满足心的测试任务的要求，并且还可以模拟或是复现特殊测试现场和过程，这使得测试过程变得方便、灵活，并且可以节省大量的研究经费，具有极大的应用潜力和实际意义。 1 -2 国内外研究现状 目前，我国虚拟测试技术的发展主要集中在汽车、航空、船舶以及复杂机电设备领域。虽然我国的 拟测试技术比国外起步晚，但是这些年却有着良好的发展势头。 根据对虚拟测试概念的整理和归纳，按其性质可分为三类 4： 1、基于虚拟现实（ Virtual Reality ， VR）的虚拟测试技术 2、基于虚拟仪器（ Virtual Instrument， VI）的虚拟测试技术 3 基于虚拟样机的 CNC 机床
20、性能测试方法及应用研究 3、基于软件仿真的虚拟测试技术 1-2-1 基于虚拟现实的虚拟测试技术发展现状 虚拟现实是综合利用计算机图形系统以及各种显示、控制等接口设备，在计算机上生成的可交互的 三维环境中提供沉浸感觉的技术；是一种可以创建和体验虚拟环境的、在计算机内部生成的高技术模拟 系统 5。用户可以 “进入 ”这个人工构造的虚拟环境中，以自然的方式与这个环境交互，即感知环境 并干预环境，从而产生置身于相应的真实环境中的虚幻感。 在国外，基于虚拟现实的虚拟测试技术在航空航天、军事、娱乐、医疗等行业取得了快速的发展，并得到了广泛的应用。在军事方面，八十年代初美国开发出了名为 SIMNET 的虚拟
21、测试系统。在该系统中，每个独立的 SIMNDT 模拟器都能单独模拟 MI坦克的全部特性，包括导航、武器、传感器及显示等 性能，以测试降低坦克编队作战训练费用、确保安全和减低对环境影响的措施。在产品设计方面，美国 SGI 公司在设计波音 777 飞机时，在原有的波音 CAD基础上建立了一个虚拟飞机的三维模型，这使得设 计师能够穿行于虚拟的飞机中，审视 “飞机 ”的各项性能，不但大大节省了经费，还有效缩短了新型飞机的研制周期 6。美国的通用汽车公司开发了 CAVE（ Computer Assisted Virtual Environment）系统，以测试驾驶员置身于虚拟汽车中的感受，从而指导车型的
22、设计 7。瑞典的 Blekinge 技术学院的Jonsson 等开发了用于实时机床动力学仿真的虚拟机床，以测试数控机床的控制、电气及机械部分的特性，以指导对设计方案进行修改 8。 在国内，基于虚拟现实的虚拟测试技术尚处于研究阶段，还未取得实质性的应用。其中，浙江大学在该领域一直处于领先地位，北京航空航天大学、哈尔滨工业大学、清华大学也有很大的进展。浙江大学的郭天太博士对基于虚拟现实的虚拟测试技术进行了系统的研究，并详尽的论述了相 关的概念、理论 模型、实现方法等，为开展基于虚拟现实的虚拟测试技术的研究打下了坚实的理论基础 9。浙江大学的商俊敏博士建立了汽车平顺性试验使用的虚拟环境和运动学模型，
23、以仿真数据来驱动汽车模型，实现了汽车平顺性的虚拟测试 10。哈尔滨工业大学的黄垒硕士利用虚拟现实技术研究了装配工艺设计中零部件精度定位问题，弥补了传统设计方式单一的不足 11。 1-2-2 基于虚拟仪器的虚拟测试技术发展现状 虚拟仪器是一种概念性仪器，它利用计算机的数据处理和图形处理能力，将传统物理仪器的专业化 功能和面板控制软件化，并可以通过软件实现了数据间的通讯，从而使得测试人员可以直接从虚拟显示 面板（如虚拟温度计、数码管、示波器等，其在功能上与各种物理仪器面板相对应）上了解仪器的状态， 读取测试结果 12。虚拟仪器以前面板代替了真实的仪器面板，是一种功能意义上的仪器，其功能远胜 于传统
24、的物理仪器。 虚拟仪器可依据用户的要求自行设计，这让用户可以放心的舍弃传统的物理仪器，接受价格更为低 廉的虚拟仪器，这减少了测试系统的开发和维护费用，可广泛应用在电子测量、航空航天、铁路交通、 机械工程等诸多方面。 国外的研究重点多在虚拟仪器软件的研发上，其中比较有影响力的有 NI 公司的 LabWindows/CVI软 件和 LabVIEW软件， HP 公司的 HP VEE和 HP TIG 软件， Tektronix 公司的 Ez Test 和 Tek TNS 软件以及 HEM Data公司的 Snap-Master 软件等 13。 国内在虚拟仪器的研发方面，重庆大学一直处于前沿地位。尹爱军博士在其博士论文中，对秦树人 4
