1、 学 位 论 文 基于虚拟样机的 CNC 机床仿真测试技术及应用研究 指导教师姓名： 申请学位级别： 论文提交日期： 学科、专业名称： 仪器科学与技术 论文答辩日期： 学位授予单位： 河北工业大学 答辩委员会主席： 评 阅 人： 20XX 年 X 月 基于虚拟样机的 CNC 机床仿真测试技术及应用研究 摘要 旧的机床设计乃至整个工业产品的设计主要是依靠经验设计和实验测试相结合来进 行。产品开发过程中必须在产品设计完成之后制作成物理样机才能进行一些性能的测试， 然后再根据性能测试的结果来去完善产品的设计，既耗费时间又增加了样机试制的成本。 要想在保证产品质量的同时尽可能缩短产品上市时间就必须要在
2、设计和制造过程中实现 即时和精确的测量，这就要求设计与测试必须协同工作。 本文提出了一种基于虚拟样机的仿真测试方法，研究目的是利用虚拟样机仿真测试方 法的优点来弥补以往机床设计阶段性能优化方法的缺点，从而完成产品研发过程前端质量 控制。以大型、高速数控车床 HTC2550hs 为课题研究对象，采用虚拟样机技术、数值模拟 技术虚拟现实技术以及虚拟仪器技术为四大支撑技术创建了一个基于虚拟样机的仿真测 试系统，便捷的完成对高速数控车床性能测试过程。该仿真测试方法的特点是基于虚拟样 机进行的，所以在进行性能测试之后可以及时针对测试结果便捷的调整设计模型重新进行 性能测试直至满足设计要求。文中详细介绍了
3、仿真测试系统的搭建、关键技术在该仿真测 试系统中的应用以及机床静动态性能测试实现的过程，最后通过物理试验测试结果验证了 该仿真测试方法的可行性。 关键词： 高速数控装备，仿真测试，虚拟样机技术，数值模拟技术，虚拟现实技术，虚拟仪器技术 i ABSTRACT The industry products design process was time-consuming and add the cost of the prototype because it relied on experience design and experimental test Physical prototype w
4、as made after the completion of design process and then to make some performance test， according to the results of the performance test and improve the design of the product In order to improve the quality of product at the same time shorten the design cycle， experimental test must be taken in the d
5、esign and manufacturing process， make sure design and testing work together This paper put forward a simulation testing method based on virtual prototype The goal was to use the advantages of this method to make up for past machine design stage performance optimization method shortcomings， complete
6、Front-end quality control By high speed machining center HTC2550hs for subject research object， with the virtual prototype technology, numerical simulation technology of virtual reality technology and virtual instrument technology to create a simulation test system， convenient complete performance t
7、est of the lathe The simulation test method is based on the characteristics of the virtual prototype， design model can in time and convenient adjustment according to the performance testing results to meet the design requirements This paper introduces the construction of the simulation test system，
8、the key technology in the simulation test system application and the simulation testing method used in the machine tools static and dynamic performance testing process Finally through the physical experimental test results show that the simulation test the feasibility of the method. KEY WORDS： High-
9、speed CNC equipment, Simulation test， Visual prototype， Numerical simulation， Virtual reality， Virtual instrument ii 目 录 目 录 . iii 第一章 绪论 . 1 1 -1 高速数控装备样机测试过程存在的问题 . 1 1-1-1 产品样机设计过程存在的问题 . 1 1-1-2 产品样机性能测试过程存在的问题 . 1 1-1-3 高速加工技术对机床结构的要求 . 2 1 -2 课题提出的背景和意义 . 2 1 -3 仿真测试技术及 CNC 机床测试的研究现状 . 3 1-3-1
10、 仿真测试技术国内外研究现状 . 3 1-3-2 高速机床性能测试的国内外研究现状 . 4 1 -4 论文主要研究内容 . 4 1 -5 论文结构 . 5 第二章 基于虚拟样机的仿真测试方法研究 . 6 2 -1 前置测试模型 . 6 2 -2 仿真测试理论研究 . 7 2-2-1 仿真测试相关概念 . 7 2-2-2 仿真测试理论方法 . 8 2-2-2 仿真的基本框架 . 9 2 -3 基于虚拟样机的仿真测试方法 . 10 2-3-1 虚拟样机的概念 . 10 2-3-2 虚拟样机在产品全周期设计过程中的优势 . 12 2-3-3 基于虚拟样机的仿真测试方法开发途径 . 13 2-3-4
11、基于虚拟样机的仿真测试方法工作流程 . 15 2 -4 本章小结 . 15 第三章 基于虚拟样机的仿真测试方法基础理论和关键技术 . 16 3 -1 相似理论 . 16 3-1-1 相似理论是仿真测试的基础理论 . 16 3-1-2 相似理论在基于虚拟样机的仿真测试技术中的应用 . 18 3 -2 仿真测试方法实现的关键技术 . 19 3-2-1 虚拟样机建模技术 . 19 3-2-2 有限元数值模拟技术 . 20 3-2-3 虚拟现实技术 . 21 3-2-4 虚拟仪器技术 . 22 3-2-5 可视化技术 . 23 3 -3 关键技术在仿真测试系统中的应用 . 24 3-3-1 虚拟样机技
12、术在仿真测试系统中的应用 . 24 3-3-2 有限元数值模拟技术在仿真测试系统中的应用 . 28 iii 3-3-3 虚拟现实技术在仿真测试系统中的应用 . 29 3-3-4 虚拟仪器技术在仿真测试系统中的应用 . 32 3 -4 本章小结 . 35 第四章 机床静态及动态性能测试研究 . 36 4 -1 机床物理样机的测试条件及测试项目 . 36 4-1-1 机床试验条件 . 36 4-1-2 机床物理样机测试项目和试验程序 . 36 4 -2 机床物理样机静态性能测试 . 38 4-2-1 机床静态性能测试要求 . 38 4-2-2 静刚度的定义及评定方法 . 38 4-2-4 机床静态
13、性能物理测试装置和测试方法 . 39 4 -3 机床物理样机动态性能测试 . 42 4-3-1 机床动态性能测试要求 . 42 4-3-2 动刚度的定义 . 42 4-3-3 机床抗振性的图示法和表征参数 . 43 4-3-4 机床动态性能物理测试装置和测试方法 . 47 4 -4 本章小结 . 49 第五章 基于虚拟样机的 CNC 机床仿真测 试系统 . 50 5 -1 系统平台搭建工具 . 50 5 -2 仿真测试系统构建 . 50 5-2-1 仿真测试系统结构组成 . 50 5-2-2 仿真测试系统平台 . 52 5 -3 仿真测试系统在 CNC 机床静态性能测试中应用 . 54 5-3
14、-1 CNC 机床静态性能测试要求 . 54 5-3-2 仿真测试实现过程 . 55 5-3-3 仿真测试结果分析 . 59 5 -4 仿真测试系统在 CNC 机床动态性能测试中应用 . 61 5-4-1 CNC 机床动态性能测试要求 . 61 5-4-2 仿真测试实现过程 . 62 5-4-3 仿真测试结果分析 . 68 5 -5 试验验证 . 70 5-5-1 CNC 机床静态性能测试试验装置 . 70 5-5-2 CNC 机床静态性能测试试验步骤 . 71 5-5-3 CNC 机床静态性能测试试验结果 . 71 5-5-4 试验结果与仿真测试试验结果对比 . 72 5 -6 本章小结 .
15、 73 第六章 结论与展望 . 74 6 -1 主要研究成果 . 74 6 -2 本文的不足和展望 . 74 参考文献 . 75 iv 附录 A . 78 致谢 . 82 攻读学位期间所取得的相关科研成果 . 83 v 河北工业大学硕士学位论文 第一章 绪论 1 -1 高速数控装备样机测试过程存在的问题 1-1-1 产品样机设计过程存在的问题 高速切削技术的发展推动了各种数控机床的出现及迅速发展。先进的机械结构系统使现代数控机床比传统机床的运动速度提高了 5-10 倍，因此它对静态以及动态性能的要求比传统机床提高了很多倍 2。我国数控机床的水平与国际先进水平的差距更大。主要表现 2在：产品开发
16、周期长、设计手段落后，并 且可靠性和应变能力差等。 以往的机床设计乃至整个工业产品的设计主要是依靠经验设计和实验测试相结合来进行，其步骤 是：经验设计 -样机试制 -样机测试 -改进设计。产品开发过程中必须在产品设计完成之后制作成物理样 机才能进 行一些性能的测试，然后再根据性能测试的结果来去完善产品的设计，这样既耗费时间又增加 了样机试制的成本。工程师们要想在保证产品质量的同时尽可能缩短产品上市时间就必须要在设计和制 造过程中实现及时和精确的测量。这就要求设计与测试必须协同工作，以使一个设计概念真正变成一个 现实的产品。而设计与测试过程之间的不衔接正是设计产品制造商们所忽视了的。很明显产品设
17、计工具 链正朝着能更好的衔接产品的设计与测试过程的方向发展。 1-1-2 产品样机性能测试过程存在的问题 我国高速数控装备的研发能力较国外发达国家的水平落后目前主要依赖进口，但是在近十年也有了一定的发展，沈阳机床集团公司的 HTC2535ghs 卧式车削中心是具有铣削功能的高强、高效车削中心，并且具有第二主轴功能，该机床能实现 X、 Z、 C1 或者 X、 W、 C2 三轴联动。第一主轴的最高转速可以达到 4500rpm，第二主轴的最高转速可达 6000rpm。机床的加工精度 IT-IT6，表面粗糙度 Ra0.4um（有色金属）， Ra0.8um（黑色金属） 44。高速数控装备的主轴转速和进给
18、速度都有了明显提升，所以对数 控装备整机和关键部件的性能有了更高的要求，在产品样机设计过程中的性能测试显得更为重要并且测 试要求也显著提高。 高速数控装备的功能不断增强的同时装备的复杂性也越来越高，因此对系统的设计调试和维护提出 了更高的要求。目前在机床设备测试性能测试中考虑到设备和人员安全的因素通常都在低速低频段来进 行测试，难以反映被测装置全面的工作状态；并且在装备的设计测试，抽样检测或者使用维护过程中的 1 基于虚拟样机的 CNC 机床仿真测试技术及应用研究 各种测试实验中，往往要动用非常多的实验设备、进行数以万次测试。这样不仅造成测试成本提高，而 且反复开关机也影响装备的寿命。如果采用
19、物理样机直接进行测试，不但实验的危险性较高而且物理样 机成本高，测试弹性较低，一旦某个部件发生损坏，实验就得重新进行，而采用虚拟样机既可以满足物 理测试要求又可以节约成本，更重要的是虚拟样机的测试弹性很好，可以反复测试，模型修改容易。 1-1-3 高速加工技术对机床结构的要求 高速加工与传统加工工艺相比具有 很多独到的特点，比如可以使机床的生产率明显提高；高速加工 的切削速度提高所以使切削里降低了 30%左右，有助于薄壁零件的加工；并且切削速度的提高使工件 保持很小的温升状态，热变形减小；高速切削时激振频率比较高所以远离了固有频率范围，使得零件加 工处于很小的振动切削状态，提高了表面加工质量；
20、同时高速加工有利于延长刀具的使用寿命 55。 如前所述高速加工的主要特征是采用 5 到 10 倍的常规切削转速进行加工因此，高速加工对机床部 件提出了更高的要求：足够的静刚度以及较高的刚度重量比；并且要具有良好的动态特性，移动部件需 要频繁做往返运动，惯性力的方向反复改变，同时切削中的交变载荷作用，很容易产生整机的震动；还 有应具有良好的热变形热性。 1 -2 课题提出的背景和意义 针对上述分析，在大型、复杂装备的产品样机测试过程中存在的问题旧的测试方法无法解决，所以 需要一种创新的测试方法。仿真测试作为实现测试系统的新的解决方案，逐渐在系统测试中显现优势， 它不但有效的节约成本，缩短了开发周
21、期而且提供了丰富的测试手段，提高了测试效率，实现了系统的 高可靠性。它是以相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一种综合性技术 5。 为了解决大型复杂装备产品开发测试过程中的上述问题，本文应用前置测试模型的理念，采用了一 种基于虚拟样机的仿真测试方法，该方法采用了虚拟样机模型替代了传统的物理样机来进行测试，增加 了测试的弹性，可反复多次进行测试甚至可以进行物理样 机无法进行的某些破坏性测试；在物理样机测 试过程中受到种种因素干扰（如传感器精度不够）或者实验条件的限制（如实验器材有限）从而导致测 试精度的降低，采用虚拟样机的仿真测试方法可以真实的模拟各种物理条件、工况和行为，不会受实验 条件的限制。但是仿真测试不能完全代替物理测试，仿真测试需要与物理测试相辅相成从而提高产品样 机的测试精度。本文将该方法应用于型号为 HTC2550hs 的高速数控车床，对其进行了仿真测试，并将 仿真测试结果和物理测试实验结果进行了对比，验证了该仿真测试方法的可行性。 2
