一 行業概述

 

自動化設備行業涉及的研發問題眾多，從物理學的角度來講，自動化設備研發涉及的學科領域如下圖所示：

通過仿真可以在設計前期發現產品問題，并提供改進方向。 整體來說，自動化設備行業的主要CAE問題包括：

• 靜力學分析：整體結構及零部件的強度、剛度、穩定性等分析等
• 動力學分析：結構的振動頻率、噪音、隨機振動、轉子動力學等
• 機構運動分析：機構的運動軌跡、速度、加速度、關節力計算等
• 低頻電磁場分析：電路級和系統級的機電控制的仿真和優化等
• 高頻電磁場分析：PCB板級和設備級的信號完整性、電源完整性和電磁兼容分析等
• 疲勞分析：反復受力部件的疲勞性能及耐久性計算等
• 優化分析：結構的拓撲形狀及尺寸優化減重等
• 復合材料分析：復合材料的鋪層強度計算、鋪層優化等
• 跌落碰撞分析：包裝可靠性、碰撞、跌倒、跌落研究等等
• 多物理場分析 （難點） ：電子設備的電熱結構耦合、機電液一體化（子）系統級運動分析等
• 虛擬樣機： 多學科融合

 

二 解決方案

 

1、在MSC Adams中建立數控機床的機構動力學模型，進行初步機構運動學分析。

2、使用MSC Nastran對關鍵部件進行有限元分析，得到模態中性文件。

3、將MSC Adams機構模型中相應的剛體部件替換為柔性體，建立剛彈耦合模型。

4、使用MSC Easy5中建立詳細電液控制模型。

5、將電液模型與機構模型整合，電液系統向機構系統輸出作用力指令，機構系統反饋部件的動力學相應（位移、速度）；進行整體的動力學計算分析，評價控制精度和響應指標等。

 

三 應用案例

 1、機構運動

△ 機構運動仿真分析（視頻）

2 、結構/熱

機床的熱變形直接來源于其溫度分布。機床中的溫度場是由內外熱源和邊界條件共同決定的，機床中的熱源可以分為內熱源和外熱源，內熱源是指機床中運動副之間的摩擦生熱以及切削過程中的發熱等；外熱源包括環境溫度的變化和諸如陽光及操作者體溫之類的熱輻射，另外還有冷卻液、切削液等二次熱源；機床中的熱邊界主要包括內部的熱傳導，冷卻液等引起的熱對流以及機床表面的熱輻射。通常內熱源的發熱量遠遠大于外部熱源和二次熱源，根據實驗測定，主要的內熱源，比如主軸軸承附近的溫升可以比遠離熱源的床身等部位的溫升高20℃左右。

機床的結構改進主要針對熱彎曲而進行。影響熱彎曲的因素主要有兩點，即結構剛度及溫度梯度：

• 在箱體前壁的熱彎曲中，由于主要是箱壁的Y向熱彎曲對加工精度有影響，所以應采用Y向加強筋。
• 由熱膨脹所引起的平移在設計和制造時雖然不能完全消除，但在使用中可以很容易地加以補償。立柱的結構尺寸很大，如果還采用提高剛度的方法，效率不是很高，因此可考慮對稱分布熱源以補償溫度梯度。在熱彎曲所在的平面內對稱設置熱源，可以促使溫度梯度及熱彎曲均呈對稱分布。

 

3、剛彈耦合

3-UPS 并聯機床其動力學系統實質上是一個多柔性體系統，柔性部件對系統的動態特性有很大影響。由于動載荷的存在，使柔性體產生結構變形，從而影響整個系統的動態特性。綜合考慮構件結構尺寸、受力變形及幾何約束關系等影響因素，將3-UPS并聯機床的組成結構進行剛體和柔性體劃分。動、靜平臺與驅動桿分支及平行機構相比，其剛度很大，故可以視為剛體；驅動桿組件中擺動桿直徑較大，懸伸量較小，可以視其為剛體；伸縮桿長度直徑比較大，為細長桿結構，應將其作為柔性體。

刀尖點響應變化曲線可以看出，隨著阻尼的增加，刀尖點的最大響應位移迅速減小，振動位移的抑制量由0.0033mm 提高到0.0102mm，阻尼的合理配置將有利于改善機床的動態特性。

 

4、控制系統

Adams/Controls可以實現控制系統與機械系統的機電一體化仿真，有聯合仿真和控制導入兩種模式，利用控制導入模式還可實現對控制系統參數的優化。

5、綜合案例A

△ 瓶裝機仿真分析（視頻）

項目背景：**公司是專業做包裝設備設計、制造及銷售的工業公司，其業務范圍涉及啤酒、食品、醫藥、化工行業的各個領域，用戶遍布世界各地。

客戶要求：某客戶提出要求瓶裝機能達到一個小時處理36000瓶的速度。

工程挑戰：目前該公司所設計的設備最快只能達到24000瓶/小時的處理速度，提高瓶裝機的處理速度，會產生較大的振動而導致設備受損。

解決方案：利用ADAMS建立設備的虛擬樣機評估設備總體性能，同時利用Nastran生成關鍵部件的柔性文件，在系統分析時考慮部件柔性的影響，通過分析高速工作狀態下，實時觀察部件應力狀態，優化部件結構，提高其剛度同時減少質量，滿足高速工作要求。   

項目價值：裝瓶速度高了50％，并且關鍵部件質量降低了20%-30%。

 

6、綜合案例B

項目背景：高速機床制造商

工程挑戰：

• 高速加工會激勵機床結構的模態導致振動
• 強大的線性馬達控制最佳性能可能導致穩定性問題
• 非線性控制系統可能導致極限環的行為

解決方案：利用MSC Easy5建立完整系統包括電機、傳感器、控制器，并利Nastran建立結構FEA模型，將控制系統與結構整合，通過調整控制器來減小控制系統與結構的相互作用。

項目價值：能夠讓工程師了解控制系統和結構之間的耦合關系，在建立控制系統物理樣機前調整控制器使其降對結構的響應的影響，從而節省時間和成本。