沈陽機床采用西門子工業(yè)軟件的非線性動力學分析解決方案，幫助設計高易用和可靠性的機床設備。

挑戰(zhàn)

• 減少機床振動和噪聲，提升用戶使用安全性

• 優(yōu)化機構設計，提升機床設備易用性

• 為智能化機床的全新挑戰(zhàn)提供仿真解決方案

• 盡早實現設計決策，縮短產品開發(fā)周期

成功關鍵

• 采用先進的仿真和測試手段對機床的模態(tài)特性進行研究

• 進行非線性動力學分析以獲取部件動態(tài)應力

• 具備機電聯合仿真的解決方案

結果

• 優(yōu)化機床結構設計，提升設備易用性

• 在設計早期就能夠對可能存在的風險進行評估并改進

• 縮短產品開發(fā)過程中的結構仿真時間

設計復雜的工業(yè)機械

當今激烈的競爭環(huán)境和對能源效率的普遍要求推動工業(yè)機械和重型設備制造商快速研發(fā)出高效能和低成本的創(chuàng)新性產品?？蛻粝ＭO備廠商能夠提供最優(yōu)的產品性能，同時還要滿足日益嚴格的行業(yè)規(guī)范和標準。除了環(huán)保因素，還需要考慮安全性和可靠性。這就需要評估設計的振動和噪聲性能，因為強烈振動會導致結構失效，甚至會導致整個設備的損壞。

所有這些導致機床設計成為一項需要平衡各種沖突需求的復雜任務。對加工效率和精度的要求需要采用高速、多部件聯動的設計方案，但這又會導致較大的內部載荷，從而可能對加工質量、設備耐久性和噪聲問題產生負面影響。客戶希望機床減重設計，以節(jié)省材料和物流成本，但對產品質量的要求卻保持不變。越來越多的控制和智能電氣系統的使用幫助優(yōu)化了產品性能，但同時也提升了設計的復雜性。

中國國有大型機床設備制造廠商沈陽機床研發(fā)中心的設計工程師趙峰說：“機床技術發(fā)展非常迅速。與之前相比，客戶給我們提出了更多的要求，他們一方面希望機床設備具有高加工精度、效率和易用性，同時還提出其它方面越來越嚴格的要求，比如考慮到機床操作工的健康問題，我們需要盡可能的降低機床噪聲。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準和高效的產品開發(fā)方法和流程。”

采用仿真技術縮短產品開發(fā)周期

對機床結構設計進行分析和改進過去曾經是一個非常漫長的過程，往往需要借助若干次的工程樣機反復試驗和設計更改，但是越來越緊的產品研發(fā)進度和預算要求已經不容許再采用這種落后的方式。越來越多的機床設備制造商開始尋找不同的仿真技術手段以幫助在設計階段就能夠對可能存在的風險進行評估和改進，以在第一輪工程樣機試驗之前就能夠達到一個高可靠性和優(yōu)化的設計。這顯著縮短了產品開發(fā)周期并降低了成本。

沈陽機床的技術工程師找到了西門子工業(yè)軟件的LMS解決方案，能夠覆蓋整個產品開發(fā)周期各個階段的業(yè)界最完整的工程解決方案。LMS通過多學科多領域的系統級仿真、三維結構性能仿真和試驗技術，為從概念設計到最后工程樣機驗證的整個產品開發(fā)過程提供端到端的解決方案，能為客戶帶來比市場上其它競爭對手更加創(chuàng)新、高質量和經濟友好的設計。它們可以幫助像沈陽機床這樣的工程機械和重型設備制造廠商應對越來越高的技術挑戰(zhàn)和隨著工業(yè)4.0時代到來所伴隨的更加復雜嚴苛的客戶需求。

“通過縮短產品開發(fā)周期，我們的產品能夠更加快速的投放市場，這使得沈陽機床能夠成為行業(yè)技術標桿和創(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床設備穩(wěn)定性和可靠性的所有必要工具，這幫助我們提升了產品質量和品牌價值。另外，這些解決方案和西門子數控系統和西門子伺服電機驅動系統，為我們提供了完整的集成解決方案來制造我們的機床設備。”

切削機床模態(tài)分析

沈陽機床的工程師在第一個CNC立式機床項目中成功驗證了LMS三維仿真解決方案的準確性。這種機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，減少機床振動就顯得特別重要。工程師用LMS Samtech Samcef軟件進行了機床結構的模態(tài)分析，并與LMS SCADAS數據采集系統和LMS Test Lab測試系統得到的測試結果進行了對比驗證。

“LMS Samcef軟件通過獨特的方式將有限元與多體動力學結合起來。”趙峰說，“通過這一獨特技術，我們可以進行機床的剛柔耦合仿真。軟件包含非常強大的求解器，具有世界級的求解技術，特別是大變形的非線性問題的求解，同時還支持并行計算。第一次對比驗證，仿真結果與試驗結果的頻率誤差最高不超過16%，這驗證了柔性體建模的準確性。”

“模態(tài)分析的結果已經能為設計改進提供一些方向性的指導。我們發(fā)現第一階模態(tài)振型主軸箱和機床床體之間有較大的模態(tài)振型。”趙峰說，“這導致機床主軸和工作臺之間產生相對位移，這對于機床是不好的。這警示了我們主軸箱和機床床體之間的連接剛度較低，因此我們得到結論需要加強主軸箱結構以提升連接剛度。”

高級非線性動力學分析

經過成功的模態(tài)驗證，沈陽機床的工程師們進一步進行了機床的非線性機構動力學分析。柔性部件之間通過鉸鏈、螺紋連接、滑動副等不同的約束連接方式實現了精確建模，通過剛柔耦合分析得到機床工作過程中柔性體的動態(tài)應力。通過這種方式可以對機床導軌、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行評估。該解決方案在設計早期就能夠對潛在的設計風險進行評估，證明了其價值所在，將成為未來機床產品開發(fā)流程中的標準環(huán)節(jié)。

和西門子工業(yè)軟件技術專家的緊密合作幫助沈陽機床的工程師快速掌握了LMS Samcef解決方案。通過項目合作和專門的培訓，LMS Samcef可以非常容易被掌握。“我們還評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是進行機床和機器人建模和動力學仿真的較佳選擇。這在軟件評估時被西門子工業(yè)軟件的技術專家進行了非常清晰的證明。”

這種高效性幫助沈陽機床縮短了產品開發(fā)周期。“擁有這一有限元與多體動力學耦合的獨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據傳遞的繁瑣過程。”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天時間完成。以前，同樣的仿真需要花至少5天的時間。我們可以說LMS Samcef幫助我們縮短開發(fā)過程中的仿真時間超過50%，同時，它的仿真結果也更加精確。”

未來應用計劃

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

客戶主營業(yè)務

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

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

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

“LMS Samcef軟件包含非常強大的求解器，具有世界級的求解技術，特別是對于大變形的非線性問題的求解，同時還支持并行計算。”

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