几个世纪以来，机床一直用于木材、金属或其它固体材料的成形加工。机械加工一般涉及切割、钻孔、磨削或剪切固体块，以实现部件所需的最终形状。直到上世纪下半叶现代计算系统出现之前，技能娴熟的操作员需要手动调节切割或磨削工具的位置与速度，按要求的容差加工部件。而计算机在很大程度上把机械师变成高科技工艺师，他们为切割工具的速度和方向编程，实现自动化操作。

Ansys的一家客户来自机床领域，他们提供综合全面的计算机数控机床，凭借五轴机械加工技术提供的灵活性，可生产研磨工具、钻头、阀门、可转位刀片等切割工具。五轴包括标准的x、y和z空间轴以及围绕x轴和z轴的两个旋转轴（a和b）。使用五轴代替三轴，可确保加工件朝向完整机械加工所需的所有角度，无需在这个过程中的任何步骤手动调整方向。

一家金属切割工具制造商要求这家数控机床企业提供一台能够自动运行50小时的数控机床时，但是，该数控机床企业的四款标准机床没有一款能合乎要求。其客户需要的这种机床，不仅需要长时间无人值守运行，还必须能在这段时间里切换多种加工操作，因此可以制造不同的产品。这需要机械臂从装有七个托盘的旋转台上装载和卸载工件，这些金属托盘用圆形置物格放置给料和成品部件。此外，它还要求对成品部件进行自动测量，以控制其质量，这就需要定制的计算机数控机床。

数控机床企业的仿真实践

这家数控机床企业几年来一直使用Ansys Mechanical解决方案来满足其定制需求。在此之前，他们曾尝试过其他供应商提供的仿真软件，但发现软件的学习和使用难度很大。只有4位工程师接受了使用仿真软件的培训，以应对该公司频繁接到的定制订单，这就造成设计瓶颈。在采用Ansys Mechanical之后，工程师发现学习如何设置和运行仿真变得非常简单，如今，包括所有设计工程师和制造工程师在内的20位工程师都定期使用Ansys Mechanical。

机械加工对容差的要求愈来愈严格，是数控机床领域需要Ansys Mechanical的原因之一。工程师正在追求1到10微米范围的容差，有时甚至是亚微米级别的容差。在试图理解接触摩擦如何影响这个范围的容差时，表面摩擦的非线性以及它们影响变形和表面压力的方式相当复杂。Ansys Mechanical仿真能解决这些复杂的问题。数控机床工程师使用 Ansys Mechanical了解五轴机床的大型结构和复杂运动如何影响机床的模态响应和谐波响应。随后他们将该信息反馈至仿真，以确定模态响应和谐波响应如何影响控制系统。宏观尺度的振动和谐振会影响微观尺度的精度，而Ansys Mechanical在两个尺度上都能提供有价值的功能。

来自数控机床企业客户的挑战

上述金属切割工具制造商的订单要求，为这家数控机床企业带来的主要挑战是，需确保旋转台的刚度和硬度。旋转台上要放置七个用来容纳给料和成品部件的托盘，由于使用机械臂装载和卸载给料与成品部件，工程师必须确保托盘台在每次旋转后准确定位，这样可确保机器人顺利取走下一个部件，避免失误。

这是一个重要挑战，因为旋转台支撑的七个托盘中装有48到100个不同重量和尺寸的工具。总重量可达数百千克，因此必须考虑旋转台的向下挠曲。

另一个挑战是优化这个自动系统的磨轮修整器设计。磨轮是一种固体研磨轮，用于各种磨削和平滑操作。在使用过程中，磨轮的表面可能会被机械加工颗粒阻塞或发生变形，不再保持真正的圆形，导致其磨削效率低下。磨轮修整器通常由金刚石制成，压贴在旋转轮上，以修整并清洁其表面，使之恢复到最佳状态。在有人值守的机床上，修整操作可由人类操作员执行，将修整工具压贴在磨轮上。然而，修整工具必须构成自动化机床的一部分。由于这家数控机床企业的标准机床没有提供太多空间容纳这种工具，工程师必须优化修整器部件的刚度，以确保修整器既能安装到此物理空间，又能保持其结构的完整性。

数控机床企业工程师使用Ansys Mechanical解决来自其客户的这两大挑战。

Ansys Mechanical解决方案

上述企业的工程师使用Ansys Mechanical，根据操作过程中不断变化的载荷条件来测量托盘台上的挠曲。当托盘中添加部件后，挠曲增大；取走部件后，挠曲减小。通过查看系统上持续变化的应力，工程师能够优化设计，并增加装配体在机器人装载和卸载点的总体刚度。

对于机床侧面的修整器，工程师对装配体的挠曲开展了Ansys Mechanical仿真，在不影响系统刚度的情况下，最大限度缩小修整器安装的尺寸。刚度十分重要，因为修整器必须压合在磨轮上，才有足够的力量去除嵌入的颗粒，让轮子恢复到圆形。尽量减小修整器安装的挠曲，可保持修整器对轮子的必要压力，这对保持轮子的真正形状至关重要。

工程师对托盘刚度和修整器安装挠曲进行了多次迭代，直至仿真获得收敛。通过在Ansys Mechanical中迅速迭代，使整个过程可以快速、轻松地完成。

机床企业和其客户最终获得理想的解决方案

Ansys Mechanical仿真让数控机床企业的工程师对他们的设计充满信心。如果不采用仿真工具，则至少需要额外的4-5周时间为他们的客户系统构建原型并进行测试。仿真将所需的设计时间总体减少了25%，缩短至不到6个月。工程师通过仿真技术验证了多种设计迭代，并对设计的解决方案进入最终设计测试充满信心。

因为这家数控机床企业的工程师设计的是一次性定制解决方案，所以无法承受原型设计、出现错误、丢弃解决方案、再次尝试的成本，因此必须有信心让设计一次获得成功。而这家企业的金属切割工具制造商客户，现在正在使用这个连续50小时的自动机械加工解决方案，他们员工也不必在夜间倒班和周末加班。

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来源： Michael Butler，Ansys Advantage