沈阳机床采用西门子工业软件的非线性动力学分析解决方案，帮助设计高易用和可靠性的机床设备。
挑战
• 减少机床振动和噪声，提升用户使用安全性
• 优化机构设计，提升机床设备易用性
• 为智能化机床的全新挑战提供仿真解决方案
• 尽早实现设计决策，缩短产品开发周期
成功关键
• 采用先进的仿真和测试手段对机床的模态特性进行研究
• 进行非线性动力学分析以获取部件动态应力
• 具备机电联合仿真的解决方案
结果
• 优化机床结构设计，提升设备易用性
• 在设计早期就能够对可能存在的风险进行评估并改进
• 缩短产品开发过程中的结构仿真时间
设计复杂的工业机械
当今激烈的竞争环境和对能源效率的普遍要求推动工业机械和重型设备制造商快速研发出高效能和低成本的创新性产品。客户希望设备厂商能够提供最优的产品性能，同时还要满足日益严格的行业规范和标准。除了环保因素，还需要考虑安全性和可靠性。这就需要评估设计的振动和噪声性能，因为强烈振动会导致结构失效，甚至会导致整个设备的损坏。
所有这些导致机床设计成为一项需要平衡各种冲突需求的复杂任务。对加工效率和精度的要求需要采用高速、多部件联动的设计方案，但这又会导致较大的内部载荷，从而可能对加工质量、设备耐久性和噪声问题产生负面影响。客户希望机床减重设计，以节省材料和物流成本，但对产品质量的要求却保持不变。越来越多的控制和智能电气系统的使用帮助优化了产品性能，但同时也提升了设计的复杂性。
中国国有大型机床设备制造厂商沈阳机床研发中心的设计工程师赵峰说：“机床技术发展非常迅速。与之前相比，客户给我们提出了更多的要求，他们一方面希望机床设备具有高加工精度、效率和易用性，同时还提出其它方面越来越严格的要求，比如考虑到机床操作工的健康问题，我们需要尽可能的降低机床噪声。由于要考虑越来越多方面的因素，这就需要我们建立一套更加标准和高效的产品开发方法和流程。”
采用仿真技术缩短产品开发周期
对机床结构设计进行分析和改进过去曾经是一个非常漫长的过程，往往需要借助若干次的工程样机反复试验和设计更改，但是越来越紧的产品研发进度和预算要求已经不容许再采用这种落后的方式。越来越多的机床设备制造商开始寻找不同的仿真技术手段以帮助在设计阶段就能够对可能存在的风险进行评估和改进，以在第一轮工程样机试验之前就能够达到一个高可靠性和优化的设计。这显著缩短了产品开发周期并降低了成本。
沈阳机床的技术工程师找到了西门子工业软件的LMS解决方案，能够覆盖整个产品开发周期各个阶段的业界最完整的工程解决方案。LMS通过多学科多领域的系统级仿真、三维结构性能仿真和试验技术，为从概念设计到最后工程样机验证的整个产品开发过程提供端到端的解决方案，能为客户带来比市场上其它竞争对手更加创新、高质量和经济友好的设计。它们可以帮助像沈阳机床这样的工程机械和重型设备制造厂商应对越来越高的技术挑战和随着工业4.0时代到来所伴随的更加复杂严苛的客户需求。
“通过缩短产品开发周期，我们的产品能够更加快速的投放市场，这使得沈阳机床能够成为行业技术标杆和创新先锋”，赵峰说，“西门子工业软件的LMS解决方案为我们提供了快速提升机床设备稳定性和可靠性的所有必要工具，这帮助我们提升了产品质量和品牌价值。另外，这些解决方案和西门子数控系统和西门子伺服电机驱动系统，为我们提供了完整的集成解决方案来制造我们的机床设备。”
切削机床模态分析
沈阳机床的工程师在第一个CNC立式机床项目中成功验证了LMS三维仿真解决方案的准确性。这种机床特别适合切削像陶瓷这样的难切削材料，因而为保证加工的稳定性和精度，减少机床振动就显得特别重要。工程师用LMS Samtech Samcef软件进行了机床结构的模态分析，并与LMS SCADAS数据采集系统和LMS Test Lab测试系统得到的测试结果进行了对比验证。
“LMS Samcef软件通过独特的方式将有限元与多体动力学结合起来。”赵峰说，“通过这一独特技术，我们可以进行机床的刚柔耦合仿真。软件包含非常强大的求解器，具有世界级的求解技术，特别是大变形的非线性问题的求解，同时还支持并行计算。第一次对比验证，仿真结果与试验结果的频率误差最高不超过16%，这验证了柔性体建模的准确性。”
“模态分析的结果已经能为设计改进提供一些方向性的指导。我们发现第一阶模态振型主轴箱和机床床体之间有较大的模态振型。”赵峰说，“这导致机床主轴和工作台之间产生相对位移，这对于机床是不好的。这警示了我们主轴箱和机床床体之间的连接刚度较低，因此我们得到结论需要加强主轴箱结构以提升连接刚度。”
高级非线性动力学分析
经过成功的模态验证，沈阳机床的工程师们进一步进行了机床的非线性机构动力学分析。柔性部件之间通过铰链、螺纹连接、滑动副等不同的约束连接方式实现了精确建模，通过刚柔耦合分析得到机床工作过程中柔性体的动态应力。通过这种方式可以对机床导轨、滑块、滚珠丝杠、床身、箱体等各主要部件在不同载荷工况下的情况进行评估。该解决方案在设计早期就能够对潜在的设计风险进行评估，证明了其价值所在，将成为未来机床产品开发流程中的标准环节。
和西门子工业软件技术专家的紧密合作帮助沈阳机床的工程师快速掌握了LMS Samcef解决方案。通过项目合作和专门的培训，LMS Samcef可以非常容易被掌握。“我们还评估了具有类似非线性分析能力的其他软件。”赵峰说，“但LMS Samcef软件具有更加高效的建模和求解效率，也正因此，LMS Samcef是进行机床和机器人建模和动力学仿真的较佳选择。这在软件评估时被西门子工业软件的技术专家进行了非常清晰的证明。”
这种高效性帮助沈阳机床缩短了产品开发周期。“拥有这一有限元与多体动力学耦合的独特解决方案避免了我们之前仿真流程中不同仿真软件之间数据传递的繁琐过程。”赵峰说，“由于LMS Samcef解决方案，我们可以把所有的仿真缩短到2天时间完成。以前，同样的仿真需要花至少5天的时间。我们可以说LMS Samcef帮助我们缩短开发过程中的仿真时间超过50%，同时，它的仿真结果也更加精确。”
未来应用计划
沈阳机床的工程师希望将LMS Samcef用于未来更多的项目之中，他们甚至计划将应用提高到更高层次。他们选择LMS解决方案的另一个原因是LMS Samcef联合LMS Imagine. Lab AmesimTM可以将机械系统、电气系统和控制系统联合起来进行分析。“这将是我们的下一个挑战。”赵峰说，“我们希望提供给客户更好的用户体验，智能化制造是我们的未来，通过将LMS Samcef机械系统仿真与LMS Amesim电气系统和控制系统仿真结合起来，LMS解决方案将具备所有的能力帮助我们开发下一代的智能机床设备。”
客户主营业务
沈阳机床股份有限公司成立于1995年，是中国国有大型机床设备制造厂商。沈阳机床提供一系列不同的机床产品，包括普通车床、CNC数控机床、管螺纹车床和铣镗加工中心。这些产品被应用于各种不同行业，如汽车、航空航天和国防以及铁路运输行业等。
“LMS Samcef帮助我们缩短开发过程中的仿真时间超过50%，同时，仿真结果也更加精确。”
“通过将LMS Samcef机械系统仿真与LMS Amesim电气系统和控制系统仿真结合起来，LMS解决方案将具备所有的能力帮助我们开发下一代的智能机床设备。”
“LMS Samcef软件包含非常强大的求解器，具有世界级的求解技术，特别是对于大变形的非线性问题的求解，同时还支持并行计算。”
“得益于 LMS Samcef 解决方案，我们可以把所有的仿真缩短到 2天时间完成。以前，同样的仿真需要花至少5天的时间。”
赵峰 博士 设计工程师
设计研究院机床实验室
沈阳机床(集 团)有限责任公司.
