数字化车间仿真实验

实验目的

①建立数字化车间的总体认识,学习机械制造企业生产流程。

②了解车间数字化生产的内容及其生产流程优化方法。

③探讨数字化车间的运行管理机制。

实验原理

数字化车间是指以制造资源(Resource)、生产操作(Operation)和产品(Product)为核心,将数字化的产品设计数据,在现有实际制造系统的数字化现实环境中,对生产过程进行计算机仿真优化的虚拟制造方式。数字化车间技术是在高性能计算机及高速网络的支持下,采用计算机仿真与数字化现实技术,以群组协同工作的方式,它概括了对真实制造世界的对象和活动的建模与仿真研究的各个方面。从产品概念的形成、设计到制造全过程的三维可视及交互的环境,在计算机上实现产品制造的本质过程(包括产品的设计、性能分析、工艺规划、加工制造、质量检验、生产过程管理与控制),通过计算机数字化模型来模拟和预测产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的问题。

在数字化车间的设计和规划阶段各种类型的人员所关心的层次有所不同,所以将数字化车间的模拟仿真力度进行层次的划分,使不同人员在不同阶段得到不同的仿真模拟力度。经过分析,把数字化车间软件分为以下四个层次:数字化车间层、数字化生产线层、数字化加工单元层、数字化操作层,数字化车间 TOP-DOWN 结构如图所示。

数字化车间软件结构图

①数字化车间层:对车间的设备布局和辅助设备及管网系统进行布局分析,对设备的占地面积和空间进行核准,为车间设计人员提供辅助的分析工具。

②数字化生产线层:这一层要关心的是所设计的生产线能否达到设计的物流节拍和生产率,制造的成本是否满足要求,帮助工业工程师分析生产线布局的合理性、物流瓶颈和设备的使用效率等问题,同时也可对制造的成本进行分析。

③数字化加工单元层:这一层主要提供对设备之间和设备内部的运动干涉问题,并可协助设备工艺规划员生成设备加工指令,再现真实的制造过程。

④数字化加工操作层:对具体的工步进行详细的分析,对加工的过程进行干涉等的分析,进一步对可操作人员的人机工程方面进行分析。

实验内容和步骤

①启动数字化工厂虚拟仿真平台,载入预定义的数字化车间仿真模型。

②车间布局仿真

在数字化工厂仿真平台中,对预先定义的数字化车间进行三维浏览和漫游,了解数字化车间的构成和细节。

图 数字化车间的构成和细节

③车间设备总体运行状态监控

通过安灯系统能够实时监控设备状态,绿灯表示正在运行,黄灯表示设备空闲,红灯表示设备故障,如图所示。

图 实时监控设备状态

④设备运行信息分析

选中需要观测的机床,点击菜单“监控”->“显示监控对象信息”,可在弹出对话框中检查机床当前的运行状态,分析设备之间和设备内部的运动干涉问题,并可协助设备工艺规划员生成设备加工指令,再现真实的制造过程。

图 机床当前的运行状态

⑤生产看板

生产看板的功能包括任务分配显示、领料登记、任务进度录入和工时反馈。工人通过生产看板获得自己本班需要完成的任务,到现场的在制品库领取相应的物料进行加工,并通过生产看板进行领料操作,提供物料的现场流动信息;在任务完成加工后,人员通过电子看板录入任务进度,从而向计划调度层次反馈任务的进度和工时信息。

图 生产看板

图 监控设置

船用曲轴制造过程仿真实验

实验目的

①建立典型产品制造全过程的认识和学生自主学习安全的虚拟制造环境,通过虚拟实验真实模拟曲轴不同制造过程与工艺,极大降低实验消耗。

②自主学习典型产品制造过程各个主要工序的加工方法及其工艺设备使用;

③通过对不同加工过程的仿真分析,使学生掌握复杂零件的加工工艺和方法。

实验原理

制造企业的运行涉及到研发过程、管理过程和制造过程三条主线。其中制造过程是从原材料到终成品的过程中相互关联的全部制造活动的总和。制造过程涉及到工艺规划、生产线布局、调度排产等多方面的因素和内容,这些因素直接影响到制造的质量、效率和成本。

曲轴是发动机中承受冲击载荷、传递动力的重要零件,在发动机五大件中最难以保证加工质量。由于曲轴工作条件恶劣,因此对曲轴材质以及毛坯加工技术、精度、表面粗糙度、热处理和表面强化、动平衡等要求都十分严格。如果其中任何一个环节质量没有得到保证,则严重影响曲轴的使用寿命和整机的可靠性。世界汽车工业发达国家对曲轴的加工十分重视,并不断改进曲轴加工工艺。

图 曲轴

表面上看,船用曲轴只是个十多米长几十吨重的一块“铁疙瘩”。然而,它的设计和制造工艺却相当复杂。制造方法大体上有二种,一是整体制造的曲轴,主要用于中小船舶和发电用中、高速的冲程的柴油发动机;另一种是组装式曲轴,主要用于大中型船舶和发电用低速二冲程柴油发动机,是将曲拐和轴颈部件热压成为整体。

实验内容和步骤

①启动机械制造虚拟仿真实验教学平台

②加工过程仿真(锻造、切削和磨削过程)

图  锻造

③组装过程仿真

图 切削

③组装过程仿真

④测试过程仿真

在仿真过程中,可以选择不同加工方法,控制仿真速度、调节视角和视距等参数,分析不同工况加工效果。

实验报告要求

分析曲轴制造过程,以及曲轴制造过程中的典型工艺和设备

分析曲轴制造的难点

机械原理实验——机械系统的 CAE 设计与仿真验证

实验设置目标

应用虚拟样机建模与分析专业软件 ADAMS,结合“机械原理”课程的理论知识和课堂的ADAMS 应用,完成至少 1 个机构或机械系统的设计与虚拟样机建模与仿真分析工作,并撰写项目实验报告,让学生掌握先进技术与经典理论的有机结合方法,从而使学生获得既具有扎实的机构学基础理论知识,具有应用先进的机械系统分析与设计技术与手段的能力。

实验内容与流程

题目选择→机构设计→虚拟样机创建→虚拟样机仿真与分析→实验报告

根据给定或自行拟定的机构设计题目,完成机构的设计;

应用 ADAMS 软件,创建所设计完成机构的虚拟样机模型;

对机构的虚拟样机模型进行运动和动力仿真;

获取机构虚拟样机模型的仿真结果;

分析仿真结果,验证设计机构的正确性;

撰写项目总结报告。

实验过程分别描述如下:

根据课程所学知识,选择设计题目(如图 1 所示),完成机构的设计(如图 2 所示);

图1 机构设计要求

图2  机构的设计结果

利用 ADAMS 软件(如图 3所示),快速创建机构的虚拟样机模型(如图4 所示);

图3  ADAMS 软件

 图4   机构的虚拟样机模型

对虚拟样机模型进行仿真分析,获取机构的运动和动力特性,如图所示;

图 机构虚拟样机仿真与分析结果

撰写项目实验报告。

机械设计工具——机械 CAD 设计

实验设置目标

随着 CAD 技术的普及,CAD 软件已成为工科院校研究生完成科研工作必不可少的工具。本实验项目根据学生来自不同的学校和不同专业背景,CAD 水平参差不齐的特点,建立既能弥补本科教学不足,又能与之衔接的研究生 CAD 实验教学。确立了围绕提高学生工程实践能力这个核心,以生产和科研为导向,采用现代化的技术手段,突出航空航天特色,强化学生CAD 技能训练,了解和掌握 CAD 领域现代技术和研究手段的课程目标。

实验内容与流程

CAD 实验课程突出学生的动手能力的培养,为此设计了基础性、演示性、巩固性和综合创新性实验四个环节,由浅入深,逐步递进:

基础性实验:教师讲解试验内容和操作重点,同时学生通过软件操作掌握基本的设计流程和学习指令操作。

图 学生通过教学网站学习 CAD 指令操作

演示性实验:要求学生跟随教师的讲解和操作去理解知识点,模仿建模过程,强调对操作和建模一般过程的学习。

图 学生由教师指导学习 CAD 建模的一般过程

巩固性实验:指学生在教师指导下,可根据自己的能力自主选择已有的各种工程案例进行加强练习,教师答疑解惑。巩固学生课堂所学,达到学以致用的目的。

图 学生通过模型库自主选择工程案例做加强训练

创新性实验:指为达到某个工程目标,学生要通过组团合作,运用所学 CAD 知识和各种工具,进行创造性的虚拟产品设计开发,锻炼学生通过独立思考分析,灵活运用各种技术手段解决问题的能力,培养和鼓励创新思维。

图 学生团队自主作品

创新性实验是本实验教学的重点,约占实验学时一半,学生参与热情也高。为此专门开发了网站进行支持,并设计了产品研发的虚拟过程的教学形式,使学生身临其境,参与性高。

具体实验流程如下:

1)学生根据自己的生活和研究工作实践,选择一个创新产品设计或产品改进设计项目,并向老师提交设计方案和人员分工报告。

图 学生提交产品研发项目方案

2)老师审核项目题材和技术方案,并提出改进意见。

图 教师审核设计方案

3)若项目审核通过,学生根据项目需要自由组成项目团队,一般 2 到 3 人,由方案提出人担任组长,明确设计目标和分工。

图 学生组成设计团队

4)学生项目组开展工作,通过调研、合作、交流、研讨、分析、计算等形式,组长负责管理组员和团队运作,综合运用 CAD 知识和工具完成产品的设计开发和建模,教师全程监控和指导。

图 学生团队完成的设计对象

5)项目完成后,学生提交项目完成报告。

图 学生团队提交设计成果

6)教师根据项目题材、项目过程表现和最终结果报告,给出学生的实验成绩。

图 教师为团队成员评分

实验成效

实验课程坚持突出航空航天特色,实验软件选择了航空行业主流 CAD 平台 CATIA,实验内容包括了曲面建模、航空板金、分析和仿真,选择了航空典型件建立模型库。

为学生创造了一个开放的虚拟仿真实验环境,提供 CAD 知识和技能的交流和资源共享的场所。弥补学生结构知识欠缺的问题,该系统可以使学生进行自主学习,不受时间地点得限制和约束。

图 学生作品展示

车辆高速紧急避让虚拟仿真实验

1、实验内容

· 通过车辆动力学仿真软件建立车辆模型,按照实验报告要求修改车辆结构参数,包括:前后轴与车辆质心距离、簧载质量、车辆横摆转动惯量;

· 在车辆动力学仿真软件中,对路面附着系数进行设置,设置避让车辆初始车速以及车辆前方障碍物距离,修改整个避让过程仿真时间;

· 将车辆动力学仿真软件与基于动态系统建模软件搭建的控制策略进行联合仿真,定义联合仿真输入输出接口,整个系统形成闭环回路;

· 利用车辆动力学仿真软件后处理功能,观察避让距离随车速的变化情况,思考车速变化对车辆动力学性能参数的影响,例如车辆偏航角、横摆角速度、车辆侧倾角、前轮转角以及各轮胎力的变化情况。

图 联合仿真框图

2、实验功能与效果

· 通过虚拟仿真,了解基于车辆动力学仿真软件搭建车辆模型的整个建模过程;

· 通过虚拟仿真,掌握在车辆动力学仿真软件中进行车辆外部环境整个建立过程;

· 通过虚拟仿真,了解基于车辆动力学仿真软件与动态系统建模软件联合仿真方法,了解联合仿真输入输出端口设置过程;

· 通过虚拟仿真,了解避让初速度对避让距离的影响,掌握通过车辆动力学仿真软件后处理查看车辆动力学结果输出,通过输出结果不同研究车速变化对车辆动力学响应的影响。

图 车辆高速紧急避让演示

汽车零部件疲劳寿命虚拟仿真实验

1、实验内容

· 通过有限元仿真软件构建汽车零部件的仿真分析模型;

· 施加汽车零部件疲劳寿命仿真分析的边界条件;

· 得出汽车零部件的疲劳寿命;

· 观察交变应力作用下汽车零部件的疲劳寿命,思考汽车零部件疲劳破环的内部机理和疲劳破环过程。

图 汽车零部件建模与仿真结果

2、实验功能与效果

· 通过虚拟仿真,了解基于有限元仿真软件构建汽车零部件的建模过程;

· 通过虚拟仿真,掌握在有限元仿真软件中对汽车零部件进行静态分析的过程;

· 通过虚拟仿真,了解交变载荷和材料疲劳寿命曲线的定义过程;

· 通过虚拟仿真,了解交变载荷对疲劳寿命的影响,掌握通过有限元后处理软件查看仿真分析结果的方法,了解汽车零部件发生疲劳破坏的内部机理和疲劳断裂过程。

图 汽车零部件有限元分析

汽车零部件拓扑优化虚拟仿真实验

1、实验内容

· 通过有限元仿真软件构建汽车零部件的仿真分析模型;

· 完成汽车零部件边界条件的施加;

· 进行汽车零部件的静力学仿真分析;

· 进行汽车零部件的拓扑优化分析。

2、实验功能与效果

· 通过虚拟仿真,了解基于有限元仿真软件构建汽车零部件的建模过程;

· 通过虚拟仿真,掌握在有限元仿真软件中对汽车零部件进行静态分析的过程;

· 通过虚拟仿真,了解汽车零部件优化目标和优化约束的定义方法,了解拓扑优化的计算过程,掌握汽车零部件的优化设计方法;

· 通过虚拟仿真,了解汽车零部件优化设计的过程,掌握通过有限元后处理软件查看仿真分析结果的方法。

汽车外部流场特性虚拟仿真实验

1、实验内容

· 通过 GAMBIT 软件建立汽车外部流场的计算模型,在 GAMBIT 软件中导入三维模型,并确立计算域;

· 计算域网格划分。采用 GAMBIT 软件进行网格划分并进行非结构化网格处理,车身近壁面区域采用加密网格;

· 数学模型的选择。在 FLUENT 软件中选取标准 k-e 模型,采用壁面函数法处理近壁面问题,压力速度耦合方法采用 Simple 方法,二阶迎风精度;

· 阻力系数的设定。以车身表面为单位设定所受到的空气阻力,参考计算值需要输入迎风面积、特征长度、速度等参数;

· 边界条件的设定。在 FLUENT 软件中设定包括入口速度参数、入口湍动能描述参数、出口参数等;

· 后处理功能。利用 FLUENT 软件的后处理功能,建立二维观测界面,采用三点法建立。显示流场矢量图、速度云图。

2、实验功能与效果

· 通过虚拟仿真技术,了解汽车外流场数值仿真的过程;

· 通过虚拟仿真过程,了解应用流体力学理论在汽车外部流场中的方法,掌握数值计算中各种相关参数的设置方法。

· 通过虚拟仿真结果,获得汽车外部流场的速度和压力分布,对汽车外部流场的气动特性展开分析,直观了解汽车行驶的空气阻力的产生原因及降低阻力的方法。

图 汽车外部流场的速度矢量图

《基于 MPI 的塑料模具成形》仿真实验

1 、实验项目

(1)介绍 Moldflow Plastic Insight 软件的菜单、工具栏、显示控制、图层控制及文件接口等;

学生在教师指导下完成示例模型的成形分析,并提交成形分析报告。

(2)介绍 Moldflow Plastic Insight 软件分析流程;

2 、实验功能

(1)了解注塑模模拟仿真软件 MPI-Moldflow Plastic Insight 的功能;

(2)熟悉 Moldflow Plastic Insight 各个菜单和工具栏;

(3)运用实例初步掌握 Moldflow Plastic Insight 的成形分析流程;

(4)独立完成范例文件的塑性成形分析

所谓注塑成形(Injeetion Molding)是指将已熔化的材料喷射注入到模具内,经由冷却与固化后,得到成品的方法。实验将运用 Moldflow Plastic Insight 软件来学习如何通过仿真技术模拟塑件成形的过程,并估计成形缺陷、优化成形工艺参数,使学生掌握先进注塑模设计手段和方法。

Moldflow 的产品适用于优化制件和模具设计的整个过程,并提供了一套整体解决方案。Moldflow 软硬件技术为制件设计、模具设计、注塑生产等整个过程提供了非常有价值的信息和建议,而且这些信息可以方便地实现共享,见图 。

图  基于 MPI 的塑料模具成形

3 、实验效果

通过将 Moldflow 软件引入材料成形工艺、冲压工艺及模具设计、汽车覆盖件模具设计、塑料成形工艺及模具设计、压铸工艺及模具设计等课程,在直观展示成型工艺过程的基础上,通过学生互动操作,可以帮助学生理解一些工艺参数的设置,如典型的温度、压力、时间、行程等,并可以从数据上比较不同工艺参数对产品品质的影响,更加深入的理解工艺方法及工艺原理。

《汽车数字制造装备》仿真实验

1 、实验项目

(1)曲轴圆角、轴颈表面淬火工艺及装备的开发与应用

(2)曲轴固定式内铣加工方法及实现研究

2 、实验功能

《曲轴圆角、轴颈表面淬火工艺及装备的开发与应用》通过曲轴、圆角淬火强化技术参数设计优化与试验验证,开发曲轴、圆角淬火强化工艺技术。在此基础上,综合运用数控技术、多感应同时加热技术、尾座自由浮动技术、专用薄型淬火变压器技术、变压器的独立悬挂与平衡技术、功率分配技术,开发出曲轴自动淬火热处理加工装备,用于各种类型内燃机曲轴的表面淬火。与其它同类产品相比效率提高 1.66 倍,成本仅为进口产品的 1/6,如图 。

图  曲轴圆角、轴颈表面淬火工艺及装备的开发与应用

《曲轴固定式内铣加工方法及实现研究》采用独立建模原则,分别提出了新型曲轴固定式主轴颈内铣和连杆颈内铣切削模型。开发了基于曲轴几何形状尺寸、刀具信息、切削工艺参数、刀具补偿等数据编程的内铣固定循环,建立了曲轴主轴颈和连杆颈内铣刀具补偿系统,设计了个性化人机输入界面,并集成运用宏编程、人机界面、现场总线、参考点距离编码光栅检测、双位置反馈等数控技术构建曲轴固定式内铣控制系统,解决了曲轴主轴颈和连杆颈内铣加工中的关键重大难题。该项目的成功应用有效地解决康明斯 6B、4B 曲轴主轴颈、连杆颈以及 ZD30 曲轴连杆颈内铣加工工程实际问题,提升产品质量和生产效率,对曲轴加工行业发展具有重大意义,如图 。

图  曲轴固定式内铣加工方法及实现研究

3 、实验效果

综合运用现代数控技术、数字设计技术、智能制造技术等相关技术提高汽车零部件制造装备的加工效率、精度保持性、质量稳定性,开发具有国际先进水平的汽车关键零部件生产成套数控装备并进行推广应用;在多种类型的汽车零部件制造产业的生产线上进行国产数控装备和系统的应用示范,研究国产数控装备在规模化应用中各种性能指标的变化规律及改进方法。学生通过实验,培养提高中国汽车零部件制造装备行业的整体竞争力的意识,了解大幅提升国产装备在汽车关键零部件生产中的占有率直至最终取代进口设备的重要性。