自动化设备工程仿真解决方案
一 行业概述
自动化设备行业涉及的研发问题众多，从物理学的角度来讲，自动化设备研发涉及的学科领域如下图所示：
通过仿真可以在设计前期发现产品问题，并提供改进方向。整体来说，自动化设备行业的主要CAE问题包括：
静力学分析：整体结构及零部件的强度、刚度、稳定性等分析等
动力学分析：结构的振动频率、噪音、随机振动、转子动力学等
机构运动分析：机构的运动轨迹、速度、加速度、关节力计算等
低频电磁场分析：电路级和系统级的机电控制的仿真和优化等
高频电磁场分析：PCB板级和设备级的信号完整性、电源完整性和电磁兼容分析等
疲劳分析：反复受力部件的疲劳性能及耐久性计算等
优化分析：结构的拓扑形状及尺寸优化减重等
复合材料分析：复合材料的铺层强度计算、铺层优化等
跌落碰撞分析：包装可靠性、碰撞、跌倒、跌落研究等等
多物理场分析（难点）：电子设备的电热结构耦合、机电液一体化（子）系统级运动分析等
虚拟样机：多学科融合
二 解决方案
1、在MSC Adams中建立数控机床的机构动力学模型，进行初步机构运动学分析。
2、使用MSC Nastran对关键部件进行有限元分析，得到模态中性文件。
3、将MSC Adams机构模型中相应的刚体部件替换为柔性体，建立刚弹耦合模型。
4、使用MSC Easy5中建立详细电液控制模型。
5、将电液模型与机构模型整合，电液系统向机构系统输出作用力指令，机构系统反馈部件的动力学相应（位移、速度）；进行整体的动力学计算分析，评价控制精度和响应指标等。
三 应用案例
1、机构运动
2、结构/热
机床的结构改进主要针对热弯曲而进行。影响热弯曲的因素主要有两点，即结构刚度及温度梯度：
在箱体前壁的热弯曲中，由于主要是箱壁的Y向热弯曲对加工精度有影响，所以应采用Y向加强筋。
由热膨胀所引起的平移在设计和制造时虽然不能完全消除，但在使用中可以很容易地加以补偿。立柱的结构尺寸很大，如果还采用提高刚度的方法，效率不是很高，因此可考虑对称分布热源以补偿温度梯度。在热弯曲所在的平面内对称设置热源，可以促使温度梯度及热弯曲均呈对称分布。
3、刚弹耦合
3-UPS 并联机床其动力学系统实质上是一个多柔性体系统，柔性部件对系统的动态特性有很大影响。由于动载荷的存在，使柔性体产生结构变形，从而影响整个系统的动态特性。综合考虑构件结构尺寸、受力变形及几何约束关系等影响因素，将3-UPS并联机床的组成结构进行刚体和柔性体划分。动、静平台与驱动杆分支及平行机构相比，其刚度很大，故可以视为刚体；驱动杆组件中摆动杆直径较大，悬伸量较小，可以视其为刚体；伸缩杆长度直径比较大，为细长杆结构，应将其作为柔性体。
刀尖点响应变化曲线可以看出，随着阻尼的增加，刀尖点的最大响应位移迅速减小，振动位移的抑制量由0.0033mm 提高到0.0102mm，阻尼的合理配置将有利于改善机床的动态特性。
4、控制系统
Adams/Controls可以实现控制系统与机械系统的机电一体化仿真，有联合仿真和控制导入两种模式，利用控制导入模式还可实现对控制系统参数的优化。
5、综合案例A
客户要求：某客户提出要求瓶装机能达到一个小时处理36000瓶的速度。
工程挑战：目前该公司所设计的设备最快只能达到24000瓶/小时的处理速度，提高瓶装机的处理速度，会产生较大的振动而导致设备受损。
解决方案：利用ADAMS建立设备的虚拟样机评估设备总体性能，同时利用Nastran生成关键部件的柔性文件，在系统分析时考虑部件柔性的影响，通过分析高速工作状态下，实时观察部件应力状态，优化部件结构，提高其刚度同时减少质量，满足高速工作要求。
项目价值：装瓶速度高了50％，并且关键部件质量降低了20%-30%。
6、综合案例B
项目背景：高速机床制造商
工程挑战：
高速加工会激励机床结构的模态导致振动
强大的线性马达控制最佳性能可能导致稳定性问题
非线性控制系统可能导致极限环的行为
解决方案：利用MSC Easy5建立完整系统包括电机、传感器、控制器，并利Nastran建立结构FEA模型，将控制系统与结构整合，通过调整控制器来减小控制系统与结构的相互作用。
项目价值：能够让工程师了解控制系统和结构之间的耦合关系，在建立控制系统物理样机前调整控制器使其降对结构的响应的影响，从而节省时间和成本。
