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　　現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床綜合應(yīng)用機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工藝、計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)、精密測量與檢測、信息技術(shù)、人工智能等技術(shù)領(lǐng)域中的最新成果，將朝著高速化、精密化、復(fù)合化、柔性化、極端化等趨勢發(fā)展。極端化是指數(shù)控機(jī)床有朝著極小化和極大化方向發(fā)展的趨勢。在國防、航空、航天等行業(yè)中大型化裝備的制造方面，需要大、重型數(shù)控機(jī)床，這就導(dǎo)致數(shù)控機(jī)床朝著大型化和重型化方向發(fā)展。由于零件的巨大化使大、重型機(jī)床和普通機(jī)床加工有著很大的區(qū)別，不能采用普通機(jī)床設(shè)計(jì)理論作為指導(dǎo)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，仿真技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，能夠克服傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的局限性，為重型機(jī)床設(shè)計(jì)建立合適的理論模型，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供指導(dǎo)。

　　本文作者在研究計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在重型機(jī)床設(shè)計(jì)和加工中應(yīng)用的基礎(chǔ)上，結(jié)合青海重型機(jī)床公司某重型臥式車床設(shè)計(jì)過程，實(shí)現(xiàn)了車床虛擬裝配過程和主軸系性能分析，為主軸改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了有力的理論依據(jù)和參考。

　　1 仿真技術(shù)在重型機(jī)床中的應(yīng)用

　　計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是以相似原理、模型理論、系統(tǒng)技術(shù)、信息技術(shù)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為工具，利用模型對(duì)已有的或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行研究、分析、試驗(yàn)與運(yùn)行的一門多學(xué)科綜合性技術(shù)。仿真技術(shù)為重型機(jī)床設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的工具和手段，并得到廣泛應(yīng)用。圖1顯示了計(jì)算機(jī)仿真的基本原理。

　　

 

　　圖1 計(jì)算機(jī)仿真基本原理圖

　　從圖1中可以看出，計(jì)算機(jī)仿真在重型機(jī)床設(shè)計(jì)中應(yīng)用的意義主要體現(xiàn)在：

　　(1)建立完善的系統(tǒng)模型。對(duì)實(shí)際機(jī)床系統(tǒng)進(jìn)行抽象，建立簡化模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中按照一定的方法修正模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，不斷改進(jìn)，從而建立起與系統(tǒng)相似的數(shù)學(xué)模型。

　　(2)預(yù)測。利用計(jì)算機(jī)仿真可以減少甚至避免直接加工實(shí)驗(yàn)，同時(shí)可以預(yù)測系統(tǒng)的特性，進(jìn)一步提出改進(jìn)模型和方案。

　　(3)優(yōu)化設(shè)計(jì)。在已建模的基礎(chǔ)上，運(yùn)用一定的優(yōu)化技術(shù)可以在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)指定加工要求下對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，使設(shè)計(jì)系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)指標(biāo)。

　　(4)重復(fù)試驗(yàn)。設(shè)計(jì)過程中，重復(fù)實(shí)驗(yàn)必不可少。實(shí)際系統(tǒng)中完全相同條件下的重復(fù)試驗(yàn)很難甚至無法實(shí)現(xiàn)，而仿真技術(shù)則可保證在相同的參數(shù)設(shè)置和輸入條件下得到完全相同的輸出。

　　(5)經(jīng)濟(jì)性和安全性。在精密加工中，試驗(yàn)不僅費(fèi)時(shí)，費(fèi)用也高，重復(fù)試驗(yàn)更是一種浪費(fèi)。重型機(jī)床的特殊性，許多設(shè)計(jì)過程不能在實(shí)際系統(tǒng)展開研究，如某些對(duì)工件破壞性大、成本高(如重型臥式車床中卡盤的增力絲杠設(shè)計(jì)過程中，由于進(jìn)口增力絲杠價(jià)格昂貴，不能進(jìn)行破壞性試驗(yàn))的研究。相比而言，仿真試驗(yàn)不僅成本降低，而且安全可靠。

　　計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在重型機(jī)床設(shè)計(jì)中的應(yīng)用主要有：

　　(1)設(shè)計(jì)過程仿真，包括將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)零件實(shí)體模型、虛擬裝配過程和運(yùn)動(dòng)仿真等;

　　(2)功能及物理特性仿真，包括系統(tǒng)及零件的動(dòng)靜態(tài)物理性能分析(如有限元分析關(guān)鍵部件動(dòng)靜態(tài)性能)、零件失效預(yù)測等。

　　青海重型機(jī)床公司的大中型、高精度機(jī)床產(chǎn)品在國內(nèi)擁有廣闊市場。但傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)已不能滿足其設(shè)計(jì)要求。本文作者利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)某重型臥式車床裝配過程和主軸性能進(jìn)行仿真。

　　2 車床虛擬裝配實(shí)現(xiàn)

　　依托SolidWorks強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)分析功能，能精確地對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行空間運(yùn)動(dòng)位置及運(yùn)動(dòng)參數(shù)的計(jì)算，能夠很好地解決復(fù)雜機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律問題。通過建立虛擬仿真環(huán)境進(jìn)行仿真試驗(yàn)研究，可以降低實(shí)驗(yàn)成本，提高實(shí)驗(yàn)效率。并且能夠?qū)�運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行仿真，檢查機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性等，對(duì)實(shí)際重型臥式車床樣機(jī)的設(shè)計(jì)具有重要的參考和指導(dǎo)價(jià)值。

　　圖2為重型臥式車床虛擬樣機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真的流程圖。運(yùn)動(dòng)仿真是在成功建立了其裝配模型的基礎(chǔ)上，通過定義靜止部件、運(yùn)動(dòng)部件，并為在各起始運(yùn)動(dòng)件上定義驅(qū)動(dòng)電機(jī)、選擇連接軸和運(yùn)動(dòng)方向、設(shè)定運(yùn)動(dòng)初始條件或參數(shù)等一系列操作來實(shí)現(xiàn)。SolidWorks是非常有效的三維設(shè)計(jì)軟件，利用軟件進(jìn)行實(shí)體建模十分方便。根據(jù)部件的形狀和尺寸，在SolidWorks軟件的零件模塊中利用拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描等特征創(chuàng)建方式建立各個(gè)零件的模型，建立的車床各零部件如圖3所示。

　　

 

　　圖2 虛擬樣機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真流程圖

　　

 

　　圖3 重型臥式車床各零部件實(shí)體模型

　　在重型臥式車床的裝配過程中，首先裝配好支架各主要部件，再將各主要部件及剩余零件按大型裝配體模式裝配成整機(jī)，整個(gè)流程采用自底而上的倒樹狀層次結(jié)構(gòu)法，各級(jí)部件通過引用一系列下級(jí)零部件模型組裝而成，它不僅描述一個(gè)部件與下級(jí)零部件之間的裝配從屬關(guān)系，同時(shí)也記錄所屬下級(jí)零部件之間的裝配定位關(guān)系，如圖4所示。這樣裝配，節(jié)省系統(tǒng)資源，便于修改裝配體;同時(shí)，有利于裝配體仿真過程中部件約束的添加及系統(tǒng)處理速度的提高。

　　

 

　　圖4 自底向上的裝配過程示意圖(各小部件忽略)

　　裝配前，應(yīng)正確分析各個(gè)零件、部件在部件、整機(jī)中的位置、作用以及相關(guān)零部件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，以保證裝配后的整機(jī)定位可靠、運(yùn)動(dòng)靈活、不發(fā)生干涉，圖5為整體車床裝配實(shí)體圖。

　　

 

　　圖5 車床整機(jī)裝配實(shí)體模型

　　3 主軸系有限元仿真實(shí)現(xiàn)

　　重型臥式車床主軸下沉是困擾青重技術(shù)人員的難題，采用傳統(tǒng)簡單力學(xué)計(jì)算無法找出原因。因此，作者以有限元為工具對(duì)主軸性能進(jìn)行分析并提出改進(jìn)方案為車床設(shè)計(jì)改進(jìn)提供參考。

　　3.1 主軸系有限元模型

　　實(shí)際車床主軸為了便于軸承和齒輪的裝配，軸體表面具有一定錐度且有倒角、圓角、退刀槽和鍵槽等小特征。主軸模型為忽略表面所有小特征的多階梯空心圓柱體�？ūP和加工工件亦簡化為實(shí)心圓柱體，其中工件65%質(zhì)量作用在卡盤和主軸上;箱體簡化為支撐軸承兩個(gè)支板。

　　選擇10節(jié)點(diǎn)的SOUD92和8節(jié)點(diǎn)的SOUD95兩種等參元對(duì)主軸系各部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分;其中，主軸和箱體采用SOUD92劃分網(wǎng)格，卡盤和加工工件采用SOLID95劃分網(wǎng)格。這樣生成節(jié)點(diǎn)數(shù)較少，能夠節(jié)省大量系統(tǒng)資源(網(wǎng)格劃分后共生成計(jì)算節(jié)點(diǎn)203562個(gè))。圖6為其網(wǎng)格模型。

　　

 

　　圖6 主軸系網(wǎng)格模型

　　3.2 材料屬性和邊界條件

　　分析過程中，各部件工作都在常溫下工作，且各向同性，表1為主軸系各部件材料屬性。

　　表1 主軸系部件材料屬性參數(shù)

　　

 

　　彈性力學(xué)有限元分析中，邊界條件包括位移邊界條件、應(yīng)力邊界條件和混合邊界條件三種。對(duì)于重型臥式車床主軸系靜態(tài)有限元分析，采用位移邊界條件，即設(shè)主軸軸承連接處箱體底部各節(jié)點(diǎn)位移為0(固定不動(dòng)，即車床地基不變形)。

　　3.3 仿真結(jié)果及分析

　　利用ANSYS后處理模塊，可以查看仿真模型的主軸位移云圖和主軸系變形圖。圖7為位移云圖，圖8為主軸系變形示意圖。

　　

 

　　圖7 主軸系位移云圖

　　

 

　　圖8 主軸系變形示意圖

　　由圖8可知，主軸系各零部件變形主要發(fā)生在卡盤與主軸連接處和前端承重箱體，這里也是應(yīng)力集中處。圖9為主軸中心線處變形后各節(jié)點(diǎn)位移變化量。由圖中可以看出，靠近承重箱體和卡盤的部分，中心位移下沉量逐漸增大，最大處下沉量為0.5mm，平均下沉量為0.35mm。

　　

 

　　圖9 主軸中心位移變化曲線

　　青重技術(shù)人員采用激光測量主軸下沉量，其最大下沉量達(dá)0.35mm，平均下沉量約為0.2mm，這與計(jì)算結(jié)果相接近。引起仿真結(jié)果比測量結(jié)果大的原因是建模過程中支撐箱體簡化使變形集中在支撐處，而實(shí)際箱體支撐面積要大，支撐處變形較小。

　　由圖10可知，主軸自身變形較小(最大處為0.06mm)，也說明主軸剛度能夠?qū)崿F(xiàn)正常加工。因此，引起主軸中心下沉的主要原因在：

　　(1)支撐箱體發(fā)生變形;

　　(2)主軸和卡盤連接力不夠，引起主軸頭部發(fā)生下沉。

　　

 

　　圖10 主軸變形示意圖

　　針對(duì)分析結(jié)果，對(duì)主軸系設(shè)計(jì)提出改進(jìn)方案：

　　(1)加厚箱體壁，使箱體結(jié)構(gòu)合理;

　　(2)增加主軸和卡盤之間的連接力。青重已經(jīng)將原來主軸和卡盤之間的4個(gè)把合螺栓改為12個(gè)，增加了主軸和卡盤之間的連接力。

　　4 結(jié)論

　　作者以某重型臥式車床中的虛擬裝配過程和主軸性能分析為實(shí)例介紹了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在重型機(jī)床設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。分別利用SolidWorks和Ansys軟件實(shí)現(xiàn)了重型臥式車床的虛擬裝配和主軸性能分析，為重型臥式車床設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了理論依據(jù)和參考。這兩方面的應(yīng)用體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)仿真在重型機(jī)床設(shè)計(jì)中應(yīng)用的兩個(gè)不同層次——設(shè)計(jì)過程仿真和功能及物理特性仿真。

　　計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在機(jī)械工程領(lǐng)域的研究和應(yīng)用已得到廣泛重視，在理論分析和成本降低等方面體現(xiàn)出較大優(yōu)越性。針對(duì)重型機(jī)床設(shè)計(jì)特點(diǎn)開展計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)研究能夠?yàn)橹匦蜋C(jī)床設(shè)計(jì)提供新方法。仿真技術(shù)在機(jī)床設(shè)計(jì)中的應(yīng)用對(duì)加快數(shù)控機(jī)床的大、重型極端化發(fā)展，促進(jìn)國防、航天等行業(yè)的大型裝備制造業(yè)發(fā)展有重要意義。