SOLIDWORKS設計仿真面向重型機床設計的仿真技術研究
現代數控機床綜合應用機械設計與制造工藝、計算機自動控制技術、精密測量與檢測、信息技術、人工智能等技術領域中的最新成果，將朝著高速化、精密化、復合化、柔性化、極端化等趨勢發(fā)展。極端化是指數控機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、重型數控機床，這就導致數控機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、重型機床和普通機床加工有著很大的區(qū)別，不能采用普通機床設計理論作為指導。隨著計算機技術的發(fā)展，仿真技術在工業(yè)中的應用越來越廣泛，能夠克服傳統(tǒng)設計方法的局限性，為重型機床設計建立合適的理論模型，為產品設計和改進提供指導。
本文作者在研究計算機仿真技術在重型機床設計和加工中應用的基礎上，結合青海重型機床公司某重型臥式車床設計過程，實現了車床虛擬裝配過程和主軸系性能分析，為主軸改進設計提供了有力的理論依據和參考。
1 仿真技術在重型機床中的應用
計算機仿真技術是以相似原理、模型理論、系統(tǒng)技術、信息技術為基礎，以計算機系統(tǒng)為工具，利用模型對已有的或設想的系統(tǒng)進行研究、分析、試驗與運行的一門多學科綜合性技術。仿真技術為重型機床設計提供了強有力的工具和手段，并得到廣泛應用。圖1顯示了計算機仿真的基本原理。
計算機仿真基本原理圖
圖1 計算機仿真基本原理圖
從圖1中可以看出，計算機仿真在重型機床設計中應用的意義主要體現在：
(1)建立完善的系統(tǒng)模型。對實際機床系統(tǒng)進行抽象，建立簡化模型進行仿真實驗，在實驗中按照一定的方法修正模型的結構和參數，不斷改進，從而建立起與系統(tǒng)相似的數學模型。
(2)預測。利用計算機仿真可以減少甚至避免直接加工實驗，同時可以預測系統(tǒng)的特性，進一步提出改進模型和方案。
(3)優(yōu)化設計。在已建模的基礎上，運用一定的優(yōu)化技術可以在計算機上實現指定加工要求下對設計方案進行優(yōu)化和改進，使設計系統(tǒng)達到最優(yōu)指標。
(4)重復試驗。設計過程中，重復實驗必不可少。實際系統(tǒng)中完全相同條件下的重復試驗很難甚至無法實現，而仿真技術則可保證在相同的參數設置和輸入條件下得到完全相同的輸出。
(5)經濟性和安全性。在精密加工中，試驗不僅費時，費用也高，重復試驗更是一種浪費。重型機床的特殊性，許多設計過程不能在實際系統(tǒng)展開研究，如某些對工件破壞性大、成本高(如重型臥式車床中卡盤的增力絲杠設計過程中，由于進口增力絲杠價格昂貴，不能進行破壞性試驗)的研究。相比而言，仿真試驗不僅成本降低，而且安全可靠。
計算機仿真技術在重型機床設計中的應用主要有：
(1)設計過程仿真，包括將計算機輔助設計零件實體模型、虛擬裝配過程和運動仿真等;
(2)功能及物理特性仿真，包括系統(tǒng)及零件的動靜態(tài)物理性能分析(如有限元分析關鍵部件動靜態(tài)性能)、零件失效預測等。
青海重型機床公司的大中型、高精度機床產品在國內擁有廣闊市場。但傳統(tǒng)的設計方法和生產經驗已不能滿足其設計要求。本文作者利用計算機仿真技術對某重型臥式車床裝配過程和主軸性能進行仿真。
2 車床虛擬裝配實現
依托SolidWorks強大的運動分析功能，能精確地對研究對象進行空間運動位置及運動參數的計算，能夠很好地解決復雜機構的運動規(guī)律問題。通過建立虛擬仿真環(huán)境進行仿真試驗研究，可以降低實驗成本，提高實驗效率。并且能夠對運動狀態(tài)進行仿真，檢查機構設計的合理性等，對實際重型臥式車床樣機的設計具有重要的參考和指導價值。
圖2為重型臥式車床虛擬樣機運動仿真的流程圖。運動仿真是在成功建立了其裝配模型的基礎上，通過定義靜止部件、運動部件，并為在各起始運動件上定義驅動電機、選擇連接軸和運動方向、設定運動初始條件或參數等一系列操作來實現。SolidWorks是非常有效的三維設計軟件，利用軟件進行實體建模十分方便。根據部件的形狀和尺寸，在SolidWorks軟件的零件模塊中利用拉伸、旋轉、掃描等特征創(chuàng)建方式建立各個零件的模型，建立的車床各零部件如圖3所示。
虛擬樣機運動仿真流程圖
圖2 虛擬樣機運動仿真流程圖
重型臥式車床各零部件實體模型
圖3 重型臥式車床各零部件實體模型
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，整個流程采用自底而上的倒樹狀層次結構法，各級部件通過引用一系列下級零部件模型組裝而成，它不僅描述一個部件與下級零部件之間的裝配從屬關系，同時也記錄所屬下級零部件之間的裝配定位關系，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，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。
自底向上的裝配過程示意圖(各小部件忽略)
圖4 自底向上的裝配過程示意圖(各小部件忽略)
裝配前，應正確分析各個零件、部件在部件、整機中的位置、作用以及相關零部件之間的運動關系，以保證裝配后的整機定位可靠、運動靈活、不發(fā)生干涉，圖5為整體車床裝配實體圖。
車床整機裝配實體模型
圖5 車床整機裝配實體模型
3 主軸系有限元仿真實現
重型臥式車床主軸下沉是困擾青重技術人員的難題，采用傳統(tǒng)簡單力學計算無法找出原因。因此，作者以有限元為工具對主軸性能進行分析并提出改進方案為車床設計改進提供參考。
3.1 主軸系有限元模型
實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心圓柱體，其中工件65%質量作用在卡盤和主軸上;箱體簡化為支撐軸承兩個支板。
選擇10節(jié)點的SOUD92和8節(jié)點的SOUD95兩種等參元對主軸系各部件進行網格劃分;其中，主軸和箱體采用SOUD92劃分網格，卡盤和加工工件采用SOLID95劃分網格。這樣生成節(jié)點數較少，能夠節(jié)省大量系統(tǒng)資源(網格劃分后共生成計算節(jié)點203562個)。圖6為其網格模型。
主軸系網格模型
圖6 主軸系網格模型
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
主軸系部件材料屬性參數
彈性力學有限元分析中，邊界條件包括位移邊界條件、應力邊界條件和混合邊界條件三種。對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，即設主軸軸承連接處箱體底部各節(jié)點位移為0(固定不動，即車床地基不變形)。
3.3 仿真結果及分析
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。
主軸系位移云圖
圖7 主軸系位移云圖
主軸系變形示意圖
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，這里也是應力集中處。圖9為主軸中心線處變形后各節(jié)點位移變化量。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。
主軸中心位移變化曲線
圖9 主軸中心位移變化曲線
青重技術人員采用激光測量主軸下沉量，其最大下沉量達0.35mm，平均下沉量約為0.2mm，這與計算結果相接近。引起仿真結果比測量結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實現正常加工。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。
主軸變形示意圖
圖10 主軸變形示意圖
針對分析結果，對主軸系設計提出改進方案：
(1)加厚箱體壁，使箱體結構合理;
(2)增加主軸和卡盤之間的連接力。青重已經將原來主軸和卡盤之間的4個把合螺栓改為12個，增加了主軸和卡盤之間的連接力。
4 結論
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例介紹了計算機仿真技術在重型機床設計中的應用。分別利用SolidWorks和Ansys軟件實現了重型臥式車床的虛擬裝配和主軸性能分析，為重型臥式車床設計和改進提供了理論依據和參考。這兩方面的應用體現了計算機仿真在重型機床設計中應用的兩個不同層次——設計過程仿真和功能及物理特性仿真。
計算機仿真技術在機械工程領域的研究和應用已得到廣泛重視，在理論分析和成本降低等方面體現出較大優(yōu)越性。針對重型機床設計特點開展計算機仿真技術研究能夠為重型機床設計提供新方法。仿真技術在機床設計中的應用對加快數控機床的大、重型極端化發(fā)展，促進國防、航天等行業(yè)的大型裝備制造業(yè)發(fā)展有重要意義。