現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床屬于極為重要的機(jī)械設(shè)備，集成了機(jī)械設(shè)計(jì)、制造工藝、自動(dòng)控制、信息技術(shù)、精密測(cè)量、人工智能等先進(jìn)技術(shù)。重型機(jī)床屬于大型化裝備制造的關(guān)鍵，在重型機(jī)床設(shè)計(jì)中應(yīng)用仿真技術(shù)，可以克服傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的局限性，為重型機(jī)床設(shè)計(jì)構(gòu)建科學(xué)模型，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)與改進(jìn)發(fā)揮指導(dǎo)意義。以重型臥式車床為例，以虛擬裝配過(guò)程和主軸性能分析為重點(diǎn)，對(duì)仿真技術(shù)在重型機(jī)床設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行研究。
    隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)械設(shè)備制造對(duì)數(shù)控機(jī)床性能提出了更高要求，機(jī)床發(fā)展呈現(xiàn)出高速化、復(fù)合化、精密化、極端化趨勢(shì)。其中極端化，指的是數(shù)控機(jī)床向極小化與極大化方向發(fā)展。大型設(shè)備工業(yè)、航天、航空、國(guó)防等行業(yè)設(shè)備制造需要重型數(shù)控機(jī)床，推動(dòng)著數(shù)控機(jī)床向大型化與重型化發(fā)展。重型機(jī)床與普通機(jī)床存在著極大區(qū)別，在重型機(jī)床設(shè)計(jì)中，不能依據(jù)普通機(jī)床設(shè)計(jì)作指導(dǎo)。在重型機(jī)床設(shè)計(jì)應(yīng)用仿真技術(shù)，可以為其設(shè)計(jì)提供理論模型，并為產(chǎn)品設(shè)計(jì)與改進(jìn)發(fā)揮指導(dǎo)作用。結(jié)合某重型臥式車床設(shè)計(jì)，從車床虛擬裝配與主軸系性能為主研究仿真技術(shù)在重型機(jī)床上設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。
    仿真技術(shù)在重型機(jī)床設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究
    計(jì)算機(jī)方針技術(shù)，是建立于信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)、模型理論、相似原理基礎(chǔ)上，以計(jì)算機(jī)為工具，通過(guò)模型對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行研究、分析、試驗(yàn)與運(yùn)行的一種技術(shù)。在重型機(jī)床設(shè)計(jì)中應(yīng)用仿真技術(shù)，其現(xiàn)實(shí)意義主要表現(xiàn)為：其一，構(gòu)建系統(tǒng)模型?？梢酝ㄟ^(guò)抽象實(shí)際機(jī)床系統(tǒng)，構(gòu)建簡(jiǎn)單模型并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不斷修正模型，調(diào)整模型參數(shù)，形成與系統(tǒng)相似的數(shù)學(xué)模型；其二，預(yù)測(cè)性。通過(guò)仿真技術(shù)，可以減少或避免直接加工實(shí)驗(yàn)，并對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，提出改進(jìn)方案；其三，推動(dòng)設(shè)計(jì)優(yōu)化。在建立模型的基礎(chǔ)上，采取優(yōu)化處理，不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，促使設(shè)計(jì)系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)參數(shù)；其四，重復(fù)實(shí)驗(yàn)。重復(fù)實(shí)驗(yàn)屬于系統(tǒng)設(shè)計(jì)必不可少的過(guò)程，現(xiàn)實(shí)條件中重復(fù)實(shí)驗(yàn)難度較高，通過(guò)仿真技術(shù)應(yīng)用，只需要調(diào)整相應(yīng)參數(shù)便可以實(shí)現(xiàn)重復(fù)實(shí)驗(yàn)；此外，仿真技術(shù)應(yīng)用其經(jīng)濟(jì)性與安全性突出，可以有效降低設(shè)計(jì)成本。
    在重型機(jī)床設(shè)計(jì)中仿真技術(shù)應(yīng)用主要包括設(shè)計(jì)過(guò)程仿真與功能及物理特性仿真，其中設(shè)計(jì)過(guò)程仿真包括計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)零件實(shí)體模型、虛擬裝配、運(yùn)動(dòng)仿真等內(nèi)容，功能及物理特性仿真包括系統(tǒng)、零件物理性能分析，零件失效預(yù)測(cè)等內(nèi)容。以虛擬裝配與主軸系性能分析為例，對(duì)仿真技術(shù)的具體應(yīng)用進(jìn)行研究。
    仿真技術(shù)在重型機(jī)床虛擬裝配中的應(yīng)用
    通過(guò)應(yīng)用Solid Works強(qiáng)大運(yùn)動(dòng)分析功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)研究對(duì)象空間運(yùn)動(dòng)位置與運(yùn)動(dòng)參數(shù)的精確計(jì)算，可以對(duì)復(fù)雜機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行有效解決，通過(guò)構(gòu)建虛擬仿真環(huán)境進(jìn)行重型機(jī)床設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)，可以有效降低實(shí)驗(yàn)成本，提高實(shí)驗(yàn)效率，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的仿真，支持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性檢查，對(duì)實(shí)際重型臥式車床設(shè)計(jì)提高工具支持。
    運(yùn)動(dòng)仿真在構(gòu)建裝配模型基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)部件進(jìn)行定義，為起始運(yùn)動(dòng)件定義連接軸、運(yùn)動(dòng)方向、驅(qū)動(dòng)電機(jī)，設(shè)定運(yùn)動(dòng)初始參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。Solid Works軟件屬于一種三維設(shè)計(jì)軟件，其軟件建模操作簡(jiǎn)單。依據(jù)零部件尺寸與形狀，通過(guò)Solid Works零件模型中的拉伸、掃描、旋轉(zhuǎn)等功能，構(gòu)建零件模型。
    在裝配重型臥式車床過(guò)程之前，應(yīng)對(duì)零件與部件在整個(gè)部件與整個(gè)整機(jī)之中的位置、作用與零件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，從而確保裝配后整機(jī)定位可靠，運(yùn)動(dòng)中不發(fā)生沖突。在裝配過(guò)程中，應(yīng)首先進(jìn)行支架部分裝配作業(yè)，然后將剩余部件以大型裝配體模式裝配并形成整機(jī)，其裝配流程應(yīng)采取自下而上的倒樹(shù)狀層次結(jié)構(gòu)方式，確保零件裝配從屬關(guān)系，做好裝配定位工作，從而節(jié)約資源，有利于裝配體修改，提高系統(tǒng)處理速度。
    仿真技術(shù)在主軸系有限元仿真中的應(yīng)用
    在重型機(jī)床設(shè)計(jì)中，主軸下沉問(wèn)題較為突出，采取簡(jiǎn)單力學(xué)計(jì)算無(wú)法確定引起主軸下沉的原因。為此，應(yīng)用仿真技術(shù)，構(gòu)建有限元模型，對(duì)主軸性能進(jìn)行分析。
    3.1.主軸系有限元模型
    在機(jī)床設(shè)計(jì)中，為方便齒輪與軸承裝配工作，軸體表面多存在著一定錐度，并存在著圓角、鍵槽、倒角等特征。為方便研究，忽略主軸表面特征，構(gòu)建多階梯空心圓柱體主軸模型，將加工工件、卡盤進(jìn)行簡(jiǎn)化，以實(shí)心圓柱體表現(xiàn)，箱體簡(jiǎn)化為支撐軸承支板。應(yīng)用SOLID92、SOLID95等參元對(duì)機(jī)床主軸部位作網(wǎng)格劃分。
    3.2.材料屬性與邊界條件分析
    在有限元分析過(guò)程中，應(yīng)明確材料屬性，確定其邊界條件，主軸系部件材料屬性。
    其邊界條件應(yīng)包括應(yīng)力邊界條件、位移邊界條件、混合邊界條件，在對(duì)重型臥式車床主軸系有限元分析時(shí)，應(yīng)保證主軸部位位移量為0，車床地基不存在變形，即設(shè)定其位移邊界條件。
    3.3.仿真研究結(jié)果
    應(yīng)用ANSYS進(jìn)行模塊處理，獲得仿真模型主軸系變形圖與主軸系位移云圖。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，主軸與卡盤連接位置與前端軸承重箱體屬于主軸系部件變形集中區(qū)，靠近卡盤與承重箱體位置，其中心下沉量達(dá)到最大，為0.5mm，平均下沉量值為0.35mm。通過(guò)激光檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，實(shí)際下沉量與仿真結(jié)果相近，證明仿真技術(shù)的應(yīng)用可以有效對(duì)主軸系性能進(jìn)行分析，依據(jù)仿真結(jié)果，找出主軸下沉原因，從而采取改進(jìn)措施，優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)質(zhì)量。

    隨著工業(yè)發(fā)展，其對(duì)數(shù)控機(jī)床的性能提出更高要求，重型機(jī)床屬于未來(lái)機(jī)床發(fā)展的主要趨勢(shì)。在進(jìn)行重型機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)用仿真技術(shù)可以有效解決傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中存在的問(wèn)題，為重型機(jī)床設(shè)計(jì)提供三維模型，為優(yōu)化與改進(jìn)重型機(jī)床設(shè)計(jì)工作提供指導(dǎo)意義。仿真技術(shù)在重型機(jī)床設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，其綜合優(yōu)勢(shì)明顯，重點(diǎn)以虛擬裝配過(guò)程和主軸性能分析為例，綜合研究仿真技術(shù)在重型機(jī)床設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，實(shí)踐證明，其應(yīng)用整體效果突出，未來(lái)發(fā)展前景廣闊。