摘要：现代数控机床属于极为重要的机械设备，集成了机械设计、制造工艺、自动控制、信息技术、精密测量、人工智能等先进技术。重型机床属于大型化装备制造的关键，在重型机床设计中应用仿真技术，可以克服传统设计中存在的局限性，为重型机床设计构建科学模型，为产品设计与改进发挥指导意义。以重型卧式车床为例，以虚拟装配过程和主轴性能分析为重点，对仿真技术在重型机床设计中的应用进行研究。
关键词：重型机床；设计；仿真技术；研究；应用
随着工业技术的不断发展，机械设备制造对数控机床性能提出了更高要求，机床发展呈现出高速化、复合化、精密化、极端化趋势。其中极端化，指的是数控机床向极小化与极大化方向发展。大型设备工业、航天、航空、国防等行业设备制造需要重型数控机床，推动着数控机床向大型化与重型化发展。重型机床与普通机床存在着极大区别，在重型机床设计中，不能依据普通机床设计作指导。在重型机床设计应用仿真技术，可以为其设计提供理论模型，并为产品设计与改进发挥指导作用。结合某重型卧式车床设计，从车床虚拟装配与主轴系性能为主研究仿真技术在重型机床上设计中的应用。
1.仿真技术在重型机床设计中的应用研究
计算机方针技术，是建立于信息技术、系统技术、模型理论、相似原理基础上，以计算机为工具，通过模型对设计系统进行研究、分析、试验与运行的一种技术。在重型机床设计中应用仿真技术，其现实意义主要表现为：其一，构建系统模型。可以通过抽象实际机床系统，构建简单模型并进行仿真实验，在实验过程中不断修正模型，调整模型参数，形成与系统相似的数学模型；其二，预测性。通过仿真技术，可以减少或避免直接加工实验，并对系统运行性能进行预测，提出改进方案；其三，推动设计优化。在建立模型的基础上，采取优化处理，不断改进设计方案，促使设计系统达到最优参数；其四，重复实验。重复实验属于系统设计必不可少的过程，现实条件中重复实验难度较高，通过仿真技术应用，只需要调整相应参数便可以实现重复实验；此外，仿真技术应用其经济性与安全性突出，可以有效降低设计成本。
在重型机床设计中仿真技术应用主要包括设计过程仿真与功能及物理特性仿真，其中设计过程仿真包括计算机辅助设计零件实体模型、虚拟装配、运动仿真等内容，功能及物理特性仿真包括系统、零件物理性能分析，零件失效预测等内容。以虚拟装配与主轴系性能分析为例，对仿真技术的具体应用进行研究。
2.仿真技术在重型机床虚拟装配中的应用
通过应用Solid Works强大运动分析功能，能够实现对研究对象空间运动位置与运动参数的精确计算，可以对复杂机构的运动规律进行有效解决，通过构建虚拟仿真环境进行重型机床设计仿真实验，可以有效降低实验成本，提高实验效率，可以实现对其运动状态的仿真，支持机构设计合理性检查，对实际重型卧式车床设计提高工具支持。下图为仿真技术在重型机床虚拟样机运动仿真流程示意图：
图1：重型机床虚拟样机运动仿真流程示意图
运动仿真在构建装配模型基础上，通过对部件进行定义，为起始运动件定义连接轴、运动方向、驱动电机，设定运动初始参数来实现。Solid Works软件属于一种三维设计软件，其软件建模操作简单。依据零部件尺寸与形状，通过Solid Works零件模型中的拉伸、扫描、旋转等功能，构建零件模型。
在装配重型卧式车床过程之前，应对零件与部件在整个部件与整个整机之中的位置、作用与零件之间的运动关系，从而确保装配后整机定位可靠，运动中不发生冲突。在装配过程中，应首先进行支架部分装配作业，然后将剩余部件以大型装配体模式装配并形成整机，其装配流程应采取自下而上的倒树状层次结构方式，确保零件装配从属关系，做好装配定位工作，从而节约资源，有利于装配体修改，提高系统处理速度。
3.仿真技术在主轴系有限元仿真中的应用
在重型机床设计中，主轴下沉问题较为突出，采取简单力学计算无法确定引起主轴下沉的原因。为此，应用仿真技术，构建有限元模型，对主轴性能进行分析。
3.1.主轴系有限元模型
在机床设计中，为方便齿轮与轴承装配工作，轴体表面多存在着一定锥度，并存在着圆角、键槽、倒角等特征。为方便研究，忽略主轴表面特征，构建多阶梯空心圆柱体主轴模型，将加工工件、卡盘进行简化，以实心圆柱体表现，箱体简化为支撑轴承支板。应用SOLID92、SOLID95等参元对机床主轴部位作网格划分，其网格模型如下图所示：
图2：主轴系有限元模型
3.2.材料属性与边界条件分析
在有限元分析过程中，应明确材料属性，确定其边界条件，主轴系部件材料属性如下表所示：
表1：主轴系部件材料属性参数表
其边界条件应包括应力边界条件、位移边界条件、混合边界条件，在对重型卧式车床主轴系有限元分析时，应保证主轴部位位移量为0，车床地基不存在变形，即设定其位移边界条件。
3.3.仿真研究结果
应用ANSYS进行模块处理，获得仿真模型主轴系变形图与主轴系位移云图。通过研究发现，主轴与卡盘连接位置与前端轴承重箱体属于主轴系部件变形集中区，靠近卡盘与承重箱体位置，其中心下沉量达到最大，为0.5mm，平均下沉量值为0.35mm。通过激光检测后发现，实际下沉量与仿真结果相近，证明仿真技术的应用可以有效对主轴系性能进行分析，依据仿真结果，找出主轴下沉原因，从而采取改进措施，优化设计，实现设计质量。
4.结语
随着工业发展，其对数控机床的性能提出更高要求，重型机床属于未来机床发展的主要趋势。在进行重型机床设计时，应用仿真技术可以有效解决传统设计方法中存在的问题，为重型机床设计提供三维模型，为优化与改进重型机床设计工作提供指导意义。仿真技术在重型机床设计中的应用，其综合优势明显，重点以虚拟装配过程和主轴性能分析为例，综合研究仿真技术在重型机床设计中的应用，实践证明，其应用整体效果突出，未来发展前景广阔。
参考文献：
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