现代数控机床综合应用机械设计与制造工艺、计算机自动控制技术、精密测量与检测、信息技术、人工智能等技术领域中的最新成果，将朝着高速化、精密化、复合化、柔性化、极端化等趋势发展。极端化是指数控机床有朝着极小化和极大化方向发展的趋势。在国防、航空、航天等行业中大型化装备的制造方面，需要大、重型数控机床，这就导致数控机床朝着大型化和重型化方向发展。由于零件的巨大化使大、重型机床和普通机床加工有着很大的区别，不能采用普通机床设计理论作为指导。随着计算机技术的发展，仿真技术在工业中的应用越来越广泛，能够克服传统设计方法的局限性，为重型机床设计建立合适的理论模型，为产品设计和改进提供指导。
本文作者在研究计算机仿真技术在重型机床设计和加工中应用的基础上，结合青海重型机床公司某重型卧式车床设计过程，实现了车床虚拟装配过程和主轴系性能分析，为主轴改进设计提供了有力的理论依据和参考。
1 仿真技术在重型机床中的应用
计算机仿真技术是以相似原理、模型理论、系统技术、信息技术为基础，以计算机系统为工具，利用模型对已有的或设想的系统进行研究、分析、试验与运行的一门多学科综合性技术。仿真技术为重型机床设计提供了强有力的工具和手段，并得到广泛应用。图1显示了计算机仿真的基本原理。
计算机仿真基本原理图
图1 计算机仿真基本原理图
从图1中可以看出，计算机仿真在重型机床设计中应用的意义主要体现在：
(1)建立完善的系统模型。对实际机床系统进行抽象，建立简化模型进行仿真实验，在实验中按照一定的方法修正模型的结构和参数，不断改进，从而建立起与系统相似的数学模型。
(2)预测。利用计算机仿真可以减少甚至避免直接加工实验，同时可以预测系统的特性，进一步提出改进模型和方案。
(3)优化设计。在已建模的基础上，运用一定的优化技术可以在计算机上实现指定加工要求下对设计方案进行优化和改进，使设计系统达到最优指标。
(4)重复试验。设计过程中，重复实验必不可少。实际系统中完全相同条件下的重复试验很难甚至无法实现，而仿真技术则可保证在相同的参数设置和输入条件下得到完全相同的输出。
(5)经济性和安全性。在精密加工中，试验不仅费时，费用也高，重复试验更是一种浪费。重型机床的特殊性，许多设计过程不能在实际系统展开研究，如某些对工件破坏性大、成本高(如重型卧式车床中卡盘的增力丝杠设计过程中，由于进口增力丝杠价格昂贵，不能进行破坏性试验)的研究。相比而言，仿真试验不仅成本降低，而且安全可靠。
计算机仿真技术在重型机床设计中的应用主要有：
(1)设计过程仿真，包括将计算机辅助设计零件实体模型、虚拟装配过程和运动仿真等;
(2)功能及物理特性仿真，包括系统及零件的动静态物理性能分析(如有限元分析关键部件动静态性能)、零件失效预测等。
青海重型机床公司的大中型、高精度机床产品在国内拥有广阔市场。但传统的设计方法和生产经验已不能满足其设计要求。本文作者利用计算机仿真技术对某重型卧式车床装配过程和主轴性能进行仿真。
2 车床虚拟装配实现
依托SolidWorks强大的运动分析功能，能精确地对研究对象进行空间运动位置及运动参数的计算，能够很好地解决复杂机构的运动规律问题。通过建立虚拟仿真环境进行仿真试验研究，可以降低实验成本，提高实验效率。并且能够对运动状态进行仿真，检查机构设计的合理性等，对实际重型卧式车床样机的设计具有重要的参考和指导价值。
图2为重型卧式车床虚拟样机运动仿真的流程图。运动仿真是在成功建立了其装配模型的基础上，通过定义静止部件、运动部件，并为在各起始运动件上定义驱动电机、选择连接轴和运动方向、设定运动初始条件或参数等一系列操作来实现。SolidWorks是非常有效的三维设计软件，利用软件进行实体建模十分方便。根据部件的形状和尺寸，在SolidWorks软件的零件模块中利用拉伸、旋转、扫描等特征创建方式建立各个零件的模型，建立的车床各零部件如图3所示。
虚拟样机运动仿真流程图
图2 虚拟样机运动仿真流程图
重型卧式车床各零部件实体模型
图3 重型卧式车床各零部件实体模型
在重型卧式车床的装配过程中，首先装配好支架各主要部件，再将各主要部件及剩余零件按大型装配体模式装配成整机，整个流程采用自底而上的倒树状层次结构法，各级部件通过引用一系列下级零部件模型组装而成，它不仅描述一个部件与下级零部件之间的装配从属关系，同时也记录所属下级零部件之间的装配定位关系，如图4所示。这样装配，节省系统资源，便于修改装配体;同时，有利于装配体仿真过程中部件约束的添加及系统处理速度的提高。
自底向上的装配过程示意图(各小部件忽略)
图4 自底向上的装配过程示意图(各小部件忽略)
装配前，应正确分析各个零件、部件在部件、整机中的位置、作用以及相关零部件之间的运动关系，以保证装配后的整机定位可靠、运动灵活、不发生干涉，图5为整体车床装配实体图。
车床整机装配实体模型
图5 车床整机装配实体模型
3 主轴系有限元仿真实现
重型卧式车床主轴下沉是困扰青重技术人员的难题，采用传统简单力学计算无法找出原因。因此，作者以有限元为工具对主轴性能进行分析并提出改进方案为车床设计改进提供参考。
3.1 主轴系有限元模型
实际车床主轴为了便于轴承和齿轮的装配，轴体表面具有一定锥度且有倒角、圆角、退刀槽和键槽等小特征。主轴模型为忽略表面所有小特征的多阶梯空心圆柱体。卡盘和加工工件亦简化为实心圆柱体，其中工件65%质量作用在卡盘和主轴上;箱体简化为支撑轴承两个支板。
选择10节点的SOUD92和8节点的SOUD95两种等参元对主轴系各部件进行网格划分;其中，主轴和箱体采用SOUD92划分网格，卡盘和加工工件采用SOLID95划分网格。这样生成节点数较少，能够节省大量系统资源(网格划分后共生成计算节点203562个)。图6为其网格模型。
主轴系网格模型
图6 主轴系网格模型
3.2 材料属性和边界条件
分析过程中，各部件工作都在常温下工作，且各向同性，表1为主轴系各部件材料属性。
表1 主轴系部件材料属性参数
主轴系部件材料属性参数
弹性力学有限元分析中，边界条件包括位移边界条件、应力边界条件和混合边界条件三种。对于重型卧式车床主轴系静态有限元分析，采用位移边界条件，即设主轴轴承连接处箱体底部各节点位移为0(固定不动，即车床地基不变形)。
3.3 仿真结果及分析
利用ANSYS后处理模块，可以查看仿真模型的主轴位移云图和主轴系变形图。图7为位移云图，图8为主轴系变形示意图。
主轴系位移云图
图7 主轴系位移云图
主轴系变形示意图
图8 主轴系变形示意图
由图8可知，主轴系各零部件变形主要发生在卡盘与主轴连接处和前端承重箱体，这里也是应力集中处。图9为主轴中心线处变形后各节点位移变化量。由图中可以看出，靠近承重箱体和卡盘的部分，中心位移下沉量逐渐增大，最大处下沉量为0.5mm，平均下沉量为0.35mm。
主轴中心位移变化曲线
图9 主轴中心位移变化曲线
青重技术人员采用激光测量主轴下沉量，其最大下沉量达0.35mm，平均下沉量约为0.2mm，这与计算结果相接近。引起仿真结果比测量结果大的原因是建模过程中支撑箱体简化使变形集中在支撑处，而实际箱体支撑面积要大，支撑处变形较小。
由图10可知，主轴自身变形较小(最大处为0.06mm)，也说明主轴刚度能够实现正常加工。因此，引起主轴中心下沉的主要原因在：
(1)支撑箱体发生变形;
(2)主轴和卡盘连接力不够，引起主轴头部发生下沉。
主轴变形示意图
图10 主轴变形示意图
针对分析结果，对主轴系设计提出改进方案：
(1)加厚箱体壁，使箱体结构合理;
(2)增加主轴和卡盘之间的连接力。青重已经将原来主轴和卡盘之间的4个把合螺栓改为12个，增加了主轴和卡盘之间的连接力。
4 结论
作者以某重型卧式车床中的虚拟装配过程和主轴性能分析为实例介绍了计算机仿真技术在重型机床设计中的应用。分别利用SolidWorks和Ansys软件实现了重型卧式车床的虚拟装配和主轴性能分析，为重型卧式车床设计和改进提供了理论依据和参考。这两方面的应用体现了计算机仿真在重型机床设计中应用的两个不同层次——设计过程仿真和功能及物理特性仿真。
计算机仿真技术在机械工程领域的研究和应用已得到广泛重视，在理论分析和成本降低等方面体现出较大优越性。针对重型机床设计特点开展计算机仿真技术研究能够为重型机床设计提供新方法。仿真技术在机床设计中的应用对加快数控机床的大、重型极端化发展，促进国防、航天等行业的大型装备制造业发展有重要意义。
