虛擬樣機技術(shù)在數(shù)控加工車床設(shè)計研究中的應(yīng)用

摘要：以數(shù)控加工車床為例，介紹了數(shù)控車床的特點，闡述了虛擬樣機技術(shù)在數(shù)控車床設(shè)計與研究方面的應(yīng)用，并結(jié)合Abaqus軟件對數(shù)控車床主軸零部件進行有限元分析，以此來對主軸的設(shè)計加以驗證。

關(guān)鍵詞： 數(shù)控車床；虛擬樣機；Abaqus；有限元分析

中圖分類號：TH12；TP391文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2017.11.002

Application of Virtual Prototyping Technology in the Design of CNC Machining Lathe

JI Haifeng

（Liaoning jianzhu Vocational University in liaoning，liaoyang 111000，China）

Abstract：This paper introduces the characteristics of CNC lathe， introduces the virtual prototyping technology， the application of CNC lathe design and research， and combines the Abaqus software to carry on the finite element analysis to the spindle part of CNC lathe， The design to be verified.

Key words：CNC lathe；virtual prototyping；Abaqus；Finite Element Analysis

作者簡介：紀海峰（1978-），男，黑龍江齊齊哈爾人，講師/工程師，工程碩士。主要從事高速切削、CAD/CAM/CAE技術(shù)等方面工作，E-mail： 2063924643@qq.com。

0引言

在傳統(tǒng)的產(chǎn)品研發(fā)中，主要通過前期的設(shè)計計算和圖紙繪制，并生產(chǎn)出物理樣機后，對各種既定的數(shù)據(jù)進行測試檢驗；并對產(chǎn)生或存在的問題進行改進，再經(jīng)過若干次調(diào)試之后，方可批量生產(chǎn)。這種傳統(tǒng)的基于物理樣機的研發(fā)方式前期成本較高，研發(fā)周期長，已經(jīng)不適應(yīng)目前產(chǎn)品多樣化的生產(chǎn)模式，尋求一種合理的產(chǎn)品研發(fā)模式則顯得十分必要。虛擬樣機技術(shù)是一種十分先進的現(xiàn)代化制造技術(shù)，它以計算機建模技術(shù)和模擬仿真技術(shù)為主，同時結(jié)合并行工程及互聯(lián)網(wǎng)信息等技術(shù)，完成相應(yīng)產(chǎn)品的虛擬模型建立，并在虛擬的環(huán)境下，對產(chǎn)品的虛擬模型的功能、性能和可靠性進行測試。同時對整體的設(shè)計方案的可行性進行評估和改進，使存在的問題在產(chǎn)品投產(chǎn)前便得到解決，從而達到降低成本，縮短研發(fā)周期和使產(chǎn)品達到最優(yōu)化的效果＼[1＼]。圖1為虛擬樣機技術(shù)在產(chǎn)品研發(fā)過程中的主要流程。

1數(shù)控車床簡介

數(shù)控加工車床，即計算機數(shù)字控制車床，由于其具有高精度、高效率、高自動化和高柔性化等優(yōu)點，目前為止一直是國內(nèi)外使用量最大，覆蓋面最廣的一種數(shù)控機床，約占數(shù)控機床總數(shù)的四分之一，并被稱作是機械生產(chǎn)制造設(shè)備中的工作母機。當數(shù)控車床配以車削中心或多工位刀庫后，便可完成很多更復雜的工件加工，同時還具有直線插補和圓弧插補等多種補償功能，由于其具有強大的加工能力，給生產(chǎn)企業(yè)帶來了良好的經(jīng)濟效果。

圖1虛擬樣機技術(shù)在產(chǎn)品研發(fā)過程中的主要流程

2數(shù)控車床虛擬樣機的建立

所謂虛擬樣機，是由多個虛擬的零部件按照產(chǎn)品的設(shè)計功能有機的進行組合并裝配，本次對數(shù)控車床三維建模的方法，是基于數(shù)控車床實物的基礎(chǔ)之上，使用CAD/CAM/CAE功能非常強大的Pro/ENGINEER軟件來對數(shù)控車床各零部件進行精確的模型建立。

數(shù)控車床是一個比較復雜的機械裝置，在三維模型建立的過程中，可以將其整體分為8個主要模塊， 它們分別是： 外殼、底座、主軸箱、控制面板、主軸、床身、三爪卡盤和尾座。建模完成之后，接下來將所有的數(shù)控車床零部件進行裝配， 便可完成數(shù)控車床的虛擬樣機裝配。裝配完成后的數(shù)控車床虛擬樣機如圖2所示。

圖2數(shù)控車床虛擬樣機

3 數(shù)控車床的虛擬運動

在使用Pro/ENGINEER軟件建立數(shù)控車床的虛擬樣機后，便可以定義模型中各個部件間的運動關(guān)系＼[2＼]，可以使用MDX模塊來對數(shù)控車床進行模擬運動仿真的校驗，如運動軌跡、速度、加速度及干涉檢驗等。通過對車床模型運動部分的伺服電動機的添加，當仿真運動模擬后，可以看到，溜板箱沿Z軸運動，進給箱是沿X軸運動，主軸與卡盤是沿自身的軸進行旋轉(zhuǎn)，這3個方向的運動和實際數(shù)控車床的運動是完全一致的＼[3＼]，圖3是數(shù)控車床機構(gòu)運動仿真界面。

4數(shù)控車床主要零部件的有限元分析

通過Pro/ENGINEER軟件建立的數(shù)控車床的虛擬樣機后，將模型導入Abaqus軟件環(huán)境下進行有限元分析，通過對主要零部件進行虛擬的受力分析，添加載荷，從而完成對主要零部件的真實受力模擬，并來觀察在所受外力的情況下，車床主要零部件的位移變化，最大應(yīng)力變化，產(chǎn)生的最大形變，剛度和強度是否在允許范圍內(nèi)等眾多指標，來檢驗產(chǎn)品的的各項性能是否符合設(shè)計要求。此型號車床的主軸最大轉(zhuǎn)速為2500 r/min，裝卡方式是使用標準三爪卡盤，床身最大回轉(zhuǎn)直徑為400 mm，主電機額定功率為7.5 kW，通過在極限載荷條件下，通過對車床主軸的有限元分析可得3種變形云圖，如圖4所示。

在使用Abaqus軟件對數(shù)控車床的主軸零件進行了靜力學分析后，得到主軸零件在極限的切削工況下，則其撓度為0.004583，遠遠小于軸的許用撓度0.1455；并且主軸變形很微小，說明主軸的剛度合格，不會影響零件的加工質(zhì)量。

5結(jié)束語

虛擬樣機是比較新穎的技術(shù)，代表著一種全新的設(shè)計、開發(fā)和生產(chǎn)理念＼[4＼]，這種技術(shù)可以模擬車床在真實的環(huán)境下的運動狀態(tài)，并對運動和受力等情況進行分析。通過虛擬樣機技術(shù)，可以很好的對物理樣機進行驗證，也便于及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的問題，縮短研發(fā)產(chǎn)品周期，提高工作效率，增強產(chǎn)品的市場競爭力＼[5＼]。

參考文獻：

＼[1＼]陳海霞，劉霞.虛擬樣機技術(shù)在數(shù)控機床設(shè)計中的應(yīng)用＼[J＼].機械制造與自動化，2011（3）：121.

＼[2＼]楊武成，張武剛.數(shù)控銑床虛擬裝配建模及其加工仿真研究＼[J＼].機床與液壓，2009，37（5）：176.

＼[3＼]楊曉京，傅中裕，史孝文.數(shù)控機床虛擬樣機的虛擬加工實現(xiàn)＼[J＼].機床與液壓，2007，35（1）：45.

＼[4＼]楊曉京，劉劍雄.基于虛擬樣機技術(shù)的數(shù)控機床現(xiàn)代設(shè)計方法＼[J＼].機械設(shè)計，2005（2）：16.

＼[5＼]羅衛(wèi)平，陳曼華.基于虛擬樣機技術(shù)的數(shù)控機床的仿真研究＼[J＼].機電技術(shù)，2010，33（5）：28.endprint