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1、学 术 研究分析面向重型机床设计的仿真 技术研究应用 保定标正机床有限责任公司 王杏然 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 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
2、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
3、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
4、 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 S o l i d W o r k s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 6 2 M a c h in e C h in a 中国机械 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
5、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 盛蠢爨黎互 棒 罐精 崤 簟 知 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 S o l i d W o r k s 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 S o l i d W o r k s 零件模型中的拉伸 扫描 旋转等 功能 构建零件模型 在
6、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
7、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 S O L I D 9 2 S O L I D 9 5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 应明确材料屙陛 确 定其边界条件 主轴系部件材料属性如下表所示 部 件 辐 称材 料弹 性 横 量妊 P t泊 松 比v镪 度 m 表 l 主轴系部件材料属性参数表 其边界
8、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 A N S Y S 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 5 m m 平均下沉量 值为 0 3 5 m m 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
9、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 1 赵扬 基于有限元技术的龙门机床结构动 静态特性分析与优化设计 D 长春工业大学 2 0 1 2 Ac a d e m i c 学术 2
10、潘勇 基于虚拟现实技术的重型机床优 3 唐朋飞 基于拓扑优化的重型机床立柱 4 罗毅 面向再制造的机床能耗分析模型 化设计与评估 D 武汉纺织大学 2 0 1 3 轻量化设计 D 苏州大学 2 0 1 2 及节能关键技术研究 D 重庆大学 2 0 1 3 轻工机械设计创新的新思维和新方法 内蒙古敖汉旗贝子府镇企业站 一 孙曩学 轻工机械是我国重要的工业部门 自工业兴起之初 便为我国国民经济的发展创造了巨大的经济效益 而科学技术水平的不断进步 在带 动轻工机械产业发展的同时 也对其设计理念提出了更高的要求 不断进行设计的创新 促进生产设备的更新换代 并且以新思维和新方法为 轻工机械产业的壮大提供
11、源动力 已经成为促进当前我国轻工机械产业做大做强的主要手段 基于此 本文将立足当前轻工机械产业的实际 探讨轻工机械设计创新的新思维和新方法 我国的轻工机械产业兴起于上世纪9 O 年代 隶属于机构学 并且被划分到工作机器的范畴内 其工作机理主要是依靠一系列工艺动作来实现 由于起步较晚 我国的轻工机械经过多年来的发 展 始终缺乏有效的创新动力和设计方法 导致 其始终发展缓慢 难以最大程度的推动产业升级 带动国家整体经济实力的提升 这种现状要求各 轻工机械企业加快设计创新的步伐 以新思维和 新方法来带动产业结构的升级 促进企业的长远 发展 1 轻工机械设计创新的整体规划 i i 以目标创新和理念创新
12、作为指导 轻工机械设计若想要从根本上实现创新 树 立科学合理 并且行之有效的创新 目标和创新理 念 是指导一切创新活动的依据根本 因此 轻 工机械设计创新的实现 首先应该立足于当前的 现实社会需求 以市场为导向 在制定出总体发 展方案的基础之上 不断寻求 目标和理念的创新 并以此来指导轻工机械设计的创新发展 i 2 创新工作机理与工作模式 站在轻工机械设计的视角来看 若想要谋求 发展 必然要有创新的目标和理念作为支撑 并 以此作为新的工作机理和工作模式产生的前提和 基础 才能够制定出符合实际与未来发展走向的 设计方案 1 轻工机械设计应该对其形成的方 案加以细化和分析 采取 由4 N大 由浅
13、入深 的方式来进行设计创新 从组成参数和结 构参数等基础细节入手 并逐渐将创新范围扩大 到产业结构 发展规划等宏观方面 2 轻工机械设计创新的新思维和新方法 2 1 建立轻工机械功能求解模型 对于任何产品来说 功能求解模型都是 进行设计创新的重要基础和依据 对于轻工机械 设计创新来说亦是如此 轻工机械若想要真正的 实现设计创新 首先就要根据轻机设计自身的特 点 来建立起客观的功能求解模型 以提高设计 的效率和创新的水平 整个轻工机械由轻机产品 功能 寻求产品工作机理 构思效应工艺动作过 程 分解若干可行的执行动作 以及求得若干执 行机构组成的系统几部分所构成 2 从整个功能求解模型中能够看出
14、轻机产品 的功能 原理 动作过程都被模型联系成为统一 的一个整体 这与产品的特殊性质保持一致性 并且是符合整个轻工机械设计的创新理念的 这 种创新理念不仅易于接受 同时也比较容易应用 到实践当中 具有很强的操作性 另外 事实上 整个功能求解模型是功能域 效应域 工艺动作 过程域 执行动作域以及执行机构域这五个环节 的映射 并且在这五个映射作为设计师在设计过 程 中融入的创新思维和创新方法 在带给轻工机 械设计 自身创新的基础之上 还会被作为其他创 新思维和创新方法的基本创造理念 由此也会衍 生 出各种不同功能和效应的产品创新方案 将会 在很大程度上促进轻工机械设计的创新发展 3 除此之外 功能
15、求解模型是建立在多种不同 类型产品的工作原理之上的 设计人员通过对这 些理论和技术的研究 能够开发出更多科学可靠 的创新理念 为轻工机械设计的创新提供全新的 方法和途径 由此可见 功能求解模型在整个轻 工机械设计的创新过程中占据着重要的地位 2 2 轻工机械系统设计创新方案 在功能求解模型中 我们能够找到与各个环 节的动作相互对应的机构 但是 由于不同执行 动作的机构可以对应多个不同的机构 便会形成 很多各 自独立又相互统一的机构系统 因此 在 进行轻工机械设计创新的过程中 除确立功能求 解模型之外 还应该构建出完善的机构系统设计 方案 2 2 1 机构系统的原则 在进行机构系统设计时 应该具
16、体把握以下 两个方面的设计原则 首先 应该把握相容性的原则 所谓的相容 性原则 是指整个机构系统的创新设计 应该保 证各机构在执行动作时 都能够保持同步 拥有 协调一致的执行时间和标准 保证各个机构输 出 动作的精准 4 其次 应该保证系统各部分环节都达到最优 化 这是保证整体的系统性能和创新性能达到最 优化的主要手段 确保各机构系统中各部分的性 能最优 对各个部分结构的设计都秉持最新颖的 设计理念和设计思维 将各部分组合在一起时 才能使系统达到综合性能的最优 2 2 2 以形态学矩阵实现机构系统设计方 案的多元化 一 如公式 1 中所示 N 代表机构系统方案数 a b C 分别代表动作执行机构数 将机构系统 中的工艺动作进行分解 能够得到若干个执行动 作数 5 这种设计方案从理论上讲 进行组合 之后能够得到若干机构系统设计方案 即为 N N a b C 1 2 2 3 机构系统方案的创新性评价和决策 在整个机构系统的设计创新方案中 不仅囊 括了系统功能 工作的性能 动力性能等因素 同时也涵盖了经济型机构紧凑型等一系列评价指 标 对这些指标进行统一的评价 能够得到一个 最优方案 此方案
