虛擬樣機技術在數控加工車床設計研究中的應用

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

關鍵詞： 數控車床；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技術等方面工作，E-mail： 2063924643@qq.com。

0引言

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

1數控車床簡介

數控加工車床，即計算機數字控制車床，由于其具有高精度、高效率、高自動化和高柔性化等優點，目前為止一直是國內外使用量最大，覆蓋面最廣的一種數控機床，約占數控機床總數的四分之一，并被稱作是機械生產制造設備中的工作母機。當數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，給生產企業帶來了良好的經濟效果。

圖1虛擬樣機技術在產品研發過程中的主要流程

2數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品的設計功能有機的進行組合并裝配，本次對數控車床三維建模的方法，是基于數控車床實物的基礎之上，使用CAD/CAM/CAE功能非常強大的Pro/ENGINEER軟件來對數控車床各零部件進行精確的模型建立。

數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，接下來將所有的數控車床零部件進行裝配， 便可完成數控車床的虛擬樣機裝配。裝配完成后的數控車床虛擬樣機如圖2所示。

圖2數控車床虛擬樣機

3 數控車床的虛擬運動

在使用Pro/ENGINEER軟件建立數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系＼[2＼]，可以使用MDX模塊來對數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，這3個方向的運動和實際數控車床的運動是完全一致的＼[3＼]，圖3是數控車床機構運動仿真界面。

4數控車床主要零部件的有限元分析

通過Pro/ENGINEER軟件建立的數控車床的虛擬樣機后，將模型導入Abaqus軟件環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，最大應力變化，產生的最大形變，剛度和強度是否在允許范圍內等眾多指標，來檢驗產品的的各項性能是否符合設計要求。此型號車床的主軸最大轉速為2500 r/min，裝卡方式是使用標準三爪卡盤，床身最大回轉直徑為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量。

5結束語

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

參考文獻：

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

＼[2＼]楊武成，張武剛.數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.數控機床虛擬樣機的虛擬加工實現＼[J＼].機床與液壓，2007，35（1）：45.

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

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