虚拟样机技术在数控加工车床设计研究中的应用

摘要：以数控加工车床为例，介绍了数控车床的特点，阐述了虚拟样机技术在数控车床设计与研究方面的应用，并结合Abaqus软件对数控车床主轴零部件进行有限元分析，以此来对主轴的设计加以验证。

关键词： 数控车床；虚拟样机；Abaqus；有限元分析

中图分类号：TH12；TP391文献标识码：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

作者简介：纪海峰（1978-），男，黑龙江齐齐哈尔人，讲师/工程师，工程硕士。主要从事高速切削、CAD/CAM/CAE技术等方面工作，E-mail： 2063924643@qq.com。

0引言

在传统的产品研发中，主要通过前期的设计计算和图纸绘制，并生产出物理样机后，对各种既定的数据进行测试检验；并对产生或存在的问题进行改进，再经过若干次调试之后，方可批量生产。这种传统的基于物理样机的研发方式前期成本较高，研发周期长，已经不适应目前产品多样化的生产模式，寻求一种合理的产品研发模式则显得十分必要。虚拟样机技术是一种十分先进的现代化制造技术，它以计算机建模技术和模拟仿真技术为主，同时结合并行工程及互联网信息等技术，完成相应产品的虚拟模型建立，并在虚拟的环境下，对产品的虚拟模型的功能、性能和可靠性进行测试。同时对整体的设计方案的可行性进行评估和改进，使存在的问题在产品投产前便得到解决，从而达到降低成本，缩短研发周期和使产品达到最优化的效果＼[1＼]。图1为虚拟样机技术在产品研发过程中的主要流程。

1数控车床简介

数控加工车床，即计算机数字控制车床，由于其具有高精度、高效率、高自动化和高柔性化等优点，目前为止一直是国内外使用量最大，覆盖面最广的一种数控机床，约占数控机床总数的四分之一，并被称作是机械生产制造设备中的工作母机。当数控车床配以车削中心或多工位刀库后，便可完成很多更复杂的工件加工，同时还具有直线插补和圆弧插补等多种补偿功能，由于其具有强大的加工能力，给生产企业带来了良好的经济效果。

图1虚拟样机技术在产品研发过程中的主要流程

2数控车床虚拟样机的建立

所谓虚拟样机，是由多个虚拟的零部件按照产品的设计功能有机的进行组合并装配，本次对数控车床三维建模的方法，是基于数控车床实物的基础之上，使用CAD/CAM/CAE功能非常强大的Pro/ENGINEER软件来对数控车床各零部件进行精确的模型建立。

数控车床是一个比较复杂的机械装置，在三维模型建立的过程中，可以将其整体分为8个主要模块， 它们分别是： 外壳、底座、主轴箱、控制面板、主轴、床身、三爪卡盘和尾座。建模完成之后，接下来将所有的数控车床零部件进行装配， 便可完成数控车床的虚拟样机装配。装配完成后的数控车床虚拟样机如图2所示。

图2数控车床虚拟样机

3 数控车床的虚拟运动

在使用Pro/ENGINEER软件建立数控车床的虚拟样机后，便可以定义模型中各个部件间的运动关系＼[2＼]，可以使用MDX模块来对数控车床进行模拟运动仿真的校验，如运动轨迹、速度、加速度及干涉检验等。通过对车床模型运动部分的伺服电动机的添加，当仿真运动模拟后，可以看到，溜板箱沿Z轴运动，进给箱是沿X轴运动，主轴与卡盘是沿自身的轴进行旋转，这3个方向的运动和实际数控车床的运动是完全一致的＼[3＼]，图3是数控车床机构运动仿真界面。

4数控车床主要零部件的有限元分析

通过Pro/ENGINEER软件建立的数控车床的虚拟样机后，将模型导入Abaqus软件环境下进行有限元分析，通过对主要零部件进行虚拟的受力分析，添加载荷，从而完成对主要零部件的真实受力模拟，并来观察在所受外力的情况下，车床主要零部件的位移变化，最大应力变化，产生的最大形变，刚度和强度是否在允许范围内等众多指标，来检验产品的的各项性能是否符合设计要求。此型号车床的主轴最大转速为2500 r/min，装卡方式是使用标准三爪卡盘，床身最大回转直径为400 mm，主电机额定功率为7.5 kW，通过在极限载荷条件下，通过对车床主轴的有限元分析可得3种变形云图，如图4所示。

在使用Abaqus软件对数控车床的主轴零件进行了静力学分析后，得到主轴零件在极限的切削工况下，则其挠度为0.004583，遠远小于轴的许用挠度0.1455；并且主轴变形很微小，说明主轴的刚度合格，不会影响零件的加工质量。

5结束语

虚拟样机是比较新颖的技术，代表着一种全新的设计、开发和生产理念＼[4＼]，这种技术可以模拟车床在真实的环境下的运动状态，并对运动和受力等情况进行分析。通过虚拟样机技术，可以很好的对物理样机进行验证，也便于及时发现设计中存在的问题，缩短研发产品周期，提高工作效率，增强产品的市场竞争力＼[5＼]。

参考文献：

＼[1＼]陈海霞，刘霞.虚拟样机技术在数控机床设计中的应用＼[J＼].机械制造与自动化，2011（3）：121.

＼[2＼]杨武成，张武刚.数控铣床虚拟装配建模及其加工仿真研究＼[J＼].机床与液压，2009，37（5）：176.

＼[3＼]杨晓京，傅中裕，史孝文.数控机床虚拟样机的虚拟加工实现＼[J＼].机床与液压，2007，35（1）：45.

＼[4＼]杨晓京，刘剑雄.基于虚拟样机技术的数控机床现代设计方法＼[J＼].机械设计，2005（2）：16.

＼[5＼]罗卫平，陈曼华.基于虚拟样机技术的数控机床的仿真研究＼[J＼].机电技术，2010，33（5）：28.endprint