面向重型机床设计的仿真技术研究及应用

0 引言

    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。

    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。