左大利，張偉文

（東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣東東莞523808）

基于SolidWorks的單軸數(shù)控滑臺機(jī)械結(jié)構(gòu)虛擬設(shè)計

左大利，張偉文

（東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣東東莞523808）

單軸數(shù)控滑臺是數(shù)控機(jī)床的基本單元。利用虛擬設(shè)計技術(shù)，以SolidWorks軟件為操作平臺，設(shè)計了單軸數(shù)控滑臺的機(jī)械結(jié)構(gòu)，降低了新產(chǎn)品研發(fā)的成本，提高了機(jī)械設(shè)計的效率，也提高了高職機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)、數(shù)控機(jī)床等課程的教學(xué)效果。

單軸數(shù)控滑臺；機(jī)械結(jié)構(gòu)；虛擬設(shè)計

SolidWorks是美國SolidWorks公司開發(fā)的以機(jī)械設(shè)計功能為主的CAD/CAE/CAM軟件。它的機(jī)械設(shè)計模塊包含了零件設(shè)計、裝配設(shè)計、工程圖設(shè)計等設(shè)計者必需的功能。SolidWorks自發(fā)布以來，迅速成為機(jī)械三維設(shè)計的主流軟件，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計的各個行業(yè)［1］。

基于SolidWorks的虛擬設(shè)計是通過計算機(jī)利用SolidWorks軟件創(chuàng)建一種逼真的虛擬設(shè)計環(huán)境，并在該環(huán)境中，對機(jī)械產(chǎn)品的零部件進(jìn)行三維虛擬設(shè)計和虛擬裝配，以期利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)呈現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品真實(shí)結(jié)構(gòu)的一種手段。這種方式不僅可以提高產(chǎn)品的設(shè)計效率，還可以降低產(chǎn)品的設(shè)計成本，對新產(chǎn)品的開發(fā)和舊產(chǎn)品的優(yōu)化都極為有用［2，3］。

本課題主要研究組成數(shù)控設(shè)備的最重要的也是最基本的單元——單軸數(shù)控滑臺。擬對其進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計和運(yùn)動控制設(shè)計，最后開發(fā)出樣機(jī)模型。本文以單軸數(shù)控滑臺的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計為例，以Solid－Works軟件為平臺，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對單軸數(shù)控滑臺的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速、真實(shí)的虛擬建模，并進(jìn)行了虛擬裝配，最后有效地設(shè)計了單軸數(shù)控滑臺的虛擬樣機(jī)模型。該研究既瞄準(zhǔn)行業(yè)發(fā)展需求，又結(jié)合專業(yè)教學(xué)需求，具有兩大亮點(diǎn)：

第一，立足于自動化設(shè)備在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中的實(shí)際需求，采用先進(jìn)技術(shù)，以虛擬設(shè)計、虛擬裝配為手段來解決工業(yè)生產(chǎn)中的實(shí)際問題，大大縮短了新產(chǎn)品開發(fā)的周期，節(jié)約了新產(chǎn)品開發(fā)的成本；

第二，在解決工業(yè)問題的同時，將設(shè)計成果應(yīng)用到教學(xué)當(dāng)中，豐富了數(shù)控技術(shù)專業(yè)的教學(xué)資源，使學(xué)生可以通過樣機(jī)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)，同樣清楚、深入地學(xué)習(xí)數(shù)控技術(shù)專業(yè)的專業(yè)知識和技能，大大提高了教學(xué)效果，降低了教學(xué)成本。

1　數(shù)控滑臺的應(yīng)用現(xiàn)狀

滑臺作為組合機(jī)床完成進(jìn)給運(yùn)動的通用部件，它可以根據(jù)加工零件的工藝要求，在其上配置動力箱、多軸箱、鈷、鏜、銑、車、攻絲等工藝，亦可在其上安裝工件組成輸送運(yùn)動實(shí)現(xiàn)工作循環(huán)，是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，并已成為現(xiàn)代科技的一個重要組成部分。

隨著社會的發(fā)展，產(chǎn)品更新?lián)Q代周期越來越短，這就促使“剛性”的組合機(jī)床及其自動線朝著“柔性化”方向發(fā)展，而數(shù)控及檢測等新技術(shù)的出現(xiàn)，則使這種“柔性化”成為可能。如今各種組合機(jī)床及柔性生產(chǎn)線已在制造業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。然而，通用部件是組合機(jī)床及自動線的基本組成單元，所以組合機(jī)床的柔性，在很大程度上取決于作為通用部件的滑臺的柔性。因此，設(shè)計制造系列精密數(shù)控滑臺，是組合機(jī)床設(shè)計制造廠家迫切需要解決的問題。

2　數(shù)控滑臺的虛擬設(shè)計

2.1虛擬建模技術(shù)

SolidWorks提供了參數(shù)化的實(shí)體建模功能，概括起來主要包含三個方面［4］：

（1）基于尺寸約束的參數(shù)化建模

所謂尺寸約束主要是指圖素本身關(guān)系。比如長度、半徑、直徑、角度等。它在建模過程中主要是限制圖素本身的尺寸。基于尺寸約束的參數(shù)化建模，就是通過修改圖素的尺寸來修改模型本身的形狀或者模型與模型之間的位置。它是最根本的建模方法，應(yīng)用的也最為廣泛。

（2）基于幾何約束的參數(shù)化建模

所謂幾何約束主要是指圖素之間的相互位置關(guān)系。比如水平、豎直、平行、垂直、同心、相切等。它在建模過程中主要是限制圖素與圖素之間的連接關(guān)系?；趲缀渭s束的參數(shù)化建模，就是通過修改圖素本身的幾何形態(tài)或圖素與圖素之間的幾何形態(tài)來表達(dá)模型本身的形狀特征或模型和模型之間的空間位置。

（3）基于特征模型的參數(shù)化建模

所謂特征模型主要是指以實(shí)體造型為基礎(chǔ)，用具有一定設(shè)計或加工功能的特征作為造型的基本單元建立零部件的幾何模型。它在建模過程中，主要是通過特征命令直接調(diào)用諸于筋板、槽、孔、螺紋、凸臺等特征?；谔卣髂Ｐ偷膮?shù)化建模，就是在特征模型的基礎(chǔ)上，通過對特征模型進(jìn)行編輯等操作來建立模型的一種方法。

上述三種建模方法綜合概括了當(dāng)前建模的基本思路，各有利弊。然而，隨著模型復(fù)雜程度的增加，單純依靠其中任何一種建模方法都很難達(dá)到目的，因此，在進(jìn)行機(jī)械設(shè)計時，往往是綜合利用上述三種方法進(jìn)行虛擬建模，從而達(dá)到對機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行虛擬設(shè)計的目的。本課題就是綜合利用了上述三種建模技術(shù)，才得以完成整個數(shù)控滑臺的所有零件的虛擬設(shè)計的。

2.2虛擬模型的建立

（1）數(shù)據(jù)采集

本設(shè)計以我院數(shù)控實(shí)訓(xùn)車間的數(shù)控銑床的數(shù)控滑臺為參考，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。首先分析了機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)，尤其是數(shù)控滑臺的機(jī)械結(jié)構(gòu)，然后利用工程測量技術(shù)，測量了部分關(guān)鍵零部件的基本尺寸，然后整理了數(shù)據(jù)，為后期的模型建立做好了充分的準(zhǔn)備工作。

（2）零件模型的建立

在SolidWorks的虛擬環(huán)境中建立機(jī)械零件虛擬模型的基本思路是：首先選取合適的基準(zhǔn)面，并在基準(zhǔn)面上繪制零件的平面草圖。在這個過程里面主要需要用到基于尺寸約束和基于幾何約束的參數(shù)化建模技術(shù)。然后對草圖使用拉伸、旋轉(zhuǎn)、放樣、掃描等基本建模命令建立模型的基本形體。最后利用螺紋、打孔、倒角等命令對模型基本體進(jìn)行編輯，完成整個零件模型的建立。在這個過程中主要用到基于特征模型的參數(shù)化建模技術(shù)。

本研究建立的主要零部件的虛擬模型如表1所示。

表1　數(shù)控滑臺部分零件虛擬模型

（3）虛擬裝配

SolidWorks軟件具有獨(dú)立的虛擬裝配模塊，在該模塊中，設(shè)計者可以根據(jù)零件之間的相互位置關(guān)系，對零件進(jìn)行虛擬裝配。一般來說，SolidWorks的裝配設(shè)計主要有兩種模式［5，6］：一是自底向上的裝配設(shè)計模式，二是自頂向下的裝配設(shè)計模式。

自底向上的裝配設(shè)計模式：這種模式是先局部后整體的一種模式。就是先建立零件的虛擬模型，然后根據(jù)各零件之間的相互位置關(guān)系，利用面定位、孔定位等的定位方式將各個虛擬模型有機(jī)地裝配到一起，形成一個具有特定功能的整體。這種模式是在已有零件模型的情況下進(jìn)行裝配，只需要考慮裝配中的定位問題即可，應(yīng)用起來比較簡單。

自頂向下的裝配設(shè)計模式：這種模式是先整體后局部的一種模式。就是先利用少數(shù)已有的零件模型建立起裝配結(jié)構(gòu)，然后從裝配體中，以已有零件為基礎(chǔ)，根據(jù)裝配體的整體功能要求，各零件之間的相互位置關(guān)系，反過來設(shè)計創(chuàng)建零件。這種模式不但要考慮零件之間的相互位置關(guān)系，還要考慮零件自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對設(shè)計者的要求較高。

本研究是采用自底向上的裝配設(shè)計模式。最終裝配的單軸數(shù)控滑臺的結(jié)構(gòu)如圖1所示。將該數(shù)控滑臺裝配到數(shù)控機(jī)床中組成X軸、Y軸的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1　數(shù)控滑臺虛擬裝配圖

圖2　數(shù)控機(jī)床X、Y軸

3　結(jié)束語

隨著機(jī)械結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜，機(jī)械更新?lián)Q代的周期不斷加快，傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計的方法已經(jīng)越來越不能滿足需要。為了解決這個問題，虛擬設(shè)計技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，為新機(jī)械的設(shè)計和舊機(jī)械的優(yōu)化改造提供了技術(shù)手段，而SolidWorks以其強(qiáng)大的機(jī)械設(shè)計功能為基于虛擬設(shè)計技術(shù)的機(jī)械設(shè)計提供了完美的操作平臺，使得設(shè)計者對機(jī)械設(shè)計需求的快速響應(yīng)，降低新產(chǎn)品的開發(fā)成本，縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期成為可能，不僅對工業(yè)技術(shù)的發(fā)展意義重大，而且也能促進(jìn)工業(yè)技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用，不斷提高教學(xué)質(zhì)量。

［1］劉立軍.SolidWorks軟件在機(jī)械設(shè)計中的應(yīng)用與研究［J］.硅谷，2013，（4）：102，12.

［2］曹巨江，夏晨露.SolidWorks和Creator相結(jié)合的虛擬現(xiàn)實(shí)建模研究［J］.制造業(yè)自動化，2014，36（7）：36-38.

［3］袁鋒偉，李必文，何彬.基于SolidWorks-VRML實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的精確建模［J］.機(jī)電工程，2007，24（10）：103-105.

［4］陳璐.基于SolidWorks的參數(shù)化建模［J］.CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2007，（3）：72-74.

［5］和文云.SolidWorks在機(jī)械設(shè)計中的應(yīng)用［J］.工業(yè)設(shè)計，2011，（4）:146-147，149.

［6］鞏勇智.SolidWorks在機(jī)械設(shè)計中的應(yīng)用研究［J］.科技傳播，2013，（3）下：199-200.

Virtual Design for the Mechanical Structure of Single Axis NC Sliding based on SolidWorks

ZUO Da-li，ZHANG Wei-wen
（Dongguan Polytechnic，Department of Mechanical and Electrical Engineering，Dongguan Guangdong 523808，China）

Single axis NC slide is the basic unit of CNC machine tool.Using virtual design technology based on SolidWorks as the operating platform，the mechanical structure of single axis NC sliding was designed.It Reduces the cost of new product research and improves the efficiency of mechanical design.At the same time，it also improves the teaching effect of the course of mechanical design，CNC machine tools and so on.

single axis NC slide；mechanical structure；virtual design

TH122

A

1672-545X（2016）08-0020-03

2016-05-19

東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級基金項(xiàng)目（2015c13）

左大利（1982-），男，湖北人，碩士，講師，主要從事數(shù)控技術(shù)及其職業(yè)教育研究；張偉文（1978-），男，廣東人，博士，講師，主要從事機(jī)械設(shè)計及仿真研究。