左大利，張偉文

（東莞職業(yè)技術學院機電工程系，廣東東莞523808）

基于SolidWorks的單軸數(shù)控滑臺機械結構虛擬設計

左大利，張偉文

（東莞職業(yè)技術學院機電工程系，廣東東莞523808）

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

單軸數(shù)控滑臺；機械結構；虛擬設計

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

基于SolidWorks的虛擬設計是通過計算機利用SolidWorks軟件創(chuàng)建一種逼真的虛擬設計環(huán)境，并在該環(huán)境中，對機械產品的零部件進行三維虛擬設計和虛擬裝配，以期利用虛擬現(xiàn)實技術呈現(xiàn)機械產品真實結構的一種手段。這種方式不僅可以提高產品的設計效率，還可以降低產品的設計成本，對新產品的開發(fā)和舊產品的優(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。擬對其進行機械結構設計和運動控制設計，最后開發(fā)出樣機模型。本文以單軸數(shù)控滑臺的機械結構設計為例，以Solid－Works軟件為平臺，利用虛擬現(xiàn)實技術對單軸數(shù)控滑臺的機械結構進行快速、真實的虛擬建模，并進行了虛擬裝配，最后有效地設計了單軸數(shù)控滑臺的虛擬樣機模型。該研究既瞄準行業(yè)發(fā)展需求，又結合專業(yè)教學需求，具有兩大亮點：

第一，立足于自動化設備在工業(yè)生產應用中的實際需求，采用先進技術，以虛擬設計、虛擬裝配為手段來解決工業(yè)生產中的實際問題，大大縮短了新產品開發(fā)的周期，節(jié)約了新產品開發(fā)的成本；

第二，在解決工業(yè)問題的同時，將設計成果應用到教學當中，豐富了數(shù)控技術專業(yè)的教學資源，使學生可以通過樣機模型進行實驗實訓，同樣清楚、深入地學習數(shù)控技術專業(yè)的專業(yè)知識和技能，大大提高了教學效果，降低了教學成本。

1　數(shù)控滑臺的應用現(xiàn)狀

滑臺作為組合機床完成進給運動的通用部件，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動實現(xiàn)工作循環(huán)，是近代自動控制領域中出現(xiàn)的一項新技術，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，產品更新?lián)Q代周期越來越短，這就促使“剛性”的組合機床及其自動線朝著“柔性化”方向發(fā)展，而數(shù)控及檢測等新技術的出現(xiàn)，則使這種“柔性化”成為可能。如今各種組合機床及柔性生產線已在制造業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。然而，通用部件是組合機床及自動線的基本組成單元，所以組合機床的柔性，在很大程度上取決于作為通用部件的滑臺的柔性。因此，設計制造系列精密數(shù)控滑臺，是組合機床設計制造廠家迫切需要解決的問題。

2　數(shù)控滑臺的虛擬設計

2.1虛擬建模技術

SolidWorks提供了參數(shù)化的實體建模功能，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?；诔叽缂s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體造型為基礎，用具有一定設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上，通過對特征模型進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前建模的基本思路，各有利弊。然而，隨著模型復雜程度的增加，單純依靠其中任何一種建模方法都很難達到目的，因此，在進行機械設計時，往往是綜合利用上述三種方法進行虛擬建模，從而達到對機械產品進行虛擬設計的目的。本課題就是綜合利用了上述三種建模技術，才得以完成整個數(shù)控滑臺的所有零件的虛擬設計的。

2.2虛擬模型的建立

（1）數(shù)據(jù)采集

本設計以我院數(shù)控實訓車間的數(shù)控銑床的數(shù)控滑臺為參考，進行數(shù)據(jù)采集。首先分析了機床的機械結構，尤其是數(shù)控滑臺的機械結構，然后利用工程測量技術，測量了部分關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備工作。

（2）零件模型的建立

在SolidWorks的虛擬環(huán)境中建立機械零件虛擬模型的基本思路是：首先選取合適的基準面，并在基準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。然后對草圖使用拉伸、旋轉、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。

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

自底向上的裝配設計模式：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系，利用面定位、孔定位等的定位方式將各個虛擬模型有機地裝配到一起，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行裝配，只需要考慮裝配中的定位問題即可，應用起來比較簡單。

自頂向下的裝配設計模式：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構，然后從裝配體中，以已有零件為基礎，根據(jù)裝配體的整體功能要求，各零件之間的相互位置關系，反過來設計創(chuàng)建零件。這種模式不但要考慮零件之間的相互位置關系，還要考慮零件自身的結構特點，對設計者的要求較高。

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

圖1　數(shù)控滑臺虛擬裝配圖

圖2　數(shù)控機床X、Y軸

3　結束語

隨著機械結構的日益復雜，機械更新?lián)Q代的周期不斷加快，傳統(tǒng)的機械設計的方法已經越來越不能滿足需要。為了解決這個問題，虛擬設計技術應運而生，為新機械的設計和舊機械的優(yōu)化改造提供了技術手段，而SolidWorks以其強大的機械設計功能為基于虛擬設計技術的機械設計提供了完美的操作平臺，使得設計者對機械設計需求的快速響應，降低新產品的開發(fā)成本，縮短新產品的開發(fā)周期成為可能，不僅對工業(yè)技術的發(fā)展意義重大，而且也能促進工業(yè)技術在教學中的應用，不斷提高教學質量。

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

［2］曹巨江，夏晨露.SolidWorks和Creator相結合的虛擬現(xiàn)實建模研究［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實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實的精確建模［J］.機電工程，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在機械設計中的應用［J］.工業(yè)設計，2011，（4）:146-147，149.

［6］鞏勇智.SolidWorks在機械設計中的應用研究［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)技術學院院級基金項目（2015c13）

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