基于Solidworks印制板钻床Z轴的虚拟装配

马飞达 蔡长韬 蔡良金

(西华大学机械工程与自动化学院，四川成都 610039)

1 问题的提出

随着电子产品逐步向体积小、性能高、功能多的方向演变，这对于与电子产品相关的制造行业也提出了较高的技术要求［1］。印制板是电子产品的必需原件，印制板钻床是加工印制板的专用机床，机床性能的好坏决定电子产品的质量，特别是现在印制电路板(PCB)的孔径越来越小(φ0.1～0.5 mm)，布线密度越来越密集(L(线宽)/S(间距)为0.1 mm/0.1 mm)，PCB数控钻床的钻孔速度越来越快(150～200孔/min)，这给印制电路板孔加工的精度提出了更高更严的要求［2］。近几年来市场上的PCB数控钻床，瑞士生产的数控钻床档次要高一些(孔径φ0.1～6.35 mm，钻孔精度±0.02 mm)，其次是德国和美国，再次之的是意大利、丹麦等国的产品。国内的PCB数控钻床的钻孔水平与国际上的还有很大差距(孔径φ0.2～6.35 mm，钻孔精度 ±0.025 mm)［3］。未来几年内PCB 数控钻床的孔径的发展方向是φ0.075～0.2 mm，但是在原理还是在装配上都无法与发达国家相比，我们现在还处在低效、单一阶段。国内PCB数控钻床普遍存在的问题是，主要的零件外形相似，但是细节达不到优化，容易产生误差积累;各个零件均能达到实际工作的要求，但是装配后却达不到应有的效果，有的甚至不能装配，并且在结构设计、结构优化、整体装配、链接和组合方式上都存在着缺陷，所以我国印制板钻床还需要不断地提高自身质量。

印制板钻床最关键的部分是打孔的Z轴部分，针对Z轴部分虚拟装配的研究将会对印制板钻床的研发、机床的装配工艺，部分零件的结构有很大的影响;本文基于Solidworks三维软件，对印制板钻床Z轴部分进行虚拟装配和运动仿真，对Z轴的部分零件结构进行优化，满足装配要求，并选出最佳的装配顺序，通过干涉检查，了解影响实际装配和工作时出现的问题，加以完善，并且还可以轻松详细地掌握装配工艺，规范装配过程。

2 印制板钻床Z轴的原理

Z轴的工作状态是比较复杂，是在X、Y轴同时进给移动时对印制板进行钻孔。在通电后直线电动机带动上下连接板、联轴器、电主轴、压脚整体向下运动，压脚先接触印制板，起到压平作用，防止因X轴瞬间移动产生的板材微动从而产生的偏差，之后直线电动机继续下移，压脚气缸收缩，电主轴进行钻孔，钻孔后，直线电动机断电，弹簧将上下连接板弹起，连接器、电主轴随之升起，压脚气缸复原，压脚再升起，一次钻孔完毕。这个过程是气动、电动、机动三者相互协调的运动过程，每个部分的工作时间、先后顺序都要非常精准，这样才能保证能稳定钻出孔径范围在φ0.2～6.35 mm，钻孔精度在2×0.024 5 mm(0.024 5 mm为一个精度级别)以内的孔。Z轴部分结构如图1所示。

3 Z轴零件的三维模型的建立

首先根据零件图纸或者实际测量，利用Solidworks软件建立零件模型，Z轴部分要安装在Y轴的滑架上，其包含导轨、滑块、冷却座、直线电动机、动子连接板、弹簧、联轴器、高速电主轴、空气静压轴承、压脚气缸和压脚等，还有若干感应器、电线、通气管、水管等，圆柱销和固定螺钉都是标准件可以直接在Solidworks软件的Toolbox插件的标准库里找寻，不需要建立模型。在这里只对主要的工作零件建立三维模型。Solidworks是以面为基准建立模型的软件，在基准面上建立相应的二维曲线，通过相关的拉伸、切除、旋转、抽壳、拔模、异型孔向导、阵列、镜像等命令生成符合实际要求的三维零件模型［4］。

4 Z轴部分的虚拟装配

各个零部件的三维模型建立好之后，通过【标准配合】和【位置】命令添加约束，标准配合是Solidworks中最为常用的一组配合方式，包括重合、平行、垂直、相切、锁定、距离、角度［5］。除此之外，Solidworks中还提供了高级配合以及机械配合。高级配合是利用零件在装配组件中的特殊位置完成各种复杂装配组件，包括对称同轴心、宽度、路径配合、线性耦合。机械配合则包括一些特殊零件配合方式，如凸轮、齿轮等［6］。

利用以上命令根据装配顺序把各个零件组合成装配体。目前有两种设计装配体的方式:一种是自上而下设计装配体;另一种是自下而上设计装配体。自下而上设计法是种比较常用的方法，把各个零件的三维模型按照装配方式插入装配体，然后根据设计要求配合零部件，将其装配起来。因为零件为独立设计的，对于一般相互结构关系及重建行为较为简单的机械设计，这种方法比较清楚，也很实用［7］。自上向下的设计方法是根据装配体需要，从无到有地设计生成出适合装配要求的零件来完善装配体，可以使用一个零件的几何体来定义另一个零件的几何体。对于一些不能确定结构的零件，如果因为装配需要发生变化或者被另外的相关零件所替代，我们可以直接在所变换零件的三维模型里改动，之后更新装配图，那么就可以换成新的零件，无需重新组装，很方便解决设计与实际生产出现的问题，这种方法对于装配关系复杂的零部件设计较适用。为了整体的安装方便和保持相关部分零件联系的紧密性，也可以先把某些零件进行装配，组合成为部件装配体，再把部件装配体安装到总装配体上，从而实现整体装配。

在此次研究中，笔者运用了两种装配方式相结合的方法，对于固定的、重要的、不可变的零部件以自下而上的装配方式;对于能提高装配体性能、在要求范围能改动的零件，采用自上而下的装配方式。尽可能地、最大化地优化装配体。根据装配体的运动方式和各个部件的活动范围，此次Z轴装配运用了重合、平行、垂直、相切、锁定、距离、角度、同轴心等配合命令，完成虚拟装配。

装配时需要注意:在虚拟装配的过程中要考虑实际装配误差，给予相应的装配误差值，同时也要考虑到与装配体相关的电路部分和气动部分的装配方式和装配位置，以及电磁等对实际运动的影响，多方面地与实际工作环境相结合，多角度考虑装配体的动静态，以保证实际装配的可行性，减少疏漏。运用 Solidworks软件里的Photoworks插件还可以将装配体部件赋予相应的材质［8］，进行一定的渲染，加以灯光、阴影、视角，可以更好地表达出产品的整体实际效果感。Z轴部分的装配体效果图如图4所示。

为了能深层次地清楚了解装配体的各个零件及零件的装卸顺序，通过Solidworks软件的【爆炸视图】命令，以爆炸的方式显示零件间的装卸关系，依照先卸下先爆炸出来、后卸下后爆炸出来、同位置的零件以输入距离值(相对装配主体的远近来表示装配先后)的方式，来展现爆炸体。为了便于观察，利用Solidworks软件的【外观标注】—【颜色】给予不同的零件不同的颜色，通过清晰的层次感来诠释Z轴的装配工艺。Z轴部分爆炸体如图5所示。

5 Z轴装配后的干涉检查

装配完毕之后，虚拟装配的装配体并不能保证完全符合实际加工和工作的要求，部分区域可能会出现错位、重合、运动副受限制等问题。对于静态的装配体，可以通过 Solidworks【评估】—【干涉检查】命令［9］，直接计算出在没有运动状态下装配体内部部件冲突的地方，并且会给出约束的深度、大小的数值。从而再次反馈到设计，设计人员对产生冲突的零件加以改进。对于运动时出现的干涉，可以使部件运动到几个工作状态的极限位置和理论位置，多次进行干涉检查计算，观察是否出现干涉。对于连动部分还可以把连动部件装配体进行约束，使其简单运动，再进行干涉检查计算，若有复杂的部分，可以把复杂装配体分化成简单的部件装配体，逐个进行干涉检查，深入到每个细节，从而最大化地保证虚拟装配体的可靠性和精准性。

6 Z轴的运动过程仿真

为了能更详细地观察装配体的实际运动过程，可利用Solidworks的Animator动画［10］插件来制作Z轴的虚拟运动过程的仿真。根据现实中装配体工作时运动的先后次序，对虚拟装配体添加约束、限制自由度、设置零件移动值、限制运动范围、增加直线马达等命令使其运动，拖动运动零件在动画上的时间轴，改变运动先后顺序，最终实现各个零部件相互协调无干涉的运动。

虚拟仿真动画制作完成后，动画即可生成，并可重复播放动画，观看虚拟装配体的运动效果。如果发现虚拟装配体运动的先后顺序不正确，可通过改变直线马达的频率、移动的位移、时间的大小，再改变相应零件对应时间轴来改变运动效果，以纠正装配体的运动过程。如果运动中观察到零件间存在干涉，则说明产品装配体存在欠缺，可以回到静态装配体视图中，更改相应的零部件，再次完善装配体。若虚拟装配过程准确无误，可以把运动动画保存为简单通用的动画格式存入电脑，便于以后的携带、传送、教学和演示等。

7 结语

利用Solidworks软件对印制板钻床Z轴部分进行虚拟装配的研究，能使企业员工清楚了解Z轴部分的结构及其工作原理，帮助组装部门建立标准的装配工艺，提高工人的装配效率，还能根据需要在三维模型上快速地修改、替换零部件、查看新装配体的效果、解决突发问题，很大程度地降低了企业研发和试验成本，并且虚拟装配作为公司资料和经验，对产品以后的发展会有很大的参考价值。

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