基于SolidWorks的单轴数控滑台机械结构虚拟设计

左大利，张伟文

（东莞职业技术学院机电工程系，广东东莞523808）

基于SolidWorks的单轴数控滑台机械结构虚拟设计

左大利，张伟文

（东莞职业技术学院机电工程系，广东东莞523808）

单轴数控滑台是数控机床的基本单元。利用虚拟设计技术，以SolidWorks软件为操作平台，设计了单轴数控滑台的机械结构，降低了新产品研发的成本，提高了机械设计的效率，也提高了高职机械设计基础、数控机床等课程的教学效果。

单轴数控滑台；机械结构；虚拟设计

SolidWorks是美国SolidWorks公司开发的以机械设计功能为主的CAD/CAE/CAM软件。它的机械设计模块包含了零件设计、装配设计、工程图设计等设计者必需的功能。SolidWorks自发布以来，迅速成为机械三维设计的主流软件，被广泛应用于机械设计的各个行业［1］。

基于SolidWorks的虚拟设计是通过计算机利用SolidWorks软件创建一种逼真的虚拟设计环境，并在该环境中，对机械产品的零部件进行三维虚拟设计和虚拟装配，以期利用虚拟现实技术呈现机械产品真实结构的一种手段。这种方式不仅可以提高产品的设计效率，还可以降低产品的设计成本，对新产品的开发和旧产品的优化都极为有用［2，3］。

本课题主要研究组成数控设备的最重要的也是最基本的单元——单轴数控滑台。拟对其进行机械结构设计和运动控制设计，最后开发出样机模型。本文以单轴数控滑台的机械结构设计为例，以Solid－Works软件为平台，利用虚拟现实技术对单轴数控滑台的机械结构进行快速、真实的虚拟建模，并进行了虚拟装配，最后有效地设计了单轴数控滑台的虚拟样机模型。该研究既瞄准行业发展需求，又结合专业教学需求，具有两大亮点：

第一，立足于自动化设备在工业生产应用中的实际需求，采用先进技术，以虚拟设计、虚拟装配为手段来解决工业生产中的实际问题，大大缩短了新产品开发的周期，节约了新产品开发的成本；

第二，在解决工业问题的同时，将设计成果应用到教学当中，丰富了数控技术专业的教学资源，使学生可以通过样机模型进行实验实训，同样清楚、深入地学习数控技术专业的专业知识和技能，大大提高了教学效果，降低了教学成本。

1　数控滑台的应用现状

滑台作为组合机床完成进给运动的通用部件，它可以根据加工零件的工艺要求，在其上配置动力箱、多轴箱、钴、镗、铣、车、攻丝等工艺，亦可在其上安装工件组成输送运动实现工作循环，是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代科技的一个重要组成部分。

随着社会的发展，产品更新换代周期越来越短，这就促使“刚性”的组合机床及其自动线朝着“柔性化”方向发展，而数控及检测等新技术的出现，则使这种“柔性化”成为可能。如今各种组合机床及柔性生产线已在制造业中发挥着越来越重要的作用。然而，通用部件是组合机床及自动线的基本组成单元，所以组合机床的柔性，在很大程度上取决于作为通用部件的滑台的柔性。因此，设计制造系列精密数控滑台，是组合机床设计制造厂家迫切需要解决的问题。

2　数控滑台的虚拟设计

2.1虚拟建模技术

SolidWorks提供了参数化的实体建模功能，概括起来主要包含三个方面［4］：

（1）基于尺寸约束的参数化建模

所谓尺寸约束主要是指图素本身关系。比如长度、半径、直径、角度等。它在建模过程中主要是限制图素本身的尺寸。基于尺寸约束的参数化建模，就是通过修改图素的尺寸来修改模型本身的形状或者模型与模型之间的位置。它是最根本的建模方法，应用的也最为广泛。

（2）基于几何约束的参数化建模

所谓几何约束主要是指图素之间的相互位置关系。比如水平、竖直、平行、垂直、同心、相切等。它在建模过程中主要是限制图素与图素之间的连接关系。基于几何约束的参数化建模，就是通过修改图素本身的几何形态或图素与图素之间的几何形态来表达模型本身的形状特征或模型和模型之间的空间位置。

（3）基于特征模型的参数化建模

所谓特征模型主要是指以实体造型为基础，用具有一定设计或加工功能的特征作为造型的基本单元建立零部件的几何模型。它在建模过程中，主要是通过特征命令直接调用诸于筋板、槽、孔、螺纹、凸台等特征。基于特征模型的参数化建模，就是在特征模型的基础上，通过对特征模型进行编辑等操作来建立模型的一种方法。

上述三种建模方法综合概括了当前建模的基本思路，各有利弊。然而，随着模型复杂程度的增加，单纯依靠其中任何一种建模方法都很难达到目的，因此，在进行机械设计时，往往是综合利用上述三种方法进行虚拟建模，从而达到对机械产品进行虚拟设计的目的。本课题就是综合利用了上述三种建模技术，才得以完成整个数控滑台的所有零件的虚拟设计的。

2.2虚拟模型的建立

（1）数据采集

本设计以我院数控实训车间的数控铣床的数控滑台为参考，进行数据采集。首先分析了机床的机械结构，尤其是数控滑台的机械结构，然后利用工程测量技术，测量了部分关键零部件的基本尺寸，然后整理了数据，为后期的模型建立做好了充分的准备工作。

（2）零件模型的建立

在SolidWorks的虚拟环境中建立机械零件虚拟模型的基本思路是：首先选取合适的基准面，并在基准面上绘制零件的平面草图。在这个过程里面主要需要用到基于尺寸约束和基于几何约束的参数化建模技术。然后对草图使用拉伸、旋转、放样、扫描等基本建模命令建立模型的基本形体。最后利用螺纹、打孔、倒角等命令对模型基本体进行编辑，完成整个零件模型的建立。在这个过程中主要用到基于特征模型的参数化建模技术。

本研究建立的主要零部件的虚拟模型如表1所示。

表1　数控滑台部分零件虚拟模型

（3）虚拟装配

SolidWorks软件具有独立的虚拟装配模块，在该模块中，设计者可以根据零件之间的相互位置关系，对零件进行虚拟装配。一般来说，SolidWorks的装配设计主要有两种模式［5，6］：一是自底向上的装配设计模式，二是自顶向下的装配设计模式。

自底向上的装配设计模式：这种模式是先局部后整体的一种模式。就是先建立零件的虚拟模型，然后根据各零件之间的相互位置关系，利用面定位、孔定位等的定位方式将各个虚拟模型有机地装配到一起，形成一个具有特定功能的整体。这种模式是在已有零件模型的情况下进行装配，只需要考虑装配中的定位问题即可，应用起来比较简单。

自顶向下的装配设计模式：这种模式是先整体后局部的一种模式。就是先利用少数已有的零件模型建立起装配结构，然后从装配体中，以已有零件为基础，根据装配体的整体功能要求，各零件之间的相互位置关系，反过来设计创建零件。这种模式不但要考虑零件之间的相互位置关系，还要考虑零件自身的结构特点，对设计者的要求较高。

本研究是采用自底向上的装配设计模式。最终装配的单轴数控滑台的结构如图1所示。将该数控滑台装配到数控机床中组成X轴、Y轴的结构如图2所示。

图1　数控滑台虚拟装配图

图2　数控机床X、Y轴

3　结束语

随着机械结构的日益复杂，机械更新换代的周期不断加快，传统的机械设计的方法已经越来越不能满足需要。为了解决这个问题，虚拟设计技术应运而生，为新机械的设计和旧机械的优化改造提供了技术手段，而SolidWorks以其强大的机械设计功能为基于虚拟设计技术的机械设计提供了完美的操作平台，使得设计者对机械设计需求的快速响应，降低新产品的开发成本，缩短新产品的开发周期成为可能，不仅对工业技术的发展意义重大，而且也能促进工业技术在教学中的应用，不断提高教学质量。

［1］刘立军.SolidWorks软件在机械设计中的应用与研究［J］.硅谷，2013，（4）：102，12.

［2］曹巨江，夏晨露.SolidWorks和Creator相结合的虚拟现实建模研究［J］.制造业自动化，2014，36（7）：36-38.

［3］袁锋伟，李必文，何彬.基于SolidWorks-VRML实现虚拟现实的精确建模［J］.机电工程，2007，24（10）：103-105.

［4］陈璐.基于SolidWorks的参数化建模［J］.CAD/CAM与制造业信息化，2007，（3）：72-74.

［5］和文云.SolidWorks在机械设计中的应用［J］.工业设计，2011，（4）:146-147，149.

［6］巩勇智.SolidWorks在机械设计中的应用研究［J］.科技传播，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

东莞职业技术学院院级基金项目（2015c13）

左大利（1982-），男，湖北人，硕士，讲师，主要从事数控技术及其职业教育研究；张伟文（1978-），男，广东人，博士，讲师，主要从事机械设计及仿真研究。