基于SolidworksPCB數控鉆床工作臺的虛擬裝配與運動仿真

王建春　周松霖　王曉兵

摘 要：基于Solidworks軟件平臺，建立PCB數控鉆床工作臺的三維結構模型，并對建好的模型進行虛擬裝配。展示了工作臺部分各零件間的裝配關系，利用干涉檢查和運動仿真，查找虛擬裝配體中存在的問題，改進并完善裝配體。虛擬裝配規范了裝配工藝，對工作臺的后續研發具有重大的意義。

關鍵詞：Solidworks；工作臺；虛擬裝配；干涉檢查；運動仿真

中圖分類號：TG506 文獻標識碼：A

我國PCB數控鉆床目前存在的問題是：（1）零件的整體性差，累積誤差大；（2）單一零件裝配后達不到應有效果，有些無法裝配。（3）結構設計及優化存在著一定問題。所以，我國的PCB數控鉆床還需要不斷的改進和提高。本文基于Solidworks軟件，對鉆床的工作臺部分進行虛擬裝配和運動仿真。由此，可以很好的了解工作臺的裝配關系、裝配信息、裝配規劃、裝配路徑、裝配工藝，并規范裝配過程。

1 工作臺的工作原理

PCB數控鉆床的工作臺（Y軸）主要由導軌、直線電機、工作臺面、夾緊機構、機械手、刀具檢測裝置、光柵尺位移傳感器等組成。導軌的作用是對工作臺面起支撐作用，并控制著工作臺面的水平運動方向。直線電機是提供工作臺運動的動力，直線電機直接控制著整個工作臺Y方向的進給速度、進給加速度、定位精度與重復定位精度。待加工的PCB板上安裝有定位針，由工作臺上安裝的夾緊機構夾緊定位針，保證PCB板在加工過程中不會偏移。機械手和刀具檢測裝置的作用分別是對刀具的更換和刀具工作情況的檢測。光柵尺位移傳感器是高精度的反饋裝置，觀察和跟蹤走刀誤差，起一個補償刀具誤差的作用。在鉆孔過程中，待加工的PCB板由夾緊裝置固定在工作臺面上，直線電機帶動工作臺面在水平方向（Y軸）做往復運動。工作臺在移動過程中配合加工主軸對PCB板進行鉆孔。在鉆孔時，根據加工需要對刀具進行檢測和更換。整個過程是機械運動、氣動、電動三者相互協調的過程，工作臺和鉆孔主軸的精確定位，才能保證鉆孔精度。

2 工作臺零件的三維實體建模

在進行虛擬裝配技術和運動仿真之前，均要正確的建立工作臺零部件的三維模型。因此，正確建立工作臺的三維模型，是實現虛擬裝配和動態仿真的基本要求。根據實際測量，利用Solidworks軟件建立工作臺零件的三維模型。其主要包括導軌、直線電機、工作臺面、導軌滑架、夾緊裝置、機械手、刀具檢測裝置、限位器等。其中，標準件（比如：圓柱銷和螺栓）可以直接在Toolbox插件的標準庫中找到，直接插入而不需要建立模型。

3 工作臺虛擬裝配

在完成工作臺零部件模型后，根據零部件之間裝配約束關系，在Solidworks軟件中進行虛擬裝配。在裝配過程中進行相應的檢驗，對不合理的裝配關系進行修改。在滿足性能參數的條件下，對工作臺進行整體評估更改，實現工作臺在裝配中的高效性。

3.1 組建工作臺裝配體

裝配體的組建是虛擬裝配過程的核心步驟，它展示了工作臺的整個裝配過程，并能根據這個過程得到裝配工藝。根據裝配方式的不同，裝配過程可分為兩種：一是自底向上（down-top），二是自頂向下（top-down）。兩種裝配方式優缺點各一，在此次的虛擬裝配過程中，筆者采用兩種方法相結合的方式進行裝配。對于能夠提高工作臺性能，尺寸改動范圍大的零件，采用自頂向下的裝配方式，比如：夾緊裝置、機械手等；對于固定的、不可變的零件以自底向上的裝配方法，比如：底座、導軌等。本文中，由于工作臺零件很多，裝配過程復雜。實際的工作臺裝配體分為兩個步驟：初裝和總裝。即先將一些零部件裝成子裝配體完成初裝，然后再將子裝配體裝配成整體完成總裝。因此，在建立工作臺的裝配體時，先建立子裝配體，再建立整體裝配體。為了便于觀察位置關系，建模后可選擇爆炸視圖對裝配體進行全方位觀察。

3.2 干涉檢查

工作臺虛擬裝配好后，需對其進行干涉檢查。干涉檢查能夠檢查出工作臺零件間出現錯位、重合等問題。保證工作臺符合實際加工和運行的要求。對于靜態的裝配體，干涉檢查可以直接檢查出工作臺內部發生裝配沖突的區域，并高亮標出。方便設計人員對產生裝配沖突的零件加以改進和優化。對于動態干涉檢查，可以使工作臺運動到加工的兩個極限位置和理論位置，進行多次工作臺的來回運動，觀察其是否出現干涉。

4 工作臺運動仿真

為了更詳細的了解工作臺的運動情況，可利用Solidworks中的運動算例功能快速、簡潔地完成工作臺的仿真運動。通過添加直線馬達進行驅動來控制工作臺的前后運動，通過設定鍵碼點，來確定工作臺從一個位置到另一個位置的順序。運動仿真動畫制作完成后，可查看工作臺虛擬裝配體的運動效果。如果運動中觀察到工作臺存在干涉，則說明工作臺存在缺陷，可以回到靜態裝配體中，對相應的零部件進行更改，完善裝配體。若確認無誤，可將動畫保存為AVI格式視頻文件，方便攜帶、教學與演示等。

結語

利用Solidworks軟件對PCB數控鉆床驅動工作臺進行虛擬裝配。基于Solidworks軟件平臺，采用合理的建模方法，快速高效構建工作臺三維模型，通過虛擬裝配技術，實現工作臺整體的正確安裝和拆卸，方便技術人員清楚了解工作臺的結構和工作原理，并制定相應的裝配工藝。能適時地、方便地進行修改替換和制定裝配工藝，提高裝配效率、縮短裝配時間。很大程度上降低了企業研發和試驗成本，為產品研發提供了參考依據。

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