基于Solidworks印制板鉆床Z軸的虛擬裝配

馬飛達(dá) 蔡長韜 蔡良金

(西華大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，四川成都 610039)

1 問題的提出

隨著電子產(chǎn)品逐步向體積小、性能高、功能多的方向演變，這對(duì)于與電子產(chǎn)品相關(guān)的制造行業(yè)也提出了較高的技術(shù)要求［1］。印制板是電子產(chǎn)品的必需原件，印制板鉆床是加工印制板的專用機(jī)床，機(jī)床性能的好壞決定電子產(chǎn)品的質(zhì)量，特別是現(xiàn)在印制電路板(PCB)的孔徑越來越小(φ0.1～0.5 mm)，布線密度越來越密集(L(線寬)/S(間距)為0.1 mm/0.1 mm)，PCB數(shù)控鉆床的鉆孔速度越來越快(150～200孔/min)，這給印制電路板孔加工的精度提出了更高更嚴(yán)的要求［2］。近幾年來市場上的PCB數(shù)控鉆床，瑞士生產(chǎn)的數(shù)控鉆床檔次要高一些(孔徑φ0.1～6.35 mm，鉆孔精度±0.02 mm)，其次是德國和美國，再次之的是意大利、丹麥等國的產(chǎn)品。國內(nèi)的PCB數(shù)控鉆床的鉆孔水平與國際上的還有很大差距(孔徑φ0.2～6.35 mm，鉆孔精度 ±0.025 mm)［3］。未來幾年內(nèi)PCB 數(shù)控鉆床的孔徑的發(fā)展方向是φ0.075～0.2 mm，但是在原理還是在裝配上都無法與發(fā)達(dá)國家相比，我們現(xiàn)在還處在低效、單一階段。國內(nèi)PCB數(shù)控鉆床普遍存在的問題是，主要的零件外形相似，但是細(xì)節(jié)達(dá)不到優(yōu)化，容易產(chǎn)生誤差積累;各個(gè)零件均能達(dá)到實(shí)際工作的要求，但是裝配后卻達(dá)不到應(yīng)有的效果，有的甚至不能裝配，并且在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、整體裝配、鏈接和組合方式上都存在著缺陷，所以我國印制板鉆床還需要不斷地提高自身質(zhì)量。

印制板鉆床最關(guān)鍵的部分是打孔的Z軸部分，針對(duì)Z軸部分虛擬裝配的研究將會(huì)對(duì)印制板鉆床的研發(fā)、機(jī)床的裝配工藝，部分零件的結(jié)構(gòu)有很大的影響;本文基于Solidworks三維軟件，對(duì)印制板鉆床Z軸部分進(jìn)行虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真，對(duì)Z軸的部分零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，滿足裝配要求，并選出最佳的裝配順序，通過干涉檢查，了解影響實(shí)際裝配和工作時(shí)出現(xiàn)的問題，加以完善，并且還可以輕松詳細(xì)地掌握裝配工藝，規(guī)范裝配過程。

2 印制板鉆床Z軸的原理

Z軸的工作狀態(tài)是比較復(fù)雜，是在X、Y軸同時(shí)進(jìn)給移動(dòng)時(shí)對(duì)印制板進(jìn)行鉆孔。在通電后直線電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)上下連接板、聯(lián)軸器、電主軸、壓腳整體向下運(yùn)動(dòng)，壓腳先接觸印制板，起到壓平作用，防止因X軸瞬間移動(dòng)產(chǎn)生的板材微動(dòng)從而產(chǎn)生的偏差，之后直線電動(dòng)機(jī)繼續(xù)下移，壓腳氣缸收縮，電主軸進(jìn)行鉆孔，鉆孔后，直線電動(dòng)機(jī)斷電，彈簧將上下連接板彈起，連接器、電主軸隨之升起，壓腳氣缸復(fù)原，壓腳再升起，一次鉆孔完畢。這個(gè)過程是氣動(dòng)、電動(dòng)、機(jī)動(dòng)三者相互協(xié)調(diào)的運(yùn)動(dòng)過程，每個(gè)部分的工作時(shí)間、先后順序都要非常精準(zhǔn)，這樣才能保證能穩(wěn)定鉆出孔徑范圍在φ0.2～6.35 mm，鉆孔精度在2×0.024 5 mm(0.024 5 mm為一個(gè)精度級(jí)別)以內(nèi)的孔。Z軸部分結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 Z軸零件的三維模型的建立

首先根據(jù)零件圖紙或者實(shí)際測量，利用Solidworks軟件建立零件模型，Z軸部分要安裝在Y軸的滑架上，其包含導(dǎo)軌、滑塊、冷卻座、直線電動(dòng)機(jī)、動(dòng)子連接板、彈簧、聯(lián)軸器、高速電主軸、空氣靜壓軸承、壓腳氣缸和壓腳等，還有若干感應(yīng)器、電線、通氣管、水管等，圓柱銷和固定螺釘都是標(biāo)準(zhǔn)件可以直接在Solidworks軟件的Toolbox插件的標(biāo)準(zhǔn)庫里找尋，不需要建立模型。在這里只對(duì)主要的工作零件建立三維模型。Solidworks是以面為基準(zhǔn)建立模型的軟件，在基準(zhǔn)面上建立相應(yīng)的二維曲線，通過相關(guān)的拉伸、切除、旋轉(zhuǎn)、抽殼、拔模、異型孔向?qū)А㈥嚵小㈢R像等命令生成符合實(shí)際要求的三維零件模型［4］。

4 Z軸部分的虛擬裝配

各個(gè)零部件的三維模型建立好之后，通過【標(biāo)準(zhǔn)配合】和【位置】命令添加約束，標(biāo)準(zhǔn)配合是Solidworks中最為常用的一組配合方式，包括重合、平行、垂直、相切、鎖定、距離、角度［5］。除此之外，Solidworks中還提供了高級(jí)配合以及機(jī)械配合。高級(jí)配合是利用零件在裝配組件中的特殊位置完成各種復(fù)雜裝配組件，包括對(duì)稱同軸心、寬度、路徑配合、線性耦合。機(jī)械配合則包括一些特殊零件配合方式，如凸輪、齒輪等［6］。

利用以上命令根據(jù)裝配順序把各個(gè)零件組合成裝配體。目前有兩種設(shè)計(jì)裝配體的方式:一種是自上而下設(shè)計(jì)裝配體;另一種是自下而上設(shè)計(jì)裝配體。自下而上設(shè)計(jì)法是種比較常用的方法，把各個(gè)零件的三維模型按照裝配方式插入裝配體，然后根據(jù)設(shè)計(jì)要求配合零部件，將其裝配起來。因?yàn)榱慵楠?dú)立設(shè)計(jì)的，對(duì)于一般相互結(jié)構(gòu)關(guān)系及重建行為較為簡單的機(jī)械設(shè)計(jì)，這種方法比較清楚，也很實(shí)用［7］。自上向下的設(shè)計(jì)方法是根據(jù)裝配體需要，從無到有地設(shè)計(jì)生成出適合裝配要求的零件來完善裝配體，可以使用一個(gè)零件的幾何體來定義另一個(gè)零件的幾何體。對(duì)于一些不能確定結(jié)構(gòu)的零件，如果因?yàn)檠b配需要發(fā)生變化或者被另外的相關(guān)零件所替代，我們可以直接在所變換零件的三維模型里改動(dòng)，之后更新裝配圖，那么就可以換成新的零件，無需重新組裝，很方便解決設(shè)計(jì)與實(shí)際生產(chǎn)出現(xiàn)的問題，這種方法對(duì)于裝配關(guān)系復(fù)雜的零部件設(shè)計(jì)較適用。為了整體的安裝方便和保持相關(guān)部分零件聯(lián)系的緊密性，也可以先把某些零件進(jìn)行裝配，組合成為部件裝配體，再把部件裝配體安裝到總裝配體上，從而實(shí)現(xiàn)整體裝配。

在此次研究中，筆者運(yùn)用了兩種裝配方式相結(jié)合的方法，對(duì)于固定的、重要的、不可變的零部件以自下而上的裝配方式;對(duì)于能提高裝配體性能、在要求范圍能改動(dòng)的零件，采用自上而下的裝配方式。盡可能地、最大化地優(yōu)化裝配體。根據(jù)裝配體的運(yùn)動(dòng)方式和各個(gè)部件的活動(dòng)范圍，此次Z軸裝配運(yùn)用了重合、平行、垂直、相切、鎖定、距離、角度、同軸心等配合命令，完成虛擬裝配。

裝配時(shí)需要注意:在虛擬裝配的過程中要考慮實(shí)際裝配誤差，給予相應(yīng)的裝配誤差值，同時(shí)也要考慮到與裝配體相關(guān)的電路部分和氣動(dòng)部分的裝配方式和裝配位置，以及電磁等對(duì)實(shí)際運(yùn)動(dòng)的影響，多方面地與實(shí)際工作環(huán)境相結(jié)合，多角度考慮裝配體的動(dòng)靜態(tài)，以保證實(shí)際裝配的可行性，減少疏漏。運(yùn)用 Solidworks軟件里的Photoworks插件還可以將裝配體部件賦予相應(yīng)的材質(zhì)［8］，進(jìn)行一定的渲染，加以燈光、陰影、視角，可以更好地表達(dá)出產(chǎn)品的整體實(shí)際效果感。Z軸部分的裝配體效果圖如圖4所示。

為了能深層次地清楚了解裝配體的各個(gè)零件及零件的裝卸順序，通過Solidworks軟件的【爆炸視圖】命令，以爆炸的方式顯示零件間的裝卸關(guān)系，依照先卸下先爆炸出來、后卸下后爆炸出來、同位置的零件以輸入距離值(相對(duì)裝配主體的遠(yuǎn)近來表示裝配先后)的方式，來展現(xiàn)爆炸體。為了便于觀察，利用Solidworks軟件的【外觀標(biāo)注】—【顏色】給予不同的零件不同的顏色，通過清晰的層次感來詮釋Z軸的裝配工藝。Z軸部分爆炸體如圖5所示。

5 Z軸裝配后的干涉檢查

裝配完畢之后，虛擬裝配的裝配體并不能保證完全符合實(shí)際加工和工作的要求，部分區(qū)域可能會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)位、重合、運(yùn)動(dòng)副受限制等問題。對(duì)于靜態(tài)的裝配體，可以通過 Solidworks【評(píng)估】—【干涉檢查】命令［9］，直接計(jì)算出在沒有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下裝配體內(nèi)部部件沖突的地方，并且會(huì)給出約束的深度、大小的數(shù)值。從而再次反饋到設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員對(duì)產(chǎn)生沖突的零件加以改進(jìn)。對(duì)于運(yùn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的干涉，可以使部件運(yùn)動(dòng)到幾個(gè)工作狀態(tài)的極限位置和理論位置，多次進(jìn)行干涉檢查計(jì)算，觀察是否出現(xiàn)干涉。對(duì)于連動(dòng)部分還可以把連動(dòng)部件裝配體進(jìn)行約束，使其簡單運(yùn)動(dòng)，再進(jìn)行干涉檢查計(jì)算，若有復(fù)雜的部分，可以把復(fù)雜裝配體分化成簡單的部件裝配體，逐個(gè)進(jìn)行干涉檢查，深入到每個(gè)細(xì)節(jié)，從而最大化地保證虛擬裝配體的可靠性和精準(zhǔn)性。

6 Z軸的運(yùn)動(dòng)過程仿真

為了能更詳細(xì)地觀察裝配體的實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程，可利用Solidworks的Animator動(dòng)畫［10］插件來制作Z軸的虛擬運(yùn)動(dòng)過程的仿真。根據(jù)現(xiàn)實(shí)中裝配體工作時(shí)運(yùn)動(dòng)的先后次序，對(duì)虛擬裝配體添加約束、限制自由度、設(shè)置零件移動(dòng)值、限制運(yùn)動(dòng)范圍、增加直線馬達(dá)等命令使其運(yùn)動(dòng)，拖動(dòng)運(yùn)動(dòng)零件在動(dòng)畫上的時(shí)間軸，改變運(yùn)動(dòng)先后順序，最終實(shí)現(xiàn)各個(gè)零部件相互協(xié)調(diào)無干涉的運(yùn)動(dòng)。

虛擬仿真動(dòng)畫制作完成后，動(dòng)畫即可生成，并可重復(fù)播放動(dòng)畫，觀看虛擬裝配體的運(yùn)動(dòng)效果。如果發(fā)現(xiàn)虛擬裝配體運(yùn)動(dòng)的先后順序不正確，可通過改變直線馬達(dá)的頻率、移動(dòng)的位移、時(shí)間的大小，再改變相應(yīng)零件對(duì)應(yīng)時(shí)間軸來改變運(yùn)動(dòng)效果，以糾正裝配體的運(yùn)動(dòng)過程。如果運(yùn)動(dòng)中觀察到零件間存在干涉，則說明產(chǎn)品裝配體存在欠缺，可以回到靜態(tài)裝配體視圖中，更改相應(yīng)的零部件，再次完善裝配體。若虛擬裝配過程準(zhǔn)確無誤，可以把運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫保存為簡單通用的動(dòng)畫格式存入電腦，便于以后的攜帶、傳送、教學(xué)和演示等。

7 結(jié)語

利用Solidworks軟件對(duì)印制板鉆床Z軸部分進(jìn)行虛擬裝配的研究，能使企業(yè)員工清楚了解Z軸部分的結(jié)構(gòu)及其工作原理，幫助組裝部門建立標(biāo)準(zhǔn)的裝配工藝，提高工人的裝配效率，還能根據(jù)需要在三維模型上快速地修改、替換零部件、查看新裝配體的效果、解決突發(fā)問題，很大程度地降低了企業(yè)研發(fā)和試驗(yàn)成本，并且虛擬裝配作為公司資料和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)產(chǎn)品以后的發(fā)展會(huì)有很大的參考價(jià)值。

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