基于solidworks的滚珠丝杠传动机构的毕业设计与装配

哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）i摘 要本设计介绍了利用 Solidworks 软件，来完成数控十字滑台工作原理的仿真设计。通过对数控十字滑台工作原理分析、组成零件创建、零件组装和动画演示等一系列过程，使原本抽象的工作原理转化为直观的动画演示。并分析比较Solidworks 软件三维建模技术的特点及优势，证明 Solidworks 软件在进行实物仿真过程中易学、好用方便、快捷等特点动画演示不需要专门的播放器，提高了动画演示的推广和应用。关键词：数控十字滑台；Solidworks 软件；仿真设计哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）AbstractThis design is introduced the use of solidworks software, to complete a CNC cross platform sliding working principle of the simulation design. Through numerical control machine to the slippery work principle analysis, composition parts to create, assembly and animation and so on a series of process, make originally the abstract principle of work into intuitive animation. Analyzed and compared Solidworks software of 3 d modeling technical characteristics and advantages, prove Solidworks software in the physical simulation process to learn, use convenient, quickly and so on the characteristic animation does not need special player, improve the extension and application of the animation.Key words: Ncs cross platform sliding; Solidworks software; The simulation design哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）ii目录摘 要 .1Abstract.1第 1 章 绪论 .11.1 SolidWorks 软件特点 .11.1.1 特点 .11.1.2 全动感用户界面 .11.1.3 配置管理 .21.1.4 协同工作 .21.1.5 装配设计 .21.1.6 工程图 .31.2 课题的研究意义 .3第 2 章 十字滑台各零件的设计 .62.1 总体设计 .62.2 十字滑台底板三维实体的设计 .62.3 导轨副零件设计 .72.3.1 滚珠传动中各零件的设计 .72.3.2 导轨条设计 .82.4 滚珠丝杠螺母副零件 .102.4.1 丝杠的设计 .102.4.2 螺母座的设计 .122.4.3 螺母卡的设计 .15第 3 章 装配图设计 .1731 装配过程 .173.2 运动模拟设计 .213.2.1 运动模拟设计是虚拟样机技术的组成 .213.2.2 运动模拟设计 .21第 4 章 结束语 .224.1 总结 .22哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）iii4.2 展望 .22致 谢 .23参考文献 .23哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）1第 1 章 绪论1.1 SolidWorks 软件特点1.1.1 特点Solidworks 软件功能强大，组件繁多。 Solidworks 功能强大、易学易用和技术创新是 SolidWorks 的三大特点，使得 SolidWorks 成为领先的、主流的三维CAD 解决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，同时对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。 对于熟悉微软的 Windows 系统的用户，基本上就可以用 SolidWorks 来搞设计了。SolidWorks 独有的拖拽功能使用户在比较短的时间内完成大型装配设计。SolidWorks 资源管理器是同 Windows 资源管理器一样的 CAD 文件管理器，用它可以方便地管理 CAD 文件。使用 SolidWorks ，用户能在比较短的时间内完成更多的工作，能够更快地将高质量的产品投放市场。 在目前市场上所见到的三维 CAD 解决方案中，SolidWorks 是设计过程比较简便而方便的软件之一。美国著名咨询公司 Daratech 所评论：“在基于 Windows平台的三维 CAD 软件中，SolidWorks 是最著名的品牌，是市场快速增长的领导者。” 在强大的设计功能和易学易用的操作（包括 Windows 风格的拖/放、点/击、剪切/粘贴）协同下，使用 SolidWorks ，整个产品设计是可百分之百可编辑的，零件设计、装配设计和工程图之间的是全相关的。1.1.2 全动感用户界面（ 1） 只 有 SolidWorks 才 提 供 了 一 整 套 完 整 的 动 态 界 面 和 鼠 标 拖 动 控 制 。“全 动 感 的 ”的 用 户 界 面 减 少 设 计 步 骤 ， 减 少 了 多 余 的 对 话 框 ， 从 而 避 免 了 界 面的 零 乱 。 （ 2） 崭 新 的 属 性 管 理 员 用 来 高 效 地 管 理 整 个 设 计 过 程 和 步 骤 。 属 性 管 理员 包 含 所 有 的 设 计 数 据 和 参 数 ， 而 且 操 作 方 便 、 界 面 直 观 。 （ 3） 用 SolidWorks 资 源 管 理 器 可 以 方 便 地 管 理 CAD 文 件 。 SolidWorks资 源 管 理 器 是 唯 一 一 个 同 Windows 资 源 器 类 似 的 CAD 文 件 管 理 器 。 （ 4） 特 征 模 版 为 标 准 件 和 标 准 特 征 ， 提 供 了 良 好 的 环 境 。 用 户 可 以 直 接从 特 征 模 版 上 调 用 标 准 的 零 件 和 特 征 ， 并 与 同 事 共 享 。 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）2（ 5） SolidWorks 提 供 的 AutoCAD 模 拟 器 ， 使 得 AutoCAD 用 户 可 以 保持 原 有 的 作 图 习 惯 ， 顺 利 地 从 二 维 设 计 转 向 三 维 实 体 设 计 。1.1.3 配置管理配 置 管 理 是 SolidWorks 软 件 体 系 结 构 中 非 常 独 特 的 一 部 分 ， 它 涉 及 到 零件 设 计 、 装 配 设 计 和 工 程 图 。 配 置 管 理 使 得 你 能 够 在 一 个 CAD 文 档 中 ， 通过 对 不 同 参 数 的 变 换 和 组 合 ， 派 生 出 不 同 的 零 件 或 装 配 体 。1.1.4 协同工作（ 1） SolidWorks 提 供 了 技 术 先 进 的 工 具 ， 使 得 你 通 过 互 联 网 进 行 协 同 工作 。（ 2） 通 过 eDrawings 方 便 地 共 享 CAD 文 件 。 eDrawings 是 一 种 极 度 压 缩的 、 可 通 过 电 子 邮 件 发 送 的 、 自 行 解 压 和 浏 览 的 特 殊 文 件 。 （ 3） 通 过 三 维 托 管 网 站 展 示 生 动 的 实 体 模 型 。 三 维 托 管 网 站 是SolidWorks 提 供 的 一 种 服 务 ， 你 可 以 在 任 何 时 间 、 任 何 地 点 ， 快 速 地 查 看 产 品结 构 。 （ 4） SolidWorks 支 持 Web 目 录 ， 使 得 你 将 设 计 数 据 存 放 在 互 联 网 的 文件 夹 中 ， 就 象 存 本 地 硬 盘 一 样 方 便 。 （ 5） 用 3D Meeting 通 过 互 联 网 实 时 地 协 同 工 作 。 3D Meeting 是 基 于 微软 NetMeeting 的 技 术 而 开 发 的 专 门 为 SolidWorks 设 计 人 员 提 供 的 协 同 工 作环 境 。1.1.5 装配设计（ 1） 在 SolidWorks 中 ， 当 生 成 新 零 件 时 ， 你 可 以 直 接 参 考 其 他 零 件 并保 持 这 种 参 考 关 系 。 在 装 配 的 环 境 里 ， 可 以 方 便 地 设 计 和 修 改 零 部 件 。 对 于 超过 一 万 个 零 部 件 的 大 型 装 配 体 ， SolidWorks 的 性 能 得 到 极 大 的 提 高 。 （ 2） SolidWorks 可 以 动 态 地 查 看 装 配 体 的 所 有 运 动 ， 并 且 可 以 对 运 动 的零 部 件 进 行 动 态 的 干 涉 检 查 和 间 隙 检 测 。 （ 3） 用 智 能 零 件 技 术 自 动 完 成 重 复 设 计 。 智 能 零 件 技 术 是 一 种 崭 新 的 技术 ， 用 来 完 成 诸 如 将 一 个 标 准 的 螺 栓 装 入 螺 孔 中 ， 而 同 时 按 照 正 确 的 顺 序 完 成垫 片 和 螺 母 的 装 配 。 （ 4） 镜 像 部 件 是 SolidWorks 技 术 的 巨 大 突 破 。 镜 像 部 件 能 产 生 基 于 已有 零 部 件 （ 包 括 具 有 派 生 关 系 或 与 其 他 零 件 具 有 关 联 关 系 的 零 件 ） 的 新 的 零 部件 。 （ 5） SolidWorks 用 捕 捉 配 合 的 智 能 化 装 配 技 术 ， 来 加 快 装 配 体 的 总 体 装配 。 智 能 化 装 配 技 术 能 够 自 动 地 捕 捉 并 定 义 装 配 关 系 。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）31.1.6 工程图（ 1） SolidWorks 提 供 了 生 成 完 整 的 、 车 间 认 可 的 详 细 工 程 图 的 工 具 。 工程 图 是 全 相 关 的 ， 当 你 修 改 图 纸 时 ， 三 维 模 型 、 各 个 视 图 、 装 配 体 都 会自 动 更 新 。 （ 2） 从 三 维 模 型 中 自 动 产 生 工 程 图 ， 包 括 视 图 、 尺 寸 和 标 注 。 （ 3） 增 强 了 的 详 图 操 作 和 剖 视 图 ， 包 括 生 成 剖 中 剖 视 图 、 部 件 的 图 层 支持 、 熟 悉 的 二 维 草 图 功 能 、 以 及 详 图 中 的 属 性 管 理 员 。 （ 4） 使 用 RapidDraft 技 术 ， 可 以 将 工 程 图 与 三 维 零 件 和 装 配 体 脱 离 ， 进行 单 独 操 作 ， 以 加 快 工 程 图 的 操 作 ， 但 保 持 与 三 维 零 件 和 装 配 体 的 全 相 关 。 （ 5） 用 交 替 位 置 显 示 视 图 能 够 方 便 地 显 示 零 部 件 的 不 同 的 位 置 ， 以 便 了 解 运动 的 顺 序 。 交 替 位 置 显 示 视 图 是 专 门 为 具 有 运 动 关 系 的 装 配 体 而 设 计 的 独 特 的工 程 图 功 能 。1.2 课题的研究意义制图是以工程图样为研究对象,培养学生从二维工程图样想象三维形体(图) 、从三维形体绘制二维工程图样(绘图)的能力,是工科院校学生接触的第一门实践性和理论性都很强且必须修完的专业基础课,它对培养学生严密的逻辑思维、严谨的治学作风起着非常重要的作用,可为后续课程的学习甚至学生将来的工程能力的积累打下坚实的基础。近年来,随着各课程教改的推进等原因,机械制图课时越来越少,教师上课用多媒体授课的越来越多,学生普遍反映该课程“一听就懂,一做就错”,学习难度大。这对机械制图传统的教学模式提出了前所未有的挑战。任务驱动教学法基于探究性和协作性学习,是建构主义学习理论在课堂教学中的具体表现模式,指在整个教学过程中,以若干个具体任务为主题,在完成各个任务的过程中介绍和学习基本知识和技能,最后用展示任务成果的形式来体现教和学的成就。任务驱动教学法强调能力本位,教师在教学过程中不断地给学生布置任务,让学生有明确的学习目标,这样能较好地激发学生学习的兴趣,让学生自主学习,积极、主动地用所学知识去解决完成任务时所遇到的问题,同时在解决问题的过程中又学习到新的知识和技能,而任务中产生的成果会让学生很有成就感和满足感,激发他再次学习的愿望,如此良性循环,逐步提高学生的各项能力。该教学法打破了传统的提出概念解释概念举例说明学生练习循序渐进的教学模式,较为符合当前高等教育的发展趋势。SolidWorks 是美国 SolidWorks 公司于 1995 年推出的中档层次的三维实体建模软件, 该软件完全采用微软 Windows 图形界面,极易学易用,它基于特征造型,将产品设计置于 3D 空间环境中进行,“全动感” 操作,所见即所得,在图形上可以给人很强的感性认识和空间概念,对制图初学者是个很好的助手。因此,将任务驱动教学法与 SolidWorks 软件相结合,应用于机械制图课程教学 ,对解决当前机械哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）4制图教学中存在的问题有着积极的意义。现从单门课程的角度出发,提出了符合机械制图知识体系的任务驱动制图教学法。（1）SolidWorks对机械制图教学的改革用SolidWorks对机械制图教学进行改革的必要性 :目前各高校在机械制图教 1学中基本上都增加了多媒体课件, CA I课件集文字、图象、图形、动画、声音于一体,教法生动、形象、直观,课堂信息量大,这弥补了传统教学用模型、挂图等讲解形体结构关系的不足,教师上课不再是黑板加粉笔,很大程度上提高了课堂效率,但用多媒体课件教学有个致命的弱点,就是课件平台通常是封闭的,课件内容不能根据教学对象、教学内容、教学地点、教学风格等随意改变。用SolidWorks 进行机械制图教学,这些问题都将不存在。SolidWorks在机械制图教学中的应用: SolidWorks有强大的建模功能,这能够 2帮助学生快速有效地建立起空间概念,并且在建模过程中人机图形交互,完全满足教学中各个因素的变化。在基本体中的应用:利用SolidWorks的拉伸、旋转等特征可快速地进行基 3本体的建模,如棱柱、棱锥、圆柱、球等,建模完成后利用“标准视图”命令使学生理解点、线、面的投影,同时还可以演示三视图、轴测图的形成过程,以及由立体画三视图,特别在讲解相贯线、截交线画法时,只要使基本体与基本体或平面在不同位置相交,无论是实体内部的还是外部的相贯线或截交线,都会自动产生,直观性强,教师可以轻易教会学生找到两实体相贯线或截交线上的特殊点,并讲解作图步骤。在组合体中的应用:机械制图中讲,组合体是由基本体通过叠加、切割或二 4者综合形成的,其表达方法有视图、剖视图、断面图等。SolidWorks 中,利用回溯棒功能可了解组合体的形成,利用“参考某一面去切割(仅显示) ”图标按钮可查看物体内部的详细情况 3 ; 利用“投影视图”、“辅助视图”、“局部视图”图标按钮可建立组合体的基本视图、向视图、斜视图、局部视图;利用“剖面视图”、“旋转剖视图”、“断开的剖视图”图标按钮可建立组合体的各种剖视图、断面图。在标准件和常用件中的应用:标准件和常用件是机械制图中较为重要的内 5容,国家标准对该部分的规定也最多。SolidWorks 配有Toolbox 库, 其中包含了BSI,CISC, ISO等标准的标准件和常用件,讲课时教师可直接从库中调用相应零件,让学生了解标准件和常用件的形成和结构,同时教师还可根据国标动态修改被调用的标准件和常用件的参数,让学生对标准件和常用件中各基本要素有最直观的感性认识,帮助其对相应要素含义、计算、标注方法的记忆。在零件图、装配图中的应用: SolidWorks有Anima2tor插件,可方便地演示装 6配体的装配过程;利用“爆炸视图”命令可以展示整个装配体中各个零件的位置关哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）5系和装配关系,帮助学生提高阅读装配图的能力,在零件测绘、由装配图拆画零件图时都可帮助学生理解。（2）制图教学法整体设计现代的职业岗位除要求从业者具有必要的岗位职业知识和技能外,还要求从业者具有很好的工程素质能力,劳动部对此特别规定了职业岗位八种核心能力,包括与人交流、与人合作、信息处理、数字应用、外语应用、解决问题、创新革新和自我提高能力,高等教育特别是高职教育都应围绕该目的来展开教学。工程图样抽象又空洞,需要绘图人很强的空间想象力和逻辑思维能力,但初学者往往不具备这样的能力,将教学环境置于SolidWorks中进行,二维平面和三维立体交叉切换 ,在二维平面中讲授图样的绘制,在三维立体中讲授图样的识读,需要时可二者组合进行,用三维立体帮助学生逻辑思维,理解图形,建立空间概念,最终使学生能正确进行工程图样的识读和绘制。教学时将学生分组,每组完成不同的但包含相同知识点的、非常具体的任务,不强制要求任务完成的方式与方法,而任学生自由发挥,让学生在掌握必要的知识和技术技能的同时,自身综合能力有所提高。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）6第 2 章 十字滑台各零件的设计2.1 总体设计总设计内容包括：确定系统脉冲当量，运动部件惯性的计算，选择步进电机，传动及导向元件的设计、计算与选择，绘制装配图零件等。(1) 确定系统脉冲当量脉冲当量 p 是一个进给指令时工作台的位移量，应小于等于工作台的位置精度，由于定位精度为0.01mm 因此选择脉冲当量为 0.01mm。(2) 工作台外形尺寸根据给定的有效行程，画出工作台简图，估算 X 向和 Y 向工作台承载重量WX 和 WY。取 X 向导轨支撑钢球的中心距为 400mm,Y 向导轨支撑钢球的中心距为400mm,设计工作台实物如图 2-1:图 2-1 工作台实物图X 向拖板(上拖板) 尺寸为:长*宽*高=400*135*12 Y 向拖板(下拖板) 尺寸为: 长*宽*高=400*170*122.2 十字滑台底板三维实体的设计（1）形体分析 分解出各基本体(底板带十六孔、沉孔)。 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）7（2）建模步骤 基础基本体：选择基准面。画基本特征的草图；再选择特征：拉伸、旋转、1扫描或者放样；如图1板拉伸图及草图，其中 L=400mm，W=170mm。其他基本体。主要是先选择基准(面、轴线、或者点)，画草图，再选择特2征：拉伸、旋转、扫描、放样或者肋板等如图2-2所示。图 2-2 左图拉伸图 右图底板草图（3)对已有特征进行切割特征操作：圆角、倒角、抽壳、钻孔。（4)对已有特征进行阵列和镜像操作等。 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）82.3 导轨副零件设计2.3.1 滚珠传动中各零件的设计草图建设如图 2-3 中所示，在正视图中建立草图，滚珠直径 d=6mm，选择线性阵列，距离为 6mm，个数为 11 个。然后沿着公共直径进行旋转 360 度就都到了图 2-4 的滚珠。图 2-3 滚珠设计草图图 2-4 滚珠实物图哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）92.3.2 导轨条设计额定载荷/N 静态力矩/N*M 滑座重量导轨重量导轨长度动载荷 aC静载荷 oATBCTgK/gmL(mm)17500 26000 198 198 288 0.60 3.1 400滑座个数 单向行程长度 每分钟往复次数M Sl n4 0.6 4导轨的额定动载荷 N1750aC依据使用速度 v（m/min ）和初选导轨的基本动额定载荷 (kN)验算导轨的aC工作寿命 Ln：额定行程长度寿命:()HTCaWffSFTK2045MF1,.81,oTWCHRdffffK3 310.817502()5()14209.58HTCaWffSFT km 导轨的额定工作时间寿命: 3102SoTHln3 310249.58104971506SoTln hTh导轨的工作寿命足够.滑轨横截面 L=35mm，W=30mm，通过拉伸 400mm，如图 2-5哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）10图 2-5 导轨条仿真图2.4 滚珠丝杠螺母副零件2.4.1 丝杠的设计初选丝杠材质：CrWMn 钢，HRC5860，导程：l 0=5mm 其型号为：CM2005-5。其基本参数如下图 2-6:图 2-6 滚珠丝杠标准哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）11其额定动载荷为 14205N 足够用.滚珠循环方式为外循环螺旋槽式,预紧方式采yQ用双螺母螺纹预紧形式.滚珠丝杠螺母副的几何参数的计算如下表名称 计算公式 结果公称直径 0d 20mm螺距 t mm接触角 045钢球直径 bd 3.175mm螺纹滚道法向半径 R0.52bd1.651mm偏心距 e()sine0.04489mm螺纹升角 0tarcgd043螺杆外径 d0(.25)b19.365mm螺杆内径 11eR16.788mm螺杆接触直径 220cosbd17.755mm螺母螺纹外径 De23.212mm螺母内径（外循环） 110(.25)bd20.7mm（1）初步草图绘制如图 2-7图 2-7 丝杠草图哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）12（2） 进行扫描切除如图 2-8图 2-8 丝杠扫描图（3）形成最终的滚珠丝杠如图 2-9图 2-9 丝杠成型图哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）132.4.2 螺母座的设计（1）设计草图对 6 个螺孔进行圆周草图阵列如图 2-10，阵列度数为 360 度。图 2-10 草图打孔 （2）对草图进行拉伸，形成螺母第一部分如图 2-11，拉伸擦长度为 8mm，方向默认。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）14图 2-11 拉伸图（3）对图 2-11 进行草图第二次绘制，让后一次进行拉伸 28mm，行形成如图2-12 的完整图图 2-12 草图加工（4）为螺母制作螺纹，设置螺纹为 20 圈，高度为 28mm，形成如下图 2-13哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）15图 2-13 制作螺纹2.4.3 螺母卡的设计（1）制作草图，其中圆到底边的距离为 41mm，底边长 70mm，如图 2-14。图 2-14 螺母卡草图（2）对草图进行拉伸 10mm 如图 2-15.图 2-15 拉伸螺母卡草图哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）16（3）实物图如图 2-16。图 2-16 螺母卡成型图哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）17第 3 章 装配图设计31 装配过程（1）新建文件，单击“装配体” ，如图 3-17：图 3-17 新建装配体界面（2）单击“浏览” ，打开已绘制的零件，如图 3-18 所示：图 3-18 浏览窗口哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）18（3）添加装配关系，单击工具栏中的“配合”按钮，并分别选择滑轨和地板重合配合，如图 3-19 所示：图 3-19 底板配合（4）按照上述方法依次添加装配关系，如下图所示：图 3-20 滑块配合哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）19图 3-21 滚珠配合图 3-22 底板配合哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）20图 3-23 滚珠丝杠配合图 3-24 工作台配合哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）213.2 运动模拟设计3.2.1 运动模拟设计是虚拟样机技术的组成3.2.2 运动模拟设计（1）新建“运动算例” ，弹出窗口，如图 3-25 所示：图 3-25 运动算例（2）添加马达，分别选取马达的旋转方向和马达位置，如图 26 所示：图 3-26 马达选取哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）22第 4 章 结束语4.1 总结通过整个毕业设计学习了 Solidworks 课程，从中体会到了这种绘图系统的实用性。同时也感觉到，绘图作为机械设计过程中设计思想的载体，具备良好的绘图能力,是一个优秀的设计人员所具备的最基本素质。显然这次计算机训练对于我们来说,.为我们将来为从事设计打下了坚实的基础。这次毕业设计给了我很深的感触,整个过程中通过对 Solidworks 的学习和运用使我认识到一些问题.希望对将来的深入学习提供好的方法。下面从四个方面谈一下我个人的感受。（1）坚持，这段时间学下来，尽管每天都要学习,没有休息日.但是如果学习不连续下来,学习很难在短期内有大的提高。（2）平时要有自学能力,许多网上对初学者和提高者及高级专业人士有相应的教学.学起事半功倍了。（3）在学 Solidworks 的过程中，要不断的学习其它相关联的知识，只有这样做你才能有所进步.看看 CAD/CAM 原理方面的书，看了此书，不但 Solidworks很快上手，就是其它同类软件也很快上手，因为你有相当的理论，知道它的原理与实质。（4）最后我认为交流对学习很重要.碰到不会的问题，可以请教同学，问老师是最好的方式之一；多看看身边的人是怎么画的，这样一定会有惊喜的收获，记得取长补短，这样才能使自己得到快速的提高。4.2 展望Solidworks 在机械设计中的应用已经很广泛了。但随着中国机械行业的飞速发展，Solidworks 也开始在中国机械行业应用得越来越深入。