針對機(jī)床主軸傳統(tǒng)設(shè)計方法生產(chǎn)周期長、成本高、設(shè)計修改不方便且難以滿足產(chǎn)品快速多變需求這一難題，充分利用計算機(jī)技術(shù)及CAD 軟件的優(yōu)勢，使用Delphi 編程語言對SolidWorks 進(jìn)行二次開發(fā)，構(gòu)建了一個基于數(shù)字化技術(shù)，集機(jī)床高速主軸設(shè)計、分析于一體的機(jī)床高速主軸數(shù)字化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對主軸組件的參數(shù)化建模。通過系統(tǒng)的運(yùn)行和實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能夠在進(jìn)行高速主軸設(shè)計時，可以避免重復(fù)設(shè)計過程，縮短設(shè)計周期，降低設(shè)計成本，具有較高的實(shí)用價值和應(yīng)用前景。

1、引言

　　作為當(dāng)今比較流行的先進(jìn)制造技術(shù)之一，高速切削技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用首先依賴于性能優(yōu)良的高速數(shù)控機(jī)床；而高速數(shù)控機(jī)床的工作性能，首先取決于高速主軸。主軸系統(tǒng)是機(jī)床的重要部件，對高速精密數(shù)控機(jī)床來說，其精度主要受主軸系統(tǒng)的幾何精度、靜態(tài)和動態(tài)剛度的影響。因此主軸組件的設(shè)計分析是整個機(jī)床設(shè)計分析的重要步驟。由于主軸組件的設(shè)計內(nèi)容復(fù)雜，傳統(tǒng)的設(shè)計方法具有周期長、成本高、設(shè)計修改不便及重復(fù)性工作量大的缺點(diǎn)，因此很難滿足產(chǎn)品快速多變的需要。針對此問題，充分利用計算機(jī)的計算、存儲和管理等功能，基于SolidWorks 進(jìn)行二次開發(fā)，設(shè)計了一套專用于機(jī)床高速主軸組件設(shè)計分析過程的數(shù)字化系統(tǒng)。利用系統(tǒng)，用戶可在很大程度上減少重復(fù)設(shè)計過程，縮短設(shè)計周期。同時，系統(tǒng)還具有可回溯性和快速修改的功能，為進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了基礎(chǔ)。

2、關(guān)鍵技術(shù)介紹

　　2.1、Delphi

　　選用Delphi 語言作為開發(fā)工具。Delphi 是一個集成開發(fā)環(huán)境(IDE)，使用的核心是由傳統(tǒng)Pascal 語言發(fā)展而來的Object Pascal，以圖形用戶界面為開發(fā)環(huán)境。利用Delphi 可方便快速地建立強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序，數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序可以和Sybase、Microsoft SQLServer、Informix 和ODBC 數(shù)據(jù)源等一起使用。

　　2.2、SolidWorks

　　SolidWorks 軟件是世界上第一個基于Windows 開發(fā)的三維CAD 系統(tǒng)，它采用了與Unigraphics 相同的先進(jìn)底層圖形核心。作為一種基于特征的參數(shù)化、變量化的設(shè)計技術(shù)，SolidWorks 具有使用操作方便、簡單易學(xué)的特點(diǎn)。同時，它還為用戶提供了采用標(biāo)準(zhǔn)Windows“對象鏈接與嵌入”技術(shù)(OLE)及“部件對象模式”技術(shù)(COM)的應(yīng)用程序接口[4-5]，有利于二次開發(fā)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用。

　　2.3、Access 數(shù)據(jù)庫

　　Access 是一個數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)[6]，是Office 辦公軟件中極為重要的組成部分。與其他數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(如Visual Foxpro)相比更簡單易學(xué)，足以滿足一般的數(shù)據(jù)管理及處理需要，配上合適的數(shù)據(jù)訪問手段，能滿足多用戶，多線程的訪問。在系統(tǒng)訪問量及數(shù)據(jù)量不是很大的情況下，在桌面數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的開發(fā)中很有優(yōu)勢。采用Access 數(shù)據(jù)庫對主軸設(shè)計參數(shù)及相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，在Access 數(shù)據(jù)庫中建立如主軸的相關(guān)尺寸參數(shù)、主軸材料、鍵及軸承等數(shù)據(jù)表，通過對這些數(shù)據(jù)表的調(diào)用和編輯來完成對主軸的設(shè)計、修改和三維實(shí)體模型的生成、修改。

3、高速主軸數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　根據(jù)機(jī)床高速主軸組件設(shè)計、分析的要求，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖，如圖1 所示。分為高速主軸設(shè)計計算模塊和三維實(shí)體建模模塊。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

　　其中，設(shè)計計算模塊主要由主軸尺寸選擇與確定、軸承選擇與校核、鍵選擇與校核、主軸安全系數(shù)、強(qiáng)度、徑向剛度校核等部分構(gòu)成；三維實(shí)體建模模塊主要由主軸實(shí)體模型自動生成、主軸組件其它零件生成、虛擬裝配、檢查干涉等部分構(gòu)成。

圖2 系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

　　系統(tǒng)運(yùn)行流程圖，如圖2 所示。由圖2 可以看出，系統(tǒng)可將主軸設(shè)計的復(fù)雜過程設(shè)計成可回溯、可修改的模式，如果當(dāng)前的設(shè)計不正確或分析結(jié)果認(rèn)為不合理，可以回到最初的步驟重新開始，但是新一輪設(shè)計是在原有基本設(shè)計參數(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，而非全面的重新設(shè)計，故可大大節(jié)省設(shè)計時間與成本。

6、結(jié)論

　　所開發(fā)的機(jī)床高速主軸設(shè)計系統(tǒng)為一數(shù)字化技術(shù)與CAD技術(shù)及二次開發(fā)技術(shù)相結(jié)合的設(shè)計平臺，符合企業(yè)和用戶的實(shí)際需求。系統(tǒng)的開發(fā)具有以下特點(diǎn)：(1)充分利用計算機(jī)的計算、存儲和管理等功能，使設(shè)計過程具有可回溯性；(2)對三維圖形軟件進(jìn)行二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)對零件的參數(shù)化建模；(3)將設(shè)計與分析相結(jié)合，提高了設(shè)計效率，為設(shè)計人員節(jié)省了大量時間。雖然設(shè)計系統(tǒng)可以自動生成三維實(shí)體模型，但自動生成工程圖的功能模塊還未開發(fā)。另外在本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上繼續(xù)對零部件進(jìn)行有限元分析和動態(tài)仿真模塊開發(fā)將是下一步研究的重點(diǎn)。