在制造企業(yè)中，有效的軟件不但能縮短產品的設計周期同時還能提高設計質量。本文作者根據企業(yè)本身主導產品的技術特點，利用SolidWorks軟件探索了從零件設計、部件設計到最終產品裝配設計的實現方法及設計技巧，以供讀者參考。

　　一、SolidWorks功能綜述

　　SolidWorks軟件功能強大并且易學易用，因而近年來在機械設計行業(yè)得到了廣泛的應用。其功能特點主要包括如下幾點:

　　(1) 參數化設計、特征建模技術及設計過程的全相關性使其具有很好的設計柔性，即設計過程靈活，修改方便;

　　(2) 全Windows特性的特征管理器使設計過程的操作及管理條理清晰，操作簡單，完整的動態(tài)界面和鼠標動態(tài)控制對設計復雜零件是非常實用而且特別重要的技術手段;

　　(3) 功能強大的CAD模塊包括了草圖設計、曲面建模、實體建模和鈑金零件設計等，可以完成基于特征的CAD模型建立，滿足機械設計要求;

　　(4) 面向裝配的零件設計為大型裝配體的建模提供了重要的技術方法，其IPA動畫制作可以實現動態(tài)模擬裝配，同時可以進行運動分析，從而在計算機里完成零件設計正確與否的校驗;

　　(5) SolidWorks是包含了CAD/CAM/CAE功能的集成化軟件，全面滿足設計、分析、制造、產品數據管理的一體化要求。

　　綜上所述，SolidWorks軟件的基本設計思路為“實體造型→虛擬裝配→二維圖紙”，三維實體建模使設計過程形象而且直觀，虛擬裝配可以實現設計過程的隨時校驗，從而避免可能造成的直接經濟損失。二維圖紙的自動繪制也滿足了實際生產的需求，從而完全滿足機械設計企業(yè)的設計生產要求，因而得到廣泛的應用。

　　二、相關技術基礎

　　1.參數化造型

　　參數化造型(Parametric Modeling，又稱尺寸驅動幾何造型技術)中，物體的幾何外形是由受約束的數學關系式來定義的，而不僅僅取決于簡單的、孤立的尺寸參數。其主要技術特點在于：基于特征，全尺寸約束，尺寸驅動設計修改以及全數據相關。

　　(1)基于特征 將某些具有代表性的幾何形狀定義為特征，并將其所有尺寸定義為可變參數，進而形成實體，以此為基礎進行更為復雜的幾何形體的構造;

　　(2)全尺寸約束 將形狀和尺寸聯合起來考慮，通過尺寸約束來實現對幾何形狀的控制。造型必須以完整的尺寸參數為出發(fā)點(全約束)，不能漏注尺寸(欠約束)，也不能多注尺寸(過約束);

　　(3)尺寸驅動設計修改 通過修改尺寸數值來驅動幾何形狀的改變;

　　(4)全數據相關 尺寸參數的修改帶動其他相關模型中的相關尺寸的更新，從而驅動模型更新。

　　采用參數化造型進行設計，最大的優(yōu)點是CAD系統(tǒng)會自動記錄幾何建模的整個過程。換句話說，系統(tǒng)不僅記錄幾何模型，同時還記錄設計意圖即實體間的關系。修改零件形狀時，只需編輯尺寸的數值即可實現形狀上的改變。

　　2.關聯設計

　　在傳統(tǒng)的CAD系統(tǒng)中，裝配體(部件)設計大都采用自底向上的方法，即首先設計出各部分組成零件，然后再把設計好的零件拼裝在一起，各零件間不存在任何關聯關系。當部件功能或結構需做出調整時，相關零件的結構形式、尺寸不會自動做出相應的改變;反之，當某零件發(fā)生改變時，部件功能或結構也不會做出自動調整。零件之間的裝配關系和尺寸協(xié)調完全依靠設計人員手工完成。這種CAD系統(tǒng)實際上僅起到了輔助制圖的作用。要使CAD系統(tǒng)真正有效地工作，必須采用基于關聯的設計方法，即以零件所包含的各種幾何信息為數據源頭，通過幾何繼承、數學推導等方式獲取其他所需信息，選用適當的約束傳播和求解模型，來構筑一個具有實時響應變更能力的信息資源高度共享的體系。

　　SolidWorks軟件能很好地實現設計過程的關聯性。對于存在裝配關系的零件，可以建立其配合部分的尺寸關聯，尺寸值可以相互驅動與影響。例如， A零件的a尺寸與B零件的b尺寸存在尺寸關系b=a+0.1，那么如果改變A零件模型中的尺寸值a，可以驅動B零件模型的同步協(xié)調改變。這樣在設計過程中一方面可以提高設計效率，同時也可以避免錯誤。從而實現了零件之間的關聯設計，對于大型裝配體的三維設計具有重大的實際意義。

　　三、實現方法

　　我廠的主要產品是鐵路罐車成品及相關配套部件，因此設計部門的主要工作包括零部件設計及最終的產品裝配設計。由于市場競爭的日趨激烈，因此產品的種類越來越多，更新換代也越來越快，這就對設計、生產及管理提出了更高的要求。對于設計部門來說，設計效率和設計過程的準確性對于縮短產品研發(fā)周期和降低生產成本都意義重大。因此我廠對設計部門的軟硬件投入力度很大，并采用了功能強大且易于掌握的SolidWorks作為產品設計的軟件平臺。針對工廠產品的特點，我們的設計思路如圖1所示。

圖1 產品的設計思路

　　具體說明如下：

　　(1) 零件可分為3類，一是用于通用部件的常用標準件(例如螺釘、彈簧等)，二是用于某一大類產品的子零件(可視為半標準件)，三是某類產品的特有零件。在分析產品的設計要求后，可以對其中的子零件進行分類管理，便于合理分工并協(xié)調設計人員甚至不同部門之間的設計進程，同時可以避免重復勞動(因為標準件和半標準件的設計可能已經完成)，抓住設計任務的重點和難點，從而有效提高工作效率;

　　(2) 部件設計也可分為兩類，一類是通用的標準結構體，這部分設計可以在平時完成并且可以適用于絕大多數總裝配體。第二類是專用部件的子裝配體，這部分設計是對產品設計中包含創(chuàng)新性的部分，因而應該特別注意其設計進度與質量，進而保證總體設計質量與效率;

　　(3) IPA動畫裝配設計校驗是保證設計質量的重要技術手段，用SolidWorks的虛擬動畫裝配并輔助以機構運動分析，既可以對零件設計進行參數上的檢查(排除人為因素的影響)，又可以對整個產品的結構及功能進行合理性分析，從而有效避免方案設計和人工設計中可能存在的錯誤，避免更大的直接經濟損失;

　　(4) 設計技巧。由于大型罐車產品的裝配體包含幾百甚至上千的零件，因此在設計過程中必須對零件進行適度的“簡化”處理，否則產品的總裝配體的動畫仿真甚至只是簡單的旋轉都非常緩慢。因此在不影響整體效果的前提下，采用了如下兩種方法進行處理以提高設計效率：

　　1)裝配體中的零件顯示方式有實體、線框等方式(甚至可以用參數控制零件在裝配體中是否顯示)，對于有些非關鍵零件可以忽略其內部形狀及細節(jié)描述，這樣可以有效地降低對于計算機硬件的要求，從而使大型裝配體的顯示操作變得快捷而且逼真;

　　2)用圖層設置對大裝配體中的零、部件進行分類管理(單個零件的設計也應對實體、基準面及草圖等相應地進行分層管理)，這樣對于圖形顯示、編輯及動畫模擬等都重要的意義。零件、部件間的裝配信息可以利用SolidWorks軟件的Property Manager來獲取，從而檢查是否按照其應有的裝配約束(如貼合、對齊、同軸等)進行了正確的裝配操作。

　　四、應用實例

　　基于以上的設計思路及技術手段，我們在產品設計過程中采用了三維的全參數化設計方法，相對于傳統(tǒng)的手工繪圖設計及二維軟件設計，不但提高了設計效率，而且提高了設計的準確性，從而實實在在地提高了產品的市場競爭力，為企業(yè)的發(fā)展注入了新的活力。

　　下面以我廠主導設計的鐵路臥式粉狀貨物罐車為例，來說明其零件的參數化設計及產品的裝配設計方法。

　　圖2為罐體的參數化3D模型。罐體的主要功能是運輸及裝卸貨物，需根據自重、載重、工作壓力等來設計罐體的長度L、半徑r及壁厚δ，同時設計時要考慮到它與幾個蓋板間的裝配關系，將其作為其他零件的父零件來處理。在模型中同時建立用于裝配的基準軸和基準面，而且這些特征也都是參數驅動的，并放在專用圖層中。

圖2 罐體的參數化3D模型

　　圖3為罐體與枕梁上蓋板、牽引梁上蓋板的裝配圖。兩個蓋板零件在裝配樹中都以罐體為其父節(jié)點，在進行參數化建模時，除了模型本身的參數驅動外，還應建立其與父零件(罐體)之間的參數關聯：枕梁上蓋板及牽引梁上蓋板的半徑等于罐體半徑加上罐體壁厚。同時建立用于裝配的基準軸及基準面，在進行裝配建模時，通過與罐體的軸向同軸約束及基準面的貼合約束，就可以建立參數化的裝配模型，同時罐體半徑的改變可以傳遞并且驅動兩個蓋板模型的更新。

圖3 罐體與枕梁上蓋板、牽引梁上蓋板的裝配圖

　　圖4為罐體裝配與車體其他部分的最終裝配效果。由于在零件建模時采用了圖層管理及良好的參數控制，因此裝配校驗變得非常簡單而且明晰，通過圖層的關閉、裝配樹中對零件的抑制與反抑制等方法來控制零件及部件(專用和通用)的顯示，通過參數的關聯、傳遞、模型驅動及IPA方法來檢驗設計結果，從而保證零件設計與裝配設計之間的協(xié)調一致，并且通過IPA動畫模擬還避免了部件之間可能發(fā)生的干涉。

圖4 罐體裝配與車體其他部分最終裝配效果

　　五、結論

　　通過CAD軟件及相關設計技術的應用，我廠的產品設計周期大大縮短，設計質量也得到了顯著提高，從而提高了本企業(yè)產品的市場競爭力，取得了顯著的社會效益和經濟效益。