在制造企業(yè)中，有效的軟件不但能縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期同時(shí)還能提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。本文作者根據(jù)企業(yè)本身主導(dǎo)產(chǎn)品的技術(shù)特點(diǎn)，利用SolidWorks軟件探索了從零件設(shè)計(jì)、部件設(shè)計(jì)到最終產(chǎn)品裝配設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法及設(shè)計(jì)技巧，以供讀者參考。

　　一、SolidWorks功能綜述

　　SolidWorks軟件功能強(qiáng)大并且易學(xué)易用，因而近年來(lái)在機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。其功能特點(diǎn)主要包括如下幾點(diǎn):

　　(1) 參數(shù)化設(shè)計(jì)、特征建模技術(shù)及設(shè)計(jì)過(guò)程的全相關(guān)性使其具有很好的設(shè)計(jì)柔性，即設(shè)計(jì)過(guò)程靈活，修改方便;

　　(2) 全Windows特性的特征管理器使設(shè)計(jì)過(guò)程的操作及管理?xiàng)l理清晰，操作簡(jiǎn)單，完整的動(dòng)態(tài)界面和鼠標(biāo)動(dòng)態(tài)控制對(duì)設(shè)計(jì)復(fù)雜零件是非常實(shí)用而且特別重要的技術(shù)手段;

　　(3) 功能強(qiáng)大的CAD模塊包括了草圖設(shè)計(jì)、曲面建模、實(shí)體建模和鈑金零件設(shè)計(jì)等，可以完成基于特征的CAD模型建立，滿足機(jī)械設(shè)計(jì)要求;

　　(4) 面向裝配的零件設(shè)計(jì)為大型裝配體的建模提供了重要的技術(shù)方法，其IPA動(dòng)畫制作可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)模擬裝配，同時(shí)可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，從而在計(jì)算機(jī)里完成零件設(shè)計(jì)正確與否的校驗(yàn);

　　(5) SolidWorks是包含了CAD/CAM/CAE功能的集成化軟件，全面滿足設(shè)計(jì)、分析、制造、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的一體化要求。

　　綜上所述，SolidWorks軟件的基本設(shè)計(jì)思路為“實(shí)體造型→虛擬裝配→二維圖紙”，三維實(shí)體建模使設(shè)計(jì)過(guò)程形象而且直觀，虛擬裝配可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程的隨時(shí)校驗(yàn)，從而避免可能造成的直接經(jīng)濟(jì)損失。二維圖紙的自動(dòng)繪制也滿足了實(shí)際生產(chǎn)的需求，從而完全滿足機(jī)械設(shè)計(jì)企業(yè)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)要求，因而得到廣泛的應(yīng)用。

　　二、相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)

　　1.參數(shù)化造型

　　參數(shù)化造型(Parametric Modeling，又稱尺寸驅(qū)動(dòng)幾何造型技術(shù))中，物體的幾何外形是由受約束的數(shù)學(xué)關(guān)系式來(lái)定義的，而不僅僅取決于簡(jiǎn)單的、孤立的尺寸參數(shù)。其主要技術(shù)特點(diǎn)在于：基于特征，全尺寸約束，尺寸驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)修改以及全數(shù)據(jù)相關(guān)。

　　(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(shù)，進(jìn)而形成實(shí)體，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行更為復(fù)雜的幾何形體的構(gòu)造;

　　(2)全尺寸約束 將形狀和尺寸聯(lián)合起來(lái)考慮，通過(guò)尺寸約束來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)幾何形狀的控制。造型必須以完整的尺寸參數(shù)為出發(fā)點(diǎn)(全約束)，不能漏注尺寸(欠約束)，也不能多注尺寸(過(guò)約束);

　　(3)尺寸驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)修改 通過(guò)修改尺寸數(shù)值來(lái)驅(qū)動(dòng)幾何形狀的改變;

　　(4)全數(shù)據(jù)相關(guān) 尺寸參數(shù)的修改帶動(dòng)其他相關(guān)模型中的相關(guān)尺寸的更新，從而驅(qū)動(dòng)模型更新。

　　采用參數(shù)化造型進(jìn)行設(shè)計(jì)，最大的優(yōu)點(diǎn)是CAD系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄幾何建模的整個(gè)過(guò)程。換句話說(shuō)，系統(tǒng)不僅記錄幾何模型，同時(shí)還記錄設(shè)計(jì)意圖即實(shí)體間的關(guān)系。修改零件形狀時(shí)，只需編輯尺寸的數(shù)值即可實(shí)現(xiàn)形狀上的改變。

　　2.關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)

　　在傳統(tǒng)的CAD系統(tǒng)中，裝配體(部件)設(shè)計(jì)大都采用自底向上的方法，即首先設(shè)計(jì)出各部分組成零件，然后再把設(shè)計(jì)好的零件拼裝在一起，各零件間不存在任何關(guān)聯(lián)關(guān)系。當(dāng)部件功能或結(jié)構(gòu)需做出調(diào)整時(shí)，相關(guān)零件的結(jié)構(gòu)形式、尺寸不會(huì)自動(dòng)做出相應(yīng)的改變;反之，當(dāng)某零件發(fā)生改變時(shí)，部件功能或結(jié)構(gòu)也不會(huì)做出自動(dòng)調(diào)整。零件之間的裝配關(guān)系和尺寸協(xié)調(diào)完全依靠設(shè)計(jì)人員手工完成。這種CAD系統(tǒng)實(shí)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(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)方法，即以零件所包含的各種幾何信息為數(shù)據(jù)源頭，通過(guò)幾何繼承、數(shù)學(xué)推導(dǎo)等方式獲取其他所需信息，選用適當(dāng)?shù)募s束傳播和求解模型，來(lái)構(gòu)筑一個(gè)具有實(shí)時(shí)響應(yīng)變更能力的信息資源高度共享的體系。

　　SolidWorks軟件能很好地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程的關(guān)聯(lián)性。對(duì)于存在裝配關(guān)系的零件，可以建立其配合部分的尺寸關(guān)聯(lián)，尺寸值可以相互驅(qū)動(dòng)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(guān)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(qū)動(dòng)B零件模型的同步協(xié)調(diào)改變。這樣在設(shè)計(jì)過(guò)程中一方面可以提高設(shè)計(jì)效率，同時(shí)也可以避免錯(cuò)誤。從而實(shí)現(xiàn)了零件之間的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)，對(duì)于大型裝配體的三維設(shè)計(jì)具有重大的實(shí)際意義。

　　三、實(shí)現(xiàn)方法

　　我廠的主要產(chǎn)品是鐵路罐車成品及相關(guān)配套部件，因此設(shè)計(jì)部門的主要工作包括零部件設(shè)計(jì)及最終的產(chǎn)品裝配設(shè)計(jì)。由于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，因此產(chǎn)品的種類越來(lái)越多，更新?lián)Q代也越來(lái)越快，這就對(duì)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及管理提出了更高的要求。對(duì)于設(shè)計(jì)部門來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)過(guò)程的準(zhǔn)確性對(duì)于縮短產(chǎn)品研發(fā)周期和降低生產(chǎn)成本都意義重大。因此我廠對(duì)設(shè)計(jì)部門的軟硬件投入力度很大，并采用了功能強(qiáng)大且易于掌握的SolidWorks作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的軟件平臺(tái)。針對(duì)工廠產(chǎn)品的特點(diǎn)，我們的設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

　　圖1 產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思路

　　具體說(shuō)明如下：

　　(1) 零件可分為3類，一是用于通用部件的常用標(biāo)準(zhǔn)件(例如螺釘、彈簧等)，二是用于某一大類產(chǎn)品的子零件(可視為半標(biāo)準(zhǔn)件)，三是某類產(chǎn)品的特有零件。在分析產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求后，可以對(duì)其中的子零件進(jìn)行分類管理，便于合理分工并協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)人員甚至不同部門之間的設(shè)計(jì)進(jìn)程，同時(shí)可以避免重復(fù)勞動(dòng)(因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)件和半標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)可能已經(jīng)完成)，抓住設(shè)計(jì)任務(wù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，從而有效提高工作效率;

　　(2) 部件設(shè)計(jì)也可分為兩類，一類是通用的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)體，這部分設(shè)計(jì)可以在平時(shí)完成并且可以適用于絕大多數(shù)總裝配體。第二類是專用部件的子裝配體，這部分設(shè)計(jì)是對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中包含創(chuàng)新性的部分，因而應(yīng)該特別注意其設(shè)計(jì)進(jìn)度與質(zhì)量，進(jìn)而保證總體設(shè)計(jì)質(zhì)量與效率;

　　(3) IPA動(dòng)畫裝配設(shè)計(jì)校驗(yàn)是保證設(shè)計(jì)質(zhì)量的重要技術(shù)手段，用SolidWorks的虛擬動(dòng)畫裝配并輔助以機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析，既可以對(duì)零件設(shè)計(jì)進(jìn)行參數(shù)上的檢查 (排除人為因素的影響)，又可以對(duì)整個(gè)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)及功能進(jìn)行合理性分析，從而有效避免方案設(shè)計(jì)和人工設(shè)計(jì)中可能存在的錯(cuò)誤，避免更大的直接經(jīng)濟(jì)損失;

　　(4) 設(shè)計(jì)技巧。由于大型罐車產(chǎn)品的裝配體包含幾百甚至上千的零件，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須對(duì)零件進(jìn)行適度的“簡(jiǎn)化”處理，否則產(chǎn)品的總裝配體的動(dòng)畫仿真甚至只是簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)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(jìn)行處理以提高設(shè)計(jì)效率：

　　1)裝配體中的零件顯示方式有實(shí)體、線框等方式(甚至可以用參數(shù)控制零件在裝配體中是否顯示)，對(duì)于有些非關(guān)鍵零件可以忽略其內(nèi)部形狀及細(xì)節(jié)描述，這樣可以有效地降低對(duì)于計(jì)算機(jī)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(shè)置對(duì)大裝配體中的零、部件進(jìn)行分類管理(單個(gè)零件的設(shè)計(jì)也應(yīng)對(duì)實(shí)體、基準(zhǔn)面及草圖等相應(yīng)地進(jìn)行分層管理)，這樣對(duì)于圖形顯示、編輯及動(dòng)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(lái)獲取，從而檢查是否按照其應(yīng)有的裝配約束(如貼合、對(duì)齊、同軸等)進(jìn)行了正確的裝配操作。

　　四、應(yīng)用實(shí)例

　　基于以上的設(shè)計(jì)思路及技術(shù)手段，我們?cè)诋a(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了三維的全參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，相對(duì)于傳統(tǒng)的手工繪圖設(shè)計(jì)及二維軟件設(shè)計(jì)，不但提高了設(shè)計(jì)效率，而且提高了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，從而實(shí)實(shí)在在地提高了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，為企業(yè)的發(fā)展注入了新的活力。

　　下面以我廠主導(dǎo)設(shè)計(jì)的鐵路臥式粉狀貨物罐車為例，來(lái)說(shuō)明其零件的參數(shù)化設(shè)計(jì)及產(chǎn)品的裝配設(shè)計(jì)方法。

　　圖2為罐體的參數(shù)化3D模型。罐體的主要功能是運(yùn)輸及裝卸貨物，需根據(jù)自重、載重、工作壓力等來(lái)設(shè)計(jì)罐體的長(zhǎng)度L、半徑r及壁厚δ，同時(shí)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到它與幾個(gè)蓋板間的裝配關(guān)系，將其作為其他零件的父零件來(lái)處理。在模型中同時(shí)建立用于裝配的基準(zhǔn)軸和基準(zhǔn)面，而且這些特征也都是參數(shù)驅(qū)動(dòng)的，并放在專用圖層中。

　　圖2 罐體的參數(shù)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(gè)蓋板零件在裝配樹(shù)中都以罐體為其父節(jié)點(diǎn)，在進(jìn)行參數(shù)化建模時(shí)，除了模型本身的參數(shù)驅(qū)動(dòng)外，還應(yīng)建立其與父零件(罐體)之間的參數(shù)關(guān)聯(lián)：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(shí)建立用于裝配的基準(zhǔn)軸及基準(zhǔn)面，在進(jìn)行裝配建模時(shí)，通過(guò)與罐體的軸向同軸約束及基準(zhǔn)面的貼合約束，就可以建立參數(shù)化的裝配模型，同時(shí)罐體半徑的改變可以傳遞并且驅(qū)動(dòng)兩個(gè)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(shí)采用了圖層管理及良好的參數(shù)控制，因此裝配校驗(yàn)變得非常簡(jiǎn)單而且明晰，通過(guò)圖層的關(guān)閉、裝配樹(shù)中對(duì)零件的抑制與反抑制等方法來(lái)控制零件及部件(專用和通用)的顯示，通過(guò)參數(shù)的關(guān)聯(lián)、傳遞、模型驅(qū)動(dòng)及IPA方法來(lái)檢驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果，從而保證零件設(shè)計(jì)與裝配設(shè)計(jì)之間的協(xié)調(diào)一致，并且通過(guò)IPA動(dòng)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(jié)論

　　通過(guò)CAD軟件及相關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用，我廠的產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期大大縮短，設(shè)計(jì)質(zhì)量也得到了顯著提高，從而提高了本企業(yè)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，取得了顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。