本文介紹了鐵路貨運粉狀貨物罐車的CAD建模裝配法相關(guān)內(nèi)容。

　　在制造企業(yè)中，有效的軟件不但能縮短產(chǎn)品的設(shè)計周期同時還能提高設(shè)計質(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，利用SolidWorks軟件探索了從零件設(shè)計、部件設(shè)計到最終產(chǎn)品裝配設(shè)計的實現(xiàn)方法及設(shè)計技巧，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，因而近年來在機(jī)械設(shè)計行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。其功能特點主要包括如下幾點:

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

　　(2) 全Windows特性的特征管理器使設(shè)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(biāo)動態(tài)控制對設(shè)計復(fù)雜零件是非常實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、曲面建模、實體建模和鈑金零件設(shè)計等，可以完成基于特征的CAD模型建立，滿足機(jī)械設(shè)計要求;

　　(4) 面向裝配的零件設(shè)計為大型裝配體的建模提供了重要的技術(shù)方法，其IPA動畫制作可以實現(xiàn)動態(tài)模擬裝配，同時可以進(jìn)行運動分析，從而在計算機(jī)里完成零件設(shè)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(shè)計、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)計思路為“實體造型→虛擬裝配→二維圖紙”，三維實體建模使設(shè)計過程形象而且直觀，虛擬裝配可以實現(xiàn)設(shè)計過程的隨時校驗，從而避免可能造成的直接經(jīng)濟(jì)損失。二維圖紙的自動繪制也滿足了實際生產(chǎn)的需求，從而完全滿足機(jī)械設(shè)計企業(yè)的設(shè)計生產(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)系式來定義的，而不僅僅取決于簡單的、孤立的尺寸參數(shù)。其主要技術(shù)特點在于：基于特征，全尺寸約束，尺寸驅(qū)動設(shè)計修改以及全數(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)合起來考慮，通過尺寸約束來實現(xiàn)對幾何形狀的控制。造型必須以完整的尺寸參數(shù)為出發(fā)點(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(qū)動設(shè)計修改 通過修改尺寸數(shù)值來驅(qū)動幾何形狀的改變;

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

　　采用參數(shù)化造型進(jìn)行設(shè)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(shè)計意圖即實體間的關(guān)系。修改零件形狀時，只需編輯尺寸的數(shù)值即可實現(xiàn)形狀上的改變。

　　2.關(guān)聯(lián)設(shè)計

　　在傳統(tǒng)的CAD系統(tǒng)中，裝配體(部件)設(shè)計大都采用自底向上的方法，即首先設(shè)計出各部分組成零件，然后再把設(shè)計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，相關(guān)零件的結(jié)構(gòu)形式、尺寸不會自動做出相應(yīng)的改變;反之，當(dāng)某零件發(fā)生改變時，部件功能或結(jié)構(gòu)也不會做出自動調(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(guān)聯(lián)的設(shè)計方法，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，來構(gòu)筑一個具有實時響應(yīng)變更能力的信息資源高度共享的體系。

　　SolidWorks軟件能很好地實現(xiàn)設(shè)計過程的關(guān)聯(lián)性。對于存在裝配關(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B零件模型的同步協(xié)調(diào)改變。這樣在設(shè)計過程中一方面可以提高設(shè)計效率，同時也可以避免錯誤。從而實現(xiàn)了零件之間的關(guān)聯(lián)設(shè)計，對于大型裝配體的三維設(shè)計具有重大的實際意義。

　　三、實現(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)計部門的主要工作包括零部件設(shè)計及最終的產(chǎn)品裝配設(shè)計。由于市場競爭的日趨激烈，因此產(chǎn)品的種類越來越多，更新?lián)Q代也越來越快，這就對設(shè)計、生產(chǎn)及管理提出了更高的要求。對于設(shè)計部門來說，設(shè)計效率和設(shè)計過程的準(zhǔn)確性對于縮短產(chǎn)品研發(fā)周期和降低生產(chǎn)成本都意義重大。因此我廠對設(shè)計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)計的軟件平臺。

　　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(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)計要求后，可以對其中的子零件進(jìn)行分類管理，便于合理分工并協(xié)調(diào)設(shè)計人員甚至不同部門之間的設(shè)計進(jìn)程，同時可以避免重復(fù)勞動(因為標(biāo)準(zhǔn)件和半標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計可能已經(jīng)完成)，抓住設(shè)計任務(wù)的重點和難點，從而有效提高工作效率;

　　(2) 部件設(shè)計也可分為兩類，一類是通用的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)體，這部分設(shè)計可以在平時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)計是對產(chǎn)品設(shè)計中包含創(chuàng)新性的部分，因而應(yīng)該特別注意其設(shè)計進(jìn)度與質(zhì)量，進(jìn)而保證總體設(shè)計質(zhì)量與效率;

　　(3) IPA動畫裝配設(shè)計校驗是保證設(shè)計質(zhì)量的重要技術(shù)手段，用SolidWorks的虛擬動畫裝配并輔助以機(jī)構(gòu)運動分析，既可以對零件設(shè)計進(jìn)行參數(shù)上的檢查(排除人為因素的影響)，又可以對整個產(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)計和人工設(shè)計中可能存在的錯誤，避免更大的直接經(jīng)濟(jì)損失;

　　(4) 設(shè)計技巧。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)計過程中必須對零件進(jìn)行適度的“簡化”處理，否則產(chǎn)品的總裝配體的動畫仿真甚至只是簡單的旋轉(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(shù)控制零件在裝配體中是否顯示)，對于有些非關(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于計算機(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)置對大裝配體中的零、部件進(jìn)行分類管理(單個零件的設(shè)計也應(yīng)對實體、基準(zhǔn)面及草圖等相應(yīng)地進(jìn)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(yīng)有的裝配約束(如貼合、對齊、同軸等)進(jìn)行了正確的裝配操作。

　　四、應(yīng)用實例

　　基于以上的設(shè)計思路及技術(shù)手段，我們在產(chǎn)品設(shè)計過程中采用了三維的全參數(shù)化設(shè)計方法，相對于傳統(tǒng)的手工繪圖設(shè)計及二維軟件設(shè)計，不但提高了設(shè)計效率，而且提高了設(shè)計的準(zhǔn)確性，從而實實在在地提高了產(chǎn)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(dǎo)設(shè)計的鐵路臥式粉狀貨物罐車為例，來說明其零件的參數(shù)化設(shè)計及產(chǎn)品的裝配設(shè)計方法。

　　圖1為罐體的參數(shù)化3D模型。罐體的主要功能是運輸及裝卸貨物，需根據(jù)自重、載重、工作壓力等來設(shè)計罐體的長度L、半徑r及壁厚δ，同時設(shè)計時要考慮到它與幾個蓋板間的裝配關(guān)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(zhǔn)軸和基準(zhǔn)面，而且這些特征也都是參數(shù)驅(qū)動的，并放在專用圖層中。

圖1 罐體的參數(shù)化3D模型

　　圖2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(jìn)行參數(shù)化建模時，除了模型本身的參數(shù)驅(qū)動外，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，通過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，同時罐體半徑的改變可以傳遞并且驅(qū)動兩個蓋板模型的更新。

圖2 罐體與枕梁上蓋板、牽引梁上蓋板的裝配圖

　　圖3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(shù)控制，因此裝配校驗變得非常簡單而且明晰，通過圖層的關(guān)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(shù)的關(guān)聯(lián)、傳遞、模型驅(qū)動及IPA方法來檢驗設(shè)計結(jié)果，從而保證零件設(shè)計與裝配設(shè)計之間的協(xié)調(diào)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3 罐體裝配與車體其他部分最終裝配效果

　　五、結(jié)論

　　通過CAD軟件及相關(guān)設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用，我廠的產(chǎn)品設(shè)計周期大大縮短，設(shè)計質(zhì)量也得到了顯著提高，從而提高了本企業(yè)產(chǎn)品的市場競爭力，取得了顯著的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。