利用SolidWorks對新產(chǎn)品的自頂向下設(shè)計

張會強

（石家莊市科技合作與創(chuàng)新平臺中心，石家莊050000）

0 引 言

目前，市場上常用的三維設(shè)計軟件有很多，包括Inventor、Pro/E、UG、CATIA、SolidWorks 等，它們均已采用參數(shù)化三維實體建模設(shè)計形式。各個三維軟件均提供了草圖設(shè)計、零件設(shè)計、部件裝配、工程圖出圖、運動仿真、應(yīng)力分析、鈑金設(shè)計、曲面建模等模塊化設(shè)計功能。三維設(shè)計軟件具有零件特征建模直觀、參數(shù)修改方便等優(yōu)點，并且提供了自頂向下的設(shè)計和自底向上的設(shè)計功能。

1 自底向上的設(shè)計模式

“底”指的是下層零部件，“上”指裝配體、部件等組件，自底向上設(shè)計是指先進行底層零件的設(shè)計，然后進行裝配設(shè)計，得到最終成型的裝配產(chǎn)品。

傳統(tǒng)意義上我們利用三維設(shè)計軟件對機械產(chǎn)品設(shè)計大部分采用了自底向上的設(shè)計模式，就像我們在家堆積木一樣，先有各種形狀的積木塊，最后根據(jù)需要堆積成我們的城堡、房子等各種形狀的模型。同樣在軟件中首先在零件環(huán)境中建模，根據(jù)我們的產(chǎn)品分別完成零件建模設(shè)計，然后在裝配環(huán)境中對各個零件位置關(guān)系進行裝配，最后完成產(chǎn)品的裝配部件等。采用這種自底向上的機械設(shè)計方式，往往依靠在裝配組件后通過干涉檢查、工程圖、剖面視圖、工具的測量分析等方式進行干涉檢查、位置檢查等工作，并且裝配后期需對零件進行頻繁修改等，在用三維軟件進行設(shè)計時往往不只是設(shè)計單一的零件，而是設(shè)計多個有某種裝配關(guān)系的零件，造成后期裝配過程中出現(xiàn)尺寸不匹配，導(dǎo)致無法正確裝配。在零件和裝配間來回切換修改尺寸參數(shù)解決干涉和尺寸等問題，采用這種自底向上的產(chǎn)品設(shè)計建模速度快，應(yīng)用軟件容易上手，符合常規(guī)三維軟件對零件的設(shè)計方法，但是最后的修改繁瑣，工作量大。自底向上的設(shè)計簡單、直觀，但缺少整體概念和整體布局，產(chǎn)品裝配過程中易出現(xiàn)零部件及配合的沖突，沒有關(guān)聯(lián)性，裝配體變更不靈活。此自底向上的設(shè)計模式比較適合對已有產(chǎn)品的升級改造。

2 自頂向下的設(shè)計模式

通常我們對新產(chǎn)品的設(shè)計在技術(shù)設(shè)計階段的目標是生成總裝配圖及部件裝配圖。在設(shè)計機器時，首先要設(shè)計裝配草圖，根據(jù)機器的性能參數(shù)確定主要零、部件的基本尺寸，再根據(jù)已定的主要零部件設(shè)計與其相關(guān)的零部件，設(shè)計部件裝配圖及總裝配圖。裝配圖要反映出設(shè)計者的意圖，表達出機器的工作原理、性能要求、零件間的裝配關(guān)系和零件的主要結(jié)構(gòu)形狀。

“頂”指裝配體，“下”指下層零件，利用SolidWorks 對新產(chǎn)品的自頂向下設(shè)計是指：在軟件裝配體環(huán)境下利用布局草圖進行裝配草圖設(shè)計，然后利用軟件從裝配草圖中得到該零件的尺寸關(guān)系和形狀結(jié)構(gòu)生成相應(yīng)的零部件，最終完成設(shè)計該部件及其內(nèi)部所有零件的三維裝配設(shè)計。就是通常先設(shè)計裝配圖，然后再拆解零件圖。

利用SolidWorks 對產(chǎn)品自頂向下設(shè)計完全符合我們對新產(chǎn)品的設(shè)計方式。采用布局草圖設(shè)計總裝配草圖和部件裝配草圖，完成各個裝配部件內(nèi)部各個零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，最后生成各個零件及裝配部件。需要設(shè)計人員對所設(shè)計的產(chǎn)品有較深的分析、理解和對軟件的掌控程度，從設(shè)計的產(chǎn)品對其進行分析，根據(jù)產(chǎn)品需要實現(xiàn)的各個動作、功能分別分類成各個關(guān)鍵組件，根據(jù)我們對軟件的掌控程度還可以再分成更小的組件，利用軟件自頂向下設(shè)計方式完成各個組件的設(shè)計，同時在設(shè)計該組件時考慮這個組件與之配合的組件裝配關(guān)系即可。將整機合理地規(guī)劃為不同的子部件并規(guī)定各子部件的裝配關(guān)系，進而對子部件組件進行詳細設(shè)計，當各子部件分別完成設(shè)計后，基于預(yù)先設(shè)計的裝配關(guān)系，完成整機模型裝配。因此，可從主組件開始，將其分解為子部件和子組件。在設(shè)計每個子部件的裝配草圖時充分考慮與其主組件的裝配關(guān)系及其關(guān)鍵特征。最后完成該設(shè)備的模型建立。

在布局草圖設(shè)計部件裝配草圖時，首先根據(jù)該產(chǎn)品的設(shè)計參數(shù)定出主要零、部件的基本尺寸，然后對該部件上所需的零件的外形及尺寸進行結(jié)構(gòu)化設(shè)計，在此步驟中，需要很好地協(xié)調(diào)各零件的結(jié)構(gòu)及尺寸，全面地考慮設(shè)計零、部件的結(jié)構(gòu)及安裝等問題，使全部零件有最合理的結(jié)構(gòu)和相互臨接的零件之間的關(guān)系。這樣必然會大量引用主要零、部件及其相關(guān)的零、部件的點、線、面、尺寸等相關(guān)的基準,這樣不僅實現(xiàn)了零件本身參數(shù)化設(shè)計，而且零件與零件之間的尺寸也實現(xiàn)了參數(shù)化設(shè)計，實現(xiàn)真正意義上的參數(shù)化整體建模。在該布局裝配草圖中反映出該部件的工作原理、零件間的裝配關(guān)系和零件的主要結(jié)構(gòu)形狀和與其它部件相組合的配合關(guān)系。

在SolidWorks 布局草圖中設(shè)計裝配草圖和部件草圖，一方面有利于把握零部件與其上級部件和其他相關(guān)零件之間的位置關(guān)系，有效地避免了干涉等現(xiàn)象；另一方面它在制作零部件的過程中大量地直接調(diào)用其它零部件的幾何關(guān)系（如輪廓、基準、面等），減少了尺寸位置的輸入量，免去了確定配合關(guān)系的過程，減少了差錯；更重要的是，在布局草圖中設(shè)計的裝配中使得該部件內(nèi)各個零件間產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，如一旦產(chǎn)生關(guān)聯(lián)的原始零件更改以后，與它產(chǎn)生關(guān)聯(lián)的零件會發(fā)生自動更改，實現(xiàn)關(guān)聯(lián)設(shè)計、關(guān)聯(lián)更新。大大提高了設(shè)計效率，而且設(shè)計強度小，參數(shù)修改容易。

3 實際應(yīng)用舉例

下面以實際設(shè)計為例，介紹使用自頂向下設(shè)計的步驟。

某廠家現(xiàn)有SD 建筑保溫結(jié)構(gòu)一體化系統(tǒng)中采用了一種雙層鋼絲網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，由于尺寸多樣，難以批量生產(chǎn)，而且需求量大，需要人工裁剪，生產(chǎn)效率低下，難以滿足建筑大用量的需求，為此設(shè)計一種專用于SD 建筑保溫體系網(wǎng)架專用剪裁機,該網(wǎng)架規(guī)格為：長度分為2.8 m、3.2 m 等2 種規(guī)格，寬度為1.2 m，經(jīng)線和緯線各間隔50 mm，上下兩層的間隔為50 mm。

根據(jù)剪裁網(wǎng)架的尺寸定位、切刀的上升、剪切、回刀、切刀下降等動作順序，將該設(shè)備分為機架、后定位支架、定刀部件、動刀部件、上升下降油缸、剪切油缸、液壓站、電控箱等相應(yīng)的部分。當然也可以根據(jù)各自的部件再細分到下一級組件，例如后定位支架，也可以細分為后支架、直線模組、定位裝置、導(dǎo)軌等下一級組件。

例如將剪切油缸作為一個獨立組件在軟件中進行自頂向下設(shè)計。

第一步：在裝配體環(huán)境下建立布局草圖。根據(jù)對絲網(wǎng)架所需的剪切力計算出剪切油缸中活塞的大小、行程等元素，定出該零件的基本尺寸，如圖1 所示。

第二步：根據(jù)已知活塞桿的基本尺寸條件設(shè)計出該部件其余零件的裝配布局草圖。在草圖中，需對該部件中零件的外形及尺寸進行結(jié)構(gòu)化設(shè)計和尺寸設(shè)計。例如：在設(shè)計油缸前蓋時大量引用了活塞桿和缸體的尺寸和邊線，同時該缸蓋也做好了與其它組件連接的尺寸關(guān)系和定 位 關(guān)系。在完成該部件的裝配布局 草 圖后，所有零件的尺寸和結(jié)構(gòu)均為已知，相互配合關(guān)系的零件也為已知了。

圖1 建立布局草圖

圖2 為活塞桿、缸體、前缸蓋、后缸蓋、螺桿的布局草圖，通過草圖之間的約束關(guān)系和尺寸關(guān)系，還有活塞的移動行程等均在該布局草圖中完成設(shè)計，這樣我們已經(jīng)在這個油缸組件中很好地找到了各個零件的尺寸關(guān)系、位置關(guān)系、配合關(guān)系，同時也為該組件與其它組件做好了接口關(guān)系。對于主要設(shè)計參數(shù)的修改可在布局草圖中修改即可，與其關(guān)聯(lián)的零件尺寸、位置關(guān)系等會產(chǎn)生相應(yīng)的修改，無需尋找是哪個零件的哪個特征尺寸會影響該參數(shù)，更無需擔心修改后零件間是否會存在尺寸和位置不匹配。對某個零件的單獨修改也可通過該布局草圖中修改該零件的相關(guān)參數(shù)即可，如圖2 所示。

圖2 活塞桿、缸體、前缸蓋、后缸蓋、螺桿的布局草圖

第三步：零件建模，完成該組件裝配。在裝配環(huán)境下插入零部件-新零件，通過草圖環(huán)境下轉(zhuǎn)換實體應(yīng)用、草圖命令等把先前的布局草圖轉(zhuǎn)換為該新零件的草圖，通過特征建模，用拉伸、旋轉(zhuǎn)、打孔、倒角等命令很輕松地把各個零件建模完成。在零件建模的同時，也保證了各個零件的位置及尺寸關(guān)系。最后根據(jù)需要添加標準件和密封圈，這樣我們可以很輕松地完成液壓油缸的建模，并且通過油缸前蓋的定位凸臺與之相應(yīng)的部件配合即可，修改只需在所設(shè)計的布局草圖中修改相應(yīng)的尺寸參數(shù)即可完成該部件的設(shè)計工作，如圖3 所示。第四步：出裝配圖、各個零件的工程圖（如圖4）。

圖3 液壓油缸的建模

4 結(jié) 語

自頂向下的設(shè)計符合人們常規(guī)對機械產(chǎn)品的設(shè)計思路，根據(jù)產(chǎn)品的功能和動作要求將其分成各個部件，利用軟件的功能在裝配布局草圖中將該部件的零件通過尺寸關(guān)系、約束關(guān)系等對各個零件進行設(shè)計。需要修改時只需在該裝配草圖部件中修改相應(yīng)的參數(shù)即可，與其相應(yīng)的零部件會相應(yīng)地修改，可實現(xiàn)關(guān)聯(lián)設(shè)計、關(guān)聯(lián)更新。利用該設(shè)計方法，很好地完成了該新產(chǎn)品的設(shè)計工作，并且效率有很大的提高，設(shè)計強度也大大降低。

圖4 裝配圖