SolidWorks 裝配體建模技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

褚連娣，婁勇堅(jiān)

（浙江嘉興學(xué)院南湖學(xué)院，浙江 嘉興 313000）

引言

SolidWorks 裝配體設(shè)計(jì)的方法有兩種，一是掌控整個(gè)系統(tǒng)，從整體到局部，自上而下在裝配體環(huán)境中，根據(jù)上層零件進(jìn)行下層零件的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)；二是利用已有數(shù)據(jù)，自下而上，先進(jìn)行底層的零件設(shè)計(jì)，然后添加零件間的配合關(guān)系生成裝配體。前者適用于家用電器、電子玩具和生活用品等的研發(fā)、系列產(chǎn)品設(shè)計(jì)，后者適用于小數(shù)量修改或者標(biāo)準(zhǔn)件。

自頂向下的設(shè)計(jì)方法，一方面因?yàn)榱慵c其他的相關(guān)零件之間已有位置關(guān)系，有效地避免了干涉現(xiàn)象；另一方面在生成零件過(guò)程中調(diào)用與其他零部件的幾何關(guān)系，減少了輸入量，免去了添加配合關(guān)系，減少了出錯(cuò)。自底向上的設(shè)計(jì)方法，直觀簡(jiǎn)單，但缺乏整體布局，無(wú)法兼顧，在零件之間不存在任何參數(shù)關(guān)聯(lián)，僅僅存在簡(jiǎn)單的裝配關(guān)系，在裝配過(guò)程中容易出現(xiàn)位置和配合的沖突，由于互相不關(guān)聯(lián)，裝配體的修改需要對(duì)零件進(jìn)行一一修改。以下分別介紹兩種方法在不同產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

1 自頂向下的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)

1.1 關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)在零件先后設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

在裝配體環(huán)境下，如圖1 臺(tái)虎鉗的裝配體中，利用已有的底座零件來(lái)生成和它配合的左側(cè)立板、滑塊（圖2）零件，如果最先生成的底座零件尺寸發(fā)生變化，在它基礎(chǔ)上后續(xù)相關(guān)的零件，如果是通過(guò)轉(zhuǎn)換實(shí)體引用建立草圖或者組成部分草圖的輪廓線，那么對(duì)應(yīng)的這些草圖尺寸也將發(fā)生變化，使得更新保持同步，這種方法稱(chēng)為關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)。

圖1 臺(tái)虎鉗

圖2 利用臺(tái)座生成左側(cè)立板和滑塊

左側(cè)立板的草圖是利用臺(tái)座的右端面輪廓轉(zhuǎn)換實(shí)體引用建立的，這個(gè)過(guò)程中不需要輸入尺寸，草圖會(huì)根據(jù)與它配合的臺(tái)座面尺寸變化而變化，臺(tái)座與側(cè)立板貼合的兩個(gè)面之間不需添加配合關(guān)系，關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)保持了先后建立的兩個(gè)零件面的重合。這種關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)節(jié)約了草圖輸入尺寸的時(shí)間，并能保證合適的配合。

1.2 關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)在鈑金件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

在裝配體環(huán)境中進(jìn)行關(guān)聯(lián)鈑金零件設(shè)計(jì)，可以充分利用裝配體中其他零件的位置和特征作為參考[1]。如圖3 在裝配體環(huán)境中已有底板鈑金零件，再建立新零件，參考裝配體中的底板，并與之定位，利用鈑金的“基體法蘭”“邊線法蘭”“斜接法蘭”特征建立蓋板（圖4 所示），解除蓋板的壓縮平板型式，可以看到展開(kāi)的底板鈑金件（圖5 所示）。

圖3 鈑金底板

圖4 生成鈑金蓋板

圖5 鈑金蓋板及展開(kāi)

1.3 關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)在模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

SolidWorks 裝配體特征中模具型腔的應(yīng)用，也是一種自上而下由裝配體生成上、下模腔零件的方法，把一個(gè)帶拔模角度的楔狀零件和一個(gè)長(zhǎng)方體配合形成干涉裝配體（下頁(yè)圖6 所示），在裝配體環(huán)境下編輯零件，在自動(dòng)出現(xiàn)的型腔特征時(shí)選擇楔狀零件，再退出零件編輯后重新打開(kāi)零件，選擇分型的切除面，分別保存成中空的上模腔（圖7 所示）和下模腔（圖8 所示）。

圖6 干涉配合的楔狀件

圖7 上模腔

圖8 下模腔

這種利用模具的特征，指定分型面根據(jù)裝配體很快得到了需要設(shè)計(jì)的零件模腔。

1.4 采用草圖一級(jí)控制的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)

從整體到局部的自頂向下的設(shè)計(jì)，如果創(chuàng)建一個(gè)裝配體的草圖作為一級(jí)控件，控制模型的外觀和尺寸，能在設(shè)計(jì)中承上啟下，根據(jù)一級(jí)控件分配各個(gè)零件的結(jié)構(gòu)和位置關(guān)系。如圖9 所示，作為一級(jí)控制的草圖，一部分輪廓生成軸承內(nèi)圈，另一些草圖輪廓分配后分別形成外圈、保持架和滾動(dòng)體，根據(jù)分配好的零件間的關(guān)聯(lián)，可以完成各零件的設(shè)計(jì)（圖10 所示）。

圖9 草圖分配后生成軸承內(nèi)圈

圖10 另一部分草圖分配生成軸承外圈、保持架、滾動(dòng)體

當(dāng)多數(shù)零件外形尺寸未確定的裝配設(shè)計(jì)，或者零部件配合復(fù)雜、相互影響的配合關(guān)系較多時(shí)，可以采用一級(jí)草圖作為控件，它的尺寸變化了，后面建立的零件形狀隨著發(fā)生相應(yīng)的變化，而裝配關(guān)系不變。如圖11 所示，如果軸承安裝時(shí)需要預(yù)緊，則要磨窄套圈[2]，即改變一級(jí)草圖控制外圈寬度的尺寸，軸承外圈就隨之變化，但內(nèi)外圈和滾動(dòng)體之間配合保持不變。這在裝配要求比較高的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中或者曲面設(shè)計(jì)也常采用。

圖11 外圈隨草圖尺寸改變而改變

2 自下而上的裝配體設(shè)計(jì)

2.1 多實(shí)體零件建模形成裝配體

SW 自下而上設(shè)計(jì)裝配體，如果在零件建模時(shí)考慮零件的裝配，利用互相建立的裝配關(guān)系來(lái)分別建立零件。從一個(gè)主體的原始實(shí)體（如圖12、13 所示）開(kāi)始，利用分割特征，把它分為兩個(gè)實(shí)體，一個(gè)取名表盤(pán)，為一個(gè)取名表帶[3]，由于是用同一草圖分割實(shí)體，之后形成裝配體兩零件配合時(shí)，只需添加表帶凸弧面和表盤(pán)凹槽面重合，不會(huì)出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。表帶和表盤(pán)是在源零件“保存實(shí)體”特征前的狀態(tài)，對(duì)源零件“保存實(shí)體”特征以后進(jìn)行的更改不會(huì)傳遞到保存的零件表盤(pán)和表帶中。

如果在特征設(shè)計(jì)樹(shù)右擊分割特征，在快捷菜單中選擇“生成裝配體”，設(shè)置裝配體文件的保存和文件名稱(chēng)后，系統(tǒng)建立裝配體文件并打開(kāi)為當(dāng)前激活窗口，新建的裝配體文件將使用分割的零件，但裝配體中的零件全部都是固定的，沒(méi)有添加配合關(guān)系，但后期的添加配合很容易，不會(huì)出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。

圖12 利用分割特征生成兩個(gè)實(shí)體

圖13 分割形成的零件易于裝配

2.2 自下而上設(shè)計(jì)中零件建模的多種方法

1）用鏈接數(shù)值使得兩個(gè)或者多個(gè)同一類(lèi)型、名稱(chēng)相同的尺寸保持值相等[4]。如下頁(yè)圖14 所示，顯示尺寸名稱(chēng)后，右單擊尺寸選擇鏈接數(shù)值，得到的數(shù)值前出現(xiàn)符號(hào)“∞”，并在名稱(chēng)文本框中輸入一個(gè)名稱(chēng)“A”，具有相同名稱(chēng)的尺寸，只要一個(gè)變化，重建模型后其他的也跟著變化。鏈接數(shù)值對(duì)管理尺寸參數(shù)、更改尺寸更方便。尺寸用這種方式鏈接后，任何成員尺寸都可以作驅(qū)動(dòng)尺寸，鏈接名稱(chēng)取代了原有尺寸的名稱(chēng)，鏈接尺寸名稱(chēng)和當(dāng)前數(shù)值出現(xiàn)在特征管理設(shè)計(jì)樹(shù)的“方程式”文件夾中。

2）使用方程式，可以讓兩個(gè)尺寸之間通過(guò)數(shù)學(xué)操作符合函數(shù)建立邏輯關(guān)系[4]。又如在圖14 中，用圓柱內(nèi)多邊形的尺寸A 來(lái)驅(qū)動(dòng)圓柱直徑的變化，雙擊圓柱體直徑尺寸（從動(dòng)），建立方程式，如圖15 所示。一旦驅(qū)動(dòng)尺寸A 發(fā)生變化，圓柱直徑也隨著變化，但直徑尺寸作為從動(dòng)尺寸不能直接改變。在方程式對(duì)話(huà)框里可以查看所有的方程式和鏈接數(shù)值。SW的方程式，還支持判斷語(yǔ)句，用判斷給尺寸賦值，另外還支持語(yǔ)句與運(yùn)算結(jié)合、語(yǔ)句嵌套等功能。

圖14 鏈接數(shù)值使相同名稱(chēng)A 共享數(shù)值

圖15 數(shù)值A(chǔ) 和圓柱直徑建立方程式

3）在SolidWorks 的零件或者裝配體中插入系列零件設(shè)計(jì)表，激活設(shè)計(jì)表便轉(zhuǎn)到Excel 界面，可以再編輯并雙向修改。如圖16 所示，一個(gè)螺栓零件中插入了一個(gè)設(shè)計(jì)表，選擇利用模型現(xiàn)有的配置自動(dòng)生成表，表中第一行為標(biāo)題，顯示零件名，第二行是屬性，由于尺寸名稱(chēng)或者特征比較長(zhǎng)，系統(tǒng)自動(dòng)將其旋轉(zhuǎn)成了豎式，第三行A 列為配置名稱(chēng)，接著是單元格的尺寸數(shù)值。也可以輸入一個(gè)現(xiàn)有的Excel 表格來(lái)建立系列零件設(shè)計(jì)，或者選擇【鏈接到文件】選項(xiàng)將設(shè)計(jì)表和Excel 文件建立鏈接，可以進(jìn)行雙向修改。為了便于識(shí)別，由設(shè)計(jì)表驅(qū)動(dòng)的尺寸可以使用不同的顏色來(lái)表示。

編輯設(shè)計(jì)表可以建立某個(gè)零件的多個(gè)配置，如圖17 所示，給螺母M20 添加了兩個(gè)不同厚度的配置。切換到ConfigurationManager，顯示了添加的配置，雙擊能激活各個(gè)配置。利用現(xiàn)有配置還能生成多個(gè)派生的子配置，子配置可以從父配置中提取數(shù)據(jù)。默認(rèn)情況下，子配置的所有參數(shù)鏈接到父配置上。

圖16 系列零件設(shè)計(jì)表與零件

圖17 螺母M20 添加了多個(gè)配置

系列零件設(shè)計(jì)表和零件的多種配置，使系列產(chǎn)品設(shè)計(jì)變得高效。

3 結(jié)論

1）利用SolidWorks 的自上而下裝配體建模設(shè)計(jì)方法，非常有效地在裝配體環(huán)境下進(jìn)行零件建模的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)，達(dá)到減少尺寸輸入和保留配合的目的，使用由草圖作為一級(jí)控制形成裝配體則可以在尺寸未完全確定下進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

2）自下而上的建模方法雖然效率相對(duì)低，但利用鏈接數(shù)值、方程式、系列零件設(shè)計(jì)表及多個(gè)配置等多種方法，可以提高設(shè)計(jì)效率。

3）三維軟件的廣泛使用，改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，在實(shí)際工作中取得了非常明顯的效果，并將長(zhǎng)期地為人類(lèi)發(fā)展提供幫助，熟練靈活地掌握軟件提供的裝配體及零件建模方法，將更進(jìn)一步發(fā)揮其設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)。