三维设计中的设计思想与意图体现.docx

三维设计已成为设计的主流方法，通过三维设计软件，设计者可直接将脑海中的零/部件模型，形象逼真地反映在计算机显示屏上。我国的大中型企业已开始尝试从三维开始设计。对于设计者来说，三维能真正体现出设计者的设计意图，以三维模型作为产品最重要的信息载体，可以将设计、生产、管理等各个信息孤岛联系到一起，并将设计细节融入到建模过程中。 在整个产品的开发过程中，如果在建模阶段不预先考虑模型可能发生的设计变动，将使前期建模工作无法有效向后传递，导致时间和精力的更多消耗。因此，在设计开始阶段就对产品特征进行规划，将设计者的设计思想意图融人设计过程中，全面综合考虑问题，对于缩短产品开发时间、提高产品开发的效率和质量是非常有意义的。 对于如何将设计者的设计思想体现在三维实体设计软件中，本文将结合Solidworks阐述这一技术的应用过程。SolidWorks是一套基于Windows平台的优秀三维设计软件，具有用户界面友好、易学易用的优点，其特征建模、变量化驱动等功能，可方便地实现三维建模、装配和生成工程图。1 零件建模与加工工艺分析 在三维软件中对零件进行三维建模，实质是对零件加工过程进行模拟和对零件加工工艺过程进行描述，是在三维软件的环境下进行的虚拟加工。1.1 零件的常用建模方法实例分析 对零件建模的常用方法有：层叠法、旋转法和加工法。下面以减速器高速轴外形特征为例，分别用这三种方法进行建模，分析它们的优劣，图例如表1所示。 表1 减速器高速轴三种建模方法的图例 1)旋转法：在一幅草图上画出零件的多个复杂外形特征，通过旋转命令“一步到位”生成零件。优点：能够快速创建零件外形轮廓特征，效率高。缺点：不便于零件的编辑、修改，如果要对零件进行编辑修改，就会出现许多关联错误。此方法仅仅适合回转零件，而且仅适用于回转零件外形轮廓特征建模。 2)层叠法：单独建立零件各段的每个特征，用堆积的方式，将各段堆叠起来。通过上述实例不难发现，该方法局部性强，缺乏总体布局，没有毛坯选择，没有总体的特征规划。但此方法适用于大型焊接件，其建模思想与焊接方法正好吻合。 3)加工法：是模拟零件实际加工过程，首先生成零件基本特征，也即是实际加工的毛坯，然后一道道工序逐渐加工，生成成品。例如轴的工艺分析：在实际加工过程中，首先，生成毛坯（通常采用车削、铸造或者其他方法生成棒料毛坯）；然后，将工件的一端夹持在车床的三爪卡盘上，加工其另一端，完成圆柱面、砂轮越程槽、端面倒角车削；第三，工件掉头，夹持已加工的圆柱面，对工件的另一端完成圆柱面、砂轮越程槽、端面倒角车削。在该加工过程中，装夹一次尽可能完成多道工序，从而节省装夹时间，提高生产效率。 通过上述零件建模方法对比不难发现，加工法最符合实际生产过程，它的建模顺序符合实际加工步骤，也符合专业设计者的设计过程。因此，在建模之前，有必要对产品零件进行特征规划，这样不仅使设计者对后续建模有总体把握，而且对于最后编辑修改也很方便。 特征规划的过程中，应该考虑以下问题：(1)基本特征反映零件的整体面貌（例如，选择圆柱棒料作为毛坯，表明该零件的整体外形为圆柱形）。(2)每个特征应尽量简单，这便于特征的修改和管理。(3)应明确特征之间关系和特征实现方法。1.2 零件加工与SolidWorks建模命令的关系 大多数机械加工是对毛坯进行去除材料的过程，在实际加工过程中，对零件常用的加工方法有车、铣、刨、磨、钻、镗、攻丝和拉削等。在SolidWorks建模中最常用的特征类型有拉伸、扫描、旋转和放样。建模命令实际上是在模拟它所对应的加工方法。表2所示为零件加工方法与建模命令的对应关系。由表2可见，实际加工过程和零件建模是相关联的，每一个建模步骤都对应一种加工方法。 表2 零件加工方法与建模命令的对应关系 零件加工过程实际上就是通过计算机建模命令来模拟它的工艺过程。对于有的工艺过程，甚至还可以用多种不同建模命令来对其模拟。因此，可以得出加工方法与建模命令的对应关系（加工方法为“M”，建模命令为“m”）如下： 1)M：m =1：1表示：一种建模命令对应一种加工方法。 2)M：m=1：n表示：n种建模命令对应一种加工方法。 零件三维建模过程实质上是对零件加工过程进行模拟。脱离加工的设计建模就没有实际加工意义，所以建模命令与加工方法的关联、对应，就是建模命令对加工方法的抽象描述，零件建模是建立在它的加工基础上的，若建立的模型无法加工，那它也失去实际的生产意义。 零件加工，首先是从选择毛坯开始的，而在建模过程中，基本特征的生成，即毛坯的生成，往往被忽视。因此，在造型时根据零件的主要结构建立特征草图，通过拉伸、旋转等建立一个合理的“毛坯”是零件建模的第一步。2 建模过程中设计意图的体现 使用SolidWorks建立模型的方法有多种多样，关键问题要看是否正确地表达了零件的加工信息，将设计者思想融入设计建模中。SolidWorks零件建模主要通过三种方法体现设计者的设计思想与意图：绘图平面选择、添加几何关系和尺寸标注。在建立任何一个零件模型前，设计者通常要对零件进行分析、规划特征和拟定建模步骤。 2.1 绘图平面选择 选择不同绘图平面体现设计者不同的设计思想与意图。在建立模型后，常常需要确定一些重要尺寸，这些尺寸对零件的安装定位等起决定性作用，而对其余尺寸的要求不高。选择绘图平面不仅有利于将重要尺寸体现出来，而且还能为后续零件模型的编辑修改提供方便。如图1所示，轴肩部分为被加工对象，可通过三个绘图参考平面完成轴肩部分的建模，但是不同的参考基准却体现不同的设计意图。 1)选择参考基准1为绘图平面时，是以图示零件左端面为基准。当被加丁对象左端尺寸x发生变化时，轴肩部分特征相对于左端面的距离尺寸x保持不变，但是轴肩部分的宽度（x-x）会发生变化，见图2a。 2)选择参考基准2为绘图平面时，是以图示（轴肩部分左端特征的右端面）轴肩部分左端为绘图基准。当被加工对象左端尺寸或右端尺寸发生变化时，轴肩部分特征相对于轴肩部分左端面的距离尺寸x保持不变，即保证轴肩部分宽度恒定，见图2b。 3)选择参考基准3为绘图平面时，是以图示零件右端面为基准。保证轴肩部分相对于右端面的距离x恒定。轴肩部分的宽度会随着轴肩部分左端特征的变化而发生相应变化，见图2c。 图1 被加工对象参考基准 图2 不同参考基准体现的设计意图 通过图2a、图2b和图2c的比较不难发现，选择不同绘图平面作为参考基准，可体现不同的设计意图。因此，在设计过程中，应当根据实际要求选择合适的平面作为草图的绘图平面。2.2 添加几何关系 通常在草图中确定一些几何关系或辅助几何元素，可以减少尺寸的重复标注，而且还有利于体现设计者的设计思想与意图。 图3所示为减速器箱体连接螺孔建模中的几何关系：添加水平中心线与箱体竖直边框线中点“重合”的关系；为了便于装配和零部件的购买，通常尽可能选择相同的零部件。在设计此螺栓连接孔时，采用相同尺寸，对于中心线一侧的螺孔，选择“相等”的几何关系；草图绘制中的“镜像实体”，勾选“复制”选框，选择竖直中心线为“镜像点”。镜像后，中心线两侧实体就自觉地添加上相等共线的几何关系，最后各螺孔之间的几何关系通过中心线和10-b标注体现。 图3 添加几何关系体现设计意图2.3 尺寸标注 与实体关联时，不同尺寸标注方法体现不同设计意图。以减速器某轴为例，其设计基准如图4所示。为提高零件加工质量，应该尽可能将设计基准、定位基准与安装基准重合。 图4 减速轴设计基准 如图5所示，对于零件左端轴肩部分在水平方向上的尺寸，不同标注方法表达不同设计意图。水平中心线表明零件为对称（回转）零件；图5a所示为选择左端面为基准，轴肩以左端面作为设计基准，轴肩的宽度通过尺寸x、x共同决定；图5b所示为选择零件左端面为基准，确定尺寸x，然后轴肩以尺寸x的右端面作为设计基准，轴肩宽度为x；图5c所示为选择左端面为设计基准，确定尺寸x，通过右端面为设计基准确定尺寸x，最后通过轴的总长p间接确定轴肩宽度为p-x-x；图5d所示为以右端面为设计基准，其余与图5b类似；图5e所示为以右端面为设计基准，其余与图5a类似。 图5 不同的尺寸标注体现的不同设计意图3 装配体约束关系与装配要求体现设计意图 在SolidWorks下进行装配体设计，实际上是根据装配实体形状特点创建实体模型，并把这些模型按照配合关系进行虚拟装配，得到装配体三维实体模型。装配体设计过程就是一个模拟实际的零件与零件、零件与部件装配的过程。设计者通过采用合理的装配配合关系，来体现设计意图，表达设计目的。将两个或多个零件模型（或部件）按照一定的约束关系进行安装并形成产品的装配体时，采用不同的约束关系（配合命令）可达到不同的装配效果，体现出设计者不同的设计意图。在此以两个面的接触为例，说明不同装配命令体现不同设计意图的情况。 三维软件在进行两个平面接触配合设计时，可以选择“重合”、“距离”（设置两配合面之间的距离为零）。但是两种不同的装配命令却体现着不同的设计意图。例如，减速器轴承与端盖的配合、轴承内圈与轴肩的配合，它们的配合结果都是使两个配合平面接触，但通常对减速器轴承与端盖的配合命令选择“距离”，并设置两配合面之间的距离为零；轴承内圈与轴肩的配合命令选择“重合”。理由如下： 1）轴承端盖用于轴承外圈固定、轴承的防尘和密封。在实际装配过程中，往往需要对端盖进行调整，比如在其与箱体两配合面之间加垫片、密封环和垫圈，在两接触面间加入润滑油形成一层油膜等，从而调整轴承端盖与轴承外圈的距离、轴承端盖与箱体的距离，达到装配要求，可见，轴承端盖与箱体之间并不是简单的重合，故选择“平行”和“距离”的配合来达到轴承端盖与箱体之间装配要求。 2）轴承内圈与轴肩的配合，其目的是通过轴肩对轴承进行定位。因此必须明确限定轴肩与轴承内圈的位置关系，故通过选择“重合”来体现设计者的设计意图，满足装配要求。4 结语 本文提出了在SolidWorks软件环境下，三维零件建模通过绘图平面选择、添加几何关系和尺寸标注体现设计者设计思想与意图；在装配体中，采用合理的配合关系，体现设计意图，表达设计目的。这种表达设计者思想意图的设计方法，对于设计者更好地完成设计，解决实际问题都有重要意义。