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1、第5章 三维机械设计软件SolidWorks 5.1 CAD软件的关键技术及研究热点5.1.1 CAD软件的关键技术目前，CAD软件的关键技术有：1参数化设计参数化设计就是将模型中的约束信息变量化，使之成为可以调整的参数。赋予变量化参数以不同数值，就可得到不同大小和形状的零件模型。参数化模型中的约束可分为几何约束和工程约束，而几何约束又可分为结构约束和尺寸约束。其中，结构约束是指几何元素之间的拓扑约束关系，如平行、垂直、相切、对称等；尺寸约束则是通过尺寸标注表示的约束，如距离、角度、半径等；工程约束是指尺寸之间的约束关系，通过定义尺寸变量及它们之间在数值和逻辑上的关系来表示。 参数化设计的本质
2、是用几何约束、工程约束及其关系说明产品模型的形状特征，能有效提高模型生成及修改速度，对于形状或功能相似的产品设计更是具有重要意义。2智能化产品的设计过程是具有高度智能的人类创造性活动领域，智能化是CAD发展的必然选择。当前的CAD系统，在某种程度上都体现了智能化的特点。例如：草图绘制中自动捕捉关键点（如端点、中点、切点等）、自动尺寸及公差标注、自动生成材料明细表（BOM）等。但是，目前的智能化水平还不能满足人们的设计需求。智能化CAD要深入研究人类的思维模型，并用信息技术（如专家系统、人工神经网络等）来表达和模拟，从而产生更为高效的CAD系统。 3基于特征设计特征是描述产品信息的集合，也是构成
3、零、部件设计与制造的基本几何体。它既反映零件的纯几何信息，也反映了零件的加工工艺特征信息。常用的特征信息包括： 形状特征； 精度特征； 技术特征； 材料特征（材料、热处理等）； 装配特征。与传统的几何造型方法相比，特征造型具有以下特点： 有利于形成统一、完整的产品信息； 可以更好地体现设计意图，使产品模型便于理解和组织生产； 有助于加强产品设计、分析、工艺、加工、检验等各个部门之间的联系。4单一数据库与相关性设计 单一数据库就是与产品相关的全部数据信息来自同一个数据库。建立在单一数据库基础上的产品开发，可以保证任何设计改动，都将及时地反映到设计过程的其它相关环节上，从而实现相关性设计，有利于减
4、少设计差错，提高设计质量，缩短开发周期。例如：修改零件的二维工程图，则零件的三维模型、产品装配体、数控程序等也自动更新；用户修改左视图的某个尺寸，主视图、俯视图和三维模型中相应的尺寸和形状会随之改变。5NURBS几何造型技术 NURBS（Non-Unifrom Rational B-Splines）即非均匀有理B样条曲线。它是一种精确表示形体几何信息的方法，可以用来定义CAD模型中复杂的几何曲线、曲面。NURBS技术可以采用统一的数学形式表示自由曲线、曲面以及精确的二次曲线、曲面，以简化系统设计和管理，有利于更加有效的对曲线、曲面进行局部操作和修改，提高了曲面的构造能力和编辑修改能力。6CAD
5、与其它CAX系统的集成CAD为产品开发提供了基本的模型数据，但是它只是计算机参与产品开发的一个环节。为充分、有效地利用产品的CAD信息，有必要实现CAD与其它CAX系统的集成。CAD技术的集成化体现在以下三个方面： CAD与CAE/CAPP/CAM/PDM/ERP等软件模块集成，为企业提供了一体化解决方案，推动企业信息化进程。 将CAD技术的算法、功能模块及系统，以专用芯片的形式加以固化，以提高CAD系统的效率。 CAD在基于网络计算环境实现异地、异构系统企业间的集成。7标准化 由于CAD软件产品众多，为实现信息共享，相关软件必须支持异构跨平台环境。上述问题的解决主要依靠CAD的标准化技术。S
6、TEP标准采用统一的数字化定义方法，涵盖了产品的整个生命周期，是CAD技术的最新国际标准。目前，主流CAD软件都支持ISO标准及其它工业标准，面向应用的标准构件及零部件库的标准化也成为CAD系统的必备内容，为实现信息共享创造了条件。5.1.2 CAD软件的研究热点围绕提高企业创新设计能力和在网络计算环境中的应用，CAD技术的主要研究热点有：1计算机辅助概念设计概念设计是产品设计过程中非常重要的阶段。概念设计的结果在很大程度上决定了产品的成本、性能及价值，也决定了产品的创新性及其所具有的竞争能力。因此，产品的概念设计已成为企业竞争的制高点。概念设计阶段所涉及的设计需求和各种约束往往是不精确的、近
7、似的或未知的，从而给CAD技术在该领域的应用带来很大挑战。为使计算机有效地支持概念设计，需要解决两大难题，即建模和推理。建模是对产品的功能、动作和结构等因素及其相互关系进行表达；推理是生成和选择合适的设计方案。目前，已有很多工具（如神经网络、基于实例的推理、基于知识的推理、优化、价值工程等）支持概念设计活动，但都局限于一些特定领域，离全面应用还有相当差距。2计算机支持的协同设计 产品设计是典型的群体工作，要求群体成员既有分工、又有合作。传统CAD系统只支持分工后各自应完成的具体任务，成员之间的合作不是直接在计算机支持下完成，而是依靠面谈或以其它通讯工具进行，导致协调、沟通困难，产品设计易出现反
8、复。计算机支持的协同设计用于支持设计群体成员交流设计思想、讨论设计结果、发现设计模块之间的矛盾和冲突，并及时加以协调和解决。它有利于避免或减少设计反复，提高产品设计的效率和质量。3海量信息的存储、管理和检索 CAD技术的深入应用，产生的信息越来越多。如何快速、有效地对海量信息进行存储、管理和检索成为人们关注的问题。4支持设计创新 创新是体现产品价值的核心所在。CAD将技术人员从传统繁重的计算、绘图过程中解放出来，使他们有更多精力从事创造性的设计。但是，如何使CAD技术本身成为有效的创新工具、利用计算机支持创新，则是需要深入研究的课题。5与虚拟现实技术的集成 CAD技术与虚拟现实（Virtual
9、 Reality，VR）技术的有效结合，可以更逼真地再现产品的开发过程，用于支持产品的协同设计，也有利于设计人员与所设计产品的交互，以验证设计的正确性和可行性。例如：利用VR技术，可以支持方案（概念）设计中的人机工程学，检验产品操作是否舒适、方便，对于摩托车、汽车、飞机等交通工具的设计具有重要意义。目前，VR技术还存在价格昂贵、操作复杂等缺点，与CAD技术的集成也有待完善。6计算机安全计算机已渗透到产品开发的各个环节，人们对计算机的依赖性也越来越大。一旦某企业或行业的计算机系统遭到破坏，就可能导致该企业或行业瘫痪，以至影响到整个社会生活。另外，市场竞争的加剧和人们知识产权意识的增强，使产品的设
10、计信息多具有保密性。因此，如何保证计算机以及其中产品数据的安全，是CAD技术应用中应予关注的问题。5.2 SolidWorks软件的工作流程分析CAD技术的出现对机械设计方法产生了深远影响。概括起来，CAD技术经历了两次跨越：（1）20世纪50至80年代中期，CAD技术由计算机图形学（CG）起步，形成了成熟的二维CAD软件。以AutoCAD为代表的CAD软件改变了以绘图板、图纸、橡皮、铅笔和直尺等为工具的手工绘图方法，极大地提高了绘图的效率，实现了“甩图版”的目的。但是，二维CAD没有改变传统的设计思想和制图准则，主要表现在：仍然以正交投影技术为基础；设计人员先以二维视图表达零件形状，再由工艺
11、及加工人员根据二维视图加以理解，影响了零件信息的直接表达和传递；同时，二维CAD模型也不能为后续的CAE/CAM提供有效信息，容易形成“信息孤岛”。（2）20世纪80年代中期至今，以三维造型为基础的CAD技术到广泛应用，使CAD迅速超越“甩图版”阶段，引发了机械设计领域的第二次革命。零件和产品的三维模型为CAD/CAE/CAM/PDM的有效集成提供了原始数据，构成了制造企业信息化的基本数据源，也是虚拟现实和虚拟样机技术的基础。显然，从技术现状和发展趋势看，三维造型已经成为CAD软件的基本平台。SolidWorks是具有原创性的、基于Windows的优秀三维机械设计软件。它采用基于特征的实体建模
12、，具有完整的零件实体/曲面建模、装配、二维工程图、模具设计、钣金零件设计等功能模块，实现了全相关参数化设计，能智能化地领会设计者的设计意图。SolidWorks具有较强的产品设计功能，操作简单，使用方便，价格适中，在企业界和教育系统中得到广泛应用，是主流的中档CAD软件。分析SolidWorks的工作流程，具有以下特点：（1）三维零件模型是SolidWorks的基本部件SolidWorks中的产品模型由零件（Part）、装配体（Assembly）和工程图（Drawing）等组成。其中，“零件”为三维实体模型，它构成整个设计工作的基础和核心。以零件为基础，通过装配可以构成装配体，通过模具设计可以
13、形成相应零件模具的凸模和凹模等。以零件和装配体为基础，可以生成零件和装配体的工程图。工程图中不仅提供标准三视图，还提供局部视图、裁剪视图、剖面视图、旋转剖视图、断裂视图和辅助视图等各种派生视图，以满足各种相关信息的表达。零件、装配体和工程图均以文件形式存在，显示在单独的窗口中（图5-1）。但零件、装配体及工程图之间具有相关性，即当其中一个文件改变时，其它两个文件也自动地相应改变。在零件、装配体和工程图文件中，可以添加必要的模型细节，如尺寸、注释、符号以及材料明细表等。图5-1 SolidWorks中的零件、装配体和工程图（2）特征是三维模型的基本元素SolidWorks是基于特征的造型软件，以
14、基体特征为基础，通过不断添加特征，最终构成零件。特征可以随时添加、编辑修改以及重新排序，以不断完善设计。参考几何体是完成复杂零件造型的重要辅助工具，主要包括基准面、基准轴、坐标系、构造几何线以及三维曲线等。掌握参考几何体的定义方法，对于特征造型具有重要意义。（3）二维草图是生成特征的基础SolidWorks中的多数特征是以二维草图为基础生成的。因此，草图绘制是造型的前提。SolidWorks不仅提供二维草图绘制实体工具，如直线、圆、圆弧、多边形、矩形等，也提供草图绘制辅助工具，如转换实体引用、镜像、等距实体、剪裁和延伸等，为草图绘制准备了基本条件。SolidWorks的草图绘制还有以下特点：
15、参数驱动 SolidWorks是参数驱动的CAD系统，用户可以快速表达出设计特征，而精确的形状则可以通过标注尺寸来实现； 基于约束造型 SolidWorks可以通过添加几何关系在草图实体之间以及草图实体与基准面、基准轴、边线、顶点之间定义各种几何关系，如相切、垂直、平行、同心、重合、对称、穿透等。参数驱动和基于约束造型简化了草图绘制过程，提高了作业效率。另外，在绘制草图时要特别注意基准面及基准轴的概念、草图编辑方法、尺寸标注、几何关系定义等，以提高草图绘制及建模的速度和质量。综上所述，零件三维模型是SolidWorks的核心，零件的造型过程是生成特征的过程，特征生成又可分为选择（定义）基准面、绘制草图、定义尺寸及几何关系、生成特征等子过程。掌握了每个子过程的实现方法，就掌握了SolidWorks的主要内容。总结SolidWorks的工作流程如图5-2所示。直线 圆 圆弧椭圆 矩形多边形样条曲线 文字点 转换实体引用等距实体 圆角倒角 镜像 阵列剪裁 延伸 基准线基准面坐标系构造几何线曲线拉伸 旋转 扫描放样 比例缩放钻孔 抽壳 筋倒角 圆角 圆顶拔模斜度 切口阵列 镜像 曲面二维工程图装配体模具设计数控加工编程
