装备制造业中的参数化设计工具Solidworks应用

本文探讨了装备制造业中的参数化设计工具Solidworks应用。

　　引言

　　装备制造业正面临越来越激烈的竞争，如何使自己的产品在市场上保持领先地位;如何改进复杂的产品设计、减少重新设计;如何进行前期问题检测与纠正;如何使产品质量更高、问题更少，是从事装备制造业每个设计者必须正视的问题。

　　实现上述目标有很多方法，比如：加快产品上市速度;削减开发成本;提高产品质量;减少材料成本，以及减少现场故障或者引入更多创新产品等。但是，这些方法都给产品设计提出了挑战。只有依靠三维设计，使用功能强大的CAD/CAM/CAE一体化软件，才能最大限度的提高设计效率。

　　1 装备制造业产品特点

　　1.1 产品结构复杂

　　装备制造业产品通常都是机、电、液、控制工程，乃至计算机控制的复杂组合体。尤其液压、电器原件在整机布置繁杂，如果按照常规方式，待总体制造完成后再考虑这些布置，会显得摆放凌乱，这对于现阶段"不仅要选择产品性能，同时重视产品外观"的产品选购观念是格格不入的。而且传统设计手段很难发现初始设计缺陷,干涉现象很难避免。

　　1.2 生产批量多为单件小批生产

　　装备制造业产品通常体积、重量都很大，尤其对于矿山机械，由于矿井形状、坑口尺寸、地质条件等差异，即使同类产品在尺寸上也会有很大不同，因此大型装备制造业通常只能是小批量生产甚至单件生产。因此客观上不允许我们象普通机械产品那样进行样机试制，必须采用先进设计制造技术保证产品及时交付和可靠性。

　　1.3 产品生产周期长

　　装备制造业产品中诸如机架、缸体、筒体类零件通常由铸造或焊接而成，为了保持使用时尺寸稳定性，在工艺上都必须进行时效处理防止变形;重要的主轴、传动类零件通常要锻造毛坯，成品需要调质加表面淬火;油缸、阀块类零件需要更加复杂的工艺程序;进口的外购件采购周期有些甚至长达一年……

　　2 Solidworks造型方法概述

　　Solidworks软件是基于特征、采用智能化装配技术、智能零件技术和镜像部件等技术完成设计的功能强大的三维软件。整个产品设计100%可编辑，零件设计、装配设计和工程图之间全相关。整机造型时有自下而上和自上而下两种方法。可以结合使用。全新设计时通常以自上而下作为主要设计方法。

　　2.1 吊具设计中Solidworks的实现过程：

　　图1是某汽车零件结构图。设计任务：该件采用机器人流水线焊接完成，焊接过程完成后，要求设计一吊具将产品从焊接夹具中吊离至安全位置。

图1 某汽车零件图

　　根据给定产品进行分析：该产品属于薄壁件，因此合理的夹紧方式是关键，综合考虑生产设备、产品重量等因素，最终确定定位块安置在产品中部薄壁上板，对应位置施加夹紧力，整个吊具采用手动螺旋杠杆夹紧方式。由此采用自上而下的方法，从薄壁表面作为基准，进行关联零件建模，直至完成设计过程。

　　2.2 设计过程概述

　　(1)选定草图基准面为薄壁内表面，选定后绘制定位块草图;

　　(2)对草图施加"拉伸"特征生成定位块实体;

　　(3)由定位块往外延伸生成定位块固定架，由固定架生成顶板;

　　(4)由定位块位置确定出夹紧块位置，并绘制夹紧块草图，拉伸产生夹紧块;

　　(5)在定位、夹紧装置确定后，依次设计连杆、螺母、螺杆、摇柄等传力构件，最终确定连杆旋转中心位置，从而完成整个设计过程。如图2;

　　(6)对结构进行运动学模拟：零件装配约束设置好后，旋转摇柄可以看到夹紧块的开合过程，用以验证是夹紧的可靠性;

　　(7)必要的时候可以进行关键重要件的强度校核;

　　(8)根据国标生成二维工程图以及装配图;

　　(9)生成爆炸图用以指导现场安装调试。

图2 吊具总体外观

　　3 Solidworks的优点

　　3.1 三维零部件图直观、精确

　　三维设计，能完整的反映设计者的设计意图。直接将设计者脑海中的零部件模型反映到计算机中，然后通过轴测图的方式体现在二维图纸上。采用三维模型进行交流，不会产生图纸歧义，所有形状信息一目了然，并且可以通过剖切等方式看到内部形状，交流非常方便。再也不用像原来二维时代，首先把脑海中的零部件形状转成计算机中的二维图，然后工人加工的时候却又要把图纸中的二维图转成三维模型来思维。

　　采用三维设计装配，各零部件的位置一目了然。利用SolidWorks的静态、动态干涉检查可以在计算机中就发现零部件之间的碰撞问题，而不用等到加工后才发现。

　　3.2 可以方便的获得几何物理量

　　根据三维模型，可以方便获得零部件的重心位置、表面积、体积、重量、转动惯量等几何物理参数，如果对模型的形状进行了修改，则上述参数可以自动计算，大大简化了设计者的计算量。对于产品中出现的对称机件，使用镜像功能能够很容易生成镜像零件，避免重复劳动。

　　3.3 可以方便的实现CAM

　　SolidWorks生成的三维模型可以导入CAM软件，生成数控代码，实现CAD/CAM的有效统一。

　　3.4 有利于在设计中应用有限元分析

　　通过运动学、机构动力学仿真，可进行运动干涉的检查和消除，并得到各个构件的瞬时位移、速度和加速度等运动参数，也可以得到零件间的相互作用力，为进行有限元分析提供了边界条件。可以直接利用集成的COSMOSWorks软件完成有限元分析，体现了CAD/CAE一体化的优越性。

　　3.5 最新版软件具有更强大的功能

　　SolidWorks2008是当前最新的版本。它提供的Instant3D(即时3 D)，能够帮助设计者对他们的产品进行直观的修改，并可以实时看到修改结果;尺寸专家(DimXpert)轻松解决了设计与制造脱节的问题。所标示的尺寸以实际加工的特征为基准，这些尺寸完全能够被车间认可，依据这些尺寸能够加工出合格的产品; DFMXpress可用来检查设计的可制造性，使用户可以在早期设计过程中找出难以加工的、加工成本较高或无法进行加工的区域;DFMXpress允许工程师检查凹陷部位的内部边角、深槽或非标准孔径及其设计是否适合切削加工。

　　4 结语

　　SolidWorks是现时设计的精品软件，它所体现出的人性化的设计思想、强大的设计功能，必将为我们提高设计效率，降低生产成本提供有力的支持。同时，也是实施并行工程的最佳选择，有利于设计工程师同供应、销售、管理人员进行无障碍的信息交流，共同进行设计方案的评价。也为进一步推动先进制造技术在装备制造业的应用奠定坚实的基础。