三维机械设计软件SolidWorks.docx
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三维机械设计软件SolidWorks
第5章三维机械设计软件SolidWorks
5.1CAD软件的关键技术及研究热点
5.1.1CAD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：
①形状特征；②精度特征；③技术特征；④材料特征（材料、热处理等）；⑤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：
①有利于形成统一、完整的产品信息；②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；③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。
5．NURBS几何造型技术
NURBS（Non-UnifromRationalB-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。
6．CAD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：
①CAD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。
②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。
③CAD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。
STEP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。
5.1.2CAD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（VirtualReality，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。
5.2SolidWorks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，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5-1SolidWorks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：
①参数驱动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；②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。
图5-2以三维零件模型为核心的SolidWorks工作流程
学习SolidWorks的过程就是使用SolidWorks的过程。
只有在使用中才能发现问题，进而在解决问题中掌握命令的使用方法。
因此，在熟悉SolidWorks的基本工作原理后，即可以从简单零件和特征开始，在造型过程中掌握软件的使用。
如何根据零件特点，选择适当的造型命令和造型方法是使用SolidWorks时需不断加以体会和总结的问题。
在学习使用过程中可以选择典型零件，采用不同造型方法完成建模，并
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