基于solidworks的部件参数化设计方法的研究

dengkehua1985

基于SOLIDWORKS的部件参数化设计方法的研究

关键词：solidworks  装配约束  参数化建模  部件库 南京东岱

1  引言

为了提高产品的设计质量和设计效率，提高企业市场竞争力，多年来，许多企业一直致力于产品参数化设计的研究。三维机械设计软件的出现使产品参数化设计产生质的飞跃，solidworks就是优秀的三维参数化设计软件之一。采用solidworks软件进行产品设计有两种基本的设计路线，即：自底向上和自顶向下。自顶向下设计关注的是零部件之间的约束关系，而不是零件的结构细节，从而为部件级三维参数化建模提供了一种方法。本文就部件级三维参数化建模进行探讨，同时利用部件参数化设计建立solidworks部件库，为企业实现敏捷的产品设计提供资源。

采用参数化设计技术，可以大大提高产品的设计速度。在大多数工程设计中，一个产品往往是多个零件的组合。将零件参数化的思想扩展到部件参数化设计中，实现部件整体参数化设计，无疑会更大程度地提高设计效率，为企业创造经济效益。

部件参数化设计的实现以各组成零件的参数化设计为基础，但又不是组成部件的各零件的参数化的简单累加。部件的参数化问题除需解决各组成零件的参数化设计以外，还必须解决参数化时的同步更新问题。所谓的同步更新，是指当进行部件的参数化设计时，对其中某一个零件进行了更改，要求能够引起与之关联的一个或者多个零件的同步更新。同步更新主要有两方面要求，一是部件参数化设计中，各零件的相

2 部件参数化设计方法

本文采用了一种基于装配体的参数化设计方法，来实现部件的参数化。其基本思想是：在参数化零件的基础上，引入零件装配关系作为约束，合理地建立零件之间的装配约束关系，以确保零件之间的相对位置关系；同时，建立零部件相互关联的参数之间的关系，以保证参数之间能够联动。这样就可以实现同步更新，在此基础上建立部件的装配布局图，最终实现整个部件的参数化设计。

2.1  产品结构的划分

复杂的产品按照功能和企业的生产组织特点分解为一系列的部件，而每个部件可能还会进一步划分为子部件和零件，尤其在民用飞机、汽车等产品中，产品构成十分复杂，涉及到机械、电气、液压、附件（如座椅、轮胎等）多方面的功能部件，需要进行细致和准确的产品规划和配置。产品结构的划分就是在对产品的结构进行分析的基础上把大型装配体分成若干个一级子装配体，一级子装配体包含了若干个二级子装配体和零件，二级子装配体中包含了若干个三级子装配体和零件依此类推直到最后的零件。部件和产品归根结蒂都是由若干个零件组成，在参数化CAD中都可以视为装配体。产品结构的划分是为部件级参数化建模整理产品、部件和零件三者之间的转配约束关系。

2.2  尺寸的分类

部件参数化的关键是将尺寸进行合理的分类，分类的依据是产品设计时尺寸的不同功能。在产品模块化的基础上，理清产品各个零件与零件之间、零件与部件之间、部件与部件之间、部件与产品（总装配体）之间的尺寸约束关系，并确定出驱动尺寸（ 主动尺寸）和从动尺寸。其中驱动尺寸又分为外部驱动尺寸和内部驱动尺寸，前者是指为满足来自产品外部或者产品内部其它部件间的约束关系而可以手动修改的尺寸后者是指部件内部可以手动修改的尺寸。在solidworks中，产品模型的驱动尺寸越多，模型就越复杂，同时会增大模型更新出错的机率。驱动尺寸的确定必须准确，solidworks建模是不允许驱动尺寸重复否则会导致过定义；驱动尺寸少于从动尺寸会使得相关要素不会及时更新，达不到部件参数化的目的。

2.3  基于装配约束的部件参数化建模技术

与零件参数化建模相比，部件参数化设计除要考虑抽象出相同的尺寸参数外，还需考虑零件之间的配合关系。solidworks 中部件参数化建模是通过参数关联构成基于装配体的参数化模型，也就是采用自顶向下设计方法进行参数化建模。下面通过实例研究solidworks环境下基于装配约束的部件参数化建模技术。

1）关联设计。关联设计就是在装配体环境参照已经安装到位的零部件中设计新零件的过程。其优点在于新零件的设计可充分借助已有零部件形成的空间参照，从而能够设计出在独立零件环境下很难完成的一些结构件，尤其是过渡零件和框架零件。如图1中的装配体由接头C、管件A 和管件B 三个零件组成，其中管件B 和接头C 的建模就是利用关联设计实现的，同时在装配体中建立管件A 管径与管件B管径的尺寸关联，使得改变管件A 的直径（ 驱动尺寸）相应改变管件B 的直径（ 从动尺寸）。这种部件参数化建模不但降低了管件B 不规则端面建模的难度，而且自动添加了管件A和管件B 的配合约束（ 在solidworks中系统会自动给管件A和管件B 添加一个“在位”配合关系）。

2）基于布局草图的装配体设计。首先在装配体环境中绘制反映零部件空间关系的草图，这些草图称为布局草图。然后再参照布局草图完成零部件的安装，从而在布局草图和零部件位置之间形成参照关系，通过调整布局草图，能够快速地调整装配体形态。如图2中的装配体是布局草图驱动的装配体，通过布局草图E 调整各个子装配体和零件在总装配体的布局，改变布局草图E 中的定位尺寸就相当于改变部件d、零件b、和零件c 的位置尺寸。

2.4  零部件之间的关联参数

在完成了基于装配约束的部件参数化建模以后，接下来就应该考虑零件与零件、零件与部件、部件与部件之间尺寸参数的联动。solidworks中确定关联零部件关系有添加约束（即2.3 中介绍的基于装配约束的部件参数化设计完成的工作）、添加方程式和编写控制程序三种方式。添加约束的过程实际上就是装配的过程；用添加方程式和编写控制程序来关联尺寸实际上就是用驱动尺寸来驱动从动尺寸的过程。

添加方程式就是在零部件的几何尺寸之间添加数学关系，solidworks中采用数学关系可以在跨越特征、零件和装配体零部件的尺寸之间建立关联性。如图3所示，建立了管路3这个装配体中零部件尺寸之间的关系方程式，从而改变方程式右边的值就可以驱动等式左边的从动尺寸，完成部件中关联参数的联动。

编写应用程序建立参数关联实际上就是利用solidworks的二次开发实现方程式的功能。任何支持OLE(object linking and embedding)，对象的链接与嵌入）和Com (componentobject model)，组件对象模型）的编程语言都可以作为solidworks的二次开发工具，如：Delphi C, C++, Visual C++, C#, VBA, Visual Basic, VisualBasic.NET等开发工具。编写控制程序建立参数关联的方法是建立零部件的关联参数之间的函数关系表，在设计中通过用户交互的方式，激活应用程序的检查关联机制，根据函数关系表对零部件的关联参数进行验证，如不满足函数关系则进行修改，使之满足函数关系，从而实现参数的联动。对零部件之间关联参数函数关系的管理，通常在应用程序中用程序代码实现，或借助于数据库技术。

  3 部件库的构建

为了完善部件参数化设计的工作，有必要将产品中的已参数化的部件管理起来，用于产品设计的改进设计、变型和产品的系列化设计。下面就用一个实例来说明部件库构建过程。

3.1  部件库的层次结构

构建部件库之前，利用前面所讲的产品的模块化，对不同的部件进行参数化设计。例如我们课题中的产品分解为四个部件（ZH，HU，XFT，HC），各个部件的建模都充分利用了前面所介绍的部件参数化设计方法。如图4 所示，课题中的产品（图中称为总部件）是由4个部件组成，每个部件单独来看时也是由不同的零件和部件组成，它们的建模方法也是遵循本文中所论述的部件参数化建模方法。4 个部件最后通过参数关联在总装布局图中进行装配成一整套产品。

3.2  部件库的创建

使用部件库进行产品设计的过程，主要是调用库里的部件进行组装，并在需要的时候对库里的部件进行添加和修改。为此，我们利用部件参数化设计方法开发了一个可扩充的产品部件库，以C #为开发工具，结合solidworks提供的API函数，开发了一个部件库管理系统，此系统是以solidworks插件的形式设计的。solidworks 插件的开发就是对solidworks的二次开发，本文不再讨论solidworks的二次开发的方法。在图5 中，用户可以根据产品的功能要求进行产品部件选型，其中ZH、HC、XFT、HC四个部件就存放在部件库（ 如图6）中。图6 中显示ZH部件的整个系列，这表明基于solidworks的部件参数化设计可以利用solidworks 提供的一种称为配置的方法来描述相似零部件，所谓相似零部件，就是基本结构相同，只是在某些细节和尺寸规格有所差异的零部件簇。系统根据用户对部件配置的选择，调用部件库中的四个部件的不同配置和装配布局图，其中的装配布局图就相当于前面所提到的布局草图，系统通过程序自动按装配布局图将被调用的四个部件装配成一套产品，实现部件（产品）的整体参数化设计。

目前，南京东岱信息技术有限公司就在做机械参数化这方面的工作，目前主要由邓可华，刘典军工程师负责这方面的工作。

4 结论

在参数化设计方法中，部件参数化设计思想是对零件参数化设计思想的扩展。本文利用solidworks软件研究部件参数化技术，通过部件间的约束关联和尺寸关联构成基于装配约束的参数化设计思想，实现部件参数化设计，这无疑会更大程度的地提高产品设计质量和设计效率。部件库的建立是对部件参数化建模的延伸，有利于产品设计的后续修改和产品的系列化。但是，在部件参数化设计过程中并不提倡每个细节都建立参数控制，只需注重装配位置参数和驱动尺寸参数的控制，做到合理的参数化设计。

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