SolidWorks自顶向下的参数化设计

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SOLIDWORKS自顶向下的参数化设计

摘要：介绍了运用自顶向下的设计方法简化SolidWorks参数化装配建模中的关键技术，提出了通过构建装配体骨架模型，以骨架模型作为实现产品自顶向下设计信息的传递、共享、继承和变更。这种设计方法不仅支持团队间的并行设计，而且可以实现参数化的自动设计。这为产品从概念设计到结构变更提供了一个便捷、可行的设计方案。

关键词：SolidWorks、自顶向下、并行设计、参数化设计

引  言

现代工业制造中，产品装配的好坏直接关系到产品的性能、可维修性和可回收性等。传统的产品装配大多以零件几何模型为基础，在零件详细几何模型的基础上搭建装配体模型，这种从零件模型构建装配体模型的方法称之为自底而上的装配方法。这种“自底而上”的装配设计方法只表达了零件的几何模型和零件间的装配约束关系，而没有建立完整的描述装配结构信息的模型，在装配阶段及产品开发后期容易造成因设计不合理而进行大量的修改，甚至重新设计。所以在实际的设计过程中，设计人员首先进行概念设计，再经过详细设计，最终得到产品的装配。一开始零件的几何模型并不确定，随着设计的深入和产品结构的细化，逐步建立起清晰的产品装配模型和零件模型，我们把这种设计方法称之为“自顶向下”的装配模式。这种方法增加了零件间的关联性，使设计层次变的更加清晰，实现了设计信息的传递、共享、继承，特别适用于当今网络发达的并行工程和协同设计。

一  并行工程

“并行工程”作为一项先进的设计制造技术应用于工程中，可以大大缩短产品的开发周期，其核心是使产品及其相关过程设计集成地、并行地进行。并行工程的基本方法是在产品的开发中，通过各学科、各职能部门人员的相互合作、相互信任和共享信息，实现彼此间的有效通信和交流，在产品开发早期考虑产品全生命周期中的各种因素，尽早的发现和解决问题，相应的产品模型必须包含与所有活动相关的信息，支持边进行产品设计，边进行功能、可装配性等方面的评价。由此可见，并行工程强调产品设计的网络化、虚拟化、敏捷化和集成化。这对产品的CAD建模提出了更高的要求，为实现并行工程，需要产品开发设计过程中各个环节有一个统一的，并包含产品全部信息的数字化模型，以便设计过程中各方面共享信息，即建模的方法应支持并行工程，而“自顶向下”的设计方法可以很好的支持并行工程。

二  参数化设计

参数化设计是规格化、系列化产品设计的一种高效、优质的设计方法。它一般是指零件、部件比较定型，用一组参数来控制模型的结构尺寸和拓扑关系，参数与设计对象的控制尺寸有显式的对应关系，当赋予不同的参数序列值时，就可驱动模型，获得满足设计要求的装配模型以及相对应的零件模型。因此，将自顶向下的模型装配技术与参数化设计技术相结合，对提高产品设计的系列化、提高设计效率具有重要意义。

三  自顶向下

自顶向下的产品设计就是从产品的顶层开始通过“基本骨架（DDSoft）”，称之为“顶层基本骨架（DDSoft）”（Top Basic Skeleton，简称TBS），随后的设计过程基本上都在这个“顶层基本骨架（DDSoft）”的基础上进行复制、修改、细化、完善并最终完成整个设计过程。从产品的空间结构上来看，产品的“顶层基本骨架（DDSoft）”类似于该产品的装配草图，它能代表产品模型的主要空间形状和空间位置，能基本反映构成产品的各个子模块之间的拓扑关系以及其主要功能；是整个产品自顶向下设计过程中的核心内容，是各个子装配体之间相互联系的中间桥梁和纽带。

TBS的主要功能包括：

a.管理。顶层基本骨架（DDSoft）可以被用来管理大型的装配设计，允许设计者仅仅调出顶层装配的基本骨架（DDSoft）到内存中，来控制整个产品的设计及其更改。顶层基本骨架（DDSoft）包含了重要的设计基准，如:基座的位置，产品的外形，子装配，零件及设计参数(如:最重要的尺寸所需要的空间要求)。可以在顶层对基本骨架（DDSoft）进行更改，而这些更改将被会传递到其下的所有子系统中。

b.组织。顶层基本骨架（DDSoft）可以增强零件在装配中的相互关联和依赖性。这些存在于实际装配之中的相互关联和依赖关系可以很好地在最初的总体布局中被捕获并抽取出来，构成顶层基本骨架（DDSoft），为子装配和零件所享用，在稍后举出的设计实例中，将体现出这种组织上的"关联性"，即当我们修改了某个零件的参数之后，另外的一个以这个零件为参照的零件的参数也会相应的变更。

c.共享数据。一个有组织的装配骨架（DDSoft）允许信息在不同层次间共享，如果在某一层发生改变，那么和它相关联的装配和零件都能够获得这种最新的改变。这种好处是使得团队合作成为可能，在这个团队中有不同的子团体和个体，他们分别在进行不同的子装配和零件设计时，由于这种数据的共享和在内存中存在的惟一性，使得一个复杂的装配设计在早期就可以分解成不同的、简单的子装配和零件，进而分配给不同的子团体和个人，从而体现出自顶向下设计思想对并行工程的支持。

d.变更的传递。可以用顶层基本骨架（DDSoft）来控制变更。产品的变更结果是在零件中产生而在产品的顶层实施。具体方法是:在装配的顶层通过对捕捉到的设计意图进行更改，再通过参数设计的关联性将这种变更传递给下一级子装配或零件以及相应的模具。

四  自动向下设计方法的分类

1、外部参考设计法(主零件法)

　 主要方法：在一个主零件中完成整体设计，然后使用多实体或分割的方法，将主零件分解为多个局部并传递到单独的零部件中，对分解后的零件进行详细设计，最后在装配体内进行汇总以完成设计。

　　◎优点：关联参考方便快捷，可以同步更新;

　　◎应用范围：主要应用在部件级

　　关联设计，关联尽量控制在一定的范围内，这样容易进行控制和修改。

2、关联参考设计法

　　主要方法：在装配体内进行关联设计，零件之间在装配体层次内相互参考引用。关联参考设计法是基础的Top-Down设计方法，它通过零部件之间的关联参考来传递设计关联，从而达到修改一个零部件、相关零部件根据关联自动更新的目的。

　　◎优点：所有相关零部件在同一个主零件中完成，这样就不会产生复杂的关联参考，并且修改容易；

　　◎适用范围：零部件之间的关联多且复杂、部件之间相互没有运动，

　　在这种情况下，如果使用关联参考法，会造成关联过多、太复杂而无法管理的情况。

3、布局设计

　　主要方法：首先在装配体内进行草图布局，然后把相关的设计要素分派到相关零部件，由相关人员进行详细设计。布局符合传统产品的开发流程，首先进行装配体布局，然后进行任务分解和分派，详细设计后再进行汇总。

　　◎优点：符合传统产品开发流程，设计具有全局观，总图修改后所有相关零件自动更新；

　　◎适用范围：模块化的传统机械设计和有复杂机构运动的机械设计。

五  布局设计步骤

a.确定设计意图。所有的产品设计都有一个设计意图，不管它是创新设计还是改良设计。总设计师最初的想法、草图、计划、规格及说明都可以用来构成产品的设计意图。它可以帮助每个设计者更好地理解产品的规划和零件的细节设计。

b.定义初步的产品结构。产品结构包含了一系列的零件，以及它们所继承的设计意图。产品结构可以这样构成:在它里面的子装配和零件都可以只包含一些从顶层继承的基准和骨架（DDSoft）或者复制的几何参考，而不包括任何本身的几何形状或具体的零件;还可以把子装配和零件在没有任何装配约束的情况下加人装配之中。这样做的好处是，这些子装配和零件在设计的初期是不确定也不具体的，但是仍然可以在产品规划设计时把它们加人装配中，从而可以为并行设计做准备。

c.在整个装配骨架（DDSoft）中传递设计意图。重要零件的空间位置和尺寸要求都可以作为基本信息，放在顶层基本骨架（DDSoft）中，然后传递给各个子系统，每个子系统就从顶层装配中获得了所需要的信息，进而它们就可以在获得的骨架（DDSoft）中进行细节设计了，因为他们基于同一设计基准。

d.子装配和零件的设计。当代表顶层装配的骨架（DDSoft）确定，设计基准传递下去之后，可以进行单个的零件设计。这里，可以采用两种方法进行零件的详细设计:一种方法是基于已存在的顶层基准，设计好零件再进行装配;另一种方法是在装配关系中建立零件模型。零件模型建立好后，管理零件之间的相互关联性。用添加方程式的形式来控制零件与零件之间以及零件与装配件之间的关联性。

六  结束语

在自顶向下的参数化设计中，以布局草图为核心的上层骨架（DDSoft）设计能够实现产品整个设计过程中信息的传递、共享、继承和变更。这种创新性的设计思想和方法不仅支持团队间的并行设计和相关设计，而且为有一定设计经验的技术人员提供了基于参数化技术的自顶向下设计方法：以布局草图作为自顶向下设计过程中信息传递的纽带，在产品的上游设计阶段，它可以作为产品的整体结构功能框架，然后在装配的环境中生成各子装配和具体零件的细节设计，它们之间的相关性由传递和继承得以体现。

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