毕业设计（论文）-手柄翻开式钻模模架的SolidWorks参数化建模和虚拟装配（全套图纸三维）.pdf

西安工业大学北方信息工程学院西安工业大学北方信息工程学院 毕业设计毕业设计(论文论文) 题目： 手柄翻开式钻模模架的题目： 手柄翻开式钻模模架的 Solidworks 参数化建模和虚拟装配参数化建模和虚拟装配 系 别 机电信息系 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 姓 名 学 号 导 师 2014 年 12 月 8 日 摘摘 要要 一直以来，在批量生产零件的过程中，为了提高生产效率，减轻人体劳动强 度，发明了钻模。钻模主要包括以下几个部分：搭扣、导柱、钻脚、支柱、支架、 钻套等组成，以上几个部分组成了整个模架，模架已经标准化，本课题主要针对 的是手柄翻开式模架，手柄反开式模架主要分为两种：手柄翻开式支柱式钻模模 架和手柄翻开式支架式钻模，现主要是针对手柄翻开式支架式钻模。模架也慢慢 跟着标准化，主要是为了使用的方便性，并且在一定程度上可以降低成本，使企 业获益。模架标准化，这样使得在加工不同零件时，只换钻套就可以加工部同的 孔，实现了一模多用，降低了成本，并且在一定程度上降低了劳动强度。针对其 标准化的特点，在国标规定完成钻模模架零件参数化的基础上，运用 solidworks 进行三维建模，并对其进行装配，观察其工作效果，在研究过程中，可以从模架 快速设计定型角度为促进机械产品快速研发提供有力支持。 本论文主要论述了基于 SOLIDWORKS 开发平台， 进行手柄翻开式钻模模架参数 化设计的过程，应用其工具包开发，实际应用表明该系统可以大幅度提高工作效 率。该系统的建立方法亦可应用于其他零件的参数化设计 关键词关键词：SOLIDWORKS；手柄翻开式钻模模架；参数化设计；建模 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 Abstract Since, in the process of batch production of parts, in order to improve production efficiency, reduce the laborintensity, the invention of the jig. Drill model mainly includes the following parts: the hasp, guide pillar, pillar,supporting feet, drill, drill sleeve and other components, the above several parts of the mold, mold has been standardized, this paper is mainly aimed at the handle turning open mold, handle anti open mold is mainly divided into two kinds: the handle turning open pillar drilling die and mold and the handle turning open bracket jig, this is mainly for the handle turned open bracket type jig. Die slowly followed the standard, mainly for the convenience of use, and the cost can be reduced to a certain extent, make the enterprise benefit. Mold standardization, so thatthe processing of different parts, a drill sleeve can be processed with the hole, to achieve a multi use, reduce the cost, and the intensity of labor is decreased to a certain extent. According to the characteristics of the standardmould parts, finished drilling parameters based on national standards, the use of SolidWorks three- dimensional modeling, and to assemble the, observe its effect, in the course of the study, can from the rapid mold design angle to promote the rapid development to provide strong support of mechanical products. This paper mainly discusses the development platform based on the SOLIDWORKS, to handle open type drillprocess mould parametric design, application development toolkit, the practical application shows that the systemcan greatly improve the work efficiency. The parametric design method of the system can also be applied to other parts Keywords： SOLIDWORKS ；handle open type jig mold; parametric design; modeling 目目 录录 1 绪 论 . 1 1.1 本课题的研究目的与意义 . 1 1.2 机械 CAD 技术的发展与应用 . 1 1.3 本课题研究内容与开发思想 . 5 2 基于基于 SOLIDWORKS 的手柄翻开式支柱式钻模模架三维参数化建模的手柄翻开式支柱式钻模模架三维参数化建模 11 2.1 开发平台与工具简介 . 11 2.2 钻模模的特征描述 . 13 2.3 参数化设计技术概述 . 16 3 钻模模架过程钻模模架过程 . 18 3.1 各个零部件基本参数设计. 18 3.2 零件尺寸关系 . 19 3.1 参数化设计基本思路 . 20 3.4 建模过程 . 20 4 总结与展望总结与展望 . 27 致谢致谢 . 错误！未定义书签。 参考文献参考文献 . 错误！未定义书签。 1 1 绪绪 论论 1.1 本课题的研究目的与意义本课题的研究目的与意义 一直以来，在批量生产零件的过程中，为了提高生产效率，减轻人体劳动强 度，发明了钻模。钻模主要包括以下几个部分：搭扣、导柱、钻脚、支柱、支架、 钻套等组成，以上几个部分组成了整个模架，模架已经标准化，本课题主要针对 的是手柄翻开式模架，手柄反开式模架主要分为两种：手柄翻开式支柱式钻模模 架和手柄翻开式支架式钻模，现主要是针对手柄翻开式支架式钻模。模架也慢慢 跟着标准化，主要是为了使用的方便性，并且在一定程度上可以降低成本，使企 业获益。模架标准化，这样使得在加工不同零件时，只换钻套就可以加工部同的 孔，实现了一模多用，降低了成本，并且在一定程度上降低了劳动强度。针对其 标准化的特点，在国标规定完成钻模模架零件参数化的基础上，运用 solidworks 进行三维建模，并对其进行装配，观察其工作效果，在研究过程中，可以从模架 快速设计定型角度为促进机械产品快速研发提供有力支持。 目前，国内外的手柄翻开式模架已经日趋成熟并标准化，并根据现有条件与 现有的需求，在原有的基础上对模架进行改进，不断适应市场的需求，总的来说， 手柄翻开式模架已经标准化，其目的是为统一手柄翻开式钻模的典型结构，以减 少设计工作量和材料的品种。并根据钻模板与压板连接方式的不同分为支柱式和 支架式两种模架。正因如此，我国的这种模架发展到目前还是保留了原有的典型 结构。 1.2 机械机械 CAD 技术的发展与应用技术的发展与应用 计算机辅助设计(Computer Aided Design， CAD)技术， 是综合地利用计算机的 工程计算、逻辑判断、数据处理功能和人的经验与判断能力结合，形成一个专门 系统，用来进行各种图形设计和图形绘制，对所设计的部件、构件或系统进行综 合分析与模拟仿真实验。它是近十几年来形成的一个重要的计算机应用领域。在 汽车、飞机、船舶、集成电路、大型自动控制系统的设计中，CAD 技术有愈来愈 重要的地位，在有关设计计算模块与绘图模块的参数接口及程序化绘图研究也具 有重要的价值。 在 CAD 软件发展初期， CAD 的含义仅仅是图板的替代品， 即 Computer Aided Drawing(or Drafting)， 而非现在我们经常讨论的 CAD(Computer Aided Design)所包 含的全部内容。 CAD 技术以二维绘图为主要目标的算法一直持续到 70 年代末期， 2 以后作为 CAD 技术的一个分支而相对单独、平稳地发展。早期应用较为广泛的 是 CAD/CAM 软件，近十年来占据绘图市场主导地位的是 Autodesk 公司的 AutoCAD 软件。在今天中国的 CAD 用户特别是初期 CAD 用户中，二维绘图技 术逐渐再向三维方向发展。三维 CAD 技术在几十年的发展过程中，大致经历了 四次飞跃：曲面造型技术、实体造型技术、参数化技术、变量化技术。 1）曲面造型技术）曲面造型技术 进入 70 年代， 正值飞机和汽车工业的蓬勃发展时期。 飞机及汽车制造中遇到 的大量自由曲面问题，随着贝赛尔算法的提出，使得人们在用计算机处理曲线及 曲面问题时变得可以操作，开发出了以表面模型为特点的自由曲面造型技术，推 出了三维曲面造型系统 CATIA。曲面造型系统的出现，标志着计算机辅助设计技 术从单纯模仿工程图纸的三视图模式中解放出来，首次实现以计算机完整描述产 品零件的主要信息，同时也使得 CAM 技术的开发有了现实的基础，改变了以往 只能借助油泥模型来近似准确表达曲面的落后的工作方式，使产品开发手段比旧 的模式有了质的飞跃，新产品开发速度大幅度提高。 2）实体造型技术）实体造型技术 随着技术的进步，计算机辅助工程分析(CAE)的需求日益高涨，CAE 要求能 获得形体的完整信息，由于表面模型技术只能表达形体的表面信息，而线框和曲 面造型对形体的表述都不完整，则难以准确表达零件的其它特性，如质量、重心、 惯性矩等。 基于对 CAD/CAE/CAM 一体化技术发展的研究， 提出了实体造型技术。 由于实体造型技术能够精确表达零件的全部属性，在理论上有助于统一 CAD、 CAE、CAM 的模型表达，给设计带来了惊人的方便性。 3）参数化技术）参数化技术 20 世纪 80 年代中期，CAD 技术的研究又有了重大进展，此时提出了参数化 实体造型技术。它的主要特点是：基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱 动设计修改。参数化技术彻底克服了自由缄默的无约束状态，由尺寸决定实体造 型的几何形状。尺寸驱动已经成为当今造型系统的基本功能。如果想修改零件形 状的话，只需修改一下尺寸的数值就可以实现形状上的改变。由于参数化技术的 成功应用，使得它很快成为 CAD 业界的标准，许多软件厂商纷纷追赶。由于计 算机技术的迅猛发展， 硬件成本大幅度下降， 参数化技术充分体现出其在通用件、 零部件设计上存在的简便易行的优势。 4）变量化技术）变量化技术 针对参数化系统的局限，提出了一种比参数化技术更为先进的实体造型技术 变量化技术。变量化造型技术保留了参数化技术基于特征、全数据相关、尺寸 驱动设计修改的优点，但是在约束定义方面做了一定的改变。变量化造型技术将 所需定义的尺寸“参数”进一步区分为形状约束和尺寸约束，而不仅仅是用尺寸来 3 约束全部几何。通常在新产品开发的概念设计阶段，设计者首先考虑的是设计思 想及概念，并将其体现在某些几何形状之中。但是这些几何形状严格的尺寸定位 关系并不能在设计的初始阶段完全确定，所以希望在初始阶段能够允许欠尺寸约 束的存在。 变量化技术为CAD技术的发展提供了更大的空间和机遇。随着世界经济的迅 猛发展和科学技术的腾飞，市场不断国际化全球化，各行各业的竞争日益激烈。 企业要想在残酷的竞争中生存下来谋求发展，就要想方设法提高竞争力。缩短新 产品的研发和开发时间，提高产品的设计质量，降低研发成本，进行创新性设计， 只有这样，才能满足市场不断变化的需求。在这样的形势下，企业为了自身的生 存和发展，增强市场竞争力，越来越多地采用CAD技术。 事实上，参数化技术和变量化技术已经成为了当今主流 CAD 软件的两大流 派。两种造型理论相互依存，共同发展。 我国 CAD 技术的引进是从 60 年代开始的，最早起步于航空工业，最近几年 发展很快，现已在机械、电子、建筑、汽车、服装等行业逐步进入实用阶段。 CAD 技术最早起步于航空工业，最近几年发展很快，现已在机械、电子、建 筑、汽车、服装等行业逐步进入实用阶段。其中，以机床、汽车、飞机、船舶等 应用最为广泛。一个产品的设计过程要经过概念设计、详细设计、结构分析和优 化、仿真模拟等几个阶段。概念设计主要解决产品的造型外观，在满足功能的前 提条件下，使产品外观精致美观。详细设计是要确定产品的结构，各个零部件的 结构设计，所以又称为部件设计，包括各零件的尺寸、形状和结构。结构分析主 要包括有限限元分析，将对各部件及产品整体的结构进行力学性能、热学性能的 分析。仿真模拟则主要是对产品进行装配模拟，运动机构模拟，进行干涉、碰撞 分析等等。CAD 技术可以说贯穿于整个设计过程，从产品方案的选择到整机的可 生产性、 可维持性和可循环利用性等进行全面设计， 因此在机械制造中广泛应用。 所谓机械产品的参数化设计，概括起来讲就是利用自己已有的模型，通过修 改模型参数的方法得到需要的模型。事实上，SolidWorks 本身已经应用了参数化 的设计技术，可以通过修改零件的某些尺寸而获得结构类似的新零件。但是，它 的参数化是面向通用设计对象的， 其尺寸修改是手工的、随机的，操作对象是单 一的目标零件，设计效率不高。而本文所讲述的机械产品的参数化设计：从设计 人员的角度来讲，它只需要输入几个简单的数据，就可以得到符合设计要求的新 产品零部件三维图以及指导加工的工程图；从系统本身来讲，它主要包括原产品 的零件库，工程图库和模型驱动等几部分，首先通过分析建立产品各个模块的参 数化模型， 然后建立模型驱动参数，当接受到用户输入的新的参数后， 就可以 自动驱动生成符合设计要求的零部件模型和工程图，加快新产品的设计效率。 SolidWorks 是美国 SolidWorks 公司开发的三维 CAD 软件，是一个基于特征 4 的参数化实体建模设计工具，它集零件造型、装配造型和自动生成二维工程图等 功能于一体， 不仅具有强大的建模能力， 而且有高效的零件建模效率。 SolidWorks 软件具有很强的智能装配功能 不用单击任何命令， 仅用鼠标模拟人手操作就能完 成装配工作，SolidWorks 模型与它的工程图及参考它的装配体是全相关的，对模 型的修改会自动反映到与之相关的工程图和装配体中，设计人员也可以在工程图 和装配体中进行修改， 这些修改也会自动反映到模型中345。 SolidWorks 软件 利用特征管理器来显示模型。基于特征的结构，设计树不仅可以显示特征创建的 顺序，而且可以使用户很容易得到所有特征的相关信息。 SolidWorks 的特点和主要功能： （1）可编辑性。产品的设计过程是一个反复循环过程。使用 SolidWorks 可 以方便地进行反复设计修改。在零件设计、装配设计或工程制图的任何一种情况 下，均可进行编辑草图、修改尺寸、改变原来的特征定义等。 （2） 集成下的全参数化装配体和零件建模。 SolidWorks 提供了两种装配模型： 一种是完全的自由设计模式，同时对装配进行布局设计和零件设计，修改布局参 数，则零件的相对位置关系即改变；另一种是自底向上的装配设计，先完成零件 设计，再进行装配，并可预演机构的动态运动。在装配环境下还提供了部件阵列、 相似件替换、干涉检查和组件功能 SolidWorks 全参数化的装配设计意味着在装配 环境里对零件设计的修改，将会引起装配体的自动改变。 （3）特征管理器。SolidWorks 的特征管理器类似于 Microsoft 的文件管理器， 它是产品模型结构的图形表示，它同具体的实体模型是实时的动态联接，可在特 征管理器的设计历史树上选取特征， 也可直接在模型上选取特征来进行各种操作， 非常方便。 （4）工程制图。完成三维模型的零件和装配设计后，设计工作并未完成。以 前需要手工绘制的二维工程图，利用 SolidWorks 可自动生成。 要在 SolidWorks 环境中通过 Excel 变量表实现机械零件的参数化设计功能， 必须首先建立模板模型，通过对系列零件设计表中各个参数的修改来生成模板零 部件的不同配置， 每个配置就是一个不同的零件。 即在 Excel 变量表中指定参数， 设计者可以创建多个不同配置的零件或装配体。系列零件设计表保存在模型文件 中，所以 SolidWorks 对模型的更改不会影响原来建立的 Excel 配置文件。系列零 件设计表可以控制零件或装配体的许多项目，其中主要包括：特征尺寸和压缩状 态;配置属性(包括材料明细表中的零件编号、备注、自定义属性) ；零部件的压缩 状态、显示状态、参考配置、颜色等;装配体特征的尺寸、压缩状态；配合中的距 离和角度配合的尺寸、压缩状态等。 模板模型建好以后，在 SolidWorks 的菜单栏中选择【插入】- 【系列零件设 计表】 ， 再在属性管理器中选择“空白( K)”， 系统将自动在 SolidWorks 环境中插入 5 一个空白的 Excel 电子表格， 设计者即可以在 SolidWorks 设计环境中直接在线编 辑零件设计表。系列零件设计表有规定的格式，每一单元格的参数和数据都有一 定的语法要求和含义。 在 SolidWorks 中， 系统以尺寸或特征的名称作为不同配置 的变量名参与计算，驱动模型几何形状的改变。系列零件设计表中使用的尺寸、 特征、零部件和配置的名称必须与模板模型中的名称相匹配。 利用 SolidWorks 进行机械产品的参数化设计的首要问题就是建立该零件的 参数化实体模型，也就是根据图纸分析的结果，建立拉伸、旋转等基本特征，然 后在此基础上建立新的特征。 模型建立的是否合理将直接影响后续特征的建立，会影响到整个零件的参数 化驱动方案。 一般来说， 零件的参数化驱动方案所确定的主要零件驱动参数都和 基体特征的尺寸有关， 如果基体特征建立的过于复杂， 将不利于整个零件的参 数化驱动， 同时可能增加新的驱动参数，所以建立模型时，应尽量利用对称、阵 列等基本特征。 产品的参数化实体模型建立后， 需要编制相应的程序来达到变化参数的目的。 根据特定 的设计要求， 用编程软件对 SolidWorks 进行二次开发， 创建 SolidWorks 插件的一般方法是： 在编程软件 中创建 ActiveX DLL 工程，根据开发的具体功能要求编制相应的程序代码和设 计用户界面，并在工程中添加对 SolidWorks 类库的引用，将应用程序编译连接为 DLL 文件。 该文件在注册过以后， 就可以作为 SolidWorks 的插件使用了。 用户可以根据具体的设计要求 开发出若干插件， 每一个插件的功能又由至少一个菜单条嵌入到 SolidWorks 系统中， 每一个 菜单条包括若干菜单项，每个菜单项对应一个功能模块。这样的层次体系反映了二次开发程 序编制的过程，也是一个自顶向下和自底而上结合的过程，先根据功能要求分析确定总体 结构，再从底层各功能模块的程序编制开始实施。参数化程序的编制，就是要实现特定零部 件的参数化设计， 并在 SolidWorks 中建立专用设计环境。 编程实现零部件参数化的方式有尺 寸驱动法和程序驱动法两种，在基于 SolidWorks 的二次开发中其程序编制方法是不同的。 1.3 本课题研究内容与开发思想本课题研究内容与开发思想 1)零件结构拆分及特征尺寸确定零件结构拆分及特征尺寸确定 零件特征造型过程中，应按其本身的功能和建模的特点，将零件拆分为相应 各个结构，并分别找出建立其实体模型的基本特征。为使所建立的模型尽量反映 零件的基本特征,一些不重要的或不具有普遍性的细节，如倒角等可省略，以免加 大参数化的工作量。 2)创建实体模型创建实体模型 零件上的特征主要通过参数和几何约束关系来相互关联, 尺寸之间的关系分 为2 种: 一种是自定义的各种外部参数和零件的被约束尺寸的关系; 另一种是模 型内部特征之间的内部约束关系, 它是指零件的几何元素之间约束关系, 例如: 6 平行、垂直、相切、同心等。在创建模型时, 这些几何约束关系同时被创建, 当模 型被修改时, 这些关系可以自动保持设计者的意图不变。一个特征往往有多种创 建方法, 在设计时必须考虑好如何表达该特征与其它特征的关系。 3)定义特征参数定义特征参数 建立模型后, 所定义的所有零件尺寸由系统自动按照建立的先后顺序命名为 相应的内部标识尺寸。在复杂模型上, 则需要找出尺寸间的2 种对应关系: 即内 部标识尺寸和外部模型上各个数值之间的对应关系;内部标识尺寸和将要命名的 外部参数之间的关系。这2 种关系综合在一起就体现了外部参数和零件上被约束 尺寸的关系。命名参数时, 参数名称要力求简单易懂, 必要时可再加入简单注释。 4)输入特征参数输入特征参数 将已定义好的参数输入零件设计列表的“输入部分”,并在关系定义部分定义 出与零件各部分尺寸之间的对应关系, 同时还可在关系定义部分定义同一零件不 同尺寸的相互约束关系。 同一零件的各部分需要协同变化的, 也需要在这里列出。 5)修改特征参数修改特征参数 可用2 种方法来修改参数: 一是根据所附提示, 选择每项参数的名称, 并逐 项修改; 二是将所有需要修改的参数生成数据文件, 通过读入文件的方式一次性 全部修改。第一种方法速度较慢, 可以在调试程序、输入变量的时候使用; 第二 种方法效率较高, 当程序编制完 参数化设计（Parametrization design）也叫尺寸驱动（Dimension driven） 是二维绘图非常有用的技术，只要对全约束的图形施加尺寸，图形根据尺寸自动 发生相似性变化。设计人员可以利用参数驱动的二维图形构造三维实体模型。利 用参数化技术的 CAD 设计系统，可使设计人员在产品设计时，从大量繁琐的绘图 工作中解脱出来，集中精力选择和优化设计参数，提高产品质量，缩短产品的设 计周期。运用 SolidWorks 中 VBA 的二次开发应用，应 VB 语言编写程序，通过 SolidWorks 运行实现钻模模型，这样可以通过改变钻模中参数的系列尺寸，即快 速而准确的得到所需的钻模。 本次设计， 拟利用 solidworks 中的参数化建模技术。 通过参数驱动机制，可以对图形的集合数据在图形拓扑关系不变的情况下进 行参数化修改。由于参数驱动是基于对图形数据的操作，因此绘图的过程是 建立一个参数模型的过程。绘图系统将图形映射到图形数据库中，建立图形 实体的数据结构，参数驱动时改变数据结构中的具体参数，就可以生成所需 要的图形。 目前， 参数化设计已成为CAD中最热门的应用技术之一， 能否实现参数化设计 也成为评价CAD系统优劣的重要技术指标，这是因为它更符合和贴近现代CAD中概 念设计以及并行设计思想， 工程设计人员设计开始阶段可快速草拟产品的零件图， 通过对产品形状及大小的约束最后精确成图。同一系列产品的第二次设计可直接 7 通过修改第一次设计来实现， 设计参数不但可以驱动设计结果.而且影响产品的整 个开发周期，设计参数可来自于其他系统。参数化设训是变量化设计的前提，借 助变量化设计思想可实现动态设计、机构设计的运动仿真模拟等。除此之外，参 数化设计还能够使设计人员在设计的同时实现参数化建库，极大地方便后续设计 工作。因此，参数化设计以及建库工具的研究对进一步提高设计和绘图效率以及 柔性化设计具有十分重要的意义。国内外对参数化设计做了大量的研究，目前参 数化技术大致可分为如下三种方法： （1）基于几何约束的数学方法； （2）基于几 何原理的人工智能方法； （3）基于特征模型的造型方法。其中数学方法又分为初 等方法（Primary Approach）和代数方法（Algebraic Approach） 。初等方法利用 预先设定的算法，求解一些特定的几何约束。这种方法简单、易于实现，但仅适 用于只有水平和垂直方向约束的场合；代数法则将几何约束转换成代数方程，形 成一个非线性方程组。该方程组求解较困难，因此实际应用受到限制；人工智能 方法是利用专家系统，对图形中的几何关系和约束进行理解，运用几何原理推导 出新的约束，这种方法的速度较慢，交互性不好；特征造型方法是三维实体造型 技术的发展，目前正在探讨之中。 参数化设计技术以约束造型为核心，以尺寸驱动为特征，允许设计者首先进 行草图设计，勾画出设计轮廓，然后输人精确尺寸值来完成最终的设计与无约束 造型系统相比，参数化设计更符合实际工程设计习惯，因为在实际设计的初期阶 段，设计人员关心的往往是零部件的大致形状和性能，对精确的尺寸并不十分关 心，特别是在系列化设计中，参数化造型技术的优点就更加突出。 设计过程可视为约束满足的过程,设计活动本质上是通过提取产品有效的约 束来建立其约束模MY并进行约束求解。设计活动中的约束主要来自功能、结构和 制造二个方面。 功能约束是对产品所能完成的功能的描述;结构约束是对产品结构 强度、 刚度等的表示;制造约束是对制造资源环境和加工方法的表达。 在产品设计 过程中将这些约束综合成设计目标， 并将它们映射成为特定的几何/拓扑结构， 从 而转化为几何约束。所谓几何约束就是要求几何元素之间必须满足某种特定的关 系。 将几何约束作为构成几何/拓扑结构的几何基准要素和表面轮廓要素， 可以导 出各种形状结构的位置和形状参数， 从而形成参数化的产品几何模具产 品的几何 约束主要包含拓扑约束和尺寸约束两方面。拓扑约束是对产品结构的定性描述， 它表示几何元素之间的固定联系，如对称、平行、垂直、相切等，这些关系拟抽 象为点、边、面间等九类有向关系每一类关系有相应的谓词，包括“相同”、 “平 行”、“垂直”、“相交”、“偏移，等。尺寸约束则为特征勺L何元素间相对 位置的定量表示，如各种距离、两线夹角、圆的半径等。尺寸约束是参数化驱动 的对象，其不仅可以变动，而且需要标注和显示。尺寸约束可表征为一组基本参 8 数且具有与产品结构层次相对应的层次性。产品特征模型中高层约束是形状特征 之间的形位关系;几何元素之间的约束，则是低层约束的封装;高层约束需通过低 层约束来实现。 参数 驱 动 中约束方程的求解或尺寸链的推导是难点、 如何保证 在各种情况下都得到稳定的解，尚未得到完全的解决。 目前， 解决参数驱动中约束的方法主要有如下几种： (1)基于几何约束的变量 几何法；(2 )基于几何推理的人工智能法；(3 )基于构造过程的构造法；(4 )基 于辅助线法。 上面 介 绍 的几种方法目前应用较为广泛， 但儿何推理法采用谓词 描述约束，而且采用专家系统进行推理求解，效率低，难以满足交互绘图的要求。 构造法通过对造型过程的记录，记下几何元素的生成顺序及其相互间的关系，当 用户修改参数时，系统按原来的造型顺序和几何元素之间的关系重新构造设计过 程， 构造法能够克服前面两种方法的不足， 但要求用户严格遵守一定的造型顺序， 缺乏灵活性。另外，对隐含约束、过约束、约束不足的处理既是参数化技术的关 键问题，又是没有得到很好解决的问题。因此为了解决这些问题，有许多人提出 了一些新思想和新技术吴睿等提出了约束分离的参数设计方法，他们把几何图形 的结构约束同尺寸约束分离开来， 并通过记录用户所生成几何图形的特征点坐标， 形成几何图形的结构约束数据，他们认为当用户形成图形时，结构约束已经形成 (是隐含的)，所以通过特征点的记录可以方便地反映隐含的约束。用户修改几何 约束之间结构关系的过程是通过施加结构约束完成的，在修改过程中，系统通过 一定的算法改变特征点的坐标，形成新的结构约束。当几何体的结构约束确定之 后，再通过尺寸的变化驱动图形的变化。约束分离的特点是修改结构约束时，不 考虑尺寸的影响。而在尺寸过程驱动中保持结构约束不变。 1978年麻省理工学院机械工程系的一篇 CAD零件的特征表示 揭开了特征设 计的序幕。自20世纪80年代以来，基于特征设计的方法已被公认为是解决产品开 发与过程设计集成问题的有效手段。特征是具有工程含义的几何实体，它表达的 产品模型兼含语义和形状两方面的信息，而特征语义包含设计和加工信息，它为 设计者提供了符合人们思维的设计环境， 设计人员不必关注组成特征的几何细节， 而是用熟悉的工程术语阐述设计意图的方式来进行设计。因此基于特征的设计越 来越广泛地应用于参数化设计中。 基于特征 参数化方法意在将基于特征设计方法 与参数化技术有机地结合起来，实现对多种设计方式(白顶向下或自底而上等)和 设计形式初始设计、相似设计和变异设计等)的支持。 在 SolidWorks 软件开发中，参数化设计方法的研究已成为研究和开发的热 点， 但目前的所有软件还没有)一分完美地解决现今存在的一些问题。 随着各种参 数化技术的相互融合，各种新技术的不断发展，相信最终会出现能较完美实现参 数化功能的技术。 9 零部件参数化设计方法零部件参数化设计方法 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。 产品结构的划分产品结构的划分 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， 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装配约束关系。 尺寸的分类尺寸的分类 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。 基于装配约束的部件参数化建模技术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。 SolidWoks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。 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 10 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。 零部件之间的关联参数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、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、零件和装配零部件的尺寸之 间建立关联性。 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。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。 部件库的构建部件库的构建 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。 部件库的层次结构部件库的层次结构 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。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。 部件库的创建部件库的创建 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。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SolidWorks插件的形式设计的。系统根据用户 对部件配置的选择，调用部件库中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 的部件装配成一套产品，实现部件(产品)的整体参数化设计。 11 2 基于基于 SOLIDWORKS 的钻模模架三维参数化建模的钻模模架三维参数化建模 2.1 开发平台与工具简介开发平台与工具简介 随着 CAD 技术的发展，三维造型技术的应用越来越广泛。手翻式钻模由于 能保证特定传动比、受力方向不变等优点，而广泛应用于各种通用机械中，但因 其齿廓形状和轮体结构复杂多变而成为三维造型技术的难点。SOLIDWORKS为 解决这一难题提供了方便。 SolidWorks 为达索系统（Dassault Systemes S.A）下的子公司，专门负责 研发与销售机械设计软件的视窗产品。达索公司是负责系统性的软件供应，并为 制造厂商提供具有 Internet 整合能力的支援服务。 该集团提供涵盖整个产品生命 周期的系统，包括设计、工程、制造和产品数据管理等各个领域中的最佳软件系 统，著名的 CATIAV5 就出自该公司之手，目前达索的 CAD 产品市场占有率居世界 前列。 SolidWorks 公司成立于 1993 年，由 PTC 公司的技术副总裁与 CV 公司的副 总裁发起，总部位于马萨诸塞州的康克尔郡（Concord,Massachusetts）内，当初 的目标是希望在每一个工程师的桌面上提供一套具有生产力的实体模型设计系 统。 从 1995 年推出第一套 SolidWorks 三维机械设计软件至今， 至 2010 年已经拥 有位于全球的办事处，并经由 300 家经销商在全球 140 个国家进行销售与分销该 产品。1997 年，Solidworks 被法国达索（Dassault Systemes）公司收购，作为 达索中端主流市场的主打品牌。 由于使用了 Windows OLE 技术、 直观式设计技术、 先进的 parasolid 内核 （由 剑桥提供）以及良好的与第三方软件的集成技术，SolidWorks 成为全球装机量最 大、最好用的软件。资料显示，目前全球发放的 SolidWorks 软件使用许可约 28 万，涉及航空航天、机车、食品、机械、国防、交通、模具、电子通讯、医疗器 械、娱乐工业、日用品/消费品、离散制造等分布于全球 100 多个国家的约 3 万 1 千家企业。在教育市场上，每年来自全球 4，300 所教育机构的近 145，000 名学 生通过 SolidWorks 的培训课程。 Solidworks 软件功能强大，组件繁多。 Solidworks 功能强大、易学易用和 技术创新是 SolidWorks 的三大特点， 使得 SolidWorks 成为领先的、 主流的三维 CAD 解决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以 及提高产品质量。 SolidWorks 不仅提供如此强大的功能， 同时对每个工程师和设 计者来说，操作简单方便、易学易用。 12 对于熟悉微软的 Windows 系统的用户，基本上就可以用 SolidWorks 来搞设 计了。SolidWorks 独有的拖拽功能使用户在比较短的时间内完成大型装配设计。 SolidWorks 资源管理器是同 Windows 资源管理器一样的 CAD 文件管理器， 用它可 以方便地管理 CAD 文件。使用 SolidWorks ，用户能在比较短的时间内完成更多 的工作，能够更快地将高质量的产品投放市场。 在目前市场上所见到的三维 CAD 解决方案中， SolidWorks 是设计过程比较简 便而方便的软件之一。美国著名咨询公司 Daratech 所评论：“在基于 Windows 平台的三维 CAD 软件中，SolidWorks 是最著名的品牌，是市场快速增长的领导 者。” 在强大的设计功能和易学易用的操作（包括 Windows 风格的拖/放、点/击、 剪切/粘贴）协同下，使用 SolidWorks ，整个产品设计是可百分之百可编辑的， 零件设计、装配设计和工程图之间的是全相关的。 此软件使得用户能够数字化地创建和获取三维产品定义。参数化造型就是通 过参数化建模来构造产品的几何模型, 通过参数化造型设计不仅可以缩短产品开 发周期,并且可以进行现有产品的系列化设计。 钻模是应用最为广泛的通用机械零 件，广泛用在各种传动中，如减速器、传动装置和汽车的变速箱等。直齿圆柱钻 模是制造其它钻模的基础, 也是最通用的钻模。对于这些需要经常使用的通用机 械零件, 如果每次都要设计计算， 工作量大而且繁琐， 属于重复无效劳动。 因此, 正 确的方法应该是建立参数化的通用模型，设计新的钻模时，根据需要输入钻模的 参数，如齿数、模数、钻模宽度等数据，就可以自动生成新的钻模。 DrivWorks 是一个重要的辅助质量管理工具， 它可以基於知识工程进行设计， 自动完成零件、装配体、工程图的设计，以保证最后设计的準确性。 DriveWorks 可以使 SolidWorks 的用户可将重复性的设计任务自动化，从而 节省宝贵的时间，进行高附加值的设计。DriveWorks 是一个设计自动化工具，能 够自动生成零件、装配体和工程图，尤其对变形产品更为有效。更可实现对最佳 设计方法的记录，实现设计的知识管理。通过自动创建零件、装配体和工程图使 设计过程自动化：定义设计规则，然后让软体生成需要的设计更改。确保始终符 合设计规则和标準：可按照预定义的规则创建相应的设计环节，从而排除由人为 迭代引致设计错误所带来的风险。允许获取和重用知识：企业中最有价值的资产 就是知识，然而不幸的是，很多时候只有少数人掌握这些知识，如果失去了这些 人，就会失去关键的业务。通过 DriveWorks 可以获取并存储公司的设计规则，然 后无限期地重用这些规则。缩短投标工程和制造週期：由於 DriveWorks 能自动生 成可交付的产品，例如零件、装配体和工程图，因此节省了工程师的时间，使他 们能够将精力集中在重要的工作上，例如开发新的、具有创意的产品。同时由於 设计环节错误减少，加上交付给制造环节的时间大大缩短，从而提高了制造过程 13 的效率。 钻模模架是最常用的机加工治具，也是机械制造重要的效率工具。但是钻模 模架的设计与绘图是十分繁琐且重复性很大的工作，传统的人工设计方法费时费 力，且容易出错，设计人员将大量的时间