三維建模在支架設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

三維建模在支架設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

三維建模工具已經(jīng)越來越流行。因?yàn)樗泻芏嗯c二維軟件相比的優(yōu)點(diǎn)。就支架設(shè)計(jì)而言，

采用三維建模軟件來進(jìn)行設(shè)計(jì)目前只是處于起步階段，近沒有真正地運(yùn)用到具體的設(shè)計(jì)工

作當(dāng)中。作為一個(gè)有益的嘗試,本文就三維建模工具在支架設(shè)計(jì)中需注意的幾個(gè)問題進(jìn)行

了說明，并就如何實(shí)現(xiàn)支架運(yùn)動(dòng)仿真問題進(jìn)行了闡述。

1solidford軟件的特性

三維建模軟件眾多，但價(jià)格大多比較昂貴,選擇何種軟件更符合企業(yè)的要求,使性價(jià)比達(dá)到

最佳，是設(shè)計(jì)人員在選用軟件時(shí)必須要考慮的問題。就目前市場上存在的各種三維建模軟

件來說，對于支架設(shè)計(jì)而言，選擇SolidWorks、CAXA等中低端軟件較為合理。這是基于以

下幾點(diǎn)考慮的：

(1)SolidWorks能夠勝任支架設(shè)計(jì)工作。其除了具備大多數(shù)三維建模軟件所具有的功能外,

還提供了獨(dú)有的FoaturoNorks(特征參數(shù)識別)技術(shù),解決了不同CAD系統(tǒng)間在轉(zhuǎn)化模型時(shí)

無法識別特征的問題；具有自上而卜的全相關(guān)設(shè)計(jì)功能，使得設(shè)計(jì)效率更高。不足之處是曲

面造型功能不強(qiáng)。由于支架多是焊接結(jié)構(gòu)件,不存在復(fù)雜的曲面,因而這個(gè)缺陷對于支架設(shè)

計(jì)工作兒乎沒有什么影響，

(2)價(jià)格較低。對于時(shí)下流行的各種三維設(shè)計(jì)軟件來說,SolidWorks價(jià)格較低一一其價(jià)格僅

為工作站相應(yīng)軟件價(jià)格的1/4?1/5。

(3)提供了比較完備的接n功能，目前能夠和AutoCAD、有限元分析軟件ANSYS和Cosmos、

機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析軟件MotionWorks和VisualNastranDesktop、三維建模軟件Pro/E和

IiG以及產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PredictDataVanagcr-PDM)等軟件實(shí)現(xiàn)無健兼容八

(4)易于掌握和操作。在眾多的三維建模工具當(dāng)中，SolidWorks易學(xué)易用是眾所周知的。這

樣可以節(jié)省大量的學(xué)習(xí)費(fèi)用和時(shí)間。

(5)具有簡體中文和英文兩種界面，同時(shí)還提供了AutoCAD模擬插件一一可以象在AutoCAD

環(huán)境下那樣去完成草圖制作(也可以將AutoCAD繪制的草圖直接調(diào)到SolidWorks中)?？?/p>

以輕松地實(shí)現(xiàn)軟件間無障礙過渡。

2在建模中，我們應(yīng)該注意幾個(gè)問題

2.1繪制二維工程實(shí)例

草圖上最好不要繪制過渡圓角、倒角等非關(guān)鍵性信息、。這是因?yàn)槿S繪圖軟件的草圖繪制

功能大多較弱，如果要象繪制二維工程視圖那樣繪制草圖，效率會(huì)很低,實(shí)踐證明也沒有這

個(gè)必要。再就是如果草圖過于精細(xì),生成模型時(shí)會(huì)耗盡計(jì)算機(jī)資源，使得三維模型生成速度

很慢,有時(shí)簡直達(dá)到難以忍受的地步。這是由于實(shí)體模型是通過布爾運(yùn)算生成的,草圖過于

復(fù)雜會(huì)導(dǎo)致運(yùn)算工作量較大,耗費(fèi)機(jī)時(shí)較多,實(shí)體模型的生成速度自然也就很慢。

2.2創(chuàng)建實(shí)體模型的前提

由手實(shí)體模型可以有多種不同的生成方法,采取何種方法更為合理、高效，需要有一個(gè)經(jīng)驗(yàn)

積累過程。一般來說,旋轉(zhuǎn)、掃描（sweeping）比拉伸生成的模型高效;排列、鏡向比逐個(gè)生

成快捷。就象制作圓柱模型，可以通過拉伸生成，也可以通過旋轉(zhuǎn)獲得。但旋轉(zhuǎn)生成模型的

速度會(huì)更快,生成的文件的體積也較小。對于復(fù)雜的零件,選擇合理的生成方法就顯得尤為

重要。因?yàn)檫x擇不正確的生成方法不但效率低,而且有些情況根本就不能生成實(shí)體模型。

因此設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)實(shí)體模型之前,必須要考慮好模型的生成方法和步驟。這就要求設(shè)計(jì)

人員要有較好的空間想像力和抽象思維能力，這也是三維建模同二維圖形繪制最大的天同

點(diǎn)之處。

2.3零件組合設(shè)計(jì)

自上而下（Top-Down）設(shè)計(jì)是針對傳統(tǒng)的自下而上的設(shè)計(jì)而言的。所謂自下而上的設(shè)計(jì),是

先繪制零件圖，再由零件裝部件，然后用零件和部件總裝產(chǎn)品，這也是通常采用的設(shè)計(jì)力法。

而自上而下的設(shè)計(jì)是先設(shè)計(jì)總裝圖，然后拆部件和零件圖。由于在裝配體上直接設(shè)計(jì)H零

部件,這樣就從根本上避免了干涉現(xiàn)象的產(chǎn)生。同時(shí)當(dāng)裝配體設(shè)計(jì)完畢,零部件也就生動(dòng)生

成，自然就減少了工作量，提高了工作效率。特別是在新產(chǎn)品的開發(fā)和研制階段，這種設(shè)計(jì)

方法的優(yōu)點(diǎn)是不言而喻的,

圖1是自上而下設(shè)計(jì)過程說明圖例。

二維視圖同三維模型具有互動(dòng)性。所謂互動(dòng)性，即如果修改了二維視圖，則三維零件圖、部

件圖和裝配圖都隨之修改，反之，如果三維零件圖、部件圖和裝配圖其中任何一個(gè)得到了

修改,則所有的其它的視圖（模型）也就自動(dòng)發(fā)生相應(yīng)的變化。

為了更能說明問題，下面在支架底座部件圖上設(shè)計(jì)前連桿模型，最后將前連桿模型分離出來

的具體圖例（圖2）。

如圖2所示,先在底座部件圖上直接繪制前連桿模型，當(dāng)前連桿模型生成后,其零件圖乜就

自動(dòng)生成了（繪制零件模型前必須為零件模型另命一文件名，這樣當(dāng)零件模型建立后，除了

部件圖上有該零件，同時(shí)該零件模型也已自動(dòng)地存儲(chǔ)到另外一個(gè)文件中）。當(dāng)裝配模型生成

后，所有的零件模型也就生成了。這樣做的效率自然事半功倍。

要注意的是,用這種方法繪制圖形前必須要注意零件間的約束關(guān)系。正確的約束關(guān)系K但

使零件模型生成得快捷,而且修改起來也十分方便。

2.4支架模型的建立

創(chuàng)建三維模型，不僅僅是為了造型，更多的是為了今后使用方便一一如設(shè)計(jì)的修改和調(diào)整、

虛擬裝配、動(dòng)力學(xué)分析、運(yùn)動(dòng)分析等。一般對于開發(fā)性設(shè)計(jì)來說，造型的近期目標(biāo)就是為

了修改。具體到支架設(shè)計(jì),由于每次設(shè)計(jì)所要求的支護(hù)強(qiáng)度各不相同，所設(shè)計(jì)的支架模型在

完成機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)FI標(biāo)后,還要通過強(qiáng)度驗(yàn)算同時(shí)確保支架總重量不超過一定數(shù)值,因此支架

模型只有在通過強(qiáng)度驗(yàn)算合格和總重量不超標(biāo)的情況下才能正式確定下來。也可以說在

設(shè)計(jì)時(shí)，修改零件模型是必不可少的。這就要求所創(chuàng)建的零件造型結(jié)構(gòu)完整,尺寸和幾何約

束齊全、正確，以便在今后的零件設(shè)計(jì)過程中，隨時(shí)可以方便地對不合理的結(jié)構(gòu)做出修改。

要明確零件造型的目的。在不影響零件的基本特征和受力的情況下，某些細(xì)小特征(如較小

的圓角和倒角)可以省略，還可以將有關(guān)部件直接繪成一個(gè)零件模型，減少模型存儲(chǔ)量以及

縮短模型生成時(shí)間，從而提高了工作效率。對此設(shè)計(jì)人員必須有一個(gè)正確的認(rèn)識。

2.5在安裝過程中，應(yīng)注意幾個(gè)問題

總的來說,裝配過程是較為簡單的。但是還是要注意幾個(gè)問題。

(1)簡化立柱、千斤頂?shù)难b配

由于現(xiàn)有的很多軟件很難識別柱窩和立柱缸體底部圓球面的配合關(guān)系，所以裝配過程比較

復(fù)雜,有時(shí)甚至沒法裝配。有一個(gè)解決方法就是將立柱簡化成圖3所示的較點(diǎn)(joint),這

樣還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是在進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析(dynamic)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析(kinematic)時(shí)比較方便

(簡化成轉(zhuǎn)動(dòng)副)。還有就是立柱以及各種千斤頂?shù)幕钊透左w最好在總裝圖中裝配,不要

先裝配成一個(gè)部件,然后調(diào)入到總裝圖當(dāng)中。如果先裝配成部件,在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析時(shí),軟件

很難識別其約束關(guān)系,而將立柱和千斤頂視為一個(gè)整體。

(2)將民間職能作模型進(jìn)行渲染

對于銷軸等聯(lián)接件應(yīng)盡量先裝配到部件圖當(dāng)中，然后作為一個(gè)部件調(diào)到總裝圖中，這樣易于

進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。如圖4所示的底座部件圖那樣,先將銷軸裝配到底座部件圖當(dāng)中，然后將

底座部件圖調(diào)入到總裝圖中。

為了使實(shí)體模型有逼真的效果,可以通過PhotoWorks來對模型進(jìn)行渲染，以達(dá)到逼真的效

果。另外也可以將模型以IGS/IGE/IGES格式存儲(chǔ)，然后調(diào)到3dsmax下進(jìn)行渲染。圖5

是三維建模軟件所設(shè)計(jì)的支架三維實(shí)體模型。

2.6仿真中的應(yīng)用

必須指出的是，目前現(xiàn)有的三維建模工具僅僅是完成模型制作，并不能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)仿真以及完

成動(dòng)力學(xué)分析。要想實(shí)現(xiàn)上述兩個(gè)功能，必須要選用相應(yīng)的軟件或模塊。具體到

SolidWorks,能夠同其實(shí)現(xiàn)無縫兼容的運(yùn)動(dòng)仿真軟件有MotionWorks、SimpleMotion、

DynamicDesigner/Motion^VisualNastranDesktop等。

這里將就支架實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)仿真可能會(huì)出現(xiàn)問題的地方進(jìn)行有關(guān)說明。IT前運(yùn)動(dòng)仿真軟件能夠

自動(dòng)識別大多數(shù)約束關(guān)系(也可以手工加上約束關(guān)系)，但是個(gè)別地方還是需要調(diào)整的。具

體到支架，需要調(diào)整的地方主要是立柱和千斤頂。首先要注意裝配順序。對于立柱、二斤

頂來說，最好將柱塞和缸體放到總裝圖中來進(jìn)行裝配,這樣做的目的是為了讓系統(tǒng)自動(dòng)識別

其約束關(guān)系，從而將其識別成為移動(dòng)副(cylindricaljoint)。如果先將立柱組裝成部件圖,

然后再將部件圖調(diào)入到總裝圖中，則系統(tǒng)大多不會(huì)識別柱塞和缸體的約束關(guān)系,這時(shí)需要手

工加上約束關(guān)系。還有就是將系統(tǒng)識別錯(cuò)誤的運(yùn)動(dòng)副改為正確的運(yùn)動(dòng)副，這種情況大多數(shù)

會(huì)發(fā)生在銷軸處。一般來說,系統(tǒng)更多的時(shí)候?qū)N軸的約束關(guān)系識別成移動(dòng)副,這時(shí)需要將

更改為轉(zhuǎn)動(dòng)副(revolutionjoint)即可。

所有的約束:關(guān)系都無誤,加上動(dòng)力系統(tǒng)就可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真了。圖6為支架加上約束時(shí)的

狀態(tài)。

2.7維工程實(shí)例

目前設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、制造、加工等部門最終都是以二維工程視圖為依據(jù)來對機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行描

述。因而三維實(shí)體模型在完成動(dòng)力學(xué)分析、運(yùn)動(dòng)仿真后最終還要生成二維工程視圖。一般

來說，二維工程圖是由三維建模軟件自動(dòng)生成的,但也有幾個(gè)問題需要注意。

(1)必須調(diào)整和修改圖紙所刻的尺寸

由于尺寸標(biāo)注是由三維建模軟件自動(dòng)生成，個(gè)別地方還要加以調(diào)整和修改，以符合國標(biāo)要求。

(2)零件需要作剖視圖、局部剖視

由于三維軟件只自動(dòng)生成3個(gè)主視圖，為求信息表達(dá)的完整性,對于某曲零件還要視情況加

上剖視圖、局部剖視圖以及局部放大圖。于設(shè)計(jì)人員需要做的工作就是決定在什么位置加

上剖視圖、局部放大圖，然后讓三維軟件生成所需視圖。

(3)開目cd的開目

目前對于二維圖形的繪制、打Efl較理想的環(huán)境是AutoCAD和國內(nèi)的開目CAD。由于

SolidWorks能夠以dwg格式存儲(chǔ)二維圖形文件,這樣在完成上述幾項(xiàng)工作后，只需要將工

程圖以擴(kuò)展名為dwg格式存儲(chǔ),然后在AutoCAD環(huán)境下調(diào)用該文件就行了。

3建立三維建模設(shè)計(jì)軟件