田志偉 鄭向暉 劉順萍

基于SolidWorks攔污柵三維參數(shù)化設(shè)計(jì)

田志偉 鄭向暉 劉順萍

基于SolidWorks2014軟件，以攔污柵的三維參數(shù)化建模為例，詳細(xì)闡述了攔污柵的三維模型是如何建立及參數(shù)化的思路及具體解決方案。

攔污柵 SolidWorks 參數(shù)化

目前，水利水電工程設(shè)計(jì)普遍采用二維設(shè)計(jì)軟件，此類軟件相對(duì)于傳統(tǒng)手工繪圖效率大大提高，可以使設(shè)計(jì)人員方便調(diào)用已有的設(shè)計(jì)成果，靈活修改圖紙。但也存在缺點(diǎn)，當(dāng)一些設(shè)計(jì)資料發(fā)生變動(dòng)時(shí)，許多已完成的設(shè)計(jì)成果可能需要重新手動(dòng)調(diào)整，工作量相當(dāng)大。而隨著三維設(shè)計(jì)軟件的出現(xiàn)，三維可視化技術(shù)在金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)應(yīng)用越來越廣泛，這一問題迎刃而解。

SolidWorks是一款三維機(jī)械設(shè)計(jì)參數(shù)化軟件，可以實(shí)現(xiàn)基于特征的參數(shù)化實(shí)體建模。此軟件采用圖形用戶界面，簡(jiǎn)單易學(xué)易用。利用SolidWorks可以創(chuàng)建全相關(guān)的三維實(shí)體模型，設(shè)計(jì)過程中，實(shí)體之間可以存在或不存在約束關(guān)系；同時(shí)，還可以利用自動(dòng)的或者用戶定義的約束關(guān)系來體現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖。

SolidWorks主要包括三大模塊：零件建模、裝配設(shè)計(jì)、工程圖。

基于SolidWorks平臺(tái)，通過改變參數(shù)化尺寸大小來驅(qū)動(dòng)三維模型的更新，再驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的工程圖更新，建立了模型輸入的參數(shù)化尺寸與模型、工程圖所顯示尺寸的關(guān)聯(lián)性。由于存在這種關(guān)聯(lián)性，使得參數(shù)化尺寸可以驅(qū)動(dòng)模型和工程圖，即實(shí)現(xiàn)了三維參數(shù)化設(shè)計(jì)。下面以攔污柵的三維參數(shù)化建模為例，詳細(xì)介紹三維參數(shù)化的建模思路、方法和具體的解決辦法。

1 參數(shù)化建模流程

1.1 二維設(shè)計(jì)流程與三維參數(shù)化設(shè)計(jì)流程比較

傳統(tǒng)的攔污柵二維設(shè)計(jì)流程（如圖1）中設(shè)計(jì)是從總圖開始的，當(dāng)完成總體布局構(gòu)思后，開始初步設(shè)計(jì)攔污柵的總裝配圖，然后拆分各個(gè)零件工程圖，零部件設(shè)計(jì)和總裝配設(shè)計(jì)之間要經(jīng)過多次的交互過程，即二維尺寸、形狀、空間結(jié)構(gòu)想象的比對(duì)，最后才得以完成最終設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)過程不但加大了校審工作量，同時(shí)還加長(zhǎng)了設(shè)計(jì)優(yōu)化和設(shè)計(jì)更新的周期，而且在設(shè)計(jì)過程非常容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，從而影響到攔污柵產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

圖1 傳統(tǒng)的攔污柵二維設(shè)計(jì)流程

攔污柵三維參數(shù)化設(shè)計(jì)流程是以零部件為基礎(chǔ)單元，將這些基礎(chǔ)單元構(gòu)件搭設(shè)起來構(gòu)成攔污柵總體裝配。這種設(shè)計(jì)當(dāng)其零部件發(fā)生變化后，裝配及設(shè)計(jì)成果會(huì)隨時(shí)發(fā)生聯(lián)動(dòng)，同二維設(shè)計(jì)相比，設(shè)計(jì)效率（主要體現(xiàn)在裝配和零件的交互過程）和設(shè)計(jì)質(zhì)量有著大幅度的提升，但采用這種設(shè)計(jì)模式需要設(shè)計(jì)人員有較高的總體規(guī)劃設(shè)計(jì)能力，特別是在攔污柵的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，如果沒有經(jīng)過精心的規(guī)劃設(shè)計(jì)，就可能導(dǎo)致已建成的零部件模型與裝配模型產(chǎn)生沖突，不適合安裝要求，需要多次修改模型，甚至重新構(gòu)建模型，不利于提高攔污柵產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期和效率。

在進(jìn)行攔污柵三維參數(shù)化設(shè)計(jì)時(shí)，采用了三維軟件的公共草圖技術(shù)，首先在公共草圖上進(jìn)行總體布置，按零部件模型與裝配模型的配合關(guān)系設(shè)置配合參數(shù)，然后以公共草圖為基礎(chǔ)創(chuàng)建所有零部件的草圖，然后創(chuàng)建新零件，最后完成攔污柵的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。在整個(gè)三維參數(shù)化設(shè)計(jì)的過程中，零部件模型與裝配模型的交互過程可以即時(shí)可視，零件的多次修改可在草圖環(huán)境下完成，三維實(shí)體的變動(dòng)不在需要人工干預(yù)，而由三維參數(shù)化設(shè)計(jì)程序自動(dòng)完成。利用三維軟件進(jìn)行攔污柵的產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

1.2 三維參數(shù)化設(shè)計(jì)步驟

圖2 攔污柵三維參數(shù)化設(shè)計(jì)流程

首先，將攔污柵進(jìn)行零部件分解，將各個(gè)零部件之間的裝配關(guān)系轉(zhuǎn)化為參數(shù)關(guān)聯(lián)，在眾多的參數(shù)中找出結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)，以盡量精簡(jiǎn)為原則，在裝配體模式下建立公共草圖定義關(guān)鍵參數(shù)（如圖3），然后通過三維軟件中的方程式定義相關(guān)參數(shù)（如圖4）并驅(qū)動(dòng)公共草圖中的尺寸參數(shù)。通過這種參數(shù)化設(shè)計(jì)，保證了所有零部件關(guān)聯(lián)尺寸的統(tǒng)一性、唯一性。同時(shí)，利用三維參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件的尺寸驅(qū)動(dòng)技術(shù)，僅需要調(diào)整零部件的結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)，即完成了所有零部件的結(jié)構(gòu)尺寸調(diào)整，而無需逐個(gè)對(duì)零部件進(jìn)行調(diào)整，有效地減少了結(jié)構(gòu)調(diào)整的工作強(qiáng)度，也降低了產(chǎn)品設(shè)計(jì)校審的難度。

圖3 創(chuàng)建公共草圖，定義參數(shù)

圖4 關(guān)鍵參數(shù)定義

在裝配體模型中插入新零件，引用公用草圖中的零件參數(shù)，通過拉伸、切削、掃描和放樣等特征操作，生成零件的三維模型，然后經(jīng)過打孔、倒角和圓角等操作完成零件模型。在零件生成后，還可定義零件的許多屬性，包括材料、重量、規(guī)格、型號(hào)和圖號(hào)等屬性，以便工程圖中引用。一些成型配套的零件，如正、反向滑塊，鎖釘，螺栓等采用配置系列化建模后，直接裝配到裝配體模型上更為簡(jiǎn)便（見圖5）。

圖5 單節(jié)攔污柵三維參數(shù)化設(shè)計(jì)模型

攔污柵的三維參數(shù)化模型實(shí)際上已經(jīng)完成了產(chǎn)品制造的所需全部信息，如有先進(jìn)的三維輸出設(shè)備，三維打印機(jī)可打印三維模型，或者是能完全接收三維模型的全部信息的加工機(jī)床，完全可以實(shí)現(xiàn)無紙化的電子成果，但限于科技水平的原因，當(dāng)前產(chǎn)品信息的輸出還是將三維模型轉(zhuǎn)化為二維工程圖。

在三維軟件工程圖模式下，創(chuàng)建攔污柵的裝配總圖、柵體結(jié)構(gòu)圖及零件圖，然后進(jìn)行剖切、詳圖、局部放大等處理，再進(jìn)行相關(guān)的尺寸標(biāo)注、焊縫標(biāo)注、標(biāo)注零件序號(hào)等工作，填寫材料表和標(biāo)題欄等文字內(nèi)容，即完成了二維工程圖。

1.3 模板化設(shè)計(jì)

攔污柵產(chǎn)品的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)布置形式相似，但其構(gòu)件的外形尺寸會(huì)因?yàn)槠浞菢?biāo)準(zhǔn)化參數(shù)變化而不盡相同，針對(duì)這一非標(biāo)特點(diǎn)，攔污柵產(chǎn)品設(shè)計(jì)采用了模板化設(shè)計(jì)，按照三維參數(shù)化設(shè)計(jì)流程，將攔污柵產(chǎn)品進(jìn)行規(guī)范化、模板化設(shè)計(jì)，當(dāng)三維參數(shù)化設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行參數(shù)規(guī)范化命名，考慮參數(shù)尺寸變動(dòng)范圍及先后順序，完善三維模型中的特征屬性并確保正確鏈接到工程中，規(guī)范化三維出圖，以便下次類似工程套用此模板，至此模板化設(shè)計(jì)才算最終完成。

針對(duì)已完成的三維參數(shù)化的攔污柵模板，當(dāng)有新的攔污柵需要進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者僅需要對(duì)模板文件中的關(guān)鍵性參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)關(guān)鍵性參數(shù)調(diào)整完成后，三維參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件會(huì)利用尺寸驅(qū)動(dòng)技術(shù)自動(dòng)對(duì)該模板化的產(chǎn)品進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，相關(guān)的三維裝配、三維零件、二維工程圖、工程量也會(huì)自動(dòng)調(diào)整，設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)工作就簡(jiǎn)化為設(shè)計(jì)計(jì)算，驗(yàn)證零件變動(dòng)的正確性、合理性及工程圖紙中文字信息調(diào)整的對(duì)錯(cuò)。通過攔污柵三維參數(shù)化模板的使用，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)攔污柵產(chǎn)品的工作強(qiáng)度得到大幅度的降低，產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期也得以大幅度的縮短，同時(shí)，還提升了攔污柵產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

2 三維參數(shù)化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)

三維參數(shù)化設(shè)計(jì)的攔污柵模型立體、直觀，消除了原來二維產(chǎn)品的抽象、復(fù)雜、圖紙難理解等缺點(diǎn)，而且還具有干涉檢查，讓計(jì)算機(jī)代替人工去檢查零件設(shè)計(jì)是否存在錯(cuò)誤。三維參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件采用參數(shù)尺寸化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，使得攔污柵在產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)階段時(shí)可迅速得到合理的設(shè)計(jì)方案和成果（工程量、體型、碰撞等），并且該成果可延續(xù)至產(chǎn)品的最終設(shè)計(jì)。

采用三維參數(shù)化設(shè)計(jì)使得攔污柵優(yōu)化、設(shè)計(jì)、套用非常方便，當(dāng)某個(gè)零部件的尺寸調(diào)整后，攔污柵整個(gè)產(chǎn)品會(huì)依據(jù)零部件的調(diào)整做出相應(yīng)的變化，并能及時(shí)調(diào)整工程量。利用三維參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件還可從攔污柵的三維模型中準(zhǔn)確生成材料表，避免了傳統(tǒng)的二維環(huán)境中，手工統(tǒng)計(jì)材料繁瑣和不準(zhǔn)確。

采用三維參數(shù)化設(shè)計(jì)的攔污柵使得圖紙的校審非常方便。以前二維圖紙的校審工作除了圖紙尺寸的校審?fù)猓€要依據(jù)圖紙尺寸去判別結(jié)構(gòu)的合理性，而采用三維參數(shù)化設(shè)計(jì)后，圖紙的校審工作發(fā)生根本性的改變，結(jié)構(gòu)的合理性可以從三維模型中直接獲取，尺寸的校審工作轉(zhuǎn)變?yōu)闄z查尺寸標(biāo)注的合理性。

在二維產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)常會(huì)遇到不同電站的2個(gè)攔污柵，承受的荷載和孔口尺寸均相差不大，結(jié)構(gòu)形式布置類似。當(dāng)設(shè)計(jì)者進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算后，發(fā)現(xiàn)需要分別對(duì)2個(gè)攔污柵進(jìn)行二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，如果采用套用圖紙方法，其圖紙改動(dòng)量非常大，比較繁瑣而且也容易出現(xiàn)一些修改遺漏所產(chǎn)生錯(cuò)誤。所以，目前攔污柵的產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作的許多時(shí)間都被擱置在二維圖紙的繪制、校審過程中，花費(fèi)了大量精力，而當(dāng)采用了三維參數(shù)化設(shè)計(jì)后，使得設(shè)計(jì)人員能把更多的時(shí)間和精力，投入到攔污柵產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)和創(chuàng)新應(yīng)用中。

由此可見，把三維參數(shù)化設(shè)計(jì)應(yīng)用到攔污柵結(jié)構(gòu)產(chǎn)品設(shè)計(jì)上，可有效提高攔污柵的設(shè)計(jì)質(zhì)量，大幅度提高設(shè)計(jì)效率。

3 結(jié)語

攔污柵的三維參數(shù)化建模設(shè)計(jì)是一個(gè)創(chuàng)新的應(yīng)用過程，參數(shù)化建模的實(shí)現(xiàn)大大地提高了設(shè)計(jì)效率，并且更有利于產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量的控制。這一手段的創(chuàng)新應(yīng)基于對(duì)以往產(chǎn)品的設(shè)計(jì)做出全面的總結(jié)，歸納總結(jié)設(shè)計(jì)中采用的原理、流程以及方式等，發(fā)現(xiàn)以往設(shè)計(jì)中的閃光點(diǎn)及修正以往設(shè)計(jì)中不準(zhǔn)確或不合理的細(xì)節(jié)問題，再在這個(gè)基礎(chǔ)上創(chuàng)新設(shè)計(jì)手段，只有如此，參數(shù)化實(shí)現(xiàn)的模型才具有更好的通用性和可操作性，才能被廣大的設(shè)計(jì)者接受并采用。目前三維參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)在各大設(shè)計(jì)院還屬于起步階段，三維參數(shù)化建模技術(shù)在水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中尚有廣泛的應(yīng)用空間。

[1]陳超祥，胡其登主編.SolidWorks零件與裝配體教程2013版[M].北京：機(jī)械出版社，2013.

[2]辛文彤，李志尊編著.SolidWorks2012中文版從入門到精通[M].北京：人民郵電出版社，2012.

田志偉 男 工程師中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司天津 300222

鄭向暉 男 高級(jí)工程師中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司天津 300222

劉順萍 女 工程師中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司天津 300222

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