邢焰

摘要：利用SolidWorks軟件環(huán)境對(duì)面向裝配的設(shè)計(jì)（DFA）在電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用進(jìn)行了研究，提出了基于SolidWorks的DFA研究目的，探討了建立虛擬裝配體的方法和在本地以及PDM建立各類庫文件的原則和要點(diǎn)，對(duì)虛擬裝配體進(jìn)行裝配性能分析，主要包含了直觀檢查、干涉檢查、公差分析以及裝配輔助等措施。

關(guān)鍵詞：面向裝配的設(shè)計(jì)；簡化設(shè)計(jì)；虛擬裝配；模塊化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TH136 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）02-0094-02

隨著現(xiàn)代電子產(chǎn)品的高度集成化和小型化，以及用戶對(duì)設(shè)備的可靠性、環(huán)境適應(yīng)性等提出的越來越嚴(yán)格的要求，使得電子設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度不斷提高，也使產(chǎn)品的裝配面臨越來越多的困難，導(dǎo)致出現(xiàn)裝配質(zhì)量下降、裝配效率降低等一系列問題。在這一環(huán)境下，引入面向裝配的設(shè)計(jì)（DFA）這一產(chǎn)品開發(fā)模式，在電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段即充分考慮產(chǎn)品的裝配環(huán)節(jié)以及各種相關(guān)因素的影響，采用簡化產(chǎn)品設(shè)計(jì)、減少零件數(shù)量、使用標(biāo)準(zhǔn)件、零件裝配模塊化和減少裝配過程中的調(diào)節(jié)、裝配防錯(cuò)等方法，并利用分析、評(píng)價(jià)、規(guī)劃、仿真等各種技術(shù)手段，不斷地完善設(shè)計(jì)和改進(jìn)裝配性能，確保裝配工序簡單、效率高、質(zhì)量高、不良率低和成本低[1]。

1 基于SolidWorks的DFA應(yīng)用方法

將SolidWorks功能和DFA方法相結(jié)合，在SolidWorks的環(huán)境下，主要可以進(jìn)行以下三方面的應(yīng)用方法研究。

1.1 簡化設(shè)計(jì)

簡化設(shè)計(jì)就是在設(shè)計(jì)中遵循KISS原則。簡化設(shè)計(jì)過程往往是對(duì)已有的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行提煉和優(yōu)化的過程，可以充分利用CAD的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和規(guī)劃優(yōu)勢(shì)，建立各種庫文件，選擇和調(diào)用成熟設(shè)計(jì)和模塊，構(gòu)建具有較高裝配性能的產(chǎn)品。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)化模塊化設(shè)計(jì)

在電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化的設(shè)計(jì)方法，能大幅提高裝配質(zhì)量的可靠性，使裝配問題能更早、更容易被發(fā)現(xiàn)，從而提高產(chǎn)品裝配效率和裝配質(zhì)量。

1.3 虛擬裝配

以產(chǎn)品設(shè)計(jì)為中心的虛擬裝配，是在虛擬環(huán)境下對(duì)CAD模型進(jìn)行裝配性能分析的一項(xiàng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)。基于DFA虛擬裝配的基本任務(wù)是尋求產(chǎn)品裝配結(jié)構(gòu)的最優(yōu)解，即通過CAD模擬產(chǎn)品裝配、進(jìn)行定量或定性分析，找出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中裝配性差的結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)行設(shè)計(jì)修改和完善的過程。

使用SolidWorks 等CAD軟件，可對(duì)產(chǎn)品的三維模型進(jìn)行虛擬裝配，并利用CAD提供的分析模塊，進(jìn)行包括靜態(tài)干涉、運(yùn)動(dòng)干涉分析以及裝配公差分析等裝配性能分析、判斷和改進(jìn)。

2 DFA應(yīng)用步驟

產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段的主要任務(wù)是根據(jù)用戶要求、設(shè)計(jì)輸入定義產(chǎn)品的架構(gòu)，并將產(chǎn)品進(jìn)行模塊劃分；在此基礎(chǔ)上，建立產(chǎn)品裝配模型，將各類庫文件引入建模過程中，貫徹標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)理念；完成裝配模型建立之后，開始虛擬裝配，即對(duì)模型進(jìn)行裝配性能分析，運(yùn)用 DFA簡化設(shè)計(jì)等方法對(duì)裝配體及零部組件進(jìn)行簡化、合并等設(shè)計(jì)改進(jìn)，并且進(jìn)行裝配相關(guān)檢查，直到得到優(yōu)化模型。

根據(jù)DFA的應(yīng)用方法，制定出在SolidWorks環(huán)境下產(chǎn)品設(shè)計(jì)的流程，見圖1所示。

3 DFA裝配建模

主要需要建立兩類模型，一類是建立一系列庫模型，一類是對(duì)產(chǎn)品本身結(jié)構(gòu)的建模，而前者是后者的基礎(chǔ)。在對(duì)產(chǎn)品建模的過程中貫徹標(biāo)準(zhǔn)化模塊化思想，為產(chǎn)品的簡化設(shè)計(jì)提供良好的土壤。

3.1 產(chǎn)品裝配建模

CAD裝配建模有自下而上和自頂向下兩種方法。自下而上設(shè)計(jì)法即首先完成零件設(shè)計(jì)建模，然后在裝配文件中逐一插入零部件，組合成裝配體模型，零部件之間無關(guān)聯(lián)；自頂向下法為在裝配文件中直接建立零部件模型，零部件之間往往存在幾何關(guān)聯(lián)以及配合限制。

綜合兩種設(shè)計(jì)方法的優(yōu)勢(shì)，在方案設(shè)計(jì)階段，采用自頂向下的設(shè)計(jì)思路，首先規(guī)劃產(chǎn)品裝配體的框架，劃分模塊類型，在此基礎(chǔ)上，將產(chǎn)品主體零件在裝配圖中進(jìn)行初步建?；蛘邔⑼ㄓ媚K裝入裝配體中，使產(chǎn)品具備基本的模型架構(gòu)，然后進(jìn)入自下而上的模式，對(duì)構(gòu)成裝配體的零件模型作細(xì)化處理以及建立相關(guān)的零件，將生產(chǎn)的零部件裝入裝配體中并進(jìn)行配合限制，逐步裝配形成產(chǎn)品最終的裝配模型。

3.2 庫文件建模

庫文件泛指CAD軟件可調(diào)用的所有子組件和模塊，它是構(gòu)建新研制產(chǎn)品的基礎(chǔ)，也是面向裝配的設(shè)計(jì)中標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化設(shè)計(jì)原則實(shí)施的基礎(chǔ)。

庫文件建立的原則是：

（1）庫文件歸屬文件夾應(yīng)層次分明，庫文件名應(yīng)簡潔明確地表示出庫集合的特征，以方便選用；

（2）庫文件中固化的組件和模塊，如緊固件、外購件等，盡量以零件形式建模，以便存儲(chǔ)和調(diào)用；

（3）分析同一系列模塊的主要安裝尺寸，形成尺寸系列表，以方便建模和擴(kuò)充；

（4）同一系列化零件的建模盡量采用一個(gè)模型、多個(gè)配置；

（5）模塊應(yīng)盡量包含安裝基準(zhǔn)、安裝尺寸等裝配信息，有助于選用和避免裝配加工錯(cuò)誤。

根據(jù)庫文件存放的位置和模塊的類型可分為兩類庫，一是存放于計(jì)算機(jī)本地的本地資源庫；另一種需要通過網(wǎng)絡(luò)管理可上傳和下載的ODM電子倉庫。

3.2.1 本地資源庫

根據(jù)電子設(shè)備的特點(diǎn)，在CAD環(huán)境中主要建立緊固件庫（螺釘、螺母等）、電子器件庫（連接器、顯示屏、鍵盤、濾波器等）、機(jī)械成品庫（風(fēng)機(jī)、減震器等）、材料庫（屏蔽材料、密封材料、鋁型材）以及通用件庫（機(jī)柜、機(jī)箱、控制臺(tái)、把手、導(dǎo)軌、走線架等）。建立各種庫后，將其存放地址添加到SolidWorks系統(tǒng)選項(xiàng)中的設(shè)計(jì)庫中，即可開始在CAD界面中直接調(diào)用設(shè)計(jì)庫文件。庫文件的設(shè)計(jì)、編輯、修改等較容易實(shí)現(xiàn)， 技術(shù)人員可以通過改變某些參數(shù)而不必改動(dòng)元件設(shè)計(jì)的全過程來更新設(shè)計(jì)。

3.2.2 PDM電子倉庫

SolidWorks Workgroup PDM作為SolidWorks的插件，主要用于工作組的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理，可以將本地成熟產(chǎn)品的數(shù)據(jù)檢入到電子倉庫，同時(shí)也可以分享工作組內(nèi)其他成員上傳到電子倉庫并共享的數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)資源的充分利用，并且能確保設(shè)計(jì)版本和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件掛接關(guān)系得到有效管理。

根據(jù)電子設(shè)備結(jié)構(gòu)面向裝配的設(shè)計(jì)需要，以便于選擇和調(diào)用為建庫原則，電子倉庫可主要?jiǎng)澐譃楣觅Y料庫、設(shè)備資源庫和工藝資源庫等。將設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、資料放入公用資料庫中；將工藝相關(guān)規(guī)程、工具資料等放入工藝資源庫；設(shè)備資源庫可以根據(jù)電子設(shè)備使用的工作環(huán)境，如地面、車載、艦載、星載、機(jī)載等進(jìn)行分類，也可以按照結(jié)構(gòu)形式、密封性、抗沖擊振動(dòng)性和電磁兼容性等產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)置有利于搜索的關(guān)鍵詞。

4 裝配性能分析

4.1 直觀檢查

SolidWorks軟件界面中提供了裝配統(tǒng)計(jì)、對(duì)稱性檢查、質(zhì)量特性以及間隙檢查等命令，可以很方便、直觀地對(duì)已建立的產(chǎn)品模型進(jìn)行相關(guān)的統(tǒng)計(jì)和檢查，根據(jù)檢查結(jié)果對(duì)裝配體作進(jìn)一步簡化、合并、調(diào)整等減少裝配錯(cuò)誤、提高裝配效率的設(shè)計(jì)，直觀檢查一般包含以下幾項(xiàng)：

（1）考慮把相鄰、相似、對(duì)稱的零件合并成一個(gè)零件；（2）設(shè)計(jì)多功能零件，減少零件數(shù)量；（3）合并減少緊固件的種類、數(shù)量；（4）調(diào)整裝配體及主體零件重心，避免裝配時(shí)失穩(wěn)；（5）通過間隙檢查，避免零件過約束；（6）進(jìn)行防錯(cuò)設(shè)計(jì)，避免非對(duì)稱零部件具有一個(gè)以上的裝配位置。

4.2 干涉檢查

對(duì)產(chǎn)品裝配體的干涉檢查主要包括靜態(tài)干涉檢查和運(yùn)動(dòng)干涉檢查兩種方式。

SolidWorks命令項(xiàng)中的干涉檢查，能夠直觀、明確、定量地給出裝配體靜態(tài)情況下干涉的零件、部位和干涉幾何尺寸，有利于對(duì)干涉的零部件定位、定向進(jìn)行設(shè)計(jì)修正。

對(duì)實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)品，采用虛擬仿真工具SolidWorks Motion插件，對(duì)虛擬裝配體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)狀態(tài)的仿真，模擬產(chǎn)品的不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，檢驗(yàn)產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)性能及設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果的正確性，對(duì)運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)干涉檢查，查看限位運(yùn)動(dòng)的干涉情況以及裝配情況和零部件模型的精確程度，有助于在設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)空間布置的干涉和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的碰撞等問題。

更好地完成干涉檢查的關(guān)鍵點(diǎn)是完善裝配體模型，盡量詳盡真實(shí)地建模，特別是應(yīng)注重建立自制件以外的外購件、緊固件、附件等的真實(shí)幾何模型，往往一些看似微不足道的省略處會(huì)在實(shí)際裝配時(shí)出現(xiàn)干涉問題。

4.3 公差分析

SolidWorks有 DimXpert和TolAnalyst兩項(xiàng)與公差相關(guān)的插件。DimXpert可以直接在3D圖形中按照標(biāo)準(zhǔn)生成標(biāo)注，還可以幫助用戶查找圖形是否缺少尺寸；TolAnalyst主要作用是解決公差設(shè)計(jì)的問題。

將公差分析的結(jié)果與裝配體的簡化設(shè)計(jì)原則相結(jié)合，簡化裝配關(guān)系、減少尺寸鏈數(shù)量、減小累積公差，才能夠降低尺寸公差等級(jí)，實(shí)現(xiàn)寬松且合理的公差設(shè)計(jì)，提高裝配質(zhì)量和裝配效率。

4.4 動(dòng)態(tài)裝配

SolidWorks的爆炸視圖和animator插件可提供靜態(tài)和動(dòng)態(tài)裝配拆分效果圖，按需要對(duì)虛擬裝配體進(jìn)行拆分、分組，通過爆炸路徑和鍵碼對(duì)動(dòng)畫進(jìn)行編輯，生成各虛擬裝配體各部分的動(dòng)畫和圖樣文件。可以用于電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案評(píng)審中，提供直觀生動(dòng)的產(chǎn)品效果；也可以直接應(yīng)用于實(shí)際裝配生產(chǎn)，特別是對(duì)于復(fù)雜的產(chǎn)品的裝配具有指導(dǎo)作用。

5 結(jié)語

通過基于SolidWorks軟件及其插件對(duì)電子設(shè)備結(jié)構(gòu)面向裝配的設(shè)計(jì)作了一些研究和嘗試，體會(huì)到無論對(duì)軟件強(qiáng)大功能的應(yīng)用，還是對(duì)先進(jìn)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)模式的理解和運(yùn)用，都需要更加深入地探索。新的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)思路在不斷涌現(xiàn)，CAD軟件的功能也在與時(shí)俱進(jìn)，設(shè)計(jì)師如何將兩者更好地結(jié)合進(jìn)而提升設(shè)計(jì)水平，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員面臨的一項(xiàng)艱巨任務(wù)。

參考文獻(xiàn)

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