邢小穎，湯彬，張琦，馬運(yùn)，徐江波

（清華大學(xué)基礎(chǔ)工業(yè)訓(xùn)練中心，北京 100084）

SolidWork 公司創(chuàng)立于1993 年，一直致力于在每一位工程人員的桌面上，創(chuàng)造一種極具生產(chǎn)效率的實(shí)體仿真產(chǎn)品設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)。自1995 年發(fā)布了SolidWorks 三維機(jī)器人產(chǎn)品設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)以來，其發(fā)展速度很快，且產(chǎn)品使用范圍相當(dāng)廣闊，包括了宇航、機(jī)車、食品、機(jī)械設(shè)備、軍事、交通運(yùn)輸、模型、電子產(chǎn)品通信、醫(yī)藥儀器、娛樂產(chǎn)業(yè)、日生活用品/消費(fèi)品、離散制造領(lǐng)域，以及遍布在全世界一百余個(gè)國家的大約三億零一千戶公司。1997 年，SolidWorks 被俄羅斯達(dá)索公司并購后，成為達(dá)索在中端產(chǎn)品主導(dǎo)市場上的主打名牌，功用強(qiáng)勁、易學(xué)易用和創(chuàng)新是其軟件產(chǎn)品的3 個(gè)特色[1]。該軟件也是當(dāng)今世界上首個(gè)完全采用Windows 技術(shù)開發(fā)的三維CAD 控制系統(tǒng)，因?yàn)閯?chuàng)新順應(yīng)了當(dāng)前CAD 科技的蓬勃發(fā)展風(fēng)潮與市場發(fā)展趨勢，企業(yè)將在2 年內(nèi)變成中國CAD/CAM 產(chǎn)業(yè)中盈利最高的企業(yè)。

1 SolidWorks 軟件簡介及功能介紹

SolidWorks 軟件在實(shí)物造型領(lǐng)域所表現(xiàn)出來的人工智能技術(shù)優(yōu)越性非常明顯，具體如下：①它能夠提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)和出細(xì)圖的效率，提高直觀表現(xiàn)的能力。②能夠減少設(shè)計(jì)干涉現(xiàn)象，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效果。③當(dāng)對CNC 完成編程后，能夠自動(dòng)給生產(chǎn)過程創(chuàng)建所需要的3D 實(shí)體模型，從而提高機(jī)器設(shè)備的生產(chǎn)效率。④具備了自動(dòng)追蹤與執(zhí)行的自動(dòng)更新特性。⑤通過更加智能化地幫助設(shè)計(jì)研究零件特征，控制相關(guān)數(shù)據(jù)快速產(chǎn)生的變型，單機(jī)的拖動(dòng)模型幾何體就能夠?qū)崿F(xiàn)編輯造型[2]；三維幾何體能夠在創(chuàng)建曲面、簡單或更復(fù)雜的有機(jī)結(jié)構(gòu)和方程式建模后，幫助研究三維建模，從而知道具體的質(zhì)量特征和結(jié)構(gòu)（品質(zhì)、密度、尺寸和慣性動(dòng)量等）。

在加工制造方面，經(jīng)研究后發(fā)現(xiàn)涉及的設(shè)計(jì)范疇也相當(dāng)寬泛，其中在大裝配體設(shè)計(jì)方面，借助SolidWorks 3D CAD 處理可包含一百多種零件的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，而該軟件中經(jīng)常使用的各種功能可進(jìn)行管理、組裝、檢測和錄入大型產(chǎn)品設(shè)計(jì)，以便加速產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程，節(jié)省時(shí)間與開發(fā)成本，并提升生產(chǎn)效能。

軟件仿真方面，SolidWorks 是一種全功能的運(yùn)動(dòng)模擬軟件操作系統(tǒng)，無縫整合后能夠?qū)Ψ彪s機(jī)器體系提供全方位的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)，模擬后得到體系中各種零件的繁雜運(yùn)動(dòng)狀況，包含位置、轉(zhuǎn)速、加轉(zhuǎn)速、力和反推動(dòng)力等，并以動(dòng)畫、圖像、表單等形式輸出結(jié)果，還能把零件在繁雜運(yùn)動(dòng)狀況下的重復(fù)負(fù)荷狀況直觀傳遞到主流有限元分析軟件系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)合理的剛度和構(gòu)造解析[3]。在SolidWorks 中實(shí)現(xiàn)仿真組裝，可以將其三維造型與實(shí)現(xiàn)后的各零件按照其對應(yīng)的安裝關(guān)聯(lián)和連接方法等并加上一定的制約關(guān)聯(lián)（一般指平行、重合與同軸等），使其形成了一種全新的仿真組裝體，同時(shí)在此過程中還能夠很方便地檢測出所組裝零件間的相互干涉和碰撞等情況，從而及時(shí)、精確地發(fā)現(xiàn)修改后零件的結(jié)構(gòu)尺寸和各零件的安裝制約關(guān)系[4]。

2 基于軟件的套筒模具設(shè)計(jì)及人工智能技術(shù)的應(yīng)用剖析

2.1 套筒模具設(shè)計(jì)

第一，進(jìn)行草圖繪制。選擇前視基準(zhǔn)面，此時(shí)進(jìn)入到草圖繪制狀態(tài)下，首先繪制一條中心線，然后繪制套筒部分草圖，點(diǎn)擊智能尺寸，進(jìn)行尺寸的確認(rèn)，如圖1 所示。

圖1 草圖繪制

第二，將上述繪制好的圖形進(jìn)行實(shí)體鏡像，得到完整的草圖，然后利用旋轉(zhuǎn)凸臺的功能得到三維模型半成品，如圖2 所示。

圖2 三維模型半成品

第三，繼續(xù)草圖繪制直徑40 mm 的圓，利用切除—拉伸的功能進(jìn)行打孔，使之完全貫穿，之后拔模，角度為1.5°，如圖3 所示。

圖3 孔的切除拉伸及拔模

第四，制造方法選用鑄造，所以需繪制澆注系統(tǒng)。內(nèi)澆道的繪制參考幾何體—插入基準(zhǔn)面—凸臺拉伸進(jìn)行繪制，橫澆道和直澆道經(jīng)過凸臺拉伸，最終得到三維模型實(shí)體，如圖4 所示。

圖4 最終的三維實(shí)體模型

2.2 人工智能技術(shù)在軟件中的應(yīng)用剖析

人工智能技術(shù)是通過計(jì)算機(jī)的大數(shù)據(jù)分析人類認(rèn)知方式及其思考方法，然后應(yīng)用于軟件中[5]。由于人們觀念的改變，計(jì)算機(jī)模擬思維也是一個(gè)十分復(fù)雜的流程，而認(rèn)識信息內(nèi)容也必須通過軟件系統(tǒng)支持。當(dāng)軟件完成機(jī)器學(xué)習(xí)模擬功能后，就能夠根據(jù)自身需要調(diào)整信息內(nèi)容，并應(yīng)用于所掌握的信息處理問題，如果出現(xiàn)還未了解的問題，就能夠進(jìn)行搜索“機(jī)器大腦”，找到處理數(shù)據(jù)。在SolidWorks 以往的版本中，都增加了CosmosXpress，使用過程中如何實(shí)現(xiàn)仿真分析的問題功能，軟件中還提出了Cosmos MotionXpress（運(yùn)動(dòng)仿真分析）、Cosmos FloXpress 和DFMXpress（可設(shè)計(jì)性的分析方法）等技術(shù)模塊，使設(shè)計(jì)者可以更好地完成產(chǎn)品分析工作，在快速設(shè)計(jì)三維產(chǎn)品的過程中，也能夠直接使用3DLib 軟件模型庫。

另外，利用SolidWorks Plastics 的模具填充仿真技術(shù)，可顯示熔融的樹脂在注塑模具運(yùn)動(dòng)過程中的流動(dòng)狀態(tài)，從而檢測零部件和模具運(yùn)動(dòng)中與設(shè)計(jì)過程有關(guān)的問題，以便于在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中迅速判斷零部件穩(wěn)定性和可造性。SolidWorks 軟件在上述的仿真中無論是零件的力學(xué)仿真還是在鑄造的澆注仿真，都需要利用一些插件模型庫或軟件來實(shí)現(xiàn)，這就給仿真帶來一定的困難及不方便性，如果能做到像SurfMill 軟件把零件設(shè)計(jì)和仿真加工在一個(gè)軟件里面完成，效率會大大提高[6]。以上面套筒為例，將模具三維圖設(shè)計(jì)完成之后，需要用到鑄造技術(shù)進(jìn)行制造加工，但是由于傳統(tǒng)的鑄造生產(chǎn)和工藝制定過程中，主要是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)積累和反復(fù)試錯(cuò)，才能做出合格產(chǎn)品。這種依靠經(jīng)驗(yàn)和反復(fù)試錯(cuò)的做法導(dǎo)致生產(chǎn)周期長、成本高，而且很難保證鑄件的質(zhì)量。如果在模具設(shè)計(jì)完成之后就可以直接實(shí)現(xiàn)對鑄造的虛擬仿真，通過估計(jì)溫度場、液體壓強(qiáng)、空氣壓力、流體速率、氣體體積分?jǐn)?shù)、各澆道流速等數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)缺陷的出現(xiàn)范圍，并估計(jì)在凝固和冷卻過程中的氣體收縮，那么工程師們經(jīng)過對仿真數(shù)據(jù)的深入研究后，便可以預(yù)知縮孔、縮松等各類典型鑄造問題的出現(xiàn)情況，在完善和調(diào)整工藝流程、減少廢品量、提高工藝出品效率、縮短制造時(shí)間、降低成本、降低技術(shù)對社會經(jīng)濟(jì)的依賴性、保證技術(shù)的穩(wěn)定性等方面均具有較好的作用。下面利用某軟件對套筒模型進(jìn)行的虛擬仿真，結(jié)果如圖5 所示。

傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)加工以二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)為主，根據(jù)圖紙直接進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)，導(dǎo)致生產(chǎn)的實(shí)際產(chǎn)品無法達(dá)到預(yù)期，造成時(shí)間和資源浪費(fèi)的情況，而采用三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件SolidWorks 進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人工裝設(shè)計(jì)，通過零件圖的繪制和裝配體的模擬裝配，如果能再結(jié)合制造技術(shù)的仿真模擬，就可以很好地展現(xiàn)產(chǎn)品的成品效果，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，避免了傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中的弊端，成為當(dāng)下機(jī)械工程領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。所以，本文對SolidWorks 在人工智能發(fā)展中的應(yīng)用進(jìn)行探討有很大的現(xiàn)實(shí)意義。新一代人工智能的概念是制造智能的機(jī)器及其過程的技術(shù)，所以可將它表現(xiàn)為一個(gè)如何能夠?qū)崿F(xiàn)，如何達(dá)到此種形式的人工智能技術(shù)方法的過程。在中國當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展水平整體提高的大背景下，人工智能主動(dòng)性和高效性的功能作用已日益突出，尤其是它在應(yīng)用環(huán)境中的廣泛性特點(diǎn)，更是很大程度上已經(jīng)超過了人們對其發(fā)展的期望，唯有如此才能在人工智能與機(jī)器人開發(fā)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)更大發(fā)展，而在實(shí)現(xiàn)人工智能軟件的開發(fā)環(huán)境中，則更需要加強(qiáng)對系統(tǒng)性能的模擬，以確保新一代人工智能開發(fā)空間的合理拓展，從而促進(jìn)產(chǎn)業(yè)研發(fā)效率的提高。

3 結(jié)束語

本文對SolidWorks 的功能特征進(jìn)行闡述，以具體的套筒案例說明了三維建模流程，以爪體的有限元應(yīng)力分析說明了在模擬仿真方向的優(yōu)勢，并通過調(diào)研分析出該軟件目前在人工智能仿真方面有一定的發(fā)展前景，以其中一種制造方法給出了合理化建議，為后續(xù)軟件開發(fā)與迭代提供參考。