1.3 SOLIDWORKS的設計思想

SOLIDWORKS 2018是一款機械設計自動化軟件，它采用了大家所熟悉的Microsoft Windows圖形用戶界面。使用這套簡單易學的工具，機械設計工程師能快速地按照其設計思想繪制出草圖，嘗試運用特征、尺寸來制作模型和詳細的工程圖。

利用SOLIDWORKS 2018不僅可以生成二維工程圖，而且可以生成三維零件，并可以利用這些三維零件來生成二維工程圖及三維裝配體，如圖1-47所示。

1.3.1 基于特征的零件建模基本過程

傳統的機械設計要求設計人員必須具有較強的三維空間想象能力和表達能力。當設計師接到一個新的零件設計任務時，他的腦海中必須構造出該零件的三維形狀，然后按照三視圖的投影規律，用二維工程圖將零件的三維形狀表達出來。隨著計算機相關技術，尤其是計算機圖形學的發展，CAD技術也逐漸由二維繪圖向三維設計過渡。三維CAD系統采用三維模型進行產品設計，設計過程如同實際產品的構造和加工制造過程一樣，反映產品真實的幾何形狀，并使設計過程更加符合設計師的設計習慣和思維方式。設計師可以更加專注于產品設計本身，而不是產品的圖形表示。

SOLIDWORKS是基于特征的實體造型軟件。“基于特征”這個術語的意思是：零件模型的構造是由各種特征來生成的，零件的設計過程就是特征的累積過程。

所謂特征，是指可以用參數驅動的實體模型。特征通常應滿足如下條件。

● 特征必須是一個實體或零件中的具體構成之一。

● 特征能對應于某一形狀。

● 特征應該具有工程上的意義。

● 特征的性質是可以預料的。

改變與特征相關的形狀與位置的定義，可以改變與模型相關的形位關系。對于某個特征，既可以將其與某個已有的零件相聯結，也可以把它從某個已有的零件中刪除。任何復雜的機械零件，從特征的角度看，都可以看成是由一些簡單的特征所組成的，所以可以把它們叫作組合體。

組合體按其組成方式可以分為特征疊加、特征切割和特征相交3種基本形式，如圖1-48所示。

零件建模前，一般應進行深入的特征分析，清楚零件是由哪幾個特征組成的，明確各個特征的形狀、它們之間的相對位置和表面連接關系；然后按照特征的主次關系，按一定的順序進行建模。下面就對上述3個簡單的零件進行特征分析。

疊加體零件a）可看作由3個簡單特征疊加而成，它們是作為底板的長方體特征1、半圓柱特征2和小長方體特征3，如圖1-49所示。

切割體零件b）可以看作由一個長方體被3個簡單特征切割而成，如圖1-50所示。

相交體零件c）可以看作由兩個圓柱體特征相交而成，如圖1-51所示。

一個復雜的零件可能是由許多個簡單特征經過相互之間的疊加、切割或相交組合而成的。零件建模時，特征的生成順序很重要。不同的建模過程雖然可以構造出同樣的實體零件，但其造型過程及實體的造型結構卻直接影響到實體模型的穩定性、可修改性、可理解性及可應用性。通常，實體零件越復雜，其穩定性、可靠性、可修改性、可理解性就越差。因此，在技術要求允許的情況下，應盡量簡化實體零件的特征結構。

SOLIDWORKS 2018按創建順序將構成零件的特征分為基本特征和構造特征兩類。最先建立的特征就是基本特征，它常常是零件最重要的特征。建立好基本特征后，才能創建其他各種特征，基本特征之外的這些特征統稱為構造特征。另外，按照特征生成方法的不同，又可以將構成零件的特征分為草繪特征和復雜特征。草繪特征是指在特征的創建過程中，設計者必須通過草繪特征截面才能生成的特征。創建草繪特征是零件建模過程中的主要工作。復雜特征是利用已有的特征和系統內部定義好的一些參數定義的特征，如陣列特征和鏡像特征等。

1.3.2 三維設計的3個基本概念

1.實體造型

實體造型就是在計算機中用一些基本元素來構造機械零件的完整幾何模型。傳統的工程設計方法是設計人員在圖紙上利用幾個不同的投影圖來表示一個三維產品的設計模型，圖紙上還有很多人為的規定、標準、符號和文字描述。對于一個較為復雜的部件，需要用若干張圖樣來描述。盡管這樣，圖樣上還是密布著各種線條、符號和標記等。工藝、生產和管理等部門的人員需要認真閱讀這些圖樣，理解設計意圖，通過不同視圖的描述想象出設計模型的每一個細節。這項工作非常艱苦，由于一個人的能力有限，設計人員不可能保證圖樣的每個細節都正確。盡管經過層層設計主管檢查和審批，圖樣上的錯誤總是在所難免。

對于過于復雜的零件，設計人員有時只能采用代用毛坯，邊加工設計邊修改的方法，經過長時間的艱苦工作后才能給出產品的最終設計圖樣。所以，傳統的設計方法嚴重影響著產品的設計制造周期和產品質量。

利用實體造型軟件進行產品設計時，設計人員可以在計算機上直接進行三維設計，在屏幕上能夠見到產品的真實三維模型，所以這是工程設計方法的一個突破。在產品設計中的一個總趨勢就是：產品零件的形狀和結構越復雜，更改越頻繁，采用三維實體軟件進行設計的優越性就越突出。

在計算機中建立零件模型后，工程師就可以在計算機上很方便地進行后續環節的設計工作了，如部件的模擬裝配、總體布置、管路鋪設、運動模擬、干涉檢查以及數控加工與模擬等。所以，它為在計算機集成制造和并行工程思想指導下實現整個生產環節采用統一的產品信息模型奠定了基礎。

大體上完整表示實體的方法有單元分解法、空間枚舉法、射線表示法、半空間表示法、構造實體幾何（CSG）以及邊界表示法（B-rep）6類。

2.參數化

傳統的CAD繪圖技術都用固定的尺寸值定義幾何元素，輸入的每一條線都有確定的位置。要想修改圖面內容，只能刪除原有線條后重畫。而新產品的開發設計需要多次反復修改，進行零件形狀和尺寸的綜合協調和優化。對于定型產品的設計，需要形成系列，以便針對用戶的生產特點提供不同噸位、不同功率、不同規格的產品型號。參數化設計可使產品的設計圖隨著某些結構尺寸的修改和使用環境的變化而自動修改圖形。

參數化設計一般是指設計對象的結構形狀比較定型，可以用一組參數來約束尺寸關系。參數的求解較為簡單，參數與設計對象的控制尺寸有著顯式的對應關系，設計結果的修改受到尺寸的驅動。生產中最常用的系列化標準件就屬于這一類型。

3.特征

特征是一個專業術語，它兼有形狀和功能兩種屬性，包括特定幾何形狀、拓撲關系、典型功能、繪圖表示方法、制造技術和公差要求。特征是產品設計與制造者最關注的對象，是產品局部信息的集合。特征模型利用高一層次的具有過程意義的實體（如孔、槽、內腔等）來描述零件。

基于特征的設計是把特征作為產品設計的基本單元，并將機械產品描述成特征的有機集合。

特征設計有突出的優點，在設計階段就可以把很多后續環節要使用的有關信息存儲到數據庫中。這樣便于實現并行工程，使設計繪圖、計算分析、工藝性審查到數控加工等后續環節工作都能順利完成。

1.3.3 設計過程

在SOLIDWORKS中，零件、裝配體和工程都屬于對象，它采用了自上而下的設計方法創建對象，圖1-52顯示了這種設計過程。

圖1-52中所表示的層次關系充分說明：在SOLID-WORKS中，零件設計是核心，特征設計是關鍵，草圖設計是基礎。

草圖指的是二維輪廓或橫截面。對草圖進行拉伸、旋轉、放樣或沿某一路徑掃描等操作后即生成特征，如圖1-53所示。

特征是指可以通過組合生成零件的各種形狀（如凸臺、切除、孔等）及操作（如圓角、倒角、抽殼等），圖1-54給出了幾種特征示例。

1.3.4 設計方法

1.零件設計

零件是SOLIDWORKS中最主要的對象。傳統的CAD設計方法是由平面（二維）到立體（三維），如圖1-55a所示。工程師首先設計出圖樣，工藝人員或加工人員根據圖樣還原出實際零件。然而在SOLIDWORKS中卻是工程師直接設計出三維實體零件，然后根據需要生成相關的工程圖，如圖1-55b所示。

此外，SOLIDWORKS零件設計的構造過程類似于真實制造環境下的生產過程，如圖1-56所示。

2.裝配件設計

裝配件是若干零件的組合，是SOLIDWORKS中的對象，通常用來實現一定的設計功能。在SOLIDWORKS中，用戶先設計好所需的零件，然后根據配合關系和約束條件將零件組裝在一起，生成裝配件。使用配合關系，可相對于其他零部件來精確地定位零部件，還可定義零部件如何相對于其他零部件移動和旋轉。通過繼續添加配合關系，還可以將零部件移到所需位置。配合會在零部件之間建立幾何關系，例如共點、垂直、相切等。每種配合關系只對于特定的幾何實體組合有效。

圖1-57所示為一個簡單的裝配體，由頂蓋和底座兩個零件組成，其設計、裝配過程如下所述。

1）首先設計出兩個零件。

2）新建一個裝配體文件。

3）將兩個零件分別拖入到新建的裝配體文件中。

4）使頂蓋底面和底座頂面“重合”，頂蓋底一個側面和底座對應的側面“重合”，再將頂蓋和底座裝配在一起，從而完成裝配工作。

3.工程圖設計

工程圖就是常說的工程圖樣，是SOLIDWORKS系統中的對象，用來記錄和描述設計結果，是工程設計中的主要檔案文件。

用戶由設計好的零件和裝配件，按照圖紙的表達需要，通過SOLIDWORKS系統中的命令可以生成各種視圖、剖面圖、軸側圖等，然后添加尺寸說明，即可得到最終的工程圖。圖1-58顯示了一個零件的多個視圖，它們都是由實體零件自動生成的，無須進行二維繪圖設計，這也體現了三維設計的優越性。此外，若對零件或裝配體進行了修改，則對應的工程圖文件也會相應地修改。