三维参数化设计在舞台机械设计中的应用

avanipis

【摘  要】 介绍应用SolidWorks软件对舞台机械卷扬机总成进行三维参数化设计的意义和方法，提出三维参数化设计的延 伸应用，总结三维参数化设计中需要注意的事项和仍然存在的问题。
【关键词】 SolidWorks;三维参数化设计;舞台机械;卷扬机
文章編号： 10.3969/j.issn.1674-8239.2018.12.008
1 前 言
舞台机械吊杆类设备设计中，卷扬机总成占据了其设计工作量的大部分，因此，提高这部分的设计效率和设计质量，是提高吊杆设计效率的关键。卷扬机总成虽为非标设计，但其具有系列化的特点。在传统的二维CAD设计里，对此特点的设计非常低效，必须逐一修改卷扬机总图和零件图，且修改时常常会顾此失彼，很难保证设计质量，同时，校审的工作量依然没有减少。但是，在三维设计平台上，利用三维软件提供的自顶向下的设计方法和可参数化、二维三维相关联等特性，能够最大程度地提高卷扬机总成的设计效率和质量，减少校审内容，从而大大缩短吊杆类设备的设计时间。
应用SolidWorks软件对吊杆类卷扬机总成进行三维参数化设计的研究，目前已经完成了电动吊杆、假台口、单点吊机等几种设备的卷扬机总成三维参数化设计模板，并在多个工程的吊杆类设计中得到了成功应用，大幅提高了设计效率，使得设计质量也有明显提升。
2 卷扬机总成模型的三维参数化设计
2.1 卷扬机总成模型零部件特征参数分析
对卷扬机总成进行分解，一个卷扬机总成包含40多个零部件，分为加工件、外购件、标准件等。每一个零件又由不同的特征参数组成：几何特征参数、装配特征参数、属性特征参数等。图1所示为卷扬机总成各组成的树状图，可以清晰地表明卷扬机总成的所有信息。
通过对以上树状图分析，卷扬机总成特征可以抽象为有限个特征参数（特征参数1～特征参数n），当然这些特征参数归属为不同的零部件，并且特征参数绝大部分是固定不变的，只有小部分特征参数决定了卷扬机总成的设计。
2.2 卷扬机总成模型零部件特征关联分析及提取
从2.1的特征分析可以得到卷扬机总成的所有特征参数，这些特征参数尽管分别属于不同的零部件，但是同一个零部件之间的特征参数以及不同零部件的特征参数存在关联。卷扬机总成模型的建立就是在模型中关联这些特征参数，并形成约束，这就是建立卷扬机总成模型的意义所在。当一个特征参数改变时，和其有约束关系的其他特征参数在不破坏装配关系的情况下会存在自动调整机制，零部件之间形成联动，达到设计的自动化。卷扬机总成模型零件特征参数之间的相互关联见图2所示，特征参数之间的连线表示两特征参数之间有关联约束关系。
由于特征参数的描述往往比较抽象，不利于设计师理解设计的内容。为了更方便地服务于设计师，在模型建立时可以提取独立的特征参数作为设计参数固化在模型中，设计者只需要知道设计参数代表的意义，而不需要进入到零部件内部修改这些特征参数。这样做大大降低了生成新产品时三维模板的修改难度和工作量，使参数化模型简单易用。图2也反应了特征参数的提取，从图中可以看出卷扬机装配总成的特征参数是由零件的特征参数提取而来。
2.3 卷扬机总成模型建立
2.3.1 模型属性特征参数分析
模型设置包括三维文件模型和二维文件模型。三维文件模型又分为装配体模型和零件模型，主要设置的是三维模型文件的各个属性参数。这些属性参数是和二维工程图的标题栏中的各项内容相对应的，如工程名称、设计阶段、装配体（零件）名称、图号、件号、数量、材料、重量等，三维模型文件的属性赋值后，二维工程图的标题栏就能自动完成，同时，二维装配总图中的材料明细BOM表也能据此自动生成。二维文件模型需要设置的内容较多，包括二维工程图的各类字体、线型、线粗以及各种二维图纸符号的格式;另外，还需要设置图纸格式模型、材料明细表模型、自定义材料库等，如果需要转换成DWG格式图纸，还需要设置字体和线型转换格式模型。
模板是保证产品标准化设计的基础，必须严格、细致地制定。
2.3.2 建立外购件模型库
对于各类常用编码器、轴承、传感器、电动机、减速器等外购件需建立参数化的模型库，方便随时增加型号，同时也保证其他零件上的轴径、安装孔和轴承开孔等特征能根据所选外购件的型号更改而自动修改，以提高设计效率。
2.3.3 卷扬机总成三维模型参数关联及提取
利用上文2.2节提到的方法，对卷扬机总成采用自顶向下的装配体设计，设置的全局变量（常数）只包含吊杆卷扬机布置参数和一些需要计算确定的值，如钢丝绳直径、绳槽螺距、绳槽底径、卷筒体壁厚，卷筒体外径、吊点数量、吊点距离、卷筒总长等，如图3所示。然后在装配体环境中建立各零件文件，以卷筒为首个零件，在装配体中建模、定位后，作为其他零件建模和定位的基准。零件设计时，应尽量利用与周边零部件的约束关系和逻辑关系生成特征关联约束。如果零件之间没有直接的逻辑关系，可以引入方程式，在零件之间或者零件内部形成特征关联约束（方程式关联如图3所示）。在零件层面不设置全局变量，如有需要，也应在装配体层面设置，通过方程式引入零件，以此保证以后模板参数的修改始终只在装配体层进行，使修改内容一目了然。当所有零件建模完成后，用软件自带的Toolbox国标紧固件库加入所有标准紧固件。卷扬机总成三维模型如图4所示。
2.3.4 生成卷扬机总成和零件二维工程图
以卷扬机总成三维模型生成其二维总图，如图5所示。首先，选取合适的图纸幅面和绘图比例，自动生成带相应图框和标题栏的空白图纸;然后，利用软件丰富的二维视图功能，生成所有需要的视图，接着对视图进行尺寸和其他标注，再利用材料明细BOM表模板自动生成材料明细表，调整零件序号顺序;最后，插入卷扬机技术特性表和说明文字模块，修改相应值，一张卷扬机总图即可完成。
零件的二维图纸生成方法与上述相同。二维工程图可以方便地转换为PDF和DWG格式文件，方便交互。
2.3.5 三维参数化模型的使用
三维参数化模板設计好后，将其三维和二维文件一起打包，单独保存。当需要利用其生成新产品时，打包到新目录结构下，根据吊杆计算结果修改全局变量，调整卷扬机三维模型。然后，打开相应的装配或零件工程图，此时，工程图中的视图、尺寸标注等会自动关联修改，只需调整图面布局和尺寸分布，修改相关注释文字，即完成整套新卷扬机总成的全部设计工作。设计效率高，设计质量保证性好。
2.4 三维参数化设计注意事项和存在的问题
（1）三维参数化设计虽然好处很多，但是最大的问题在于要想建立理想的参数化模板，前期需要投入大量的精力，研究软件性能，分析产品特点，制定规范的二、三维文件模板，建立外购件模型库、设计三维模型，生成二维工程图，这些步骤环环相扣。前期应详加考虑，科学规划，尽可能减少后期修改，否则很多工作可能要推倒重来。
（2）参数化模型的参数设置要深思熟虑，科学合理。既要根据模型本身的结构特点和建模方法来设置，更要从今后模板修改重用便利的角度出发，因此，参数数量要尽可能少，并且应都位于顶层装配体中。据此建立的产品模板，修改清晰明确，无需深入模型底层，便于大范围地推广应用和质量控制。
（3）运用自顶向下的设计方法，在装配体环境中生成零件时，要结合零件在二维图纸中需要表现的视图综合考虑零件文件自身基准面的选择及零件在装配体中的定位关系，以避免因无法生成合适的二维工程图而导致模型返工的情况。
（4）要利用属性选项卡编制器编制三维模型文件的属性模板，并以模板对三维模型文件属性进行赋值，可以大大提高效率。
（5）零件在装配总图材料明细表中的件号和数量属性无法链接到零件工程图中，降低了零件二维工程图的生成效率，也增加了校核内容，已向软件商反映，希望能在新版本中改善。
（6）目前，对于卷扬机总成装配体模型，其二维总图运行速度仍然不够流畅，修改、保存延时较长。在和其他行业单位的交流中发现，其们设计的全参数化三维模型也有类似现象。这种情况一方面需要对模型进一步优化，减少运算量，另一方面也寄希望，软件商能尽力提高软件性能，发挥参数化设计的最大优势。
3 结语
当三维设计已成为不可阻挡的潮流，要不要用三维进行产品设计已不再是问题，如何尽快转换设计平台，最大化利用三维设计平台的性能及其设计方法，实施产品标准化设计，提升设计实力和产品质量才是大家最关心的内容。通过几年来对应用SolidWorks软件进行舞台机械设备智能化设计的研究，探索舞台机械产品的三维参数化设计方法，设计并不断完善各类型吊杆卷扬机总成三维参数化模板。从多个工程的实际应用来看，三维设计应用于舞台机械设备行业大有潜力可挖。希望能与行业同仁共同探索交流，加大应用，加速推广，全力开拓舞台机械行业产品的三维设计之路。
参考文献：
[1] DS SolidWorks公司. SolidWorks零件和装配体教程（2010版）[M]. 北京：机械工业出版社，2010，4.
[2]DS SolidWorks公司. SolidWorks工程图教程（2010版）[M]. 北京：机械工业出版社，2010，4.
[3]DS SolidWorks公司. SolidWorks Simulation基础教程（2010版）[M]. 北京：机械工业出版社，2010，4.