三維參數(shù)化設(shè)計(jì)在舞臺(tái)機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

宋瀛海 戴歡斌 尹洪 徐世章

【摘? ? 要】 介紹應(yīng)用SolidWorks軟件對(duì)舞臺(tái)機(jī)械卷揚(yáng)機(jī)總成進(jìn)行三維參數(shù)化設(shè)計(jì)的意義和方法，提出三維參數(shù)化設(shè)計(jì)的延 伸應(yīng)用，總結(jié)三維參數(shù)化設(shè)計(jì)中需要注意的事項(xiàng)和仍然存在的問題。

【關(guān)鍵詞】 SolidWorks;三維參數(shù)化設(shè)計(jì);舞臺(tái)機(jī)械;卷揚(yáng)機(jī)

文章編號(hào)： 10.3969/j.issn.1674-8239.2018.12.008

1? 前? 言

舞臺(tái)機(jī)械吊桿類設(shè)備設(shè)計(jì)中，卷揚(yáng)機(jī)總成占據(jù)了其設(shè)計(jì)工作量的大部分，因此，提高這部分的設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，是提高吊桿設(shè)計(jì)效率的關(guān)鍵。卷揚(yáng)機(jī)總成雖為非標(biāo)設(shè)計(jì)，但其具有系列化的特點(diǎn)。在傳統(tǒng)的二維CAD設(shè)計(jì)里，對(duì)此特點(diǎn)的設(shè)計(jì)非常低效，必須逐一修改卷揚(yáng)機(jī)總圖和零件圖，且修改時(shí)常常會(huì)顧此失彼，很難保證設(shè)計(jì)質(zhì)量，同時(shí)，校審的工作量依然沒有減少。但是，在三維設(shè)計(jì)平臺(tái)上，利用三維軟件提供的自頂向下的設(shè)計(jì)方法和可參數(shù)化、二維三維相關(guān)聯(lián)等特性，能夠最大程度地提高卷揚(yáng)機(jī)總成的設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，減少校審內(nèi)容，從而大大縮短吊桿類設(shè)備的設(shè)計(jì)時(shí)間。

應(yīng)用SolidWorks軟件對(duì)吊桿類卷揚(yáng)機(jī)總成進(jìn)行三維參數(shù)化設(shè)計(jì)的研究，目前已經(jīng)完成了電動(dòng)吊桿、假臺(tái)口、單點(diǎn)吊機(jī)等幾種設(shè)備的卷揚(yáng)機(jī)總成三維參數(shù)化設(shè)計(jì)模板，并在多個(gè)工程的吊桿類設(shè)計(jì)中得到了成功應(yīng)用，大幅提高了設(shè)計(jì)效率，使得設(shè)計(jì)質(zhì)量也有明顯提升。

2? 卷揚(yáng)機(jī)總成模型的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)

2.1? 卷揚(yáng)機(jī)總成模型零部件特征參數(shù)分析

對(duì)卷揚(yáng)機(jī)總成進(jìn)行分解，一個(gè)卷揚(yáng)機(jī)總成包含40多個(gè)零部件，分為加工件、外購件、標(biāo)準(zhǔn)件等。每一個(gè)零件又由不同的特征參數(shù)組成：幾何特征參數(shù)、裝配特征參數(shù)、屬性特征參數(shù)等。圖1所示為卷揚(yáng)機(jī)總成各組成的樹狀圖，可以清晰地表明卷揚(yáng)機(jī)總成的所有信息。

通過對(duì)以上樹狀圖分析，卷揚(yáng)機(jī)總成特征可以抽象為有限個(gè)特征參數(shù)（特征參數(shù)1～特征參數(shù)n），當(dāng)然這些特征參數(shù)歸屬為不同的零部件，并且特征參數(shù)絕大部分是固定不變的，只有小部分特征參數(shù)決定了卷揚(yáng)機(jī)總成的設(shè)計(jì)。

2.2? 卷揚(yáng)機(jī)總成模型零部件特征關(guān)聯(lián)分析及提取

從2.1的特征分析可以得到卷揚(yáng)機(jī)總成的所有特征參數(shù)，這些特征參數(shù)盡管分別屬于不同的零部件，但是同一個(gè)零部件之間的特征參數(shù)以及不同零部件的特征參數(shù)存在關(guān)聯(lián)。卷揚(yáng)機(jī)總成模型的建立就是在模型中關(guān)聯(lián)這些特征參數(shù)，并形成約束，這就是建立卷揚(yáng)機(jī)總成模型的意義所在。當(dāng)一個(gè)特征參數(shù)改變時(shí)，和其有約束關(guān)系的其他特征參數(shù)在不破壞裝配關(guān)系的情況下會(huì)存在自動(dòng)調(diào)整機(jī)制，零部件之間形成聯(lián)動(dòng)，達(dá)到設(shè)計(jì)的自動(dòng)化。卷揚(yáng)機(jī)總成模型零件特征參數(shù)之間的相互關(guān)聯(lián)見圖2所示，特征參數(shù)之間的連線表示兩特征參數(shù)之間有關(guān)聯(lián)約束關(guān)系。

由于特征參數(shù)的描述往往比較抽象，不利于設(shè)計(jì)師理解設(shè)計(jì)的內(nèi)容。為了更方便地服務(wù)于設(shè)計(jì)師，在模型建立時(shí)可以提取獨(dú)立的特征參數(shù)作為設(shè)計(jì)參數(shù)固化在模型中，設(shè)計(jì)者只需要知道設(shè)計(jì)參數(shù)代表的意義，而不需要進(jìn)入到零部件內(nèi)部修改這些特征參數(shù)。這樣做大大降低了生成新產(chǎn)品時(shí)三維模板的修改難度和工作量，使參數(shù)化模型簡單易用。圖2也反應(yīng)了特征參數(shù)的提取，從圖中可以看出卷揚(yáng)機(jī)裝配總成的特征參數(shù)是由零件的特征參數(shù)提取而來。

2.3? 卷揚(yáng)機(jī)總成模型建立

2.3.1? 模型屬性特征參數(shù)分析

模型設(shè)置包括三維文件模型和二維文件模型。三維文件模型又分為裝配體模型和零件模型，主要設(shè)置的是三維模型文件的各個(gè)屬性參數(shù)。這些屬性參數(shù)是和二維工程圖的標(biāo)題欄中的各項(xiàng)內(nèi)容相對(duì)應(yīng)的，如工程名稱、設(shè)計(jì)階段、裝配體（零件）名稱、圖號(hào)、件號(hào)、數(shù)量、材料、重量等，三維模型文件的屬性賦值后，二維工程圖的標(biāo)題欄就能自動(dòng)完成，同時(shí)，二維裝配總圖中的材料明細(xì)BOM表也能據(jù)此自動(dòng)生成。二維文件模型需要設(shè)置的內(nèi)容較多，包括二維工程圖的各類字體、線型、線粗以及各種二維圖紙符號(hào)的格式;另外，還需要設(shè)置圖紙格式模型、材料明細(xì)表模型、自定義材料庫等，如果需要轉(zhuǎn)換成DWG格式圖紙，還需要設(shè)置字體和線型轉(zhuǎn)換格式模型。

模板是保證產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，必須嚴(yán)格、細(xì)致地制定。

2.3.2? 建立外購件模型庫

對(duì)于各類常用編碼器、軸承、傳感器、電動(dòng)機(jī)、減速器等外購件需建立參數(shù)化的模型庫，方便隨時(shí)增加型號(hào)，同時(shí)也保證其他零件上的軸徑、安裝孔和軸承開孔等特征能根據(jù)所選外購件的型號(hào)更改而自動(dòng)修改，以提高設(shè)計(jì)效率。

2.3.3? 卷揚(yáng)機(jī)總成三維模型參數(shù)關(guān)聯(lián)及提取

利用上文2.2節(jié)提到的方法，對(duì)卷揚(yáng)機(jī)總成采用自頂向下的裝配體設(shè)計(jì)，設(shè)置的全局變量（常數(shù)）只包含吊桿卷揚(yáng)機(jī)布置參數(shù)和一些需要計(jì)算確定的值，如鋼絲繩直徑、繩槽螺距、繩槽底徑、卷筒體壁厚，卷筒體外徑、吊點(diǎn)數(shù)量、吊點(diǎn)距離、卷筒總長等，如圖3所示。然后在裝配體環(huán)境中建立各零件文件，以卷筒為首個(gè)零件，在裝配體中建模、定位后，作為其他零件建模和定位的基準(zhǔn)。零件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量利用與周邊零部件的約束關(guān)系和邏輯關(guān)系生成特征關(guān)聯(lián)約束。如果零件之間沒有直接的邏輯關(guān)系，可以引入方程式，在零件之間或者零件內(nèi)部形成特征關(guān)聯(lián)約束（方程式關(guān)聯(lián)如圖3所示）。在零件層面不設(shè)置全局變量，如有需要，也應(yīng)在裝配體層面設(shè)置，通過方程式引入零件，以此保證以后模板參數(shù)的修改始終只在裝配體層進(jìn)行，使修改內(nèi)容一目了然。當(dāng)所有零件建模完成后，用軟件自帶的Toolbox國標(biāo)緊固件庫加入所有標(biāo)準(zhǔn)緊固件。卷揚(yáng)機(jī)總成三維模型如圖4所示。

2.3.4? 生成卷揚(yáng)機(jī)總成和零件二維工程圖

以卷揚(yáng)機(jī)總成三維模型生成其二維總圖，如圖5所示。首先，選取合適的圖紙幅面和繪圖比例，自動(dòng)生成帶相應(yīng)圖框和標(biāo)題欄的空白圖紙;然后，利用軟件豐富的二維視圖功能，生成所有需要的視圖，接著對(duì)視圖進(jìn)行尺寸和其他標(biāo)注，再利用材料明細(xì)BOM表模板自動(dòng)生成材料明細(xì)表，調(diào)整零件序號(hào)順序;最后，插入卷揚(yáng)機(jī)技術(shù)特性表和說明文字模塊，修改相應(yīng)值，一張卷揚(yáng)機(jī)總圖即可完成。

零件的二維圖紙生成方法與上述相同。二維工程圖可以方便地轉(zhuǎn)換為PDF和DWG格式文件，方便交互。

2.3.5? 三維參數(shù)化模型的使用

三維參數(shù)化模板設(shè)計(jì)好后，將其三維和二維文件一起打包，單獨(dú)保存。當(dāng)需要利用其生成新產(chǎn)品時(shí)，打包到新目錄結(jié)構(gòu)下，根據(jù)吊桿計(jì)算結(jié)果修改全局變量，調(diào)整卷揚(yáng)機(jī)三維模型。然后，打開相應(yīng)的裝配或零件工程圖，此時(shí)，工程圖中的視圖、尺寸標(biāo)注等會(huì)自動(dòng)關(guān)聯(lián)修改，只需調(diào)整圖面布局和尺寸分布，修改相關(guān)注釋文字，即完成整套新卷揚(yáng)機(jī)總成的全部設(shè)計(jì)工作。設(shè)計(jì)效率高，設(shè)計(jì)質(zhì)量保證性好。

2.4? 三維參數(shù)化設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)和存在的問題

（1）三維參數(shù)化設(shè)計(jì)雖然好處很多，但是最大的問題在于要想建立理想的參數(shù)化模板，前期需要投入大量的精力，研究軟件性能，分析產(chǎn)品特點(diǎn)，制定規(guī)范的二、三維文件模板，建立外購件模型庫、設(shè)計(jì)三維模型，生成二維工程圖，這些步驟環(huán)環(huán)相扣。前期應(yīng)詳加考慮，科學(xué)規(guī)劃，盡可能減少后期修改，否則很多工作可能要推倒重來。

（2）參數(shù)化模型的參數(shù)設(shè)置要深思熟慮，科學(xué)合理。既要根據(jù)模型本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和建模方法來設(shè)置，更要從今后模板修改重用便利的角度出發(fā)，因此，參數(shù)數(shù)量要盡可能少，并且應(yīng)都位于頂層裝配體中。據(jù)此建立的產(chǎn)品模板，修改清晰明確，無需深入模型底層，便于大范圍地推廣應(yīng)用和質(zhì)量控制。

（3）運(yùn)用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，在裝配體環(huán)境中生成零件時(shí)，要結(jié)合零件在二維圖紙中需要表現(xiàn)的視圖綜合考慮零件文件自身基準(zhǔn)面的選擇及零件在裝配體中的定位關(guān)系，以避免因無法生成合適的二維工程圖而導(dǎo)致模型返工的情況。

（4）要利用屬性選項(xiàng)卡編制器編制三維模型文件的屬性模板，并以模板對(duì)三維模型文件屬性進(jìn)行賦值，可以大大提高效率。

（5）零件在裝配總圖材料明細(xì)表中的件號(hào)和數(shù)量屬性無法鏈接到零件工程圖中，降低了零件二維工程圖的生成效率，也增加了校核內(nèi)容，已向軟件商反映，希望能在新版本中改善。

（6）目前，對(duì)于卷揚(yáng)機(jī)總成裝配體模型，其二維總圖運(yùn)行速度仍然不夠流暢，修改、保存延時(shí)較長。在和其他行業(yè)單位的交流中發(fā)現(xiàn)，其們設(shè)計(jì)的全參數(shù)化三維模型也有類似現(xiàn)象。這種情況一方面需要對(duì)模型進(jìn)一步優(yōu)化，減少運(yùn)算量，另一方面也寄希望，軟件商能盡力提高軟件性能，發(fā)揮參數(shù)化設(shè)計(jì)的最大優(yōu)勢。

3? 結(jié)語

當(dāng)三維設(shè)計(jì)已成為不可阻擋的潮流，要不要用三維進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)已不再是問題，如何盡快轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)平臺(tái)，最大化利用三維設(shè)計(jì)平臺(tái)的性能及其設(shè)計(jì)方法，實(shí)施產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，提升設(shè)計(jì)實(shí)力和產(chǎn)品質(zhì)量才是大家最關(guān)心的內(nèi)容。通過幾年來對(duì)應(yīng)用SolidWorks軟件進(jìn)行舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備智能化設(shè)計(jì)的研究，探索舞臺(tái)機(jī)械產(chǎn)品的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)并不斷完善各類型吊桿卷揚(yáng)機(jī)總成三維參數(shù)化模板。從多個(gè)工程的實(shí)際應(yīng)用來看，三維設(shè)計(jì)應(yīng)用于舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備行業(yè)大有潛力可挖。希望能與行業(yè)同仁共同探索交流，加大應(yīng)用，加速推廣，全力開拓舞臺(tái)機(jī)械行業(yè)產(chǎn)品的三維設(shè)計(jì)之路。

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