本文介紹了鐵路貨運粉狀貨物罐車的CAD建模裝配法相關內容。

　　在制造企業中，有效的軟件不但能縮短產品的設計周期同時還能提高設計質量。本文作者根據企業本身主導產品的技術特點，利用SolidWorks軟件探索了從零件設計、部件設計到最終產品裝配設計的實現方法及設計技巧，以供讀者參考。

　　一、SolidWorks功能綜述

　　SolidWorks軟件功能強大并且易學易用，因而近年來在機械設計行業得到了廣泛的應用。其功能特點主要包括如下幾點:

　　(1) 參數化設計、特征建模技術及設計過程的全相關性使其具有很好的設計柔性，即設計過程靈活，修改方便;

　　(2) 全Windows特性的特征管理器使設計過程的操作及管理條理清晰，操作簡單，完整的動態界面和鼠標動態控制對設計復雜零件是非常實用而且特別重要的技術手段;

　　(3) 功能強大的CAD模塊包括了草圖設計、曲面建模、實體建模和鈑金零件設計等，可以完成基于特征的CAD模型建立，滿足機械設計要求;

　　(4) 面向裝配的零件設計為大型裝配體的建模提供了重要的技術方法，其IPA動畫制作可以實現動態模擬裝配，同時可以進行運動分析，從而在計算機里完成零件設計正確與否的校驗;

　　(5) SolidWorks是包含了CAD/CAM/CAE功能的集成化軟件，全面滿足設計、分析、制造、產品數據管理的一體化要求。

　　綜上所述，SolidWorks軟件的基本設計思路為“實體造型→虛擬裝配→二維圖紙”，三維實體建模使設計過程形象而且直觀，虛擬裝配可以實現設計過程的隨時校驗，從而避免可能造成的直接經濟損失。二維圖紙的自動繪制也滿足了實際生產的需求，從而完全滿足機械設計企業的設計生產要求，因而得到廣泛的應用。

　　二、相關技術基礎

　　1.參數化造型

　　參數化造型(Parametric Modeling，又稱尺寸驅動幾何造型技術)中，物體的幾何外形是由受約束的數學關系式來定義的，而不僅僅取決于簡單的、孤立的尺寸參數。其主要技術特點在于：基于特征，全尺寸約束，尺寸驅動設計修改以及全數據相關。

　　(1)基于特征 將某些具有代表性的幾何形狀定義為特征，并將其所有尺寸定義為可變參數，進而形成實體，以此為基礎進行更為復雜的幾何形體的構造;

　　(2)全尺寸約束 將形狀和尺寸聯合起來考慮，通過尺寸約束來實現對幾何形狀的控制。造型必須以完整的尺寸參數為出發點(全約束)，不能漏注尺寸(欠約束)，也不能多注尺寸(過約束);

　　(3)尺寸驅動設計修改 通過修改尺寸數值來驅動幾何形狀的改變;

　　(4)全數據相關 尺寸參數的修改帶動其他相關模型中的相關尺寸的更新，從而驅動模型更新。

　　采用參數化造型進行設計，最大的優點是CAD系統會自動記錄幾何建模的整個過程。換句話說，系統不僅記錄幾何模型，同時還記錄設計意圖即實體間的關系。修改零件形狀時，只需編輯尺寸的數值即可實現形狀上的改變。

　　2.關聯設計

　　在傳統的CAD系統中，裝配體(部件)設計大都采用自底向上的方法，即首先設計出各部分組成零件，然后再把設計好的零件拼裝在一起，各零件間不存在任何關聯關系。當部件功能或結構需做出調整時，相關零件的結構形式、尺寸不會自動做出相應的改變;反之，當某零件發生改變時，部件功能或結構也不會做出自動調整。零件之間的裝配關系和尺寸協調完全依靠設計人員手工完成。這種CAD系統實際上僅起到了輔助制圖的作用。要使CAD系統真正有效地工作，必須采用基于關聯的設計方法，即以零件所包含的各種幾何信息為數據源頭，通過幾何繼承、數學推導等方式獲取其他所需信息，選用適當的約束傳播和求解模型，來構筑一個具有實時響應變更能力的信息資源高度共享的體系。

　　SolidWorks軟件能很好地實現設計過程的關聯性。對于存在裝配關系的零件，可以建立其配合部分的尺寸關聯，尺寸值可以相互驅動與影響。例如， A零件的a尺寸與B零件的b尺寸存在尺寸關系b=a+0.1，那么如果改變A零件模型中的尺寸值a，可以驅動B零件模型的同步協調改變。這樣在設計過程中一方面可以提高設計效率，同時也可以避免錯誤。從而實現了零件之間的關聯設計，對于大型裝配體的三維設計具有重大的實際意義。

　　三、實現方法

　　我廠的主要產品是鐵路罐車成品及相關配套部件，因此設計部門的主要工作包括零部件設計及最終的產品裝配設計。由于市場競爭的日趨激烈，因此產品的種類越來越多，更新換代也越來越快，這就對設計、生產及管理提出了更高的要求。對于設計部門來說，設計效率和設計過程的準確性對于縮短產品研發周期和降低生產成本都意義重大。因此我廠對設計部門的軟硬件投入力度很大，并采用了功能強大且易于掌握的SolidWorks作為產品設計的軟件平臺。

　　具體說明如下：

　　(1) 零件可分為3類，一是用于通用部件的常用標準件(例如螺釘、彈簧等)，二是用于某一大類產品的子零件(可視為半標準件)，三是某類產品的特有零件。在分析產品的設計要求后，可以對其中的子零件進行分類管理，便于合理分工并協調設計人員甚至不同部門之間的設計進程，同時可以避免重復勞動(因為標準件和半標準件的設計可能已經完成)，抓住設計任務的重點和難點，從而有效提高工作效率;

　　(2) 部件設計也可分為兩類，一類是通用的標準結構體，這部分設計可以在平時完成并且可以適用于絕大多數總裝配體。第二類是專用部件的子裝配體，這部分設計是對產品設計中包含創新性的部分，因而應該特別注意其設計進度與質量，進而保證總體設計質量與效率;

　　(3) IPA動畫裝配設計校驗是保證設計質量的重要技術手段，用SolidWorks的虛擬動畫裝配并輔助以機構運動分析，既可以對零件設計進行參數上的檢查(排除人為因素的影響)，又可以對整個產品的結構及功能進行合理性分析，從而有效避免方案設計和人工設計中可能存在的錯誤，避免更大的直接經濟損失;

　　(4) 設計技巧。由于大型罐車產品的裝配體包含幾百甚至上千的零件，因此在設計過程中必須對零件進行適度的“簡化”處理，否則產品的總裝配體的動畫仿真甚至只是簡單的旋轉都非常緩慢。因此在不影響整體效果的前提下，采用了如下兩種方法進行處理以提高設計效率：

　　1)裝配體中的零件顯示方式有實體、線框等方式(甚至可以用參數控制零件在裝配體中是否顯示)，對于有些非關鍵零件可以忽略其內部形狀及細節描述，這樣可以有效地降低對于計算機硬件的要求，從而使大型裝配體的顯示操作變得快捷而且逼真;

　　2)用圖層設置對大裝配體中的零、部件進行分類管理(單個零件的設計也應對實體、基準面及草圖等相應地進行分層管理)，這樣對于圖形顯示、編輯及動畫模擬等都重要的意義。零件、部件間的裝配信息可以利用SolidWorks軟件的Property Manager來獲取，從而檢查是否按照其應有的裝配約束(如貼合、對齊、同軸等)進行了正確的裝配操作。

　　四、應用實例

　　基于以上的設計思路及技術手段，我們在產品設計過程中采用了三維的全參數化設計方法，相對于傳統的手工繪圖設計及二維軟件設計，不但提高了設計效率，而且提高了設計的準確性，從而實實在在地提高了產品的市場競爭力，為企業的發展注入了新的活力。

　　下面以我廠主導設計的鐵路臥式粉狀貨物罐車為例，來說明其零件的參數化設計及產品的裝配設計方法。

　　圖1為罐體的參數化3D模型。罐體的主要功能是運輸及裝卸貨物，需根據自重、載重、工作壓力等來設計罐體的長度L、半徑r及壁厚δ，同時設計時要考慮到它與幾個蓋板間的裝配關系，將其作為其他零件的父零件來處理。在模型中同時建立用于裝配的基準軸和基準面，而且這些特征也都是參數驅動的，并放在專用圖層中。

圖1 罐體的參數化3D模型

　　圖2為罐體與枕梁上蓋板、牽引梁上蓋板的裝配圖。兩個蓋板零件在裝配樹中都以罐體為其父節點，在進行參數化建模時，除了模型本身的參數驅動外，還應建立其與父零件(罐體)之間的參數關聯：枕梁上蓋板及牽引梁上蓋板的半徑等于罐體半徑加上罐體壁厚。同時建立用于裝配的基準軸及基準面，在進行裝配建模時，通過與罐體的軸向同軸約束及基準面的貼合約束，就可以建立參數化的裝配模型，同時罐體半徑的改變可以傳遞并且驅動兩個蓋板模型的更新。

圖2 罐體與枕梁上蓋板、牽引梁上蓋板的裝配圖

　　圖3為罐體裝配與車體其他部分的最終裝配效果。由于在零件建模時采用了圖層管理及良好的參數控制，因此裝配校驗變得非常簡單而且明晰，通過圖層的關閉、裝配樹中對零件的抑制與反抑制等方法來控制零件及部件(專用和通用)的顯示，通過參數的關聯、傳遞、模型驅動及IPA方法來檢驗設計結果，從而保證零件設計與裝配設計之間的協調一致，并且通過IPA動畫模擬還避免了部件之間可能發生的干涉。

圖3 罐體裝配與車體其他部分最終裝配效果

　　五、結論

　　通過CAD軟件及相關設計技術的應用，我廠的產品設計周期大大縮短，設計質量也得到了顯著提高，從而提高了本企業產品的市場競爭力，取得了顯著的社會效益和經濟效益。