基于SolidWorks的電子設備結構DFA應用研究

邢焰

摘要：利用SolidWorks軟件環境對面向裝配的設計（DFA）在電子設備結構設計方面的應用進行了研究，提出了基于SolidWorks的DFA研究目的，探討了建立虛擬裝配體的方法和在本地以及PDM建立各類庫文件的原則和要點，對虛擬裝配體進行裝配性能分析，主要包含了直觀檢查、干涉檢查、公差分析以及裝配輔助等措施。

關鍵詞：面向裝配的設計；簡化設計；虛擬裝配；模塊化設計

中圖分類號：TH136 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）02-0094-02

隨著現代電子產品的高度集成化和小型化，以及用戶對設備的可靠性、環境適應性等提出的越來越嚴格的要求，使得電子設備結構復雜程度不斷提高，也使產品的裝配面臨越來越多的困難，導致出現裝配質量下降、裝配效率降低等一系列問題。在這一環境下，引入面向裝配的設計（DFA）這一產品開發模式，在電子設備結構設計階段即充分考慮產品的裝配環節以及各種相關因素的影響，采用簡化產品設計、減少零件數量、使用標準件、零件裝配模塊化和減少裝配過程中的調節、裝配防錯等方法，并利用分析、評價、規劃、仿真等各種技術手段，不斷地完善設計和改進裝配性能，確保裝配工序簡單、效率高、質量高、不良率低和成本低[1]。

1 基于SolidWorks的DFA應用方法

將SolidWorks功能和DFA方法相結合，在SolidWorks的環境下，主要可以進行以下三方面的應用方法研究。

1.1 簡化設計

簡化設計就是在設計中遵循KISS原則。簡化設計過程往往是對已有的產品結構進行提煉和優化的過程，可以充分利用CAD的數據存儲和規劃優勢，建立各種庫文件，選擇和調用成熟設計和模塊，構建具有較高裝配性能的產品。

1.2 標準化模塊化設計

在電子設備結構設計過程中，運用標準化和模塊化的設計方法，能大幅提高裝配質量的可靠性，使裝配問題能更早、更容易被發現，從而提高產品裝配效率和裝配質量。

1.3 虛擬裝配

以產品設計為中心的虛擬裝配，是在虛擬環境下對CAD模型進行裝配性能分析的一項計算機輔助設計技術。基于DFA虛擬裝配的基本任務是尋求產品裝配結構的最優解，即通過CAD模擬產品裝配、進行定量或定性分析，找出結構設計中裝配性差的結構特征，進行設計修改和完善的過程。

使用SolidWorks 等CAD軟件，可對產品的三維模型進行虛擬裝配，并利用CAD提供的分析模塊，進行包括靜態干涉、運動干涉分析以及裝配公差分析等裝配性能分析、判斷和改進。

2 DFA應用步驟

產品概念設計階段的主要任務是根據用戶要求、設計輸入定義產品的架構，并將產品進行模塊劃分；在此基礎上，建立產品裝配模型，將各類庫文件引入建模過程中，貫徹標準化、模塊化設計理念；完成裝配模型建立之后，開始虛擬裝配，即對模型進行裝配性能分析，運用 DFA簡化設計等方法對裝配體及零部組件進行簡化、合并等設計改進，并且進行裝配相關檢查，直到得到優化模型。

根據DFA的應用方法，制定出在SolidWorks環境下產品設計的流程，見圖1所示。

3 DFA裝配建模

主要需要建立兩類模型，一類是建立一系列庫模型，一類是對產品本身結構的建模，而前者是后者的基礎。在對產品建模的過程中貫徹標準化模塊化思想，為產品的簡化設計提供良好的土壤。

3.1 產品裝配建模

CAD裝配建模有自下而上和自頂向下兩種方法。自下而上設計法即首先完成零件設計建模，然后在裝配文件中逐一插入零部件，組合成裝配體模型，零部件之間無關聯；自頂向下法為在裝配文件中直接建立零部件模型，零部件之間往往存在幾何關聯以及配合限制。

綜合兩種設計方法的優勢，在方案設計階段，采用自頂向下的設計思路，首先規劃產品裝配體的框架，劃分模塊類型，在此基礎上，將產品主體零件在裝配圖中進行初步建模或者將通用模塊裝入裝配體中，使產品具備基本的模型架構，然后進入自下而上的模式，對構成裝配體的零件模型作細化處理以及建立相關的零件，將生產的零部件裝入裝配體中并進行配合限制，逐步裝配形成產品最終的裝配模型。

3.2 庫文件建模

庫文件泛指CAD軟件可調用的所有子組件和模塊，它是構建新研制產品的基礎，也是面向裝配的設計中標準化和模塊化設計原則實施的基礎。

庫文件建立的原則是：

（1）庫文件歸屬文件夾應層次分明，庫文件名應簡潔明確地表示出庫集合的特征，以方便選用；

（2）庫文件中固化的組件和模塊，如緊固件、外購件等，盡量以零件形式建模，以便存儲和調用；

（3）分析同一系列模塊的主要安裝尺寸，形成尺寸系列表，以方便建模和擴充；

（4）同一系列化零件的建模盡量采用一個模型、多個配置；

（5）模塊應盡量包含安裝基準、安裝尺寸等裝配信息，有助于選用和避免裝配加工錯誤。

根據庫文件存放的位置和模塊的類型可分為兩類庫，一是存放于計算機本地的本地資源庫；另一種需要通過網絡管理可上傳和下載的ODM電子倉庫。

3.2.1 本地資源庫

根據電子設備的特點，在CAD環境中主要建立緊固件庫（螺釘、螺母等）、電子器件庫（連接器、顯示屏、鍵盤、濾波器等）、機械成品庫（風機、減震器等）、材料庫（屏蔽材料、密封材料、鋁型材）以及通用件庫（機柜、機箱、控制臺、把手、導軌、走線架等）。建立各種庫后，將其存放地址添加到SolidWorks系統選項中的設計庫中，即可開始在CAD界面中直接調用設計庫文件。庫文件的設計、編輯、修改等較容易實現， 技術人員可以通過改變某些參數而不必改動元件設計的全過程來更新設計。

3.2.2 PDM電子倉庫

SolidWorks Workgroup PDM作為SolidWorks的插件，主要用于工作組的產品數據管理，可以將本地成熟產品的數據檢入到電子倉庫，同時也可以分享工作組內其他成員上傳到電子倉庫并共享的數據，以實現設計資源的充分利用，并且能確保設計版本和復雜的結構件掛接關系得到有效管理。

根據電子設備結構面向裝配的設計需要，以便于選擇和調用為建庫原則，電子倉庫可主要劃分為公用資料庫、設備資源庫和工藝資源庫等。將設計相關標準、規范、資料放入公用資料庫中；將工藝相關規程、工具資料等放入工藝資源庫；設備資源庫可以根據電子設備使用的工作環境，如地面、車載、艦載、星載、機載等進行分類，也可以按照結構形式、密封性、抗沖擊振動性和電磁兼容性等產品結構特點設置有利于搜索的關鍵詞。

4 裝配性能分析

4.1 直觀檢查

SolidWorks軟件界面中提供了裝配統計、對稱性檢查、質量特性以及間隙檢查等命令，可以很方便、直觀地對已建立的產品模型進行相關的統計和檢查，根據檢查結果對裝配體作進一步簡化、合并、調整等減少裝配錯誤、提高裝配效率的設計，直觀檢查一般包含以下幾項：

（1）考慮把相鄰、相似、對稱的零件合并成一個零件；（2）設計多功能零件，減少零件數量；（3）合并減少緊固件的種類、數量；（4）調整裝配體及主體零件重心，避免裝配時失穩；（5）通過間隙檢查，避免零件過約束；（6）進行防錯設計，避免非對稱零部件具有一個以上的裝配位置。

4.2 干涉檢查

對產品裝配體的干涉檢查主要包括靜態干涉檢查和運動干涉檢查兩種方式。

SolidWorks命令項中的干涉檢查，能夠直觀、明確、定量地給出裝配體靜態情況下干涉的零件、部位和干涉幾何尺寸，有利于對干涉的零部件定位、定向進行設計修正。

對實現機械運動的產品，采用虛擬仿真工具SolidWorks Motion插件，對虛擬裝配體進行運動學和動力學狀態的仿真，模擬產品的不同運動狀態，檢驗產品的運動性能及設計計算結果的正確性，對運動部件進行運動干涉檢查，查看限位運動的干涉情況以及裝配情況和零部件模型的精確程度，有助于在設計中發現產品結構空間布置的干涉和運動機構的碰撞等問題。

更好地完成干涉檢查的關鍵點是完善裝配體模型，盡量詳盡真實地建模，特別是應注重建立自制件以外的外購件、緊固件、附件等的真實幾何模型，往往一些看似微不足道的省略處會在實際裝配時出現干涉問題。

4.3 公差分析

SolidWorks有 DimXpert和TolAnalyst兩項與公差相關的插件。DimXpert可以直接在3D圖形中按照標準生成標注，還可以幫助用戶查找圖形是否缺少尺寸；TolAnalyst主要作用是解決公差設計的問題。

將公差分析的結果與裝配體的簡化設計原則相結合，簡化裝配關系、減少尺寸鏈數量、減小累積公差，才能夠降低尺寸公差等級，實現寬松且合理的公差設計，提高裝配質量和裝配效率。

4.4 動態裝配

SolidWorks的爆炸視圖和animator插件可提供靜態和動態裝配拆分效果圖，按需要對虛擬裝配體進行拆分、分組，通過爆炸路徑和鍵碼對動畫進行編輯，生成各虛擬裝配體各部分的動畫和圖樣文件。可以用于電子設備結構設計方案評審中，提供直觀生動的產品效果；也可以直接應用于實際裝配生產，特別是對于復雜的產品的裝配具有指導作用。

5 結語

通過基于SolidWorks軟件及其插件對電子設備結構面向裝配的設計作了一些研究和嘗試，體會到無論對軟件強大功能的應用，還是對先進的產品設計模式的理解和運用，都需要更加深入地探索。新的設計方法和設計思路在不斷涌現，CAD軟件的功能也在與時俱進，設計師如何將兩者更好地結合進而提升設計水平，是結構設計人員面臨的一項艱巨任務。

參考文獻

[1]鐘元.面向制造和裝配的產品設計指南[M].北京：機械工業出版社，2013.

[2]童時中.模塊化原理設計方法及應用[M].北京：機械工業出版社，2003.

[3]姜華.熊光楞.曾慶良.面向裝配的設計方法與技術研究[J].計算機集成制造系統-CIMS，1999.4：57-60.