三維參數化設計在舞臺機械設計中的應用

宋瀛海 戴歡斌 尹洪 徐世章

【摘? ? 要】 介紹應用SolidWorks軟件對舞臺機械卷揚機總成進行三維參數化設計的意義和方法，提出三維參數化設計的延 伸應用，總結三維參數化設計中需要注意的事項和仍然存在的問題。

【關鍵詞】 SolidWorks;三維參數化設計;舞臺機械;卷揚機

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

1? 前? 言

舞臺機械吊桿類設備設計中，卷揚機總成占據了其設計工作量的大部分，因此，提高這部分的設計效率和設計質量，是提高吊桿設計效率的關鍵。卷揚機總成雖為非標設計，但其具有系列化的特點。在傳統的二維CAD設計里，對此特點的設計非常低效，必須逐一修改卷揚機總圖和零件圖，且修改時常常會顧此失彼，很難保證設計質量，同時，校審的工作量依然沒有減少。但是，在三維設計平臺上，利用三維軟件提供的自頂向下的設計方法和可參數化、二維三維相關聯等特性，能夠最大程度地提高卷揚機總成的設計效率和質量，減少校審內容，從而大大縮短吊桿類設備的設計時間。

應用SolidWorks軟件對吊桿類卷揚機總成進行三維參數化設計的研究，目前已經完成了電動吊桿、假臺口、單點吊機等幾種設備的卷揚機總成三維參數化設計模板，并在多個工程的吊桿類設計中得到了成功應用，大幅提高了設計效率，使得設計質量也有明顯提升。

2? 卷揚機總成模型的三維參數化設計

2.1? 卷揚機總成模型零部件特征參數分析

對卷揚機總成進行分解，一個卷揚機總成包含40多個零部件，分為加工件、外購件、標準件等。每一個零件又由不同的特征參數組成：幾何特征參數、裝配特征參數、屬性特征參數等。圖1所示為卷揚機總成各組成的樹狀圖，可以清晰地表明卷揚機總成的所有信息。

通過對以上樹狀圖分析，卷揚機總成特征可以抽象為有限個特征參數（特征參數1～特征參數n），當然這些特征參數歸屬為不同的零部件，并且特征參數絕大部分是固定不變的，只有小部分特征參數決定了卷揚機總成的設計。

2.2? 卷揚機總成模型零部件特征關聯分析及提取

從2.1的特征分析可以得到卷揚機總成的所有特征參數，這些特征參數盡管分別屬于不同的零部件，但是同一個零部件之間的特征參數以及不同零部件的特征參數存在關聯。卷揚機總成模型的建立就是在模型中關聯這些特征參數，并形成約束，這就是建立卷揚機總成模型的意義所在。當一個特征參數改變時，和其有約束關系的其他特征參數在不破壞裝配關系的情況下會存在自動調整機制，零部件之間形成聯動，達到設計的自動化。卷揚機總成模型零件特征參數之間的相互關聯見圖2所示，特征參數之間的連線表示兩特征參數之間有關聯約束關系。

由于特征參數的描述往往比較抽象，不利于設計師理解設計的內容。為了更方便地服務于設計師，在模型建立時可以提取獨立的特征參數作為設計參數固化在模型中，設計者只需要知道設計參數代表的意義，而不需要進入到零部件內部修改這些特征參數。這樣做大大降低了生成新產品時三維模板的修改難度和工作量，使參數化模型簡單易用。圖2也反應了特征參數的提取，從圖中可以看出卷揚機裝配總成的特征參數是由零件的特征參數提取而來。

2.3? 卷揚機總成模型建立

2.3.1? 模型屬性特征參數分析

模型設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，主要設置的是三維模型文件的各個屬性參數。這些屬性參數是和二維工程圖的標題欄中的各項內容相對應的，如工程名稱、設計階段、裝配體（零件）名稱、圖號、件號、數量、材料、重量等，三維模型文件的屬性賦值后，二維工程圖的標題欄就能自動完成，同時，二維裝配總圖中的材料明細BOM表也能據此自動生成。二維文件模型需要設置的內容較多，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的格式;另外，還需要設置圖紙格式模型、材料明細表模型、自定義材料庫等，如果需要轉換成DWG格式圖紙，還需要設置字體和線型轉換格式模型。

模板是保證產品標準化設計的基礎，必須嚴格、細致地制定。

2.3.2? 建立外購件模型庫

對于各類常用編碼器、軸承、傳感器、電動機、減速器等外購件需建立參數化的模型庫，方便隨時增加型號，同時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所選外購件的型號更改而自動修改，以提高設計效率。

2.3.3? 卷揚機總成三維模型參數關聯及提取

利用上文2.2節提到的方法，對卷揚機總成采用自頂向下的裝配體設計，設置的全局變量（常數）只包含吊桿卷揚機布置參數和一些需要計算確定的值，如鋼絲繩直徑、繩槽螺距、繩槽底徑、卷筒體壁厚，卷筒體外徑、吊點數量、吊點距離、卷筒總長等，如圖3所示。然后在裝配體環境中建立各零件文件，以卷筒為首個零件，在裝配體中建模、定位后，作為其他零件建模和定位的基準。零件設計時，應盡量利用與周邊零部件的約束關系和邏輯關系生成特征關聯約束。如果零件之間沒有直接的邏輯關系，可以引入方程式，在零件之間或者零件內部形成特征關聯約束（方程式關聯如圖3所示）。在零件層面不設置全局變量，如有需要，也應在裝配體層面設置，通過方程式引入零件，以此保證以后模板參數的修改始終只在裝配體層進行，使修改內容一目了然。當所有零件建模完成后，用軟件自帶的Toolbox國標緊固件庫加入所有標準緊固件。卷揚機總成三維模型如圖4所示。

2.3.4? 生成卷揚機總成和零件二維工程圖

以卷揚機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，自動生成帶相應圖框和標題欄的空白圖紙;然后，利用軟件豐富的二維視圖功能，生成所有需要的視圖，接著對視圖進行尺寸和其他標注，再利用材料明細BOM表模板自動生成材料明細表，調整零件序號順序;最后，插入卷揚機技術特性表和說明文字模塊，修改相應值，一張卷揚機總圖即可完成。

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換為PDF和DWG格式文件，方便交互。

2.3.5? 三維參數化模型的使用

三維參數化模板設計好后，將其三維和二維文件一起打包，單獨保存。當需要利用其生成新產品時，打包到新目錄結構下，根據吊桿計算結果修改全局變量，調整卷揚機三維模型。然后，打開相應的裝配或零件工程圖，此時，工程圖中的視圖、尺寸標注等會自動關聯修改，只需調整圖面布局和尺寸分布，修改相關注釋文字，即完成整套新卷揚機總成的全部設計工作。設計效率高，設計質量保證性好。

2.4? 三維參數化設計注意事項和存在的問題

（1）三維參數化設計雖然好處很多，但是最大的問題在于要想建立理想的參數化模板，前期需要投入大量的精力，研究軟件性能，分析產品特點，制定規范的二、三維文件模板，建立外購件模型庫、設計三維模型，生成二維工程圖，這些步驟環環相扣。前期應詳加考慮，科學規劃，盡可能減少后期修改，否則很多工作可能要推倒重來。

（2）參數化模型的參數設置要深思熟慮，科學合理。既要根據模型本身的結構特點和建模方法來設置，更要從今后模板修改重用便利的角度出發，因此，參數數量要盡可能少，并且應都位于頂層裝配體中。據此建立的產品模板，修改清晰明確，無需深入模型底層，便于大范圍地推廣應用和質量控制。

（3）運用自頂向下的設計方法，在裝配體環境中生成零件時，要結合零件在二維圖紙中需要表現的視圖綜合考慮零件文件自身基準面的選擇及零件在裝配體中的定位關系，以避免因無法生成合適的二維工程圖而導致模型返工的情況。

（4）要利用屬性選項卡編制器編制三維模型文件的屬性模板，并以模板對三維模型文件屬性進行賦值，可以大大提高效率。

（5）零件在裝配總圖材料明細表中的件號和數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，也增加了校核內容，已向軟件商反映，希望能在新版本中改善。

（6）目前，對于卷揚機總成裝配體模型，其二維總圖運行速度仍然不夠流暢，修改、保存延時較長。在和其他行業單位的交流中發現，其們設計的全參數化三維模型也有類似現象。這種情況一方面需要對模型進一步優化，減少運算量，另一方面也寄希望，軟件商能盡力提高軟件性能，發揮參數化設計的最大優勢。

3? 結語

當三維設計已成為不可阻擋的潮流，要不要用三維進行產品設計已不再是問題，如何盡快轉換設計平臺，最大化利用三維設計平臺的性能及其設計方法，實施產品標準化設計，提升設計實力和產品質量才是大家最關心的內容。通過幾年來對應用SolidWorks軟件進行舞臺機械設備智能化設計的研究，探索舞臺機械產品的三維參數化設計方法，設計并不斷完善各類型吊桿卷揚機總成三維參數化模板。從多個工程的實際應用來看，三維設計應用于舞臺機械設備行業大有潛力可挖。希望能與行業同仁共同探索交流，加大應用，加速推廣，全力開拓舞臺機械行業產品的三維設計之路。

參考文獻：

[1] DS SolidWorks公司. SolidWorks零件和裝配體教程（2010版）[M]. 北京：機械工業出版社，2010，4.

[2]DS SolidWorks公司. SolidWorks工程圖教程（2010版）[M]. 北京：機械工業出版社，2010，4.

[3]DS SolidWorks公司. SolidWorks Simulation基礎教程（2010版）[M]. 北京：機械工業出版社，2010，4.