基于Solidworks的復雜叉架類、箱體類零件建模研究

錢園勝，褚園園，楊咸啟，吳承偉，曹建華

（黃山學院機電工程學院，安徽黃山245041）

Solidworks是面向設計的一款三維建模軟件，已經普遍應用于機械設計領域，設計人員可以將創意轉變為產品[1]。三維建模是機械設計人員必須具備的能力，如何提高建模效率和準確度是設計人員必須面對和亟待解決的問題。

機械零件主要分為軸類、盤類零件、叉架類、箱體類零件4大類零件，其中叉架類、箱體類零件是三維建模，難度比較大。對這兩類復雜零件還沒有一般性特別適用的解決方法[2]。對于復雜零件建模如齒輪，先對齒輪進行參數化設計，根據工業上所需齒輪型號、規格的差異，進行二次開發，從而實現齒輪建模，這導致齒輪類零件設計效率低[3]。對一些復雜曲面體，一般采用放樣、彎曲、包覆等高級命令進行復雜零件建模[4]。對于復雜零件建模之前，通常采用特征元分解方法對零件進行測量規劃，然后采用混合建模技術創建模型[5]。本文提出基于特征的模塊分解方法進行分塊建模確定。

1 復雜叉架類零件建模

叉架類零件主要起支撐、連接作用。叉架類零件一般含有不規則曲面、不對稱結構、變截面桿件，其結構比較復雜。針對這類零件，采用分解法確立主、次結構。主要結構一般取直接且較容易建模的結構，如棱柱、棱錐、圓柱體、圓錐體等；次要結構一般含有不規則曲面、不對稱結構等。要確定建模的先后次序：具有定位作用的主要結構先建模，次要結構后建模。

本文以某款自行車車架的后下架為例來闡述建模過程。如圖1所示，后下架由直徑分別為Φ40 mm、Φ17 mm的圓筒和兩個曲桿構成。

建模以車架的直徑為Φ40 mm和Φ17 mm的圓筒作為主要結構，兩個曲桿為次要結構。通過拉伸形成兩個圓柱體，并在Φ40 mm中創建M35的螺紋通孔，見圖2所示。

下車架的兩曲桿是變截面桿，各處截面形狀不盡相同，可以采用放樣凸臺命令。創建過程：（1）在右視基準面上創建中心線，見圖3(a)；（2）創建5個基準面（與Φ40 mm圓筒相切），繪制5個基準面截面輪廓草圖，見圖3(b)；（3）在圖3(c)中過5個截面草圖曲線上點創建放樣凸臺的引導線；（4）利用放樣凸臺形成曲桿，如圖4所示；（5）通過拉伸凸臺，將曲桿與Φ40 mm圓筒連接，鏡像曲桿形成如圖5所示的自行車后下架三維模型。

圖3 創建中心線、截面圖形和引導線

圖4 放樣凸臺成形曲桿

圖5 自行車后下架三維模型

2 復雜箱體類零件建模

箱體類零件起支承、容納、定位和密封等作用，大多數箱體為內部有空腔的殼體，常有軸承孔、凸臺、肋板和底座等結構，因此結構較復雜，特征比較多，建模難度也比較大。圖6所示的是某一款蝸輪蝸桿減速器箱體零件圖。

創建這類復雜零件的模型時，不要盲目地在沒有規劃的情況下急于建模。需要分析零件的內外結構形狀特點、尺寸以及相對位置和各部分連接關系，建立整體的建模思路，以使建模過程盡量簡化，同時保證所建模型的正確性、可靠性，這樣可以提高建模的效率和準確性。

圖6 蝸輪蝸桿減速器箱體零件圖

2.1 規劃復雜箱體類零件建模路線圖

復雜箱體類零件的結構形式多樣，建模流程不可能完全相同，但是解決問題的方法相同。首先，分析零件的結構特征，根據形體分析法將其分成若干個塊，將每塊分解成solidworks能夠直接建模的簡單幾何體；其次，將分塊建立的模型按照過渡關系或者連接關系組合；最后，利用特征建模，建立細節特征，如圓角、倒角、孔等。通過分析可以確立復雜箱體類零件建模路線為“分解→分塊建模→組合→特征建模→零件模型”。這樣的建模方式能夠化繁為簡，大幅度降低建模難度，一旦出現問題可分段修改，而不至影響整體模型結構，因而零件的創建過程變得簡單。

以蝸輪蝸桿減速器箱體為例，分析其結構，根據形體分析法將其分成3塊，分別是上箱體、下箱體和底座。上箱體主要放置蝸輪及其支撐軸等相關零件，上箱體可分成類似于長方體連接板、半圓臺軸承座、半圓柱體型腔。下箱體主要支撐蝸桿，其外形是圓筒，其內部含有兩個帶孔圓臺。底座中棱臺和類似長方形底板構成。

2.2 蝸輪蝸桿減速器箱體分塊建模

將蝸輪蝸桿減速器箱體分解成上箱體、下箱體和底座。上箱體可分解成半圓柱、半圓臺、長方體3種簡單幾何體。上箱體建模過程：（1）通過草圖拉伸半圓柱體，抽殼成形；（2）以半圓柱體端面為基準面創建草圖，并拉伸長方體連接板；（3）以半圓柱體頂面創建半圓臺和凸臺，草圖拉伸和拔模成型見圖7（a），鏡像特征見圖7（b），最后建立上箱體部分如圖8所示。

下箱體可以分解成圓筒、圓臺。下箱體建模過程：（1）草圖拉伸圓筒；（2）以上箱的半圓柱體內表面和圓筒內表面為切割面，通過分割命令和刪去實體命令去掉多余部分，見圖9，10所示；（3）草圖拉伸圓柱體，拔模成型為兩側圓臺，如圖11所示；（4）草圖拉伸成型長方體，用長方體連接上、下箱體，分割命令切去多余部分；（5）將圓筒、長方體連接部分與上箱體合并。

圖7 創建半圓臺軸承座

圖8 上箱體建模路線

圖9 分割

圖10 下箱體圓筒

底座可以分解為四棱臺支架、長方形底板。底座的建模過程：（1）通過草圖拉伸、拔模長方形底板和四棱臺支架，如圖12所示；（2）四棱臺支架與長方形底座共有一棱臺形空腔，在四棱臺下底面抽殼成形；（3）在四棱臺底面和長方體底面創建草圖曲線，放樣切除，從而形成棱臺形空腔，如圖13所示。

2.3 蝸輪蝸桿減速器箱體特征建模

在蝸輪蝸桿減速器箱體上有數量很多、類型不同的孔以及圓角，應用Solidworks特征建模技術來創建：上箱體和底座上3類孔通過鏡像，線性陣列，如圖14所示。

圖11 下箱體圓筒兩端圓臺

圖13 放樣切除后底座

3 結論

本文針對叉架類零件，采用分解法，劃分主、次結構，確立建模順序，依次建模；對于箱體類零件，以形體分析法對結構分解，分解成若干塊，確定建模規劃路線圖，并進行分塊建模、組合，最終創立零件模型。采用此方法有效解決了這兩類復雜零件建模難度大、效率低的問題，對復雜機械零件設計和建模有指導意義。

圖12 創建底座

圖14 蝸輪蝸桿減速器箱體

[1]張忠將.Solidworks2013機械設計從入門到精通[M].2版.北京：機械工業出版社，2013：1-174.

[2]楊咸啟,褚園，錢勝.機電產品三維造型創新設計與仿真實例[M].北京：科學版社，2016：195-245.

[3]黃迎春.基于的齒輪參數化設計系統研究[D].大連：大連理工大學，2013.

[4]李奉香，黃政.基于SolidWorks的復雜零件建模和應力分析[J].蘭州工業學院學報，2013，2(20)：31-35.

[5]王喬，成思源，卜研，等.基于特征分解的復雜零件測量規劃與建模技術[J].組合機床與自動化加工技術，2016，1：59-62.