基于SolidWorks 軟件調研及功能特征案例分析＊

邢小穎，湯彬，張琦，馬運，徐江波

（清華大學基礎工業訓練中心，北京 100084）

SolidWork 公司創立于1993 年，一直致力于在每一位工程人員的桌面上，創造一種極具生產效率的實體仿真產品設計軟件系統。自1995 年發布了SolidWorks 三維機器人產品設計軟件系統以來，其發展速度很快，且產品使用范圍相當廣闊，包括了宇航、機車、食品、機械設備、軍事、交通運輸、模型、電子產品通信、醫藥儀器、娛樂產業、日生活用品/消費品、離散制造領域，以及遍布在全世界一百余個國家的大約三億零一千戶公司。1997 年，SolidWorks 被俄羅斯達索公司并購后，成為達索在中端產品主導市場上的主打名牌，功用強勁、易學易用和創新是其軟件產品的3 個特色[1]。該軟件也是當今世界上首個完全采用Windows 技術開發的三維CAD 控制系統，因為創新順應了當前CAD 科技的蓬勃發展風潮與市場發展趨勢，企業將在2 年內變成中國CAD/CAM 產業中盈利最高的企業。

1 SolidWorks 軟件簡介及功能介紹

SolidWorks 軟件在實物造型領域所表現出來的人工智能技術優越性非常明顯，具體如下：①它能夠提高產品設計和出細圖的效率，提高直觀表現的能力。②能夠減少設計干涉現象，提高產品設計效果。③當對CNC 完成編程后，能夠自動給生產過程創建所需要的3D 實體模型，從而提高機器設備的生產效率。④具備了自動追蹤與執行的自動更新特性。⑤通過更加智能化地幫助設計研究零件特征，控制相關數據快速產生的變型，單機的拖動模型幾何體就能夠實現編輯造型[2]；三維幾何體能夠在創建曲面、簡單或更復雜的有機結構和方程式建模后，幫助研究三維建模，從而知道具體的質量特征和結構（品質、密度、尺寸和慣性動量等）。

在加工制造方面，經研究后發現涉及的設計范疇也相當寬泛，其中在大裝配體設計方面，借助SolidWorks 3D CAD 處理可包含一百多種零件的產品設計，而該軟件中經常使用的各種功能可進行管理、組裝、檢測和錄入大型產品設計，以便加速產品設計流程，節省時間與開發成本，并提升生產效能。

軟件仿真方面，SolidWorks 是一種全功能的運動模擬軟件操作系統，無縫整合后能夠對繁雜機器體系提供全方位的運動學和動力學，模擬后得到體系中各種零件的繁雜運動狀況，包含位置、轉速、加轉速、力和反推動力等，并以動畫、圖像、表單等形式輸出結果，還能把零件在繁雜運動狀況下的重復負荷狀況直觀傳遞到主流有限元分析軟件系統中，以實現合理的剛度和構造解析[3]。在SolidWorks 中實現仿真組裝，可以將其三維造型與實現后的各零件按照其對應的安裝關聯和連接方法等并加上一定的制約關聯（一般指平行、重合與同軸等），使其形成了一種全新的仿真組裝體，同時在此過程中還能夠很方便地檢測出所組裝零件間的相互干涉和碰撞等情況，從而及時、精確地發現修改后零件的結構尺寸和各零件的安裝制約關系[4]。

2 基于軟件的套筒模具設計及人工智能技術的應用剖析

2.1 套筒模具設計

第一，進行草圖繪制。選擇前視基準面，此時進入到草圖繪制狀態下，首先繪制一條中心線，然后繪制套筒部分草圖，點擊智能尺寸，進行尺寸的確認，如圖1 所示。

圖1 草圖繪制

第二，將上述繪制好的圖形進行實體鏡像，得到完整的草圖，然后利用旋轉凸臺的功能得到三維模型半成品，如圖2 所示。

圖2 三維模型半成品

第三，繼續草圖繪制直徑40 mm 的圓，利用切除—拉伸的功能進行打孔，使之完全貫穿，之后拔模，角度為1.5°，如圖3 所示。

圖3 孔的切除拉伸及拔模

第四，制造方法選用鑄造，所以需繪制澆注系統。內澆道的繪制參考幾何體—插入基準面—凸臺拉伸進行繪制，橫澆道和直澆道經過凸臺拉伸，最終得到三維模型實體，如圖4 所示。

圖4 最終的三維實體模型

2.2 人工智能技術在軟件中的應用剖析

人工智能技術是通過計算機的大數據分析人類認知方式及其思考方法，然后應用于軟件中[5]。由于人們觀念的改變，計算機模擬思維也是一個十分復雜的流程，而認識信息內容也必須通過軟件系統支持。當軟件完成機器學習模擬功能后，就能夠根據自身需要調整信息內容，并應用于所掌握的信息處理問題，如果出現還未了解的問題，就能夠進行搜索“機器大腦”，找到處理數據。在SolidWorks 以往的版本中，都增加了CosmosXpress，使用過程中如何實現仿真分析的問題功能，軟件中還提出了Cosmos MotionXpress（運動仿真分析）、Cosmos FloXpress 和DFMXpress（可設計性的分析方法）等技術模塊，使設計者可以更好地完成產品分析工作，在快速設計三維產品的過程中，也能夠直接使用3DLib 軟件模型庫。

另外，利用SolidWorks Plastics 的模具填充仿真技術，可顯示熔融的樹脂在注塑模具運動過程中的流動狀態，從而檢測零部件和模具運動中與設計過程有關的問題，以便于在產品設計過程中迅速判斷零部件穩定性和可造性。SolidWorks 軟件在上述的仿真中無論是零件的力學仿真還是在鑄造的澆注仿真，都需要利用一些插件模型庫或軟件來實現，這就給仿真帶來一定的困難及不方便性，如果能做到像SurfMill 軟件把零件設計和仿真加工在一個軟件里面完成，效率會大大提高[6]。以上面套筒為例，將模具三維圖設計完成之后，需要用到鑄造技術進行制造加工，但是由于傳統的鑄造生產和工藝制定過程中，主要是根據經驗積累和反復試錯，才能做出合格產品。這種依靠經驗和反復試錯的做法導致生產周期長、成本高，而且很難保證鑄件的質量。如果在模具設計完成之后就可以直接實現對鑄造的虛擬仿真，通過估計溫度場、液體壓強、空氣壓力、流體速率、氣體體積分數、各澆道流速等數據，預計缺陷的出現范圍，并估計在凝固和冷卻過程中的氣體收縮，那么工程師們經過對仿真數據的深入研究后，便可以預知縮孔、縮松等各類典型鑄造問題的出現情況，在完善和調整工藝流程、減少廢品量、提高工藝出品效率、縮短制造時間、降低成本、降低技術對社會經濟的依賴性、保證技術的穩定性等方面均具有較好的作用。下面利用某軟件對套筒模型進行的虛擬仿真，結果如圖5 所示。

傳統的機械設計加工以二維圖紙設計為主，根據圖紙直接進行產品生產，導致生產的實際產品無法達到預期，造成時間和資源浪費的情況，而采用三維機械設計軟件SolidWorks 進行工業機器人工裝設計，通過零件圖的繪制和裝配體的模擬裝配，如果能再結合制造技術的仿真模擬，就可以很好地展現產品的成品效果，便于及時發現設計缺陷，避免了傳統機械設計環節中的弊端，成為當下機械工程領域的發展趨勢。所以，本文對SolidWorks 在人工智能發展中的應用進行探討有很大的現實意義。新一代人工智能的概念是制造智能的機器及其過程的技術，所以可將它表現為一個如何能夠實現，如何達到此種形式的人工智能技術方法的過程。在中國當前經濟社會發展水平整體提高的大背景下，人工智能主動性和高效性的功能作用已日益突出，尤其是它在應用環境中的廣泛性特點，更是很大程度上已經超過了人們對其發展的期望，唯有如此才能在人工智能與機器人開發環境中實現更大發展，而在實現人工智能軟件的開發環境中，則更需要加強對系統性能的模擬，以確保新一代人工智能開發空間的合理拓展，從而促進產業研發效率的提高。

3 結束語

本文對SolidWorks 的功能特征進行闡述，以具體的套筒案例說明了三維建模流程，以爪體的有限元應力分析說明了在模擬仿真方向的優勢，并通過調研分析出該軟件目前在人工智能仿真方面有一定的發展前景，以其中一種制造方法給出了合理化建議，為后續軟件開發與迭代提供參考。