1.3 SOLIDWORKS的设计思想

SOLIDWORKS 2018是一款机械设计自动化软件，它采用了大家所熟悉的Microsoft Windows图形用户界面。使用这套简单易学的工具，机械设计工程师能快速地按照其设计思想绘制出草图，尝试运用特征、尺寸来制作模型和详细的工程图。

利用SOLIDWORKS 2018不仅可以生成二维工程图，而且可以生成三维零件，并可以利用这些三维零件来生成二维工程图及三维装配体，如图1-47所示。

1.3.1 基于特征的零件建模基本过程

传统的机械设计要求设计人员必须具有较强的三维空间想象能力和表达能力。当设计师接到一个新的零件设计任务时，他的脑海中必须构造出该零件的三维形状，然后按照三视图的投影规律，用二维工程图将零件的三维形状表达出来。随着计算机相关技术，尤其是计算机图形学的发展，CAD技术也逐渐由二维绘图向三维设计过渡。三维CAD系统采用三维模型进行产品设计，设计过程如同实际产品的构造和加工制造过程一样，反映产品真实的几何形状，并使设计过程更加符合设计师的设计习惯和思维方式。设计师可以更加专注于产品设计本身，而不是产品的图形表示。

SOLIDWORKS是基于特征的实体造型软件。“基于特征”这个术语的意思是：零件模型的构造是由各种特征来生成的，零件的设计过程就是特征的累积过程。

所谓特征，是指可以用参数驱动的实体模型。特征通常应满足如下条件。

● 特征必须是一个实体或零件中的具体构成之一。

● 特征能对应于某一形状。

● 特征应该具有工程上的意义。

● 特征的性质是可以预料的。

改变与特征相关的形状与位置的定义，可以改变与模型相关的形位关系。对于某个特征，既可以将其与某个已有的零件相联结，也可以把它从某个已有的零件中删除。任何复杂的机械零件，从特征的角度看，都可以看成是由一些简单的特征所组成的，所以可以把它们叫作组合体。

组合体按其组成方式可以分为特征叠加、特征切割和特征相交3种基本形式，如图1-48所示。

零件建模前，一般应进行深入的特征分析，清楚零件是由哪几个特征组成的，明确各个特征的形状、它们之间的相对位置和表面连接关系；然后按照特征的主次关系，按一定的顺序进行建模。下面就对上述3个简单的零件进行特征分析。

叠加体零件a）可看作由3个简单特征叠加而成，它们是作为底板的长方体特征1、半圆柱特征2和小长方体特征3，如图1-49所示。

切割体零件b）可以看作由一个长方体被3个简单特征切割而成，如图1-50所示。

相交体零件c）可以看作由两个圆柱体特征相交而成，如图1-51所示。

一个复杂的零件可能是由许多个简单特征经过相互之间的叠加、切割或相交组合而成的。零件建模时，特征的生成顺序很重要。不同的建模过程虽然可以构造出同样的实体零件，但其造型过程及实体的造型结构却直接影响到实体模型的稳定性、可修改性、可理解性及可应用性。通常，实体零件越复杂，其稳定性、可靠性、可修改性、可理解性就越差。因此，在技术要求允许的情况下，应尽量简化实体零件的特征结构。

SOLIDWORKS 2018按创建顺序将构成零件的特征分为基本特征和构造特征两类。最先建立的特征就是基本特征，它常常是零件最重要的特征。建立好基本特征后，才能创建其他各种特征，基本特征之外的这些特征统称为构造特征。另外，按照特征生成方法的不同，又可以将构成零件的特征分为草绘特征和复杂特征。草绘特征是指在特征的创建过程中，设计者必须通过草绘特征截面才能生成的特征。创建草绘特征是零件建模过程中的主要工作。复杂特征是利用已有的特征和系统内部定义好的一些参数定义的特征，如阵列特征和镜像特征等。

1.3.2 三维设计的3个基本概念

1.实体造型

实体造型就是在计算机中用一些基本元素来构造机械零件的完整几何模型。传统的工程设计方法是设计人员在图纸上利用几个不同的投影图来表示一个三维产品的设计模型，图纸上还有很多人为的规定、标准、符号和文字描述。对于一个较为复杂的部件，需要用若干张图样来描述。尽管这样，图样上还是密布着各种线条、符号和标记等。工艺、生产和管理等部门的人员需要认真阅读这些图样，理解设计意图，通过不同视图的描述想象出设计模型的每一个细节。这项工作非常艰苦，由于一个人的能力有限，设计人员不可能保证图样的每个细节都正确。尽管经过层层设计主管检查和审批，图样上的错误总是在所难免。

对于过于复杂的零件，设计人员有时只能采用代用毛坯，边加工设计边修改的方法，经过长时间的艰苦工作后才能给出产品的最终设计图样。所以，传统的设计方法严重影响着产品的设计制造周期和产品质量。

利用实体造型软件进行产品设计时，设计人员可以在计算机上直接进行三维设计，在屏幕上能够见到产品的真实三维模型，所以这是工程设计方法的一个突破。在产品设计中的一个总趋势就是：产品零件的形状和结构越复杂，更改越频繁，采用三维实体软件进行设计的优越性就越突出。

在计算机中建立零件模型后，工程师就可以在计算机上很方便地进行后续环节的设计工作了，如部件的模拟装配、总体布置、管路铺设、运动模拟、干涉检查以及数控加工与模拟等。所以，它为在计算机集成制造和并行工程思想指导下实现整个生产环节采用统一的产品信息模型奠定了基础。

大体上完整表示实体的方法有单元分解法、空间枚举法、射线表示法、半空间表示法、构造实体几何（CSG）以及边界表示法（B-rep）6类。

2.参数化

传统的CAD绘图技术都用固定的尺寸值定义几何元素，输入的每一条线都有确定的位置。要想修改图面内容，只能删除原有线条后重画。而新产品的开发设计需要多次反复修改，进行零件形状和尺寸的综合协调和优化。对于定型产品的设计，需要形成系列，以便针对用户的生产特点提供不同吨位、不同功率、不同规格的产品型号。参数化设计可使产品的设计图随着某些结构尺寸的修改和使用环境的变化而自动修改图形。

参数化设计一般是指设计对象的结构形状比较定型，可以用一组参数来约束尺寸关系。参数的求解较为简单，参数与设计对象的控制尺寸有着显式的对应关系，设计结果的修改受到尺寸的驱动。生产中最常用的系列化标准件就属于这一类型。

3.特征

特征是一个专业术语，它兼有形状和功能两种属性，包括特定几何形状、拓扑关系、典型功能、绘图表示方法、制造技术和公差要求。特征是产品设计与制造者最关注的对象，是产品局部信息的集合。特征模型利用高一层次的具有过程意义的实体（如孔、槽、内腔等）来描述零件。

基于特征的设计是把特征作为产品设计的基本单元，并将机械产品描述成特征的有机集合。

特征设计有突出的优点，在设计阶段就可以把很多后续环节要使用的有关信息存储到数据库中。这样便于实现并行工程，使设计绘图、计算分析、工艺性审查到数控加工等后续环节工作都能顺利完成。

1.3.3 设计过程

在SOLIDWORKS中，零件、装配体和工程都属于对象，它采用了自上而下的设计方法创建对象，图1-52显示了这种设计过程。

图1-52中所表示的层次关系充分说明：在SOLID-WORKS中，零件设计是核心，特征设计是关键，草图设计是基础。

草图指的是二维轮廓或横截面。对草图进行拉伸、旋转、放样或沿某一路径扫描等操作后即生成特征，如图1-53所示。

特征是指可以通过组合生成零件的各种形状（如凸台、切除、孔等）及操作（如圆角、倒角、抽壳等），图1-54给出了几种特征示例。

1.3.4 设计方法

1.零件设计

零件是SOLIDWORKS中最主要的对象。传统的CAD设计方法是由平面（二维）到立体（三维），如图1-55a所示。工程师首先设计出图样，工艺人员或加工人员根据图样还原出实际零件。然而在SOLIDWORKS中却是工程师直接设计出三维实体零件，然后根据需要生成相关的工程图，如图1-55b所示。

此外，SOLIDWORKS零件设计的构造过程类似于真实制造环境下的生产过程，如图1-56所示。

2.装配件设计

装配件是若干零件的组合，是SOLIDWORKS中的对象，通常用来实现一定的设计功能。在SOLIDWORKS中，用户先设计好所需的零件，然后根据配合关系和约束条件将零件组装在一起，生成装配件。使用配合关系，可相对于其他零部件来精确地定位零部件，还可定义零部件如何相对于其他零部件移动和旋转。通过继续添加配合关系，还可以将零部件移到所需位置。配合会在零部件之间建立几何关系，例如共点、垂直、相切等。每种配合关系只对于特定的几何实体组合有效。

图1-57所示为一个简单的装配体，由顶盖和底座两个零件组成，其设计、装配过程如下所述。

1）首先设计出两个零件。

2）新建一个装配体文件。

3）将两个零件分别拖入到新建的装配体文件中。

4）使顶盖底面和底座顶面“重合”，顶盖底一个侧面和底座对应的侧面“重合”，再将顶盖和底座装配在一起，从而完成装配工作。

3.工程图设计

工程图就是常说的工程图样，是SOLIDWORKS系统中的对象，用来记录和描述设计结果，是工程设计中的主要档案文件。

用户由设计好的零件和装配件，按照图纸的表达需要，通过SOLIDWORKS系统中的命令可以生成各种视图、剖面图、轴侧图等，然后添加尺寸说明，即可得到最终的工程图。图1-58显示了一个零件的多个视图，它们都是由实体零件自动生成的，无须进行二维绘图设计，这也体现了三维设计的优越性。此外，若对零件或装配体进行了修改，则对应的工程图文件也会相应地修改。