2.3 零件設計

2.3.1 零件設計基礎

1. 零件建模引例

本節要建立如圖2-37所示的軸承座。

（1）零件結構分析

參照該零件的加工過程，分析可知該零件包括毛坯拉伸特征、軸承孔拉伸切除特征、安裝孔拉伸切除和安裝孔鏡像特征組成。其中毛坯拉伸特征為零件第一個特征，且應該選擇圖2-38中所示的草圖為最佳輪廓，如圖2-39所示。把模型放置在假想的“盒子”里，確定使用前視基準面為草圖平面以獲得最佳視角，用拉伸凸臺特征形成實體。其他特征建立順序如圖2-40所示。

（2）零件建模過程

分析零件特征組成，確定特征創建順序，再選擇特征最佳草圖輪廓和草圖平面后即可開始零件建模，具體步驟如下。

1）建立新零件。

單擊“標準”工具欄上的“新建”按鈕，彈出“新建SolidWorks文件”對話框。單擊“零件”，然后單擊“確定”按鈕，新零件窗口出現，并以“支座”名稱保存。

2）基礎特征——毛坯。

●選平面：選擇前視基準面作為草圖平面，在“草圖”工具欄中單擊“草圖繪制”按鈕插入新草圖。

●先已知——矩形：單擊“矩形”，如圖2-41a所示，移動鼠標捕捉圓的左側定位點，并拖動鼠標繪制矩形。按〈Ctrl〉鍵，單擊矩形下邊線和坐標原點，添加“中點”關系。在“草圖”工具欄中單擊“智能尺寸”按鈕，分別標注長度、高度為120mm和15mm。

●后中間——圓：在“草圖”工具欄中單擊“圓”按鈕，在矩形上方完成圓的繪制。按〈Ctrl〉鍵，單擊圓心和坐標原點，添加“豎直”關系。在“草圖”工具欄中單擊“智能尺寸”按鈕，單擊圓線和矩形下邊線，標注兩者距離為60mm。單擊圓線，標注圓的半徑為35mm，如圖2-41b所示。

●再連接——直線：繪制兩條豎線，并分別添加直線和圓的相切關系，如圖2-41c所示。

●裁多余：單擊“剪裁”實體按鈕，剪裁掉草圖中多余的部分，如圖2-41d所示。

●造特征：在CommandManager的“特征”工具欄中單擊“拉伸凸臺/基體”按鈕，在“拉伸”對話框中設方向1為“兩側對稱”，為30mm并單擊“確定”按鈕，則完成拉伸特征建立。

●重命名：在FeatureManager設計樹中，單擊“拉伸1”特征，當名稱高亮顯示并可編輯時，輸入“毛坯”作為新的特征名稱。

3）切除特征——軸承孔。

●選平面：選擇“毛坯前面”，單擊“視向選擇”，選擇“正視于”。

●繪形狀：在“草圖”工具欄中單擊“草圖繪制”按鈕插入新草圖，在“草圖”工具欄中單擊“圓”按鈕，完成圓繪制。

●定位置：按住〈Ctrl〉鍵，選擇毛坯前面的圓弧和圓線，添加“同心”關系。

●設大小：單擊“智能尺寸”按鈕，將圓的直徑設為40mm，然后單擊“確定”按鈕。

●軸承孔：選擇“插入”→“切除”→“拉伸”命令或在“特征”工具欄命令單擊“拉伸切除”按鈕。如圖2-42所示，在“切除-拉伸”對話框中選擇“完全貫穿”，單擊“確定”按鈕。這種類型的終止條件總是完全貫穿整個實體模型以適應深度變化。把這個特征改名為“軸承孔”。

4）切除特征——安裝孔1。

●孔定位：選擇底板上平面，單擊“視向選擇”，選擇“正視于”。如圖2-43所示，單擊“草圖”工具欄上的“直線”按鈕，捕捉底板上平面上下兩邊的中點，繪制直線，在“屬性”對話框中選擇“作為構造線”復選框。在“草圖”工具欄中單擊“圓”按鈕，完成圓繪制。按住〈Ctrl〉鍵，選擇圓心和坐標原點，添加“水平”關系約束。在“草圖”工具欄中單擊“智能尺寸”按鈕，單擊圓線和中心線，移動鼠標超過中心線，標注對稱尺寸為100mm。單擊圓線，標注其直徑為10mm。

●鉆通孔：選擇“插入”→“切除”→“拉伸”命令或在“特征”工具欄中單擊“拉伸切除”按鈕。在“切除-拉伸”對話框中選擇“完全貫穿”，單擊“確定”按鈕。把這個特征改名為“安裝孔1”。

5）鏡像特征——安裝孔2。

選擇“插入”→“陣列/鏡像”→“鏡像”命令。在特征樹中選擇“右視基準面”作為鏡像平面，選“安裝孔1”為要鏡像的特征，單擊“確定”按鈕，改名為“安裝孔2”。

6）編輯材料。

右擊特征樹上的“材料”特征，在彈出的快捷菜單中選擇“編輯材料”→“黃銅”命令，完成材料的添加。

7）保存結果。

在“標準”工具欄中單擊“保存”按鈕，或者選擇“文件”→“保存”命令來保存所做工作。

8）視圖顯示方式。

如圖2-44所示，SolidWorks的“顯示”工具欄中提供顯示控制，其中“顯示方式”中提供了許多實體模型在屏幕上不同的顯示方式。

2. 零件建模步驟

由以上引例可見：三維零件設計過程是零件真實制造過程的虛擬仿真，其建模過程可總結為：分特征→定順序→選視向→造基礎→添其他→選材料。

1）分特征：分析零件的特征組成、相互關系及特征的最佳輪廓；如引例中的軸承座，包括毛坯、軸承孔、安裝孔等特征，其中前者相關面是后兩者的草圖平面，而后兩者均完全貫穿前者。

2）定順序：確定特征的構造順序、構造方法和關聯方式。

3）選視向：確定基礎特征的最佳草圖平面和草圖輪廓。基礎特征是零件的第一個特征，其位置決定了零件在三維空間的位置和將來工程圖中各個視圖的位置。為了提高工程圖生成的效率和觀察模型便利，必須慎重選著其草圖平面。如，引例中選擇前視基準面為基礎特征的草圖平面時，其軸測圖更美觀。

4）造基礎：按照確定的最佳草圖平面、最佳草圖輪廓和特征造型方法建立零件的第一個特征，即基礎特征。

5）添其他：按照特征之間的關系，參照零件加工過程創建剩余特征，即“如何加工就如何造型”。

6）選材料：為零件選擇合適的材料。

2.3.2 設計意圖體現

1. 零件的設計意圖

關于尺寸數值被改變后，模型會如何變化的計劃稱為設計意圖。在參數化建模程序中尺寸參數控制著模型的結構，所以設計意圖的表達就十分重要。例如，引例中零件的設計意圖是：所有的孔都是通孔，安裝孔是對稱的，頂端孔的位置從基準面開始測量。

2. 設計意圖的影響因素

開始零件建模時，選擇哪一個特征作為第一個特征，選擇哪個外形輪廓最好，確定了最佳的外形輪廓后，對草圖平面的選擇有何影響，采用何種順序來添加其他輔助特征，這些都要受制于設計意圖。為了有效地使用SolidWorks這樣的參數化建模軟件，建模前必須考慮好設計意圖。

（1）草圖對設計意圖的影響

影響設計意圖的草圖因素包括幾何約束、尺寸關系和草圖的復雜程度。

●幾何約束的影響。草圖幾何約束的影響包括草圖平面的選擇和圖線的位置關系。如圖2-45a所示，選擇大圓盤上表面為小圓柱草圖平面時，下面大圓盤厚度10mm變化時總高度增加，小圓柱高度30mm不變；選擇大圓盤下表面為小圓柱草圖平面時，下面大圓盤厚度10mm變化時總高度40mm不變，小圓柱高度減小。

●尺寸關系的影響。尺寸關系某種程度上也是反映了設計人員打算如何修改尺寸。如圖2-46a所示，無論矩形尺寸100mm如何變化，兩個孔始終與邊界保持20mm的距離。如圖2-46b所示，兩個孔以矩形左側為基準進行標注，尺寸標注將使孔相對于矩形的左側定位，孔的位置不受矩形整體寬度的影響。如圖2-46c所示，標注孔與矩形邊線的距離以及兩個孔的中心距，這將保證兩孔中心距離不變。

●草圖復雜程度的影響。很多情況下，同一零件可以由一個復雜的草圖直接生成，也可以由一個簡單的草圖生成集體特征后，再添加倒角等附加特征來生成。如圖2-47所示的零件，可以用圓角草圖拉伸獲得，也可以用拉伸直角草圖后再添加圓角特征的方法獲得。其中復雜草圖拉伸法，建模速度較快，但草圖復雜，不利于以后的零件修改和在裝配條件下壓縮圓角等細節，而簡單草圖拉伸法則更利于以后的修改操作。

（2）特征對設計意圖的影響

設計意圖不僅僅受草圖的影響，特征構造方法、特征構成、構造順序及其關系等對設計意圖也有很大影響。

●特征構造方法的影響。對于圖2-48所示的簡單臺階軸就有多種建模方法。制陶轉盤法：如圖2-48a所示，制陶轉盤法以一個簡單的旋轉特征建立零件。一個單個的草圖表示一個切面，其包括所有作為一個特征來完成該零件所必需的信息及尺寸。層疊蛋糕法：如圖2-49b所示，層疊蛋糕方法建立這個零件，一次建立一層，后面一層加到前一層上。制造法：如圖2-49c所示，首先拉伸基體大圓柱，然后通過一系列的切割來去除不需要的材料。

以上3種方法體現了不同的設計思想。制陶轉盤法強調了階梯軸的整體性，零件的定義主要集中在草圖中，設計過程簡單，但草圖較為復雜，不利于后期修改；層疊蛋糕法符合人們的習慣思維，層次清晰，后期修改方便，但與機械加工過程恰好相反；制造法是模仿零件加工時的方法來建模，也就是“怎樣加工就怎樣建模”，該方法不僅具有層疊蛋糕法的所有優點，而且在設計階段就充分考慮了制造工藝的要求。

●特征構成的影響。選擇不同的特征建立模型很大程度上反映了模型的設計意圖，而且直接影響零件以后的修改方法和修改的便利性。特征建模的基本原則是根據零件的加工方式和成型方法、零件的形狀特點以及零件局部細節等來選擇合適的特征。如，利用傳統的車削、銑削等方法完成的機加工零件不宜采用很復雜的特征；通過注塑或壓鑄方法成型的薄壁零件，要考慮拔模和壁厚均勻的問題；鑄造零件要考慮零件出模的分型面來選擇適當的草圖平面，零件的出模方向則需要考慮添加適當的拔模角度，而“抽殼”特征則需要保持零件的壁厚基本均勻；鈑金和焊接零件，可采用SolidWorks的鈑金工具和焊接工具進行建模。

●最佳輪廓的影響。在拉伸時，最佳輪廓可比其他輪廓建立更多的模型部分。在圖2-49中，分別顯示了模型的3種可能輪廓和零件的最終特征組成，讀者思考一下選擇哪一個輪廓最好。

輪廓A是矩形的，比模型本身大很多，需要很多的切除或凸臺來去除或添加材料以及建立一些細節，才能完成建模；輪廓B使用模型上“L”形的一條邊，提供了較好的基本外形，但是需要一些額外的工作來形成半圓形的末端；輪廓C是最好的，只需再添加兩個凸臺，就可以完成基本外形，然后再建立切除特征和圓角特征，即可完成模型。

●觀察角度的影響。在SolidWorks的模型空間里，零件的擺放位置多種多樣。事實上，模型在三維空間的擺放位置與建模本身的要求沒有太大的關系，合理地選擇模型的觀察角度是基于如下的考慮：在零件環境中，可利用視圖定向工具切換到適當的角度，便于設計者觀察；在裝配體中，便于零件定位和選取配合對象；在工程圖中，與標準投影方向一致，便于生成視圖。

如將引例中的零件，在投影空間中放置幾次，即可發現最佳輪廓在上視基準面上。

3. 零件建模規劃

零件的造型過程，就是對組成該零件的形狀特征進行造型的總和。把零件分解成若干個特征，并確定特征之間組合形式與相對位置及其構造方法的過程稱為零件規劃。零件規劃包括特征分解、特征關聯等內容。

（1）特征分解

在基于特征的零件設計系統中，特征的組成及其相互關系是系統的核心部分，直接關系著幾何造型的難易程度和設計與制造信息在企業內各應用環節間交換與共享的方便程度。

零件的第一個特征為其基礎特征，特征的組合形式通常有疊加和挖切。其分解原則可總結為“達意圖、仿加工、便修改”。

1）特征應具有一定的設計和制造意義。如為了使減速器從動軸能夠滿足設計要求和工藝要求，它的結構形狀形成過程和需要考慮的主要問題，如表2-7所示。

2）特征應方便加工信息的輸入。按照設計意圖合理規劃特征關系出現的層次。比較固定的關系應當封裝在較低的層次，而需要經常調整的關系放在較高的層次。

3）特征應有利于提高造型效率，增加造型穩定性。應仔細分析零件，簡單、合理、有效地建立相應草圖；嚴格按機械制圖原則繪制草圖；合理應用尺寸驅動、幾何關系，方便日后修改與零件產品系列化；圓角、倒角等圖素盡量用相應的輔助特征實現，而不在草圖中完成。為了觀察方便和簡化工程圖生成時的操作，需要按照觀察角度合理地選擇基體特征草圖平面。

按照上述原則分析，可得到圖2-50所示零件的特征構成。

（2）特征關聯

如果一個特征的建立參照了其他特征的元素，則該特征稱為子特征，被參照特征稱為該特征的父特征，父特征與子特征之間形成父子關系，也叫特征關聯。例如，帶孔板的特征組成如圖2-51c所示，其父子關系如圖2-51f所示。

在特征管理樹中，子特征肯定位于父特征之后。刪除父特征會同時刪除子特征，而刪除子特征不會影響父特征。

特征關聯方式有：草圖約束關聯、特征拓撲關聯和特征時序關聯等幾種類型。

1）草圖約束關聯：指定義草圖時借用父特征的平面作為草圖平面，草圖圖線與父特征的邊線建立了重合、相切等幾何關聯或距離、角度等尺寸關聯關系。如圖2-52b所示，零件建立的草圖關聯關系包括凹槽特征的草圖平面為圓柱的上表面及其草圖圓距圓柱邊線10mm。

2）特征拓撲關聯：拓撲關系指的是幾何實體在空間中的相互位置關系，例如，孔對于實體模型的貫穿關系等。對于拉伸特征而言，拓撲關系主要體現在特征定義的終止條件中，如完全貫穿、到離指定面指定的距離等終止條件方式決定了特征之間的拓撲關系。如圖2-52c所示，零件建立了凹槽特征的高度為距離圓柱特征的下表面10mm的拓撲關聯。

3）特征時序關聯：時序關聯指的是特征建立的先后次序。建立多個特征組成的零件時，應該按照特征的重要性和尺度進行建模。先建立構成零件基本形態的主要特征和較大尺度的特征，然后再添加輔助的圓角、倒角等輔助特征。如圖2-52d所示，零件建立了拉伸凸臺→拉伸切除→邊線倒圓角的時序關聯關系。

（3）零件規劃實例

下面以圖2-53所示的零件為例，說明零件建模前的規劃過程。

1）選擇合適的觀察角度。如圖2-54所示。對于這個模型而言，A的放置方法最佳，應該把選擇的最佳輪廓草圖繪制在“上視”基準面上。

2）選擇最佳的草圖輪廓。圖2-55顯示了3種可能選擇的輪廓，這3個輪廓都可以用來建立模型，下面分析以下3種不同輪廓的優缺點，以便確定一個最佳的草圖輪廓。

選擇輪廓“A”：建立拉伸特征時有兩種情況：拉伸的深度較短時（后面凸臺的厚度），形成一個比較薄的實體，無法反映零件的整體面貌；拉伸的深度較長時（大于整個模型），將需要一系列其他切除特征切除多余的部分。

選擇輪廓“B”：輪廓的整體外形是一個“L”形，這個形狀可以反映零件的整體外貌。但是，拉伸特征無法形成前面的圓弧面，還需要一個圓角或切除特征來實現。

選擇輪廓“C”：使用此輪廓建立拉伸時，給定一個較短深度（下部的厚度），圓弧面部分可以直接形成，再添加拉伸凸臺和拉伸切除即可完成模型。因此，輪廓C是最佳的輪廓。

3）確定特征建立順序。根據確定最佳的輪廓的分析過程劃分出整個零件的建模過程，如圖2-56所示。

4. 零件建模原則

由上述分析可見，建立零件模型絕不是“只要看起來像，怎么構建都可以”，而應該采用“怎樣加工就怎樣建模”的思想，建模前必須想好用怎樣的特征表達零件的設計意圖，必須考慮零件的加工和測量等問題。良好、合理、有效的建模習慣需要遵循以下幾點原則：“草圖盡量簡，特征需關聯，造型要仿真，別只顧眼前”。

1）草圖盡量簡：為了有利于草圖的修改和特征的管理，草圖盡可能簡單，一般為“單輪廓，不倒角”，零件上的圓角和倒角用特征來生成。如圖2-57所示，從單輪廓草圖開始建模。

2）特征須關聯：為了充分體現設計意圖，提高零件的可修改性，特征之間應該有草圖平面借用、特征目標參考、尺寸和幾何關系約束、特征建立先后順序等關聯關系。通常，先建立構成零件基本形態的主要特征和較大尺度的特征，然后再添加輔助的圓角、倒角等輔助特征。如圖2-58所示，圓筒的草圖平面在平板的底面上，支管的拉伸切除終止關系為“成形到下一個面”，而不是用“給定深度”。這樣通過建立與前一個特征的關聯關系，不僅與其實際加工工程相似，而且再改變前一個特征尺寸時，仍然可以反映最初的設計意圖，體現了“牽一發而動全身”的特點，而且提高了設計效率。

3）造型要仿真：為了充分體現零件的可加工性能，減少特征分解時間，盡量參照零件的加工制造過程確定特征的組成及其建立順序與方法。如圖2-59所示，階梯軸的建模過程參照“一夾一頂”的階梯軸加工過程建模，而不采用旋轉特征一次成形。

4）別只顧眼前：建模時，不能只考慮目前正在建模的零件建立相關特征，而應該從提高零件模型的可重復性利用程度、以后裝配時減小零件規模、生成圖紙和后續CAE分析等多種用途選擇合理的草圖和特征組成。如圖2-60所示，兩個零件均是由圖中所示特征，圓周陣列而獲得，只是角度不同而已。